(57)【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、
少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように、かつ、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされた場合に、該１つの反応器が、該切換タイミングで前記第２の状態に切り換わることなく、前記第１の状態に維持されつつ前記原料の供給量が増加さ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】
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、
前記各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、
少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように、かつ、前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされている期間中に１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換を生じさせることなく、該１つの反応器への前記原料の供給量が増加さ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３】
前記各反応器の温度又は熱量に応じた信号を前記制御装置に出力する改質能力検出手段と、
前記各反応器をそれぞれ加熱可能な加熱手段とをさらに備え、
前記制御装置は、前記改質能力検出手段の出力信号に基づいて前記第１の状態に維持されている前記反応器の保熱量が設定熱量を下回ると判断した場合に、該反応器の前記加熱手段を作動させる請求項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、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が別途所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に、別の反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換わ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１を引用する請求項３記載の水素燃料供給システム。
【請求項５】
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、
前記各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、
少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングが異なるように該各反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせ、かつ、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に別の反応器が、前記第２の状態から第１の状態に切り換わ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。
【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】
ところで、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る。このため、水素供給（排出）量の増加要求のタイミングと反応器の再生工程から改質工程への切替タイミングとがほぼ一致した場合、水素供給量の増加要求に対し実際の水素供給量が減少してしまう問題が生じる。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従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。
【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、前記各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、少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように、かつ、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされた場合に、該１つの反応器が、該切換タイミングで前記第２の状態に切り換わることなく、前記第１の状態に維持されつつ前記原料の供給量が増加さ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、複数の反応器は、それぞれ第１の状態への切換（選択）状態で生じる改質工程と、第２の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも２つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、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可能である。１つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定増加率以上の水素供給（排出）量の増加要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至っても改質工程を行っている上記１つの反応器の改質工程を維持する。これにより、水素含有の燃料ガスの供給量増加期間中には、改質工程に維持された反応器から安定して燃料ガスが排出され、該燃料ガス中の水素量（濃度）が一時的に低下してしまうことが防止される。
【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、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
【０００８】
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、前記各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、少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングを異ならせると共に前記複数の反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように、かつ、前記燃料ガス供給量の所定量又は所定増加率以上の増加要求がされている期間中に１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換を生じさせることなく、該１つの反応器への前記原料の供給量が増加さ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。
【０００９】
請求項２記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器は、それぞれ第１の状態への切換（選択）状態で生じる改質工程と、第２の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも２つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、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可能である。例えば、所定量又は所定増加率以上の水素供給（排出）量の増加要求がされている期間中に１つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングが到来する（と判断する）と、制御装置は、該切換タイミングで改質工程を行っている１つの反応器を再生工程に切り換えることなく改質工程に維持する。これにより、水素含有の燃料ガスの供給量増加期間中には、改質工程に維持された反応器から安定して燃料ガスが排出され、該燃料ガス中の水素量（濃度）が一時的に低下してしまうことが防止される。
【００１０】
このように、請求項２記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
【００１１】
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、前記各反応器の温度又は熱量に応じた信号を前記制御装置に出力する改質能力検出手段と、前記各反応器をそれぞれ加熱可能な加熱手段とをさらに備え、前記制御装置は、前記改質能力検出手段の出力信号に基づいて前記第１の状態に維持されている前記反応器の保熱量が設定熱量を下回ると判断した場合に、該反応器の前記加熱手段を作動させる。
【００１２】
請求項３記載の水素燃料供給システムでは、例えば上記の如く改質工程から再生工程への切換タイミングで再生工程に切り換えられることなく改質工程に維持された反応器は、該改質工程の維持時間が長くなると、所要の改質量に対し蓄熱量が不足する場合がある。制御装置は、改質能力検出手段の検出結果すなわち反応器の温度又は蓄熱量に基づいて、該反応器の蓄熱量が設定熱量を下回ると判断した場合には、加熱手段を作動して該反応器を加熱させる。これにより、要求改質量（燃料ガス生成量）を生成する改質工程を維持し得る熱量として設定熱量を設定しておけば、所定増加率以上の水素供給（排出）量の増加要求がされている期間中、上記１つの反応器を改質工程に維持することができる。なお、加熱手段としては、例えばヒータ等の外部熱源を用いるものを採用しても良く、反応器内の部分酸化比率を向上する手段等の内部発熱を促す手段を採用しても良い。
【００１３】
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、又は請求項１を引用する請求項３記載の水素燃料供給システムにおいて、前記制御装置は、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が別途所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に、別の反応器が前記第２の状態から第１の状態に切り換わるように前記切換装置を切り換える。
【００１４】
請求項４記載の水素燃料供給システムでは、１つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの別途所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定低減率以上の水素供給量の低減要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至る前に別の反応器を再生工程から改質工程に切り換える。これにより、この水素供給量の低減要求の直後に水素供給量の増加要求があった場合に、改質工程への切換からの経過時間が短く、蓄熱量が大である上記別の反応器から水素含有の燃料ガスを供給することができる。すなわち、上記した切換タイミング後に改質工程を維持する制御の実行頻度、加熱手段の作動時間等を減じることが可能となる。別の反応器の改質工程の末期に所定増加率以上の水素供給量の増加要求がある場合には、請求項１乃至請求項３の何れかの制御を行う。
【００１５】
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、前記各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、少なくとも２つの前記反応器の前記第１の状態から第２状態への切換タイミングが異なるように該各反応器にそれぞれ前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせ、かつ、１つの前記反応器の前記第１の状態から第２の状態への切換タイミングまでの時間が所定時間以下である時期に前記燃料ガス供給量の所定量又は所定低減率以上の低減要求がされた場合に、該切換タイミングよりも前に別の反応器が、前記第２の状態から第１の状態に切り換わ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。
【００１６】
請求項５記載の水素燃料供給システムでは、複数の反応器は、それぞれ第１の状態への切換（選択）状態で生じる改質工程と、第２の状態への切換状態で生じる再生工程とを交互に行う。少なくとも２つの反応器における改質工程から再生工程への切換タイミングがずれているため、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可能である。１つの反応器の改質工程から再生工程への切換タイミングの別途所定時間前から該切換タイミングまでの間に、所定量又は所定低減率以上の水素供給量の低減要求があると、制御装置は、該切換タイミングに至る前に別の反応器を再生工程から改質工程に切り換える。これにより、この水素供給量の低減要求の直後に水素供給量の増加要求があった場合に、改質工程への切換からの経過時間が短く、蓄熱量が大である上記別の反応器から水素含有の燃料ガスを供給することができる。
【発明の効果】
【００１７】
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、水素供給量の増加要求に良好に追従することができ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】
【００１８】
本発明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１乃至図９に基づいて説明する。この実施形態に係る燃料電池システム１０は、比較的負荷変動の大きい自動車駆動用のモータに電力を供給するための電源システムを構成している。この電源システムは、燃料電池システム１０の他にバッテリを備えるハイブリッドシステムとして構成されても良く、燃料電池システム１０単独で構成されても良い。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、燃料電池システム１０が適用された自動車の急加速時（燃料電池１４へ供給する燃料ガス（水素）の要求量が急増した場合）の制御について説明することとする。
【００１９】
（燃料電池システム構成）
図５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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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。各反応器１８の内部構造については後述する。
【００２２】
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。
【００２３】
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（この実施形態では略４００℃〜５００℃の間の一定温度）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。
【００２４】
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℃〜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。
【００２５】
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。
【００２６】
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に再生用ガス及び酸素を供給して再生反応を行わせる状態と、第１反応器１８Ａに再生用ガス及び酸素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。
【００２７】
図５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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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の基本動作として後述する。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、燃料電池システム１０は、制御装置７０を備えている。図６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７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の基本動作と共に説明する。
【００４５】
さらに、図５及び図６にも示される如く、燃料電池システム１０は、各反応器１８Ａ、１８Ｂ内に配設された改質能力検出手段としての温度センサ７２Ａ、７２Ｂを備えている。図６に示される如く、温度センサ７２Ａ、７２Ｂは、制御装置７０に電気的に接続されており、対応する反応器１８内の触媒温度に対応する信号を制御装置７０に出力するようになっている。
【００４６】
さらにまた、自動車駆動用モータの電源システムを構成する燃料電池システム１０の制御装置７０には、各種車両情報が入力されるようになっている。この実施形態では、図６に示される如く、車両情報として、アクセルペダルの操作量、車速、ブレーキペダルの操作量等が制御装置７０に入力される構成とされている。例えば、制御装置７０は、入力されるアクセルペダルの操作量（機械的なアクセル開度、又は単なる電気信号等）に応じて、燃料ポンプ２２による炭化水素原料の吐出量を変化させるようになっている。また、これらの車両情報は、後述する急加速要求に対する制御に用いられる。
【００４７】
（基本動作）
次に、燃料電池システム１０の基本的な運転動作を説明する。図８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９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。
【００４８】
図８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。
【００４９】
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４００℃〜５００℃の略一定温度に保たれている。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
燃料電池システム１０の制御装置７０は、図７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８に示す状態から図９に示す状態に切り換わる。
【００５３】
図８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。
【００５４】
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。
【００５５】
また、制御装置７０は、図７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９に示す状態から図８に示す状態に切り換わる。したがって、ステップＳ１２のバルブ開閉状態は、第１反応器１８Ａに対する本発明における第２の状態であると共に、第２反応器１８Ｂに対する第１の状態であり、Ｓ１６のバルブ開閉状態は、第１反応器１８Ａに対する第１の状態であると共に、第２反応器１８Ｂに対する第２の状態である。
【００５６】
そして、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うようになっている。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℃に保つようになっている。
【００５７】
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。
【００５８】
（急加速要求に対する制御）
自動車に適用された燃料電池システム１０では、制御装置７０は、アクセルペダルの操作量（の変化）に基づいて自動車の所定加速度以上での加速要求（以下、急加速要求という）があったと判断した場合には、燃料ポンプ２２による炭化水素原料の吐出量を増加させる。これにより、改質工程を行っている反応器１８による燃料ガス生成量が増加し、燃料電池１４による発電量が増大するため、自動車の加速が可能になる。そして、制御装置７０は、この自動車の急加速要求に対応する期間中に、改質工程を行っている反応器１８が該改質工程から再生工程に切り換えられないように、切換装置２０を切り換える制御を行うようになっている。
【００５９】
この制御について、図２に示すフローチャート、図１に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。なお、図１に示すタイミングチャートにおいて、各反応器１８の工程切換タイミングのチャートは、各反応器１８Ａ、１８Ｂの改質工程を実線にて示し、再生工程を破線にて示す。
【００６０】
制御装置７０は、図２に示すフローチャートのステップＳ２０で、急加速要求があるか否かを判断する。具体的には、制御装置７０は、アクセルペダルの操作量、車速情報に基づいて、単位時間あたりの炭化水素原料を改質工程の反応器１８に供給すべき量の増加率が設定された増加率を超える場合に、急加速要求があったと判断する。急加速要求がないと判断した場合には、ステップＳ３２に進み、図７のフローチャートに示す基本動作を維持する。ステップＳ２０で急加速要求がされた判断すると、制御装置７０は、ステップＳ２２に進み、この急加速要求に応じて炭化水素原料の供給量が増すように燃料ポンプ２２の吐出量を増加させる（図１のタイミングチャート参照）。
【００６１】
制御装置７０は、次いでステップＳ２４に進み、急加速要求の期間中に、改質工程を行っている反応器１８の上記基本動作における再生工程への切換タイミングＴ１（図１参照）に至る（確率が高い）か否かを判断する。具体的には、制御装置７０は、改質工程の開始から設定時間が経過している（切換タイミングＴ１の直前に急加速要求がなされた）場合に、急加速中に切換タイミングＴ１に至ると判断する。この実施形態では、上記の設定時間は、基本動作における改質工程の維持時間（例えば１０秒）の７０％以上で１００％未満の時間として設定されている。なお、設定時間による判断に代えて、例えば、温度センサ７２Ａ又は温度センサ７２Ｂから改質工程を行っている反応器１８の触媒温度が設定温度を下回っていることに対応する信号が入力された場合に、上記急加速期間中に切換タイミングＴ１に至ると判断するようにしても良い。また、ステップＳ２４では、急加速要求が維持されている期間中に現実に切換タイミングＴ１に至ったか否か（ステップＳ１０、Ｓ１４の判断の成否）を判断するようにしても良い。
【００６２】
制御装置７０は、ステップＳ２４で急加速中に切換タイミングＴ１に至る、すなわち基本動作を維持すると急加速要求が維持されている期間中に反応器１８の改質工程から再生工程への切換が行われる場合であると判断すると、ステップＳ２６に進み、この切換タイミングＴ１で反応器１８を再生工程に切り換えることなく改質工程を維持させる。図１のタイミングチャートに示す例では、急加速要求の前に改質工程を行っていた第２反応器１８Ｂを、該急加速要求の開始直後の切換タイミングＴ１で再生工程に切り換えることなく、改質工程に維持する。また、第１反応器１８Ａを再生工程に維持する。すなわち、切換装置２０を図９の状態から図８の状態に切り換えることなく、図９に示す状態に維持する。
【００６３】
一方、制御装置７０は、ステップＳ２４で急加速中に切換タイミングＴ１に至らない（急加速中に切換タイミングＴ１に至る確率が低い）と判断した場合には、ステップＳ３２に進み、図７のフローチャートに示す基本動作を維持する。すなわち、この場合には、切換タイミングＴ１において、第２反応器１８Ｂが再生工程に切り換えられると共に第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられる。
【００６４】
ステップＳ２６に次いで、制御装置７０は、ステップＳ２８に進み、急加速要求が解除されたか否か、すなわち、上記した供給すべき炭化水素燃料の増加率が設定された増加率を超えた状態が維持されているか否かを、アクセルペダルの操作量、車速情報に基づいて判断する。急加速要求が解除されたと判断した場合には、制御装置７０は、ステップＳ３０に進み、改質工程を行っていた一方の反応器１８を再生工程に切り換えると共に、他方の反応器１８を改質工程に切り換える。図１のタイミングチャートに示す例では、急加速要求解除のタイミングにおいて、第２反応器１８Ｂが再生工程に切り換えられると共に第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられている。その後、制御装置７０は、ステップＳ３２に進み、基本動作（の切換タイミングでの各反応器の改質工程と再生工程との切り換え）を行う状態に復帰する。
【００６５】
一方、ステップＳ２６で急加速要求が解除されていないと判断した場合に制御装置７０は、ステップＳ３４に進み、改質工程を行っている反応器１８の該改質工程を維持するための熱量（以下、改質熱量という）が不足するか否かを判断する。具体的には、図１のタイミングチャートに示す例では、制御装置７０は、改質工程を行っている第２反応器１８Ｂに設けた温度センサ７２Ｂからの信号値が予め設定した下限温度（例えば、７００℃）に対応する閾値を下回った場合に改質熱量が不足していると判断する。
【００６６】
制御装置７０は、ステップＳ３４で改質熱量が不足しないと判断した場合には、ステップＳ２６に戻る。一方、制御装置７０は、ステップＳ３４で改質熱量が不足していると判断した場合には、ステップＳ３６に進み、改質工程を行っている反応器１８に対する吸熱補助を行う。この実施形態では、制御装置７０は、本発明における加熱手段を構成する空気ポンプ６０の空気吐出量を増大し、改質反応を行っている反応器１８内での酸化反応（上式（２）や一酸化炭素の酸化）を促進する、換言すれば反応器１８内の部分散比率を向上する。この酸化反応に伴う発熱によって、改質反応（のうちの吸熱反応）の吸熱を補助する。これにより、上記した切換タイミングＴ１を超えて改質工程すなわち燃料電池１４への水素供給（供給量増加）を維持することができる。
【００６７】
制御装置７０は、ステップＳ３６の実行（開始）後、ステップＳ２６に戻り、ステップＳ２８にて急加速要求が解除されたと判断するまで、改質工程を行う反応器１８の該改質工程を維持する。
【００６８】
ここで、水素燃料供給システム１２では、急加速要求がされている期間中に、改質工程を行っている反応器１８の改質工程から再生工程への切換タイミングＴ１に至ると判断した場合に、該切換タイミングで反応器１８を改質工程から再生工程に切り換えず改質工程に維持されるため、自動車の急加速時に燃料電池１４への水素供給量が一時的に低下することが防止される。すなわち、水素燃料供給システム１２では、改質工程への切換直後の反応器１８内には、再生用ガス、再生排ガス、燃焼用空気等から成る再生残留ガスが残留しており、再生残留ガスが生成された燃料ガスに押し出されて燃料電池１４に供給されるため、該切換直後には一時的（瞬間的）に燃料電池１４に供給されるガス中の水素濃度が低下するが、上記の制御によって、急加速中に燃料電池１４に供給されるガス中の水素濃度の低下が生じることが防止される。このため、自動車の運転者に対し、加速のためにアクセルペダルの操作量を増したにも拘わらず、水素供給量の低下によってモータ出力が一時的に低下するといった加速遅れや走行感性の悪化が生じることが防止又は抑制される。また、加速遅れの発生後に高濃度の水素が燃料電池１４に供給されて生じる加速ショックが防止又は抑制される。
【００６９】
また、水素燃料供給システム１２では、急加速要求が維持されている期間中に改質工程を維持している反応器１８の水素生成能力が低下すると、換言すれば、該反応器１８の触媒に蓄熱量が低下すると、吸熱補助動作を行うため、再生工程により昇温、蓄熱がなされない反応器１８に改質工程を長時間に亘り維持させることができる。このため、自動車の急加速の全期間中に、反応器１８に改質工程から再生工程への切換すなわち燃料電池１４への水素供給量の一時的な減少を生じさせない制御（構成）が実現されている。
【００７０】
このように、第１の実施形態に係る水素燃料供給システム１２では、複数の反応器１８を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
【００７１】
（急加速要求に対する準備）
また、自動車に適用された燃料電池システム１０では、制御装置７０は、ブレーキペダルの操作量（の変化）に基づいて自動車の所定減速度以上での減速要求（以下、急減速要求という）があったと判断した場合には、燃料ポンプ２２による炭化水素原料の吐出量を減少させる。これにより、改質工程を行っている反応器１８による燃料ガス生成量が減少し、燃料電池１４による発電量が低減する。そして、制御装置７０は、この自動車の急減速要求があると、所定の場合に次回の加速に備えるために切換装置２０を切り換える制御を行うようになっている。
【００７２】
この制御について、図４に示すフローチャート、図３に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。なお、図３に示すタイミングチャートにおいて、各反応器１８の工程切換タイミングのチャートは、各反応器１８Ａ、１８Ｂの改質工程を実線にて示し、再生工程を破線にて示す。
【００７３】
制御装置７０は、図４に示すフローチャートのステップＳ４０で、急減速要求があるか否かを判断する。具体的には、制御装置７０は、ブレーキペダルの操作量、車速情報に基づいて、単位時間あたりの炭化水素原料を改質工程の反応器１８に供給すべき量の低減率が設定された低減率を超える場合に、急減速要求があったと判断する。急減速要求がないと判断した場合には、ステップＳ４８に進み、図７のフローチャートに示す基本動作を維持する。ステップＳ４０で急減速要求がされた判断すると、制御装置７０は、ステップＳ４２に進み、この急減速要求に応じて炭化水素原料の供給量が低減されるように燃料ポンプ２２の吐出量を低減させる（図３のタイミングチャート参照）。
【００７４】
制御装置７０は、次いでステップＳ４４に進み、急減速要求の期間中に、再生工程を行っている反応器１８の上記基本動作における改質工程への切換タイミングＴ２までの時間が所定時間以下であるか否かを判断する。具体的には、制御装置７０は、再生工程の開始から設定時間が経過している（切換タイミングＴ２の直前又は近傍で急減速要求がなされた）場合に、切換タイミングＴ２までの時間が所定時間以下であると判断する。この実施形態では、上記の設定時間は、基本動作における再生工程の維持時間（例えば１０秒）の７０％以上で１００％未満の時間として設定されている。なお、設定時間による判断に代えて、例えば、温度センサ７２Ａ又は温度センサ７２Ｂからの信号が再生工程を行っている反応器１８が十分な昇温及び蓄熱を完了していることに対応する場合に、上記切換タイミングＴ２までの時間が所定時間以下であると判断するようにしても良い。
【００７５】
制御装置７０は、ステップＳ４４で急減速要求開始から切換タイミングＴ２までの時間が所定時間を超えると判断した場合には、ステップＳ４８に進み、図７のフローチャートに示す基本動作を維持する。図３のタイミングチャートに示す例では、切換タイミングＴ２において、第２反応器１８Ｂが再生工程に切り換えられると共に第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられる。
【００７６】
一方、制御装置７０は、ステップＳ４４で急減速要求開始から切換タイミングＴ２までの時間が所定時間を超えると判断した場合には、ステップＳ４６に進み、切換タイミングＴ２に至る前に、改質工程を行っている一方の反応器１８を再生工程に切り換えると共に、他方の反応器１８を再生工程から改質工程に切り換える。図３のタイミングチャートに示す例では、第２反応器１８Ｂが改質工程から再生工程に切り換えられると共に、第１反応器１８Ａが再生工程から改質工程に切り換えられる。その後、制御装置７０は、ステップＳ４８に進み、基本動作（の切換タイミングでの各反応器の改質工程と再生工程との切り換え）を行う状態に復帰する。
【００７７】
ここで、水素燃料供給システム１２では、急減速要求された後の所定時間以内に切換タイミングＴ２に至る場合には、該切換タイミングＴ２に至る前に再生工程を行っていた反応器１８を積極的に改質工程に切り換えることで、次回の急加速要求に対し上記図２のフローチャートに示す制御を実行する確率を低くするための準備が為される。具体的には、自動車においては、急減速の直後に急加速要求が為されることが多いため、再生工程で十分な触媒再生（触媒の昇温及び蓄熱）が行われた反応器１８を改質工程に切り換えておくことで、蓄熱式の反応器１８（改質側）の保熱量、温度レベルが切換直後の初期状態（フレッシュ状態）にリセットされる。
【００７８】
したがって、例えば、図３に示す急減速要求の入力から切換タイミングＴ２までの間のタイミングＴ３に急加速要求がされた場合には、図２のフローチャートに示す制御を行うことなく、急加速要求に対応することができる。すなわち、本制御を行うことで、図２のフローチャートに示す制御の実行頻度を低減することができる。これに伴って、該図２の制御の吸熱補助（ステップＳ３６）を行う頻度（確率）が低くなるので、水素燃料供給システム１２の全体としての効率が良好である。
【００７９】
（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の実施形態と基本的に同一の部品、部分については上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
図１０には、第２の実施形態に係る水素燃料供給システム８２を備える燃料電池システム８０のシステム構成図が示されている。この図に示される如く、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、水蒸気供給ライン５０から分岐したカソードオフガス排気ライン８６を備えており、カソードオフガス排気ライン８６の下流端は排気口８６Ａとされている。このカソードオフガス排気ライン８６にはバルブＶ１２が配設されている。バルブＶ１２は、バルブＶ８と同様に、制御装置７０からの制御信号に基づいて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、カソードオフガス排気ライン８６による排気量、改質工程への水蒸気及び空気（酸素）の供給量を調整可能とされている。このバルブＶ１２は、本発明における加熱手段を構成する。
【００８１】
この水素燃料供給システム８２の作用における水素燃料供給システム１２とは異なる部分を説明する。水素燃料供給システム８２では、改質工程が要求する量の水蒸気を反応器１８に供給するように、制御装置７０がバルブＶ１２の弁開度を制御している。この水素燃料供給システム８２では、図２のフローチャートにおけるステップＳ３６に進むと、制御装置７０は、空気ポンプ６０の吐出量を増す前に、バルブＶ１２の弁開度を小さくすることで水蒸気供給ライン５０の流量を増し、改質工程を行っている反応器１８内での酸化反応（発熱反応）を促進し、改質熱量の不足分を補助する。また、このとき改質工程を行っている反応器１８への水蒸気の供給量も増すため、改質反応（上式（１）、（３）の反応）による水素の生成量が増大する。バルブＶ１２の全閉後の制御は、第１の実施形態と同じである。
【００８２】
この水素燃料供給システム８２の他の作用効果は、水素燃料供給システム１２と同様である。したがって、水素燃料供給システム８２によっても、複数の反応器１８を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
【００８３】
図１１には、第３の実施形態に係る水素燃料供給システム９２を備える燃料電池システム９０のシステム構成図が示されている。この図に示される如く、水素燃料供給システム９２は、各反応器１８を加熱するための加熱手段としてのヒータ９４Ａ、９４Ｂを備えている。各ヒータ９４Ａ、９４Ｂは、電気ヒータとされており、図示しないバッテリとの通電（ＯＮ／ＯＦＦ）が制御装置７０によって制御されるようになっている。この実施形態では、バッテリは自動車の駆動源であるモータに駆動電流を供給するハイブリッドシステムのバッテリではなく、補器類の駆動用のバッテリとされている。
【００８４】
この水素燃料供給システム９２の作用における水素燃料供給システム１２とは異なる部分を説明する。水素燃料供給システム９２では、上記した基本動作を行う場合には、ヒータ９４Ａ、９４Ｂに通電されることはなく、各反応器１８は再生工程で蓄えた熱によって改質工程を行う。この水素燃料供給システム８２では、図２のフローチャートにおけるステップＳ３６に進むと、制御装置７０は、空気ポンプ６０の吐出量を増すことなく、改質方工程を行っている反応器１８のヒータ９４Ａ又はヒータ９４Ｂに通電し、該ヒータが発生する熱によって改質工程の吸熱補助を行い、該改質工程を維持させる。
【００８５】
この水素燃料供給システム９２の他の作用効果は、水素燃料供給システム１２と同様である。したがって、水素燃料供給システム９２によっても、複数の反応器１８を備え、水素供給量の増加要求に良好に追従することができる。
【００８６】
なお、上記各実施形態では、温度センサ７２Ａ、７２Ｂの出力信号に基づいて、反応器１８の改質熱量が不足する否かを判断する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、温度センサ７２Ａ、７２Ｂに代えて設けた熱量計の出力に基づいて反応器１８の改質熱量が不足する否かを判断するようにしても良い。
【００８７】
また、上記各実施形態では、反応器１８を２つ備え、一方の反応器１８の改質工程から再生工程への切換タイミングと、他方の反応器１８の再生工程から改質工程への切換タイミングとがほぼ一致している例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、反応器１８を３つ以上備えても良く、２つ又は２つ以上の反応器１８が共に改質工程を行う（第１の状態とされる）期間が存在するように切換装置２０を切り換えるようにしても良い。
【００８８】
さらに、上記各実施形態では、図２に示す制御のステップＳ３６で吸熱補助を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、基本動作による急加速対応中に吸熱補助行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給システムを構成する制御装置による急加速対応制御のタイミングチャートである。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給システムを構成する制御装置による急加速対応制御のフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給システムを構成する制御装置による急減速対応制御のタイミングチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給システムを構成する制御装置による急減速対応制御のフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給システムが適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給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７】本発明の第１の実施形態に係る水素ガス供給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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る水素ガス供給システムが適用された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３の実施形態に係る水素ガス供給システムが適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
【００９０】
１２    水素燃料供給システム
１８    反応器
２０    切換装置
６０    空気ポンプ（加熱手段）
７０    制御装置
７２Ａ・７２Ｂ  温度センサ（改質能力検出手段）
９４Ａ・９４Ｂ  ヒータ（加熱手段）
Ｖ１２  バルブ（加熱手段）
【図１】
0004752348.tif 000002
【図２】
0004752348.tif 000003
【図３】
0004752348.tif 000004
【図４】
0004752348.tif 000005
【図５】
0004752348.tif 000006
【図６】
0004752348.tif 000007
【図７】
0004752348.tif 000008
【図８】
0004752348.tif 000009
【図９】
0004752348.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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