(57)【要約】【課題】起動から短時間での水素の改質生成を可能とする。【解決手段】ステップ１００において、ＰＳＲ型改質器での改質反応と再生反応の切替タイミングであると判定されたときに運転を停止するようになっている。【選択図】図２
2007169116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を備え、改質用原料が供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料を改質反応させ、発熱用燃料が供給されたときには該発熱用燃料を発熱反応させて前記触媒を加熱する、少なくとも１基の改質反応器を備えた水素生成装置であって、
前記改質反応器のいずれか１基の蓄熱量が最大量に達した後に停止もしくは休止を行なう水素生成装置。
【請求項２】
改質反応器の蓄熱量が最大量に達しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により蓄熱量が最大量に達していると判定されたときに、前記改質反応器への前記改質用原料および前記発熱用燃料の供給を停止する供給制御手段と、
を更に備えた請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記改質反応器の改質反応および発熱反応の切替タイミングに基づいて前記蓄熱量が最大量に達しているか否かを判定し、前記供給制御手段は、前記切替タイミングであると判定されたときに前記供給を停止する請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
複数の前記改質反応器を備えており、前記供給制御手段は、停止もしくは休止の要求があった時点で、前記複数の改質反応器より選択される蓄熱量の最も多い改質反応器に前記発熱用燃料を供給して発熱反応させ、発熱反応させた改質反応器の蓄熱量が最大量に達したと判定されたときに、前記供給を停止する請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池とを備えた燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた請求項５に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、触媒を用いた燃料改質反応と触媒を加熱再生する再生反応とを切替えて行なう水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気自動車は、車両駆動用の電源として燃料電池を搭載すると共に、燃料電池を発電運転させるための燃料である水素又は水素生成用の原燃料を搭載している。
【０００３】
水素自体を搭載する場合、水素ガスを圧縮して高圧ボンベに若しくは液化してタンクに充填し、又は水素吸蔵合金や水素吸着材料を用いて搭載する。しかし、高圧充填による場合は、容器壁厚が厚く大きいわりに内容積をかせげないため水素充填量が少なく、また、液体水素とする液化充填による場合は、気化ロスが避けられないほか液化に多大なエネルギーを要する。また、水素吸蔵合金や水素吸着材料では電気自動車等に必要とされる水素貯蔵密度が不充分で、水素の吸蔵／吸着等の制御も困難である。また、原燃料を搭載する場合、燃料を水蒸気改質して水素を得る方法などがあるが、改質反応は吸熱的であるために別途熱源が必要であり、熱源に電気ヒータ等を用いたシステムでは全体のエネルギー効率の向上は図れず、また、あらゆる環境条件下で安定的に水素量を確保できる点も不可避である。
【０００４】
水素の供給方法については、未だ技術的に確立されていないのが実状であるが、将来的に各種装置における水素利用の増加が予測されることを踏まえると、水素の供給方法の確立が期待されている。
【０００５】
上記に関連する技術として、触媒を用いて所定条件が成立したときに、吸熱反応である燃料の水蒸気改質反応と水蒸気改質反応で低下した触媒温度を再生する再生反応とを切替えて行なうことができる燃料改質装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この燃料改質装置では、二つの触媒を一組とし、一方の触媒で改質反応させるときには他方の触媒で再生反応させ、この両反応を交互に切替えることで改質性能を維持し得るようにしてあり、特に硫黄分が完全除去されていない液体燃料等の改質に好適とされている。
【特許文献１】米国特許２００３−２３５５２９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、改質可能な温度は高温であり、反応器の蓄熱を利用して改質反応を行なうため、起動時など一旦触媒が冷えてしまった後は反応器の熱量が不足しており、必然的に多大な暖機が必要で、所要温度にまで昇温させて所望の水素量を改質生成するまでには多大な時間を要し、起動を短時間に行なえず、また、起動後の改質効率が著しく低くなる課題がある。
【０００８】
また、運転停止や休止後には、再起動する前にある程度の蓄熱が残っているときであっても、その蓄熱量が起動時に有効に利用されず、所望の改質ガスを確保するのに時間がかかる等、エネルギー効率の点での課題もある。
【０００９】
特に、燃料電池と組合せた燃料電池システムを構成して車両に搭載するような場合には、燃料電池が通常の発電運転に移行可能となるまでの間、つまり燃料改質装置で改質生成されて燃料電池に供される水素量が発電所要量に達するまでの間は、その電力供給を別置きの大型蓄電装置等で賄うことが必要になり、システム全体のコストおよび重量が嵩むほか、安定した電力供給性能や車両内スペースなど搭載するうえでの課題もある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑み成されたものであり、停止もしくは休止時の蓄熱量（特に触媒温度）の低下を抑制し、起動から短時間で水素の改質生成を行ない得る水素生成装置および燃料電池システムを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、吸熱反応である燃料の水蒸気改質反応と、水蒸気改質反応により低下した触媒温度を回復させて触媒上での改質反応性を再生するための発熱反応（以下、「再生反応」ともいう。）とを切替えて行なう際に、停止もしくは休止時には、改質／再生反応を切替えて行なう改質器の蓄熱量を考慮した運転制御が改質生成性の向上に効果的であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
なお、本発明における発熱反応には、燃焼反応等が含まれる。
【００１２】
前記目的を達成するために、第１の発明である水素生成装置は、触媒を備え、改質用原料が供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料を改質反応させ、発熱用燃料が供給されたときには該発熱用燃料を発熱反応させて前記触媒を加熱する、少なくとも１基の改質反応器を設け、改質反応器のいずれか１基の蓄熱量が最大量に達した後に運転の停止もしくは休止を行なうように構成したものである。
【００１３】
本発明の水素生成装置において、運転の「停止」は、改質反応器への改質用原料および発熱用燃料の供給を止めた状態であり、運転の「休止」は、改質反応器への改質用原料および発熱用燃料の供給を一時的に止めているが、いつでも供給を開始できる状態である。
【００１４】
本発明の水素生成装置には、蓄熱を利用した燃料の水蒸気改質反応と水蒸気改質反応で低下した蓄熱量を回復させる再生反応とを交互に切替えて行なうことができる少なくとも１基の改質反応器（以下、「ＰＳＲ（Pressure swing reforming）型改質器」ともいう。）が設けられており、好ましくは２基以上のＰＳＲ型改質器を設けて、少なくとも１基が燃料の水蒸気改質反応を行なうと共に、他の少なくとも１基において再生反応を行なわせることができる（以下、この水素生成装置を「ＰＳＲ改質装置」ということがある。）。
【００１５】
本発明に係る改質反応には、下記のように、吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応とが含まれる。本発明における改質反応においては、下記(1)の水蒸気改質反応が主として行なわれる。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ  →  （２ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯ  …(1)
ＣｎＨ２ｎ＋２＋（ｎ／２）Ｏ２  →  （ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯ  …(2)
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ⇔  ＣＯ２＋Ｈ２  …(3)
ＣＯ＋３Ｈ２  ⇔  ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  …（4）
【００１６】
例えば改質反応器が２基である場合、一方を器内の蓄熱を利用して吸熱反応である水蒸気改質反応をさせると共に、他方では発熱反応である再生反応を行なわせるようにし、前記一方の蓄熱量が水蒸気改質反応させることにより低下したときには、２基の改質反応器への改質用原料の流路および発熱用燃料の流路を切替える切替手段によって、前記一方を再生反応に切替えると共に、前記他方では再生反応により蓄熱された熱で燃料改質を行なうように再生反応から改質反応へ切替える。これにより、別途の加熱器等が不要になり、熱エネルギーの利用効率の高い連続的な水素生成が可能である。
【００１７】
第１の発明においては、運転の停止もしくは休止を、装置を構成する改質反応器のいずれか１基の蓄熱量が最大量に到達してから行なうようにすることで、停止もしくは休止期間中の器内温度（特に触媒温度）を高く保つことができるので、停止もしくは休止後の再起動時における起動時間を短縮することができる。これにより、停止もしくは休止後の起動を迅速に行なえる。
【００１８】
ここで、蓄熱量が最大量であるとは、各反応器の熱容量や装置構成ごとに設定された蓄熱量の値などに応じて定まる熱量に達することをいう。
【００１９】
第１の発明は、改質反応器の蓄熱量が最大量に達しているか否かを判定する判定手段と、判定手段により蓄熱量が最大量に達していると判定されたときに、改質反応器への改質用原料および発熱用燃料の供給を停止する供給制御手段とを更に設けて構成することができる。
【００２０】
運転の停止もしくは休止を、装置を構成する改質反応器のいずれか１基の蓄熱量が最大量に到達してから行なう場合、改質反応器の蓄熱量が最大量に達していると判定されたときには、停止もしくは休止後に迅速に再起動し得る温度環境が形成されているので、改質反応器への改質用原料および発熱用燃料の供給が自動停止され、停止もしくは休止後に再起動した場合に、再起動後の起動時間を短縮することができる。
【００２１】
前記判定手段においては、改質反応器の改質反応および発熱反応の切替タイミングに基づいて改質反応器の蓄熱量が最大量に達しているか否かを判定するようにし、供給制御手段により切替タイミングであると判定されたときに改質用原料および燃焼用燃料の供給停止を行なうようにすることができる。
【００２２】
改質反応器が発熱反応を行なって所期の蓄熱量（すなわち改質器毎に設定された最大熱量）に達した後に改質反応および再生反応を切り替える構成では、改質反応器が改質反応および発熱反応の切替タイミングにあるときには、発熱反応を行なっている再生側の改質反応器では、その蓄熱量が最大量もしくは略最大量に達しているので、切替タイミングまで待って運転の停止もしくは休止を行なうことで、停止もしくは休止期間中の器内温度（特に触媒温度）を高く保つことができ、停止もしくは休止後の再起動時における起動時間を短縮することができる。
【００２３】
また、改質反応器が複数基備えられているときには、供給制御手段では、停止もしくは休止の要求があった時点で、複数の改質反応器より選択された蓄熱量の最も多い改質反応器に発熱用燃料を供給して発熱反応させ、発熱反応させた改質反応器の蓄熱量が最大量に達したと判定されたときに、改質用原料および発熱用燃料の供給を停止するようにすることが望ましい。
【００２４】
運転の停止もしくは休止要求があった場合、いずれの改質反応器も蓄熱量が最大量に達していないときには、要求後直ちに停止もしくは休止するのではなく、要求時点でまず、蓄熱量の最も多い改質反応器に発熱用燃料を供給して発熱反応させ、発熱反応させた改質反応器の蓄熱量が最大量に達したと判定されたときに、改質用原料および発熱用燃料の供給を停止することで、要求から停止もしくは休止までの時間を短縮できると共に、停止もしくは休止期間中の器内温度（特に触媒温度）を高く保持でき、ひいては停止もしくは休止後の再起動時における起動時間を短縮することができる。
【００２５】
第２の発明である燃料電池システムは、前記第１の発明である水素生成装置と、水素生成装置で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池とを設けて構成したものである。
【００２６】
上記のように、停止もしくは休止を蓄熱量が最大量となってから行なうことで、停止もしくは休止期間中の器内温度（特に触媒温度）を高く保持できるので、停止もしくは休止後の再起動時における起動時間を短縮することができる。
【００２７】
第２の発明では、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池を用いて構成することが効果的である。このような、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池は、作動温度域が３００〜６００℃であるため、改質反応が進行する反応温度域と略同域にあり、改質生成された水素リッチガスを燃料電池の運転温度域で供給することができると共に、燃料電池のアノード側およびカソード側のオフガスはそのままＰＳＲ型改質器に戻されて再生等の反応に利用できるので、システム構成上および熱エネルギーの有効利用の点で特に適している。また、供給前の予熱も不要である。
【００２８】
本発明は、改質器に蓄えられた蓄熱量を利用して改質反応させ、燃料電池システムとしたときには改質生成された水素を燃料電池に供給すると共に、燃料の水蒸気改質により低下した改質器の蓄熱量を発熱反応（再生反応）を行なわせて回復するようにして、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なう場合に、停止もしくは休止時に少なくとも１基の改質反応器において最大蓄熱量の状態を保持し、温度低下による再起動性の低下並びに、改質効率および起動時消費エネルギーの増加を抑え、優れた起動性を有するシステムを構築することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、停止もしくは休止時の蓄熱量（特に触媒温度）の低下を抑制し、起動から短時間で水素の改質生成を行ない得る水素生成装置および燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態について詳細に説明すると共に、該説明を通じて本発明の水素生成装置の詳細についても具体的に説明する。なお、下記の実施形態では、発熱用燃料として燃焼用燃料を用いた場合を中心に説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
本発明の燃料電池システムの第１実施形態を図１〜図４を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システムは、水素透過性の金属膜の膜面にプロトン伝導性のセラミックスが積層されたものを電解質膜として用いた水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）が搭載された電気自動車に本発明の水素生成装置を搭載し、システムの停止を改質反応および再生反応の切替タイミングで行なうように構成したものである。
【００３２】
水素生成装置については、改質反応により改質する改質用原料としてガソリン（あるいはガソリンおよび水蒸気の混合ガスでもよい）を、再生反応時に燃焼させる燃焼用燃料として燃料電池の水素極側から排出されたアノードオフガス（および必要に応じてガソリンや水素ガス等）を用いる場合を中心に説明する。但し、本発明においては下記実施形態に制限されるものではない。
【００３３】
本実施形態の水素生成装置は、図１に示すように、触媒を内装すると共に少なくともガソリンを噴射する噴射装置が設けられ、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なわせることが可能な第１のＰＳＲ型改質器１０および第２のＰＳＲ型改質器１１を備えており、各ＰＳＲ型改質器で水素（水素リッチガス）が改質生成されると、改質生成された水素はそのＰＳＲ型改質器と接続されている水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）２００に供給されるようになっている。
【００３４】
ＰＳＲ型改質器１０およびＰＳＲ型改質器１１での改質反応と再生反応との相互切替は、ガソリン（改質用原料）をＰＳＲ型改質器へ供給するための流路、アノード（水素極；以下同様）オフガス（発熱用燃料）をＰＳＲ型改質器へ供給するための流路、改質生成された水素リッチガスをＰＳＲ型改質器から排出するための流路、並びに再生反応させたＰＳＲ型改質器からの排出ガスを排出するための流路を切替える切替手段、具体的には複数のバルブ（バルブＶ１〜Ｖ９）を制御装置１００で制御して行なえるようになっている。
【００３５】
第１のＰＳＲ型改質器１０の一端には、改質用原料であるガソリン（あるいはガソリンおよび水蒸気の混合ガス）を噴射するための噴射装置１５が取付けられており、噴射装置１５を介してバルブＶ１を備えた供給配管１０２が一端で接続されると共に、バルブＶ４を備えた排出配管１０５の一端が更に接続されている。また、第２のＰＳＲ型改質器１１の一端には、改質用原料であるガソリンおよび水蒸気の混合ガスを噴射するための噴射装置１７が取付けられており、噴射装置１７を介してバルブＶ２を備えた供給配管１０３が一端で接続されると共に、バルブＶ３を備えた排出配管１０４の一端が更に接続されている。そして、供給配管１０２および１０３の各他端は、混合器１１７を備え、ガソリンを水蒸気と混合して混合ガス（改質用原料）を供給する燃料供給管１０１と接続され、バルブＶ１〜Ｖ４を自動的に切替えることによって選択的に、改質反応させる改質側のＰＳＲ型改質器に改質用原料を供給すると共に、再生反応させる再生側のＰＳＲ型改質器から再生反応により生じた燃焼ガス（以下、「燃焼オフガス」ともいう。）を排出できるようになっている。
【００３６】
また、排出配管１０４および１０５の各他端は、燃焼オフガスを外部に排出するための排出管１０６の一端と接続され、燃焼オフガスの排出が可能なようになっている。
【００３７】
第１のＰＳＲ型改質器１０の他端には、燃焼用に供給されたエア（支燃エア）を、水素分離膜型燃料電池（以下、単に「燃料電池」ともいう。）２００からのアノードオフガス及び必要によりガソリンや水素ガス等と共に噴射するための噴射装置１６が取付けられており、バルブＶ６を備えた排出配管１０７および、噴射装置１６を介してバルブＶ８を備えた供給配管１１０が各々一端で接続されている。
【００３８】
第２のＰＳＲ型改質器１１の他端には、燃焼用に供給されたエア（支燃エア）を、燃料電池２００からのアノードオフガス及び必要によりガソリンや水素ガス等と共に噴射するための噴射装置１８が取付けられており、バルブＶ７を備えた排出配管１０８および、噴射装置１８を介してバルブＶ５を備えた供給配管１０９が各々の一端で接続されている。
【００３９】
そして、排出配管１０７および１０８の各他端は、各々が一端で繋がるＰＳＲ型改質器で改質生成された水素リッチガスを水素分離膜型燃料電池２００に供給する水素供給管１１１の一端と接続されている。また、供給配管１０９および１１０の各他端は、ポンプＰ１及び混合器１１９が取付けられたエア供給管１２０の一端が接続された接続配管１１８と接続されている。混合器１１９には、供給配管１０９および１１０が一端で繋がるＰＳＲ型改質器にアノードオフガスを供給する供給配管１１２の一端が接続されており、支燃エアの供給と共にアノードオフガス等の供給が可能なようになっている。
【００４０】
バルブＶ５〜Ｖ８を切替えることによって、選択的に再生側のＰＳＲ型改質器に支燃エアおよびアノードオフガス（および必要によりガソリンや水素ガス等）を供給し、改質側のＰＳＲ型改質器において生成、排出された水素リッチガスを発電用燃料として燃料電池２００に供給できるようになっている。
【００４１】
噴射装置１５および１７は、各々が取付けられているＰＳＲ型改質器が改質反応させるときにガソリンおよび水蒸気の混合ガス（改質用原料）を広角に噴射し、噴射装置１６および１８は、各々が取付けられているＰＳＲ型改質器が再生反応させるときに、支燃エアおよびアノードオフガス（および必要によりガソリンや水素ガス等）を広角に噴射することにより、ＰＳＲ型改質器に内装された触媒１２上への供給、反応を行なうことができるようになっている。
【００４２】
水素供給管１１１には更に、余剰な水素リッチガスを別途取付けた水素貯蔵タンク（例えば水素吸蔵装置）に水素吸蔵させるようにし、起動時や低負荷時あるいは負荷変動により水素要求量が変動する場合に、水素貯蔵タンクから水素を取出して水素量を適宜増減するようにしてもよく、また、水素供給量を一時的に変化させてＰＳＲ型改質器に供給されるアノードオフガス中の水素（燃焼用燃料）量の増減調整を適宜行なうことも可能である。
【００４３】
供給配管１１２には、バルブＶ９が設けられており、バルブＶ９を介して外部供給管１１３およびエア供給管１１６が接続され、外部供給管１１３により燃焼用燃料として追加的にガソリンや水素ガス等を外部から補給可能であると共に、エア供給管１１６によりアノードオフガス中の水素等（燃焼用燃料）を燃焼させるためのエア（支燃エア）を加給し、またエア量を制御することができるようになっている。また、燃料電池２００からのカソード（酸素極；以下同様）オフガスを挿通するための配管を供給配管１０９、１１０または１１２あるいは直にＰＳＲ型改質器に接続し、支燃エアの量を制御すると共に、比較的高温のカソードオフガスを追加的に供給することで調温可能なように構成するようにしてもよい。
【００４４】
供給配管１１２には、開度によりアノードオフガス量を調節する絞り弁や水素バッファータンク（例えば水素吸蔵装置、高圧水素タンクなど）を設け、絞り弁の駆動や水素バッファータンクからの水素供給を行なうことにより、ＰＳＲ型改質器への供給量を発電運転状態に連動しないように制御することもできる。
【００４５】
水素分離膜型燃料電池２００には、アノード（水素極）側において、水素供給管１１１の他端と、アノードオフガスの排出、挿通が可能な供給配管１１２の他端とが接続されると共に、カソード（酸素極）側において、発電運転させるための酸素含有率の高いエア（酸化剤ガス）を供給するためのエア供給管１１４と、電池反応で生じたカソードオフガスを排出するための排出配管１１５とが各々一端で接続されている。このようにして、燃料電池２００は改質生成された水素とエアとが供給されたときに発電運転し、発電後にはオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）を電池外部に排出できるように構成され、さらに排出されたアノードオフガスを供給配管１１２を挿通して主に再生側のＰＳＲ型改質器に供給できるようになっている。
【００４６】
また、排出配管１１５の他端は、燃料供給管１０１に設けられた混合器１１７で接続されており、カソードオフガス中に含まれる水分（および残存酸素）を改質反応に必要な水蒸気源として循環利用できるように構成されている。
【００４７】
燃料電池２００の内部には、大気中から給気した冷却用エア（冷却媒体）を挿通する冷却管を設けて冷却エアとの熱交換により電池内部の冷却が行なえるようにし、この冷却管を供給配管１０９、１１０または１１２あるいは直に再生側のＰＳＲ型改質器に接続し、冷却管から排出された冷却用エアを供給して、調温制御および流量制御を可能とすると共に、再生反応時の燃焼に用いる支燃エアとして利用するようにしてもよい。
【００４８】
第１のＰＳＲ型改質器１０は、図３に示すように、両端が閉塞された断面円形の筒状体１３と、筒状体１３の内壁面に担持された触媒（触媒担持部）１２とで構成されており、筒状体１３は反応を行なうための空間を形成すると共に、触媒担持体として機能を担っている。
【００４９】
筒状体１３は、セラミックスハニカムを用いて直径１０ｃｍの断面円形の筒型に成形し、筒の長さ方向の両端を閉塞した中空体である。断面形状やサイズは、目的等に応じて、円形以外の矩形、楕円形などの任意の形状、サイズを選択することができる。
【００５０】
触媒１２は、筒状体内壁の曲面のうち、筒状体の長さ方向両端から筒内方向に向かう筒の中央付近、すなわち長さ方向の両端からそれぞれ所定距離Ａの領域を触媒を担持しない触媒非担持部１２Ａ，１２Ｂとして残し（図１参照）、触媒非担持部を除く全面に担持されている。触媒１２には、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｃｅ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｎ等の金属を用いることができる。
【００５１】
触媒１２により改質反応させた場合、改質生成された水素リッチガスは該ガスの排出方向下流側の触媒非担持部１２Ａで冷却され、水素リッチガスを燃料電池２００の運転温度に近づけて供給できると共に、逆に改質反応から再生反応に切替えられた場合には、触媒非担持部１２Ａは水素リッチガスとの熱交換により昇温した状態あり、水素リッチガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用燃料を触媒非担持部１２Ａで予熱させてから触媒１２に供給できるようになっている。これにより、触媒１２が担持された筒状体１３の中央付近ほど、蓄熱量が高くなる温度分布が形成され、反応性の点で有利である。また、筒状体１３には、触媒の温度を計測するための温度センサ１９が取付けられている。
【００５２】
第２のＰＳＲ型改質器１１は、第１のＰＳＲ型改質器１０と同様に構成されており、第１のＰＳＲ型改質器１０で行なわせる反応（改質反応であるか再生反応であるか）との関係で、改質反応と再生反応とを切替えて行なえるようになっている。
【００５３】
水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）２００は、図４に示すように、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜を有する電池膜５１と、電池膜５１を狭持する酸素極（Ｏ2極）５２および水素極（Ｈ2極）５３とで構成されており、ＰＳＲ型改質器１０で改質生成された水素リッチガスが供給されると水素を選択的に透過させて発電運転が行なえるようになっている。
【００５４】
酸素極５２と電池膜５１との間には、酸化剤ガスとして空気（Ａｉｒ）を通過、すなわち給排するためのエア流路５９ａが形成されており、水素極５３と電池膜５１との間には、水素リッチな燃料ガス（ここでは、改質生成された水素リッチガス）を通過、すなわち給排するための燃料流路５９ｂが形成されている。酸素極５２および水素極５３は、カーボン（例えば、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉）や電解質溶液（例えば、Aldrich Chemical社製のNafion Solution）など種々の材料を用いて形成可能である。
【００５５】
電池膜５１は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材（水素透過性金属からなる緻密な水素透過層）５６を含む５層構造となっている。パラジウム（Ｐｄ）層（水素透過性材料からなる緻密な水素透過層）５５、５７は、基材５６を両側から挟むようにして設けられており、一方のＰｄ層５５の基材５６と接する側と逆側の面には、更にＢａＣｅＯ３（固体酸化物）からなる電解質層５４が薄層状に設けられている。さらに、電解質層５４のＰｄ層５５と接する側とは逆側の面には、ランタンコバルトタイトからなるカソード層５８が薄層状に設けられている。Ｐｄ層５７とカソード層５８とが集電板として機能する。
【００５６】
基材５６は、バナジウム（Ｖ）以外に、ニオブ、タンタル、およびこれらの少なくとも一種を含む合金を用いて好適に形成することができる。これらは、高い水素透過性を有すると共に、比較的安価である。
【００５７】
電解質層（ＢａＣｅＯ３層）５４は、ＢａＣｅＯ３以外にＳｒＣｅＯ３系のセラミックスプロトン伝導体などを用いて構成することができる。また、カソード層５８は、ランタンコバルトタイト以外に、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料を用いて構成することができる。
【００５８】
水素透過性金属には、パラジウム以外に、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一種を含む合金、並びにパラジウム合金などが挙げられる。これらを用いた緻密層を設けることで電解質膜を保護できる。
【００５９】
水素透過性金属からなる緻密層（被膜）については、酸素極側では、一般に水素透過性が高く比較的安価である点で、例えば、バナジウム（バナジウム単体および、バナジウム−ニッケル等の合金を含む。）、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一種を含む合金のいずれかを用いるのが好ましい。これらは水素極側での適用も可能であるが、水素脆化を回避する点で酸素極側が望ましい。また、水素極側では、水素透過性が比較的高く水素脆化しにくい点で、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金を用いるのが好ましい。
【００６０】
図４に示すように、Ｐｄ層５５／基材５６／Ｐｄ層５７の３層からなるサンドウィッチ構造の層、すなわち異種金属（水素透過性材料からなる緻密層）からなる２層以上の積層構造を有してなる場合、異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を設けるようにしてもよい（例えば図６及び図７参照）。金属拡散抑制層については、特開２００４−１４６３３７号公報の段落［００１５］〜［００１６］に記載されている。
【００６１】
上記のように、サンドウィッチ構造の層をパラジウム（Ｐｄ）／バナジウム（Ｖ）／Ｐｄとする以外に、Ｐｄ／タンタル（Ｔａ）／Ｖ／Ｔａ／Ｐｄ等の５層構造などとして設けることも可能である。既述のように、ＶはＰｄよりプロトンまたは水素原子の透過速度が速く安価であるが、水素分子をプロトン等に解離する能力が低いため、水素分子をプロトン化する能力の高いＰｄ層をＶ層の片側または両側の面に設けることで、透過性能を向上させることができる。この場合に、金属層間に金属拡散抑制層を設けることで、異種金属同士の相互拡散を抑え、水素透過性能の低下、ひいては燃料電池の起電力の低下を抑制することができる。
【００６２】
また、電解質層５４は固体酸化物からなり、Ｐｄ層５５との界面の少なくとも一部には、電解質層中の酸素原子とＰｄとの反応を抑制する反応抑制層を設けるようにしてもよい（例えば図６の反応抑制層６５）。この反応抑制層については、特開２００４−１４６３３７号公報の段落［００２４］〜［００２５］に記載されている。
【００６３】
電池膜５１は、緻密な水素透過性金属であるバナジウム基材と燃料電池のカソード側に成膜された無機質の電解質層とで構成されることにより、電解質層の薄層化が可能で、一般に高温型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の作動温度を３００〜６００℃の温度域に低温化することができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるＰＳＲ型改質器に供給する本発明の燃料電池システムを好適に構成することが可能である。
【００６４】
水素分離膜型燃料電池２００は、燃料流路５９ｂに水素（Ｈ２）密度の高い水素リッチガスが供給され、エア流路５９ａに酸素（Ｏ２）を含む空気が供給されると、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応（電池反応）を起こして外部に電力を供給する。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  …(1)
(1/2)Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  …(2)
Ｈ２＋(1/2)Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  …(3)
【００６５】
ＰＳＲ型改質器１０，１１、水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）２００、バルブＶ１〜Ｖ９、噴射装置１５〜１８、温度センサ１９、並びに混合器１１７，１１９等は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置１００は、水素分離膜型燃料電池と接続されている不図示の負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する該燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、ＰＳＲ改質装置における改質反応および再生反応の制御をも担うものである。
【００６６】
ここで、燃料電池システムの制御装置１００による制御ルーチンについて、特に燃料電池の停止時に行なう停止制御ルーチンを中心に図２を参照して説明する。
【００６７】
図２は、停止要求後の切替タイミングに基づいて停止制御を行なう停止制御ルーチンを示すものである。イグニッション（ＩＧ）スイッチのオフにより運転停止要求がなされ、本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、現時点が改質反応と再生反応との切替タイミングであるか否かが判定される。
【００６８】
ステップ１００において、切替タイミングであると判定されたときには、燃焼反応を行なう再生側のＰＳＲ型改質器では、蓄熱量が最大量に達しており、停止後も触媒温度を高く維持して再起動を迅速に行ない得る温度環境が形成されているので、そのままシステムの停止処理を開始し、本ルーチンを終了する。
【００６９】
一方、ステップ１００において、切替タイミングでないと判定されたときには、次のステップ１２０において、ＰＳＲ型改質器（ＰＳＲ１）１０およびＰＳＲ型改質器（ＰＳＲ２）１１のそれぞれに取り付けられている温度センサ１９から、ＰＳＲ１の触媒温度ｔ１とＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が取り込まれる。
【００７０】
次に、ステップ１４０において、原時点から次回の切替タイミングまでの推定時間Ｍを計算し、次のステップ１６０において、推定時間Ｍが既定の停止（もしくは休止）許容時間Ｌ以内であるか否かが判定される。
【００７１】
ステップ１６０において、推定時間Ｍが既定の停止（もしくは休止）許容時間Ｌ以内であると判定されたときには、ＰＳＲの改質反応と再生反応とを切替えることで、停止（もしくは休止）許容時間Ｌを短縮することが可能であっても、そのまま運転を継続し、ステップ１００に戻って切替タイミングであると判定されたときに、運転停止の処理を開始する。このときに、本ルーチンを終了する。
【００７２】
ステップ１６０において、推定時間Ｍが既定の停止（もしくは休止）許容時間Ｌを超えると判定されたときには、ステップ１８０において、再生側のＰＳＲの触媒温度（例えばＰＳＲ２の触媒温度ｔ２）が、改質反応を行なっている改質側のＰＳＲの触媒温度（例えばＰＳＲ１の触媒温度ｔ１；以下、ｔ２＞ｔ１の場合を例に説明する。）よりも大きいか否かが判定される。
【００７３】
ステップ１８０において、再生側のＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が改質側のＰＳＲ１の触媒温度ｔ１よりも大きいと判定されたときには、そのまま切替タイミングを待って、ステップ１００に戻って切替タイミングであると判定されたときに運転停止の処理を開始し、本ルーチンを終了する。逆に、ステップ１８０において、再生側のＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が改質側のＰＳＲ１の触媒温度ｔ１以下であると判定されたときには、改質側のＰＳＲ１を再生側に切り替えた方が次回切替タイミングまでの時間を短縮できる可能性があるので、次のステップ２００に移行する。
【００７４】
ステップ２００において、上記の推定時間Ｍが、切替そのものに要する時間Ｓと現時点で切り替えた場合に次回の切替タイミングまでに要する時間Ｎとの和（Ｓ＋Ｎ）以内であると判定されたときには、上記と同様に、そのまま切替タイミングを待って、ステップ１００に戻って切替タイミングであると判定されたときに、運転停止の処理を開始する。このとき、本ルーチンは終了する。
【００７５】
ステップ２００において、推定時間Ｍが、切替そのものに要する時間Ｓと現時点で切り替えた場合に次回の切替タイミングまでに要する時間Ｎとの和（Ｓ＋Ｎ）を超えると判定されたときには、改質側のＰＳＲ１を再生側に切り替えた方が次回切替タイミングまでの時間を短縮できるので、次のステップ２２０において、ＰＳＲ２を改質側の改質反応器に、ＰＳＲ１を再生側の改質反応器に切り替えて再びステップ１００に戻り、ステップ１００において、切替タイミングであると判定されたときに運転停止の処理を開始し、本ルーチンを終了する。
【００７６】
そして、上記において運転停止の処理が開始されると、制御装置１００により各バルブが閉じられてＰＳＲ型改質器への供給が停止され、燃料電池システムの運転は停止する。
上記のように、実際には反応の切替に要する時間やエネルギーロスなども考慮に入れて判断される。
このように、改質反応および再生反応の切替タイミングで運転停止を行なうようにすることで、停止中の器内温度（特に触媒温度）を高く保つことができ、停止後の再起動時における起動時間を短縮するのに効果的である。これにより、停止後のシステムの再起動を迅速に行なうことができる。
【００７７】
次に、上記のように停止する前の燃料電池システムの通常の発電運転について具体的に説明する。ここでは、ＰＳＲ型改質器１０を改質反応させ、ＰＳＲ型改質器１１を再生反応させている状態から改質反応および再生反応の切替を行なう場合を中心に説明する。
【００７８】
ＰＳＲ型改質器１０で改質反応させると共に、ＰＳＲ型改質器１１で再生反応させる場合、バルブＶ１およびバルブＶ６を開きバルブＶ２およびバルブＶ７を閉じることにより、燃料供給管１０１と供給配管１０２、排出配管１０７と水素供給管１１１をそれぞれ連通させると共に、バルブＶ３およびバルブＶ５を開きバルブＶ４およびバルブＶ８を閉じることにより、供給配管１０９と供給配管１１２、排出配管１０４および排出管１０６をそれぞれ連通させる。このとき、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス（改質用原料）は、ＰＳＲ型改質器１０に供給されて水蒸気改質反応に供され、ポンプＰ１からの支燃エアおよび燃料電池２００からのアノードオフガスは、ＰＳＲ型改質器１１に供給されて燃焼反応に供される。改質用原料である混合ガスは、混合器１１７内でガソリンと排出配管１１５からのカソードオフガス中の水蒸気（水分）とを混合して生成され、ＰＳＲ型改質器１０に送られる。
【００７９】
ＰＳＲ型改質器１０では、改質反応切替前の再生反応で蓄熱量が増大した状態にあり、供給配管１０２を挿通して噴射装置１５からガソリンおよび水蒸気の混合ガス（改質用原料）が噴射されて触媒１２上に供給されると、触媒１２でガソリンの水蒸気改質が行なわれて水素リッチな合成ガス（水素リッチガス）が生成される。改質反応は、３００〜１１００℃の蓄熱下で行なうのが望ましい。
【００８０】
上記のように改質生成された水素リッチガスは、ＰＳＲ型改質器１０の排出配管１０７が接続する側の触媒非担持部１２Ａで予め冷却された後、排出配管１０７および水素供給管１１１を挿通して水素分離膜型燃料電池２００のアノード側に供給され、さらにカソード側に設けられたエア供給管１１４からエアが供給されて、発電運転（電池反応）される。供給された水素リッチガスが発電運転で消費されると、その後アノードオフガスとして供給配管１１２に排出され、供給配管１１２および供給配管１０９を挿通して噴射装置１８から噴射される。アノードオフガスには、主として電池反応に供されなかった残存水素およびＣＯ、ＣＨ４が含まれる。
【００８１】
このとき、アノードオフガスのみでは燃焼量が少なく、充分な蓄熱量が得られない、あるいは蓄熱が短時間に行なえない等の場合には、外部供給管１１３が供給配管１１２と連通するようにバルブＶ９が切替えられ、燃焼用のガソリンや水素ガス等を外部から追加的に補給することができる。また、バルブＶ９の切替えにより、エア供給管１１６からアノードオフガス中の水素等を燃焼させるための支燃エアの加給も可能である。
【００８２】
噴射装置１８からＰＳＲ型改質器１１に支燃エアおよびアノードオフガスが供給されると、触媒１２上で噴射された水素等を燃焼させ、燃焼加熱による蓄熱量、すなわち触媒温度を回復させることができる。このとき、ＰＳＲ型改質器１１のアノードオフガス等が供給される側の触媒非担持部１２Ａは、上記同様に再生反応が開始される前の改質反応で昇温しており、再生反応時に供給されたアノードオフガス等との熱交換で熱が再び触媒１２に戻されて有効に熱利用可能なようになっている。
【００８３】
上記のように、改質反応させているＰＳＲ型改質器１０の蓄熱量、すなわち触媒温度が低下し水素の改質生成効率が低下しておりＰＳＲ型改質器１１の蓄熱量が最大量となっているような場合には、ＰＳＲ型改質器１０での改質反応を再生反応に切替えると共に、ＰＳＲ型改質器１１での再生反応を改質反応に切替える。
【００８４】
具体的には、バルブＶ２およびバルブＶ７を開きバルブＶ１およびバルブＶ６閉じることにより、燃料供給管１０１と供給配管１０３、排出配管１０８と水素供給管１１１をそれぞれ連通させると共に、バルブＶ８およびバルブＶ４を開きバルブＶ５およびバルブＶ３を閉じることにより、供給配管１１０とエア供給管１２０、排出配管１０５および排出管１０６をそれぞれ連通させる。このとき、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス（改質用原料）は、ＰＳＲ型改質器１１に供給され、アノードオフガスは再生反応させるための燃焼用燃料として、支燃エアと共にＰＳＲ型改質器１０に供給されて各々の反応に供される。
【００８５】
上記のように切替えた場合、ＰＳＲ型改質器１１では、改質反応切替前の再生反応で蓄熱量が増大した状態にあり、供給配管１０３を挿通して噴射装置１７からガソリンおよび水蒸気の混合ガス（改質用原料）が噴射されて触媒１２上に供給されると、触媒１２でガソリンの水蒸気改質が行なわれて水素リッチな合成ガス（水素リッチガス）が生成される。改質反応の反応温度については既述と同様である。そして、ＰＳＲ型改質器１１で改質生成された水素リッチガスは、ＰＳＲ型改質器１１の排出配管１０８が接続する側の触媒非担持部１２Ａで予め冷却された後、排出配管１０８および水素供給管１１１を挿通して水素分離膜型燃料電池２００のアノード側に供給され、エア供給管１１４から供給されるエアと共に発電運転（電池反応）に供される。供給された水素リッチガスが消費され、アノードオフガスとして供給配管１１２に排出された後、このアノードオフガスは、供給配管１１２からエア供給管１２０および供給配管１１０を経由して支燃エアと共に噴射装置１６から噴射される。
【００８６】
このとき、前記同様に、アノードオフガスのみでは燃焼量が少なく、充分な蓄熱量が得られない、あるいは蓄熱が短時間に行なえない等の場合には、バルブＶ９の切替えにより燃焼用のガソリンや水素ガス等を外部から追加的に補給できる。同様に、エア供給管１１６から支燃エアが加給される。
【００８７】
噴射装置１６からＰＳＲ型改質器１０に支燃エアおよびアノードオフガスが供給され、触媒１２上で供給された水素等を燃焼させることにより再度、蓄熱量（すなわち触媒温度）を回復させることができる。このとき、ＰＳＲ型改質器１０のアノードオフガス等が供給される側の触媒非担持部１２Ａは、上記同様に再生反応が開始される前の改質反応で昇温した状態にあり、供給されたアノードオフガス等と熱交換されることで熱は再び触媒１２に戻され、有効に利用される。そして、ＰＳＲ型改質器１０での再生反応により生じた燃焼オフガスは、排出配管１０５を挿通して排出される。
【００８８】
（第２実施形態）
本発明の燃料電池システムの第２実施形態を図５を参照して説明する。本実施形態は、運転停止要求があった時点で、蓄熱量の最も多い改質反応器で燃焼反応を行なわせてその蓄熱量が最大量となったときに運転停止を開始するようにしたものである。
【００８９】
なお、燃料は第１実施形態で使用した改質用原料および燃焼用燃料を用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９０】
本実施形態では、イグニッションスイッチがオフされて運転停止の要求がなされると、ＰＳＲ１およびＰＳＲ２のうち、蓄熱量の多い方のＰＳＲに選択的に、自動的に燃焼用のガソリンがエアと共に供給され、強制燃焼させて加熱（暖機）し、その後運転を停止する。
【００９１】
図５は、蓄熱量に基づいて停止制御を行なう停止制御ルーチンを示すものである。運転停止の要求がなされると、ステップ２００において、ＰＳＲ型改質器（ＰＳＲ１）１０およびＰＳＲ型改質器（ＰＳＲ２）１１のそれぞれに取り付けられている温度センサ１９から、ＰＳＲ１の触媒温度ｔ１とＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が取り込まれる。
【００９２】
次に、ステップ２２０において、取り込まれた触媒温度ｔ１、ｔ２を比較して最も高い触媒温度ＴｍａｘのＰＳＲ（すなわち蓄熱量の最も多いＰＳＲ）、ここではｔ１、ｔ２のうちより高い触媒温度（例えばｔ２；以下、ｔ２＞ｔ１の場合を例に説明する。）を有するＰＳＲ２が選択され、ＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が所期の最大温度Ｔ（最大の蓄熱量）以上に達しているか否かが判定される。
【００９３】
ステップ２２０において、触媒温度ｔ２が最大温度Ｔ以上であると判定されたときには、停止後の再起動を迅速に行ない得る温度環境にあるので、本ルーチンを終了する。
【００９４】
また、ステップ２２０において、触媒温度ｔ２が最大温度Ｔ未満であると判定されたときには、次のステップ２４０において、ＰＳＲ２に燃焼用のガソリンがエアと共に供給され、燃焼による再生反応が行なわれる。
【００９５】
そして、ステップ２６０において、再度ＰＳＲ２の触媒温度ｔ２が所期の最大温度Ｔ以上に達しているか否かが判定され、触媒温度ｔ２の温度が最大温度Ｔ以上に達したと判定されたときに本ルーチンを終了する。
なお、ステップ２６０において、未だ触媒温度ｔ２の温度が最大値Ｔ未満であると判定されたときには、触媒温度ｔ２が最大温度Ｔ以上になるまで待機し、最大温度Ｔに達したと判定されたときに本ルーチンを終了する。
【００９６】
以上のように制御することで、要求から停止もしくは休止までの時間を短縮できると共に、停止もしくは休止期間中の器内温度（特に触媒温度）を高く保持できる。これにより、低燃料量での運転が可能で、しかも停止もしくは休止後の再起動時における起動時間を短縮することができる。
【００９７】
上記の実施形態では、運転を停止する場合を中心に説明したが、運転を休止する場合についても同様である。
【００９８】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池として、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜（水素透過性金属層）の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質膜を備えた水素分離膜型燃料電池（プロトン伝導性の固体酸化物型、または固体高分子型のいずれであってもよい。）の中から目的等に応じて選択することができる。
【００９９】
例えば、(1) 水素透過性の金属と該金属の少なくとも片側に成膜された無機電解質層（特にプロトン伝導性のセラミックス）とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された水素分離膜型燃料電池、または(2) プロトン伝導性の電解質層と該電解質層を両側から挟む水素透過性金属とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池、等を好適に用いることができる。
【０１００】
図６〜図７に本発明の燃料電池システムを構成する水素分離膜型燃料電池の他の具体例を挙げる。なお、他の具体例についての詳細については特開２００４−１４６３３７号公報の記載を参照することができる。
【０１０１】
図６は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材６６を含む６層構造の電池膜６１と、電池膜６１を狭持する酸素極（Ｏ2極）６２および水素極（Ｈ2極）６３とで構成され、金属拡散抑制層および反応抑制層を備えた水素分離膜型燃料電池６０を示したものである。電池膜６１は、基材６６の水素極（アノード）６３側の面に該面側から順に緻密体の金属拡散抑制層６７とパラジウム（Ｐｄ）層６８とを備え、基材６６の酸素極（カソード）６２側の面に該面側から順に緻密体の反応抑制層（例えばプロトン伝導体や混合伝導体、絶縁体の層）６５と、固体酸化物からなる薄層の電解質層（例えばペロブスカイトの１つである金属酸化物ＳｒＣｅＯ３層など）６４と、カソード層６９を備えている。Ｐｄ層６８とカソード層６９とが集電板として機能する。反応抑制層６５は、電解質層６４中の酸素原子と基材（Ｖ）６６との反応を抑制する機能を担うものである。なお、酸素極または水素極と電解質膜との間には上記同様に、各々エア流路５９ａ、燃料流路５９ｂが形成されている。金属拡散抑制層および反応抑制層の詳細については既述の通りである。
【０１０２】
図７は、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過層を有する電池膜７１と、電池膜７１を狭持する酸素極（Ｏ2極）７２および水素極（Ｈ2極）７３とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池７０を示したものである。電池膜７１は、例えば、ナフィオン（登録商標）膜などの固体高分子膜からなる電解質層７６の両側の面を、水素透過性の緻密な金属層で挟んだ多層構造となっており、電解質層７６の水素極（アノード）側の面にパラジウム（Ｐｄ）層（緻密層）７７を備え、電解質層７６の酸素極（カソード）側の面に該面側から順に、基材となるバナジウム−ニッケル合金（Ｖ−Ｎｉ）層（緻密層）７５とＰｄ層（緻密層）７４とを備えている。なお、酸素極または水素極と電池膜７１との間には上記同様に、各々エア流路５９ａ、燃料流路５９ｂが形成されている。本燃料電池においてもまた、Ｖ−Ｎｉ層７５とＰｄ層７４との間には金属拡散抑制層を設けることができ、Ｖ−Ｎｉ層７５またはＰｄ層７７と電解質層７６との間には反応抑制層を設けることができる。
【０１０３】
図７に示す固体高分子型の燃料電池では、含水電解質層を挟むようにして水素透過性金属を用いた水素透過層が形成された構成とすることにより、高温での電解質層の水分蒸発および膜抵抗増大の抑制が可能で、一般に低温型の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の作動温度を３００〜６００℃の温度域に向上させることができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるＰＳＲ型改質器に供給する本発明の燃料電池システムの構成に好適である。
【０１０４】
上記の実施形態では、改質用原料としてガソリン（又はガソリンおよび水蒸気の混合ガス）を使用した場合を説明したが、ガソリン以外の他の炭化水素燃料を使用した場合も同様である。
【０１０５】
上記では、燃料電池システムを２つのＰＳＲ型改質器１０，１１で構成した形態を中心に説明したが、３つ以上のＰＳＲ型改質器を設けて構成してもよい。また、対をなす２つのＰＳＲ型改質器で構成するようにしたが、３以上のＰＳＲ型改質器が設けられた形態で構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで運転停止時に実行される停止制御ルーチンを示す流れ図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＰＳＲ型改質器の概略構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムで運転停止時に実行される停止制御ルーチンを示す流れ図である。
【図６】本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池の他の具体例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池の他の具体例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０，１１…ＰＳＲ型改質器
１２…触媒（触媒担持部）
１９…温度センサ
６０，７０，２００…水素分離膜型燃料電池
１００…制御装置
Ｖ１〜Ｖ９…バルブ
【図１】
2007169116.tif 000003
【図２】
2007169116.tif 000004
【図３】
2007169116.tif 000005
【図４】
2007169116.tif 000006
【図５】
2007169116.tif 000007
【図６】
2007169116.tif 000008
【図７】
2007169116.tif 000009