(57)【要約】      （修正有）【課題】  ＰＳＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）型改質装置において、改質反応および再生反応間の反応切替時における水素の流量変動を抑え、水素量を安定確保する。【解決手段】  ステップ１０２において予めＰＳＲ型改質装置２を運転させておき、ＰＳＲ型改質装置１での改質反応および再生反応間の切替を行なっている間は、ＰＳＲ改質装置２を通常運転させる。更に、水素要求量により運転させる反応器単位の数を切り替える。【選択図】  図５
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【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て水素含有ガスを生成し、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２基の改質反応器を、少なくとも１基が改質反応を行なうときには他の少なくとも１基が発熱反応を行なうように含む、２以上の反応器単位と、
運転させている前記反応器単位の一部における前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替による前記水素含有ガスの生成量の変動を抑制するように、前記一部の反応器単位以外の他の前記反応器単位を運転させる運転制御手段と、
を備えた水素生成装置。
【請求項２】
運転させる前記反応器単位の数を切り替える切替手段と、
水素要求量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段と、を更に備え、
前記運転制御手段は、前記判定手段によって水素要求量が所定値以上であると判定されたときに、前記数が増加するように前記切替手段を切り替える請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記運転制御手段は、運転させている一部の前記反応器単位が前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替を行なっている間は、前記一部以外の他の前記反応器単位を通常運転させる請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記運転制御手段は、運転させている一部の前記反応器単位が前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替を行なっている間は、前記一部以外の他の前記反応器単位における水素要求量を前記一部の水素要求量より高めて運転させる請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記運転制御手段は、前記反応器単位の少なくとも２つを運転させた際、運転させている前記反応器単位の一部と、該一部以外の運転させている他の反応器単位とにおける、前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替をずらして行なう請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１〜５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７】
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６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、対をなす改質反応器間で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交互に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また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、または水素吸蔵合金や水素吸着材料を用いて搭載することができる。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、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。水素吸蔵合金や水素吸着材料による搭載も可能であるが、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、原燃料を採用する場合、原燃料を水蒸気改質して水素を得る方法などが知られているが、改質反応は吸熱的であるため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が悪く、水素量を安定的に確保することは難しい。
【０００４】
このような状況の下、近年では各種装置における水素の燃料としての利用が期待されているが、燃料としての水素の供給技術については未だ確立されておらず、新たな水素の供給方法の確立が期待されている。
【０００５】
上記に関連して、触媒を用いて、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繰り返し行なえる燃料改質装置を有する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料改質装置の温度の検出結果に基づいて水蒸気改質反応と再生反応との切替時期が決定されるようになっている。
【特許文献１】米国特許２００４−１７５３２６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のように検出された温度を基準に反応の切替を行なうようにした場合には、高負荷時などにおいて水蒸気改質反応による温度変化が急激となったときには水蒸気改質反応と再生反応との切替頻度が多くなり、改質生成される改質ガスの生成量が大きく変動する。かかる場合には、所期の改質ガスを安定的に確保し得ないばかりか、改質ガスの供給を受けて作動する水素使用装置の性能を損なうおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みなれたものであり、改質反応および再生反応間の反応切替時における水素の流量変動が抑えられ、水素量を安定確保することができる水素生成装置および、負荷変動等の運転状態に依存せず、安定した発電性能を発揮し得る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】
【０００８】
本発明は、２つの改質反応器が対をなし、一方が改質反応を行なうときに他方が発熱反応を行なう単一の反応器単位のみによるのではなく、ある反応器単位との関係で他の反応器単位を運転、制御することが、改質生成されるガス流量の変動を小さく抑えるのに有効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。
【０００９】
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て水素含有ガスを生成し、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２基の改質反応器を、少なくとも１基が改質反応を行なうときには他の少なくとも１基が発熱反応を行なうように含む、２以上の反応器単位と、運転させている前記反応器単位の一部における前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替による前記水素含有ガスの生成量の変動を抑制するように、前記一部の反応器単位以外の他の前記反応器単位を運転させる運転制御手段と、で構成したものである。
【００１０】
第１の発明においては、一方が改質反応を行なうときには他方が発熱反応を行なう２つの改質反応器で構成された２以上の反応器単位のうち、一部の反応器単位の運転を開始して稼働させ、稼働する一部の反応器単位における改質反応および発熱反応間の反応切替に伴なって生じる水素含有ガスの生成量の変動が抑制されるように、稼働する一部の反応器単位を除いた他の反応器単位の運転を行なうことで、運転期間中における装置全体での改質ガス流量の変動、すなわち水素の改質生成量の変動を抑制することができるので、改質生成される水素量を安定確保することができる。これにより、運転状態（例えば、起動時や、燃料電池システムとしたときの低負荷時または負荷変動時など）に関わらず、外部に供給可能な水素量を安定的に確保することが可能である。
【００１１】
第１の発明における反応器単位には、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可能な２基以上の改質反応器（以下、「ＰＳＲ（Pressure swing reforming）型改質器」ともいう。）が設けられており、例えば対をなす２基の改質反応器で構成されている場合は、１基において燃料の水蒸気改質反応を行なうときには、他の１基において再生反応を行なわせるようになっている（以下、この反応器単位を「ＰＳＲ改質装置」ともいう。）。
【００１２】
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)
【００１３】
反応器単位の各々において、２基以上の改質反応器の少なくとも１基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させると共に、他の少なくとも１基で発熱反応である再生反応を行なわせる構成とし、水蒸気改質反応側の改質反応器の蓄熱量が改質反応させることにより低下したときには、例えば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、水蒸気改質反応側の改質反応器を再生反応に切替えると共に、再生反応側の改質反応器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、この切替えを繰り返すことにより、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。
【００１４】
第１の発明には、運転させる反応器単位（ＰＳＲ改質装置）の数を切り替える切替手段と、水素要求量（あるいは、燃料電池システムとした場合の要求負荷）が所定値以上であるか否かを判定する判定手段とを更に設けることができ、この場合には、判定手段により水素要求量（あるいは要求負荷）が所定値以上であると判定されたときに、運転させる反応器単位（ＰＳＲ改質装置）の数が増加するように、運転制御手段によって切替手段を切り替えるようにすることが好ましい。
【００１５】
水素要求量が所定値以上であると判定されたとき、例えば起動時や燃料電池システムとした場合の要求負荷が低負荷状態から高負荷状態に変化する過渡期など、改質生成する水素要求量が多いときには、切替手段の切り替えにより反応器単位（ＰＳＲ改質装置）の運転数を増加させて反応器単位の各々に対する負荷を軽減することで、反応器単位を構成する改質反応器間の改質反応および発熱反応の反応切替の切替頻度（切替回数）を少なくすることができるので、運転期間中における改質ガス流量（水素の改質生成量）の変動が効果的に抑えられ、改質生成される水素量を安定確保することができる。
【００１６】
第１の発明では、これを構成する運転制御手段は、運転させている反応器単位のうち、一部の反応器単位が改質反応および発熱反応間の反応切替を行なっている間は、該一部の反応器単位を除く他の反応器単位を通常運転させるように制御するように構成されるのが有効である。
【００１７】
反応器単位（ＰＳＲ改質装置）を構成する改質反応器（ＰＳＲ型改質器）間で、改質反応と発熱反応との反応切替が行なわれている期間は、水素の改質生成量が低下して流量変動を起こしやすいため、反応切替の際に、反応切替を行なっていない他の反応器単位において通常運転させて改質反応を行なわせることで、流量変動分の水素量を賄うことができ、運転中に装置全体で改質生成される水素量を安定的に確保することができる。
【００１８】
このように、反応切替を行なう反応器単位における反応切替期間に、反応切替を行なっていない他の反応器単位を通常運転させるようにした場合は、反応器単位内での切替頻度（切替回数）を少なくすることで改質ガス流量（水素の改質生成量）の変動を抑制する上記の場合に比し、より装置全体（燃料電池システムを構成する場合にはシステム全体）の改質ガス流量を確保するのに有効である。
【００１９】
また、第１の発明を構成する運転制御手段は、運転させている反応器単位（ＰＳＲ改質装置）のうち、一部の反応器単位（例えば２つのＰＳＲ改質装置で構成される場合はその一方）が改質反応および発熱反応間の反応切替を行なっている間は、該一部の反応器単位（前記一方のＰＳＲ改質装置）を除く他の反応器単位（他方のＰＳＲ改質装置）における水素要求量（あるいは、燃料電池システムとした場合の要求負荷）を、該一部の反応器単位（前記一方のＰＳＲ改質装置）の水素要求量（あるいは要求負荷）よりも高くなるようにして運転させる制御に構成されるのが有効である。
【００２０】
反応器単位（ＰＳＲ改質装置）を構成する改質反応器（ＰＳＲ型改質器）間で、改質反応と発熱反応との反応切替が行なわれている期間は、水素の改質生成量が低下して流量変動を起こしやすいため、反応切替が必要とされていない他の反応器単位における水素要求量（あるいは要求負荷）を、反応切替を行なっている一部の反応器単位の水素要求量（あるいは要求負荷）よりも高くすることで、反応切替期間に不足する流量（水素量）、すなわち流量変動分の水素量を通常運転可能な反応器単位によって賄えるので、運転させる反応器単位の数を変えることなく、運転中に装置全体で改質生成される水素量を安定的に確保することができる。
【００２１】
このように、反応切替が必要とされていない他の反応器単位の運転を水素要求量（あるいは要求負荷）を高めて行なうようにすると、反応器単位の運転数を切り替える必要があるために起動、休止等によるエネルギーロスを生じる既述の場合〔反応器単位内での切替頻度（切替回数）を少なくすることで改質ガス流量（水素の改質生成量）の変動を抑制する場合、並びに反応切替の際に、反応切替を行なっていない他の反応器単位を通常運転させて流量変動分の水素量を賄う場合〕に対し、反応器単位の運転数を切り替える必要がなく、したがってエネルギーロスを効果的に回避することができる。
【００２２】
反応器単位の少なくとも２つを運転させた場合には、第１の発明を構成する運転制御手段は、運転させている一部の反応器単位と、この一部の反応器単位を除く他の運転させている反応器単位とにおける、改質反応および発熱反応間の反応切替を、両者の切替タイミングが重ならないようにずらして行なうように運転制御する構成が有効である。
【００２３】
上記同様に、反応器単位を構成する改質反応器間で改質反応と発熱反応との反応切替が行なわれている期間は、水素の改質生成量が低下して流量変動を起こしやすいため、複数の反応器単位間において、流量変動を起こしやすい反応切替期間が互いに重ならないように切替タイミングがずれるように制御し、反応切替期間における流量変動分の水素量を互いに補ない合って賄うことで、装置全体の流量変動、すなわち水素の改質生成量の変動が抑えられるので、改質生成される水素量を安定確保することができる。特に、例えば起動時や燃料電池システムとした場合の要求負荷が低負荷状態から高負荷状態に変化する過渡期など、改質生成する水素要求量が多いときに有効である。
【００２４】
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（すなわち、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て水素含有ガスを生成し、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２基の改質反応器を、少なくとも１基が改質反応を行なうときには他の少なくとも１基が発熱反応を行なうように含む、２以上の反応器単位および、運転させている前記反応器単位の一部における前記改質反応および前記発熱反応間の反応切替による前記水素含有ガスの生成量の変動を抑制するように、前記一部の反応器単位以外の他の前記反応器単位を運転させる運転制御手段）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で構成したものである。
【００２５】
上記のように、２以上の反応器単位（ＰＳＲ改質装置）のうち、一部の反応器単位（例えば２つのＰＳＲ改質装置で構成される場合はその一方）の運転を開始して稼働させ、稼働する一部の反応器単位（前記一方のＰＳＲ改質装置）における改質反応および発熱反応間の反応切替に伴なって生じる水素含有ガスの生成量の変動が抑制されるように、稼働する一部の反応器単位を除いた他の反応器単位（前記２つのＰＳＲ改質装置の他方）の運転を行なうことで、運転中における装置全体の流量変動、すなわち水素の改質生成量の変動が抑制され、改質生成される水素量を安定確保し得るので、運転状態（例えば、起動時や、燃料電池システムとしたときの低負荷時または負荷変動時など）に関わらず、安定した発電運転を行なうことができる。
【００２６】
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、アノードオフガスはそのままＰＳＲ型改質器に戻されて再生に利用できるので、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。
【００２７】
本発明においては、改質反応させる改質用原料中の燃料として、水蒸気改質などの改質反応により水素および一酸化炭素の合成ガス（特に水素）を得るための燃料として一般に用いられる炭化水素系燃料（例えばメタンガス、ガソリンなど）の中から適宜選択して用いることができる。
【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、燃料の改質により低下した改質器の蓄熱量を燃焼反応等の発熱反応（再生反応）を行なわせて回復するように、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なう場合に、運転状態（例えば、起動時や燃料電池システムとした場合の低負荷状態から高負荷状態に変化する過渡時などの負荷変動時など）に依存することなく、燃料から改質生成される水素の生成量を確保し、安定した発電運転を連続的に行なうことが可能なシステムに構築することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、改質反応および再生反応間の反応切替時における水素の流量変動が抑えられ、水素量を安定確保することができる水素生成装置および、負荷変動等の運転状態に依存せず、安定した発電性能を発揮し得る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７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、この水素生成装置で改質生成された水素を発電用燃料として水素分離膜型燃料電池に供給し発電運転を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】
図１に示すように、本実施形態は、触媒と共に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型改質器および第２のＰＳＲ型改質器を有するＰＳＲ改質装置１（ＰＳＲ１）およびＰＳＲ改質装置２（ＰＳＲ２）と、各ＰＳＲ改質装置を構成する第１および第２のＰＳＲ型改質器の各々で改質生成された水素の供給により発電運転を行なう水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）２００と、システム動作の制御を担う制御装置１００と、を備えている。
【００３４】
制御装置１００の動作制御により、ガソリン（改質用原料）が各ＰＳＲ改質装置に供給されると、ＰＳＲ改質装置内でのガソリンの水蒸気改質反応により水素をリッチに含有するガス（水素リッチガス）が生成され、生成された水素リッチガスがＰＳＲ改質装置から排出されて水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）２００に供給されることで発電運転が行なえるようになっている。
【００３５】
以下、ＰＳＲ型改質装置１を例により具体的に説明する。
図２に示すように、ＰＳＲ改質装置１（ＰＳＲ１）は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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２参照）、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。
【００５３】
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にあり、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。なお、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。
【００５４】
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。
【００５５】
また、ＰＳＲ改質装置２（ＰＳＲ２）については図示しないが、ＰＳＲ改質装置１と同様に、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２０および第２のＰＳＲ型改質器２１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。
【００５６】
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解質膜５１と、電解質膜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。
【００５７】
酸素極５２と電解質膜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と電解質膜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。
【００５８】
電解質膜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４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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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１４及び図１５参照）。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。
【００６４】
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。
【００６５】
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１４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。
【００６６】
電解質膜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。
【００６７】
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)
【００６８】
ＰＳＲ改質装置１〜２（ＰＳＲ型改質器１０，１１，２０，２１その他ＰＳＲ型改質器を含む。）、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。
【００６９】
本実施形態では、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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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たような場合には、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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
本実施形態では、上記のように水蒸気改質反応と再生反応とを繰返し切替えて行なう２つのＰＳＲ改質装置１、２において、２つのＰＳＲ改質装置の一方の運転を開始して改質反応および再生反応を行なっているときに他方のＰＳＲ改質装置を運転休止すると共に、運転中の一方のＰＳＲ改質装置を構成する２つのＰＳＲ型改質器間で改質反応と再生反応との反応切替を行なう際に、休止中の他方のＰＳＲ改質装置を運転開始する制御を行なう。
【００８０】
具体的には、システムの起動により２つのＰＳＲ改質装置１、２を同時に起動させた後、ＰＳＲ改質装置１でのみ通常の運転を行ない、ＰＳＲ改質装置１を通常運転させているときにはＰＳＲ改質装置２を休止すると共に、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０を改質反応から再生反応に切り替え、ＰＳＲ型改質器１１を再生反応から改質反応に切り替える際、あるいはＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０を再生反応から改質反応に切り替え、ＰＳＲ型改質器１１を改質反応から再生反応に切り替える際、にそれぞれ、休止している他方のＰＳＲ改質装置２０において通常運転する。
【００８１】
ここで、休止とは、バルブ（図２中のバルブＶ１〜Ｖ８）を選択的に閉じて反応開始可能な所定温度以上に保持され、改質用原料又は燃焼用燃料が供給されたときにはいつでも反応を開始し得る状態をいう。
【００８２】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムの制御装置１００による制御ルーチンのうち、通常運転させているＰＳＲ改質装置１での改質反応及び再生反応の反応切替タイミングに合わせて、ＰＳＲ改質装置１での反応切替期間中はＰＳＲ改質装置２を、ＰＳＲ型改質器の一方で改質反応させ他方で再生反応させる通常運転を行なう運転制御ルーチンを中心に、図５〜図６を参照して説明する。
【００８３】
イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）のオンにより、制御装置１００の電源がオンされてシステムが起動すると、起動後の通常運転時に所定間隔（１００ｍｓ毎）で、図５に示す運転制御ルーチンが実行される。なお、所定間隔は、再生時間の計測分解能の関係から、制御装置のＣＰＵ資源を圧迫しない範囲で短い程望ましく、システムの起動は自動で行なう以外に手動で行なうようにしてもよい。
【００８４】
起動後、例えば図６に示すように、ＰＳＲ改質装置１にて通常運転を開始し（ここでは、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０において改質反応を、ＰＳＲ型改質器１１において再生反応を行なっている。）、ＰＳＲ改質装置２を運転休止している場合に、本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であると判定されたときには、ＰＳＲ改質装置１で反応切替を行なう時点（図６中の時期ａ）より前に、次のステップ１０２において、ＰＳＲ改質装置２の通常運転を開始する。
【００８５】
このとき、ＰＳＲ改質装置２は既に起動時にＰＳＲ改質装置１と共に触媒温度が改質開始温度Ｔb以上に加熱された後、バルブ（図２中のバルブＶ１〜Ｖ８と同様に配置されたバルブ）を閉じていつでも反応開始可能な所定温度以上に保持された休止状態にあり、ＰＳＲ改質装置２では、ＰＳＲ型改質器２０において改質反応させると共に、ＰＳＲ型改質器２１において再生反応させることができるようになっている。
【００８６】
なお、ステップ１００において、触媒温度ｔ1が所定値Ｔaを超えていると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０では触媒１２が未だ改質可能な温度を保持しており、ＰＳＲ型改質器１０とＰＳＲ型改質器１１との間で改質反応および再生反応の反応切替を行なう必要がないので、そのまま本ルーチンを終了する。
【００８７】
ＰＳＲ改質装置２の運転開始後、ステップ１０４において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ１０６において、図６に示すようにＰＳＲ型改質器１０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器１１の再生反応を改質反応に切り替える（反応切替を開始する時期ａから反応切替を終了する時期ｂまでの反応切替期間ａ−ｂ）。反応切替期間ａ−ｂでは、ＰＳＲ改質装置２は通常運転状態にある。
【００８８】
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２０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。
【００８９】
ステップ１０４において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔbを超えていると判定されたときには、触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下に達するまではそのまま改質反応を継続し、改質開始温度Ｔb以下に達したときにステップ１０６に移行する。
【００９０】
ステップ１０８において、ＰＳＲ改質装置１での反応切替が完了し、反応切替期間ａ−ｂが経過した時点で次のステップ１１０に移行すると、ステップ１１０において、ＰＳＲ改質装置２で改質反応させているＰＳＲ型改質器２０の触媒温度ｔ2が改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ2が改質開始温度Ｔbを超えていると判定されたときには、未だ所期の水素量を改質生成し得る状態にあるので、ステップ１１２において、バルブ（図２中のバルブＶ１〜Ｖ８と同様に配置されたバルブ）を閉じ、通常運転させていたＰＳＲ改質装置２の運転を再び休止する。その後、本ルーチンを終了し、ＰＳＲ改質装置１はそのまま通常運転を行なう。
【００９１】
ステップ１１０において、触媒温度ｔ2が改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器２０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ１１４において、図６に示すように、例えばＰＳＲ改質装置１の反応切替を開始する時期ｃから反応切替を終了する時期ｄまでの反応切替期間ｃ−ｄの後に、ＰＳＲ型改質器２０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器２１の再生反応を改質反応に切り替え、切り替えた後にＰＳＲ改質装置２の運転を再び休止する。具体的な切替動作は既述の通りである。切替完了後に本ルーチンを終了し、ＰＳＲ改質装置１は通常運転を行なう。なお、反応切替期間ｃ−ｄでは、ＰＳＲ改質装置２は通常の運転状態にある。
【００９２】
本実施形態で実行される前記運転制御ルーチンにおいて、燃料効率上または水素の改質効率上、２つのＰＳＲ改質装置間での運転、休止を効率良く行なうためには、各ＰＳＲ改質装置に対する要求負荷は、例えば図７に示す関係にしたがって選択されるのが有効である。
【００９３】
図７−（ａ）は、要求負荷（％）と改質効率との関係を示す図である。すなわち、最大熱量５０ｋＷを得る水素を改質生成する改質反応器を仮定した場合、負荷１００％で運転したときに最大熱量５０ｋＷを得る水素を改質生成でき、負荷５０％で運転したときに熱量２５ｋＷを得る水素を改質生成できることを意味する。また、改質効率は、改質生成される水素の生成水素熱量と改質投入熱量との比（生成水素熱量／改質投入熱量）を表し、最大熱量５０ｋＷを得る水素を改質生成する場合に改質投入熱量６０ｋＷとすると、改質効率は５０／６０＝０．８３３である。ここで、改質投入熱量とは、一般に改質燃料そのものの発熱量を表すが、正確には更に改質器制御系駆動に必要な電力を加える必要がある。
【００９４】
図７−（ａ）に示す関係を考慮した場合、仮にシステム全体に要求される要求負荷が１２０％である場合など、１つのＰＳＲ改質装置のみで全ての負荷を賄えない場合、ＰＳＲ改質装置１の負荷を１００％とし、ＰＳＲ改質装置２の負荷を２０％とする不均衡な配分とすると、図７−（ａ）に示すように、ＰＳＲ改質装置２での改質効率は大きく低下し、システム全体の改質効率は非効率となる。したがって、最良の改質効率が得られる割合に負荷配分することが望ましい。このように最良の改質効率を得る方法の例として、後述する第２および第３実施形態が有効である。
【００９５】
また、ＰＳＲ改質装置の設計によっては、図７−（ｂ）に示す関係となる場合もあり、本発明においては、各ＰＳＲ改質装置の要求負荷と改質効率との関係に合わせた制御とすればよい。
【００９６】
上記では、各ＰＳＲ改質装置における反応切替タイミングを触媒温度によって制御するようにした場合を説明したが、触媒温度によるほか、燃料電池２００の出力から水素量を求めることが可能であるため、改質生成された水素リッチガス中の水素濃度や生成流量に基づいた判定を行なうようにすること可能である。改質生成される水素流量をより一定の範囲に保持する点で有効である。また、水素センサを用いて検出された検出値を用いた構成とすることもできる。
【００９７】
（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８〜図９を参照して説明する。本実施形態は、２つのＰＳＲ改質装置の一方を通常運転させている間は他方の運転を休止すると共に、通常運転を行なっているＰＳＲ改質装置における反応切替の際にその切替タイミングに合わせて、休止中の他方のＰＳＲ改質装置を運転開始し、通常運転させるＰＳＲ改質装置を切り替える制御を行なうようにしたものである。
【００９８】
なお、燃料は第１実施形態で使用した改質用原料および発熱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。
【００９９】
本実施形態では、ＩＧスイッチがオンされると、第１実施形態と同様にして、起動後の通常運転時に所定間隔（１００ｍｓ毎）で、図８に示す運転制御ルーチンが実行される。所定間隔は、再生時間の計測分解能の関係から、制御装置のＣＰＵ資源を圧迫しない範囲で短い程望ましい。
【０１００】
起動後、例えば図９に示すように、ＰＳＲ改質装置１にて通常運転を開始し（ここでは、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０において改質反応を、ＰＳＲ型改質器１１において再生反応を行なっている。）、ＰＳＲ改質装置２を運転休止している場合に、本ルーチンが実行されると、ステップ２００において、運転中のＰＳＲ改質装置１の改質反応を行なっている改質側のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔが所定値Ｔa以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔが所定値Ｔa以下であると判定されたときには、ＰＳＲ改質装置１で反応切替を行なう時点（図９中の時期ａ）より前に、次のステップ２０２において、休止しているＰＳＲ改質装置２の通常運転を開始する。
【０１０１】
このとき、ＰＳＲ改質装置２は既に起動時にＰＳＲ改質装置１と共に触媒温度が改質開始温度Ｔb以上に加熱された後、バルブ（図２中のバルブＶ１〜Ｖ８と同様に配置されたバルブ）を閉じていつでも反応開始可能な所定温度以上に保持された休止状態にあり、ＰＳＲ改質装置２では、ＰＳＲ型改質器２０において改質反応させると共に、ＰＳＲ型改質器２１において再生反応させることができるようになっている。
【０１０２】
なお、ステップ２００において、触媒温度ｔが所定値Ｔaを超えていると判定されたときには、第１実施形態と同様に、ＰＳＲ型改質器間での反応切替が不要であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
【０１０３】
ＰＳＲ改質装置２の運転開始後、ステップ２０４において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔが改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔが改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ２０６において、図９に示すように、ＰＳＲ型改質器１０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器１１の再生反応を改質反応に切り替える（反応切替期間ａ−ｂ）。ここでの具体的な切替動作については、第１実施形態と同様である。なお、反応切替期間ａ−ｂでは、ＰＳＲ改質装置２は通常運転状態にある。
【０１０４】
ステップ２０６において、ＰＳＲ改質装置１での反応切替が完了し、反応切替期間ａ−ｂが経過した時点で、次のステップ２０８において、バルブＶ１〜Ｖ８を選択的に閉じ、ＰＳＲ改質装置１の運転を休止する。その後、本ルーチンを終了し、ＰＳＲ改質装置２については、そのまま通常の運転が継続される。
【０１０５】
ステップ２０４において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔが改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、触媒温度ｔが改質開始温度Ｔb以下に達するまではそのまま改質反応を継続し、改質開始温度Ｔb以下に達したときにステップ２０６に移行する。
【０１０６】
所定間隔の経過により再び本ルーチンが実行されると、ステップ２００では、まず運転中のＰＳＲ改質装置２の改質反応を行なっている改質側のＰＳＲ型改質器２０の触媒温度ｔが所定値Ｔa以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔが所定値Ｔa以下であると判定されたときにステップ２０２に移行して、ＰＳＲ改質装置１の通常運転が開始され、その後上記と同様に制御される。
【０１０７】
本実施形態のように制御した場合も、反応切替時におけるシステム全体での改質ガス流量の変動、すなわち水素の改質生成量の変動が抑制され、改質生成される水素量を安定確保することができ、安定した発電運転が行なえる。
【０１０８】
（第３実施形態）
本発明の燃料電池システムの第３実施形態を図１０〜図１１を参照して説明する。本実施形態は、２つのＰＳＲ改質装置を同時に各々等配分された要求負荷のもとで運転させている場合に、一方のＰＳＲ改質装置が反応切替を行なっている間は、全ての要求負荷に対する水素要求量を他方のＰＳＲ改質装置で賄うように、他方のＰＳＲ改質装置を全要求負荷のもとで運転制御するようにしたものである。
【０１０９】
なお、燃料は第１実施形態で使用した改質用原料および発熱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。
【０１１０】
本実施形態では、ＩＧスイッチのオンにより、制御装置１００の電源がオンされてシステムが起動すると、ＰＳＲ改質装置１およびＰＳＲ改質装置２の両方が起動され、一方が反応切替を行なうに際して、起動後の通常運転時に所定間隔（１００ｍｓ毎）で図１０に示す運転制御ルーチンが実行される。
【０１１１】
起動後、例えば図１１に示すように、運転されているＰＳＲ改質装置１およびＰＳＲ改質装置２において、ＰＳＲ型改質器１０、２０の各々が、システム全体で要求される全要求負荷Ｐ（このときＰ＝１とする）が等配分された要求負荷（Ｐ＝０．５）に対応する水素要求量を賄うように改質反応を行なっている場合に、本ルーチンが実行されると、まずステップ３００において、ＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1がＰＳＲ型改質器２０の触媒温度ｔ2よりも低いか否かが判定される。
【０１１２】
ステップ３００において、触媒温度ｔ1が触媒温度ｔ2より低いと判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０をＰＳＲ型改質器２０に優先して反応切替を行なう必要があるので、ステップ３０２において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であるか否かが判定される。
【０１１３】
ステップ３０２において、触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０の改質反応を再生反応に切り替えるため、ＰＳＲ改質装置１の反応切替を行なう時点（図１１中の時期ａ）前に、次のステップ３０４において、ＰＳＲ改質装置２に対する要求負荷（Ｐ＝０．５）がシステム全体に要求される全要求負荷Ｐ（Ｐ＝１）にまでアップされる。このとき、ＰＳＲ改質装置１における要求負荷（水素要求量）はゼロである。
【０１１４】
なお、ステップ３０２において、触媒温度ｔ1が所定値Ｔaを超えていると判定されたときには、第１実施形態における場合と同様に、２つのＰＳＲ型改質器間で反応切替を行なう必要がないので、そのまま本ルーチンを終了する。
【０１１５】
次に、ステップ３０６において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ３１４に移行し、ステップ３１４において、図１１に示すようにＰＳＲ型改質器１０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器１１の再生反応を改質反応に切り替える（反応切替期間ａ−ｂ）。反応切替期間ａ−ｂでは、ＰＳＲ改質装置２は、システム全体に要求される全要求負荷Ｐ（Ｐ＝１）に対応する水素要求量を賄うように通常運転される。
【０１１６】
逆に、ステップ３００において、触媒温度ｔ1が触媒温度ｔ2以上であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器２０をＰＳＲ型改質器１０に優先して反応切替を行なう必要があるので、ステップ３０８において、ＰＳＲ改質装置２のＰＳＲ型改質器２０の触媒温度ｔ2が所定値Ｔa以下であるか否かが判定される。
【０１１７】
ステップ３０８において、触媒温度ｔ2が所定値Ｔa以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器２０の改質反応を再生反応に切り替えるため、ＰＳＲ改質装置２の反応切替を行なう時点（例えば図１１中の時期ｃ）前に、次のステップ３１０において、ＰＳＲ改質装置１に対する要求負荷（Ｐ＝０．５）がシステム全体に要求される全要求負荷Ｐ（Ｐ＝１）にまでアップされる。このとき、ＰＳＲ改質装置２に対する要求負荷（水素要求量）はゼロである。
【０１１８】
なお、ステップ３０８において、触媒温度ｔ2が所定値Ｔaを超えていると判定されたときには、前記同様に２つのＰＳＲ型改質器間で反応切替を行なう必要がないので、そのまま本ルーチンを終了する。
【０１１９】
次に、ステップ３１２において、ＰＳＲ改質装置２のＰＳＲ型改質器２０の触媒温度ｔ2が改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ2が改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器２０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ３１４に移行し、前記同様に図１１に示すように、ＰＳＲ型改質器２０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器２１の再生反応を改質反応に切り替える（例えば反応切替期間ｃ−ｄ）。反応切替期間ｃ−ｄでは、ＰＳＲ改質装置１は、システム全体に要求される全要求負荷Ｐ（Ｐ＝１）に対応する水素要求量を賄うように通常運転される。
【０１２０】
次に、ステップ３１６において、ＰＳＲ改質装置での反応切替が完了し、反応切替期間ａ−ｂ（または例えば反応切替期間ｃ−ｄ）が経過した後、ステップ３１８において、ＰＳＲ改質装置２（またはＰＳＲ改質装置１）に対する要求負荷Ｐが再び等配分された要求負荷（Ｐ＝０．５）にまでダウンされる。このとき、ＰＳＲ改質装置１およびＰＳＲ改質装置２の要求負荷Ｐはいずれも０．５である。そして、その後に本ルーチンを終了する。
【０１２１】
本実施形態のように制御した場合も、反応切替時におけるシステム全体での改質ガス流量の変動、すなわち水素の改質生成量の変動が抑制され、改質生成される水素量を安定確保することができ、安定した発電運転が行なえる。
【０１２２】
（第４実施形態）
本発明の燃料電池システムの第４実施形態を図１２〜図１３を参照して説明する。本実施形態は、２つのＰＳＲ改質装置の一方を通常運転させている場合において、高負荷要求があった際に他方の運転を開始すると共に、２つのＰＳＲ改質装置における反応切替を交互に行なって、一方のＰＳＲ改質装置が反応切替を行なっている間は常に他方で通常運転されるように制御するようにしたものである。
【０１２３】
なお、燃料は第１実施形態で使用した改質用原料および発熱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。
【０１２４】
本実施形態では、ＩＧスイッチのオンにより、制御装置１００の電源がオンされてシステムが起動すると、２つのＰＳＲ改質装置の一方において改質反応が開始され、高負荷要求があった場合に、図１２に示す運転制御ルーチンが実行されるようになっている。
【０１２５】
起動後、例えば図１３に示すように、ＰＳＲ改質装置１にて通常運転を開始し（ここでは、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０において改質反応を、ＰＳＲ型改質器１１において再生反応を行なっている。）、ＰＳＲ改質装置２を運転休止している場合に、本ルーチンが実行されると、ステップ４００において、本燃料電池システムが過渡期、すなわち燃料電池２００が低負荷ｓの状態から高負荷ｔの状態に移ったときの負荷変動値Ｐ（＝ｔ−ｓ）が所定値Ｑを超えているか否かが判定される。
【０１２６】
ステップ４００において、負荷変動値Ｐが所定値Ｑを超えていると判定されたときには、ＰＳＲ改質装置に要求される水素要求量が多く、改質生成される水素量の脈動が大きくなるおそれのあるＰＳＲ改質装置１の反応切替期間には、発電量を補償するために水素流量を確保する必要があるので、ステップ４０２に移行し、負荷変動値Ｐが所定値Ｑ以下であると判断されたときには、必ずしも高頻度での反応切替は不要であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
【０１２７】
ステップ４０２において、運転中のＰＳＲ改質装置１の改質反応を行なっている改質側のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ1が所定値Ｔa以下であると判定されたときには、ＰＳＲ改質装置１で反応切替を行なう時点（図１３中の時期ａ）より前に、次のステップ４０４において、ＰＳＲ改質装置２の通常運転を開始する。
【０１２８】
このとき、ＰＳＲ改質装置２は既に起動時にＰＳＲ改質装置１と共に触媒温度が改質開始温度Ｔb以上に加熱された後、バルブ（図２中のバルブＶ１〜Ｖ８と同様に配置されたバルブ）を選択的に閉じていつでも反応開始可能な所定温度以上に保持された休止状態にあり、ＰＳＲ改質装置２では、ＰＳＲ型改質器２０において改質反応させると共に、ＰＳＲ型改質器２１において再生反応させることができるようになっている。
【０１２９】
なお、ステップ４０２において、触媒温度ｔ1が所定値Ｔaを超えていると判定されたときには、第１実施形態と同様に、ＰＳＲ型改質器間での反応切替が不要であるので、そのまま本ルーチンを終了する。
【０１３０】
ＰＳＲ改質装置２の運転開始後、ステップ４０６において、ＰＳＲ改質装置１のＰＳＲ型改質器１０の触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であるか否かが判定され、触媒温度ｔ1が改質開始温度Ｔb以下であると判定されたときには、ＰＳＲ型改質器１０での改質効率が低下して所期の水素量を改質生成し得ない状況にあるので、ステップ４０８において、図１３に示すように、ＰＳＲ型改質器１０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器１１の再生反応を改質反応に切り替える（反応切替期間ａ−ｂ）。ここでの具体的な切替動作については、第１実施形態と同様である。なお、反応切替期間ａ−ｂでは、ＰＳＲ改質装置２は通常運転状態にある。
【０１３１】
次に、ステップ４１０において、ＰＳＲ改質装置１での反応切替が完了したか否かが判定され、反応切替が完了したと判定されたときには、ステップ４１２において、燃料電池システムの停止要求があるか否か、あるいは負荷変動値Ｐ（＝ｔ−ｓ）が所定値Ｑを超えているか否かが判定される。なお、ステップ４１０において、反応切替が未完了であると判定されたときには反応切替完了まで待機する。
【０１３２】
ステップ４１２において、燃料電池システムの停止要求がない、あるいは負荷変動値Ｐが所定値Ｑを超えていると判定されたときには、ステップ４１４において、図１３に示すように、ＰＳＲ型改質器２０での改質反応を再生反応に、ＰＳＲ型改質器２１の再生反応を改質反応に切り替える（反応切替期間ｂ−ｃ）。
【０１３３】
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を閉じることにより、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Ｖ４およびバルブＶ８を開きバルブＶ３およびバルブＶ５を閉じることにより、供給配管１１０と供給配管１１２、排出配管１０５および排出管１０６をそれぞれ連通させる。
【０１３４】
次のステップ４１６では、ＰＳＲ改質装置２での反応切替が完了したか否かが判定され、反応切替が完了したと判定されたときには、ステップ４１８において、燃料電池システムの停止要求があるか否か、あるいは負荷変動値Ｐ（＝ｔ−ｓ）が所定値Ｑを超えているか否かが判定される。なお、ステップ４１６において、反応切替が未完了であると判定されたときには反応切替完了まで待機する。
【０１３５】
ステップ４１８において、燃料電池システムの停止要求がない、あるいは負荷変動値Ｐが所定値Ｑを超えていると判定されたときには、ステップ４０６に戻って上記と同様に制御し、ステップ４１８において、燃料電池システムの停止要求がある、あるいは負荷変動値Ｐが所定値Ｑ以下であると判定されたときには、本ルーチンを終了する。
【０１３６】
本実施形態のように制御した場合、高負荷時における反応切替時の改質ガス流量の変動、すなわち水素の改質生成量の変動が効果的に抑制され、水素の改質生成量を安定確保して安定した発電運転が行なえる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
図１４〜図１５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。
【０１４０】
図１４は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材６６を含む５層構造の電解質膜６１と、電解質膜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。電解質膜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とを備えている。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。
【０１４１】
図１５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解質膜７１と、電解質膜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。電解質膜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解質膜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。
【０１４２】
図１５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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
上記では、燃料電池システムを２つのＰＳＲ改質装置１、２で構成した形態を中心に説明したが、３つ以上のＰＳＲ改質装置を設けて構成してもよい。また、各ＰＳＲ改質装置は、対をなす２つのＰＳＲ型改質器（１つの反応器単位）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】
【０１４５】
【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の一部を拡大して示す概略構成図である。
【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１実施形態に係る燃料電池システムで実行される運転制御ルーチンを示す流れ図である。
【図６】図５の流れ図にしたがって改質反応および再生反応を切り替えるところを説明するための概念図である。
【図７】（ａ）は要求負荷と改質効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は要求負荷と改質効率との他の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムで実行される運転制御ルーチンを示す流れ図である。
【図９】図８の流れ図にしたがって改質反応と再生反応とを切り替える切替タイミングを説明するための概念図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムで実行される運転制御ルーチンを示す流れ図である。
【図１１】図１０の流れ図にしたがって改質反応と再生反応とを切り替える切替タイミングを説明するための概念図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムで実行される運転制御ルーチンを示す流れ図である。
【図１３】図１２の流れ図にしたがって改質反応と再生反応とを切り替える切替タイミングを説明するための概念図である。
【図１４】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１５】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】
【０１４６】
１，２…ＰＳＲ改質装置
１０，１１，２０，２１…ＰＳＲ型改質器
１２…触媒（触媒担持部）
１５，１６，１７，１８…噴射装置
１９…温度センサ
３０，６０，７０，２００…水素分離膜型燃料電池
５１…電解質膜
５２…酸素極
５３…水素極
５９ａ…エア流路
５９ｂ…燃料流路
１００…制御装置
Ｖ１〜Ｖ９…バルブ
【図１】
2007045677.tif 000003
【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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