CN100468848C - 燃料电池***及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池***及相关方法，具有基于状态信号实施焓计算的***控制器(37)，从而在排放期间预测燃烧室(7)的燃烧温度，该状态信号涉及阳极排气和阴极排气，并由温度检测器(29)、压力检测器(30)和温度检测器(31)检测。在预测的燃烧温度超过上限时，阴极排气体积增加，从而将燃烧室(7)的燃烧温度限制至上限值以下。

Description

燃料电池***及相关方法

技术领域

本发明涉及燃料电池***，更具体地说涉及为燃烧阳极排气提供改进的燃烧室温度控制的燃料电池***，以及相关的方法。

背景技术

在燃料电池***中，诸如氢气的燃料气体和包含氧气的氧化剂气体借助电解质彼此进行电化学反应，从安置在电解质两面的电极上放出电能。尤其是，作为电动车辆的电源，使用固体电解质的固体聚合物燃料电池因其低的操作温度和容易处理而受到普遍的关注。燃料电池驱动的车辆是最清洁的车辆，只有水作为排放物质而残留。这种车辆安装氢气吸收单元，例如高压氢气罐、液态氢气罐，以及吸收氢气的非晶形合金罐。从氢吸收单元供应的氢气和含氧气的空气被输送到燃料电池中，完成反应，从而从燃料电池中释放电能以驱动与驱动轮连接的马达。

固体聚合物燃料电池包括阳极排气再循环型，其中包含从阳极出口排出的未反应氢气的阳极排气被再循环到阳极入口。该类型燃料电池包括供应氢气的阳极(燃料电极)入口，流量大于与阳极排气的电化学反应中消耗的氢气流量。

当这种阳极再循环型燃料电池连续操作时，因为空气和蒸汽从阴极(空气电极)泄漏，所以阳极排气中的氮氧化物浓度和蒸汽浓度增加。此外，如果形成燃料气体的氢气包含杂质，与氢气不同，它们积聚在阳极排气中，没有在电化学反应中消耗。

这些现象不可取地降低了电能产生的性能。因此，在某种程度上连续操作一段时间之后，从阳极排气再循环单元将包含大量杂质的阳极排气排出到外部燃烧室中，在其中发生阳极排气和空气的燃烧。

使用日本专利申请公开特许(Laid-Open)第8-7803号建议的燃烧室，控制空气的流量，以致控制燃烧室的温度不超过耐热温度。

在这种技术下，燃料电池***包括用燃烧室形成的燃料重整器，阳极排气和阴极排气被引入其中并燃烧；用阴极排气轮机驱动的空气压缩机；以及使空气和从空气压缩机中输送的空气一起被引入燃烧室的低温鼓风机。

此外，这种燃料电池***包括基于燃料电池输出命令、燃烧排气的氧气浓度和燃烧室的出口温度给低温鼓风机输出转速命令，而给重整器-燃烧室-空气流量调节器阀输出打开程度(opening degree)校正命令的控制器。如果燃烧室的出口温度超过上限，依据供应给重整器燃烧室以降低燃烧室温度的空气流量增加所产生的打开程度，控制器控制重整器-燃烧室·空气流量调节器阀待增加的打开程度和待增加的低温鼓风机的转速。

发明内容

但是，上述技术具有如果燃烧室出口温度的检测值超过温度的上限值，增加空气流量降低燃烧室的温度的结构。因此，当燃烧室中进行间断性和短期燃烧时，出口气体温度的温度上升由于燃烧室中存在的热容而降低。因此，因为不能检测到超过温度上限值的燃烧温度，所以燃烧室的性能降低。

为了解决这一问题，本发明一方面是燃料电池***，包含：供应燃料气体的燃料气体供应单元；供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；将从燃料电池组的阳极排放出的阳极排气再循环到阳极上的阳极排气再循环单元；临时从阳极排气再循环单元将阳极排气排放到其外面的排放单元；至少燃烧从排放单元中排放的阳极排气和氧化剂气体或所述阳极排气和从燃料电池组的阴极排放的阴极排气的燃烧室；以及进行***控制操作的***控制器，使得在排放单元向燃烧室排放阳极排气时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制燃料电池***的方法，该方法包括制备供应燃料气体的燃料气体供应单元；供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；至少燃烧从阳极排气排放的阳极排气，以及氧化剂气体或从燃料电池组阴极排放的阴极排气的燃烧室；从燃料电池组的阳极排放阳极排气；再循环从空气供应单元或燃料电池组阳极排放的阳极排气至阳极；至少燃烧从燃料电池组阳极排放的阳极排气及氧化剂气体或从燃料电池组阴极排放的阴极排气；以及执行***控制，以致在允许阳极排气被排放到燃烧室时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。

附图说明

图1是阐述根据本发明燃料电池***第一实施方案结构的***结构图。

图2A至2E是阐述在第一实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图2A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图2B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图2C表示阴极排气的排放速率；图2D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图2E表示阳极排气的排放速率。

图3是阐述形成第一实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图4是阐述根据本发明燃料电池***第二实施方案结构的***结构图。

图5A至5E是阐述在第二实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图5A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图5B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图5C表示阴极排气的排放速率；图5D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图5E表示阳极排气的排放速率。

图6是阐述形成第二实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图7是阐述根据本发明燃料电池***第三实施方案结构的***结构图。

图8A至8E是阐述在第三实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图8A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图8B表示辅助空气供应单元28供应的空气的流量；图8C表示阴极排气的排放速率；图8D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图8E表示阳极排气的排放速率。

图9是阐述形成第三实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图10A至10D是阐述在第四实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图10A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图10B表示阴极排气的排放速率；图10C表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图10D表示阳极排气的排放速率。

图11是阐述形成第四实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图12A至12E是阐述在第五实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图12A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图12B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图12C表示阴极排气的排放速率；图12D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图12E表示阳极排气的排放速率。

图13是阐述形成第五实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图14是阐述根据本发明燃料电池***第六实施方案结构的***结构图。

图15A至15E是阐述在第六实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图15A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图15B表示水的供应速率；图15C表示阴极排气的排放速率；图15D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图15E表示阳极排气的排放速率。

图16是阐述形成第六实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图17是以燃料电池操作条件方式阐述燃烧温度预测图的视图。

图18A至18E是阐述在第七实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图18A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图18B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图18C表示阴极排气的排放速率；图18D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图18E表示阳极排气的排放速率。

图19是阐述形成第七实施方案一部分的***控制器控制内容的流程图。

图20是阐述在第七实施方案中用来计算电压阈值，从而判断发现是否实施阳极排气排放的数据表的视图。

图21是阐述在第七实施方案中用来计算电压阈值，从而判断发现是否实施阳极排气排放的数据表的视图。

图22是阐述在第七实施方案中用来计算空气流量变化率的数据表的视图。

图23是阐述在第七实施方案中用来计算空气流量变化率的数据表的视图。

图24是阐述在第七实施方案中用来计算空气流量变化率的数据表的视图。

具体实施方式

(第一实施方案)

参阅图1至3，下面详细描述根据本发明的燃料电池***的第一实施方案。

图1是阐述第一实施方案结构的***结构图。图中，燃料电池***包含供应氢气作为燃料气体的氢气供应单元1(燃料气体供应单元)；供应空气作为氧化剂气体的空气供应单元2(氧化剂气体供应单元)；包括产生电能的电极，例如分别供应氢气和空气的阳极4和阴极5的燃料电池组3；使待再循环的阳极排气借助阳极排气再循环导管12到达阳极4上流侧的阳极排气再循环单元6；在启动期间使用燃烧室7的燃烧排气加热冷却剂的冷却剂热交换器8；冷却剂冷却单元9；使氢气和空气被湿化的增湿器10；空气流量控制阀16；运转从而在热交换器8或冷却剂冷却单元和燃料电池组3之间循环冷却剂的冷却剂泵21；使冷却剂流路改变到热交换器8或冷却剂冷却单元9的三通阀22；从阳极排气再循环单元6将阳极排气排到外面的阳极排气排放阀(排放单元)27；温度检测器29a至29g；压力检测器30a至30d；湿度检测器31a和31b；空气流量计32；氢气流量计33；检测燃料电池组3电池电压的电压检测单元36；以及控制整个燃料电池***的***控制器(***控制单元)37。

在下面的说明中，使阳极排气临时从阳极排气再循环单元6排放到燃烧室7的阶段术语称为“排放(purging)”。

燃烧室7由混合氢气或供应的阳极排气与空气或阴极排气，形成均匀混合的气体的混合器23和输送燃烧催化剂，燃烧混合气体的燃烧室24来构成。

位于燃烧室24中的是温度检测器29e，并且所得检测温度的信息通过未表示出的信号线输送到***控制器37。

燃烧室7通过阳极排气排放阀27供应氢气，通过空气流量控制阀16从空气供应单元2供应空气，并且借助阴极排气排放导管15供应阴极排气。这些气体在混合器23中混合，混合的气体用燃烧催化剂24燃烧。在燃料电池***启动期间，源于燃烧室7的燃烧气体在冷却剂热交换器8中被用于与冷却剂进行热交换，从而升高冷却剂温度至操作温度。随后，通过排气导管19将所得的排气排出到***的外面。另外，从排气导管19回收冷凝水，并且贮备在纯水罐25中。

贮备在纯水罐25中的纯水通过纯水导管26使用纯水泵35供应到增湿器10中。增湿器10使用该纯水来湿化供应到燃料电池组3中的氢气和空气。

燃料电池组3的温度由诸如防冻混合剂的冷却剂控制，以致操作温度被维持在适当的温度下。因此，在正常操作模式中，三通阀22使冷却剂泵21和冷却剂冷却单元9互通，从而使冷却剂通过密闭的回路循环，密闭回路由冷却剂泵21、三通阀22、冷却剂冷却单元9、燃料电池组3和冷却剂泵21组成。这就允许从冷却剂冷却单元9释放的燃料电池组3的热积累传到***的外面，因而燃料电池组3的温度被维持在适当的温度下。

同时，在燃料电池***启动期间，三通阀22使冷却剂泵21和冷却剂热交换器8互通，因而使冷却剂通过由冷却剂泵21、三通阀22、冷却剂热交换器8、燃料电池组3和冷却剂泵21组成的密闭回路来循环。这使冷却剂热交换器8中的冷却剂温度升高，从而使燃料电池组3的温度升高至适于开始操作的温度。

***控制器37用作控制***，防止在阳极排气通过阳极排气排放阀27而排放到燃烧室7中时，燃烧室7的燃烧温度超过给定温度的***控制单元。

此外，***控制器37与空气流量计32、氢气流量计33、温度检测器29a至29g、压力检测器30a至30d、湿度检测器31a至31b，以及电压检测器单元36相连。因此，从这些单元，***控制器37能够分别使用从空气供应单元2供应的空气的流量、温度和压力，从氢气供应单元1供应的氢气的流量、温度和压力，从阴极5排出的阴极排气的温度、压力和湿度，以及从阳极5排出的阳极排气的温度、压力和湿度。

另外，电荷检测器单元36检测形成燃料电池组3的各个单元电池的电压或者各个组合的电压，每个组合由多个单元电池形成，所得的电压值被输出到***控制器37中。

***控制器37使用从上面单元输送的检测信号和电能产生负载命令信号。通过使用这些信号，***控制器37控制氢气供应单元1、空气供应单元2、阳极排气再循环单元6、冷却剂泵21、纯水泵35、空气流量控制阀16、三通阀22和阳极排气排放阀27，因而控制供应到燃料电池组3的氢气和空气的流量，以及燃料电池组3的温度。另外，***控制器37实施控制，以致允许阳极排气通过阳极排气排放阀27而排放到燃烧室7中时，燃烧室7的燃烧温度不超过给定温度。另外，尽管不打算特别限制，但是在当前归档的实施方案中，***控制器37由包括CPU、存储器和I/O接口的微计算机组成。

现在，燃料电池***操作的基本顺序被描述如下。阳极4和阴极5分别从氢气供应单元1和空气供应单元2供应氢气和空气。然后，在通过燃料电池组3中氢气和空气的反应，产生电能。在该操作期间，分别排出阳极4中没有被消耗的残留阳极排气、阴极5上消耗了部分氧气并且包含源于电能产生的湿气的阴极排气。

在正常操作期间，所有阳极排气通过阳极排气再循环单元6，经阳极排气再循环导管12再循环到氢气供应导管11。然后，所有阳极排气被再次供应到阳极4。

阴极排气被供应到燃烧室7中，此后，通过冷却剂热交换器8和排气导管19排到***的外面。

此时，如果检测燃料电池组3电池电压的电压检测器单元36检测到低于给定电压值的电压，响应从***控制器37发出的排放信号，以给定流量从阳极排气排放阀27排放阳极排气到燃烧室7中。同时，从氢气供应单元1供应的氢气流量被基本上增加与排放的阳极排气流量相同的流量，同时保持供应氢气的压力不变。

在该操作期间，依据空气流量计32检测到的空气流量、氢气流量计33检测到的氢气流量、温度检测器29c检测到的阴极排气温度、压力检测器30a检测到的阴极排气压力，以及湿度检测器31a检测到的阴极排气湿度，计算阴极排气的气体组成，甚至包含蒸汽，以及阴极排气的焓。

同时，假定从阳极排气再循环单元6排放出的阳极排气的组成仅由氢气组成。在此假设下，依据预定的阳极排气排放速率和温度检测器29d检测到的阳极排气温度，计算阳极排气焓。

根据计算的阴极排气和阳极排气焓。计算燃烧室7中燃烧温度的预定值。计算方法的一个实例在下面表示。

1摩尔每种气体组分的焓(单位：KJ/mol)作为绝对温度T(单位：K)的函数以下面公式表示：

氢气：Hh2(T)＝-8.64597E+00+2.90620E-02×T-4.10000E-07×T＾2+6.63433E-10×T＾3，...(1)

氧气：Ho2(T)＝-8.18267E+2.55940E-02×T+6.62550E-06×T＾2-1.40167E-09×T＾3，...(2)

氮气：Hn2(T)＝-8.31059E+2.70160E-02×T+2.90600E-06×T＾2-9.63333E-11×T＾3，...(3)

水：Hh2o(T))＝-2.51277E+3.02040E-02×T+4.96650E-06×T＾2-3.72333E-09×T＾3，...(4)

此处，我们将阴极排气中包含的从供应给燃料电池组3的空气流量Qsa(mol/sec)和氢气流量Qsh(mol/sec)中提出的氧气流量和氮气流量分别定义为QCo2(mol/sec)和QCn2(mol/sec)，将基于通过湿度检测器29c、压力检测器30c和湿度检测器31a分别检测到的阴极排气的温度Tc(K)、压力Pc(KPa)和相对湿度Huc(％)而获得的蒸汽流量定义为QCh2o(mol/sec)，将通过阳极排气排放阀27的打开程度确定的阳极排气流量定义为QAh2(mol/sec)，并且将阳极排气的温度定义为Ta(K)。

在这些定义下，假设空气的组成由氧气：氮气＝0.21：0.79给出，氧气及氮气流量QCo2和QCn2，以及蒸汽的流量QCh2o表达如下：

QCo2＝0.21×Qsa-Qsh/2，...(5)

QCn2＝0.79×Qsa，...(6)

QCh2o＝(QCo2+QCn2)×(Huh2o(Tc)×Huc/100)/(Pc-Huh2o(Tc)×Huc/100)，...(7)

此处，Huh2o(Tc)是温度Tc下的饱和蒸汽压(KPa)。

然后，基于公式(1)、(2)、(3)和(4)，每单位时间阴极排气的焓HC和每单位时间阳极排气的焓HA由下面的公式表达：

HC(Tc)＝Ho2(Tc)×QCo2+Hn2(Tc)×QCn2+Hh2o(Tc)×QCh2o(KJ/sec)，...(8)

HA(Ta)＝Hh2(Ta)×Qah2(KJ/sec)，...(9)

接着，计算燃烧室7中燃烧时的燃烧温度。

假定阳极排气中的氢气被完全燃烧，可以根据阴极排气和阳极排气的组成和流量估计燃烧气体中各种组分的流量，并表示如下：

氧气流量：QEo2＝QCo2-QAh2/2(mol/sec)，...(10)

氮气流量：QEn2＝QCn2(mol/sec)，...(11)

蒸汽流量：QEh2o＝QCh2o+QAh2(mol/sec)，...(12)

此处，定义燃烧温度为Te(K)，根据公式(2)、(3)和(4)，以下面的公式表达每单位时间燃烧气体的焓HE：

HE(Te)＝Ho2(Te)×QEo2+Hn2(Te)×QEn2+Hh20(Te)×QEh2o(KJ/sec)，...(13)

另外，假定氢气的低卡值为241.8(KJ/mol)，每单位时间氢气的反应热Hb用下式表达：

Hb＝241.8×QAh2(KJ/sec)，...(14)

基于公式(8)、(9)、(13)和(14)，以得到下面公式的方式对燃烧温度Te进行收敛计算，得到燃烧温度Te如下：

HC(Tc)+HA(Ta)＝HE(Te)+Hb，...(15)

尽管假设阳极排气初始包括借助电解质薄膜在覆盖阴极5和阳极4的面积上扩散的氮气和水，但是氢气浓度增加，而杂质的浓度随着阳极排气排放的进行而降低。

因此，在假定阳极排气的组成仅包含氢气，计算燃烧温度时，考虑下列情况来确定燃烧温度：作为燃料电池组3内部由氢气通路组成的阳极排气再循环***的结果，燃烧室7供应氢气浓度基本上为100％的阳极排气，并且在排放阳极排气的最后阶段，阳极排气再循环单元6和阳极排气再循环导管12被氢气完全取代。因此，可以避免燃烧室7温度过度上升。

另外，在瞬间的气体组成可以由测量单元，例如温度检测器29c、29d和温度检测器31a、31b，以足够高的响应抓获，并且能够以良好的响应实现供应气体流量的情况下，通过获得每种气体组分的焓，并且甚至对阳极排气计算燃烧温度，可以执行控制。

此时，如果作为计算结果的燃烧温度预测值小于预定的上限值，不改变流动条件。

但是，如果燃烧温度的预测值超过上限值，为了使燃烧温度小于上限值，增加通过燃料电池组3供应给燃烧室7的空气量，因而实现控制，以致燃烧温度被限制到低于上限值的值。

在这种情况下，以下面描述的顺序计算空气的增加量。

首先，假设待增加的空气流量为Qair(mol/sec)，并且基于温度Tc(K)，在公式(2)、(3)和(4)中假定增加空气和蒸汽之间的气态混合物的焓Hair，所述焓取自燃料电池组3的增量。在这种假设下，因为即便在增加向燃料电池组3供应的空气流量，而同时燃料电池组3内部的湿润度足够时，燃料电池组3的热容也是十分大的，所以短期来看，认为阴极排气的温度Tc和相对湿度Huc不发生变化。因此，

Hair(Tc)＝Qair×0.21×Ho2(Tc)+Qair×0.79×Hn2(Tc)+Qair×(Huh2o(Tc)×Huc/100/(Pc-Huh2o(Tc)×Huc/100))(KJ/mol)，...(16)

接着，燃烧气体中氧气、氮气和蒸汽的流量增加等于空气流量增加的值并且在温度Te时得到的燃烧气体的焓HE(Te)’用下述公式表达：

QEo2’＝QCo2-Qao2+0.21×Qair(mol/sec)，...(10)’

QEn2’＝QCn2+0.71×Qair(mol/sec)，...(11)’

QEh2o’＝QEh2o+Qair×(Huh2o(Tc)×Huc/100/(Pc-Huh2o(Tc)×Huc/100))(mol/sec)，...(12)’

HE(Te)’＝Ho2(Te)×QEo2’+Hn2(Te)×QEn2’+Hh2o(Te)×QEh2o’(KJ/sec)，...(13)’

向等式的左边增加Hair的值，并且在右边用预定的燃烧温度上限值Tmax替代燃烧温度Te时，根据空气流量Qair执行收敛计算，并且Qair如下计算：

HC(Tc)+HA(Ta)+Hair(Tc)＝HE(Tmax)’+Hb，...(17)

在给定的阳极排气排放时间已经消逝时，中断向燃烧室7中排放阳极排气，同时中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加和从空气供应单元2供应的空气流量的增加，于是操作转化为正常操作。

图2A至2E是阐述在第一实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图2A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图2B表示从空气供应单元2供应的空气流量；图2C表示阴极排气的排放速率；图2D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图2E表示阳极排气的排放速率。

在图2A至2E中，因为从氢气供应单元1供应的氢气流量被基本上增加与排放的阳极排气流量相同的流量，同时排放阳极排气，所以在开始排放阳极排气前后一段时间间隔内，燃料电池组3的输出保持不变。另外，当处于预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax的操作中时，如图2C所示，由于从空气供应单元2供应的空气流量增加，并且阴极排气的排放速率增加，所以如此控制，使得实际实践中避免了燃烧室中的燃烧温度超过燃烧温度的上限值Tmax。

通过这样做，产生如下有利作用：如图2A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

图3是阐述在第一实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在步骤(下文简称“S”)10中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，为了预测在排放操作恢复电池电压时，向燃烧室7中排放阳极排气所产生的燃烧温度，计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，执行S16之后的操作，实施排放和控制，以致增加向燃烧室7中供应的空气的流量，从而预防燃烧室7的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax。

在S16中，计算要增加的空气流量Qair。在该计算期间，如同根据上面公式(1)至(17)所提出，在从短暂意义上来看，认为在阴极排气的温度Tc和相对湿度Huc方面不发生变化的情况下，基于焓的计算获得待增加的空气的流量Qair。

在下一步骤S18中，排放命令从***控制器37传送到空气供应单元2、阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S20中，空气供应单元2增加向阴极5供应的空气的流量；在S24中，阳极排气排放阀27打开；并且在S26中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S28中，判断从排放开始给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S28。如果从排放开始给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S30。在S30中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，并且在S32中，关闭阳极排气排放阀27，同时在S34中，中断从空气供应单元2供应的空气流量的增加。这就使燃料电池***返回至正常的操作条件。

同时，在S40中，在给定的条件下开始排放阳极排气。在S42中，排放命令从***控制器37传送到阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S44中，打开阳极排气排放阀27；并且在S46中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S48中，判断从排放开始给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S48。如果从排放开始给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S50。在S50中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，并且在S52中，关闭阳极排气排放阀27。这就使燃料电池***返回至正常的操作条件。

在上面提出的当前归档的实施方案中，通过控制从阳极排气再循环单元排放阳极排气时，燃烧室中所述燃烧气体的温度决不超过给定温度，可以具有能抑制燃烧室由于过量热负载而性能降低的有利作用。

此外，由于根据燃料电池组的运行负载，可以预测进入燃烧室的混合气体的流量和组成至少一种，从而初步预测燃烧温度，所以可以控制***，以致在燃烧温度可能会超过给定温度的情况下，预防燃烧温度超过给定温度，因而，即使因为燃烧仅在短时间内完成，燃烧室入口温度和燃烧室出口温度存在差异，也限制了燃烧室整体温度的过度上升，从而抑制了由于过量热负载引起的燃烧室性能的降低。

(第二实施方案)

接下来，参阅图4至6，详细描述根据本发明的燃料电池***的第二实施方案。

图4是阐述第二实施方案结构的***结构图。在第二实施方案中，构建燃料电池***，以致在空气供应单元2和燃烧室7之间另外安置空气流动控制阀17和空气供应导管18，使从空气供应单元2供应的一部分空气被分流并直接供应给燃烧室7。第二实施方案在其它结构上与图1所示的第一实施方案相似，所以为了省略重复说明，与第一实施方案相同的组件部分用相同的标号表示。

在上述这种结构中，当前归档的实施方案能够通过空气流动控制阀17直接从空气供应单元2向燃烧室7供应空气，而不会干扰燃料电池组3，结果提高了对于增加向燃烧室7中供应的空气流量的快速响应，从而更准确地限制了燃烧温度的上升。

在这种情况中，除了用由检测从空气供应单元2供应的空气温度的温度检测器29a检测的温度Tair(K)代替Tc(k)来作为要增加的空气温度，并且因为要增加的空气被直接供应给燃烧室7，而没有干扰燃料电池组3以外，按照与第一实施方案中相同的方式，不考虑伴随空气增加的要增加的蒸汽流量，执行增加空气流量的命令。

在该操作中，代替公式(16)和(13)’，用下面的公式代入公式(17)，计算空气流量的增加量。

Hair(Tair)＝Qair×0.21×Ho2(Tair)+Qair×0.79×Hn2(Tair)(KJ/mol)，...(16)’

HE(Te)’＝Ho2(Te)×QEo2’+Hn2(Te)×QEn2’+Hh2o(Te)×QEh2o(KJ/sec)，...(13)”’

图5A至5E是阐述在第二实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图5A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图5B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图5C表示阴极排气的排放速率；图5D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图5E表示阳极排气的排放速率。

在图5A至5E中，因为阳极排气一排放，从氢气供应单元1供应的氢气流量就被基本上增加与排放的阳极排气流量相同的流量，所以在开始排放阳极排气前后一段时间间隔内，燃料电池组3的输出保持不变。另外，因为当预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax时，通过空气流动控制阀17，从空气供应单元2供应的空气的流量增加，所以如此控制，使燃烧室中的实际燃烧温度不超过燃烧温度的上限值Tmax。当发生这种情况时，因为要增加的空气流动途径与阴极排气流动的流径无关，所以如图5C所示，阴极排气的排放速度不发生变化，保持在某个固定值。

通过这样做，产生如下有利作用：如图5A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

图6是阐述在第二实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S10中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，为了预测在排放操作恢复电池电压时，向燃烧室7中排放阳极排气所产生的燃烧温度，计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过预定燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，执行S16之后的操作，实施排放和控制，以致增加向燃烧室7中供应的空气的流量，从而预防燃烧室7的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax。

在S16中，计算要增加的空气流量Qair。在该计算期间，如同根据上面公式(1)至(17)所提出，在从短暂意义上来看，认为在阴极排气的温度Tc和相对湿度Huc方面不发生变化的情况下，基于焓的计算获得待增加的空气的流量Qair。

在下一步骤S18中，排放命令从***控制器37传送到空气供应单元2；流量控制阀16、17；阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S20中，空气供应单元2增加向阴极5供应的空气的流量；在S21中，打开空气流量控制阀16，向阴极5供应空气，同时打开空气流量控制阀17，通过该阀直接从空气供应单元2向燃烧室7供应空气。在S24中，打开阳极排气排放阀27；并且在S26中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S28中，判断从排放开始给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S28。如果从排放开始给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S30。在S30中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，在S32中，关闭阳极排气排放阀27。在S33中，恢复空气流量控制阀16的打开程度，同时关闭空气流量控制阀17。在S34中，执行操作，以中断从空气供应单元2供应的空气流量的增加。这就使燃料电池***返回至正常的操作条件。

同时，在S40至S52中执行的正常排放与参阅第一实施方案描述的内容相同，因此省略了重复说明。

在上面提出的第二实施方案中，通过控制从阳极排气再循环单元排放阳极排气时，燃烧室中所述燃烧气体的温度决不超过给定温度，可以具有能抑制燃烧室由于过量热负载而性能降低的有利作用。

此外，由于根据燃料电池组的运行负载，可以预测进入燃烧室的混合气体的流量和组成至少一种，从而初步预测燃烧温度，所以可以控制***，以致在燃烧温度可能会超过给定温度的情况下，预防燃烧温度超过给定温度，因而，即使因为燃烧仅在短时间内完成使得燃烧室入口温度和燃烧室出口温度存在差异，也限制了燃烧室整体温度的过度上升，从而抑制了由于过量热负载引起的燃烧室性能的降低。

此外，具有另一个有利的作用：当从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，实施控制，使向燃料电池组供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元的排放速率增加，迫使一部分氧化剂气体被直接供应给燃烧室，从而抑制燃烧温度的过度上升；因而简化了***的控制，并且可以抑制由于过量热负载引起的燃烧室性能的降低。

(第三实施方案)

接下来，参阅图7至9，详细描述根据本发明的燃料电池***的第三实施方案。

图7是阐述第三实施方案结构的***结构图。除了图1所示的第一实施方案中的组件外，第三实施方案打算进一步包括特定给燃烧室7供应辅助空气的辅助空气供应单元28、测量辅助空气流量的辅助空气流量计38，以及检测从辅助空气供应单元28供应的辅助空气温度的温度检测器29h。第三实施方案在其它结构上与图1所示的第一实施方案相似，所以为了省略重复说明，与第一实施方案相同的组件部分用相同的标号表示。

与第一实施方案和第二实施方案相比，因为配置第三实施方案，使得在排放期间要增加的空气只通过燃烧室7和冷却剂热交换器8，并且排出到外面，所以流动阻力被最小化。这降低了从辅助空气供应单元28供应的辅助空气的压力，使辅助空气供应单元28中的压力比被降低，从而抑制了电能消耗的增加，同时能够控制不改变供应给燃料电池组3的空气的条件。

在这种情况中，假设第三实施方案中的Qair为从辅助空气供应单元28供应给燃烧室7的辅助空气的流量，并且温度Tair代表温度检测器29h检测到的温度，辅助空气的要求流量按照与第二实施方案中相同的方式来计算。

图8A至8E是阐述在第三实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图8A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图8B表示辅助空气供应单元28供应的辅助空气的空气流量；图8C表示阴极排气的排放速率；图8D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图8E表示阳极排气的排放速率。

在图8A至8E中，因为阳极排气一排放，从氢气供应单元1供应的氢气流量就被基本上增加与排放的阳极排气流量相同的流量，所以在开始排放阳极排气前后一段时间间隔内，燃料电池组3的输出保持不变。另外，当预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax时，如图8B所示，因为空气也从辅助空气供应单元28供应到燃烧室7中，所以如此控制，使燃烧室中的实际燃烧温度不超过燃烧温度的上限值Tmax。

通过这样做，产生如下有利作用：如图8A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

图9是阐述在第三实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S10中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，为了预测在排放操作恢复电池电压时，向燃烧室7中排放阳极排气所产生的燃烧温度，计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过预定燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，执行S16之后的操作，实施排放和控制，以致增加向燃烧室7中供应的空气的流量，从而预防燃烧室7的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax。

在S16中，计算要增加的空气流量Qair。在该计算期间，如同根据上面公式(1)至(17)所提出，在从短暂意义上来看，认为在阴极排气的温度Tc和相对湿度Huc方面不发生变化的情况下，基于焓的计算获得待增加的空气的流量Qair。

在下一步骤S18中，排放命令从***控制器37传送到辅助空气供应单元28、阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S23中，辅助空气供应单元28向燃烧室7供应辅助空气，而在S24中，打开阳极排气排放阀27；并且在S26中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S28中，判断从排放开始给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S28。如果从排放开始给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S30。在S30中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，在S32中，关闭阳极排气排放阀27，并中断辅助空气供应单元28的操作。这就使燃料电池***返回至正常的操作条件。

同时，在S40至S52中执行的正常排放与参阅第一实施方案描述的内容相同，因此省略了重复说明。

在上面提出的第三实施方案中，在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，控制来自燃烧室的所述燃烧气体的温度决不超过给定温度提供了能够抑制燃烧室由于过量热负载而性能降低的有利作用。

(第四实施方案)

接下来，参阅图10A至10E及图11，描述本发明的第四实施方案。第四实施方案具有与图1所示的第一实施方案相同的结构。第四实施方案具有以下特征：其中如果判断出预测的燃烧温度超过燃烧温度的上限值，使阳极排气的流量小于预定的排放速率，并且延长阳极排气排放的时间，从而降低燃烧室的燃烧温度。

因此，第四实施方案实施控制，以致在计算燃烧温度Te之前，进行与第一实施方案相同的计算，因而如果判断出计算的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax，不改变阴极排气的流量，而使阳极排气的排放速率小于预定的流量，并且阳极排气被排放比预定排放时间间隔(Tp)更长的时间间隔(Tp”)。

图10A至10E是阐述在第四实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图10A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图10B表示阴极排气的排放速率；图10C表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图10D表示阳极排气的排放速率。

当预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax时，如图10D所示，使阳极排气的排放速率小于正常排放期间阳极排气的流量，并且阳极排气被排放更长时间间隔(Tp”)。这降低了每单位时间产生的燃烧热值，导致燃烧温度的降低。

产生如下有利作用：如图10A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

另外，当使用高压容器，例如高压氢气罐，作为氢气供应单元1时，因为使用符合通过调节阳极排气排放阀的打开程度来只调节供应的氢气流量，所以可以避免由于在增加空气流量时，第一至第三实施方案结构中需要的空气供应单元2和辅助空气供应单元28而引起的电能消耗的增加。

将阳极排气预定的排放时间间隔定义为Tp(秒)，并且将改变后阳极排气的排放时间间隔定义为Tp”，阳极排气流量的增加速率Rd定义如下：

Rd＝Tp”/Tp，...(18)

然后，降低排放速率时的阳极排气流量QAh2o”表达如下：

QAh2o”＝QAh2×Rd，...(19)

从这些等式中，公式(9)、(10)、(12)、(13)、(15)可以改写为：

HA(Ta)”＝Hh2(Ta)×QAh2”，(KJ/sec)...(9)”

QEo2”＝QCo2-QAh2”/2，(mol/sec)...(10)”

QEh2o”＝QCh2o+QAh2”，(mol/sec)...(12)”

HE(Te)”＝Ho2(Te)×QEo2”+Hn2(Te)×QEn2+Hh2o(Te)×QEh2o”(KJ/sec)，...(13)”

HC(Tc)+HA(Ta)”＝HE(Te)”+ΔHb，...(15)”

接着，在上面的等式(15)”中，用上限值Tmax代替燃烧温度Te，就阳极排气排放速率的增加速率Rd作收敛计算，从而计算Rd。

代入从上面等式(18)中给出的Rd，得到阳极排气的排放时间间隔Tp”。

另外，在阳极排气排放阀27采取例如孔口的固定节流口形式的情况中，可以使用氢气供应单元1降低氢气供应压力作为降低氢气流量的一种技术。

图11是阐述在第四实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S10中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，为了预测使用排放操作来实现电池电压的恢复，从而阳极排气被排放到燃烧室7中而导致的燃烧温度，计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过预定燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，执行S15之后的操作，在以下控制下实行排放：降低从阳极排气排放阀27供应给燃烧室7的阳极排气流量，同时延长阳极排气排放的时间间隔，从而预防燃烧室7的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax。

在S15中，计算阳极排气流量的减少速率Rd。在连续的S17中，计算阳极排气的排放时间间隔Tp”和排放速率QAh2”。当计算这些因素时，基于以上面公式(18)、(19)以及(9)”至(15)”的形式如上讨论的焓的计算来进行计算。

在下一步骤S18中，排放命令从***控制器37传送到阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S24中，打开阳极排气排放阀27；并且在S26中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S28中，判断从排放开始给定的时间间隔Tp”是否已经消逝，如果没有，操作返回至S28。如果从排放开始给定的时间间隔Tp”已经消逝，操作进行到S30。在S30中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，在S32中，关闭阳极排气排放阀27。这就使燃料电池***返回至正常的操作条件。

同时，在S40至S52中执行的正常排放与参阅第一实施方案描述的内容相同，因此省略了重复说明。

在上面提出的第四实施方案中，具有如下有利作用：在迫使阳极排气从阳极排气再循环单元临时排放时，使供应给燃烧室7的阳极排气流量小于预定的排放速率，并且控制阳极排气，以致排放延长的时间，从而抑制燃烧温度的过度上升，因而在配置上简化了***的结构，并且抑制了燃烧室的性能降低。

(第五实施方案)

接下来，参阅图12A至12E及图13，描述本发明的第五实施方案。第五实施方案具有与图1所示的第一实施方案相同的结构。第五实施方案具有以下特征：其中如果判断出预测的燃烧温度超过燃烧温度的上限值，将阳极排气的排放模式改变为不连续排放模式。也就是说，使阳极排气在一次循环中排放的时间间隔短于给定的排放时间间隔，并且阳极排气被重复排放多次，从而降低燃烧室的燃烧温度。

因此，第五实施方案实施控制，以致直至计算燃烧温度Te时，进行与第一实施方案相同的计算，因而如果判断出计算的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax，不改变阴极排气的流量和阳极排气的排放速率，而使阳极排气在一次循环中排放的时间间隔短于给定的排放时间间隔，并且在比给定排放时间间隔更长的时间内，多次排放阳极排气。这使阳极排气的排放模式被再次设定为预定的可选阳极排气排放的时间间隔，从而使阳极排气在分散的循环中排放，因而在阳极排气排放期间，将燃烧室的燃烧温度抑制至低于上限值的值。

通过对每个预测的操作条件，初步且实验性地确定排放时间Tp”(秒)排放时间间隔Tr”(秒)和排放次数X(次)来控制设定排放时间间隔的方法。

图12A至12E是阐述在第五实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图12A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图12B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图12C表示阴极排气的排放速率；图12D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图12E表示阳极排气的排放速率。

在图12A至12E中，多次执行重复操作，使阳极排气被排放时间间隔Tp”’，而将排放中断时间间隔Tr”’。与阳极排气被排放时间间隔Tp”’同步，从氢气供应单元1供应的氢气流量被增加等于阳极排气排放速率的速率。在以这种不连续的方式进行阳极排气排放操作时，燃烧室温度Te采取如图12A所示的锯齿波形，并且实行控制，以致锯齿波形的峰值不超过燃烧温度的上限值Tmax。

通过这样做，产生如下有利作用：如图12A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

图13是阐述在第五实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S10中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，使用排放操作恢复电池电压，从而预测向燃烧室7中排放阳极排气所产生的燃烧温度，这样计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过预定燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，通过S60之后的操作，阳极排气以不连续的方式排放，从而在下面的控制下进行排放：控制燃烧室7的燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax。在S60中，计算阴极排气流量的增加速率Rg。在S62中，作为阳极排气的排放条件，执行操作，设定一次循环的排放时间Tp”’、排放时间间隔Tr”’和排放次数X。

在下一步骤S64中，排放命令从***控制器37传送到阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S66中，打开阳极排气排放阀27；并且在S68中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S70中，判断从排放开始，给定的时间间隔Tp”’是否已经消逝，如果没有，操作返回至S70。如果从排放开始，给定的时间间隔Tp”’已经消逝，操作进行到S72。在S72中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，在S74中，关闭阳极排气排放阀27。在S76中，判断给定的时间间隔Tr”’是否已经消逝，如果没有，操作返回至S76。如果给定的时间间隔Tr”’已经消逝，操作进行到S78，其中，判断排放次数是否已经达到X的值。如果排放次数没有达到X的值，操作返回至S66。如果排放次数已经达到X的值，中断间歇排放，并且返回操作。这使燃料电池***恢复到正常的操作条件。

同时，在S40至S52中执行的正常排放与参阅第一实施方案描述的内容相同，因此省略了重复说明。

在上面提出的第五实施方案中，在迫使阳极排气从阳极排气再循环单元临时排放时，实施控制，使阴极排气和阳极排气的流量不改变，并且使阳极排气在一次循环中排放的时间间隔短于给定的排放速率，同时迫使阳极排气被不连续地排放多次；因此，具有以下有利作用：通过以分开的方式实施阳极排气的排放，降低了排放期间的平均燃烧温度。

(第六实施方案)

接下来，参阅图14、15A至15E以及图16，详细描述根据本发明的燃料电池***的第六实施方案。图14是阐述第六实施方案结构的***结构图。除了图1所示的第一实施方案中的组件外，第六实施方案打算进一步包括向燃烧室7的混合器23内部注入水的供水阀34，以及检测从纯水泵35向供水阀34供应的水温的温度检测器29j。第六实施方案在其它结构上与图1所示的第一实施方案相似，所以为了省略重复说明，与第一实施方案相同的组件部分用相同的标号表示。

在第六实施方案中，如果判断出计算的燃烧温度超过上限值，以适当的流量从供水阀34向燃烧室7供应纯水，从而快速响应地抑制燃烧温度的过度上升。

在该操作中，向燃烧室供应的水的流量按下面描述的顺序计算。

定义由温度检测器29j检测到的水温为Tw(K)，每1摩尔液态水的焓Hw(KJ/mol)按照下面的公式计算：

水(液态)：Hw(Tw)＝-3.07835e+02+7.25025e-02×Tw+4.38217e-06×Tw＾2，...(20)

定义供应的水的流量为Qw(mol/sec)，所以供应的水的焓(Hsw(Tw))由下式给出：

Hsw(Tw)＝Hw(Tw)×Qw(KJ/mol)，...(21)

因此，公式(12)和(13)被改写为：

QEh2o””＝QCh2o+QAh2+Qw(mol/sec)，...(12)””

HE(Te)””＝Ho2(Te)×QEo2+Hn2(Te)×QEn2+Hh2o(Te)×QEh2o””(KJ/sec)，...(13)””

根据等式(15)，就补充供应的水量Qw，进行收敛计算，在燃烧温度Te＝上限值Tmax的情况下，建立下面公式，从而计算Qw：

HC(Tc)+HA(Ta)+Hw(Tw)＝HE(Tmax)+Hb，...(22)

图15A至15E是阐述在第六实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图15A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图15B表示从供水阀34向燃烧室7供应的水的流量；图15C表示阴极排气的排放速率；图15D表示氢气供应单元1供应的氢气的流量；并且图15E表示阳极排气的排放速率。

当预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax时，按照排放阳极排气的排放时间Tp，从供水阀34向燃烧室7供应纯水。作为快速蒸发的结果，供应给燃烧室7的水从环境吸取蒸发热，导致燃烧室7的燃烧温度降低。

根据所述实施方案，具有以下有利的作用：可以避免如图15A中细实线所示的温度上升到超过燃烧温度上限值Tmax的燃烧温度，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。温度上升到燃烧温度，如图

图16是阐述在第六实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S10中，燃烧电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到给定值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过给定值，那么操作返回至S10，从而重复执行电池电压的检测及其判断。在S12中，使用排放操作来实现电池电压的恢复，从而预测阳极排气被排放到燃烧室7中而导致的燃烧温度，由此计算燃烧温度Te。使用上面的公式(1)至(15)，在流入或流出燃烧室7中气体的焓计算的基础上，计算所述燃烧温度Te的预测值。

在S14中，判断燃烧温度Te是否超过预定燃烧温度的上限值Tmax。在S14的判断中，如果燃烧温度Te不超过燃烧温度的上限值Tmax，操作进行到S40，实施正常的排放。

在S14的判断中，如果判断出燃烧温度Te超过预定的燃烧温度上限值Tmax，执行S80之后的操作，实施排放，同时进行温度控制，以致向燃烧室7供应水，从而预防燃烧室7的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax。

在S80中，计算从供水阀34向燃烧室7供应的水的流量Qw。在该计算中，按照上述的公式(20)至(22)，基于在温度检测器29j检测的水温Tw的基础上计算的焓，获得供应的水的流量Qw。

在下一步骤S82中，排放命令从***控制器37传送到供水阀34、阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S23中，空气供应单元2向燃烧室7供应空气，并且在S84中，开始从供水阀34向燃烧室7供应水，并且在S86中，打开阳极排气排放阀27；而在S88中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S90中，判断从排放开始，给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S90。如果从排放开始，给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S92，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，并且在S94中，关闭阳极排气排放阀27，而在S96中，中断从供水阀34供应水。这使燃料电池***恢复到正常的操作条件。

同时，在S40至S52中执行的正常排放与参阅第一实施方案描述的内容相同，因此省略了重复说明。

在上面提出的第六实施方案中，在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，由于以适当的流量向燃烧室7供应水能够抑制燃烧温度的过度上升，因而提供了只需要最少地改变燃料电池组操作条件，就能够以有利的响应抑制因过量热负载引起的燃烧室性能降低的有利作用。

(第七实施方案)

接下来，参阅图18A至18E以及图19至24，描述本发明的第七实施方案。第七实施方案具有与图1所示的第一实施方案相同的结构。在第一实施方案中，为了抑制燃烧温度的上升，在排放阳极排气同时，快速增加空气的流量(或阴极排气的流量)。但是，当以这种快速方式增加空气流量时，由于致动器，例如控制空气流量的压力调节阀延迟的响应，可能发生压力的波动。另外，根据压力波动的数量，燃料电池的膜电极组件肯定具有增加的压缩强度，结果可能增加成本。

考虑到上述问题，当前归档的实施方案的一个目标是提供一种控制的燃料电池***，抑制空气压力的波动，迫使即便在燃料电池中，燃烧室的燃烧温度也不超过给定温度，同时不需要具体的压缩强度。

图18A至18E是阐述在第七实施方案中燃烧温度控制的流程图，其中，图18A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图18B表示空气供应单元2供应的空气的流量；图18C表示阴极排气的排放速率；图18D表示供应的氢气的流量；并且图18E表示阳极排气的排放速率。

如图18A至18E所示，因为在开始排放阳极排气的同时，从氢气供应单元1供应的氢气流量就被增加等于阳极排气排放速率的增加值，所以在开始排放阳极排气前后一段时间间隔内，燃料电池组3的输出保持不变。

另外，执行控制，以致在预测的燃烧温度Te超过燃烧温度的上限值Tmax时，增加从空气供应单元2供应的空气流量，从而增加阴极排气的排放速率，如图18C所示；因此，不可能发生燃烧室中的实际燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况。

通过这样做，产生如下有利作用：如图18A中细实线所示，与温度过度上升的相关技术燃料电池***不同，不会发生燃烧温度超过燃烧温度上限值Tmax的情况，并且能够防止燃烧室的燃烧催化剂降级。

另外，当增加从空气供应单元2供应的空气流量时，或者当降低曾被增加的空气体积时，限制空气流量的变化率能使空气流量逐渐变化，如图18B所示。

因此，具有可以抑制在增加从空气供应单元2供应的空气流量时产生的空气压力波动的有利作用。

图19是阐述在第七实施方案中***控制器控制功能的流程图。

首先，在S100中，燃料电池组3的电池电压由电压检测器单元36检测，并且做出电池电压是否小于给定值(电压阀值)的判断。如果电压检测器单元36检测的每个单元电池的电压或者每组单元电池的电压降到电压阈值以下，操作进行到S12。如果这些电压超过电压阈值，那么操作返回至S100，从而重复执行电池电压的检测及其判断。

另外，以下述方式计算在S100中判断电池电压时使用的电压阈值。

根据空气温度检测器29a或29c检测的值，使用图20所示的数据表计算电压阈值。设定该数据表，以致空气温度越高，电压阈值越大，因此随着空气温度增加，在早期开始增加空气流量的操作，这将在下面详细地描述。同样，尽管细节在下面描述，但是因为随着空气温度的增加，容易发生空气压力的波动，所以为了抑制压力波动，执行操作，使要增加的空气流量的变化率(绝对值)最小。通过这样做，因为增加空气流量所需的时间间隔很长，所以随着空气温度的增加，增加上述的电压阈值使得在早期开始增加空气的流量，从而能够在开始排放阳极排气之前完成空气的增加。

此外，根据空气流量计32检测的值，使用在图21中表示的数据表来计算用来在S100中判断电池电压的电压阈值。设定该数据表，以致空气流量越高，电压阈值越大，因此在早期开始增加空气流量的操作。同样，尽管细节在下面描述，但是因为随着空气流量的增加，容易发生波动，所以为了抑制压力波动，执行操作，使要增加的空气流量的变化率(绝对值)最小。通过这样做，因为增加空气流量所需的时间间隔很长，所以随着空气流量的增加，增加上述的电压阈值使得在早期开始增加空气的流量，从而能够在开始排放阳极排气之前完成空气的增加。

S12至S16的操作内容与第一实施方案中图3所示的S12至S16的内容相同。

现在，在S102中，计算要增加的空气流量的变化率。

此处，以下述方式计算要增加的空气流量的变化率。

根据空气流量计32检测的值，使用如图22所示的预先储备在***控制器37中的数据表，计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)，图22中所示的数据表是允许从空气流量获得的空气流量变化率的数据表，并且被设定成空气温度越高，空气流量的变化率(绝对值)越小。当空气温度增加时，因为饱和蒸汽量的增加率增加，所以空气密度以空气温度变化的方式而大量变化。因此，在试图控制空气压力维持在固定值的情况中，空气密度的波动引起控制变量(例如压力控制阀的打开程度)的显著变化，因此随着空气温度的增加，空气压力易于波动。因此，使用图22所示的数据表提供了如下有利作用：随着空气温度的增加，空气流量逐渐增加，结果在空气流量增加阶段期间能够抑制空气压力的波动。

此外，以下述方式计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)。

根据空气流量计32检测的值，使用如图23所示的数据表，计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)。图24中所示的数据表是描绘空气流量的数据表的一个实例，从该数据表中可以获得要增加的空气流量变化率(绝对值)，并且被设定成流通的空气流量越大，空气流量的变化率(绝对值)越小。如果试图使用蝶形阀控制空气压力，以致控制其处于固定的压力下，阀的打开随着空气流量的增加而增加，导致在阀打开方面空气流量灵敏度的降低。因此，空气流量越大，在空气流量变化方面，阀打开的变化越大，因而容易发生空气压力的波动。所以，具有如下有利作用：通过使用图23所示的数据表，随着空气流量的增加，空气流量逐渐增加，从而可以在空气流量增加阶段期间抑制空气压力的波动。

此外，计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)，它具有比增加阶段被结束之后，空气流量降低阶段期间出现的更大的值。图24是预先储备在***控制器37中的数据表的一个实例，并且表示在从空气温度中获得空气流量变化时，使得在实线表示的空气流量增加阶段期间的空气流量变化率(绝对值)高于在虚线表示的空气流量降低阶段期间的空气流量变化率(绝对值)的实例。

当根据上述空气温度检测器29a或29c检测的空气温度，计算空气流量的变化率(绝对值)时，使用图24中实线所示的数据表来计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)。如前所述，当使用蝶形阀控制空气压力时，阀的打开随着空气流量的增加而增加，结果在阀打开程度方面空气流量的灵敏度降低。因此，当试图通过使用F/B控制来实施空气压力控制时，在空气流量增加期间，要计算的F/B补偿变量是可能很大。在使用常用的PI控制时，I控制变量(整体控制变量)取很大的值。

在这种条件下，如果试图快速降低空气的流量，可能发生由于所述F/B补偿变量，控制变量临时采取不正确值的情况，从而引起空气压力波动。因此，具有如下有利作用：在使用图24虚线所示的数据表时，在增加阶段被结束之后的降低阶段期间要计算的空气流量的变化率(绝对值)具有小于空气流量增加阶段期间空气流量的变化率(绝对值)的值，从而不仅在增加空气流量时，而且在增加阶段之后降低空气流量时都可以抑制空气压力的波动。

在下一步骤S104中，空气供应单元2开始增加向阴极5供应的空气的流量。此时，根据S102中计算的变化率，实施增加空气流量的操作。

在S106中，判断空气流量的增加是否已经完成。基于空气流量的检测值来进行判断，并且在增加操作已经被完成的情况下，操作进行到S18。

在S18中，排放命令从***控制器37传送到阳极排气排放阀27和氢气供应单元1。在收到所述排放命令时，在S24中，打开阳极排气排放阀27；并在S26中，氢气供应单元1增加向阳极4供应的氢气的流量。

在随后的S28中，判断从排放开始，给定的时间间隔Tp是否已经消逝，如果没有，操作返回至S28。如果从排放开始，给定的时间间隔Tp已经消逝，操作进行到S30。在S30中，中断从氢气供应单元1供应的氢气流量的增加，并且在S32中，关闭阳极排气排放阀27。

在接着的S108中，计算要增加的空气流量的变化率。

此时，根据空气温度检测器29a或29c检测的值，使用如图22所示的数据表，计算要增加的空气流量的变化率(绝对值)。该数据表如下确定：以致如上面所述，空气温度越高，空气流量的变化率(绝对值)越小，并且具有如下有利作用：随着空气温度的增加，空气流量逐渐降低，并且可以在降低阶段期间抑制空气压力的波动。

此外，根据气流检测器32检测的值，使用如图23所示的数据表，计算要降低的空气流量的变化率(绝对值)。设定该数据表，以致如上所述，流通的空气流量越大，空气流量的变化率(绝对值)越小，并且具有如下有利作用：随着空气流量的增加，空气流量逐渐降低，并且可以在降低阶段期间抑制空气压力的波动。

另外，计算降低阶段期间空气流量的变化率(绝对值)，它具有比增加阶段期间空气流量的变化率(绝对值)更小的值。具有如下有利作用：根据图24虚线所示的数据表，计算降低阶段期间空气流量的变化率(绝对值)，使不仅在增加空气流量时，而且在增加阶段之后降低空气流量时，可以以上述所述的方式抑制空气流量的波动。

在接着的S110中，空气供应单元2开始降低向阴极5供应的空气的流量。此时，根据S108中计算的变化率，降低空气流量，并且空气流量被恢复到原始条件。这使燃料电池***返回至正常操作条件。

S40至S52与图3中所示第一实施方案的S40至S52相同。

另外，在第一至第七实施方案中，在预测燃烧温度Te时，通过流入或流出燃烧室的气体的焓的计算来预测燃烧温度，可以使用图17中所示的燃烧温度对燃料电池操作条件(此处，阴极排气流量和相对湿度)绘制的图。

也就是说，收集原型燃料电池中对于各个操作条件燃烧温度的测量数据，并且通过使用所述数据，绘制燃烧温度对操作条件的图。并且，所述图表被储存在***控制器37中，用来预测燃烧温度。在这种情况中，***控制器程序的静态步骤和动态步骤的数量明显降低，因而能够以相对简单地方式实现***控制。

但是，在使用所述图表预测燃烧温度时，由于***流量控制和大气温度方面的误差的不利的影响，可能发生燃烧温度预测精确度降低的情况，可取地设定上限值Tmax到低于基于焓而获得的燃烧温度的水平。

工业应用性

在上述的本发明中，通过在通过排放单元排放阳极排气时，控制燃烧室中燃烧气体的温度决不超过给定温度，具有可以抑制由于过量热负载引起的燃烧室性能降低的有利作用。

归档日期为2002年11月13日的日本专利申请第P2002-329978号和归档日期为2003年8月20日的第2003-296773号的全部内容引入本文作参考。

尽管参阅本发明的特定实施方案已经描述了本发明，但是本发明并不限制于上述的实施方案，而且根据所述教导，那些本领域的技术人员可以做出修改。本发明的范围参阅下面的权利要求来定义。

Claims (17)

1、一种燃料电池***，包含:

供应燃料气体的燃料气体供应单元；

供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；

使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；

将从燃料电池组的阳极排放出的阳极排气再循环到阳极上的阳极排气再循环单元；

临时从阳极排气再循环单元将阳极排气排放到其外面的排放单元；

至少燃烧从排放单元中排放的阳极排气和氧化剂气体或所述阳极排气和从燃料电池组的阴极排放的阴极排气的燃烧室；以及

进行***控制操作的***控制器，使得在排放单元向燃烧室排放阳极排气时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。

2、根据权利要求1的燃料电池***，其中***控制器设定成

基于燃料电池组的运行负载预测进入燃烧室的混合气体的流量和组成的至少一种，并且根据所述预测结果预测燃烧室的燃烧温度，当判断出预测的燃烧温度超过了给定温度时，执行***控制，从而预防燃烧温度超过给定温度。

3、根据权利要求2的燃料电池***，其中操作***控制器实施控制，使得在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，如果判断出预测的燃烧温度超过了给定温度，则增加要从氧化剂气体供应单元供应的氧化剂气体的流量，从而增加要供应给燃烧室的氧化剂气体或者阴极排气的流量。

4、根据权利要求2的燃料电池***，进一步包含向燃烧室供应辅助氧化剂气体的辅助氧化剂气体供应单元；

其中操作***控制器实施控制，使得在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，如果判断出预测的燃烧温度超过了给定温度，则从辅助氧化剂气体供应单元向燃烧室附加供应辅助氧化剂气体。

5、根据权利要求2的燃料电池***，其中操作***控制器实施控制，使得在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，如果判断出预测的燃烧温度超过了给定温度，则设置阳极排气流量小于预定的排放流量，并且增加阳极排气的排放时间间隔。

6、根据权利要求2的燃料电池***，其中操作***控制器实施控制，使得在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，如果判断出预测的燃烧温度超过了给定温度，则不改变阴极排气流量和阳极排气排放流量，然而对于一次循环，设置阳极排气的排放时间短于预定的排放时间间隔，并且多次不连续地排放阳极排气。

7、根据权利要求2的燃料电池***，其中操作***控制器实施控制，使得在从阳极排气再循环单元临时排放阳极排气时，如果判断出预测的燃烧温度超过了给定温度，则以给定的流量向燃烧室供应水。

8、根据权利要求3的燃料电池***，其中操作***控制器，通过流入或流出燃烧室的气体的焓的计算来预测燃烧温度。

9、根据权利要求3的燃料电池***，其中操作***控制器，初步储存事先由实验获得的燃烧温度对阴极排气排放速率条件的图表，并且参照燃烧温度图来预测燃烧温度。

10、根据权利要求1的燃料电池***，其中为了限制氧化剂气体或阴极排气流量的变化率，在允许排放单元开始排放阳极排气之前，操作***控制器，开始增加从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或阴极排气的流量。

11、根据权利要求1的燃料电池***，其中为了限制氧化剂气体或阴极排气流量的变化率，在结束排放阳极排气之后，操作***控制器，开始降低从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或阴极排气的流量。

12、根据权利要求1的燃料电池***，其中操作***控制器，限制从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或阴极排气的流量的变化率，使得从氧化剂气体供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体，或者阴极排气的变化率绝对值随着氧化剂气体或者阴极排气温度的增加而降低。

13、根据权利要求1的燃料电池***，其中操作***控制器，随着氧化剂气体或者阴极排气温度的增加，提前开始增加从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或者阴极排气的流量的时间。

14、根据权利要求1的燃料电池***，其中操作***控制器，限制从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或者阴极排气的流量流量变化率，使得变化率的绝对值随着氧化剂气体或者阴极排气的流量的增加而降低。

15、根据权利要求1的燃料电池***，其中操作***控制器，随着氧化剂气体或者阴极排气流量的增加，提前开始增加从氧化剂供应单元向燃烧室供应的氧化剂气体或者阴极排气的流量的时间。

16、根据权利要求1的燃料电池***，进一步包含控制氧化剂气体或阴极排气压力的氧化剂气体压力控制单元；

其中操作***控制器，控制氧化剂气体压力控制单元，在供应给燃烧室的氧化剂气体或阴极排气的流量增加阶段之后的流量降低阶段期间，使得供应给燃烧室的氧化剂气体或阴极排气的流量变化率的绝对值小于增加阶段期间供应的氧化剂气体或阴极排气流量变化率的绝对值。

17、一种控制燃料电池***的方法，包含:

制备供应燃料气体的燃料气体供应单元、供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元、使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组、至少燃烧从阳极排气排放的阳极排气以及氧化剂气体或从燃料电池组阴极排放的阴极排气的燃烧室；

从燃料电池组的阳极排放阳极排气；

再循环从燃料电池组阳极排放的阳极排气至阳极；

至少燃烧从燃料电池组阳极排放的阳极排气，以及氧化剂气体或从燃料电池组阴极排放的阴极排气；以及

执行***控制，使得在允许阳极排气排放到燃烧室时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。

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