(57)【要約】【課題】  改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを燃料電池に負荷変動に対応しながら供給することができる水素燃料供給システム、及び該水素燃料供給システムを備え全体として燃料電池の出力変動に追従する燃料電池システムを得る。【解決手段】  水素燃料供給システムを構成する反応器は、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、供給された燃焼用空気と再生用ガスとが混合用空間８４で混合された混合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。改質工程で生成した燃料ガスは燃料電池にて消費される。燃料電池の負荷低下に伴う改質工程を行っている期間中に水素消費量の低減要求があると、改質原料の供給量を低下すると共に、反応器、燃料電池の系内ガス流量を維持するための流量維持用ガスを導入し、速やかに原料停会に応じた状態に移行する。【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水素消費装置に供給させる第１の状態と、前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして前記反応器に供給すると共に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と共に、前記水素消費装置への水素供給量の低減要求があった場合には、前記反応器への前記原料の供給量が低減されると共に該原料の低減量に応じた流量維持用ガスが前記原料又は燃料ガス流路に導入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】
前記流量維持用ガスとして、前記再生排ガスを用いる請求項１記載の水素燃料供給システム。
【請求項３】
前記流量維持用ガスとして、水蒸気又は不活性ガスを用いる請求項１記載の水素燃料供給システム。
【請求項４】
複数の前記反応器を備えており、
前記切換装置は、一つの前記反応器が生成した前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給すると共に、該燃料ガスのうち前記水素消費装置から排出された成分を他の前記反応器に前記再生用ガスと供給するようになっており、
前記制御装置は、前記流量維持用ガスが前記水素消費装置を経由して前記再生工程を行う前記反応器まで導入された後に、該流量維持用ガス量が低減され又は該流量維持用ガスの導入が停止され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】
アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、
前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、
前記流量維持用ガスが前記燃料電池まで供給された後に、前記カソード電極に供給する酸素量を前記燃料ガス量に応じた量まで低減する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項６】
アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、
前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、
前記流量維持用ガスが前記燃料電池まで供給された後に、前記燃料電池の水素消費目標量を前記低減要求に応じた量まで低減する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項７】
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反応器と、
供給された前記燃料ガスを酸素と反応させて発電を行う燃料電池と、
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させる第１の状態と、前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして前記反応器に供給する第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記燃料電池の電力を蓄電池に蓄電することが可能な蓄電手段と、
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と共に、前記燃料電池の出力低下要求があった場合に、次回の前記第１の状態から第２の状態への所定の切り換えタイミングまでに前記燃料電池が発電する電力のうち前記出力低下要求後の要求電力に対する余剰電力が前記蓄電池に充電されるように前記蓄電手段を制御する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があった場合に、次回の前記第１の状態から第２の状態への所定の切り換えタイミングまでは該第１状態及び第２状態での各ガスの流量が段階的に低減され、かつ第１の状態から第２の状態への切り換えに伴って前記各ガスの流量が前記出力低下要求に対応した流量になるように前記切換装置を切り換える請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記蓄電池への蓄電可能量に対応する信号を出力する蓄電監視手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記所定の切り換えタイミングよりも前に前記切換装置を前記第１の状態から第２の状態に切り換える請求項７又は請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記蓄電池への蓄電可能量に対応する信号を出力する蓄電監視手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記燃料ガスの生成量が低減されるように前記切換装置を切り換える請求項７乃至請求項９の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記原料の供給量が低減するように前記切換装置を切り換える請求項９又は請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、蓄電監視手段の出力信号に基づいて、前記原料の供給量が低減するように前記切換装置を切り換えても前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記原料の供給が停止されるように前記切換装置を切り換える請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
複数の前記反応器を備え、
前記切換装置は、前記第１の状態では、一つの前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させると共に、他の前記反応器に前記一つの反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給し、前記第２の状態では、前記一つの反応器とは別の前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させると共に、前記一つの反応器に前記別の反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給するようになっており、
前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断して前記一つの反応器における改質工程での改質量を制限した場合に、該制限された改質量に応じて他の反応器での再生工程における発熱量が増大するように前記切換装置を切り換える請求項９乃至請求項１２の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があったときに行われていた再生工程での発熱量が所定の発熱量に対し不足すると判断した場合に、該再生工程に供給される燃料が増大されるように前記切換装置を切り換える請求項１３の記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があったときに行われていた再生工程での発熱量が所定の発熱量に対し不足すると判断した場合に、該再生工程を行った反応器が次回に行う改質工程の維持時間を、前記発熱量に応じて短縮する請求項１３又は請求項１４の記載の燃料電池システム。
【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、及び該水素燃料供給システムを備えた燃料電池システムに関する。
【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。
【特許文献１】米国特許出願公開２００４／０１７０５５９１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、例えば自動車等の車両の動力源として燃料電池システムを用いる場合、該燃料電池システムには、急激な負荷変動すなわち出力変動に追従することが要求される。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを水素消費装置の水素消費量の変動に対応しながら供給することができる水素燃料供給システム、及び該水素燃料供給システムを備え全体として燃料電池の出力変動に追従する燃料電池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水素消費装置に供給させる第１の状態と、前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして前記反応器に供給すると共に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と共に、前記水素消費装置への水素供給量の低減要求があった場合には、前記反応器への前記原料の供給量が低減されると共に該原料の低減量に応じた流量維持用ガスが前記原料又は燃料ガス流路に導入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、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水素消費装置に供給する改質工程と、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。
【０００７】
改質反応が行われているときに水素消費装置への水素供給量の低減要求があった場合には、制御装置は、切換装置を切り換えて、改質原料の供給量を低減すると共に該原料供給の低減量に応じた量の流量維持用ガスを改質原料の流路又は燃料ガスの流路（改質工程を行う反応器の上流又は下流）に導入する。このため、改質工程での燃料ガス生成量を低減しながら、水素消費装置及び再生工程を行う反応器へのガス流量を維持することができ、水素燃料供給システムは速やかに低減された水素要求量に応じた状態に移行することができる。
【０００８】
このように、請求項１記載の水素燃料供給システムでは、改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを水素消費装置の水素消費量の変動に対応しながら供給することができる。
【０００９】
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、前記流量維持用ガスとして、前記再生排ガスを用いる。
【００１０】
請求項２記載の水素燃料供給システムでは、再生用ガスを再生工程にて燃焼した再生排ガスすなわち、可燃ガス及び支燃ガスの含有量が少ないガスを流量維持用ガスとして用いるため、水素消費装置や再生工程を行う反応器に供給される燃料ガスを安全かつ速やかに循環させて、低減された水素要求量に応じた状態に移行することができる。また、水素燃料供給システム外から流量維持用途に専用のガスを導入する必要がないため、構成がシンプルになる。
【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記載の水素燃料供給システムにおいて、前記流量維持用ガスとして、水蒸気又は不活性ガスを用いる。
【００１２】
請求項３記載の水素燃料供給システムでは、水蒸気又は不活性ガス（例えば窒素）を流量維持用ガスとして用いるため、水素消費装置や再生工程を行う反応器に供給される燃料ガスを安全かつ速やかに循環させて、低減された水素要求量に応じた状態に移行することができる。
【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、複数の前記反応器を備えており、前記切換装置は、一つの前記反応器が生成した前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給すると共に、該燃料ガスのうち前記水素消費装置から排出された成分を他の前記反応器に前記再生用ガスと供給するようになっており、前記制御装置は、前記流量維持用ガスが前記水素消費装置を経由して前記再生工程を行う前記反応器まで導入された後に、該流量維持用ガス量が低減され又は該流量維持用ガスの導入が停止され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、一つの反応器が生成した燃料ガスが水素消費装置に供給され、水素消費装置では主に燃料ガスのうち水素が消費される。水素消費装置から排出された残余の燃料ガスは、再生工程を行う他の反応器に再生用ガスとして供給される。すなわち、一つの反応器が生成した燃料ガスは、水素消費装置、他の反応器の順の直列的に流れ消費される。そして、水素供給量の低減要求があった場合に導入される流量維持用ガスも、同様に水素消費装置、他の反応器の順の直列的に流れる。したがって、燃料ガスの最下流に位置する再生工程を行う反応器に流量維持用ガスが導入されると、上記直列的に配置された系内（切換装置）の掃気が完了したことになり、その後は該直列的に配置された系内では低下した水素消費量（改質原料の供給量）に応じた運転を安定して行うことが可能になる。このため、制御装置は、流量維持用ガスの導入が不要であると判断し、該流量維持用ガスの流量が低減されるか停止されるように切換装置を切り換える。
【００１５】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、前記流量維持用ガスが前記燃料電池まで供給された後に、前記カソード電極に供給する酸素量を前記燃料ガス量に応じた量まで低減する制御装置と、を備えている。
【００１６】
請求項５記載の燃料電池システムでは、水素供給量の低減要求前に反応器で生成された燃料ガスすなわち流量あたりの水素含有量の多いガスが燃料電池にて消費され、該燃料電池に水素供給量の低減要求後に生成された燃料ガスが供給されると、制御装置は燃料電池のカソード電極に供給する酸素量を低減する。これにより、燃料電池は、水素供給量の低減要求に追従できずに余分に供給された水素を、該低減要求前の供給量の酸素と反応させて確実に消費し、再生工程を行う反応器に上記余分に供給された水素を供給させることが防止される。これにより、反応器における改質工程と再生工程との熱バランスが保たれる。
【００１７】
このように、請求項５記載の燃料電池システムでは、水素燃料供給システムを備え全体として燃料電池の出力変動に追従する。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、前記流量維持用ガスが前記燃料電池まで供給された後に、前記燃料電池の水素消費目標量を前記低減要求に応じた量まで低減する制御装置と、を備えている。
【００１９】
請求項６記載の燃料電池システムでは、水素供給量の低減要求前に反応器で生成された燃料ガスすなわち流量あたりの水素含有量の多いガスが燃料電池にて消費され、該燃料電池に水素供給量の低減要求後に生成された燃料ガスが供給されると、制御装置は燃料電池のカソード電極に供給する水素消費目標量（発電量）を低減する。これにより、燃料電池は、水素供給量の低減要求に追従できずに余分に供給された水素を、該低減要求前の消費量を維持して確実に消費し、再生工程を行う反応器に上記余分に供給された水素を供給させることが防止される。これにより、反応器における改質工程と再生工程との熱バランスが保たれる。
【００２０】
このように、請求項６記載の燃料電池システムでは、水素燃料供給システムを備え全体として燃料電池の出力変動に追従する。
【００２１】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、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反応器と、供給された前記燃料ガスを酸素と反応させて発電を行う燃料電池と、前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させる第１の状態と、前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして前記反応器に供給する第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記燃料電池の電力を蓄電池に蓄電することが可能な蓄電手段と、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と共に、前記燃料電池の出力低下要求があった場合に、次回の前記第１の状態から第２の状態への所定の切り換えタイミングまでに前記燃料電池が発電する電力のうち前記出力低下要求後の要求電力に対する余剰電力が前記蓄電池に充電されるように前記蓄電手段を制御する制御装置と、を備えている。
【００２２】
請求項７記載の燃料電池システムでは、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燃料電池に供給する改質工程と、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。燃料電池は水素を含有する燃料ガスを酸素と反応させて発電を行う。
【００２３】
ある反応器が改質工程を行っているとき（第１状態）に燃料電池の出力低下要求があった場合、制御装置は、第１状態から第２状態への切り換えタイミングまでは、反応器への原料供給量、燃料ガス生成量、再生用ガス供給量等を急激に上記出力低下要求に連動して急激に変化させることなく（上記要求前の状態に維持する場合も含む）、そのために低下した後の要求電力に対し余剰に生じる電力が蓄電池に蓄電されるように、蓄電手段を制御する。これにより、反応器への原料供給量、燃料ガス生成量、再生用ガス供給量等を急激な出力変動にリニアに追従させる必要がないので、改質工程の生成ガスを再生用ガスとして用いることによって出力変動に対する追従に時間差が生じる改質工程と再生工程とのバランスを保ちながら、全体として燃料電池の出力変動に追従することができる。
【００２４】
このように、請求項７記載の燃料電池システムでは、水素燃料供給システムを備え全体として燃料電池の出力変動に追従する。
【００２５】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があった場合に、次回の前記第１の状態から第２の状態への所定の切り換えタイミングまでは該第１状態及び第２状態での各ガスの流量が段階的に低減され、かつ第１の状態から第２の状態への切り換えに伴って前記各ガスの流量が前記出力低下要求に対応した流量になるように前記切換装置を切り換える。
【００２６】
請求項８記載の燃料電池システムでは、反応器の改質工程と再生工程とが切り換わる際には、反応器への原料供給量、燃料ガス生成量、再生用ガス供給量等を燃料電池の出力低下に対応して一気に低減してもバランスを保つことができる。一方、上記のようにある反応器が改質工程を行っているとき（第１状態）に燃料電池の出力低下要求があった場合、制御装置は、切換装置を切り換えて、原料供給量、燃料ガス生成量、再生用ガス供給量等を段階的に徐々に低減する。これにより、上記の如く時間差が生じる改質工程と再生工程とのバランスを保ちながら、全体として燃料電池の出力変動に追従することができる。
【００２７】
請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項７又は請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄電池への蓄電可能量に対応する信号を出力する蓄電監視手段をさらに備え、前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記所定の切り換えタイミングよりも前に前記切換装置を前記第１の状態から第２の状態に切り換える。
【００２８】
請求項９記載の燃料電池システムでは、蓄電池に余裕がある場合には上記余剰電力を蓄電池に蓄電させる。一方、蓄電池の容量が吸収すべき余剰電力に対し不足する場合には、改質工程を所定のタイミングよりも早く終了して第１状態と第２状態とを切り換える。これにより、燃料電池に供給される燃料ガス量すなわち発電用が抑制される。
【００２９】
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項７乃至請求項９の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄電池への蓄電可能量に対応する信号を出力する蓄電監視手段をさらに備え、前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記燃料ガスの生成量が低減されるように前記切換装置を切り換える。
【００３０】
請求項１０記載の燃料電池システムでは、蓄電池に余裕がある場合には上記余剰電力を蓄電池に蓄電させる。一方、蓄電池の容量が吸収すべき余剰電力に対し不足する場合には、燃料電池が発電に供する水素を含有する燃料ガスの生成量を低減する。これにより、燃料電池に供給される燃料ガス量すなわち発電用が抑制される。
【００３１】
請求項１１記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項９又は請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記原料の供給量が低減するように前記切換装置を切り換える。
【００３２】
請求項１１記載の燃料電池システムでは、改質工程を行う反応器への原料供給量を低減することで、改質工程で生成される燃料ガス量を低減する。
【００３３】
請求項１２記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、蓄電監視手段の出力信号に基づいて、前記原料の供給量が低減するように前記切換装置を切り換えても前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断した場合に、前記原料の供給が停止されるように前記切換装置を切り換える。
【００３４】
請求項１２記載の燃料電池システムでは、改質工程を行う反応器への原料の供給を停止することで、改質工程で生成される燃料ガス量を低減する。この場合、燃料電池の発電自体が維持されなくなるので、バッテリからの放電によるバッテリの蓄電可能量回復が見込まれる。
【００３５】
請求項１３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項９乃至請求項１２の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、複数の前記反応器を備え、前記切換装置は、前記第１の状態では、一つの前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させると共に、他の前記反応器に前記一つの反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給し、前記第２の状態では、前記一つの反応器とは別の前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記燃料電池に供給させると共に、前記一つの反応器に前記別の反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記燃料電池で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給するようになっており、前記制御装置は、前記蓄電監視手段の出力信号に基づいて前記蓄電池の蓄電可能量が前記余剰電力に対し不足すると判断して前記一つの反応器における改質工程での改質量を制限した場合に、該制限された改質量に応じて他の反応器での再生工程における発熱量が増大するように前記切換装置を切り換える。
【００３６】
請求項１３記載の燃料電池システムでは、要求電力の低下時に改質工程を行っていた一つの反応器が生成した燃料ガスのうち燃料電池に消費されない分が他の反応器の再生工程に用いられる。このため、一つの反応器の改質量を低減すると、他の反応器の再生用ガス量すなわち発熱量が不足する場合が生じ得る。このため、一つの反応器での改質量低減に伴う再生用ガスの不足分に見合うように再生工程の発熱量を増大することで、該他の反応器における次回の改質工程が適正に行われる。
【００３７】
請求項１４記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があったときに行われていた再生工程での発熱量が所定の発熱量に対し不足すると判断した場合に、該再生工程に供給される燃料が増大されるように前記切換装置を切り換える。
【００３８】
請求項１４記載の燃料電池システムでは、再生工程に供給する燃料を増加させることで、発熱量が像大し、次回の改質工程が適正に行われる。
【００３９】
請求項１５記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１３又は請求項１４記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の出力低下要求があったときに行われていた再生工程での発熱量が所定の発熱量に対し不足すると判断した場合に、該再生工程を行った反応器が次回に行う改質工程の維持時間を、前記発熱量に応じて短縮する。
【００４０】
請求項１５記載の燃料電池システムでは、上記請求項１３又は１４の場合で発熱量が次回改質工程を行うのに不足する場合は、該次回改質工程の維持時間を短くすることで、燃料電池への燃料ガスの連続供給を担保する。
【発明の効果】
【００４１】
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、改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを燃料電池に負荷変動に対応しながら供給することができる。また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素燃料供給システムを備え、全体として燃料電池の出力変動に追従する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
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、及び燃料電池システム１０が適用された燃料電池ハイブリッドシステム１００について、図面に基づいて説明する。
【００４３】
図１には、燃料電池ハイブリッドシステム１００の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、水素燃料システム１２、燃料電池１４及びこれらを制御するための発電部コントローラ７０を含む発電部としての燃料電池システム１０と、燃料電池システム１０（燃料電池１４）が発電した電力を交流電力に変換して外部負荷としてのモータＭに供給するインバータ８０と、燃料電池システム１０が発電した電力を蓄電池としてのバッテリ８２に蓄電（充電）し又はバッテリ８２に蓄電している電力を放電してインバータ８０に供給するための蓄電手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ８４と、燃料電池ハイブリッドシステム１００全体を制御するメインコントローラ８６とを備えて構成されている。この実施形態では、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、モータＭが比較的負荷変動の大きい自動車駆動用の原動機とされており、電源として燃料電池１４及びバッテリ８２を備えるハイブリッドシステムとされている。
【００４４】
以下の説明では、先ず、本発明における狭義の燃料電池システムである燃料電池システム１０について説明し、その後、本発明における広義の燃料電池システムに含まれる燃料電池ハイブリッドシステム１００のモータＭの負荷低下時における制御について説明することとする。
【００４５】
（燃料電池システムの構成）
図４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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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電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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図４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。
【００５４】
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。また、排気ライン３０における排気戻しライン３４の分岐部分の下流には、バルブＶ１２が配設されている。バルブＶ１２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３０による排気量、すなわち排気戻しライン３４を通じた混合器２６への排気戻し量を調整可能とされている。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、後述する発電部コントローラ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、発電部コントローラ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
また、燃料電池システム１０は、発電部コントローラ７０を備えている。図５に示される如く、発電部コントローラ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。この発電部コントローラ７０は、図６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。
【００７１】
（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７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８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。
【００７２】
図７に示される状態では、バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２が開放されている。一方、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ３、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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
燃料電池システム１０の発電部コントローラ７０は、図６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、発電部コントローラ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、発電部コントローラ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７に示す状態から図８に示す状態に切り換わる。
【００７７】
図７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。
【００７８】
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。
【００７９】
また、発電部コントローラ７０は、図６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、発電部コントローラ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８に示す状態から図７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。
【００８０】
そして、発電部コントローラ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、発電部コントローラ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。
【００８１】
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。
【００８２】
（燃料電池ハイブリッドシステムの構成）
図１に示される燃料電池ハイブリッドシステム１００では、燃料電池１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求に応じてアノード電極、カソード電極にそれぞれ供給される水素及び酸素を消費して、該ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求に応じた電力量の発電を行うようになっている。すなわち、燃力電池１４が出力する電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値と水素及び酸素の供給量とに依存する（ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値に応じて水素利用率が変動する）構成である。このため、メインコントローラ８６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２及び発電部コントローラ７０を統合して制御するようになっている。
【００８３】
図１に示される如く、メインコントローラ８６には、出力変化信号が入力されるようになっている。自動車の原動機としてのモータＭを駆動する燃料電池ハイブリッドシステム１００では、出力変化信号として、例えばアクセル開度を含む車両情報が入力されるようになっている。メインコントローラ８６は、この車両情報に基づいてモータＭに供給する電力、すなわち燃料電池１４への要求発電量、及びＤＣ−ＤＣコンバータ８２によって燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値（燃料電池１４側から見ると「発電目標」）をそれぞれ求める構成とされている。この実施形態では、燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値は、メインコントローラ８６に予め設定されているＩ−Ｖテーブルから得られるようになっている。
【００８４】
また、メインコントローラ８６には、モータＭに実際に供給された電力（電圧及び電流）に応じた信号が供給電力検出器８８から入力されるようになっている。
【００８５】
一方、メインコントローラ８６は、発電部コントローラ７０と電気的に接続されており、上記した燃料電池１４への要求発電量に基づく炭化水素原料（水素発生量）、カソード用空気、冷却用空気の各供給量を指令する指令信号を発電部コントローラ７０に出力するようになっている。発電部コントローラ７０は、この指令信号に基づいて燃料ポンプ２２、空気ポンプ６０、６６の吐出量を制御する構成とされている。また、メインコントローラ８６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２と電気的に接続されており、上記した燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値に応じた指令信号をＤＣ−ＤＣコンバータに出力するようになっている。
【００８６】
このメインコントローラ８６の動作を図３に示すフローチャートを用いて説明する。メインコントローラ８６は、ステップＳ２０で入力されている車両情報に基づいて燃料電池１４に対する要求電力を求める。次いでステップＳ２２でＤＣ−ＤＣコンバータ８２に、燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値を指令し、ステップＳ２４で発電部コントローラ７０に改質原料、カソード用空気、冷却用空気の各供給量を指令する。ステップＳ２２とステップＳ２４とは、順序が逆でも良く、同時に実行されても良い。次いでステップＳ２６に進み、供給電力検出器８８から入力されるモータＭへの実際の供給電力をステップＳ２０で求めた要求電力と比較する。実測電力と要求電力とに偏差がなければステップＳ２０に戻り、実測電力と要求電力とに偏差がある場合にはステップＳ２８に進んで上記Ｉ−Ｖテーブルを補正してからステップＳ２０に戻る。これにより、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、モータＭの負荷に変動がない場合、変動が緩やかである場合には安定した動作が実現される。
【００８７】
（負荷変動時の制御）
ところで、自動車に適用された燃料電池ハイブリッドシステム１００では、モータＭの負荷が急激に変動する場合がある。このため、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、モータＭの負荷が急激に低下して該モータＭへの供給電力すなわち燃料電池１４の出力電力を低下させる場合には、ステップＳ２２、Ｓ２４に代えて、図２にタイミングチャートにて示す如き制御を行うようになっている。
【００８８】
具体的には、例えばメインコントローラ８６に入力されているアクセル開度が急激に小となると、メインコントローラ８６が求める要求電力が急激に低下する。すると、メインコントローラ８６は、発電部コントローラ７０に炭化水素原料の供給量を低下後の要求電力に見合う量に低下する指令信号を出力し、該指令を受けた発電部コントローラ７０は、改質原料のうち炭化水素原料の供給量すなわち燃料ポンプ２２の吐出量を低下させる。このとき、メインコントローラ８６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が燃料電池１４から取り出すべき電流及び電圧の要求値（発電目標）すなわち燃料電池１４における水素利用率（単位時間あたりの水素利用量）、及び燃料電池１４のカソード電極に供給されるカソード用空気の供給量を維持させる。
【００８９】
またこのとき（炭化水素原料の供給量のみを低下する指令を受けたとき）、発電部コントローラ７０は、例えば図９に示される如く、バルブＶ１２の開度を絞るか又はバルブＶ１２を閉止すると共に、バルブＶ３を開放する。すると、図９の例では、第２反応器１８Ｂから排出された再生排ガスが、本発明における流量維持用ガスとして、排気ライン３０、排気戻しライン３４を経由して混合器２６に供給され、炭化水素燃料及びカソードオフガスと混合されて第１反応器１８Ａに供給される状態に切換装置２０が切り換えられる。これにより、上記の通り炭化水素原料の供給量が低下しても、水素燃料供給システム１２及び燃料電池１４を循環するガス流量が維持される。
【００９０】
再生排ガスによる燃料電池システム１０の掃気（以下、系内の掃気という）が完了すると、換言すれば、排気戻しライン３４を利用して改質工程を行う反応器１８（図９の例では反応器１８Ａ）に供給された再生排ガスが、燃料ガスを押し出しながら燃料電池１４のアノード電極側流路を経由して再生工程を行う反応器１８（図９の例では反応器１８Ｂ）を通過すると、メインコントローラ８６は、再生排ガスの循環を停止させると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が燃料電池１４から取り出すべき電流及び電圧の要求値（水素利用率）、及び燃料電池１４のカソード電極に供給されるカソード用空気の供給量を低下させる指令を出力する。
【００９１】
すると、発電部コントローラ７０は、バルブＶ３を閉止すると共にバルブＶ１２を全開にし、再生排ガスを排気口３０Ａからシステム外に排出させる状態に切換装置２０を切り換える。また、発電部コントローラ７０は、空気ポンプ６０の吐出量を低下後の要求電力に見合う量に低下した炭化水素原料の供給量に応じた量に低下させる。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２は、燃料電池１４から取り出すべき電力の要求値を上記低下後の要求電力に変化させ、燃料電池１４の発電目標を低下する。
【００９２】
なお、この実施形態では、メインコントローラ８６は、バルブＶ３の開放から所定時間が経過したときに再生排ガスによる系内の掃気が完了したと判断するようになっている。また、この所定時間を、再生排ガスの流量に応じて決めておいても良い。
【００９３】
これにより、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、モータＭの負荷が急激に低下した際の過渡期が完了し、その後は低下した要求電力に応じた安定運転状態に移行する。また、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、モータＭの負荷急上昇時には、バッテリ８４の電力を利用するように構成されている。
【００９４】
ここで、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、モータＭの負荷すなわち燃料電池１４に対する要求電力が急激に低下した場合に、水素を得るための改質原料である炭化水素原料の供給量を低下しつつ、改質工程を行う反応器１８の上流から再生排ガスを導入するため、改質工程での水素発生量を低減しながら燃料電池１４、再生工程を行う反応器１８へのガス流量を維持することができる。このため、燃料電池ハイブリッドシステム１００（水素燃料供給システム１２）では、改質工程を行う反応器１８からの排出ガス量の低減によって出力変動時の過渡状態が長時間続くことが防止され、要求電力低下後の安定状態に速やかに移行することができる。すなわち、一方の反応器１８が改質工程にて燃料ガスを消費するタイミングと、この燃料ガスのうちの水素を燃料電池１４が消費するタイミングと、この燃料電池が消費しなかった燃料ガスの可燃成分を他方の反応器１８にて改質工程の燃料として消費するタイミングのずれが、炭化水素原料の供給量低減によって拡大することを、再生用排ガスを混合器２６に導入して流量を維持することによって防止することができる。
【００９５】
また、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、系内の掃気が完了するまで燃料電池１４に供給するカソード用空気量を維持すると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値を維持するため、炭化水素原料の供給量の低下前に生成され要求電力低下後に（タイミングが遅れて）燃料電池１４に供給された燃料ガス中の水素が、要求電力低下前と同じ量だけ燃料電池１４に消費される。これにより、再生工程を行う反応器１８に、要求電力低下前よりも水素含有量の多い（発熱量の多い）燃料ガスが供給されることが防止される。したがって、再生工程で触媒が過剰に昇温、蓄熱されたり、反応器１８内の温度が上昇して逆火現象などが生じることが抑制される。なお、メインコントローラ８６は、系内の掃気が完了する（再生排ガスの循環を停止させる）前であっても、炭化水素原料の供給量の低下前に生成された燃料ガスが燃料電池１４（水素を消費する部分）を通過した後であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値及びカソード用空気の供給量を低下させる指令を出力することが可能である。
【００９６】
さらに、燃料電池ハイブリッドシステム１００では、流量維持用ガスとして再生排ガスを用いるため、換言すれば、燃料電池システム１０の系内で生成され再生工定での燃焼によって化学的に安定した（可燃ガス及び支燃ガスの含有量が少ない）ガスを流量維持用ガスとして用いるため、安全かつ速やかに系内を掃気することができる。また、再生排ガスは改質工程と比較して高温の燃焼ガスであるため、該改質工程を行う反応器１８、燃料電池１４を冷却してしまうことがない。さらに、再生排ガスは系内にて生じるため、排気戻しライン３４、バルブＶ３、Ｖ１２を設けるだけの簡単なシステム構成で流量維持用ガスを導入することができる。
【００９７】
このように、本実施形態に係る水素燃料供給システム１２は、改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを、燃料電池１４に該燃料電池１４の負荷変動に対応しながら供給することができる。また、本発明に係る燃料電池システム１０は、水素燃料供給システム１２を備え、全体として燃料電池１４の出力変動に追従する。
【００９８】
（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。
【００９９】
（第２の実施形態）
図１０には、本発明の第２の実施形態に係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、燃料電池システム９０は、水素燃料供給システム１２に代えて水素燃料供給システム９２を備えており、水素燃料供給システム９２は、切換装置２０に代えて切換装置９４を備えている。
【０１００】
切換装置９４は、水蒸気供給ライン５０におけるバルブＶ９の下流に合流した流量維持用ガス導入ライン９６を備えており、流量維持用ガス導入ライン９６上には、ガス送給ポンプ９８及びバルブＶ１３が上流側から見てこの順に配設されている。図示は省略するが、ガス送給ポンプ９８及びバルブＶ１３は、それぞれ発電部コントローラ７０に電気的に接続されている。ガス送給ポンプ９８は、発電部コントローラ７０の指令に基づいて作動すると、流量維持用ガスとしての窒素ガスを吐出するようになっている。また、バルブＶ１３は発電部コントローラ７０によって開閉制御される電磁弁とされている。この切換装置９４には、バルブＶ１２は設けられておらず、排気戻しライン３４及びバルブＶ３は設けられているが該バルブＶ３は基本的に常時閉止されるようになっている。燃料電池システム９０は、その他の構成が燃料電池システム１０の対応する構成と同じ構成とされており、燃料電池ハイブリッドシステム１００に適用されている（図示省略）。
【０１０１】
したがって、燃料電池システム９０では、燃料電池１４への要求電力が急激に低下した際に、再生排ガスに代えて窒素ガスを流量維持用ガスとして混合器２６に導入するようになっている。すなわち、燃料電池１４への要求電力が急激に低下した際にバルブＶ１３を開放し閉止するタイミングは、上記バルブＶ３の開放、閉止のタイミングと同じである。また、ガス送給ポンプ９８は、少なくともバルブＶ１３が開放されているときには作動されるようになっている。
【０１０２】
この燃料電池システム９０を適用した燃料電池ハイブリッドシステム１００においても、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、流量維持用ガスとして混合器２６に導入される窒素ガスは不活性ガスであるため、燃料電池１４への要求電力が急激に低下した際には一層安全に系内を掃気することができる。なお、窒素ガスの導入によって改質工程を行う反応器１８や燃料電池１４を冷却しないように、この窒素ガスを図示しない熱交換器にて加熱することが望ましい。また、この熱交換器の熱源としては、再生排ガス等の系内で生成される熱を利用すること望ましい。さらに、この実施形態では、流量維持用ガスとして窒素ガスに代えて水蒸気を用いることも可能である。この水蒸気を生成する熱にも再生排ガス等の系内で生成される熱を利用すること望ましい。
【０１０３】
（第３の実施形態）
図１１には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０が適用された燃料電池ハイブリッドシステム１１２がブロック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１１０は、水素燃料供給システム１２に代えて水素燃料供給システム１１４を備えており、該水素燃料供給システム１１４及び燃料電池１４は、直接的には発電部コントローラ７０に代えて設けられた発電部コントローラ１１６にて制御されるようになっている。
【０１０４】
また、燃料電池ハイブリッドシステム１１０は、メインコントローラ８６に代えてメインコントローラ１１８を備えており、メインコントローラ１１８は、発電部コントローラ１１６、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２、供給電力検出器８８の他に、バッテリ８４の残容量（蓄電可能量）に応じた信号を出力するバッテリ残量検出器１２０にも該信号を入力可能に電気的に接続されている。また、メインコントローラ１１８には、メインメインコントローラ８６と同様の車両情報が入力されるようになっている。そして、メインコントローラ１１８は、モータＭの負荷変動がない（小さい）場合には、メインコントローラ８６と同様に図３にフローチャートにて示す制御を行う構成とされている。
【０１０５】
図１５に示される如く、燃料電池システム１１０を構成する水素燃料供給システム１１４は、切換装置２０に代えて切換装置１２２を備えている。切換装置１２２は、ブリッジ管路４０（燃料電池１４）をバイパスして第３ライン３８Ａと第４ライン３８Ｂとを連通するバイパスライン１２４を備えており、バイパスライン１２４上には、バルブＶ１４が配設されている。図示は省略するが、バルブＶ１４は、発電部コントローラ１１６に電気的に接続されており、発電部コントローラ１１６によって開閉制御される電磁弁とされている。バルブＶ１４は、後述する要求電力の急減時以外には常時閉止されるようになっている。
【０１０６】
この切換装置１２２には、バルブＶ１２は設けられておらず、排気戻しライン３４及びバルブＶ３は設けられているが該バルブＶ３は基本的に常時閉止されるようになっている。切換装置１２２の他の構成は、切換装置２０の対応する構成と同様に構成されている。また、発電部コントローラ１１６は、バルブＶ１２に代えてバルブＶ１４が電気的に接続される以外は、発電部コントローラ７０と同様に各バルブ、ポンプに電気的に接続されているが、その制御が発電部コントローラ７０の制御とは異なる（後述）。
【０１０７】
以上説明した燃料電池ハイブリッドシステム１１２では、モータＭの負荷が急激に低下して燃料電池１４に対する要求電力が低下した場合、メインコントローラ１１８は、図１２（Ａ）にタイミングチャートにて示される如く、基本的には出力変化信号入力後に最初に到達する反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングまで、改質原料である炭化水素原料の供給量、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値（燃料電池１４の発電目標）、燃料電池１４へのカソード用空気の供給量などを、出力変化信号の入呂９区前の状態に維持するようになっている。
【０１０８】
そして、メインコントローラ１１８は、反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングに、改質原料である炭化水素原料の供給量、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値（燃料電池１４の発電目標）、燃料電池１４へのカソード用空気の供給量などを、低下後の要求電力に対応させるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２、発電部コントローラ１１６（切換装置１２２）に指令信号を出力するようになっている。これにより、何れかの反応器１８で改質工程を行っている期間中に改質原料である炭化水素原料の供給量等を変更したりする場合のように、燃料電池システム１１０の系内のガスバランスを乱すことなく低下した要求電量に対応する状態に移行することができる構成が実現されている。
【０１０９】
また、燃料電池ハイブリッドシステム１１２では、燃料電池１４の発電量が低下する前に発電された要求電力に対する余剰の電力を、基本的にはバッテリ８４に蓄電（充電）させるようになっている。メインコントローラ１１８は、バッテリ残量検出器１２０からの入力信号に基づいてバッテリの蓄電可能量が不足すると判断した場合には、燃料電池システム１１０の系内のガスバランスを保ちつつ燃料電池１４に発電量を抑える制御を行うように構成されている。
【０１１０】
以下、メインコントローラ１１８による具体的な制御を、図１２のタイミングチャート及び図１３、１４のフローチャートを参照しつつ説明する。
【０１１１】
メインコントローラ１１８は、図１３に示すステップＳ３０では、モータＭの負荷が安定しており燃料電池１４が所定の電力を発電するように各部を作動させる制御、すなわち図３に示す制御を行う。ステップＳ３２では、出力低下要求の有無を判断する。出力低下要求がない場合には、ステップＳ３０に戻る。出力低下要求があったと判断した場合には、ステップＳ３４に進み、反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングであるか否かを判断する。
【０１１２】
メインコントローラ１１８は、反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ３５に進み、低下した要求電力に対応した低出力での作動状態に移行する。すなわち、メインコントローラ１１８は、上記切り換えタイミングにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２に低下後の要求電力に応じて要求値（電流及び電圧）を低下する指令を出力して燃料電池１４から取り出される電力を減少させる。また、メインコントローラ１１８は、上記切り換えタイミングにおいて、発電部コントローラ１１６に低下後の要求電力に応じて燃料電池１４への水素すなわち燃料ガス供給量を低下させる指令を出力し、炭化水素原料の供給量及びカソード用空気の各供給量を低下させるように、燃料ポンプ２２、空気ポンプ６０の吐出量を制御させる。
【０１１３】
一方、メインコントローラ１１８は、ステップＳ３４にて反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングではないと判断した場合には、ステップＳ３６に進み、バッテリ残量検出器１２０からの信号に基づいて推定されるバッテリ８４への蓄電可能量が、図１２（Ａ）に示される反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングまでに発電される余剰電力Ｗ０を吸収可能であるか否かを判断する。余剰電力Ｗ０をバッテリ８４に蓄電可能である判断した場合には、ステップＳ３８に進み、燃料電池１４が上記所定の電力を発電するように各部を作動させる制御を維持する指令を出力し、ステップＳ４０に進んでこの間に生じた余剰電力をバッテリ８４に蓄えさせる。
【０１１４】
メインコントローラ１１８は、ステップＳ３６にて余剰電力Ｗ０をバッテリ８４に蓄電可能ではないと判断した場合には、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、燃料電池１４の発電量すなわち余剰電力の発生量を抑えるように水素燃料供給システム１１４を制御する。具体的には、ステップＳ４２では、図１４にフローチャートにて示す制御を行う。
【０１１５】
先ず、メインコントローラ１１８は、ステップＳ５０において、現時点で改質工程を行っている反応器１８の改質時間を短縮する（水素生成量を低減する）ために、改質工程の終了タイミングを早める（改質工程と再生工程との切り換え周期を短縮する）指令を発電部コントローラ１１６、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２に出力する。すると、図１２（Ｂ）に示される如く、燃料電池１４が発電する余剰電力Ｗ１が上記余剰電力Ｗ０よりも小さくなる。
【０１１６】
次いで、メインコントローラ１１８は、ステップＳ５２に進み、上記改質時間の短縮によって減少した余剰電力Ｗ１をバッテリ８４に蓄電可能であるか否かを判断する。余剰電力Ｗ１をバッテリ８４に蓄電可能である判断した場合には、ステップＳ５４に進み、燃料電池１４が上記所定の電力（単位時間あたりの電力）を発電するように各部を作動させる制御を維持する指令を出力し、ステップＳ５６に進んでこの間に生じた余剰電力をバッテリ８４に蓄えさせる。
【０１１７】
メインコントローラ１１８は、ステップＳ５２にて余剰電力Ｗ１をバッテリ８４に蓄電可能ではないと判断した場合には、ステップＳ５８に進む。ステップＳ５８では、さらに短縮された改質工程への炭化水素原料の供給量すなわち燃料電池１４への水素供給量を低減した場合に生じる余剰電力Ｗ２を、バッテリ８４に蓄電可能であるか否かを判断する。
【０１１８】
メインコントローラ１１８は、余剰電力Ｗ２をバッテリ８４に蓄電可能である判断した場合には、ステップＳ６０に進み、発電部コントローラ１１６に対し改質工程への炭化水素原料の供給量を減少させる指令を出力する。この指令を受けた発電部コントローラ１１６は、図１２（Ｃ）に示される如く、段階的に改質工程への炭化水素原料の供給量を減少させる。これに伴って、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値（発電目標）、燃料電池１４に供給するカソード用空気の供給量も低減させる。これにより、燃料電池システム１１０の系内のガスバランスを保ちつつ燃料電池への水素供給量を順次低減し、実際の余剰電力をＷ２とすることができる。
【０１１９】
メインコントローラ１１８は、ステップＳ５８にて余剰電力Ｗ２をバッテリ８４に蓄電可能ではないと判断した場合（バッテリ８４が過充電状態である場合など）には、ステップＳ６２に進み、発電部コントローラ１１６に対し改質工程への炭化水素原料の供給を停止させる指令を出力する。この指令を受けた発電部コントローラ１１６は、燃料ポンプ２２を停止させることで、改質工程への炭化水素原料の供給を阻止させる。
【０１２０】
すると、混合器２６、反応器１８内等に残留していた炭化水素原料によって生成された燃料ガスが燃料電池１４に供給された後は、該燃料電池１４への水素供給が停止されて発電が停止される。このため、燃料電池ハイブリッドシステム１１２では、低下した要求電力が燃料電池１４で発電されなくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２は、バッテリ８４の電力を消費してモータＭの運転を維持する。これにより、バッテリ８４の蓄電可能量も増加する。
【０１２１】
メインコントローラ１１８は、ステップＳ６０又はステップＳ６２の後には、ステップＳ５４の跡と同様にステップＳ５６に進み、余剰電力が生じていれば、これをバッテリ８４に蓄える。メインコントローラ１１８は、次いでステップＳ６４に進み、上記の通り改質工程の終了タイミングを早めた分だけ、再生工程の終了タイミングを早める指令を発電部コントローラ１１６、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２に出力する。
【０１２２】
さらに、メインコントローラ１１８は、ステップＳ６６に進み、再生工程が短縮されることによって不足する触媒への蓄熱量を補うために、再生工程を行う反応器１８に再生用の燃料を追加供給させる指令を発電部コントローラ１１６に出力する。これを受けた発電部コントローラ１１６は、図１６に例示する如く、バルブＶ１４を開放する。すると、この図１６の例では、第２反応器１８Ｂが生成した燃料ガス（ステップＳ６２で炭化水素原料の供給を停止した場合は要求出力低下前に生成した燃料ガス）が、燃料電池１４側と第１反応器１８Ａ側とに分岐する。これにより、再生工程を行っている第１反応器１８Ａへの再生燃料（燃料電池１４を経由した再生用ガス、及び燃料電池１４をバイパスした水素リッチな燃料ガス）の供給量すなわち発熱量が増し、再生時間の低下が補われる。
【０１２３】
次いで、メインコントローラ１１８は、ステップＳ６８に進み、短縮された再生工程において次回の改質工程を行うのに十分な蓄熱が行われるか否かを判断する。メインコントローラ１１８は、十分な蓄熱が行われると判断すると、ステップＳ７０に進む。一方、ステップＳ６８で十分な蓄熱が行われないと判断した場合には、ステップＳ７２に進み、切り換え直後の改質工程の維持時間を所定の時間よりも短縮する。この短縮された改質工程の実行中にも、他方の反応器における発熱量が不足しないように、バルブＶ１４を開放し、その後の改質工程を標準的な所定時間だけ継続できるようにする。ステップＳ７２の後は、ステップＳ７０に進む。
【０１２４】
メインコントローラ１１８は、ステップＳ７０では、ステップＳ５０、６４で早められた切り換えタイミングに達したか否かを判断する。メインコントローラ１１８は、反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ７０に戻り切り換えタイミングになるまで制御状態を維持する。反応器１８の改質工程と再生工程との切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ７４に進み、ステップＳ３５の場合と同様に、低下した要求電力に対応した低出力での作動状態に移行する。
【０１２５】
以上により、第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０を備えた燃料電池ハイブリッドシステム１１２では、余剰電力をバッテリ８４に蓄えることで、要求電力が急激に低下した場合に、燃料電池システム１１０のガスバランスを乱す原因となる改質工程途中での急激な炭化水素原料の供給量変化を制限することができる。そして、バッテリ８４の蓄電可能量が少ない場合、又は過充電状態である場合には、改質工程の維持時間を短縮し、改質工程への炭化水素原料の供給量を段階的に減少することで、燃料電池システム１１０のガスバランスをで極力抑えながら、バッテリ８４への蓄電を抑制することができる。
【０１２６】
また、燃料電池システム１１０では、バッテリへの蓄電を抑制する場合に、改質量の低減（改質停止を含む）に伴う再生工程での発熱量不足を補うため、要求電力低下後（改質工程と再生工程との切り換え後）においても改質工程が維持され、燃料電池１４に連続的に水素含有の燃料ガスを供給しつづけることができる。すなわち、燃料電池システム１１０では、安定運転が担保される。
【０１２７】
このように、本実施形態に係る水素燃料供給システム１１４は、改質反応によって得た水素含有の燃料ガスを、燃料電池１４に該燃料電池１４の負荷変動に対応しながら供給することができる。また、本発明に係る燃料電池システム１１０は、水素燃料供給システム１２を備え、全体として燃料電池１４の出力変動に追従する。
【０１２８】
なお、上記第３の実施形態では、バッテリ８４の蓄電可能量が余剰電力に対し不足する場合に燃料ガスの生成量を減じるために、先ず改質工程の終了タイミングを早め（できるだけ所定出力での作動を維持する）、次いで炭化水素原料の供給量を段階的に減らす構成としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、改質工程の終了タイミングを早めることなく炭化水素原料の供給量を段階的に減らしたり、炭化水素原料の供給量を連続的に（徐々に）減らしたりしても良い。また、単にバッテリ８４が過充電状態であるか否かに基づいて、改質量を低下するための各種制御を行うようにしても良い。
【０１２９】
さらに、上記第３の実施形態では、改質量の低減に伴う再生工程での発熱量不足を補うために燃料電池１４をバイパスするバルブＶ１４を開放する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、第１ライン３６Ａと再生用ガスライン５５Ｂ、第２ライン３６Ｂと再生用ガスライン５５Ａとを連通するラインを設け、炭化水素原料を再生燃料として追加供給する構成としても良い。この構成では、仮に改質工程を行う反応器１８への炭化水素原料の供給を停止した場合でも、再生工程を行う反応器１８に十分な発熱量を得る燃料を供給することができる。また例えば、バイパスライン１２４及びバルブＶ１４を設けることなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の要求値を変更して燃料電池１４の水素利用率を低下させ、通常よりも水素リッチな再生用ガスを再生工程を行う反応器１８に供給するようにしても良い。また、追加の燃料を再生工程において供給する構成には限定されず、例えば、改質工程への切り換え後に炭化水素原料と酸素含有ガスとを共に供給することで、改質反応が開始される前に予備的な再生工程を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムの概略全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムにおける燃料電池への要求電力低下持の制御を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムを構成するコントローラの基本的な電力制御フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの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６】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。
【図７】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９】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの要求電力低下時の掃気状態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の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムの概略全体構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムにおける燃料電池への要求電力低下持の制御を示す図であって、（Ａ）はバッテリ容量に余裕がある場合、（Ｂ）はバッテリ容量に応じて余剰電力を減じた場合、（Ｃ）はバッテリ容量に応じて余剰電力を減じた場合のタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムを構成するコントローラの要求電力低下時の制御フローを示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムを構成するコントローラの要求電力低下時でかつバッテリ容量不足時の制御フローを示すフローチャートである。
【図１５】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１６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの再生工程への燃料追加供給状態を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【０１３１】
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
７０    発電部コントローラ（制御装置）
９０    燃料電池システム
９２    水素燃料供給システム
９４    切換装置
１００    燃料電池ハイブリッドシステム（燃料電池システム）
１１０    燃料電池システム
１１２    燃料電池ハイブリッドシステム（燃料電池システム）
１１４    水素燃料供給システム
１２０    バッテリ残量検出器（蓄電監視手段）
１２２    切換装置
【図１】
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【図２】
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【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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