JP4505367B2

JP4505367B2 - 水素燃料供給システム

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Publication number: JP4505367B2
Application number: JP2005106416A
Authority: JP
Inventors: 宏之三井; 博史青木; 孝志満津; 哲井口; 憲治木村
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: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP2006282470A

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、前記反応器とは独立して設けられ、それぞれ供給された前記再生用ガスと酸素含有ガスとを混合して再生用混合ガスにする再生用混合器と、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混合器が混合した再生用混合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、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。酸素含有ガスは、再生工程において再生用ガスを触媒燃焼させるために支燃ガスとして用いられる。

ここで、第２の状態では、再生工程を行う反応器に供給される前に再生用ガスと酸素含有ガスとを混合する再生用混合器を設けたため、反応器には均一な再生用混合ガスが供給される。すなわち、混合器を備えない構成においては反応器内で混合される再生用混合ガスに濃度の不均一部分（可燃性である再生用ガスの高濃度部分）が生じ易い再生工程への切り換えの初期に、本構成では均一に混合された再生用混合ガスを反応器に供給することができる。これにより、再生用混合ガスの不均一に起因して局所的に触媒燃焼温度が高くなる部分が反応器内で生じることが防止され、該局所的な高温部への接触又は接近に伴う再生用ガスの自己着火、気相燃焼の発生が抑制される。

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。

請求項２記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項１記載の水素燃料供給システムにおいて、前記再生用混合器は、前記再生用ガスと酸素含有ガスとが混合される混合室に該再生用ガスを供給するための再生用ガス供給口を複数備えている。

請求項２記載の水素燃料供給システムでは、再生用混合器に設けられた複数の再生用ガス供給口から混合室内に再生用ガスが分散して供給されるので、再生用混合ガスが効果的に均一化される。

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、前記再生用混合器は、筒状のハウジング内に形成された前記混合室内の軸線方向一端側に前記酸素含有ガスの入口が配置されると共に、該混合室の軸線方向他端側に前記再生用混合ガスの出口が配置されており、かつ前記複数の再生用ガス供給口が前記ハウジングの外周部に周方向に等間隔に配置されている。

請求項３記載の水素燃料供給システムでは、再生用混合器において、混合室を形成するハウジングの軸線方向一端側から供給された酸素含有ガスが、該混合室をハウジングの軸線方向に沿って通過しながら、該ハウジングの外周部に周方向に等間隔に設けられた複数の再生用ガス供給口から供給された再生用ガスと混合室内で混合され、ハウジングの軸線方向他端側から再生用混合ガスとなって排出される。すなわち、再生用ガスが酸素含有ガスの流れ方向に対し交差する方向から略均等に（対称的に）分散されて供給されるため、再生用混合ガスが一層効果的に均一化される。特に、筒状のハウジングが円柱状や円錐状等の軸対称の混合室を形成するような形状であることが望ましい。また、各再生用ガス供給口は、ハウジングの軸線との交差（直交）方向から再生用ガスを供給することが望ましい。

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３記載の水素燃料供給システムにおいて、前記酸素含有ガスが前記混合室を前記ハウジングの軸線廻りに旋回しながら通過するように、該酸素含有ガスの流れに旋回方向の成分を付与する旋回付与手段をさらに備える。

請求項４記載の水素燃料供給システムでは、旋回付与手段によって旋回方向の流れ成分を付与された酸素含有ガスが、ハウジング周面にもガイドされて旋回しながら混合室を軸線方向一端側から他端側に向けて通過する。このとき、酸素含有ガスは混合室の外周側から供給される再生用ガスを巻き込むようにして流れ、再生用ガスと酸素含有ガスとの混合が促進される。このため、再生用混合ガスがより一層効果的に均一化される。

請求項５記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項４記載の水素燃料供給システムにおいて、前記再生用混合器は、前記混合室内に配置され前記酸素含有ガスの旋回を促進する旋回促進手段をさらに備える。

請求項５記載の水素燃料供給システムでは、上記の通り旋回付与手段によって旋回力を付与された酸素含有ガスの旋回流れが、旋回促進手段よって促進され、酸素含有ガスと再生用ガスとの混合が一層促進される。

請求項６記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項５記載の水素燃料供給システムにおいて、前記旋回促進手段は、前記ハウジングの端部に配置され該ハウジングの上流側及び周面側を向くテーパ状に形成されたスワーラの表面に、前記酸素含有ガスを前記旋回方向に案内するガイド部を設けて構成されている。

請求項６記載の水素燃料供給システムでは、旋回付与手段によって旋回力を付与されて混合室に供給された酸素含有ガスは、上流側及び径方向外側を共に向くテーパ状のスワーラ表面に沿って旋回し、かつ該スワーラに設けられたガイド部に案内されて旋回が促進される。このため、スワーラの表面とハウジングの内周面との間に形成された混合室内での酸素含有ガスの主流が旋回流となり、酸素含有ガスと再生用ガスとの混合が一層促進される。

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。

（燃料電池システム構成）
図１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。

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、アノード電極とカソード電極との間に水素分離膜が設けられた水素分離膜式燃料電池（ＨＭＦＣ）とされており、上記燃料ガスのうち水素分離膜を透過した水素のみをカソード極の酸素と反応させる（すなわち、燃料ガスのうち水素ガスのみを発電に用いる）ようになっている。このため、燃料電池１４のアノードオフガスは、主に一酸化炭素及び炭化水素（水素を含む場合もある）が混合した可燃性ガスである。一方、燃料電池１４のカソードオフガスは、酸素と水素との反応によって生成された水（水蒸気）及び酸素を含む空気である。

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、上記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４００℃）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（４００℃）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１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、この基本構成に係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、一端が後述する再生用混合器８０Ａにおける燃焼用空気入口８２に接続された燃焼用空気供給ライン５２Ａ、及び一端が再生用混合器８０Ｂにおける燃焼用空気入口８２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、再生用ガス（可燃ガス）と燃焼用空気（支燃ガスである酸素を含有するガス）とを各反応器１８に供給される前に混合して再生用混合ガスを得るための再生用混合器８０を備えている。再生用混合器８０の構造については後述する。この第１の実施形態では、再生用混合器８０は、各反応器１８ごとに設けられており、これらを区別して説明する場合には、第１反応器１８Ａに対応する再生用混合器８０を再生用混合器８０Ａ、第２反応器１８Ｂに対応する再生用混合器８０を再生用混合器８０Ｂということとする。

再生用混合器８０Ａは、その燃焼用空気入口８２が上記の通り燃焼用ガス供給ライン５２Ａに接続されており、該燃焼用空気供給ライン５２Ａから燃焼用空気が供給されるようになっている。また、再生用混合器８０Ａは、その再生用ガス入口８４に一端が第３ライン３８Ａから分岐した再生用ガスライン５５Ａが接続されており、該再生用ガスライン５５Ａから再生用ガスが供給されるようになっている。再生用混合器８０Ａの再生用混合ガス出口８６は、一端が第１反応器１８Ａ第２出入口１８Ｅに接続された再生用混合ガスライン８８Ａの他端が接続されている。

一方、再生用混合器８０Ｂは、その燃焼用空気入口８２が上記の通り燃焼用ガス供給ライン５２Ｂに接続されており、該燃焼用空気供給ライン５２Ｂから燃焼用空気が供給されるようになっている。また、再生用混合器８０Ｂは、その再生用ガス入口８４に一端が第４ライン３８Ｂから分岐した再生用ガスライン５５Ｂが接続されており、該再生用ガスライン５５Ｂから再生用ガスが供給されるようになっている。再生用混合器８０Ｂの再生用混合ガス出口８６は、一端が第２反応器１８Ｂ第２出入口１８Ｆに接続された再生用混合ガスライン８８Ｂの他端が接続されている。

また、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。さらに、再生用ガスライン５５Ａには、該再生用ガスライン５５Ａを開閉するバルブＶ１２Ａが配設されている。またさらに、再生用混合ガスライン８８Ａには、第１反応器１８Ａ側から再生用混合器８０Ａ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には、該再生用ガスライン５５Ｂを開閉するバルブＶ１２Ｂが配設されている。さらに、再生用混合ガスライン８８Ｂには、第２反応器１８Ｂ側から再生用混合器８０Ｂ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（バルブＶ１２Ａ）、再生用混合器８０Ａ、再生用混合ガスライン８８Ａ（逆止弁ＣＶ２Ａ）、第２出入口１８Ｅ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２反応器１８Ｂ側に流れるガスは、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂ（バルブＶ１２Ｂ）、再生用混合器８０Ｂ、再生用混合ガスライン８８Ｂ（逆止弁ＣＶ２Ｂ）、第２出入口１８Ｆを経由して第２反応器１８Ｂに至るようになっている。

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、Ｖ１２Ａ、Ｖ１２Ｂ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、上記した逆止弁ＣＶ２Ａ、ＣＶ２Ｂを設けない構成としても良く、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２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、Ｖ１２Ａ、Ｖ１２Ｂ）、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４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。

（再生用混合器の構成）
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される如く、再生用混合器８０は、内部に燃焼用空気と再生用ガスとの混合用の空間である混合室９０Ａを形成するハウジング９０を備えている。この実施形態では、ハウジング９０は、略円筒状に形成された円筒部９２と、内外面が共に円錐状に形成されると共に円筒部９２の軸線方向一端側に同軸的に連続する上流コニカル部９４と、内外面が共に円錐状に形成されると共に円筒部９２の軸線方向他端側に同軸的に連続する下流コニカル部９６とを備えている。

ハウジング９０の上流コニカル部９４の軸心部には、燃焼用空気入口８２が設けられており、燃焼用空気はハウジング９０の軸線に略沿って混合室９０Ａに導入されるようになっている。円筒部９２の外周部には、それぞれ混合室９０Ａ内に再生用ガスを吹き込み可能な複数（この実施形態では４つ）の再生用ガス入口８４が、周方向に等間隔に配置されている。各再生用ガス入口８４は、図３（Ｂ）に示す如くリングヘッダ８４Ａを介して再生用ガスライン５５Ａ又は５５Ｂに接続されており、図３（Ａ）に示す如くハウジング９０の軸線（燃焼用空気流）に対する略直交方向に沿って再生用ガスを吹き込むようになっている。下流コニカル部９６の軸心部には、再生用混合ガス出口８６が設けられている。

これにより、再生用混合器８０では、燃焼用空気入口８２から混合室９０Ａに供給された燃焼用空気が上流コニカル部９４内で径方向に拡散しながら軸線方向に流れ、円筒部９２内で各再生用ガス供給口８４から供給された再生用ガスと接触して混合されて再生用混合ガスとなり、下流コニカル部９６で流速を増して再生用混合ガス出口８６から排出される構成とされている。燃焼用空気と再生用ガスとは、比較的広い空間であり流速を低下させる円筒部９２内で十分に（時間をかけて）混合され、均一な再生用混合ガスとして排出され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５及び図６に示す動作説明図を参照しつつ説明する。

図５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６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５に示される状態では、バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２Ｂが開放されている。一方、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１２Ａ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、逆止弁ＣＶ２Ａによって、再生用混合器８０Ａに燃料ガスが逆流する（導入される）ことが防止されている。

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（４００℃）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各再生用ガス入口８４から再生用混合器８０Ｂ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、燃焼用空気として燃焼用空気入口８２から再生用混合器８０Ｂに導入される。

再生用混合器８０Ｂ内では燃焼用空気と再生用ガスが混合されて再生用混合ガスが生成される。この再生用混合ガスは、再生用混合ガスライン８８Ｂ、第２出入口１８Ｆを経由して第２反応器１８Ｂに供給される。この第２反応器１８Ｂ内では、再生用混合ガス（再生用ガス）が触媒に接触しつつ触媒燃焼する。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４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、、Ｖ１２Ｂが開放されると共にバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１２Ａ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、Ｖ１２Ｂを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１２Ａを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図５に示す状態から図６に示す状態に切り換わる。

図５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８４から再生用混合器８０Ａ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燃焼用空気入口８２から再生用混合器８０Ａに導入される。そして、再生用混合器８０Ａ内では燃焼用空気と再生用ガスが混合されて再生用混合ガスが生成され、この再生用混合ガスは、再生用混合ガスライン８８Ｂ、第２出入口１８Ｅを経由して第１反応器１８Ａに供給される。

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４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、Ｖ１２Ａが開放されると共にバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１２Ｂ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、Ｖ１２Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１２Ｂ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５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とは独立して設けられ再生用ガスと燃焼用空気とを反応器１８への供給前に混合する再生用混合器８０を設けたため、再生工程を行う反応器１８には均一に混合された再生用混合ガスが供給される。すなわち、再生用混合器８０を備えない構成（再生用ガスと燃焼用空気とをそれぞれ別個に反応器に供給する構成、再生用ガスと燃焼用空気とを合流させて反応器に供給するものの混合を行わない構成等）では懸念される、改質工程から再生工程への切り換え初期に再生用混合ガスに再生用ガスの濃度が部分的に高くなる（空気過剰率が１未満にとなる）不均一部分が生じることが抑制される。

これにより、再生用混合ガスの不均一に起因して反応器１８内で局所的に触媒燃焼温度が高くなる部分が生じることが防止され、該局所的な高温部への接触又は接近に伴う再生用ガスの自己着火、気相燃焼の発生が抑制される。すなわち、再生用ガスの濃度が高い部分が触媒燃焼すると、該高濃度部分の燃焼温度が高くなって反応器１８内に局所的な高温部分が形成され、この局所的な高温部（からの輻射熱）を熱源とする再生用ガスの自己着火、気相燃焼が発生し易いが、本実施形態では再生用混合器８０によって均一な再生用混合ガスを得ることで上記ような再生用ガスの自己着火、気相燃焼の発生が抑制される。

このように、本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７（Ａ）には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１０（水素燃料供給システム１２）を構成する再生用混合器１００が軸直角断面図にて示されており、図７（Ｂ）には再生用混合器１００が側面図にて示されている。すなわち、第２の実施形態では、燃料電池システム１０が再生用混合器８０に代えて再生用混合器１００を有している（図示省略）。

再生用混合器１００は、燃焼用空気入口８２から混合室９０Ａ内に供給される燃焼用空気の流れに旋回成分を付与する旋回付与手段としての旋回付与部１０２を備えている。旋回付与部１０２は、複数（この実施形態では３本）のパイプ１０４をそれぞれハウジング９０の軸線に対する捻れ方向から燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気供給口８２への接続側端部を屈曲又は湾曲した複数のパイプ１０４と、各パイプ部１０４の上流端を連通するヘッダ部１０６とで構成されている。ヘッダ部１０６には燃焼用空気供給ライン５２Ａ又は５２Ｂの下流端が接続されている。再生用混合器１００の他の構造は再生用混合器８０の対応する構造と同じである。

この再生用混合器１００では、ヘッダ部１０６に供給された燃焼用空気は、各パイプ１０４に分岐し、各パイプ１０４内を通過してハウジング９０の軸線に対する捻れ方向から混合室９０Ａに供給される。すなわち、燃焼用空気の流れにはハウジング９０の軸線方に沿う成分の他に旋回成分が付与され、この燃焼用空気は、混合室９０Ａ内でハウジング９０の内周面にもガイドされながら図７（Ａ）に示す如くハウジング９０の軸線廻りに旋回しながら、再生用ガスと接触し易い状態でハウジング９０の軸線方向に流れる。これにより、燃焼用空気は、ハウジング９０の外周側から混合室９０Ａに供給される再生用ガスと効果的に混合され、一層均一化された再生用混合ガスを反応器１８に供給することができる。

したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に又は同等以上に、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。
（第３の実施形態）
図８（Ａ）には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１０（水素燃料供給システム１２）を構成する再生用混合器１１０が軸直角断面図にて示されており、図８（Ｂ）には再生用混合器１１０が側面図にて示されている。すなわち、第３の実施形態では、燃料電池システム１０が再生用混合器８０に代えて再生用混合器１１０を有している（図示省略）。

再生用混合器１１０は、旋回付与部１０２と、旋回促進手段としてのスワーラ１１２とを備えている。スワーラ１１２は、再生用ガスと接触した燃焼用空気を再生用空気と共に混合室９０Ａの軸心側から円筒部９２の周面側に案内することで、再生用混合ガス（燃焼用空気）の旋回を促進するようになっている。具体的には、図９（Ｂ）に示される如く、スワーラ１１２は、断面視で先端側ほど小径になる山形（テーパ状）に形成されたスワーラ部１１４と、スワーラ部１１４の外周から径方外側に延設された円環状のベース部１１６とで構成されている。この実施形態では、スワーラ部１１４の表面（外周面）は、母線が外側に凹となる曲線状に形成された湾曲面とされている。

スワーラ１１２は、スワーラ部１１４が円筒部９２内に位置すると共にベース部１１６が円筒部９２と下流コニカル部９６との境界部に位置するように、混合室９０Ａ（ハウジング９０）内に配設されている。すなわち、スワーラ部１１４の表面が燃焼用空気流の上流側及びハウジング９０の内周面側を共に向く構成とされている。これにより、再生用混合器１１０における混合室９０Ａは、主にスワーラ部１１４の表面とハウジング９０の内周面との間の空間とされており、円筒部９２の内側では、燃焼用空気流の下流側ほど流路断面積が小さくなる構成とされている。また、ベース部１１６は、その径が円筒部９２の内径に対応しており、円筒部９２と下流コニカル部９６側とを連通する複数（この実施形態では４つ）のスリット１１８を有している（図９（Ａ）参照）。再生用混合器１１０の他の構造は再生用混合器１００の対応する構造と同じである。

この再生用混合器１１０では、ヘッダ部１０６に供給された燃焼用空気は、各パイプ１０４に分岐し、各パイプ１０４内を通過してハウジング９０の軸線に対する捻れ方向から混合室９０Ａに供給される。そして、燃焼用空気は、混合室９０Ａ内でスワーラ１１２の表面に沿うように流れる（ハウジング９０の軸線方向に沿う直進を阻止される）ことで、図８（Ａ）に示す如くハウジング９０の軸線廻りの旋回を促進されながら、該ハウジング９０の軸線方向に流れる。これにより、燃焼用空気は、ハウジング９０の外周側から混合室９０Ａに供給される再生用ガスと一層効果的に混合され、より一層均一化された再生用混合ガスを反応器１８に供給することができる。

したがって、第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に又は同等以上に、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。
（第４の実施形態）
図１０（Ａ）には、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１０（水素燃料供給システム１２）を構成する再生用混合器１１０のスワーラ１２０が側面図にて示されており、図１０（Ｂ）にはスワーラ１２０が正面図にて示されている。すなわち、第４の実施形態では、再生用混合器１１０がスワーラ１１２に代えてスワーラ１２０を有して構成されている（図示省略）。

スワーラ１２０は、その燃焼用空気流の上流側及びハウジング９０の内周面側を共に向くテーパ状のスワーラ部１１４の表面に、該燃焼用空気流流の旋回を促進するためガイド部１２２が設けられている。ガイド部１２２は、スワーラ部１１４の母線に対し同じ方向に同じ量だけ湾曲（傾斜）した複数のガイド突状１２４によって構成されている。各ガイド突状の湾曲方向は、旋回付与部１０２による燃焼用空気の旋回を促進する方向とされている。

このスワーラ１２０を備えた再生用混合器１１０は、ガイド部１２２が再生用混合ガスの旋回を一層促進するため、混合室９０Ａを通過する燃焼用空気流の主流が旋回流となり、より一層効果的に均一化された再生用混合ガスを反応器１８に供給することができる。

したがって、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様に又は同等以上に、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。
（第５の実施形態）
図１１には、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１３０のシステム構成が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１３０は、切換装置２０に代えて切換装置１３２を備えた水素燃料供給システム１３４を備えている。切換装置１３２は、単一の再生用混合器８０を備える点で、各反応器１８の数に応じた数の再生用混合器８０を有する切換装置２０とは異なる。以下、具体的に説明する。

切換装置１３２では、再生用混合器８０の燃焼用空気入口８２が冷却用空気排出ライン５４の下流端に接続されている。また、再生用混合器８０は、再生用ガス導入ライン４４を分割した上流側ライン４４Ａの下流端が再生用ガス入口８４（リングヘッダ８４Ａ）に接続されると共に、再生用ガス導入ライン４４の下流側ライン４４Ｂの上流端が再生用混合ガス出口８６に接続されている。すなわち、この実施形態では、切換装置２０における再生用ガス導入ライン４４の途中に再生用混合器８０を配置すると共に、この再生用混合器８０に冷却用空気排出ライン５４から燃焼用空気を供給するようにしてある。したがって、切換装置１３２は、燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂ、再生用ガスライン５５Ａ、５５Ｂ、再生用混合ガスライン８８Ａ、８８Ｂ、バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂ、Ｖ１２Ａ、Ｖ１２Ｂ及び逆止弁ＣＶ１Ａ、ＣＶ２Ａ、ＣＶ１Ｂ、ＣＶ２Ｂを備えないシンプルな構成とされている。

第５の実施形態に係る燃料電池システム１３０の作用における第１の実施形態と異なる部分を説明する。図１２に示されるように第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では、各バルブ（バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂを除く）の開閉状態は第１の実施形態（図５）と同じであり、燃料電池１４を冷却した冷却用空気が燃焼用空気として冷却用空気排出ライン５４を経由して再生用混合器８０に供給される。一方、再生用ガスは、再生用ガス導入ライン４４（上流側ライン４４Ａ）を経由して再生用混合器８０に供給される。再生用混合器８０内で燃焼用空気と再生用ガスが混合されて生成された再生用混合ガスは、再生用ガス導入ライン４４（下流側ライン４４Ｂ）、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ｂ）、第４ライン３８Ｂ、第２出入口１８Ｆを経由して第２反応器１８Ｂに供給される。

この第２反応器１８Ｂ内では、再生用混合ガス（再生用ガス）が触媒に接触しつつ触媒燃焼する。また、図示及び説明を省略するが、燃料電池システム１３０における第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では、同状態の燃料電池システム１０（図６参照）と各バルブ（バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂを除く）の開閉状態が同じである。

この第５の実施形態に係る燃料電池システム１３０（水素燃料供給システム１３４）によっても、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池システム１３０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。
（第６の実施形態）
図１３には、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１４０のシステム構成が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１４０は、切換装置２０に代えて切換装置１４２を備えた水素燃料供給システム１４４を備えている。切換装置１４２は、単一の再生用混合器８０を備える点で、第５の実施形態の切換装置１３２と共通し、各反応器１８の数に応じた数の再生用混合器８０を有する切換装置２０とは異なる。以下、具体的に説明する。

切換装置１４２では、再生用混合器８０の再生用ガス入口８４（リングヘッダ８４Ａ）が再生用ガス導入ライン４４の下流端に接続されている。また、再生用混合器８０は、冷却用空気排出ライン５４を分割した上流側ライン５４Ａの下流端に燃焼用空気入口８２が接続されると共に、冷却用空気排出ライン５４を分割した下流側ライン５４Ｂの上流端が再生用混合ガス出口８６に接続されている。すなわち、この実施形態では、切換装置２０における冷却用空気排出ライン５４の途中に再生用混合器８０を配置すると共に、この再生用混合器８０に再生用ガス導入ライン４４から再生用ガスを供給するようにしてある。

したがって、切換装置１４２は、第３ライン３８Ａ、第４ライン３８Ｂが対応する反応器１８から燃料ガスを排出する専用ラインとされると共に、燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂが対応する反応器１８に再生用混合ガスを供給する専用ラインとされている。このため、切換装置１４２は、ブリッジ管路４０を備えず、第３ライン３８Ａ及び第４ライン３８Ｂが合流部３８Ｃにて合流するようになっており、バルブＶ６Ａ、Ｖ６Ｂはそれぞれ第３ライン３８Ａに、第４ライン３８Ｂに設けられている。また、切換装置１４２は、再生用ガスライン５５Ａ、５５Ｂ、再生用混合ガスライン８８Ａ、８８Ｂ、バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ１２Ａ、Ｖ１２Ｂ及び逆止弁ＣＶ１Ａ、ＣＶ２Ａ、ＣＶ１Ｂ、ＣＶ２Ｂを備えないシンプルな構成とされている。

第６の実施形態に係る燃料電池システム１４０の作用における第１の実施形態と異なる部分を説明する。図１４に示されるように第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では、各バルブ（バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂを除く）の開閉状態は第１の実施形態（図６）と同じであり、燃料電池１４を冷却した冷却用空気が燃焼用空気として冷却用空気排出ライン５４（上流側ライン５４Ａ）を経由して再生用混合器８０に供給される。一方、再生用ガスは、再生用ガス導入ライン４４を経由して再生用混合器８０に供給される。再生用混合器８０内で燃焼用空気と再生用ガスが混合されて生成された再生用混合ガスは、冷却用空気排出ライン５４（下流側ライン５４Ｂ）、燃焼用空気供給ライン５２Ａ（バルブＶ４Ａ）、第２出入口１８Ｅを経由して第１反応器１８Ａに供給される。

この第１反応器１８Ａ内では、再生用混合ガス（再生用ガス）が触媒に接触しつつ触媒燃焼する。また、図示及び説明を省略するが、燃料電池システム１４０における第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では、同状態の燃料電池システム１０（図５参照）と各バルブ（バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂを除く）の開閉状態が同じである。

この第６の実施形態に係る燃料電池システム１４０（水素燃料供給システム１４４）によっても、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池システム１４０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。

なお、上記第５及び第６の実施形態では、水素燃料供給システム１３４、１４４が再生用混合器８０を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、第５及び第６の実施形態に第２乃至第４の実施形態に係る再生用混合器１００、１１０を適用しても良い。また、本発明は、再生用混合器の具体的構成に限定されることはなく、上記した再生用混合器８０、１００、１１０に代えて他の形式の混合器を採用しても良い。

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。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再生用混合器を示す図であって、（Ａ）は概略の軸直角断面図、（Ｂ）概略の側面図である。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混合器を示す図であって、（Ａ）は概略の軸直角断面図、（Ｂ）概略の側面図である。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混合器を示す図であって、（Ａ）は概略の軸直角断面図、（Ｂ）概略の側面図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの混合器を構成するスワーラを示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）概略の側断面図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの混合器を構成するスワーラを示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）概略の正面図である。本発明の第５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５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６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６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。

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再生用混合器
８４再生用ガス入口（再生用ガス供給口）
９０ハウジング
１０２旋回付与部（旋回付与手段）
１１０再生用混合器
１１２スワーラ（旋回促進手段）
１２０スワーラ（旋回促進手段）
１２２ガイド部
１３２・１４２切換装置
１３４・１４４水素燃料供給システム

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、
前記反応器とは独立して設けられ、それぞれ供給された前記再生用ガスと酸素含有ガスとを混合して再生用混合ガスにする再生用混合器と、
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混合器が混合した再生用混合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、
を備えた水素燃料供給システム。
前記再生用混合器は、前記再生用ガスと酸素含有ガスとが混合される混合室に該再生用ガスを供給するための再生用ガス供給口を複数備えている請求項１記載の水素燃料供給システム。
前記再生用混合器は、筒状のハウジング内に形成された前記混合室内の軸線方向一端側に前記酸素含有ガスの入口が配置されると共に、該混合室の軸線方向他端側に前記再生用混合ガスの出口が配置されており、かつ前記複数の再生用ガス供給口が前記ハウジングの外周部に周方向に等間隔に配置されている請求項２記載の水素燃料供給システム。
前記再生用混合器は、前記酸素含有ガスが前記混合室を前記ハウジングの軸線廻りに旋回しながら通過するように、該酸素含有ガスの流れに旋回方向の成分を付与する旋回付与手段をさらに備える請求項３記載の水素燃料供給システム。
前記再生用混合器は、前記混合室内に配置され前記酸素含有ガスの旋回を促進する旋回促進手段をさらに備える請求項４記載の水素燃料供給システム。
前記旋回促進手段は、前記ハウジングの端部に配置され該ハウジングの上流側及び周面側を向くテーパ状に形成されたスワーラの表面に、前記酸素含有ガスを前記旋回方向に案内するガイド部を設けて構成されている請求項５記載の水素燃料供給システム。