(57)【要約】【課題】  複数の反応器を備え、１つの反応器の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制され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１２は、一対の反応器１８を備えており、各反応器１８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、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い得る。制御装置は、切換装置２０の各バルブの開閉を切り換えて、各反応器１８が改質工程を行う期間をずらしつつ該各反応器１８が改質工程と再生工程とを交互に行って燃料ガスが連続的に燃料電池１４に供給させ、かつ、１つの反応器１８Ａが改質工程を行っている期間中に他の反応器１８を再生工程から改質工程に切り換えて、燃料電池１４への燃料ガス供給の準備を行わせる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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複数の反応器と、
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、
前記各反応器に前記第１の状態が生じる期間をずらしつつ該各反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせて前記燃料ガスが連続的に排出されるように、かつ、１つの前記反応器に前記第１の状態が生じている期間中に他の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ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。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた反応器から排出される前記再生工程の残留ガスが前記燃料ガスの供給先に供給されないように前記切換装置を切り換える請求項１記載の水素燃料供給システム。
【請求項３】
前記反応器を３つ備え、
前記制御装置は、
第１の前記反応器に前記第１の状態が生じている期間中に第２の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ、
前記第２の反応器に前記第１の状態が生じている期間中に第３の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ、
かつ、前記第３の反応器に前記第１の状態が生じている期間中に前記第１の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられるように、
前記切換装置を切り換える請求項１又は請求項２記載の水素燃料供給システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた前記反応器、及び前記第１の状態から第２の状態に切り換えられる前の前記反応器から同時に前記燃料ガスを排出するように、前記切換装置を切り換える請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の水素燃料供給システム。
【請求項５】
前記切換装置は、前記制御装置の制御によって、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた前記反応器、及び前記第１の状態から第２の状態に切り換えられる前の前記反応器からの前記燃料ガスの排出量をそれぞれ調節可能である請求項４記載の水素燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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バッチ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。
【特許文献１】米国特許出願公開２００４／０１７５３２６Ａ１明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の技術では、再生工程から改質工程に切り換えられた直後の反応器から排出されるガスは、安定して改質工程を行う状態で排出される上記水素含有ガスと比較して水素量又は水素濃度が低くなり、この切換から安定して改質工程を行う状態に移行するまでの期間における燃料電池の出力が低下してしまう問題があった。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、複数の反応器を備え、１つの反応器の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制される水素燃料供給システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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複数の反応器と、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、前記各反応器に前記第１の状態が生じる期間をずらしつつ該各反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせて前記燃料ガスが連続的に排出されるように、かつ、１つの前記反応器に前記第１の状態が生じている期間中に他の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ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。
【０００６】
請求項１記載の水素燃料供給システムでは、各反応器は、それぞれ第１の状態への切換（選択）で生じる改質工程と、第２の状態への切換で生じる再生工程とを交互に行う。各反応器における改質工程を行う期間がずれているため、複数のバッチ式の反応器によって連続的に水素含有の燃料ガスを供給することができる。少なくとも１つの反応器が改質工程を行っている状態で、他の反応器が再生工程から改質工程に切り換えられるため、上記１つの反応器が改質工程を終える際には、他の反応器は生成した燃料ガスを安定的に供給する状態に移行している。すなわち、１つの反応器が燃料ガスを供給している間に、他の反応器が燃料ガスの供給の準備を行う（完了する）ことで、燃料ガスの供給量が一時的に低下することが防止される。
【０００７】
このように、請求項１記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器を備え、１つの反応器の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制される。
【０００８】
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、前記制御装置は、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた反応器から排出される前記再生工程の残留ガスが前記燃料ガスの供給先に供給されないように前記切換装置を切り換える。
【０００９】
請求項２記載の水素燃料供給システムでは、上記の通り第２状態から第１の状態に切り換えられた反応器に残留している再生残留ガス（再生用ガス、支燃ガス、再生排ガス）が、改質工程（水素供給準備工程）で生成された水素含有の燃料ガスによって該反応器から押し出される。ここで、制御装置による切換装置の切換によって、再生残留ガスが燃料ガスの供給先に供給されることが防止されるので、該供給先への燃料ガスの供給量が一時的に変動することが確実に防止される。
【００１０】
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１又は請求項２記載の水素燃料供給システムにおいて、前記反応器を３つ備え、前記制御装置は、第１の前記反応器に前記第１の状態が生じている期間中に第２の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ、前記第２の反応器に前記第１の状態が生じている期間中に第３の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられ、かつ、前記第３の反応器に前記第１の状態が生じている期間中に前記第１の前記反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換えられるように、前記切換装置を切り換える。
【００１１】
請求項３記載の水素燃料供給システムでは、例えば第１の反応器は、反応器が２つである場合のように第２の反応器が改質工程を行っている期間中に再生工程から改質工程（水素供給準備工程）に切り換えられることはなく、それよりも遅いタイミングで実行される第３の反応器の改質期間中に再生工程から改質工程に切り換えられれば良い。このため、各反応器の再生工程の時間を短縮することなく水素供給準備工程を実行して水素供給量の変動を抑制することができる。
【００１２】
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１乃至請求項３の何れか１項記載の水素燃料供給システムにおいて、前記制御装置は、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた前記反応器、及び前記第１の状態から第２の状態に切り換えられる前の前記反応器から同時に前記燃料ガスを排出するように、前記切換装置を切り換える。
【００１３】
請求項４記載の水素燃料供給システムでは、２つ又は３つ以上の反応器のうち、再生工程から改質工程に切り換えられた反応器と、改質工程から再生工程に切り換えられる前の反応器とが、同時に燃料ガスを排出する状況が生じる。この状況では、改質工程末期の反応器では水素生成能力が低下するが、この低下分が再生工程を終えた直後の反応器による水素生成（改質）によって補うことができる。
【００１４】
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、前記制御装置は、前記第２の状態から第１の状態に切り換えられた前記反応器、及び前記第１の状態から第２の状態に切り換えられる前の前記反応器から同時に前記燃料ガスを排出するように、前記切換装置を切り換える。
【００１５】
請求項５記載の水素燃料供給システムでは、上記２つの反応器からの燃料ガス排出量を調節してシステム全体としての燃料ガス排出量を維持しつつ、改質工程末期の反応器から生成燃料ガスを殆ど押排出させた後に再生工程に移行させることができる。このため、システム全体として効率が良好である。
【発明の効果】
【００１６】
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、複数の反応器を備え、１つの反応器の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制されるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１には、燃料電池システム１０の概略のシステム構成図（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とを主要構成要素として構成されている。
【００１９】
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（ＣxＨy）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。
【００２０】
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ   →  ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2          …  （１）
ＣnＨm＋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。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１に示される如く、水素燃料供給システム１２の切換装置２０は、原料供給ライン１６を備えており、原料供給ライン１６の上流端は、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に接続されている。この原料供給ライン１６の下流端は、環状管路２４に接続されている。この環状管路２４には、４つのバルブＶａ１、Ｖａ２、Ｖｂ１、Ｖｂ２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１６の下流端は、環状管路２４におけるバルブＶａ１とバルブＶａ２との間に接続されている。
【００２５】
また、環状管路２４におけるバルブＶｂ１とバルブＶｂ２との間には、排気ライン２６の上流端が接続されている。排気ライン２６上には、排気処理器２８が配置されている。排気処理器２８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。さらに、環状管路２４におけるバルブＶａ１とバルブＶｂ１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３０Ａの他端が接続されている。さらにまた、環状管路２４におけるバルブＶａ２とバルブＶｂ２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３０Ｂの他端が接続されている。第１ライン３０Ａ及び第２ライン３０Ｂ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。
【００２６】
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３２Ａ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３２Ｂの一端が接続されている。第３ライン３２Ａ、第４ライン３２Ｂの各他端は、それぞれ環状管路３４（図１では、燃料電池１４を囲むように図示されている）に接続されている。この環状管路３４には、４つのバルブＶｃ１、Ｖｃ２、Ｖｄ２、Ｖｄ１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３２Ａの他端は、環状管路３４におけるバルブＶｃ１とバルブＶｄ１との間に接続されており、第４ライン３２Ｂの他端は、環状管路３４におけるバルブＶｃ２とバルブＶｄ２との間に接続されている。
【００２７】
また、環状管路３４におけるバルブＶｃ１とバルブＶｄ１との間（第３ライン３２Ａの接続部）には、第１掃気ライン３６Ａの一端が接続されており、環状管路３４におけるバルブＶｃ２とバルブＶｄ２との間（第４ライン３２Ｂの接続部）には、第２掃気ライン３６Ｂの一端が接続されている。第２掃気ライン３６Ｂの下流端は、第１掃気ライン３６ＡにおけるバルブＶｅ１の下流に合流している。また、第１掃気ライン３６Ａにおける第２掃気ライン３６Ｂの合流部よりも上流（環状管路３４）側にはバルブＶｅ１が配設されており、第２掃気ライン３６ＢにはバルブＶｅ２が配設されている。
【００２８】
さらに、環状管路３４におけるバルブＶｃ１とバルブＶｃ２との間には、燃料ガス供給ライン３８の一端が接続されている。燃料ガス供給ライン３８の他端は、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａに接続されている。また、環状管路３４におけるバルブＶｄ１とバルブＶｄ２との間には、再生用ガス供給ライン４０の一端が接続されている。再生用ガス供給ライン４０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。
【００２９】
以上により、切換装置２０では、バルブＶａ１、Ｖａ２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Ｖｃ１、Ｖｃ２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Ｖｄ１、Ｖｄ２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Ｖｂ１、Ｖｂ２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。
【００３０】
すなわち、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３２Ａ又は第４ライン３２Ｂ、環状管路３４のバルブＶｃ１又はバルブＶｃ２、燃料ガス供給ライン３８を通過した燃料ガスが送給される構成である。また、燃料ガス入口１４Ａから燃料電池１４内に導入される燃料ガスは、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、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出され、再生用ガス供給ライン４０、バルブＶｄ１又はバルブＶｄ２、第３ライン３２Ａ又は第４ライン３２Ｂ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。
【００３１】
なお、各バルブは電磁弁とされており、後述する制御装置５６からの作動信号に基づいて開閉を行う構成である。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５６の動作と共に後述する。
【００３２】
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４２の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン４４の他端が接続されている。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。
【００３３】
燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄには、水蒸気供給ライン４６の一端が接続されており、水蒸気供給ライン４６の他端は、原料供給ライン１６に合流している。これにより、改質工程を行う反応器１８には、炭化水素原料と反応する改質反応ガスである水蒸気、酸素が供給されるようになっている。なお、水蒸気供給ライン４６と原料供給ライン１６との合流部又はその下流に、炭化水素原料とカソードオフガスとを混合するための混合器や燃料噴射装置等を配置しても良い。
【００３４】
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４８の吐出側に接続された冷却用空気供給ライン５０の他端が接続されている。冷却用空気供給ライン５０上にはバルブＶｒ１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から排出されるようになっている。
【００３５】
燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆには、冷却用空気排出ライン５２の一端が接続されており、冷却用空気排出ライン５２の他端は、再生用ガス供給ライン４０に合流している。これにより、再生用ガスとしてのアノードオフガス（可燃性ガス）と支燃ガスである酸素を含む燃焼用空気とが再生工程を行う反応器１８に供給されるようになっている。また、冷却用空気供給ライン５０におけるバルブＶｒ１の上流からは、バルブＶｒ２が配設された空気分岐ライン５４の一端部が接続されており、空気分岐ライン５４の他端部は、再生用ガス供給ライン４０における冷却用空気排出ライン５２の合流部に合流している。
【００３６】
例えば、バルブＶｒ１は開閉弁、バルブＶｒ２は弁開度を調節可能な調節弁とされ、それぞれ制御装置５６によって制御されるようになっている。すなわち、バルブＶｒ２の弁開度に応じて、空気分岐ライン５４から再生用ガス供給ライン４０に供給される空気量が調節される構成である。なお、冷却用空気排出ライン５２の下流端を分岐させると共にバルブを介して各反応器１８に接続し、反応器１８内で再生用ガスと燃焼用空気との混合が行われるようにしても良い。
【００３７】
また、燃料電池システム１０は、制御装置５６を備えている。図２に示される如く、制御装置５６は、切換装置２０の各バルブ（バルブＶａ１、Ｖａ２、Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｄ１、Ｖｄ２、Ｖｅ１、Ｖｅ２）、及びバルブＶｒ１、Ｖｒ２、燃料ポンプ２２、及び各空気ポンプ４２、５２に電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶｒ２については弁開度の調節）及び各ポンプの作動、停止等を制御する構成とされている。
【００３８】
この制御によって制御装置５６は、図３にタイミングチャートにて示される如く、各反応器１８に改質工程（実線にて示す工程）と再生工程（破線にて示す工程）とを交互に繰り返させ、かつ各反応器１８で改質工程を行うタイミングがずれて改質工程を行う反応器１８が存在しないタイミングが生じないように、燃料電池システム１０を動作させるようになっている。これにより、水素燃料供給システム１２は、燃料電池１４に対し連続的に水素含有の燃料ガスを供給する構成とされている。この制御装置５６の制御による燃料電池システム１０（切換装置２０）の具体的な制御については、本実施形態の作用と共に後述する。
【００３９】
この制御装置５６は、例えば、内蔵タイマによって計測した反応器１８の改質工程の開始から所定時間が経過した場合、温度センサからの入力信号に基づいて改質工程を行っている反応器１８の温度が所定温度（改質工程を維持し得る温度）を下回ったと判断した場合、又は、各反応器１８の出口ガスの濃度を検出するガスセンサからの入力信号に基づいて改質工程を行っている反応器１８から排出されるガスの水素濃度が所定濃度を下回ったと判断した場合などに、該反応器１８を改質工程から再生工程への切換タイミングを決定するようになっている。
【００４０】
次に、燃料電池システム１０の作用について、図３に示すタイミングチャート、及び図４乃至図７の動作図を参照しつつ説明する。なお、図３では、各反応器１８の改質工程を行う期間を実線にて示し、再生工程を行う期間を破線にて示している。また、図４乃至図７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。
【００４１】
図３に示す状態Ａでは、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Ａの後の状態Ｂは、第１反応器１８Ａの改質工程の終盤であって、第２反応器１８Ｂが改質工程を開始する。状態Ｂの後の状態Ｃは、第２反応器１８Ｂが改質工程を行うと共に第１反応器１８Ａが再生工程を行う。状態Ｃの後の状態Ｄは、第２反応器１８Ｂの改質工程の終盤であって、第１反応器１８Ａが改質工程を開始する。制御装置５６は、状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがこの順で生じるように切換装置を切り換える。以下、具体的に説明する。
【００４２】
上記した状態Ａでは、図４に示される動作が行われている。この図４に示される如く、状態Ａに切り換えられた切換装置２０では、バルブＶａ１、Ｖｂ２、Ｖｃ１、Ｖｄ２が開放されると共に、バルブＶａ２、Ｖｂ１、Ｖｃ２、Ｖｄ１、Ｖｅ１、Ｖｅ２が閉止されている。このため、原料供給ライン１６にて混合された炭化水素燃料とカソードオフガス（水蒸気、酸素）とは、第１反応器１８Ａに供給され、第１反応器１８Ａでは、炭化水素燃料とカソードオフガスとを改質反応ガスとして改質反応を行う。この改質工程にて生成された水素含有の燃料ガスは、第３ライン３２Ａ環状管路３４のバルブＶｃ１、燃料ガス供給ライン３８、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。
【００４３】
燃料電池１４には、カソード用空気供給ライン４４、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５０、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、上記の通り水蒸気供給ライン４６を通じて原料供給ライン１６に導入されて改質反応ガスとなり、第１反応器１８Ａに導入される。
【００４４】
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、再生用ガス供給ライン４０、環状管路３４のバルブＶｄ２、第４ライン３２Ｂを通じて再生用ガスとして第２出入口１８Ｆから第２反応器１８Ｂに導入される。また、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５２を経由して再生用ガス供給ライン４０に合流し、燃焼用空気としてアノードオフガスと共に第２反応器１８Ｂに導入される。
【００４５】
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３０Ｂ、環状管路２４のバルブＶｂ２、排気ライン２６を通じて排気処理器２８に導入され、該排気処理器２８にて浄化されてシステム外に排出される。
【００４６】
第１反応器１８Ａの再生工程への切換タイミングになる前に、制御装置５６は、切換装置２０を切り換えて、水素燃料供給システム１２（燃料電池システム１０）を上記した状態Ｂに移行させる。すなわち、制御装置５６は、バルブＶａ２を開放すると共にバルブＶｂ２を閉止する。これにより、第１反応器１８Ａと共に第２反応器１８Ｂにも改質反応ガスが供給される。この切換時点で、第２反応器１８Ｂには、再生工程で生成された再生排ガス、燃焼しなかった再生用ガス、燃焼用空気等（以下、これらをまとめて再生残留ガスという）が残留している。またこの切り換えに伴って、制御装置５６は、バルブＶｅ２を開放する。これにより、燃料電池システム１０は図５に示される状態となる。
【００４７】
この図５に示される状態Ｂでは、第１反応器１８Ａから燃料電池１４に燃料ガスが供給される一方、第２反応器１８Ｂでは改質反応が開始され、生成された燃料ガスによって第２反応器１８Ｂの第２出入口１８Ｆから第４ライン３２Ｂに押し出された再生残留ガスは、アノードオフガスと共に、環状管路３４、第２掃気ライン３６Ｂ（バルブＶｅ２）、第１掃気ライン３６Ａを経由して、該排気処理器２８にて浄化された後にシステム外に排出される。これにより、第２反応器１８Ｂ内は、燃料ガスで徐々に満たされ、該燃料ガスを安定して供給可能な状態に移行する（水素含有の燃料ガス供給準備が完了する）。
【００４８】
そして、制御装置５６は、例えば、状態Ａ又は状態Ｂの開始からの経過時間、第１反応器１８Ａの温度又は排出ガス（水素）濃度等に基づいて、第１反応器１８Ａの再生工程への切換タイミングになったと判断すると、切換装置２０を図６に示す動作状態の状態Ｃに切り換える。すなわち、制御装置５６は、バルブＶａ２の開放状態及びバルブＶｂ２、Ｖｅ１の閉止状態を維持しつつ、バルブＶａ１、Ｖｃ１、Ｖｄ２、Ｖｅ２を閉止すると共に、バルブＶｂ１、Ｖｃ２、Ｖｄ１を開放する。これにより、第１反応器１８Ａにて再生工程が行われ、第２反応器１８Ｂにて改質工程が行われる。
【００４９】
この状態Ｃは、基本的に状態Ａにおける第１反応器１８Ａと第２反応器１８Ｂとが行う工程が、再生工程と改質工程とで入れ替わっただけである。したがって、状態Ｃでは、第２反応器１８Ｂから燃料電池１４に水素含有燃料ガスが供給されると共に、アノードオフガスが再生用ガスとして第１反応器１８Ａに供給される。
【００５０】
そして、制御装置５６は、第２反応器１８Ｂの再生工程への切換タイミングになる前に、切換装置２０を切り換えて、水素燃料供給システム１２（燃料電池システム１０）を上記状態Ｄに移行させる。すなわち、制御装置５６は、Ｖａ１を開放すると共にバルブＶｂ１を閉止する。これにより、第２反応器１８Ｂと共に第１反応器１８Ａにも改質反応ガスが供給される。またこのとき、制御装置５６は、バルブＶｅ１を開放する。これにより、燃料電池システム１０は図７に示される状態となる。
【００５１】
この図７に示される状態Ｄでは、第２反応器１８Ｂから燃料電池１４に燃料ガスが供給される一方、第１反応器１８Ａでは改質反応が開始され、生成された燃料ガスによって第１反応器１８Ａの第２出入口１８Ｅから第３ライン３２Ａに押し出された再生残留ガスは、アノードオフガスと共に、環状管路３４、第１掃気ライン３６Ａ（バルブＶｅ１）、第１掃気ライン３６Ａを経由して、該排気処理器２８にて浄化された後にシステム外に排出される。これにより、第１反応器１８Ａ内は、燃料ガスで徐々に満たされ、該燃料ガスを安定して供給可能な状態に移行する（燃料ガス供給準備が完了する）。
【００５２】
さらに、制御装置５６は、例えば、状態Ｃ又は状態Ｄの開始からの経過時間、第２反応器１８Ｂの温度又は排出ガス（水素）濃度等に基づいて、第２反応器１８Ｂの再生工程への切換タイミングになったと判断すると、切換装置２０を図４に示す動作状態の状態Ａに切り換える。すなわち、制御装置５６は、バルブＶａ１の開放状態及びバルブＶｂ１、Ｖｅ２の閉止状態を維持しつつ、バルブＶａ２、Ｖｃ２、Ｖｄ１、Ｖｅ１を閉止すると共に、バルブＶｂ２、Ｖｃ１、Ｖｄ２を開放する。
【００５３】
燃料電池システム１０は、上記した状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄをこの順に繰り返すことで、水素燃料供給システム１２から燃料電池１４へ水素含有の燃料ガスを連続的に供給すると共に、燃料ガスのうち燃料電池１４が消費しない成分を再生用ガスとして利用する。
【００５４】
ここで、一方の反応器１８にて改質工程が行われている期間中に、再生工程が行われていた他方の反応器１８が改質工程を行う状態に切り換えられるため、換言すれば、一方の反応器１８から燃料電池１４に水素が供給されている期間中に、他方の反応器１８が再生工程を終えて燃料電池１４に燃料ガス（水素）を供給する準備を行うため、一方の反応器１８が改質工程を終えたときに他方の反応器１８から燃料電池１４に水素を供給する状態に直ちに移行（状態Ｂから状態Ｃ、状態Ｄから状態Ａへの各移行）することができる。これにより、例えば状態Ａと状態Ｃとを交互に繰り返す構成（制御）のように、該状態Ａ、Ｃの切換時に燃料電池１４への水素供給量が減少すること、すなわち燃料電池１４への燃料ガスの供給量が一時的に低下することが防止される。
【００５５】
また、燃料電池１４への燃料ガス供給準備（改質反応の開始）に伴って、該準備が行われている反応器１８から排出される再生残留ガスは、第１又は第２掃気ライン３６Ａ、３８Ｂを経由して系外に排出されて燃料電池１４に供給されることがないため、燃料電池１４のアノード電極には、水素含有の燃料ガスのみが安定して供給される。特に、燃料電池１４内の可燃性ガス（燃料ガス）と再生残留ガス中の酸素との酸化が生じることがないため、該酸化反応による燃料ガス入口１４Ａでの異常昇温が生じることが防止される。したがって、燃料電池１４の良好な発電状態が維持される。
【００５６】
このように、本実施形態に係る水素燃料供給システム１２では、２つの反応器１８を備え、１つの反応器１８の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制される。したがって、燃料電池システム１０では、水素燃料供給システム１２の状態（工程）切換時に燃料電池１４の発電量が低下することが防止される。このため、例えば２次電池（蓄電池）の容量を抑えたり、また例えば水素バッファタンクの容量を抑えたりすることができる。
（他の実施形態）
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、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム６０がシステム構成図（動作図）にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム６０は、機械的には燃料電池システム１０と全く同様に構成されており、制御装置５６による制御のみが燃料電池システム１０とは異なる。
【００５７】
具体的には、図９にタイミングチャートにて示す如く、燃料電池システム６０では、状態Ｂが状態Ｂ１と状態Ｂ２とにさらに分けられている。状態Ｂ１は、第１の実施形態における状態Ｂ（図５参照）と同じであり、例えば状態Ａからの切換から規定時間が経過するまで維持されるようになっている。状態Ｂ２では、改質反応を行っている第１反応器１８Ａへの炭化水素原料の供給を停止し、かつ該第１反応器１８Ａから燃料電池１４への燃料ガスの供給を維持するようになっている。すなわち、状態Ｂ１から、バルブＶａ１を閉止すると共にバルブＶｂ１を開放し、アノードオフガス及び第２反応器１８Ｂの再生準備ガス（作動ガス）を排気ライン２６、環状管路２４、第１ライン３０Ａを経由させて第１反応器１８Ａに導入し、該作動ガスによって第１反応器１８Ａ内に滞留している燃料ガスを押し出すようになっている。
【００５８】
また、図示及び説明を省略するが、燃料電池システム６０では、状態Ｄも、上記した状態Ｂと同様に前半の状態Ｄ１（第１の実施形態における状態Ｄと同じ状態）と、後半の状態Ｄ２とに分けられている。図９に開閉タイミングを図示しない各バルブの状態Ｂ２における開閉状態は、第１の実施形態の状態Ｂと同じである。
【００５９】
以上説明した燃料電池システム６０では、基本的に第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。また、燃料電池システム６０では、改質工程の後期に改質原料である炭化水素原料の共有を停止し、かつ生成される燃料ガスを燃料電池１４に供給することができ、水素濃度の高い燃料ガスを反応器１８外に押し出された後に、該反応器１８を再生工程に切り換えることができる。
【００６０】
なお、第２の実施形態では、排気ライン２６を経由させて燃料ガスを押し出すための作動ガスを導入する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気処理器２８の下流から排気処理済の燃焼ガスを作動ガスとして導入することができる。
【００６１】
また、第２の実施形態では、状態Ａから状態Ｂ１への切換から規定時間が経過すると状態Ｂ２に移行する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、燃料電池１４の低負荷時に、制御装置５６が状態Ｂ１を経ることなく状態Ａから状態Ｂ２に切り換わる制御を行うようにしても良い。この構成では、少ない燃料で燃料電池１４の運転を維持することができる低負荷時に、再生工程に切り換えられる反応器１８に燃料ガス（高濃度の水素）残留することが防止され、燃料を節約することができる。
（第３の実施形態）
図１０には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム７０がシステム構成図（動作図）にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム７０は、環状管路３４におけるバルブＶｄ１、Ｖｄ２の間（再生用ガス供給ライン４０の接続部位）と、水蒸気供給ライン４６とを連通するアノードオフガス循環用ライン７２を備えている。アノードオフガス循環用ライン７２には、バルブＶｓが配設されている。
【００６２】
バルブＶｓは制御装置５６によって開閉されるようになっており、制御装置５６は、状態ＢでバルブＶｄ２を閉止すると共にバルブＶｓを開放し、状態ＤでバルブＶｄ１を閉止すると共にバルブＶｓを開放する点で第１の実施形態とは制御が異なる。図１０は、状態Ｂの動作を示しており、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されたアノードオフガスは、再生用ガス供給ライン４０、アノードオフガス循環用ライン７２、水蒸気供給ライン４６を経由して第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂにそれぞれ供給される。このアノードオフガスは、燃料電池１４で消費されなかった水素、燃料電池１４では消費されない可燃性ガス（炭化水素、一酸化炭素等）、及び水蒸気を含むため、各反応器１８において改質原料として利用される。
【００６３】
以上説明した燃料電池システム７０では、基本的に第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。また、燃料電池システム７０は、アノードオフガスを系外に排気することなく改質原料として用いるため、燃料の節約が図られ、効率が高い。また、燃料電池１４への燃料ガス供給準備をしている反応器１８内の流量が増すため、該反応器１８の再生残留ガスが短時間で排出され、状態Ｂの維持時間を短くすることができる。この場合、各反応器１８の再生時間を長く取ることが可能になる。
【００６４】
なお、上記第３の実施形態では第１の実施形態の制御を基本に説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、上記第２の実施形態の制御との組み合わせで、燃料電池１４への燃料ガス供給準備をしている反応器１８（状態Ｂでは第２反応器１８Ｂ、状態Ｄでは第１反応器１８Ａ）にのみアノードオフガスを供給するようにしても良い。この構成では、第２反応器１８Ｂの流量が一層増すため、該反応器１８の再生残留ガスが一層短時間で排出され、状態Ｂの維持時間を一層短くすることができる。
（第４の実施形態）
図１１には、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム８０がシステム構成図（動作図）にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム８０の水素燃料供給システム８２は、３つの反応器１８を備えており、図１２に示される如く各反応器１８が異なるタイミングで改質工程を行うようになっている。以下、第３の反応器１８を第３反応器１８Ｇとして、具体的に説明する。
【００６５】
水素燃料供給システム８２は、切換装置２０に代えて切換装置８４を備えている。切換装置８４は、一端が環状管路２４におけるバルブＶａ１、バルブＶａ２間（原料供給ライン１６）に接続されると共に、他端が第３反応器１８Ｇの第１出入口１８Ｈに接続された第５ライン３０Ｃを備えている。第５ライン３０Ｃには、バルブＶａ３が配設されている。第５ライン３０ＣにおけるバルブＶａ３と第３反応器１８Ｇとの間には、一端が排気ライン２６に接続された排気合流ライン８６の他端が接続されており、排気合流ライン８６にはバルブＶｂ３が配設されている。これにより、切換装置８４は、一部又は全部の反応器１８に炭化水素原料を供給する状態、一部又は全部の反応器１８から再生排ガスを排出する状態にそれぞれ切り換えることができる構成とされている。
【００６６】
また、切換装置８４は、一端が環状管路２４におけるバルブＶｃ１、バルブＶｃ２間（燃料ガス供給ライン３８）に接続されると共に、他端が第３反応器１８Ｇの第２出入口１８Ｉに接続された第６ライン３２Ｃを備えている。第６ライン３２Ｃには、バルブＶｃ３が配設されている。第６ライン３２ＣにおけるバルブＶｃ３と第３反応器１８Ｇとの間には、一端が再生用ガス供給ライン４０に接続された再生用ガス合流ライン８８の他端が接続されており、再生用ガス合流ライン８８にはバルブＶｄ３が配設されている。これにより、切換装置８４は、一部又は全部の反応器１８に再生用ガスを供給する状態、一部又は全部の反応器１８から燃料ガスを排出する状態にそれぞれ切り換えることができる構成とされている。
【００６７】
さらに、切換装置８４は、第６ライン３２ＣにおけるバルブＶｃ３と再生用ガス合流ライン８８の合流部位との間から分岐し、端部が第１掃気ライン３６ＡにおけるバルブＶｅ１の下流に接続された第３掃気ライン３６Ｃを備えている。第３掃気ライン３６Ｃには、バルブＶｅ３が配設されている。また、この実施形態では、第３ライン３２Ａ、第４ライン３２Ｂ、第６ライン３２Ｃにおける環状管路３４、再生用ガス合流ライン８８の合流部よりも各上流には、バルブＶｆ１、Ｖｆ２、Ｖｆ３が配設されている。これらのバルブＶｆ１、Ｖｆ２、Ｖｆ３は、通常は常時開とされ、３つの反応器１８のうち２つの反応器１８のみを用いる場合に、閉止して休止する反応器１８へのガス流入を防止するようになっている。燃料電池システム８０の機械的な他の構成は、燃料電池システム１０と同様である。
【００６８】
そして、図示は省略するが、バルブＶａ３、Ｖｂ３、Ｖｃ３、Ｖｄ３、Ｖｅ３、Ｖｆ１、Ｖｆ２、Ｖｆ３は、他のバルブと共に制御装置５６に電気的に接続されており、該制御装置５６によって開閉されるようになっている。この制御装置５６の動作について、図１２に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。
【００６９】
図１２に示される如く、水素燃料供給システム８２では、第１反応器１８Ａの改質工程の後期に第２反応器１８Ｂが再生工程から改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行い、第２反応器１８Ｂの改質工程の後期に第３反応器１８Ｇが再生工程から改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行い、第３反応器１８Ｇの改質工程の後期に第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行う構成とされている。
【００７０】
より具体的には、水素燃料供給システム８２では、制御装置５６は、図１２に示す６つの状態Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊをこの順に繰り返すようになっている。状態Ｅでは、第１反応器１８Ａが改質工程を行いつつ燃料電池１４に水素含有の燃料ガスを供給すると共に、第２及び第３反応器１８Ｂ、１８Ｇが再生工程を行う。状態Ｆでは、第１反応器１８Ａの改質工程が後期に至り、第２反応器１８Ｂが改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行うと共に、第３反応器１８Ｇは再生工程を維持する。
【００７１】
状態Ｇでは、第２反応器１８Ｂが改質工程を行いつつ燃料電池１４に水素含有の燃料ガスを供給すると共に、第１及び第３反応器１８Ａ、１８Ｇが再生工程を行う。状態Ｈでは、第２反応器１８Ｂの改質工程が後期に至り、第３反応器１８Ｇが改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行うと共に、第１反応器１８Ａは再生工程を維持する。
【００７２】
状態Ｉでは、第３反応器１８Ｇが改質工程を行いつつ燃料電池１４に水素含有の燃料ガスを供給すると共に、第１及び第２反応器１８Ａ、１８Ｂが再生工程を行う。状態Ｊでは、第３反応器１８Ｇの改質工程が後期に至り、第１反応器１８Ａが改質工程に切り換えられて燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行うと共に、第２反応器１８Ｂは再生工程を維持する。
【００７３】
上記各状態での各バルブの開閉状態は、図１２に示す通りであり、基本的には、第１反応器１８Ａが改質工程を行う場合にはバルブＶａ１、Ｖｃ１が開放されると共にバルブＶｂ１、Ｖｄ１が閉止され、第１反応器１８Ａが再生工程を行う場合にはバルブＶｂ１、Ｖｄ１が開放されると共にバルブＶａ１、Ｖｃ１が閉止される。また、第２反応器１８Ｂが改質工程を行う場合にはバルブＶａ２、Ｖｃ２が開放されると共にバルブＶｂ２、Ｖｄ２が閉止され、第２反応器１８Ｂが再生工程を行う場合にはバルブＶｂ２、Ｖｄ２が開放されると共にバルブＶａ２、Ｖｃ２が閉止される。さらに、第３反応器１８Ｇが改質工程を行う場合にはバルブＶａ３、Ｖｃ３が開放されると共にバルブＶｂ３、Ｖｄ３が閉止され、第３反応器１８Ｇが再生工程を行う場合にはバルブＶｂ３、Ｖｄ３が開放されると共にバルブＶａ３、Ｖｃ３が閉止される。
【００７４】
また、制御装置５６は、第２反応器１８Ｂが再生工程から改質工程に切り換えられる状態Ｅから状態Ｆ（第２反応器１８Ｂの燃料ガス供給準備状態）への切換時には、バルブＶｅ２を開放する。これにより、第２反応器１８Ｂでは改質工程が開始され、生成された燃料ガスは第２反応器器１８Ｂから再生残留ガスを押し出しつつ該第２反応器１８Ｂ内に充満する。また、この実施形態では、第１反応器１８Ａが改質工程を終了する状態Ｇへの移行前にバルブＶｃ２を開放すると共に、バルブＶｅ２を閉止するようになっている。すなわち、３つの反応器１８を備える水素燃料供給システム８２では、状態Ｆの維持時間が比較的長時間に設定されて状態Ｇへの切換前（第１反応器１８Ａによる燃料ガス供給を維持している期間中）に第２反応器１８Ｂによる燃料ガス供給準備を完了させており、改質工程の末期（触媒温度低下）で第１反応器１８Ａによる水素生成量が低下した際に、第２反応器１８Ｂから燃料電池１４への燃料ガスの供給を開始する。
【００７５】
同様に、制御装置５６は、第３反応器１８Ｇが再生工程から改質工程に切り換えられる状態Ｇから状態Ｈ（第３反応器１８Ｃの燃料ガス供給準備状態）への切換時には、バルブＶｅ３を開放する。また、制御装置５６は、第２反応器１８Ｂが改質工程を終了する状態Ｉへの移行前にバルブＶｃ３を開放すると共に、バルブＶｅ３を閉止する。また同様に、制御装置５６は、第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられる状態Ｉから状態Ｊ（第１反応器１８Ａの燃料ガス供給準備状態）への切換時には、バルブＶｅ１を開放する。また、制御装置５６は、第１反応器１８Ａが改質工程を終了する状態Ｅへの移行前にバルブＶｃ１を開放すると共に、バルブＶｅ１を閉止する。
【００７６】
このように、第４の実施形態に係る水素燃料供給システム８２では、１つの反応器１８にて改質工程が行われている期間中に、再生工程が行われていた他の反応器１８が改質工程を行う状態に切り換えられるため、換言すれば、１つの反応器１８から燃料電池１４に水素が供給されている期間中に、他の反応器１８が再生工程を終えて燃料電池１４に燃料ガスを供給する準備を行うため、１つの反応器１８が改質工程を終えたときに他の反応器１８から燃料電池１４に水素を供給する状態に直ちに移行（状態Ｂから状態Ｃ、状態Ｄから状態Ａへの各移行）することができる。これにより、例えば状態Ｅ、Ｇ、Ｉをこの順に繰り返す構成（制御）のように、該状態Ｅ、Ｇ、Ｉの切換時に燃料電池１４への水素供給量が減少すること、すなわち燃料電池１４への燃料ガスの供給量が一時的に低下することが防止される。
【００７７】
また、燃料電池１４への燃料ガス供給準備（改質反応の開始）に伴って、該準備が行われている反応器１８から排出される再生残留ガスは、第１、第２、又は第３掃気ライン３６Ａ、３８Ｂ、３８Ｃを経由して系外に排出されて燃料電池１４に供給されることがないため、燃料電池１４のアノード電極には、水素含有の燃料ガスのみが安定して供給される。また、燃料電池１４内の可燃性ガス（燃料ガス）と再生残留ガス中の酸素との酸化が生じることがないため、該酸化反応による燃料ガス入口１４Ａでの異常昇温が生じることが防止される。したがって、燃料電池１４の良好な発電状態が維持される。
【００７８】
このように、第４の実施形態に係る水素燃料供給システム８２では、３つの反応器１８を備え、１つの反応器１８の再生工程から改質工程への切換に伴う水素供給量の変動が抑制される。したがって、燃料電池システム８０では、水素燃料供給システム１２の状態（工程）切換時に燃料電池１４の発電量が低下することが防止される。このため、例えば２次電池（蓄電池）の容量を抑えたり、また例えば水素バッファタンクの容量を抑えたりすることができる。
【００７９】
また、第４の実施形態に係る水素燃料供給システム８２では、３つの反応器１８を備えて上記した状態Ｅ乃至状態Ｉをこの順に繰り返すため、換言すれば、３つの反応器１８のうち、主に１つの反応器１８が燃料電池１４への水素含有燃料ガスの供給を行う構成であるため、各反応器１８の再生工程行う時間が短縮されることが防止されている。これにより、基本的にアノードオフガスのみを燃料とする再生工程において触媒の十分な昇温、蓄熱を行うことができる。
【００８０】
さらに、水素燃料供給システム８２では、上記の如く３つの反応器１８のうち主に１つの反応器１８が燃料電池１４への水素含有燃料ガスの供給を行う構成であるため、状態Ｆ、Ｈ、Ｊを比較的長時間に設定して各状態Ｆ、Ｈ、Ｊの後期には燃料電池１４への燃料ガスの供給を開始させることができる。これにより、改質工程の末期で主に燃料電池１４に燃料ガスを供給していた反応器１８における燃料ガスすなわち水素生成量が低下した際に、２つの反応器１８から燃料電池１４に燃料ガスが供給される期間が生じ、燃料電池１４の発電量が一時的に低下することが確実に防止される。
（第５の実施形態）
図１３には、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム９０がシステム構成図（動作図）にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム９０は、切換装置２０の構成が第１実施形態に係る燃料電池システム１０とは異なり、また制御装置５６による制御が燃料電池システム１０とは異なる。
【００８１】
切換装置２０は、環状管路３４を備えず、バルブＶｃ１、Ｖｃ２は、第３ライン３２Ａ、第４ライン３２Ｂ上に配設されている。第３ライン３２Ａ、第４ライン３２Ｂは、反応器１８とは反対側の端部が燃料ガス供給ライン３８の上流端に接続されている。また、切換装置２０の再生用ガス供給ライン４０は、第１掃気ライン３６Ａにおける第２掃気ライン３６Ｂとの合流部よりも下流部位に接続されており、第１掃気ライン３６Ａ又は第２掃気ライン３６Ｂを再生用ガスの供給経路として利用するようになっている。
【００８２】
この再生用ガス供給ライン４０にはバルブＶｇ１が配設されており、第１掃気ライン３６Ａにおける該再生用ガス供給ライン４０の接続部位の下流にはバルブＶｇ２が配設されている。この実施形態では、バルブＶｄ１、Ｖｄ２を備えず、バルブＶｅ１、Ｖｅ２、Ｖｇ１、Ｖｇ２によって再生用ガス、及び排気ライン２６へのガス流路を切り替えるようになっている。また、この切換装置２０では、バルブＶａ１、Ｖａ２はそれぞれ弁開度を調節可能な調節弁とされている。
【００８３】
以上により、燃料電池システム９０では、２つの反応器１８を備えた構成において、一方の反応器の改質工程の終期に、該２つの反応器１８から同時に燃料ガスを供給する制御を可能としている。また、バルブＶａ１、Ｖａ２が調節弁であることで、切換時の燃料ガス供給を一層安定して行うことが実現される。以下、この燃料電池システム９０の動作を具体的に説明する。
【００８４】
燃料電池システム９０は、図１６のタイミングチャートに示される如く、燃料電池システム１０と同様に状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃ、状態Ｄをこの順で繰り返し、また第２の実施形態に係る燃料電池システム６０と同様に状態Ｂ、状態Ｄがそれぞれ状態Ｂ１、Ｂ２、状態Ｄ１、Ｄ２にさらに分けられている。
【００８５】
図１３に示される如く、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Ａは、バルブＶａ１、Ｖｂ２、Ｖｃ１、Ｖｅ２、Ｖｇ１が開放されると共に、バルブＶａ２、Ｖｂ１、Ｖｃ２、Ｖｅ１、Ｖｇ２が閉止されることで実現される。図示は省略するが、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Ｃは、バルブＶａ２、Ｖｂ１、Ｖｃ２、Ｖｅ１、Ｖｇ１が開放されると共に、バルブＶａ１、Ｖｂ２、Ｖｃ１、Ｖｅ２、Ｖｇ２が閉止されることで実現される。
【００８６】
第２反応器１８Ｂが再生工程を終了して燃料電池１４への燃料ガス供給準備を行う状態Ｂ１では、図１４に示される如く、状態ＡからバルブＶａ２、Ｖｇ２が開放されると共に、バルブＶｂ２が閉止されて実現される。このときのバルブＶａ１、Ｖａ２の弁開度は、燃料電池１４の負荷、反応器１８の温度などに基づいて適宜調節され、図１６に示すような開度には限定されない。
【００８７】
そして、この実施形態では、制御装置５６は、第２反応器１８Ｂの燃料ガス供給準備ガ完了したと判断すると、状態Ｂ２に移行する。この判断は、第２反応器１８Ｂからの排出ガスの組成、状態Ａから状態Ｂ１への移行からの経過時間などに基づいて行われる。図１５及び図１６に示される如く、状態Ｂ１から状態Ｂ２へは、バルブＶｃ２を開放すると共にバルブＶｅ２を閉止することで行われ、この状態Ｂ２では、２つの反応器１８から同時に、燃料ガスが燃料ガス供給ライン３８を経由して燃料電池１４に供給される。燃料ガスの水素は燃料電池１４で発電によって消費され、未利用の燃料ガスはアノードオフガス出口１４Ｂ、再生用ガス供給ライン４０、第１掃気ライン３６Ａ、排気処理装置２８を経て外部に排出される。
【００８８】
この状態Ｂ２では、第１反応器１８Ａは、改質工程の末期にあたり触媒温度が低下して水素生成能力も低下してきているが、この低下分を第２反応器１８Ｂの改質工程で生成される水素で補うことができる。このとき、調節弁であるバルブＶａ１、Ｖａ２の開度調節によって燃料ガスの排出量を調節することができるため、燃料電池１４への水素含有燃料ガスの供給を依り一層安定して行うことが可能のなる。例えば、状態Ｂ２において、第１反応器１８Ａからの燃料ガス排出量を徐々に低減すると共に第２反応器１８Ｂからの燃料ガス排出量を徐々に増加することで、燃料電池１４への燃料ガス供給量を保ちながら、第１反応器１８Ａ内の燃料ガス（水素リッチガス）を殆ど排出した後に該第１反応器１８Ａを再生工程に移行させることができる。このため、燃料電池システム９０は、システム全体として効率が良好である。
【００８９】
このように、燃料電池システム９０では、環状管路３４を廃し、再生用ガス供給ライン４０を第１掃気ライン３６Ａに接続してバルブＶｇ１、Ｖｇ２を設けることで、２つの反応器１８から同時に燃料電池１４に対し燃料ガスを供給することが実現された。また、バルブＶａ１、Ｖａ２を調節弁とすることで、２つの反応器１８から同時に燃料ガスをキュウキュウする際の供給量の調整が可能になった。なお、説明を省略したが、状態Ｄ２は、バルブＶａ１、Ｖａ２の開度を除いて、状態Ｂ２と全く同じバルブ開閉状態（切換装置２０の切換状態）になる。
【００９０】
なお、上記３つの反応器１８のうち、２つの反応器１８が同時に燃料ガスを排出する状況を生じ得る第４の実施形態において、バルブＶａ１、Ｖａ２、Ｖａ３を調節弁としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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による制御のタイミングチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける図３の状態Ａを示すシステム構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける図３の状態Ｂを示すシステム構成図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける図３の状態Ｃを示すシステム構成図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける図３の状態Ｄを示すシステム構成図である。
【図８】本発明の第２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。
【図９】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制御装置による制御の第１の実施形態と異なる部分のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３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。
【図１１】本発明の第４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。
【図１２】本発明の第４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による制御のタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムにおける図１６の状態Ａを示すシステム構成図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムにおける図１６の状態Ｂ１を示すシステム構成図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムにおける図１６の状態Ｂ２を示すシステム構成図である。
【図１６】本発明の第５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による制御のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９２】
１０    燃料電池システム
１２    水素燃料供給システム
１８    反応器
２０    切換装置
５６    制御装置
７０・８０・９０  燃料電池システム
８２    水素燃料供給システム
８４    切換装置
【図１】
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【図２】
2006282452.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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