(57)【要約】【課題】本発明は、大きな出力変動があるときにも、燃料改質器における改質反応を良好に行うことができるようにする。【解決手段】本発明は、アノード１２とカソード１３とを有する燃料電池１０と、そのアノード１２に送給する原燃料を改質するための燃料改質器４０と、加熱用ガスを生成する燃焼器２０と、この燃焼器２０から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器４０との熱交換可能に配設された熱交換器３０とを有しているとともに、アノード１２から排出された排水素含有ガスを燃焼器に送給するための排水素含有ガス送給路１２ｃと、カソード１３から排出された排酸素含有ガスを外部に排出するための酸素含有ガス排出路１３ｂと、そのカソード１３から排出された排酸素含有ガスの一部を、上記燃焼器２０に向けて分流送給するための酸素含有ガス分流送給路１３ｃを形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有しているとともに、
アノードから排出された排水素含有ガスを燃焼器に送給するための排水素含有ガス送給路と、
カソードから排出された排酸素含有ガスを外部に排出するための酸素含有ガス排出路と、そのカソードから排出された排酸素含有ガスの一部を、上記燃焼器に向けて分流送給するための酸素含有ガス分流送給路とを形成していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸素含有ガス分流送給路に、上記酸素含有ガス分流送給路を流通する排酸素含有ガスの流量を増減調整する流量調整器を設けていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される
加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有しているとともに、
アノードから排出された排水素含有ガスを燃焼器に送給するための排水素含有ガス送給路と、
カソードから排出された排酸素含有ガスを燃焼器に送給するための酸素含有ガス送給路とが配設されており、
排水素含有ガス送給路に、これを流通する排水素含有ガスの一部を、流通経路外に分流排出するための水素含有ガス分流排出路を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記水素含有ガス分流排出路を流通する水素含有ガスの流量を増減調整する流量調整器を設けていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
酸素含有ガス排出路に、流通経路外に排出する排酸素含有ガスの流量を増減調整するための流量調整器を配設しているとともに、
燃料改質器が改質動作温度となるように、燃料改質器に送給する燃料電池のカソードから排出された排酸素含有ガスの流量を流量調整器を介して増減調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料改質器における改質反応に伴う熱量の増減に基づいて、その燃料改質器を動作温度にするために必要な熱量を予測する熱量予測手段と、
予測した熱量に基づいて、排水素含有ガスの流量と温度を算出するガス流量・温度算出手段と、
算出した排水素含有ガスの流量と温度とに基づいて、燃料改質器が改質動作温度となるように流量調整器を開閉する流量調整器開閉手段と、
燃料改質器を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されているか否かを判定する熱量供給判定手段と、
当該熱量が供給されていないと判定したときには、燃料改質器が改質動作温度となるように、燃焼器に送給する燃料電池のカソードから排出された酸素含有ガスの流量を、流量調整器を介して増減調整する燃料ガス流量調整手段とを有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
排水素含有ガス送給路に、これを流通する排水素含有ガスの一部を燃料改質器に向けて分流返戻するための水素含有ガス返戻路を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
水素含有ガス分流排出路に、これを流通する排水素含有ガスの流量を増減調整するための流量調整器を設けておき、
燃料改質器を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されていないと判定したときには、水素含有ガス流量調整手段は、燃料改質器が改質動作温度となるように、燃料改質器に送給する燃料電池のアノードから排出された水素含有ガスの流量を流量調整器を介して増減調整することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料改質器を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されていないと判定したときには、水素含有ガス流量調整手段は、燃料改質器が改質動作温度となるように水素含有ガス返戻路を流通する水素含有ガスの流量を増減調整することを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃焼器に新規空気を送給するための酸素含有ガス送給器を設けているとともに、
熱量供給判定手段によって、燃料改質器を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されていないと判定したときには、酸素含有ガス送給器によって、新規の酸素含有ガスを燃焼器に送給する新規酸素含有ガス送給手段を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
上記燃料電池のカソードから排出された酸素含有ガスの一部を、燃料改質器が改質動作温度となるように上記燃焼器に向けて分流送給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
上記燃料電池のアノードから排出された水素含有ガスの一部を、燃料改質器が改質動作温度となるように上記燃焼器に向けて分流送給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムと、この燃料電池システムの運転方法に関し、特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた燃料電池システムとこの燃料電池システムの運転方法に好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池システムとして、燃料電池とした名称で特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に記載されている燃料電池システムは、複数の固体電解質型燃料電池セルを所定間隔を置いて一列に配設してなるセルスタックを複数行配設してなるセルスタック集合体と、該セルスタック集合体が設けられるガスマニホールドと、前記セルスタック上方にそれぞれ設けられた燃料改質器と、それら複数の燃料改質器と前記ガスマニホールドとを連結する改質ガス供給管とをハウジング内に配設したものである。
【０００３】
この構成においては、発電に使用されることなくセルスタックから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、起動時に発電・燃焼室内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。
【０００４】
そして、セルスタックにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケースは発電・燃焼室内に配設され、セルスタックの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５‐１８３３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、セルスタックから排出された余剰の空気と燃料ガスとを混合燃焼させることにより、改質器を加熱して改質反応を促進させるようにしているが、一般には、セルスタックが過熱した場合、空気極に流通させる空気量を増加させることによって、セルスタックを冷却させている。
【０００７】
すなわち、高い出力ではセルスタックを冷却するための空気量も増加してしまい、燃焼ガスの温度が上がらず、燃料改質器を所要の温度を上昇させることができず、良好な改質反応を行わせられないという問題がある。
そこで本発明は、大きな出力変動があるときにも、燃料改質器における改質反応を良好に行うことができる燃料電池システムと、この燃料電池システムの運転方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための燃料電池システムは、固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有しているとともに、アノードから排出された排水素含有ガスを燃焼器に送給するための排水素含有ガス送給路と、カソードから排出された排酸素含有ガスを外部に排出するための酸素含有ガス排出路と、そのカソードから排出された排酸素含有ガスの一部若しくはアノードから排出された排水素含有ガスの一部を、燃料改質器が改質動作温度となるように上記燃焼器に向けて分流送給するための酸素含有ガス分流送給路とを形成したものである。
【０００９】
同上の目的を達成するための燃料電池システムの運転方法は、固体電解質型セルのアノードとカソードとに、水素含有ガスと酸素含有ガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、そのアノードに送給する原燃料を改質するための燃料改質器と、加熱用ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器との熱交換可能に配設された熱交換器とを有する構成において、燃料電池のカソードから排出された酸素含有ガスの一部を、燃料改質器が改質動作温度となるように上記燃焼器に向けて分流送給することを内容としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、大きな出力変動があるときにも、燃料改質器における改質反応を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は、空気極から排出された空気量と、流量調整器を挟む上流，下流側における空気の圧力差との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、同図（Ｂ）は、燃料極から排出された燃料ガス量と、流量調整器の上流側と下流側における圧力差との関係を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は、コントロールユニットの機能を示すブロック図である。
【図６】本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】（Ａ）は、燃焼ガスの温度と指標との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、負荷と燃焼器に送給されるガスの過剰率との関係を示すグラフ、（Ｃ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）は、燃焼器に導入する排ガスの過剰率と、負荷との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
【図１１】コントロールユニットが有する機能を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１３】（Ａ）は、燃焼器に導入する排ガスの過剰率と、負荷との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
【図１４】は、本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１６】（Ａ）は、本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は、コントロールユニットの機能を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１８】（Ａ）は、燃焼器に導入する排ガスの過剰率と、負荷との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
【図１９】本発明の第十の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、空気ブロワ１、燃料ポンプ２、燃料電池１０、燃焼器２０、熱交換器３０及び燃料改質器４０を有して構成されている。
なお、本実施形態において「固体電解質型燃料電池」とは、酸素イオン伝導体（酸化物イオン伝導体）を電解質に用いたものであり、代表的には固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００１３】
空気ブロワ１は、燃料改質器４０に新規の空気を送給するためのものであり、また、燃料ポンプ２は、燃料電池１０に新規の燃料ガスを送給するためのものである。
【００１４】
燃料電池１０は、電解質１１の両側に積層したアノード（以下、「燃料極」という。）１２とカソード（以下、「空気極」という。）１３とに、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行う固体電解質型セル１４を複数積層させたセルスタック１５を有して構成されている。
なお、図１に示すセルスタック１５は、多数積層した固体電解質型セル１４…のうちの、一つのもののみを示すことにより簡略化して示している。
【００１５】
以下には、「水素含有ガス」を燃料ガス、また、「酸素含有ガス」を空気を例として説明する。
「燃料ガス」は、エタン、ブタン、天然ガス等を用いることができるが、特に、自動車等の移動体用の燃料電池システムに適応する場合においては、エタノール、ブタノール等のアルコールや、ガソリン、軽油若しくは軽質油等の液体燃料を用いることが好適である。ただし、燃料はこれに限るものではない。
【００１６】
空気極１３の受入側には、新規の空気を送給するための送給路（以下、「送給パイプ」という。）１３ａが空気ブロワ１との間に接続され、排出側には、その空気極１３から送出された一方の排ガスである排空気を外部に排出するための酸素含有ガス排出路（以下、「空気排出パイプ」という。）１３ｂが配設されている。
【００１７】
空気排出パイプ１３ｂの途中には、これを流通する排空気の一部を分流して、下記の燃焼器２０に送給するための酸素含有ガス分流送給路（以下、「空気分流パイプ」という。）１３ｃが配設されている。
【００１８】
本実施形態において示す空気排出パイプ１３ｂと空気分流パイプ１３ｃとは、互いの流路断面を、セルスタック１５が所定の温度に上昇したときに空気極１３を流通する空気量を勘案して、燃焼器２０における燃料ガスと空気の比が所要の範囲内となるように設定している。
なお、流路断面を互いに異ならせることに限るものではなく、例えば空気排出パイプ１３ｂと空気分流パイプ１３ｃとの互いの流路長を適宜に設定するようにしてもよい。
【００１９】
燃料極１２の受入側には、これと後述する燃料改質器４０との間に送給パイプ４０ａが接続されており、燃料改質器４０から送給される燃料ガスを受給するようになっている。
また、燃料極１２の排出側には、燃焼器２０との間に水素含有ガス送給路（以下、「燃料ガス送給パイプ」という。）１２ａが接続されており、その燃料極１２から排出された排燃料ガスを燃焼器に送給するようにしている。
【００２０】
燃焼器２０は、上記した燃料ガス送給パイプ１２ａを通じて送給される排燃料ガスと、空気分流パイプ１３ｃを通じて送給される排空気の一部とを混流燃焼させて加熱用ガスを生成する機能を有するものである。
この燃焼器２０の排出側と下記の熱交換器３０の受入側との間には、燃焼器２０で生成した加熱用ガスを熱交換器３０に送給するための送給パイプ２０ａが配設されている。
【００２１】
熱交換器３０は、下記の燃料改質器４０との間において熱交換可能に隣接して配設され、送給パイプ２０ａを通じて燃焼器２０から送給される加熱用ガスを送給されるようになっている。
また、この熱交換器３０の排出側には、熱交換に用いられた後の加熱用ガスを系外に排出するための排出パイプ３０ａが配設されている。
【００２２】
燃料改質器４０は、燃料電池１０の燃料極１２に送給する原燃料を改質するためのものであり、これの受入側と燃料ポンプ２との間に、原燃料、空気や水を送給するための送給路である送給パイプ４０ｂが配設されている。
この燃料改質器４０には、燃料ガス以外に水や空気を導入し、かつ、改質反応は、部分改質反応による発熱量に比べて、水蒸気改質反応による吸熱量が多くなるように、全体の熱収支を吸熱側で運転させるようにしている。
【００２３】
上述した構成からなる燃料電池システムＡ１において、燃焼器２０に必要な空気量を送給する動作について説明する。
まず、燃料電池システムの運転方法は、上記した固体電解質型セル１４の燃料極１２と空気極１２とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池１０と、その燃料極１２に送給する原燃料を改質するための燃料改質器４０と、加熱用ガスを生成する燃焼器２０と、この燃焼器２０から送出される加熱用ガスを送給され、かつ、燃料改質器４０との熱交換可能に配設された熱交換器３０とを有する構成において、上記燃料電池１０の空気極１３から排出された一方の排ガスの一部を、燃料改質器４０が改質動作温度となるように上記燃焼器２０に向けて分流送給することを内容としたものである。
【００２４】
さらに詳細に説明すると、次のとおりである．
まず、電力使用状況等の要因から、燃料電池１０の出力が増加すると、これに対応して空気極１３から排出される空気量も増大する。
【００２５】
空気極１３から排出されて空気排出パイプ１３ｂを流通する排空気の一部は、空気分流パイプ１３ｃを通じて燃焼器２０に向けて送給される。
すなわち、燃料電池１０の空気極１３から排出された排空気の一部を上記燃焼器２０に向けて分流送給し、燃焼器２０において排燃料ガスと混流燃焼させて加熱用ガスを生成する。
そして、生成された加熱用ガスは、熱交換器３０に送給されて燃料改質器４０との間での熱交換に用いられ、その後、排出パイプ３０ａを通じて系外に排出される。
【００２６】
このとき、セルスタック１５が所定の温度に上昇したときに空気極１３を流通する空気量を勘案し、空気排出パイプ１３ｂと空気分流パイプ１３ｃとの流路断面を、燃焼器２０における燃料ガスと空気の比が所要の範囲となるように設定している。
これにより、熱交換器３０に送給する加熱用ガスを、燃料改質器４０の改質動作温度に必要な温度に昇温させることができるようになり、大きな出力変動があるときにも、燃料改質器における改質反応を良好に行うことができる。
【００２７】
以上の構成によれば、次の効果を得ることができる。
簡易な構造としながら、大きな出力変動があるときであっても、燃料改質器４０における改質反応を良好に行うことができる。
また、燃料改質器４０を昇温させるための新規な燃料を必要としないので、効率的な運転を行うことができる。
【００２８】
敷衍すると、例えば移動体用燃料電池システムのように、要求される負荷変動幅が大きい場合、すなわち燃料電池システムの出力範囲が大きい場合においては、燃料電池の発電による発生する熱量の変動も大きい。
このため、発電兼温度調節用空気の流量を増減させる範囲も大きく、燃料電池の排燃料ガスと排空気を燃焼させて得た加熱ガスを用い、燃料改質器に熱を供給する燃料電池システムにおいて、燃焼ガスが所望の温度に昇温せずに、改質反応に十分に熱を供給することが出来なくなることを防ぐことが可能となる。
また、燃焼器に新規に燃料ガスを投入することなく、所望の温度の加熱ガスを生成することができ、高効率な運転を実現できる。
【００２９】
次に、第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図２（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図２（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、同図（Ｂ）は、空気極から排出された空気量と、流量調整器を挟む上流，下流側における空気の圧力差との関係を示すグラフである。
なお、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２は、図２に示すように、空気分流パイプ１３ｃに流量調整器５０を配設した点において、上述した燃料電池システムＡ１と相違している。
【００３１】
本実施形態において示す流量調整器５０はオリフィスである。以下、本実施形態においては、流量調整器をオリフィスという。
オリフィス５０は、このオリフィス５０を挟む空気分流パイプ１３ｃの上流側と下流側の圧力差ΔＰ）が、（Ｂ）に示すように一定の値を超えることにより、燃焼器２０に向けて流通する排空気量を一定にする機能を有するものである。
これにより、簡易な構造としながら、大きな出力変動があるときであっても、燃料改質器４０における改質反応を良好に行うことができる。
【００３２】
次に、本発明の第三の実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３は、上述した燃料電池システムＡ１の構成において、次の点が相違している。
すなわち、空気排出パイプ１３ｂに代えて、空気極１３から排出された排酸素含有ガスを燃焼器２０に送給する酸素含有ガス送給路１３ｂ´を設けているとともに、燃料ガス送給パイプ１２ａの途中に排燃料ガスを経路外に分流排出するための燃料ガス分流排出路１２ｂを分岐形成している。
なお、以下、「酸素含有ガス送給路」を「空気送給パイプ」、また、「燃料ガス分流排出路」を「燃料ガス分流排出パイプ」という。
【００３４】
すなわち、上記した第一，第二の燃料電池システムＡ１，Ａ２が、排燃料ガスの流量に対して排空気の流量を増減調整しているのに対して、本実施形態においては、排空気の流量に対して排燃料ガスの流量を増減調整しているのである。
【００３５】
本実施形態においては、燃料ガス送給パイプ１２ａと燃料ガス分流排出パイプ１２ｂとの互いの流路断面を、セルスタック１５が所定の温度に上昇したときに、燃料極１２を流通する燃料ガスの流量を勘案して、燃焼器２０における燃料ガスと空気の比が所要の範囲内となるように設定している。
【００３６】
なお、流路断面を互いに異ならせることに限るものではなく、例えば燃料ガス送給パイプ１２ａと燃料ガス分流排出パイプ１２ｂとの流路長を適宜に設定するようにしてもよいことは、上記した燃料電池システムＡ１と同様である。
【００３７】
上記した本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３の動作について説明する。
まず、電力使用状況等の要因から、燃料電池システムＡ３の出力が低下すると、燃料極１２から排出される排燃料ガスも低下する。
【００３８】
この場合、燃料極１２から排出される排燃料ガスの一部は、燃料ガス分流排出パイプ１２ｂを通じて経路外に排出される。
このとき、燃料改質器４０が改質動作温度となるように、燃料電池１０の燃料極１２から排出された排燃料ガスの一部を外部に排出しているので、燃料電池システムＡ３の出力が低下したときにも、燃料ガスと空気との比が小さくなることを防いで、燃料改質器４０における改質反応を良好に行うことができる。
【００３９】
次に、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、同図（Ｂ）は、燃料極から排出された燃料ガス量と、流量調整器の上流側と下流側における圧力差との関係を示すグラフである。
なお、本実施形態においても、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４は、上述した燃料電池システムＡ３の構成において、燃料ガス分流排出パイプ１２ｂに流量調整器５５を配設している点が相違している。
【００４１】
本実施形態において示す流量調整器５５はオリフィスである。以下、本実施形態においては、流量調整器をオリフィスという。
オリフィス５５は、図４（Ｂ）に示すように、そのオリフィス４０を挟む燃料ガス分流排出パイプ１２ｂの上流側と下流側の圧力差ΔＰが一定の値を超えることにより、燃焼器２０に向けて流通する排燃料ガスの流量を一定にする機能を有するものである。
なお、本実施形態においては、燃料ガス送給パイプ１２ａと燃料ガス分流排出パイプ１２ｂとの流路断面を互いに異なる必要はない。
【００４２】
これにより、燃料電池システムＡ３の出力が低下したときにも、燃料ガスと空気との比が小さくなることを防いで、燃料改質器４０における改質反応を良好に行うことができる。
【００４３】
本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５〜７を参照して説明する。図５（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は、コントロールユニットの機能を示すブロック図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５は、上述した燃料電池システムＡ１の構成において、図５（Ｂ）に示す電圧計，電流計６０，６１、セルスタック１５の温度を測定するための温度センサ６３、燃料改質器４０の温度を測定するための温度センサ６４、及び流量調整器６５を配設した点が相違している。
【００４５】
上記温度センサ６３，６４は、例えば白金抵抗測定を行うことによるものである。
電流計６１は出力電流を測定するためのものであり、セルスタック１５の２つの出力端子（図示しない）のうちの一方に配設されている。
電圧計６０は出力電圧を測定するためのものであり、それらの出力端子間に配設している。
【００４６】
流量調整器６５は、空気排出パイプ１３ｂに配設した電磁弁であり、後述する機能を有するコントロールユニット（以下、「Ｃ／Ｕ」と略記する。）７０の出力ポート側に接続されて開閉駆動されるようになっている。
【００４７】
また、上記の電流計６１，電圧計６０及び温度センサ６３は、Ｃ／Ｕ７０の入力ポート側に接続されて、各取得した出力の測定値が入力されるようになっている。
本実施形態においては、上記の電流計６１と電圧計６０とが、燃料電池１０の出力を測定するための出力測定器である。
【００４８】
Ｃ／Ｕ７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等（いずれも図示しない）からなる中央制御部７１と、ハードディスク，半導体メモリ等からなるメモリ７２とを有するものである。
【００４９】
メモリ７２には、中央制御部７１に所要の機能を発揮させるためのプログラムの他、図７（Ａ）に示す燃焼ガスの温度と指標との対応関係を示すルックアップテーブル７２ａ等が記憶されている。
なお、図７において示す「Ｆ」は燃料過剰率、「Ａ」は空気過剰率、「Ｂ」は空気分配率である。
【００５０】
Ｃ／Ｕ７０、従ってまた、中央制御部７１は、メモリ７２に記憶されている本燃料電池システムＡ５に用いるプログラムの実行により以下の各機能を発揮する。
・燃料改質器４０における改質反応に伴う熱量の増減に基づいて、その燃料改質器４０を動作温度にするために必要な熱量を予測する機能。この機能を「熱量予測手段７１ａ」という。
例えば燃料ガスがガソリン相当のＣ８Ｈ１８の場合には、次のようにしている。
１０００［Ｋ］で改質反応させた場合を想定すると、水蒸気改質反応はＣ８Ｈ１８＋８Ｈ２Ｏ⇒１７Ｈ２＋８ＣＯとなり、この時、エンタルピーの変化１．３Ｅ３［ｋＪ／ｍｏｌ］分だけ吸熱する。
一方、部分改質反応はＣ８Ｈ１８＋１９／２Ｏ２⇒９Ｈ２Ｏ＋８ＣＯとなり、この時、エンタルピーの変化−２．９Ｅ３［ｋＪ／ｍｏｌ］分だけ発熱する。
これらの熱量変化を想定して、発電出力に対する、燃料過剰率とＳ／Ｃ．Ｏ２／Ｃより、改質に要求される熱量を計算する。
【００５１】
・予測した熱量に基づいて、排燃料ガスの流量と温度を算出する機能。この機能を「ガス流量・温度算出手段７１ｂ」という。
【００５２】
・算出した排燃料ガスの流量と温度とに基づいて、燃料改質器４０が改質動作温度となるように上記流量調整器６５を開閉する機能。この機能を「流量調整器開閉手段７１ｃ」という。
換言すると、算出した排空気の流量と温度となるように、流量調整器６５によって、空気分流パイプ１３ｃを流通する排空気の流量を増減調整している。
【００５３】
すなわち、運転条件に応じて、予め決められ空気量を燃焼器２０に送給するために、燃焼器２０外に流れる空気量を調節することによって、燃焼器２０に導入される空気量と燃料量の比が所望の範囲に収めるように制御している。
【００５４】
運転条件とは、燃料電池の要求出力と、動作条件であり、これら運転条件に応じて、燃焼器に導入する空気量を下記のように制御する。
動作条件としては、発電出力と、燃料電池１０の温度と燃料改質器４０の温度から、発電するのに必要な燃料過剰率Ｆと空気過剰率Ａと、燃料改質器４０に送給する燃料ガスのＣＯ２を除くガス中に含まれる総カーボン量に対する水蒸気量比Ｓ／Ｃと、同総カーボン量に対する酸素量比Ｏ２／Ｃを決めて、燃料改質器１０に空気量と水蒸気量を決定する。この条件で、改質要求熱量を予測し、燃焼ガスに必要な熱流と温度を計算する。
【００５５】
ここで、燃料過剰率、空気過剰率はそれぞれ以下のように定義する。燃料電池１０に導入する燃料過剰率は、発電時に発生する総電流量Ｉに対して、燃料中に含まれる各分子が電気化学反応し、その反応により発生する電荷移動量から、反応に最低限必要な燃料量を見積もることが可能で、この燃料量を基準に、何倍の燃料を導入するかを燃料過剰率Ｆにて定義する。
【００５６】
ここで、総電流量は、燃料電池１０から取り出した電流量ｉと、燃料電池１０のセルを直列に並べた枚数Ｎの積、Ｉ＝ｉ*Ｎで定義される量である。一方、空気も同様の方法で、空気過剰率Ａを定義することができる。
【００５７】
例えば、単組成ＣＨ４を燃料とする場合、燃料電池１０がＮ段直列のセルを搭載するセルスタックで、このセルスタックからの電流がｉ［Ａ：アンペア］だとすると、総電流量ｉ＊Ｎ［Ａ］、ＣＨ４＋２Ｏ２⇒ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏとなり、ＣＨ４当り、移動電荷量は８［Ｃ：クーロン］となるため、総電流量を発生させるのに最低限必要となるＣＨ４の導入量はｉ＊Ｎ／８Ｆａ［ｍｏｌ／ｓ］となる。（Ｆａはファラデー定数）
【００５８】
同様の議論で、空気（Ｎ２  ７９ｍｏｌ％，  Ｏ２  ２１ｍｏｌ％）の総電流量を発生させるのに最低限必要となる空気の導入量はｉ＊Ｎ／４Ｆａ＊１００／２１［ｍｏｌ／ｓ］となる。これら導入量を基準として、何倍のガスを導入したかで、燃料過剰率と空気過剰率を定義することができる。
【００５９】
・燃料改質器４０を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されているか否かを判定する機能。この機能を「熱量供給判定手段７１ｄ」という。
具体的には、燃料改質器４０の温度に基づいて、当該熱量が供給されているか否かを判定している。
【００６０】
・燃料改質器４０が改質動作温度となるように、燃焼器２０に送給する燃料電池の空気極から排出された一方の排ガスの流量を、流量調整器６５を介して増減調整する機能。この機能を「水素含有ガス流量調整手段７１ｅ」という。なお、図においては「燃料ガス流量調整手段」と記している。
具体的には、当該熱量が供給されていないと判定したときには、燃料改質器４０に送給する新規の原燃料の流量を増加させている。
【００６１】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ５の動作について、図６，７を参照して説明する。図６は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。また、図７（Ａ）は、燃焼ガスの温度と指標との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、負荷と燃焼器に送給されるガスの過剰率との関係を示すグラフ、（Ｃ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
【００６２】
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：燃料電池１０の要求出力、動作条件を検知して、ステップ２に進む。
具体的には、発電出力、動作温度、燃料過剰率Ｆ、空気過剰率Ａ、改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ等である。
【００６３】
「発電出力」は、電圧計６０又は電流計６１によって測定している。
「動作温度」は、セルスタック１５と燃料改質器４０の温度であり、温度計６３，６４により測定している。
【００６４】
動作温度は、スタック内部の温度、表面の温度、スタックオフガスの温度でもよい。
また、燃料改質器４０も、これの内部の温度、表面の温度若しくは改質オフガスの温度でもよい。
温度計としては、上記した白金抵抗の測定の他、固体の熱膨張による変位から測定する方法や表面からの輻射を検知して温度計測する方法も採用することができる。
なお、出力データテーブルと電流、動作温度、過剰率により発電出力を検知するようにしてもよい。
【００６５】
「燃料過剰率Ｆ」，「空気過剰率Ａ」については、燃料ポンプ１や空気ブロア２の動作条件と、上記発電出力とから算出している。
なお、燃料過剰率Ｆについては、流量計を用いて検知してもよい。
【００６６】
「改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ」については、燃料改質器４０に導入する燃料ガス中のカーボン量に対する水蒸気量（Ｓ／Ｃ）、同カーボン量に対する酸素量（Ｏ２／Ｃ）を、要求出力に対して予め設定した条件で決定する。
【００６７】
ステップ２：燃料改質器２０において必要な燃料を予測して、燃焼ガスの必要流量と温度を算出して、ステップ３に進む。
ステップ３：発電後の燃料過剰率（Ｆ−１）と、発電後の空気過剰率（Ａ−１）とに基づいて、燃焼器２０に送給される排空気を電磁弁６５を開閉駆動することにより空気分配率Ｂで調整し、Ｂ（Ａ−１）／（Ｆ−１）の値が所定の範囲になるように調整する。
「空気分配率Ｂ」は、空気排出パイプ１３ｂと空気分流パイプ１３ｃとの分岐部分における分配率のことである。
【００６８】
ステップ４：所要の燃焼ガスを生成してステップ５に進む。
ステップ５：燃料改質器４０で要求される熱量が供給されているか否かを判定し、当該熱量が供給されていると判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ６に進む。
【００６９】
ステップ６：Ｂ（Ａ−１）／（Ｆ−１）が下限値以上か否かを判定し、下限値以上であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ８に進む。
ステップ８においては、燃料改質器４０に送給する新規な空気流量を増加させることにより、Ｏ２／Ｃの値を大きくしてステップ１に戻る。
【００７０】
ステップ７：空気分配率Ｂが下限値以上か否かを判定し、空気分配率Ｂが下限値以上であると判定されればステップ９に進み、そうでなければステップ１０に進む。
ステップ９：空気分配率Ｂを小さくする。すなわち、排空気の温度を上昇させるようにして、ステップ４に戻る。
ステップ１０：発電用の燃料過剰率Ｆを上げる。すなわち、燃料ガスの送給量を増加させるようにして、ステップ２に戻る。
【００７１】
要約すると、次のとおりである。
発電後の燃料過剰率Ｆ１＝（Ｆ−１）と発電後の空気過剰率Ａ１＝（Ａ−１）から、燃焼器２０に導入される発電後空気を電磁弁６５により空気分配率Ｂで調節し、ＢｘＡ１／Ｆ１の値がある所望の範囲（たとえば、１．１＜Ｂ＊Ａ１／Ｆ１＜４）に収まるように、制御する。
（空気分配率Ｂ＝１：燃焼器に空気を全て分配）燃焼ガスを生成させて、熱交換器３０を通して燃料改質器４０に熱を供給する。
【００７２】
この時、燃料電池１０に新規に導入する燃料や空気の量には、揺らぎがあることが予想され、常に一定で流すことは困難である可能性が高いため、目標からのずれが発生する事を想定し、改質要求熱流を供給できているか否かを、燃料改質器４０の動作状況（温度又は熱交換器後の燃焼ガス温度）を検知する。
燃料改質器１０に熱を十分供給できていない場合には、燃焼器２０に導入される空気過剰率と燃料過剰率の比から、ＢｘＡ１／Ｆ１が下限値以上（たとえば、下限値１．１）であり、かつ、空気分配率Ｂが下限値以上（たとえば下限値０．１）であれば、空気分配率Ｂを小さくして、燃焼器２０へ流れる空気量を少なくし、空気分配率Ｂが下限値より小さい値であれば、発電用燃料を追加する。
【００７３】
すなわち、図７（Ｂ）に示すように空気過剰率を制御することにより、同図（Ｃ）に示すように、高い負荷であっても燃料改質器４０の温度を、当該動作温度以上に保持することができるのである。
【００７４】
上記した燃料電池システムＡ５によれば、上記した各燃料電池システムＡ１〜４で得られる効果に加え、定格運転から高負荷運転を行う上で、燃料電池の空気過剰率と燃料過剰率比が大きくかわるような場合においても、燃焼器に追加で新規燃料を入れることなく、空気分配率Ｂにより発電後の空気を燃焼器に流す量を増減させ、空気量と燃料量比を制御する事で、改質器に所望の熱を供給するように、燃焼ガスを生成することができる。
【００７５】
次に、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムについて、図８〜１０を参照して説明する。図８は、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、図９は、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャート、図１０（Ａ）は、燃焼器に導入する排ガスの過剰率と、負荷との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００７６】
本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムＡ６は、上述した燃料電池システムＡ５の構成において、燃料極１０から排出された排燃料ガスの一部を燃料改質器４０に分流返戻するための水素含有ガス返戻路（以下、「燃料ガス返戻パイプ」という。）１２ｃを配設したものである。
なお、本実施形態に示すＣ／Ｕ７０は、燃料電池システムＡ５において説明したものと同等の機能を有しているので、その説明を省略する。
【００７７】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ６の動作について、図９を参照して説明する。
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：燃料電池１０の要求出力、動作条件を検知して、ステップ２に進む。
具体的には、発電出力、動作温度、燃料過剰率Ｆ、空気過剰率Ａ、改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ、燃料循環率Ｒ等である。
【００７８】
ステップ２：燃料改質器４０において必要な燃料を予測して、燃焼ガスの必要流量と温度を算出して、ステップ３に進む。
ステップ３：発電後の燃料過剰率（Ｆ−１）と、発電後の空気過剰率（Ａ−１）とに基づいて、燃焼器２０に送給する排空気を、電磁弁６５を開閉駆動することにより空気分配率Ｂを調整し、Ｂ（Ａ−１）／（Ｆ−１）（１−Ｒ）の値が所定の範囲になるように調整する。
【００７９】
ステップ４：所要の燃焼ガスを生成してステップ５に進む。
ステップ５：燃料改質器４０で要求される熱量が供給されているか否かを判定し、当該熱量が供給されていると判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ６に進む。
【００８０】
ステップ６：Ｂ（Ａ−１）／（Ｆ−１）（１−Ｒ）が下限値以上か否かを判定し、下限値以上であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ８に進む。
ステップ８においては、Ｏ２／Ｃの値を大きくしてステップ１に戻る。
【００８１】
ステップ７：空気分配率Ｂが下限値以上か否かを判定し、空気分配率Ｂが下限値以上であると判定されればステップ９に進み、そうでなければステップ１０に進む。
ステップ９：空気分配率Ｂを小さくする。すなわち、排空気の温度を上昇させるようにして、ステップ４に戻る。
ステップ１０：発電用の燃料過剰率Ｆを上げる。すなわち、燃料ガスの送給量を増加させるようにして、ステップ２に戻る。
【００８２】
ステップ１１：燃料循環率が上限値以下であるか否かを判定し、上限値以下でない判定されればステップ８に進み、上限値以下であると判定されればステップ１２に進む。
ステップ１２：燃料循環率Ｒを大きくして燃料改質器４０に導入する新規の燃料ガスを減少させて、ステップ１に進む。
【００８３】
以上詳述した燃料電池システムＡ６によれば、図１０（Ａ）に示すように空気過剰率と燃料過剰率とを制御することにより、同図（Ｂ）に示すように、低い負荷であっても燃料改質器４０の温度を、当該動作温度以上に保持することができる。
【００８４】
次に、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムについて、図１１〜１３を参照して説明する。図１１は、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、図１２は、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。また、図１３（Ａ）は、燃焼器に導入する排ガスの過剰率と、負荷との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、燃料改質器の動作温度と負荷との関係を示すグラフである。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
また、本実施形態に示すＣ／Ｕ７０は、燃料電池システムＡ３において説明したものと同等の機能を有しているので、その説明を省略する。
【００８５】
本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムＡ７は、上述した燃料電池システムＡ３の分流排出パイプ１２ｂに配設した流量調整器５５に代えて、これとは異なる流量調整器８０を配設している点が相違している。
本実施形態に示す流量調整器８０は、分流排出パイプ１２ｂを流通する排燃料ガスの流量を増減調整するための電磁弁であり、Ｃ／Ｕ７０によって開閉駆動されるようになっている。
【００８６】
図１２を参照して、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：燃料電池１０の要求出力、動作条件を検知して、ステップ２に進む。
具体的には、発電出力、動作温度、燃料過剰率Ｆ、空気過剰率Ａ、改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ等である。
【００８７】
ステップ２：燃料改質器２０において必要な燃料を予測して、燃焼ガスの必要流量と温度を算出して、ステップ３に進む。
ステップ３：発電後の燃料過剰率（Ｆ−１）と、発電後の空気過剰率（Ａ−１）とに基づいて、燃焼器２０に送給される排空気を電磁弁６５を開閉駆動することにより燃料分配率Ｃで調整し、（Ａ−１）／Ｃ（Ｆ−１）の値が所定の範囲になるように調整する。
【００８８】
ステップ４：所要の燃焼ガスを生成してステップ５に進む。
ステップ５：燃料改質器４０で要求される熱量が供給されているか否かを判定し、当該熱量が供給されていると判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ６に進む。
【００８９】
ステップ６：（Ａ−１）／Ｃ（Ｆ−１）が下限値以上か否かを判定し、下限値以上であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ９においては、燃料改質器４０に送給する新規な空気流量を増加させることにより、Ｏ２／Ｃの値を大きくしてステップ１に戻る。
【００９０】
ステップ７：燃料分配率Ｃが下限値以上か否かを判定し、燃料分配率Ｃが下限値以上であると判定されればステップ８に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ８：燃料分配率Ｃを小さくする。すなわち、排空気の温度を上昇させるようにして、ステップ４に戻る。
ステップ９：発電用の燃料過剰率Ｆを上げる。すなわち、燃料ガスの送給量を増加させるようにして、ステップ２に戻る。
【００９１】
以上詳述した燃料電池システムによれば、図１３（Ａ）に示すように空気過剰率を制御することにより、同図（Ｂ）に示すように、高い負荷であっても燃料改質器４０の温度を、当該動作温度以上に保持することができるのである。
【００９２】
次に、本発明の第八の実施形態について、図１４を参照して説明する。図１４は、本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００９３】
本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムＡ８は、上述した燃料電池システムＡ６の構成から、流量調整器６５を省略した構成にするとともに、これに伴ってＣ／Ｕ７０の一部の機能を相違させたものである。
【００９４】
本実施形態に示す水素含有ガス流量調整手段（燃料ガス流量調整手段）は、当該熱量が供給されていないと判定したときには、燃料改質器が改質動作温度となるように、水素含有ガス分流排出路を流通する酸素含有ガスの流量を増減調整する機能を有している。
【００９５】
本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムの動作について、図１５を参照して説明する。図１５は、本発明の第八の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【００９６】
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：燃料電池１０の要求出力、動作条件を検知して、ステップ２に進む。
具体的には、発電出力、動作温度、燃料過剰率Ｆ、空気過剰率Ａ、改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ等である。
【００９７】
ステップ２：燃料改質器２０において必要な燃料を予測して、燃焼ガスの必要流量と温度を算出して、ステップ３に進む。
ステップ３：発電後の燃料過剰率（Ｆ−１）と、発電後の空気過剰率（Ａ−１）とに基づいて、燃焼器２０に送給される排空気と排燃料ガスとを、燃料循環率Ｒにより（Ａ−１）／（１−Ｒ）の値が所定の範囲になるように調整する。
【００９８】
ステップ４：所要の燃焼ガスを生成してステップ５に進む。
ステップ５：燃料改質器４０で要求される熱量が供給されているか否かを判定し、当該熱量が供給されていると判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ６に進む。
【００９９】
ステップ６：（Ａ−１）／（Ｆ−１）（１−Ｒ）が下限値以上か否かを判定し、下限値以下であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ９においては、燃料改質器４０に送給する新規な空気流量を増加させることにより、Ｏ２／Ｃの値を大きくしてステップ１に戻る。
【０１００】
ステップ７：燃料循環率Ｒが下限値以下か否かを判定し、燃料循環率Ｒが下限値以下であると判定されればステップ８に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ８：燃料循環率Ｒを大きくする。すなわち、新規な燃料ガスとして送給する燃料と水を減少させて、ステップ４に戻る。
【０１０１】
すなわち、燃料循環率Ｒが上限値以下であると判定したときには、燃料ガス流量調整手段７１ｅは、燃料ポンプ２によって燃料ガス返戻パイプ１２ｃを流通する排燃料ガスの流通量を増加させている。
【０１０２】
すなわち、燃料電池１０の要求出力と動作条件を検知し、燃料改質器４０に導入する燃料量を下記のように制御する。
動作条件として、発電出力と、燃料電池１０の温度と燃料改質器４０の温度から、発電するのに必要な燃料過剰率Ｆと空気過剰率Ａと、燃料改質器１０に導入されるＳ／Ｃ，Ｏ２／Ｃを決め、発電後に燃料中に含まれる水蒸気量を検知して、燃料循環率Rを決める（Ｒ＝１で全て循環）。
この条件で、改質要求熱量を予測し、燃焼ガスに必要な熱流と温度を計算する。
発電後の燃料過剰率Ｆ１と発電後の空気過剰率Ａ１とし、燃焼器２０に導入される発電後の排燃料ガスは燃料循環後の残りの燃料過剰率Ｆ１（１−Ｒ）である。
燃焼器２０に導入する空気量と燃料量の比は、Ａ１／Ｆ１（１−Ｒ）を指標として、この指標がある所望の範囲に収まるように制御する。
そして、燃焼ガスを生成させて、熱交換器３０を通して燃料改質器４０へ熱を供給する。
この時、燃料電池１０に新規に導入する燃料や空気の量には、揺らぎがあることが予想され、常に一定で流すことは困難である可能性が高いため、目標からのずれが発生することを想定し、改質要求熱流を供給できているか否かを、燃料改質器４０の動作状況（温度または、且熱交換器後の燃焼ガス温度）から検知する。
【０１０３】
燃料改質器４０に熱を十分供給できていない場合には、この指標Ａ１／Ｆ１（１−Ｒ）が下限値以上（たとえば下限値１．１）であり、かつ、燃料循環率Ｒが上限値以下（たとえば上限値０．９）であれば、燃料循環率Ｒを大きくして、燃焼器２０へ流れる燃料量を少なくし、燃料循環率Ｒが上限値より大きい値であれば、これ以上、この動作条件では燃焼により燃料改質器４０に熱を供給不可能とみなし、Ｏ２／Ｃを大きくする。
【０１０４】
本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムについて、図１６（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図１６（Ａ）は、本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、（Ｂ）は、コントロールユニットの機能を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０５】
本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムＡ９は、上記した燃料電池システムＡ８の構成において、燃焼器２０に新規の空気を送給するための酸素含有ガス送給器である空気ブロワ３を設けたことに加え、これに伴ってＣ／Ｕ７０の一部の機能を相違させたものである。
【０１０６】
・熱量供給判定手段７１ｄによって、燃料改質器４０を改質動作温度にするために必要な熱量が供給されていないと判定されたときには、空気ブロワ３によって、燃焼器に新規の酸素含有ガスを送給する機能。この機能を「新規酸素含有ガス送給手段７１ｆ」という。
なお、図においては、新規酸素含有ガス送給手段を「新規空気送給手段」と記している。
【０１０７】
「新規の空気」は、燃料電池１０に送給する新規の空気と同じ供給系統にしてもよく、また、その供給系統とは別の供給系統にしてもよい。
また、本実施形態においては、燃焼器２０に新規の空気を送給するための空気ブロワ３を設けた構成にして、これをコントロールユニット７０によって直接駆動制御しているが、これに限るものではなく、燃料電池１０に送給する新規の空気と同じ供給系統にして、その系統から燃焼器２０に向かう送給パイプの途中に例えば電磁バルブを設け、この電磁バルブを開閉駆動することにより送気流量を増減させるようにしてもよい。
この場合には、電磁バルブが酸素含有ガス送給器である。
【０１０８】
図１７を参照して、本発明の第九の実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。
ステップ１（図中、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：燃料電池１０の要求出力、動作条件を検知して、ステップ２に進む。
具体的には、発電出力、動作温度、燃料過剰率Ｆ、空気過剰率Ａ、改質器導入ガスＳ／Ｃ、Ｏ２／Ｃ等である。
【０１０９】
ステップ２：燃料改質器２０において必要な燃料を予測して、燃焼ガスの必要流量と温度を算出して、ステップ３に進む。
ステップ３：発電後の燃料過剰率（Ｆ−１）と、発電後の空気過剰率（Ａ−１）と、燃焼器２０に新規に送給する空気過剰率ａとを、（Ａ＋ａ−１）／（Ｆ−１）（１−Ｒ）の値が所定の範囲になるように調整する。
【０１１０】
ステップ４：所要の燃焼ガスを生成してステップ５に進む。
ステップ５：燃料改質器４０で要求される熱量が供給されているか否かを判定し、当該熱量が供給されていると判定されればステップ１に戻り、そうでなければステップ６に進む。
【０１１１】
ステップ６：（Ａ＋ａ−１）／（Ｆ−１）（１−Ｒ）が上限値以下か否かを判定し、上限値以下であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ９に進む。
ステップ９においては、燃料改質器４０に送給する新規な空気流量を増加させることにより、Ｏ２／Ｃの値を大きくしてステップ１に戻る。
【０１１２】
ステップ７：燃料循環率Ｒが上限値以下か否かを判定し、燃料循環率Ｒが上限値以下であると判定されればステップ８に進み、そうでなければステップ１０に進む。
ステップ８：燃料循環率Ｒを大きくする。すなわち、新規な燃料ガスとして送給する燃料と水を減少させて、ステップ４に戻る。
ステップ１０：燃焼器２０に新規空気を送給して空気過剰率ａを上げて、ステップ４に進む。
【０１１３】
以上の動作から明らかなように、図１８（Ａ）に示すように空気過剰率を制御することにより、同図（Ｂ）に示すように、高い負荷であっても燃料改質器４０の温度を、当該動作温度以上に保持することができるのである。
【０１１４】
次に、本発明の第十の実施形態について、図１９を参照して説明する。図１９は、本発明の第十の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１５】
本発明の第十の実施形態に係る燃料電池システムＡ１０は、上述した燃料電池システムＡ６の構成において、燃焼器２０に新規の空気を送給するためのブロワ３を設けた構成のものである。
本実施形態におけるコントロールユニット７０は、燃料電池システムＡ６，Ａ９において説明した機能を併有するものである。
【０１１６】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
【０１１７】
・上述した各実施形態においては、単一のコントローラユニットにより既述した各機能を実現した例について説明したが、複数のコントローラユニットにより、従ってまた、本燃料電池システムを統制する複数のコンピュータにより分散処理するようにしてもよい。  
【符号の説明】
【０１１８】
３          新規空気送給器
１０        燃料電池
１２        アノード
１２ｂ      水素含有ガス分流排出路
１２ｃ      水素含有ガス返戻路
１３        カソード
１３ｂ      酸素含有ガス排出路
１３ｂ´    酸素含有ガス送給路
１３ｃ      酸素含有ガス分流送給路
１４        固体電解質型セル
４０        燃料改質器
２０        燃焼器
３０        熱交換器
５０        流量調整器
５５        流量調整器
６５        流量調整器
７１ａ      熱量予測手段
７１ｂ      ガス流量・温度算出手段
７１ｃ      流量調整器開閉手段
７１ｄ      熱量供給判定手段
７１ｅ      燃料ガス流量調整手段
７１ｆ      新規酸素含有ガス送給手段
８０        流量調整器
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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