(57)【要約】  燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、燃料電池に供給される燃料を燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部と、燃料電池に供給される空気を燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部と、燃焼排ガスを燃料加熱部に分流するアノード側分流通路と、燃焼排ガスを空気加熱部に分流するカソード側分流通路と、カソード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量に対する、アノード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量の比である排気分流比を調節する排気分流比調節部と、を有し、排気分流比調節部は、燃料電池に供給される空気の流量としての供給空気流量の増大に応じて排気分流比を減少させるように構成される燃料電池システム。
2020054003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
前記燃料電池に供給される燃料を前記燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部と、
前記燃料電池に供給される空気を前記燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部と、
前記燃焼排ガスを前記燃料加熱部に分流するアノード側分流通路と、
前記燃焼排ガスを前記空気加熱部に分流するカソード側分流通路と、
前記カソード側分流通路に流れる前記燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量に対する、前記アノード側分流通路に流れる前記燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量の比である排気分流比を調節する排気分流比調節部と、を有し、
前記排気分流比調節部は、前記燃料電池に供給される空気の流量としての供給空気流量の増大に応じて前記排気分流比を減少させるように構成される、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記排気分流比調節部は、前記アノード側分流通路及び前記カソード側分流通路に設けられた排気分流比調節構造を含み、
前記排気分流比調節構造は、前記供給空気流量の増大に応じた前記アノード側分流通路における圧損の増加率が、前記供給空気流量の増大に応じた前記カソード側分流通路における圧損の増加率よりも大きくなるように構成された、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記排気分流比調節構造は、前記アノード側分流通路に設けられて前記燃焼排ガスの流路断面積を減少させる流路断面積減少部を有する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記排気分流比調節構造は、前記カソード側分流通路に設けられて前記燃焼排ガスの流路表面積を増大させる流路表面積増大部を有する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記排気分流比調節部は、前記アノード側分流通路及び前記カソード側分流通路の少なくとも一方における前記燃焼排ガスの流量を調節する流量調節装置と、前記流量調節装置を操作する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記供給空気流量が大きくなるほど、前記排気分流比が小さくなるように前記流量調節装置を操作する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記供給空気流量に基づいて前記アノード側燃焼排ガス流量を推定し、
推定した前記アノード側燃焼排ガス流量が、前記燃料加熱部における燃料の受け入れ可能な熱量に基づいて定まる上限流量以下となるように前記流量調節装置を操作する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記供給空気流量に基づいて前記アノード側燃焼排ガス流量を推定し、
推定した前記アノード側燃焼排ガス流量が、発電電力に応じた前記燃料加熱部の目標温度に基づいて定まる下限流量以上となるように前記流量調節装置を操作する、
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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２００８−２７７２８０Ａには、スタック下流にある燃焼室で生成される高温排ガスを空気予熱部（カソード排気側）と改質器（アノード排気側）へ並行に流し、これら空気予熱部及び改質器を通過した排ガスを外部に放出する、いわゆるパラレル排気システムを搭載した燃料電池システムが提案されている。【０００３】
この燃料電池システムでは、高温排ガスの熱の有効利用のために、運転モードに寄らずアノード排気側のバルブを開放して改質器に高温排ガスを流して加熱する。また、システム起動時に選択される起動モードでは、カソード排気側に設けられたバルブを開放してカソード排気側の空気予熱部にも高温排ガスを流す。すなわち、起動モードでは、カソード排気側とアノード排気側に高温排ガスが分配される。
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池システムでは、起動モードにおいて燃焼室で生成される高温排ガスの流量が定常モード時と比べて増加することに起因して、アノード排気側に分配される高温排ガスの流量も増大する。
【０００５】
その結果、アノード排気側に流す高温排ガスが保有する熱量が改質器における熱交換で回収可能な熱量を超え、システム外部に排出されるエネルギー（排気エネルギー）が増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明のある態様によれば、燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器と、燃料電池に供給される燃料を燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部と、燃料電池に供給される空気を燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部と、燃焼排ガスを燃料加熱部に分流するアノード側分流通路と、燃焼排ガスを空気加熱部に分流するカソード側分流通路と、カソード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量に対する、アノード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量の比である排気分流比を調節する排気分流比調節部と、を有する燃料電池システムが提供される。そして、排気分流比調節部は、燃料電池に供給される空気の流量としての供給空気流量の増大に応じて排気分流比を減少させるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、前提となる燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】図２は、参考例による定常運転時の排気分流比と排気エネルギーの関係を説明する図である。
【図３】図３は、参考例による定常運転時の排気分流比に基づいて暖機運転を行った場合の排気エネルギーについて説明する図である。
【図４】図４は、参考例による燃焼排ガス通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。
【図５】図５は、各実施形態に共通する技術的思想を説明する図である。
【図６】図６は、第１実施形態による排気分流比調節構造を説明する図である。
【図７】図７は、第１実施形態の構成による燃焼排ガス通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。
【図８】図８は、第２実施形態による排気分流比調節構造を説明する図である。
【図９】図９は、第２実施形態にかかる排気分流比調節構造を設けた場合におけるカソード側分流通路における空気流量‐圧損特性を説明する図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図１１】図１１は、流量制御バルブの基本的な開度調節態様を説明するグラフである。
【図１２】図１２は、流量制御バルブの他の開度調節態様を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明に係る第１〜第３実施形態について説明する。先ず、各実施形態に共通する燃料電池システムＳの前提構成について説明する。
【００１０】
（燃料電池システムＳの前提構成）
図１は、前提となる燃料電池システムＳの構成を説明する図である。燃料電池システムＳは、定置型又は移動体に搭載される発電システムとして用いられる。特に、燃料電池システムＳは、車両等の移動体に搭載することができる。
【００１１】
図示のように、燃料電池システムＳは、燃料電池としての燃料電池スタック１０と、燃料タンク１２と、蒸発器１４と、改質器１６と、空気ブロア１７と、空気熱交換器１８と、燃焼器１９と、を備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）である。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、主燃料供給通路２０を介して燃料（例えば水素ガス）の供給を受ける。また、空気供給通路２２を介して空気の供給を受ける。
【００１４】
さらに、燃料電池スタック１０には、発電反応後のアノード極側のオフガス及びカソード極側のオフガスをそれぞれ流すためのアノードオフガス通路２４及びカソードオフガス通路２６が設けられている。
【００１５】
燃料タンク１２は、改質前の原燃料として、含酸素燃料（例えば、エタノール）と水との混合物から成る液体燃料を貯蔵する。燃料タンク１２に貯蔵されている原燃料は、主燃料供給通路２０及びサブ燃料供給通路２７に分流され、それぞれの通路に接続された蒸発器１４及び燃焼器１９に分流される。
【００１６】
蒸発器１４は、燃料タンク１２から供給される原燃料を加熱して気化する。なお、原燃料を気体として貯留するシステムの場合には、蒸発器１４を省略しても良い。
【００１７】
改質器１６は、改質前燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、改質器１６は、図示しない改質用触媒によって上記改質前燃料ガスを水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。
【００１８】
また、改質器１６は、後述する燃焼器１９からの燃焼排ガスと燃料との熱交換を行うための熱交換器を内部に有している。
【００１９】
そして、蒸発器１４及び改質器１６は、主燃料供給通路２０に配置される。主燃料供給通路２０は、燃料タンク１２内から燃料電池スタック１０のアノード極の入口に接続する通路であり、当該燃料タンク１２から順に第１インジェクタ２８、蒸発器１４、及び改質器１６が配置されている。
【００２０】
第１インジェクタ２８は、蒸発器１４に供給（噴射）する燃料の流量を調節するように開度調節可能に構成されている。したがって、燃料タンク１２に貯蔵されている原燃料は、第１インジェクタ２８により所望の流量（以下、「主供給燃料流量」とも記載する）で主燃料供給通路２０の蒸発器１４に噴射され、蒸発器１４による気化及び改質器１６による改質を介して燃料電池スタック１０に供給される。
【００２１】
なお、第１インジェクタ２８の開度（主供給燃料流量）は、燃料電池スタック１０の要求発電電力、燃料システムＳの運転状態（定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など）、目標燃焼器温度Ｔｃ_ｔ（燃焼排ガス通路４０における燃焼器１９の付近のガス温度）、及び後述する供給空気流量Ｑａなどに応じて適宜操作される。
【００２２】
一方、空気ブロア１７は、外部から燃料電池システムＳの内部の空気供給通路２２に空気を取り込む装置である。空気ブロア１７の出力を操作することで、空気供給通路２２に取り込まれる空気の流量（以下、「供給空気流量Ｑａ」とも記載する）を適宜調節することができる。
【００２３】
特に、空気ブロア１７の出力は、燃料電池スタック１０の発電電力、及び燃料システムＳの運転状態（定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など）などに応じて定まる供給空気流量Ｑａの目標値を満たすように操作される。
【００２４】
空気熱交換器１８は、空気ブロア１７により供給される空気と後述する燃焼排ガスを熱交換する装置である。空気熱交換器１８は、空気ブロア１７から燃料電池スタック１０のカソード極の入口に接続する空気供給通路２２に配置される。なお、空気と燃焼排ガスの熱交換量を調節する観点から、空気供給通路２２に空気熱交換器１８をバイパスさせるバイパス通路及びバイパス弁を設けても良い。
【００２５】
燃焼器１９は、燃料タンク１２からの原燃料の供給、及び燃料電池スタック１０からのオフガスの供給を受け、これらを混合させた混合物を触媒燃焼させて燃焼排ガスを生成する。
【００２６】
燃焼器１９は、燃料電池スタック１０のアノード極の出口に接続されるアノードオフガス通路２４及びカソード極の出口に接続されるカソードオフガス通路２６に接続される。また、燃焼器１９には、サブ燃料供給通路２７が接続されている。すなわち、燃焼器１９は、アノードオフガス通路２４及びカソードオフガス通路２６を介して燃料電池スタック１０からのオフガスの供給を受ける。
【００２７】
燃焼器１９には、主燃料供給通路２０から分岐したサブ燃料供給通路２７が接続されている。サブ燃料供給通路２７には、第２インジェクタ３０が設けられている。
【００２８】
第２インジェクタ３０は、燃焼器１９に供給（噴射）する燃料の流量を調節する。したがって、燃料タンク１２に貯蔵されている原燃料は、第２インジェクタ３０により所望の流量（以下、「サブ供給燃料流量」とも記載する）で燃焼器１９に噴射される。
【００２９】
特に、第２インジェクタ３０の開度（サブ供給燃料流量）は、供給空気流量Ｑａ及び目標燃焼器温度Ｔｃ_ｔなどに応じて適宜調節される。
【００３０】
さらに、燃焼器１９の下流には、生成した燃焼排ガスを流す燃焼排ガス通路４０が接続される。そして、燃焼排ガス通路４０は、燃焼排ガスの一部を改質器１６に分流させるアノード側分流通路４０ａと、燃焼排ガスの一部を空気熱交換器１８に分流させるカソード側分流通路４０ｂと、を有している。
【００３１】
アノード側分流通路４０ａは、改質器１６及び蒸発器１４を経て外気に連通する。カソード側分流通路４０ｂは、空気熱交換器１８を経てアノード側分流通路４０ａと合流して外気に連通する。すなわち、本実施形態の燃料電池システムＳには、アノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂからなるパラレル排気システムが構成されている。
【００３２】
なお、以下では、アノード側分流通路４０ａにおける燃焼排ガスの流量を「アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ」と称する。また、カソード側分流通路４０ｂにおける燃焼排ガスの流量を「カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ」と称する。
【００３３】
次に、上述した燃料電池システムＳの構成に適用される後述する各実施形態の構成に共通する技術的思想について説明する。
【００３４】
図２は、燃料電池システムＳの定常運転時において設定される排気分流比γと排気エネルギーの関係を説明する図である。なお、図中において示した熱エネルギー又は流量を表す数字は、各実施形態に係る技術的思想の理解を容易にする観点から挙げられる具体例であり、各実施形態の構成を限定するものではない。
【００３５】
また、図２においては、説明の簡略化のため、図１に示した燃料電池システムＳの構成の要部を模式的に示している。特に、以下では、アノード側分流通路４０ａにおいて燃焼排ガスの熱で燃料を加熱する要素である改質器１６及び蒸発器１４等を総称して「燃料加熱部Ｈｆｕ」と称する。また、カソード側分流通路４０ｂにおいて燃焼排ガスの熱で空気を加熱する要素である空気熱交換器１８等を総称して「空気加熱部Ｈａｉ」と称する。
【００３６】
ここで、燃料電池システムＳの定常運転（又は定格運転）とは、燃料電池スタック１０が略定常的な発電電力に基づいて最適な発電効率となる運転点（以下、単に「最適運転点」とも称する）で動作している運転状態を意味する。
【００３７】
すなわち、燃料電池システムＳの定常運転は、燃料電池システムＳの起動時又は停止時などにおける発電電力が一定以上の変化率で変化する過渡的な運転状態（非定常運転）ではない運転状態である。
【００３８】
そして、定常運転時には、上記最適運転点に基づいた供給空気流量Ｑａ及び燃料流量（主供給燃料流量及びサブ供給燃料流量）を満たしつつ、熱効率を高くする（排熱を少なくする）ように熱バランスを成立させる観点から、燃焼器温度Ｔｃ、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ、及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが設定される。すなわち、これまでの燃料電池システムＳにおいては、定常運転時の好適な熱効率を想定して、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎとカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが好適な配分となるように燃焼排ガス通路４０などの燃料電池システムＳの構成に対する設計を行っている。
【００３９】
特に、定常運転時の好適な熱効率を実現する観点から、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａに対するアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの比として定義される排気分流比γ（≒Ｆａｎ／Ｆｃａ）が、所望の値となるように燃料電池システムＳが構成されている。
【００４０】
具体的に、図２に示す例では、定常運転時に設定される排気分流比γ_ｒが３／７（図２において下線を付けた太字の数字を参照）となるように各構成が設計されている。これにより、定常運転においては、外部に放出される排気エネルギーを低減して高効率に燃料電池システムＳを作動させることができる。
【００４１】
特に、図２に示す例では、アノード側分流通路４０ａを介して外部に放出される燃焼排ガスが保有するエネルギー（以下、「アノード側排気エネルギー」とも称する）が０．０２ｋＷ、カソード側分流通路４０ｂを介して外部に放出される燃焼排ガスが保有するエネルギー（以下、「カソード側排気エネルギー」とも称する）が１．６３ｋＷ程度となっている。
【００４２】
一方で、本発明者らは、上述の定常運転時を想定して設計上設定された排気分流比γが、起動時の暖機運転等の非定常運転時において、必ずしも高い熱効率による燃料電池システムＳの作動をもたらすものではない点に着目した。この点について詳細に説明する。
【００４３】
図３は、定常運転時を想定して設定された排気分流比γ_ｒに基づいて暖機運転を行った場合の排気エネルギーについて説明する図である。
【００４４】
ここで、暖機運転とは、燃料電池システムＳの起動時などの低温状態において、当該燃料電池システムＳ内の燃料電池スタック１０等の要素を所望の温度まで加熱（暖機）する運転モードである。すなわち、暖機運転時には、暖機を速やかに進行させる観点から、定常運転時と比較してより大きくの熱量が要求される。
【００４５】
このため、燃焼器１９においてより多くの燃焼熱を生成する観点から、供給空気流量Ｑａ及び供給燃料流量（特にサブ供給燃料流量）が増大する。したがって、燃焼器１９で生成される全燃焼排ガスの流量（以下、「全燃焼排ガス流量Ｆｔｏ」とも称する）が増加する。
【００４６】
結果として、暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｗは、それぞれ、上記排気分流比γ_ｒに応じて定常運転時のアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｒ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｒよりも増大する。この状況にかかる燃料電池システムＳの燃焼排ガスの排気系の空気流量‐圧損特性を参考例としてより詳細に説明する。
【００４７】
（参考例）
図４は、参考例の燃料電池システムＳにおける燃焼排ガス通路４０における空気流量‐圧損特性について説明する図である。本参考例の燃料電池システムＳでは、上記図２及び図３で示した例のように、暖機運転時においても定常運転時と同じ値の排気分流比γが設定される。
【００４８】
図４では、横軸を供給空気流量Ｑａ、縦軸を燃焼排ガス通路４０における圧損Ｐｌ（燃焼排ガスの流量に比例）としたグラフと示している。
【００４９】
なお、図４で示される空気流量‐圧損特性は、燃料電池システムＳのアノード側分流通路４０ａ、カソード側分流通路４０ｂ、燃料加熱部Ｈｆｕ、並びに空気加熱部Ｈａｉ等の構造により定まる。
【００５０】
特に、アノード側特性線Ｇ１は、アノード側分流通路４０ａにおける空気流量‐圧損特性を表す。また、カソード側特性線Ｇ２は、カソード側分流通路４０ｂにおける空気流量‐圧損特性を表す。
【００５１】
定常運転時に設定される圧損Ｐｌ_ｒを破線により「定常時圧損線Ａ１」として示している。なお、この圧損Ｐｌ_ｒは、定常運転時における燃焼排ガス通路４０の合成圧損である。また、暖機運転時に設定される圧損Ｐｌ_ｗを破線により「暖機時圧損線Ａ２」として示している。なお、この圧損Ｐｌ_ｗは、暖機運転時における燃焼排ガス通路４０の合成圧損である。
【００５２】
ここで、本参考例の燃料電池システムＳでは、定常運転時において、アノード側分流通路４０ａにおける圧損であるアノード側圧損Ｐｌ_ａｎ_ｒと、カソード側分流通路４０ｂにおける圧損であるカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｒと、が相互に等しく且つ供給空気流量Ｑａの変化に対して一定となるように構成される。すなわち、アノード側圧損Ｐｌ_ａｎ_ｒ及びカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｒは、ともに圧損Ｐｌ_ｒに設定される。
【００５３】
また、定常運転時に設定される排気分流比γ_ｒに基づいて、これらアノード側圧損Ｐｌ_ａｎ_ｒ及びカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｒからアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｒ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｒが定まる。ここで、定常運転時の排気分流比γ_ｒは、Ｆａｎ_ｒ／Ｆｃａ_ｒとして定まる値である。
【００５４】
なお、対応する図４のマップにおいてアノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂの動作点は、それぞれ定常時圧損線Ａ１上の点Ｗａｎ_ｒ及び点Ｗｃａ_ｒである。
【００５５】
一方、暖機運転時には、増量した供給空気流量Ｑａに応じて、上記アノード側圧損Ｐｌ_ａｎ_ｗ及びカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｗがともに圧損Ｐｌ_ｒよりも大きい圧損Ｐｌ_ｗとなる。
【００５６】
なお、対応する図４のマップ上においてアノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂの動作点は、それぞれ暖機時圧損線Ａ２上における点Ｗａｎ_ｗ及び点Ｗｃａ_ｗである。
【００５７】
ここで、図４から明らかなように、アノード側特性線Ｇ１及びカソード側特性線Ｇ２は共に直線状に表されている。すなわち、アノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂにおけるそれぞれの空気流量‐圧損特性はともにほぼ一次の特性を示している。この理由は、燃料加熱部Ｈｆｕにおける改質器１６内の熱交換器の流路構造、及び空気加熱部Ｈａｉにおける空気熱交換器１８の流路構造は通常の配管と比較的して高い表面積が確保されていることにある。したがって、定常運転時の排気分流比γ_ｒであるＦａｎ_ｗ／Ｆｃａ_ｗと、暖機運転時の排気分流比γ_ｗであるＦａｎ_ｒ／Ｆｃａ_ｒと、は相互にほぼ等しい値となる。
【００５８】
したがって、本参考例による燃料電池システムＳでは、運転状態が変化して供給空気流量Ｑａが変わっても排気分流比γが一定に維持されることとなる。その結果、上述したように、暖機運転時等の供給空気流量Ｑａが定常運転時よりも増大するシーンにおいて、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｒ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが大きくなる。
【００５９】
しかしながら、アノード側分流通路４０ａの燃料加熱部Ｈｆｕにおいて燃料が熱交換により燃焼排ガスから受け取ることのできる熱量は、カソード側分流通路４０ｂの空気加熱部Ｈａｉにおいて空気が熱交換により燃焼排ガスから受け取ることのできる熱量に比べて小さい。このため、定常運転時よりも増大した暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗが、燃料加熱部Ｈｆｕにおいて燃料と熱交換可能な熱量に相当する流量を超える。したがって、排気エネルギーが大きくなり、暖機効率が低下する。
【００６０】
具体的に、図３に示す例では、定常運転時と同じ排気分流比γ_ｒ＝３／７の下、アノード側排気エネルギーが４．０ｋＷ、及びカソード側排気エネルギーが３．６ｋＷとなっている。したがって、図２に示した定常運転時と図３に示した暖機運転時の間において、カソード側排気エネルギーの増加量（１．９７ｋＷ）に比べ、アノード側排気エネルギーの増加量（３．９８ｋＷ）が大きくなっている。
【００６１】
すなわち、暖機運転のように、定常運転時と比較してより高い供給空気流量Ｑａが設定される非定常運転時においては、上述したアノード側排気エネルギーの増大にともない、燃料電池システムＳのエネルギー効率の低下が懸念される。
【００６２】
特に、上記アノード側排気エネルギーの増大は、燃料電池システムＳが発電所等における定置型システムとして用いられる場合に比べ、車両等の移動体に搭載される非定置型システムとして用いられる場合においてより顕在化する。その理由は、定置型システムの場合には停止・起動を含む非定常運転を実行する頻度が少なくほぼ定常運転で作動させる傾向にある一方で、車両等の移動体に搭載される非定置型のシステムの場合にはより高い頻度で停止・起動が行われるところ非定常運転を実行する頻度が高いことが想定されるからである。
【００６３】
そこで、本発明者は、定常運転及び非定常運転を含む運転状態に相関して定まる供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γを減少させる排気分流比調節部を採用することで、非定常運転時における排気エネルギーを抑制するという技術的思想に至った。
【００６４】
図５は、各実施形態に共通する技術的思想を説明する図である。
【００６５】
図５で示す例では、暖機運転時における排気分流比γ_ｗが１．５／８．５に設定されている。すなわち、図５の例では、図３の例と異なり、暖機運転時における排気分流比γ_ｗが図２で説明した定常運転時における排気分流比γ_ｒ＝３／７と異なる値に設定されている。これにより、アノード側排気エネルギーが０．７ｋＷ、及びカソード側排気エネルギーが４．５ｋＷとなっている。
【００６６】
より詳細に、図５に示す例では、図３の例に対して、カソード側排気エネルギーが０．９ｋＷ分増加しているものの、アノード側排気エネルギーが３．３ｋＷ分減少している。したがって、図５に示す例では図３の例と比べ、合計の排気エネルギーが２．４ｋＷ分削減されている。
【００６７】
以下では、排気分流比調節部の具体的な態様を第１〜３実施形態として説明する。
【００６８】
（第１実施形態）
本実施形態の燃料電池システムＳでは、上記排気分流比調節部として、供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γを減少させる作用を実現する排気分流比調節構造が、燃焼排ガス通路４０（特にアノード側分流通路４０ａ）に設けられる例について説明する。
【００６９】
図６は、本実施形態における排気分流比調節構造を説明する図である。本実施形態の排気分流比調節構造は、アノード側分流通路４０ａに設けられる流路断面積減少部としての絞り形状部６０として構成される。
【００７０】
絞り形状部６０は、アノード側分流通路４０ａの基本流路径Ｄ１に対して、相対的に狭いオリフィス径Ｄ２に形成されている。特に、絞り形状部６０は、図４のアノード側特性線Ｇ１で示されるアノード側分流通路４０ａの空気流量‐圧損特性を二次特性とするように、アノード側分流通路４０ａ上における設置位置Ｐ１、基本流路径Ｄ１、及びオリフィス径Ｄ２が定められる。
【００７１】
なお、設置位置Ｐ１は、アノード側分流通路４０ａ上における任意の流路領域、燃料加熱部Ｈｆｕに含まれる流路（改質器１６内の熱交換器等）などの燃料電池システムＳの仕様に応じた好適な位置に設定される。また、アノード側分流通路４０ａ上に複数の絞り形状部６０を設けても良い。
【００７２】
図７は、本実施形態による絞り形状部６０を設けた場合のアノード側分流通路４０ａにおける空気流量‐圧損特性を説明する図である。特に、図７のアノード側特性線Ｇ３が、本実施形態の構成によるアノード側分流通路４０ａにおける特性を表す。なお、図７においては、参考のため、図４で説明したアノード側特性線Ｇ１を一点鎖線で表す。
【００７３】
図示のように、本実施形態では、アノード側分流通路４０ａに設けた絞り形状部６０により、アノード側特性線Ｇ３が供給空気流量Ｑａの変化に対して非線形に変化する特性、特に二次的に変化する特性を示している。
【００７４】
したがって、本実施形態のアノード側特性線Ｇ３では、図４で説明したアノード側特性線Ｇ１と比較して、供給空気流量Ｑａの増加に対して圧損Ｐｌの増加率が大きくなる。特に、本実施形態では、供給空気流量Ｑａの増加に対してアノード側圧損Ｐｌ_ａｎが二次的に増加する。これによって、供給空気流量Ｑａが増加する暖機運転時における暖機時圧損線Ａ２（図７では一点鎖線で示す）は、燃焼排ガス通路４０の全燃焼排ガス流量Ｆｔｏが維持されるように移動する（図７において「暖機時圧損線Ａ２’」として表す）。
【００７５】
より具体的には、本実施形態の空気流量‐圧損特性に応じた暖機運転時におけるアノード側分流通路４０ａの燃焼排ガス流量を「アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ’」、及びカソード側分流通路４０ｂの燃焼排ガス流量を「カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｗ’」と表す場合、これらの合計が図４の空気流量‐圧損特性に基づくアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｗの合計と等しくなるように暖機時圧損線Ａ２’（圧損Ｐｌ_ｗ’）が定まる。
【００７６】
ここで、アノード側特性線Ｇ３と暖機時圧損線Ａ２’の交点である点Ｗａｎ_ｗ’に対応する暖機運転時のアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ’は、当該アノード側特性線Ｇ３が二次の空気流量‐圧損特性を示すため、一次の空気流量‐圧損特性に基づいた値（アノード側特性線Ｇ１と暖機時圧損線Ａ２’の交点に基づく燃焼排ガス流量）と比較して小さくなる。言い換えれば、本実施形態の構成によれば、供給空気流量Ｑａの変化に対するアノード側圧損Ｐｌ_ａｎの変化が図４に示す参考例のアノード側特性線Ｇ１よりも高感度となる。
【００７７】
一方、カソード側特性線Ｇ２は図４に対して変化が無いため、カソード側特性線Ｇ２と暖機時圧損線Ａ２’の交点である点Ｗｃａ_ｗ’に対応する暖機運転時のカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｗ’は、圧損Ｐｌ_ｗから圧損Ｐｌ_ｗ’への変化に対して一次の増加量となる。
【００７８】
したがって、本実施形態の構成であれば、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ_ｗ’に対するアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ’である排気分流比γは、図４の参考例における値（＝Ｆａｎ_ｗ／Ｆｃａ_ｗ）よりも減少することとなる。すなわち、供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γが減少する構成が実現される。
【００７９】
また、本実施形態のアノード側特性線Ｇ３では、定常運転時の供給空気流量Ｑａに基づいて定まるアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｒは、アノード側特性線Ｇ１に基づくアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｒと略等しくなっている（アノード側特性線Ｇ１,Ｇ３と定常時圧損線Ａ１のそれぞれの交点を参照）。
【００８０】
その上で、暖機運転時の供給空気流量Ｑａに基づくアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ_ｗ’は、図４の場合と比較して小さくなる。
【００８１】
これは、絞り形状部６０を設けたことによって、アノード側特性線Ｇ１が、実質的に供給空気流量Ｑａに対する下凸で二次の増加関数となっていることに起因する。このため、定常運転時においては第１実施形態と略同じ値の好適な排気分流比γ_ｒを実現しつつも、供給空気流量Ｑａが増大する暖機運転時においては、第１実施形態の場合に比べてより小さい排気分流比γ_ｗを実現することができる。
【００８２】
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
【００８３】
本実施形態の燃料電池システムＳは、燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池としての燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０から排出されるオフガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器１９と、燃料電池スタック１０に供給される燃料を燃焼排ガスにより加熱する燃料加熱部Ｈｆｕ（改質器１６等）と、燃料電池スタック１０に供給される空気を燃焼排ガスにより加熱する空気加熱部Ｈａｉ（空気熱交換器１８等）と、燃焼排ガスを燃料加熱部Ｈｆｕに分流するアノード側分流通路４０ａと、燃焼排ガスを空気加熱部Ｈａｉに分流するカソード側分流通路４０ｂと、カソード側分流通路４０ｂに流れる燃焼排ガスの流量としてのカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａに対する、アノード側分流通路に流れる燃焼排ガスの流量としてのアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの比である排気分流比γを調節する排気分流比調節部と、を有する。
【００８４】
そして、排気分流比調節部は、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量としての供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γを減少させるように構成される。
【００８５】
これにより、燃料電池システムＳの運転状態に応じて高い供給空気流量Ｑａが設定されることによって全燃焼排ガス流量Ｆｔｏが増大したとしても、当該増大に対するアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増加量を抑制することができる。したがって、燃料加熱部Ｈｆｕにおいて燃料の熱容量を超えた熱量に相当する流量の燃焼排ガスが供給されることを抑制して排気エネルギーを低減することができる。すなわち、運転状態の変化に起因してアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増大をもたらし得る供給空気流量Ｑａの変化が生じても、燃料電池システムＳの作動におけるエネルギー効率を好適に維持することができる。
【００８６】
特に、本実施形態では、排気分流比調節部は、アノード側分流通路４０ａ（燃料加熱部Ｈｆｕ内の通路も含む）及びカソード側分流通路４０ｂ（空気加熱部Ｈａｉ内の通路も含む）に設けられ構造としての排気分流比調節構造を含む。そして、この排気分流比調節構造は、供給空気流量Ｑａの増大に応じたアノード側分流通路４０ａにおける圧損としてのアノード側圧損Ｐｌ_ａｎの増加率（アノード側特性線Ｇ１の傾き）が、供給空気流量Ｑａの増大に応じたカソード側分流通路４０ｂにおける圧損としてのカソード側圧損Ｐｌ_ｃａの増加率（カソード側特性線Ｇ２の傾き）よりも大きくなるように構成される。
【００８７】
これにより、電磁弁等の駆動部品を設けることなく、燃料電池システムＳにおける構造上の変更により、供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γを減少させる特性を実現することができる。
【００８８】
また、本実施形態の排気分流比調節構造は、アノード側分流通路４０ａに設けられてアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの流量面積を減少させる流路断面積減少部としての絞り形状部６０を有する。
【００８９】
これにより、供給空気流量Ｑａの増大に応じたアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増加量を抑制する効果を、アノード側分流通路４０ａに絞り形状部６０を設けるという簡素な構成により実現することができる。
【００９０】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、排気分流比調節構造のより好適な例が提供する。
【００９１】
図８は、本実施形態における排気分流比調節構造を説明する図である。図示のように、本実施形態の排気分流比調節構造は、カソード側分流通路４０ｂに設けられる流路表面積増大部としてのハニカム構造体６２として構成される。
【００９２】
ハニカム構造体６２は、カソード側分流通路４０ｂにおける空気流量‐圧損特性を調節する観点から、カソード側分流通路４０ｂの流路表面積を少なくとも部分的に増大するように、カソード側分流通路４０ｂ上の所定の設置位置Ｐ２に設けられる。
【００９３】
なお、設置位置Ｐ２は、カソード側分流通路４０ｂ上における任意の流路領域上、又は空気加熱部Ｈａｉに含まれる空気熱交換器１８内の管路などの燃料電池システムＳの仕様に応じた好適な位置に設定される。また、カソード側分流通路４０ｂ上に複数のハニカム構造体６２を設けても良い。
【００９４】
図９は、本実施形態によるハニカム構造体６２を設けた場合のカソード側分流通路４０ｂにおける空気流量‐圧損特性を説明する図である。なお、図９においては、図面の簡略化のため、アノード側分流通路４０ａにおける空気流量‐圧損特性を表すグラフは省略している。
【００９５】
また、図９に示すカソード側特性線Ｇ５は、本実施形態の構成によるカソード側分流通路４０ｂにおける特性を表す。さらに、参考のため、本実施形態の構成を採用しない場合におけるカソード側分流通路４０ｂにおける特性をカソード側特性線Ｇ６として一点鎖線で表す。
【００９６】
図示のように、本実施形態によるカソード側特性線Ｇ５は、当該ハニカム構造体６２を設けない場合のカソード側特性線Ｇ６に比べてより直線状に近づいている。すなわち、カソード側分流通路４０ｂにハニカム構造体６２を設けることで、カソード側分流通路４０ｂに供給空気流量Ｑａの変化に対する好適な一次特性を与えることができる。
【００９７】
特に、カソード側特性線Ｇ５で表される一次特性によって、暖機運転時における運転点の付近において供給空気流量Ｑａが増大するカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｗの増加の感度が、カソード側特性線Ｇ６に基づくカソード側圧損Ｐｌ_ｃａ_ｗの増加の感度と比べて小さくなる。
【００９８】
すなわち、ハニカム構造体６２によりもたらされるカソード側特性線Ｇ５の一次特性によって、供給空気流量Ｑａの増大に応じてカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａをより好適に増加させる。
【００９９】
結果として、ハニカム構造体６２により、供給空気流量Ｑａが増大にともないアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎを高感度に減少させる性質を得ることができる。
【０１００】
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
【０１０１】
本実施形態の排気分流比調節構造は、カソード側分流通路４０ｂに設けられてカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａの流路表面積を増大させる流路表面積増大部としてのハニカム構造体６２を有する。
【０１０２】
これにより、供給空気流量Ｑａの増大に応じたアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増加量を抑制する効果を、カソード側分流通路４０ｂにハニカム構造体６２を設けるという簡素な構成により実現することができる。
【０１０３】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、供給空気流量Ｑａの増大に応じて排気分流比γを減少させる排気分流比調節部を、制御上の構成により実現する。
【０１０４】
図１０は、本実施形態にかかる燃料電池システムＳの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態では、図１で説明した燃料電池システムＳの構成に対してさらに、流量調節装置としての流量調整バルブ７０と、流量調整バルブ７０を制御する制御装置としてのコントローラ８０と、を有する。
【０１０５】
本実施形態の流量調整バルブ７０は、カソード側分流通路４０ｂに設けられる。流量調整バルブ７０は、コントローラ８０からの指令に応じて、カソード側分流通路４０ｂにおけるカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａを任意に制御するように開度調整が可能な電磁弁により構成される。
【０１０６】
ここで、アノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂは、燃焼器１９から分流されている構造であるので、流量調整バルブ７０の開度調整によってカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａを制御すれば、必然的にアノード側分流通路４０ａにおけるアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが制御されることとなる。すなわち、流量調整バルブ７０の開度調整によって、実質的に排気分流比γを調節することができる。
【０１０７】
また、コントローラ８０は、空気ブロア１７に設定される供給空気流量Ｑａに基づいて、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａを所望の値に制御するように流量調整バルブ７０を操作する。
【０１０８】
具体的に、コントローラ８０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたコンピュータ、特にマイクロコンピュータで構成される。そして、コントローラ８０は、本実施形態に係る各処理を実行するために必要な処理を実行可能となるようにプログラムされている。
【０１０９】
なお、コントローラ８０は一つの装置として構成されていても良いし、複数の装置に分けられ、本実施形態の各処理を当該複数の装置で分散処理するように構成されていても良い。
【０１１０】
そして、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａに基づいて、流量調整バルブ７０の開度ＯＰを調節する。
【０１１１】
図１１は、流量調整バルブ７０の基本的な開度調節態様を説明するグラフである。図示のように、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが大きくなるように（排気分流比γが小さくなるように）、流量調整バルブ７０の開度ＯＰを減少させる。
【０１１２】
また、コントローラ８０は、基本的には、上記図１１に示した制御態様で流量調整バルブ７０を制御しつつも、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが所定の上限流量Ｆｓｕｐ以下に制限されるように流量調整バルブ７０を制御する。
【０１１３】
より具体的には、コントローラ８０は、現在の運転状態に応じて設定された供給空気流量Ｑａに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎを推定する。
【０１１４】
さらに、コントローラ８０は、推定したアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが上限流量Ｆｓｕｐ以下となるように、流量調整バルブ７０の開度ＯＰの下限を設定する。
【０１１５】
なお、上限流量Ｆｓｕｐは、現在設定されている供給空気流量Ｑａに基づく主供給燃料流量の最大値（第１インジェクタ２８の最大燃料噴射量）、燃料の比熱、燃焼排ガス通路４０内の燃焼排ガスの温度、及び燃料温度（例えば、燃料タンク１２内に貯留されている原燃料の温度）に基づいて定められる。
【０１１６】
より詳細には、上限流量Ｆｓｕｐは、主供給燃料流量の最大値×燃料の比熱×（燃焼排ガスの温度‐燃料温度）に適切なゲインを乗じて演算することで求めることができる。すなわち、上限流量Ｆｓｕｐは、現在の運転状態に基づいて想定される最大の主供給燃料流量を仮定した場合に、燃料加熱部Ｈｆｕにおける熱交換によって燃料が燃焼排ガスから受け入れることのできる熱量を換算したアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの値として演算される。
【０１１７】
なお、蒸発器１４による原燃料の気化によって、燃料加熱部Ｈｆｕに供給される燃料の温度が原燃料の温度と大きく異なる場合を想定して、上記燃料タンク１２内の原燃料の温度に代えて、蒸発器１４を通過した後の主燃料供給通路２０内の燃料の温度を用いて上限流量Ｆｓｕｐの演算を行うようにしても良い。
【０１１８】
さらに、コントローラ８０は、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが所定の下限流量Ｆｉｎｆ以上となるように流量調整バルブ７０の開度ＯＰの上限を設定する。
【０１１９】
なお、下限流量Ｆｉｎｆは、現在設定されている供給空気流量Ｑａに基づく主供給燃料流量、燃料の比熱、目標改質器温度（主燃料供給通路２０における改質器１６の下流の燃料ガスの温度の目標値）、及び上述した燃料温度に基づいて定められる。
【０１２０】
より詳細には、下限流量Ｆｉｎｆは、現在設定されている主供給燃料流量×燃料の比熱×（目標改質器温度‐燃料温度）に適切なゲインを乗じて演算することで求めることができる。すなわち、下限流量Ｆｉｎｆは、現在の運転状態に基づく発電電力に応じた主供給燃料流量に対して、燃料加熱部Ｈｆｕにおける熱交換によって燃焼排ガスから燃料に与えるべき熱量の下限を換算したアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの値として演算される。
【０１２１】
以上説明した本実施形態によれば、コントローラ８０は、現在の運転状態に応じて設定される供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、排気分流比γが小さくなるように流量調整バルブ７０の開度ＯＰを調節しつつも、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが上限流量Ｆｓｕｐと下限流量Ｆｉｎｆの間に収まるように、流量調整バルブ７０の開度ＯＰを操作する。
【０１２２】
以上説明した本実施形態の構成による作用効果を説明する。
【０１２３】
本実施形態の排気分流比調節部は、カソード側分流通路４０ｂの少なくとも一方の流量を調節する流量調節装置としての流量調整バルブ７０と、流量調整バルブ７０を操作する制御装置としてのコントローラ８０と、を有する。そして、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが大きくなるように、すなわち排気分流比γが小さくなるように流量調整バルブ７０を操作する。
【０１２４】
これにより、燃料電池システムＳの運転状態の変化などに起因して供給空気流量Ｑａが増加したとしても、当該増加に応じてカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが増大するように流量調整バルブ７０の開度ＯＰを調節される。すなわち、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが減少する側に流量調整バルブ７０の開度ＯＰが調節されることとなり、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増大を抑制することができる。
【０１２５】
また、本実施形態では、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎを推定し、推定したアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが燃料加熱部Ｈｆｕにおける燃料の受け入れ可能な熱量に基づいて定まる上限流量Ｆｓｕｐ以下となるように流量調整バルブ７０を操作する。
【０１２６】
これにより、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが、燃料加熱部Ｈｆｕにおいて燃料の熱容量の上限となる上限流量Ｆｓｕｐを超えないように、流量調整バルブ７０を操作して排気分流比γを調節することができる。したがって、燃料の熱容量を超える熱量に相当する流量の燃焼排ガスが燃料加熱部Ｈｆｕに供給されることをより確実に抑制することができる。
【０１２７】
さらに、本実施形態では、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａに基づいてアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎを推定し、推定したアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが発電電力に応じた燃料加熱部の目標温度（目標改質器温度）に基づいて定まる下限流量Ｆｉｎｆ以上となるように流量調整バルブ７０を操作する。
【０１２８】
これにより、燃料加熱部Ｈｆｕに燃料の熱容量以上の熱量を有する燃焼排ガスを流すことを抑制する観点からアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎの増大を抑制することができる一方で、燃料電池スタック１０の発電の観点から要求される熱量に相当する最低限のアノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎを好適に確保することができる。
【０１２９】
なお、本実施形態では、流量調整バルブ７０をカソード側分流通路４０ｂに設けた構成の燃料電池システムＳについて説明した。しかしながら、この構成に代えて、またはこの構成とともに、アノード側分流通路４０ａに設けても良い。このように、アノード側分流通路４０ａに設けた流量調整バルブ７０の開度ＯＰ´を調節することによっても、排気分流比γを調節することができる。
【０１３０】
図１２は、流量調整バルブ７０をアノード側分流通路４０ａに設けた場合において、流量調整バルブ７０の基本的な開度調節態様を説明するグラフである。この場合、図示のように、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが小さくなるように（排気分流比γが小さくなるように）、流量調整バルブ７０の開度ＯＰ´を減少させる。
【０１３１】
また、本例においても、コントローラ８０が、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎが上限流量Ｆｓｕｐと下限流量Ｆｉｎｆの間に収まるように、流量調整バルブ７０の開度ＯＰ´を操作する構成を採用することができる。
【０１３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。
【０１３３】
例えば、上記各実施形態では、燃料加熱部Ｈｆｕの要素として蒸発器１４及び改質器１６を例示し、空気加熱部Ｈａｉの要素として空気熱交換器１８を例示した。しかしながら、燃料加熱部Ｈｆｕ及び空気加熱部Ｈａｉはこれらに限定されるものではない。
【０１３４】
すなわち、燃料加熱部Ｈｆｕ及び空気加熱部Ｈａｉとしては、燃料電池システムＳ内において、それぞれ、アノード側燃焼排ガス及びカソード側燃焼排ガスの熱により燃料及び空気を加熱する任意の装置を適用できる。
【０１３５】
また、上記第２実施形態においては、アノード側分流通路４０ａにおいて図７のアノード側特性線Ｇ３で表す空気流量‐圧損特性（下凸の二次特性）を得る構造を採用した。しかしながら、この構造に代えて、又はこの構造をとともに、カソード側分流通路４０ｂに上凸の二次の空気流量‐圧損特性を与える構造を採用しても良い。これにより、暖機運転時（供給空気流量Ｑａが相対的に大きい運転状態）における排気分流比γを、定常運転時（供給空気流量Ｑａが相対的に小さい運転状態）の場合と比べてより減少させることができる。
【０１３６】
さらに、アノード側特性線Ｇ３で表される下凸の二次特性に代えて、二次特性以外の任意の非線形特性であって下凸の特性線で表される性質を与える排気分流比調節構造を設けても良い。また、カソード側分流通路４０ｂにおいても、二次特性以外の任意の非線形特性であって上凸の特性線で表される性質を与える排気分流比調節構造を設けても良い。
【０１３７】
さらに、上記各実施形態は任意に組み合わせが可能である。特に、第１実施形態又は第２実施形態の構成と、第３実施形態の構成と、を組み合わせても良い。これにより、上述した供給空気流量Ｑａに基づいて排気分流比γを調節するための機械的構造（第１実施形態又は第２実施形態）を前提としつつも、第３実施形態における流量調整バルブ７０を操作により供給空気流量のＱａ逐次的な変化に対応した排気分流比γの調節を行うことができる。
【図１】
2020054003.tif 000003
【図２】
2020054003.tif 000004
【図３】
2020054003.tif 000005
【図４】
2020054003.tif 000006
【図５】
2020054003.tif 000007
【図６】
2020054003.tif 000008
【図７】
2020054003.tif 000009
【図８】
2020054003.tif 000010
【図９】
2020054003.tif 000011
【図１０】
2020054003.tif 000012
【図１１】
2020054003.tif 000013
【図１２】
2020054003.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和3年2月19日(2021.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
なお、第１インジェクタ２８の開度（主供給燃料流量）は、燃料電池スタック１０の要求発電電力、燃料電池システムＳの運転状態（定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など）、目標燃焼器温度Ｔｃ＿ｔ（燃焼排ガス通路４０における燃焼器１９の付近のガス温度）、及び後述する供給空気流量Ｑａなどに応じて適宜操作される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
特に、空気ブロア１７の出力は、燃料電池スタック１０の発電電力、及び燃料電池システムＳの運転状態（定常運転、暖機運転、及び停止時等における冷却運転など）などに応じて定まる供給空気流量Ｑａの目標値を満たすように操作される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
ここで、図４から明らかなように、アノード側特性線Ｇ１及びカソード側特性線Ｇ２は共に直線状に表されている。すなわち、アノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂにおけるそれぞれの空気流量‐圧損特性はともにほぼ一次の特性を示している。この理由は、燃料加熱部Ｈｆｕにおける改質器１６内の熱交換器の流路構造、及び空気加熱部Ｈａｉにおける空気熱交換器１８の流路構造は通常の配管と比較的して高い表面積が確保されていることにある。したがって、定常運転時の排気分流比γ＿ｒであるＦａｎ＿ｒ／Ｆｃａ＿ｒと、暖機運転時の排気分流比γ＿ｗであるＦａｎ_ｗ／Ｆｃａ＿ｗと、は相互にほぼ等しい値となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
したがって、本参考例による燃料電池システムＳでは、運転状態が変化して供給空気流量Ｑａが変わっても排気分流比γが一定に維持されることとなる。その結果、上述したように、暖機運転時等の供給空気流量Ｑａが定常運転時よりも増大するシーンにおいて、アノード側燃焼排ガス流量Ｆａｎ＿ｗ及びカソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａ＿ｗが大きくなる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
これは、絞り形状部６０を設けたことによって、アノード側特性線Ｇ３が、実質的に供給空気流量Ｑａに対する下凸で二次の増加関数となっていることに起因する。このため、定常運転時においては第１実施形態と略同じ値の好適な排気分流比γ＿ｒを実現しつつも、供給空気流量Ｑａが増大する暖機運転時においては、第１実施形態の場合に比べてより小さい排気分流比γ＿ｗを実現することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１１】
図１１は、流量調整バルブ７０の基本的な開度調節態様を説明するグラフである。図示のように、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが大きくなるように（排気分流比γが小さくなるように）、流量調整バルブ７０の開度ＯＰを増大させる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２３】
本実施形態の排気分流比調節部は、アノード側分流通路４０ａ及びカソード側分流通路４０ｂの少なくとも一方の流量を調節する流量調節装置としての流量調整バルブ７０と、流量調整バルブ７０を操作する制御装置としてのコントローラ８０と、を有する。そして、コントローラ８０は、供給空気流量Ｑａが大きくなるほど、カソード側燃焼排ガス流量Ｆｃａが大きくなるように、すなわち排気分流比γが小さくなるように流量調整バルブ７０を操作する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３５】
また、上記第１実施形態においては、アノード側分流通路４０ａにおいて図７のアノード側特性線Ｇ３で表す空気流量‐圧損特性（下凸の二次特性）を得る構造を採用した。しかしながら、この構造に代えて、又はこの構造をとともに、カソード側分流通路４０ｂに上凸の二次の空気流量‐圧損特性を与える構造を採用しても良い。これにより、暖機運転時（供給空気流量Ｑａが相対的に大きい運転状態）における排気分流比γを、定常運転時（供給空気流量Ｑａが相対的に小さい運転状態）の場合と比べてより減少させることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2020054003.tif 000015
【国際調査報告】
2020054003.tif 000016
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