JP2006282471A

JP2006282471A - 水素燃料供給システム

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Publication number: JP2006282471A
Application number: JP2005106417A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mitsui; 宏之三井; Hiroshi Aoki; 博史青木; Takashi Shimazu; 孝志満津; Satoru Iguchi; 哲井口; Satoshi Aoyama; 智青山
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP4564392B2

Abstract

【課題】再生工程を行う反応器等が逆火現象による損傷を被ることを防止することができる水素燃料供給システムを得る。
【解決手段】水素燃料供給システムを構成する反応器１８は、第１出入口１８Ｃから供給された原料を改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、第２出入口１８Ｅから供給された燃焼用空気を支燃ガスとして再生用ガス入口１８Ｇから供給された再生用ガスを触媒燃焼させて、改質工程で低下した温度を改質可能な温度に上昇させる再生工程とが交互に行なわれるようになっている。反応器１８内の触媒担持部８０と、再生用ガス入口１８Ｇとの間には、再生用ガス及び燃焼用空気の通過を許容し火炎の伝播を阻止する消炎部８４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給するための水素燃料供給システムに関する。

例えば水素を含有する燃料ガスを燃料電池に供給する水素燃料供給システムとして、炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼することで改質工程で低下した触媒温度を上昇させる再生工程とを交互に繰り返すサイクル式炭化水素改質を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献記載のシステムでは、改質工程と再生工程とを行い得る一対の反応器を備えており、一方の反応器が改質工程を行っている間に他方の反応器が再生工程を行うことで、バッチ式に炭化水素改質を行いながら水素含有ガスを連続的に燃料電池に供給するようになっている。
米国特許出願公開２００４／０１７０５５９Ａ１明細書

ところで、反応器が改質工程から再生工程に切り換えられる際には、反応器内で局所的に再生用ガスの濃度の高い領域が生成される場合があり、このような領域では再生用ガスの燃焼温度が他の部分よりも著しく高くなる。そして、このような高温部位に反応器内に供給されてきた再生用ガスが接触乃至近接すると、この再生用ガスが自己着火により気相燃焼が発生し、この気相燃焼は高速で上流側に伝播して逆火現象を引き起こす。このような逆火現象は、急激な温度上昇に伴う熱ひずみによる反応器等の破損、燃焼火炎被曝部位の溶断などにより、水素燃料供給システムの構成部材の寿命を著しく低下させる原因となる。

本発明は、上記事実を考慮して、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる水素燃料供給システムを得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、ガスの通過を許容し火炎の伝播を阻止する消炎部と、を備えている。

請求項１記載の水素燃料供給システムでは、制御装置が切換装置を制御して反応器の第１の状態と第２の状態とを切り換えることで、１つ又は複数の反応器内で、それぞれ供給された原料を所定範囲の温度下で反応させて水素を含有する燃料ガスを生成し排出する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼させることで改質工程で低下した温度を上昇させると共に蓄熱を行い、再生排ガスを排出する再生工程とが交互に行われる。

ここで、反応器内における再生用ガスが触媒燃焼するための触媒の設置部分と、該再生用ガスの供給部分との間に消炎部を設けたため、仮に消炎部に対し触媒設置側で再生用ガスが自己着火して気相燃焼が生じても、火炎が再生用ガスの供給側に伝播されることが防止され（消炎され）、再生用ガスの上流側への逆火が生じることがない。

このように、請求項１記載の水素燃料供給システムでは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる。なお、消炎部としては、例えば再生用ガスと支燃ガスとの混合ガスに対する消炎直径以下の孔を多数有するセラミックや金属など等の多孔体等を用いることができる。

上記目的を達成するために請求項２記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、該再生用ガスと前記酸素含有ガスとが混合するための混合部と、を備えている。

請求項２記載の水素燃料供給システムでは、制御装置が切換装置を制御して反応器の第１の状態と第２の状態とを切り換えることで、１つ又は複数の反応器内で、それぞれ供給された原料を所定範囲の温度下で反応させて水素を含有する燃料ガスを生成し排出する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼させることで改質工程で低下した温度を上昇させると共に蓄熱を行い、再生排ガスを排出する再生工程とが交互に行われる。

ここで、反応器内における再生用ガスが触媒燃焼するための触媒の設置部分と、該再生用ガスの供給部分との間に混合部を設けたため、該混合部において酸素含有ガスと再生用ガスとを十分に混合することができる。このため、再生用ガスの供給部位の近傍では再生用ガス濃度の高い部分が生じやすいが、このような高濃度部分が混合部を通過しながら解消されるので、高濃度部分がそのまま触媒に接触して高温で燃焼することが抑制される。これにより、触媒燃焼温度の高い部分に接触又は近接した再生用ガスが自己着火することが抑制され、逆火の原因となる気相燃焼が発生することが抑制される。

このように、請求項２記載の水素燃料供給システムでは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる。

請求項３記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項２記載の水素燃料供給システムにおいて、前記触媒は多孔体を担体として前記反応器に保持されており、前記混合部は前記触媒を担持しない多孔体を反応器内に配置して構成されている。

請求項３記載の水素燃料供給システムでは、触媒を担持し多孔体と触媒を担持せず混合部を構成する多孔体とが隣接しており、反応器内の温度が安定する。混合部が反応器内に配置された多孔体が混合部を構成しているため、高濃度の再生用ガスが触媒担体側にストレートに流れ込むことが防止され、再生用ガスと酸素含有ガスとの混合が促進される。

請求項４記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項２又は請求項３記載の水素燃料供給システムにおいて、前記混合部は、前記再生用ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを冷却するための冷却手段を有する。

請求項４記載の水素燃料供給システムでは、混合部の冷却手段が再生用ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを冷却するため、再生用ガスの自己着火がより効果的に抑制される。特に、混合ガスを自己着火が生じ得る下限温度未満まで冷却すれば、再生用ガスの自己着火が一層効果的に抑制される。

上記目的を達成するために請求項５記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、該再生用ガスと前記酸素含有ガスとを冷却するための熱交換部と、を備えている。

請求項５記載の水素燃料供給システムでは、制御装置が切換装置を制御して反応器の第１の状態と第２の状態とを切り換えることで、１つ又は複数の反応器内で、それぞれ供給された原料を所定範囲の温度下で反応させて水素を含有する燃料ガスを生成し排出する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼させることで改質工程で低下した温度を上昇させると共に蓄熱を行い、再生排ガスを排出する再生工程とが交互に行われる。

ここで、反応器内における再生用ガスが触媒燃焼するための触媒の設置部分と、該再生用ガスの供給部分との間に熱交換部を設けたため、該熱交換部において触媒に接触する前の再生用ガス及び酸素含有ガスを冷却することができる。このため、仮に触媒の設置部位に局所的な高温部が生じても、この熱が再生用ガスに伝達され難く、再生用ガスの自己着火が抑制される。特に、混合ガスを自己着火が生じ得る下限温度未満まで冷却すれば、再生用ガスの自己着火が効果的に抑制される。

このように、請求項５記載の水素燃料供給システムでは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる。

以上説明したように本発明に係る水素燃料供給システムは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る水素燃料供給システム１２が適用された燃料電池システム１０について、図面に基づいて説明する。先ず、本発明の燃料電池システム１０の全体構成を説明し、次いで本発明の要部である反応器１８の逆火防止構造について説明することとする。

（燃料電池システム構成）
図２には、燃料電池システム１０のシステム構成図（システムフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素燃料供給システム１２と、水素燃料供給システム１２から水素燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池１４と、水素燃料供給システム１２と燃料電池との間で熱交換を行う熱交換器１６とを主要構成要素として構成されている。

水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８を備えている。一対の反応器１８は、それぞれ筒状に形成されたハウジングの内部に改質触媒を配設して構成されており、それぞれ供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気、酸素）を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。改質反応は、以下の式（１）乃至（４）で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_xＨ_y）等の可燃性ガス、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ … （１）
Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂ → ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂ … （２）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ₂＋Ｈ₂ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ₂ ⇔ ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ … （４）
この改質反応は、所定の温度以上（本実施形態では、７００℃）で行われるようになっている。そして、各反応器１８は、改質反応によって低下した触媒温度を上昇するために、改質反応とは独立して、供給された再生用ガスと酸素とを反応させて触媒を加熱すると共に該触媒に蓄熱する再生反応を行うようになっている。この実施の形態では、再生用ガス（後述するアノードオフガス）を燃焼することで、各反応器１８の触媒を上記した改質反応を行い得る温度まで昇温する構成としている。したがって、各反応器１８は、改質反応と再生反応とを選択的に行い得る構成である。各反応器１８内部の逆火防止構造については後述する。

燃料電池１４は、水素燃料供給システム１２からアノード電極（水素極）に供給される上記改質反応によって得た燃料ガス（水素、一酸化炭素、及び未反応の炭化水素を含むガス）と、カソード電極（酸素極）に供給される酸素とを電気化学的反応させることで発電を行う構成とされている。この実施形態では、燃料電池１４は、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）を用いている。このような、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池は、作動温度が３００℃〜６００℃であるため、改質反応が進行する温度域と略同域にあり、改質生成された水素リッチガスを燃料電池の運転温度域で供給することができる。

そして、各種ガスの流れについては後述するが、燃料電池システム１０では、アノードオフガスを反応器１８の再生用ガスとして利用するようになっている。また、燃料電池システム１０では、カソードオフガスが含む水蒸気及び酸素を、上式（１）、（２）の如く改質反応ガスである炭化水素ガスと反応させるようになっている。さらに、燃料電池１４は、その反応温度を略一定の運転温度（例えば、３００℃〜６００℃であり、この実施形態では略５００℃）に保つために冷却用空気にて冷却される構成とされている。燃料電池１４を冷却して昇温された冷却用空気は、再生反応を行うための支燃ガスである酸素含有ガス、すなわち燃焼用空気として利用されるようになっている。したがって、燃料電池システム１０は、基本的には炭化水素原料と、カソード用及び冷却用の空気とを供給するだけで作動するようになっている。

熱交換器１６は、燃料電池１４のアノード電極に供給される高温ガスとしての燃料ガス（７００℃）と、低温ガスとしてのカソードオフガス（５００℃）との熱交換を行い、燃料電池システムの熱効率を向上するようになっている。

水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路、改質反応によって生成された燃料ガスの流路、再生用ガス及び燃焼用空気の各流路、並びに再生排ガスの流路を切り換えるための切換装置２０を備えている。以下の説明では、２つの反応器１８を区別する場合に、各図の紙面上側に示す一方の反応器１８を第１反応器１８Ａ、他方の反応器１８を第２反応器１８Ｂということとする。

切換装置２０は、第１反応器１８Ａに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに再生用ガス及び燃焼用空気を供給して再生反応を行わせる状態と、第１反応器１８Ａに再生用ガス及び燃焼用空気を供給して再生反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせる状態とを切り換える構成とされている。以下、切換装置２０の具体的構成例を説明する。なお、以下の説明では、反応器１８が改質反応を行っている状態（期間）を改質工程、反応器１８が再生反応を行っている状態（期間）を再生工程という場合がある。

図２に示される如く、水素燃料供給システム１２は、原料供給ライン２１備えており、原料供給ライン２１上には、図示しない燃料タンクから液体の炭化水素原料を供給する燃料ポンプ２２が配置されている。原料供給ライン２１における燃料ポンプ２２の下流には、蒸発器（気化器）２４が配置されており、例えば燃料電池システム１０の排ガスとの熱交換によって炭化水素原料を蒸発させるようになっている。また、原料供給ライン２１における蒸発器２４の下流には、混合器２６が配置されている。混合器２６は、炭化水素燃料と後述するカソードオフガス（式（１）の水蒸気及び式（２）の酸素）とを混合して、改質反応ガスとして下流に排出するようになっている。なお、カソードオフガスが高温であることから、液体の炭化水素原料を混合器２６内に噴射する構成（インジェクション）を採用することで、蒸発器２４を備えない構成とすることも可能である。さらに、蒸発器２４と混合器２６との間には、炭化水素原料遮断手段としてのバルブＶ０が配設されている。

原料供給ライン２１の下流端には、環状のブリッジ管路２８が接続されている。このブリッジ管路２８には、４つのバルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。原料供給ライン２１の下流端は、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ１Ｂとの間に接続されている。ブリッジ管路２８におけるバルブＶ２ＡとバルブＶ２Ｂとの間には、排気ライン３０の上流端が接続されている。排気ライン３０上には、排気処理器３２が配置されている。排気処理器３２は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、再生反応で燃焼しなかった再生用ガスを酸化処理（浄化）するようになっている。排気ライン３０の下流端は、排気口３０Ａとされている。また、排気ライン３０における排気処理器３２の下流からは、排気戻しライン３４が分岐しており、排気戻しライン３４は混合器２６に排ガスを導入可能に接続されている。排気戻しライン３４にはバルブＶ３が配設されている。なお、排気戻しライン３４を備える燃料電池システム１０では、排気処理器３２を備えなくても良い。

また、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ２Ａとの間からは、一端が第１反応器１８Ａの第１出入口１８Ｃに接続された第１ライン３６Ａの他端が接続されている。さらに、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＢとバルブＶ２Ｂとの間からは、一端が第２反応器１８Ｂの第１出入口１８Ｄに接続された第２ライン３６Ｂの他端が接続されている。第１ライン３６Ａ、第２ライン３６Ｂは、それぞれ改質反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂへの上記改質反応ガスの供給用、再生反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂからの再生排ガスの排出用として、選択的に用いられるようになっている。

さらに、第１反応器１８Ａにおける第１出入口１８Ｃと反対側（ガス流れ方向の反対側）に配置された第２出入口１８Ｅには、第３ライン３８Ａの一端が接続されており、第２反応器１８Ｂにおける第１出入口１８Ｄと反対側に配置された第２出入口１８Ｆには、第４ライン３８Ｂの一端が接続されている。第３ライン３８Ａ、第４ライン３８Ｂの各他端は、それぞれ環状のブリッジ管路４０に接続されている。このブリッジ管路４０には、４つのバルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ｂ、Ｖ６Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。第３ライン３８Ａの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ６Ａとの間に接続されており、第４ライン３８Ｂの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＢとバルブＶ６Ｂとの間に接続されている。

このブリッジ管路４０におけるバルブＶ６ＡとバルブＶ６Ｂとの間には、燃料ガス供給ライン４２の一端が接続されている。燃料ガス供給ライン４２の他端は、熱交換器１６の高温ガス入口１６Ａ（燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａ）に接続されている。また、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ５Ｂとの間には、再生用ガス導入ライン４４の一端が接続されている。再生用ガス導入ライン４４の他端は、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂに接続されている。

また、燃料ガス供給ライン４２からは、下流端が排気口４６Ａである排気ライン４６が分岐しており、排気ライン４６上には、排気処理器４８が配置されている。排気処理器４８は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、基本的には水素燃料供給システム１２のスタートアップ時の排ガス（燃焼ガス）を浄化するようになっている。排気ライン４６における排気処理器４８の上流にはバルブＶ７が配設されている。

さらに、切換装置２０は、一端が混合器２６に接続され、該混合器２６に水蒸気及び酸素を供給する水蒸気供給ライン５０を備えている。水蒸気供給ライン５０は、その他端が熱交換器１６の低温ガス出口１６Ｄに接続されており、燃料電池１４のカソードオフガスを混合器２６に送給するようになっている。水蒸気供給ライン５０上にはバルブＶ９が配設されている。

また、切換装置２０は、一端が第１反応器１８Ａにおける第２出入口１８Ｅに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ａ、及び一端が第２反応器１８Ｂにおける第２出入口１８Ｆに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ｂを備えている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ上にはバルブＶ４Ａが配設されており、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ上にはバルブＶ４Ｂが配設されている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂの各他端（上流端）は、それぞれ一端が燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆに接続された冷却用空気排出ライン５４の他端に接続されている。

この冷却用空気排出ライン５４からは、下流端が排気口５６Ａである排気ライン５６が分岐しており、排気ライン５６上にはバルブＶ８が配設されている。バルブＶ８は、任意の弁開度を取り得る構成とされており、この弁開度に応じて、排気ライン５６による排気量、すなわち燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂを通じて反応器１８に供給する燃焼用空気の供給量を調整可能とされている。

さらに、切換装置２０は、一端が第３ライン３８Ａから分岐すると共に他端が第１反応器１８Ａの筒壁における第２出入口１８Ｅ側に配置された再生用ガス入口１８Ｇに接続された再生用ガスライン５５Ａと、一端が第４ライン３８Ｂから分岐すると共に他端が第２反応器１８Ｂの筒壁における第２出入口１８Ｆ側に配置された再生用ガス入口１８Ｈに接続された再生用ガスライン５５Ｂとを備えている。第３ライン３８Ａにおける再生用ガスライン５５Ａの分岐部３８Ｃと、第１反応器１８Ａとの間には、該分岐部３８Ｃ側から第２出入口１８Ｅへのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ１Ａが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ａにおける分岐部３８Ｃと再生用ガス入口１８Ｇとの間には、該再生用ガス入口１８Ｇ側から分岐部３８Ｃ側へのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ２Ａが配設されている。同様に、第４ライン３８Ｂにおける再生用ガスライン５５Ｂの分岐部３８Ｄと、第２反応器１８Ｂとの間には、該分岐部３８Ｄ側から第２出入口１８Ｆへのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ１Ｂが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ｂにおける分岐部３８Ｄと再生用ガス入口１８Ｈとの間には、該再生用ガス入口１８Ｈ側から分岐部３８Ｄ側へのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ２Ｂが配設されている。

これらにより、第１反応器１８Ａからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｅ、第３ライン３８Ａ（逆止弁ＣＶ１Ａ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガス（再生用ガス）は、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａ（逆止弁ＣＶ２Ａ）、再生用ガス入口１８Ｇを経由して第１反応器１８Ａに至るようになっている。同様に、第２反応器１８Ｂからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｆ、第４ライン３８Ｂ（逆止弁ＣＶ１Ｂ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガスは、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂ（逆止弁ＣＶ２Ｂ）、再生用ガス入口１８Ｈを経由して第２反応器１８Ｂに至るようになっている。このため、改質工程で生成された燃料ガスは第２出入口１８Ｅ、１８Ｆから排出され、再生工程の燃料となる再生用ガスは、反応器１８内における燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂから第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側に向かう燃焼用空気の流れに対し交差する方向から供給される構成とされている。したがって、再生用ガスと燃焼用空気とは反応器１８よりも上流で予混合されないようになっている。

以上説明した切換装置２０は、バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂの開閉に応じて一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路を切り換え、バルブＶ６Ａ、Ｖ６Ｂの開閉に応じて改質反応によって生成された燃料ガスの流路を切り換え、バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂの開閉に応じて再生用ガス（アノードオフガス）の流路を切り換え、バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂの開閉に応じて燃焼用空気（冷却用空気）の流路を切り換え、バルブＶ２Ａ、Ｖ２Ｂの開閉に応じて再生排ガスの流路を切り換えるようになっている。各バルブは電磁弁とされており、後述する制御装置７０からの作動信号に基づいて開閉する（バルブＶ８は弁開度の調節）を行う構成である。切換装置２０のバルブ開閉による切り換え動作、すなわち水素燃料供給システム１２の具体的な動作については、燃料電池システム１０の作用として制御装置７０の動作と共に後述する。なお、上記した各逆止弁ＣＶ１Ａ、ＣＶ１Ｂ、ＣＶ２Ａ、ＣＶ２Ｂに代えて、制御装置７０の作動信号に基づいて開閉する電磁開閉弁を備える構成としても良い。

燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａと熱交換器１６の高温ガス出口１６Ｂとは燃料ガスライン５８によって接続されている。これにより、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａには、改質工程を行う反応器１８、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０のバルブＶ６Ａ又はバルブＶ６Ｂ、燃料ガス供給ライン４２、熱交換器１６内の高温ガス流路、燃料ガスライン５８を通過した燃料ガスが送給される構成である。燃料ガス入口１４Ａから燃料電池１４内に導入された燃料ガスは、アノード電極に供給されて上記の通り水素ガスのみが発電に使用され、残余の可燃性ガス成分はアノードオフガスとして燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されるようになっている。アノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、バルブＶ５Ａ又はバルブＶ５Ｂ、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂを通じて、再生用ガスとして反応器１８に供給される構成である。

また、燃料電池１４のカソード用空気入口１４Ｃには、一端が空気ポンプ６０の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン６２の他端が接続されている。カソード用空気供給ライン６２上にはバルブＶ１０が配設されている。カソード用空気入口１４Ｃから燃料電池１４内に導入された空気（酸素）は、カソード電極に導入されて、上記の通り水素分離膜を透過してきた水素と反応するようになっている。この反応によって生成された水蒸気、未反応の空気は、カソードオフガスとしてカソードオフガス出口１４Ｄから排出されるようになっている。

燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄと熱交換器１６の低温ガス入口１６Ｃとは、低温ガスライン６４にて接続されている。したがって、カソードオフガス出口１４Ｄから排出されたカソードオフガスは、低温ガスライン６４、熱交換器１６内の低温ガス流路、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、混合器２６内で炭化水素原料と混合されるようになっている。この混合ガスが、原料供給ライン２１、ブリッジ管路２８のバルブＶ１Ａ又はバルブＶ１Ｂ、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂを通じて改質反応ガスとして反応器１８に供給される構成である。

さらに、燃料電池１４の冷却用空気入口１４Ｅは、一端が空気ポンプ６６の吐出側に接続された冷却用空気供給ライン６８の他端が接続されている。冷却用空気供給ライン６８上にはバルブＶ１１が配設されている。冷却用空気入口１４Ｅから燃料電池１４内に導入された空気は、図示しない冷却空気流路を流動しつつ該燃料電池１４を冷却して運転温度を略一定温度に保つようになっている。燃料電池１４を冷却した後の冷却用空気は、冷却用空気出口１４Ｆから排出され、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ又は燃焼用空気供給ライン５２Ｂを通じて再生工程の燃焼用空気として反応器１８に送給されるようになっている。

再生工程で発生した再生排ガス（燃焼ガス）は、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８のバルブＶ２Ａ又はバルブＶ２Ｂ、排気ライン３０を通じて排気口３０Ａからシステム外に排出されるようになっている。

また、燃料電池システム１０は、制御装置７０を備えている。図３に示される如く、制御装置７０は、切換装置２０の各バルブ（バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９）、燃料電池１４への空気供給用の各バルブＶ１０、Ｖ１１、燃料ポンプ２２、及び各空気ポンプ６０、６６に電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶ８については弁開度の調節）及び各ポンプの作動、停止（燃料又は空気の供給量の制御）を制御する構成とされている。この制御装置７０は、図５に示すフローチャートに示す如き動作を行うようになっている。この動作については、燃料電池システム１０の作用と共に後述する。

（逆火防止構成）
図１には、反応器１８の内部構造が概略分解図にして示されており、図４（Ａ）には反応器１８の概略の側断面図が示されている。これらの図に示される如く、各反応器１８内には、それぞれ触媒担持部８０と冷却部８２と消炎部８４とが、反応器１８の筒壁との間をガスが通過しないように設けられている。

触媒担持部８０は、再生工程の酸化触媒としても機能する改質触媒が担持されたキャリア（担体）を反応器１８（ハウジング）内に収容して構成されており、各反応器１８内における再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈよりも第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側に配置されている。冷却部８２は、各反応器１８内における再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈよりも第２出入口１８Ｅ、１８Ｆ側に、触媒担持部８０と同様の構造を有し触媒を担持しない多孔体が配設されて構成されている。この実施形態では、触媒担持部８０、冷却部８２は、ハニカム構造を有するセラミック製の多孔体にて構成されている。

この冷却部８２を設けることによって、反応器１８の改質工程直前（再生工程直後）の軸線方向に沿った温度分布が、図４（Ｂ）に示す如き軸線方向中央部が高温になると共に両端が比較的低温になる好ましい温度分布が実現される構成とされている。すなわち、共に可燃性ガスを含む改質原料ガス、再生用ガスの安定供給のためにはこれらのガス入口となる反応器１８の軸線方向両端の温度が低い方が好ましい。そして、触媒担持部８０は、改質工程においては改質原料ガスの上流側（第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側）から改質反応が行われて熱を消費するので、改質原料ガスの下流側部分が高温になりやすい。一方、触媒担持部８０は、再生工程においては再生用ガスの上流側から再生反応（触媒燃焼）が行われて昇温、蓄熱を行うので、該再生用ガスの上流側部分が高温になりやすい。触媒を担持しない冷却部８２は、再生工程で触媒燃焼を行わず、触媒担持部８０からの輻射熱で加熱されるので、上記図４（Ｂ）に示す如き温度分布が得られる。

そして、消炎部８４は、触媒担持部８０と冷却部８２との間に、該触媒担持部８０と冷却部８２を構成する多孔体よりも孔径が小さいセラミック製の多孔体を配置して構成されている。この多孔体の各孔径は、再生用ガスと燃焼予空気との混合ガスの消炎直径以下とされている。ここで、消炎直径とは、火炎（燃焼波）が外部から進入することができない限界の直径であり、再生用ガスに水素、一酸化炭素、炭化水素が含まれる本実施形態では、１００μｍから５００μｍまでの一定値（数１００μｍ）として設定されている。これにより、消炎部８４は、再生用ガス及び燃焼用空気の通過を許容するが、火炎の伝播（通過）を阻止する（燃焼状態の維持を許容しない）ようになっている。

そして、各反応器１８における再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈは、冷却部８２と消炎部８４との間に配置されている。このため、冷却部８２と消炎部８４との間には、再生用ガスを反応器１８内に軸直角方向に行き渡らせるためのわずかな隙間Ｇが設定されている。以上説明した反応器１８では、再生工程を行う際には、第２出入口１８Ｅ、１８Ｆから供給され冷却部８２を通過した燃焼用空気と、再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈから供給された再生用ガスとが、消炎部８４を通過して触媒担持部８０に至り、該触媒担持部８０に担持されている触媒と接触することで、再生用ガスの触媒燃焼を生じさせるようになっている。

次に、燃料電池システム１０の作用を、図６及び図７に示す動作説明図を参照しつつ説明する。

図６には、第１反応器１８Ａが改質工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが再生工程を行う状態がシステム構成図にて示されており、図７には、第１反応器１８Ａが再生工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが改質工程を行う状態がシステム構成図にて示されている。なお、燃料電池システム１０の動作を表す各図において、開放状態のバルブを白抜きで示すと共に閉止状態のバルブを黒塗りで示し、かつバルブが閉じて流体の流れが遮断されている流路を想像線にて示すこととする。

図６に示される状態では、バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１が開放されている。一方、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが閉止されている。これにより、炭化水素原料は、原料供給ライン２１（バルブＶ０）を通じて混合器２６に至り、混合器２６にて水蒸気、空気（酸素）と混合され改質反応ガスとなる。混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ａ）、第１ライン３６Ａを経由して第１反応器１８Ａ内に供給される。第１反応器１８Ａ内では、触媒と改質反応ガスとの接触により上式（１）乃至（４）の反応を含む改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。

この燃料ガスは、第３ライン３８Ａ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ａ）を通じて熱交換器１６に導入され、該熱交換器１６にて改質用ガスであるカソードオフガスと熱交換を行って冷却される。このとき、燃料ガスの上流である第１反応器１８Ａ内が分岐部３８Ｃ側のよりも高圧であるため、分岐部３８Ｃから第１反応器１８Ａへのガス逆流が逆止弁ＣＶ２Ａによって阻止されている。熱交換器１６にて冷却された燃料ガスは、燃料ガスライン５８、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａを通じて燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４には、カソード用空気供給ライン６２、カソード用空気入口１４Ｃを通じて、カソード電極に空気すなわち酸素が常時供給されている。アノード電極からは、水素分離膜を通じて水素ガスのみがプロトンとなってカソード電極に移動し、この水素とカソード電極に供給された酸素との反応によって発電が行われる。また、燃料電池１４には、冷却用空気供給ライン６８、冷却用空気入口１４Ｅを通じて、冷却用空気が常時供給されており、運転温度が略一定温度（５００℃）に保たれている。

燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄから排出された水蒸気、酸素を含むカソードオフガスは、熱交換器１６の低温ガス流路に導入されて上記の通りアノード電極に導入される燃料ガスと熱交換を行う。その後、このカソードオフガスは、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第１反応器１８Ａに導入される。

燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出された一酸化炭素、炭化水素原料を含むアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ｂ）、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｈから第２反応器１８Ｂに導入される。このとき、再生用ガスの上流である分岐部３８Ｄ側の方が第２反応器１８Ｂ内よりも高圧であるため、第２反応器１８Ｂから分岐部３８Ｄへのガス逆流が逆止弁ＣＶ１Ｂによって阻止されている。一方、燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆから排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ（バルブＶ４Ｂ）を通じて、燃焼用空気として第２出入口１８Ｆから第２反応器１８Ｂに導入される。この第２反応器１８Ｂ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した可燃性ガスである再生用ガスが燃焼する。これにより、第２反応器１８Ｂの触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ｂ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。

燃料電池システム１０の制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１０において、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングでないと判断すると、ステップＳ１６に進んで、上記の通りバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａが開放されると共にバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、改質反応を行っていた第１反応器１８Ａの触媒温度が低下し、改質反応を維持できなくなる場合（所定時間の経過、触媒温度が閾値を下回る等の制御パラメータにより判断される）、切換装置２０を切り換えることで、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程に切り換える。また、この切り換えとほぼ同時に、第２反応器１８Ｂを再生工程から改質工程に切り換える。すなわち、制御装置７０は、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１２に進み、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図６に示す状態から図７に示す状態に切り換わる。

図６の状態と異なる部分を説明すると、混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ｂ）、第２ライン３６Ｂを経由して第２反応器１８Ｂ内に供給され、触媒との接触により改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ｂ）を通じて熱交換器１６・燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４から排出されたカソードオフガスは、熱交換器１６を通過した後、混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第２反応器１８Ｂに導入される。

燃料電池１４から排出されたアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ａ）、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｇから第１反応器１８Ａに導入される。一方、燃料電池１４から排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ（バルブＶ４Ａ）を通じて燃焼用空気として第２出入口１８Ｅから第１反応器１８Ａに導入される。この第１反応器１８Ａ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した再生用ガスの燃焼によって、触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第１ライン３６Ａ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ａ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。

また、制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１４において、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミング（第１反応器１８Ａを再生交代から改質工程へ切り換えるタイミング）でないと判断すると、ステップＳ１２に戻って、上記の通りバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが開放されると共にバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１６に進み、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを閉止すると共に、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図７に示す状態から図６に示す状態に切り換わる。したがって、ステップＳ１２及びＳ１６のバルブ開閉状態の何れか一方が本発明における第１状態に相当し、他方が第２状態に相当する。

また、制御装置７０は、上記各反応器１８の改質工程と再生工程との切り換え制御を行いつつ、燃料電池１４の負荷に応じて燃料ガスの供給量（改質工程を行う反応器１８に対する原料供給量）を調整する制御、再生工程を行う際の触媒燃焼温度を所定温度範囲に保持する制御を行っている。この実施形態では、制御装置７０は、再生工程での空気過剰率（燃焼ストイキ）を予め設定した制御目標（この実施形態では１．１）となるように燃焼用空気（燃料電池１４の冷却後の空気）の反応器１８への供給量、すなわちバルブＶ８の弁開度や空気ポンプ６６の吐出量を制御して、触媒燃焼温度を８００℃乃至９００℃に保っている。

以上により、燃料電池システム１０では、各反応器１８が改質工程と再生工程とを交互に繰り返し断続的（バッチ的）に燃料ガスを生成する構成でありながら、燃料電池１４に対し連続的に燃料ガスを供給して連続的に安定して発電を行うことができる構成を実現している。また、燃料電池システム１０では、燃料電池１４が水素分離膜によって燃料ガスから水素のみを分離して発電に用い、残余のガスを再生工程の燃料として用いるため、改質工程にて得た燃料ガス中の一酸化炭素を、さらに水と反応させて水素及び二酸化炭素を得るシフト反応を行う必要がない。シフト反応は反応速度が遅く大型の反応器を必要とするが、このシフト反応を行う必要がないため、燃料電池システム１０をコンパクトに構成することができる。

ここで、燃料電池システム１０を構成する水素燃料供給システム１２では、反応器１８内における触媒担持部８０と再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈとの間に消炎部８４が設けられているため、仮に触媒担持部８０で再生用ガスが自己着火して気相燃焼が生じても、該燃焼（火炎）が再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈ側に伝播されることが防止される（消炎される）。したがって、本水素燃料供給システム１２では、再生用ガスの上流側への逆火が生じることがない。

このように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１８や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分には、第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
（第２の実施形態）
図８には、第２の実施形態に係る燃料電池システム１０の水素燃料供給装置１２を構成する反応器１００が分解斜視図にて示されている。この図に示される如く、反応器１００内には、それぞれ触媒担持部８０と冷却部８２と触媒非担持部１０２とが、反応器１００の筒壁との間をガスが通過しないように設けられている。すなわち、第２の実施形態に係る水素燃料供給システム１２は、反応器１８に代えて反応器１００を備える点で第１の実施形態とは異なり、反応器１００は、消炎部８４に代えて触媒非担持部１０２を備える点で反応器１８とは異なる。

触媒非担持部１０２は、触媒担持部８０を構成するハニカム構造のセラミック製多孔体であるキャリア（担体）に、触媒を担持させない部分として構成されている。なお、触媒非担持部１０２は触媒担持部８０を構成するキャリアとは別体であるハニカム構造のセラミック製多孔体等で構成されても良い。触媒非担持部１０２と冷却部８２との間には、隙間Ｇすなわち再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈが設けられている。この触媒非担持部１０２は、反応器１００の軸線方向に沿う長さが、再生用ガスと燃焼用空気とが十分に混合される長さとして設定されており、本発明における混合部に相当する。また、この触媒非担持部１０２の上記長さは、反応器１００の改質工程直前（再生工程直後）の軸線方向に沿った温度分布が、ほぼ図４（Ｂ）に示す分布になるようにも決められている。第２の実施形態に他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同じである。

第２の実施形態に係る反応器１００を備えた水素燃料供給システム１２では、再生工程を行う反応器１００内において再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈから供給された再生用ガスは、冷却部８２を通過してきた燃焼用空気と接触し、触媒非担持部１０２を通過しながら燃焼用空気と混合される。この再生用ガスと燃焼用空気との混合ガスが触媒担持部８０に至り該触媒担持部８０に担持されている触媒と接触すると、再生用ガスが触媒燃焼する。

ここで、第２の実施形態に係る水素燃料供給システム１２では、反応器１００内に触媒非担持部１０２を設けたため、該触媒非担持部１０２において酸素含有ガスと再生用ガスとを十分に混合することができる。そして、再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈの近傍では再生用ガス濃度の高い部分が生じやすいが、このような高濃度部分が触媒非担持部１０２を通過しながら解消されるので、高濃度部分がそのまま触媒担持部８０の触媒に接触して高温で燃焼することが抑制される。これにより、触媒燃焼温度の高い部分に接触又は近接した再生用ガスが自己着火すること、すなわち逆火の原因となる気相燃焼が発生することが抑制される。

このように、第２の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１００や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。
（第３の実施形態）
図９には、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０の水素燃料供給装置１２を構成する反応器１１０が分解斜視図にて示されている。この図に示される如く、反応器１１０内には、それぞれ触媒担持部８０と冷却部８２と熱交換部１１２とが、反応器１１０の筒壁との間をガスが通過しないように設けられている。すなわち、第３の実施形態に係る水素燃料供給システム１２は、反応器１８に代えて反応器１１０を備える点で第１の実施形態とは異なり、反応器１１０は、消炎部８４に代えて熱交換部１１２を備える点で反応器１８とは異なる。

熱交換部１１２は、ハニカム構造のセラミック製多孔体にて構成され触媒を担持しない触媒非担持部１０２と、反応器１８の筒壁の外側から触媒非担持部１０２を覆う冷却手段としてのジャケット部１１４とで構成されている。図９では、触媒非担持部１０２を触媒担持部８０のキャリアとは別体のものとして図示している）。触媒非担持部１０２と冷却部８２との間には、隙間Ｇすなわち再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈが設けられている。

ジャケット部１１４には、冷却用空気入口１１４Ａと冷却用空気出口１１４Ｂとが設けられている。冷却用空気入口１１４Ａには、燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂから分岐した冷却用空気供給ライン１１６が接続されており、冷却用空気出口１１４Ｂには、排気ライン３０（第１ライン３６Ａ、第２ライン３６Ｂ）に合流する冷却用空気排出ライン１１８が接続されている。冷却用空気排出ライン１１８には、ジャケット部１１４側へのガス流を阻止する図示しない逆支弁が配設されている。

そして、熱交換部１１２は、触媒非担持部１０２を通過しつつ燃焼用空気と混合される再生用ガスを、その自己着火が生じる恐れのある下限温度（再生用ガスが水素、一酸化炭素、炭化水素等の混合ガスである本実施形態では、５００℃として設定している）未満に冷却するようになっている。再生工程が終わるとジャケット部１１４への空気供給も停止されるので、反応器１１０の改質工程直前（再生工程直後）の軸線方向に沿った温度分布が、ほぼ図４（Ｂ）に示す分布になるようになっている。第３の実施形態に他の構成は、第１の実施形態の対応する構成と同じである。

第３の実施形態に係る反応器１１０を備えた水素燃料供給システム１２では、再生工程を行う反応器１１０内において再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈから供給された再生用ガスは、冷却部８２を通過してきた燃焼用空気と接触し、触媒非担持部１０２を通過しながら燃焼用空気と混合される。このとき、再生用ガスは、燃焼用空気と混合されながら、ジャケット部１１４を通過する冷却用空気と熱交換を行って、自己着火を生じ得る下限温度未満に冷却され、触媒担持部８０に至る。燃焼用空気と共に触媒担持部８０に至った再生用ガスは、該触媒担持部８０に担持されている触媒と接触して触媒燃焼する。

ここで、第３の実施形態に係る水素燃料供給システム１２では、反応器１１０内に触媒非担持部１０２を設けたため、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、触媒非担持部１０２とジャケット部１１４とで熱交換部１１２を構成しているため、再生用ガスが自己着火を生じ得る下限温度未満まで冷却して触媒担持部に供給することができ、再生用ガスの自己着火が一層効果的に抑制される。

このように、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１００や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。

なお、第３の実施形態では、ジャケット部１１４を設けて熱交換部１１２を構成した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、触媒非担持部１０２を貫通する１本又は複数本のパイプを設け、このパイプに冷媒を流すようにして熱交換部１１２を構成しても良い。また、熱交換部における冷媒としては、上記した冷却用空気に限られることはない。さらに、熱交換部１１２は、本発明における混合部に相当する触媒非担持部１０２にジャケット部１１４を設ける構成には限定されず、例えば、再生用ガスと燃焼用空気との十分な混合に要する長さに対し触媒非担持部１０２を軸方向に短く（薄く）構成しても良い。この場合、ジャケット部１１４の冷却能力を高める（再生用ガスの自己着火を生じ得る下限温度未満まで冷却する能力を有する）ことが望ましい。

また、上記各実施形態では、触媒担持部８０、冷却部８２、消炎部８４、触媒非担持部１０２がセラミックの多孔体で構成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、運転温度が低い場合等には上記触媒担持部８０等の一部又は全部を金属にて構成しても良い。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器の概略内部構造を示す分解斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置の概略構成を示すブロック図である。（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器の内部構造を模式的に示す断面図、（Ｂ）は改質工程開始前における反応器の軸線方向に沿った温度分布を示す線図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置の基本制御フローを示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本動作のうち一方（第１反応器の改質工程）を示すシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本動作のうち他方（第１反応器の再生工程）を示すシステム構成図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器の概略内部構造を示す分解斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器の概略内部構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

１２水素燃料供給システム
１８反応器
２０切換装置
７０制御装置
８０触媒担持部（触媒の設置部位）
８４消炎部
１００反応器
１０２触媒非担持部（混合部）
１１０反応器
１１２熱交換部
１１４ジャケット部（冷却手段）

Claims

供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、ガスの通過を許容し火炎の伝播を阻止する消炎部と、
を備えた水素燃料供給システム。
供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、該再生用ガスと前記酸素含有ガスとが混合するための混合部と、
を備えた水素燃料供給システム。
前記触媒は多孔体を担体として前記反応器に保持されており、前記混合部は前記触媒を担持しない多孔体を反応器内に配置して構成されている請求項２記載の水素燃料供給システム。
前記混合部は、前記再生用ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを冷却するための冷却手段を有する請求項２又は請求項３記載の水素燃料供給システム。
供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
前記反応器内における前記再生用ガスを触媒燃焼させる触媒の設置部位と前記再生用ガスの供給部位との間に設けられ、該再生用ガスと前記酸素含有ガスとを冷却するための熱交換部と、
を備えた水素燃料供給システム。