(57)【要約】【課題】  アノードオフガスのパージ時に、燃焼器における燃焼温度が上限温度を超えることを防止し、過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制する。【解決手段】  システムコントローラ３７は、温度検出器２９、圧力検出器３０、湿度検出器３１から検出されるアノードオフガス及びカソードオフガスの状態信号に基づいて、エンタルピ計算を行い、パージ時の燃焼器７の燃焼温度を予測する。予測燃焼温度が上限値を超える場合、カソードオフガスを増量して、燃焼器７における燃焼温度を上限値以下に抑制する。【選択図】      図１
2004179149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに循環させるアノードオフガス循環装置と、
前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に外部へ排出するパージ手段と、
少なくとも前記パージ手段により排出されるアノードオフガスと前記酸化剤ガスまたは燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記パージ手段によりアノードオフガスを前記燃焼器へ排出する際に、該燃焼器の燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御するシステム制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記システム制御手段は、
前記燃料電池スタックの運転負荷に基づいて前記燃焼器に流入する混合ガスの流量、組成のうち少なくとも一つを予測し、この予測に基づいて前記燃焼器の燃焼温度を予測し、この予測燃焼温度が所定温度を超えると判断される場合に、燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記システム制御手段は、
前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、前記燃焼器の予測燃焼温度が所定の温度を超えると判断される場合に、前記酸化剤ガス供給装置からの供給量を増加させて燃焼器に供給する酸化剤ガスまたはカソードオフガスの流量を増加させるように制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給装置を備え、
前記システム制御手段は、前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、前記燃焼器の予測燃焼温度が所定の温度を超えると判断される場合に、前記補助酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器に酸化剤ガスを追加供給するよう制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記システム制御手段は、
前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、前記燃焼器の予測燃焼温度が所定の温度を超えると判断される場合に、アノードオフガス流量を予め設定される排出流量よりも小さくし、且つアノードオフガス排出時間を長くするよう制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記システム制御手段は、
前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、前記燃焼器の予測燃焼温度が所定の温度を超えると判断される場合に、カソードオフガス流量およびアノードオフガスの排出流量は変更せず、一回のアノードオフガス排出時間を予め設定される所定の排出時間よりも短い排出時間とし、且つ断続的に複数回に分けて排出するよう制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記システム制御手段は、
前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、前記燃焼器の予測燃焼温度が所定の温度を超えると判断される場合に、燃焼器に適切な量の水を供給するよう制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記システム制御手段は、
前記燃焼器へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算により前記燃焼温度を予測することを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記システム制御手段は、
事前に実験的に求められたカソードオフガス流量条件に対する燃焼温度のマップを予め記憶し、この燃焼温度のマップを参照して前記燃焼温度を予測することを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記システム制御手段は、
前記パージ手段によってアノードオフガスの排出が開始される前に、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の増加を開始し、該供給量の変化率を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記システム制御手段は、
前記パージ手段によってアノードオフガスの排出が終了した後に、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の減少を開始し、該供給量の変化率を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記システム制御手段は、
前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの温度が高いほど、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の変化率の絶対値が小さくなるように、該供給量の変化率を制限することを特徴とする請求項１、請求項１０、請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記システム制御手段は、
前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの温度が高いほど、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の増加を開始する時期を早めることを特徴とする請求項１、請求項１０、請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記システム制御手段は、
前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの流量が大きいほど、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の変化率の絶対値が小さくなるように、該供給量の変化率を制限することを特徴とする請求項１、請求項１０、請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記システム制御手段は、
前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの流量が大きいほど、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃焼器へ供給される前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの供給量の増加を開始する時期を早めることを特徴とする請求項１、請求項１０、請求項１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段を備え、
前記システム制御手段は、前記酸化剤ガス或いは前記カソードオフガスの前記燃焼器へ供給量増加後の供給量減少時の流量変化率の絶対値が、供給量増加時の流量変化率の絶対値より小さくなるように、前記酸化剤ガス圧力制御手段を制御することを特徴とする請求項１、または請求項１０乃至請求項１５の何れか１項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、燃料電池システムに係り、特にアノードオフガスを燃焼する燃焼器の温度制御を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池には、電気化学反応で消費される水素流量より多量の水素をアノード（燃料極）入口に供給し、アノード出口から排出される未反応の水素ガスを含むアノードオフガスをアノード入口に再循環させるアノードオフガス循環型のものがある。
【０００４】
このアノードオフガス循環型燃料電池においては、カソード（空気極）からアノードへ空気や水蒸気がリークし、運転を継続すると、アノードガス中の窒素濃度及び水蒸気濃度が高まる現象が起きる。また、燃料ガスである水素中にも不純物が含まれる場合があり、これらの不純物は、水素のように電気化学反応により消費されることなくアノードガス中に蓄積する。
【０００５】
これらの現象が起きると、発電性能が低下して好ましくないので、ある程度運転を継続した後には、不純物を多く含むアノードガスをアノードオフガス循環路から外部の燃焼器へ排出し、燃焼器でアノードオフガスを空気とともに燃焼させている。
【０００６】
このような燃焼器は、例えば特許文献１記載の技術のように、空気流量を制御して、燃焼器の温度が耐熱温度を超えないように制御されている。
【０００７】
この従来技術によれば、アノードオフガスとカソードオフガスの一部とが導入されて燃焼する燃焼室を有する燃料改質器と、カソード排ガスタービンで駆動される空気圧縮機と、空気圧縮機からの空気と一緒に空気を燃焼室へ送り込む低温ブロワとを備えている。
【０００８】
そして、燃料電池に対する出力指令と燃焼排ガスの酸素濃度と燃焼器の出口温度とに基づき、低温ブロワへの回転数の指令を出力する共に、改質器燃焼空気流量調節弁への開度補正指令を出力する制御器を設けている。そして燃焼室の出口温度が上限値を超えた場合、改質器燃焼空気流量調節弁の開度を増加させ、且つその開度に対応させて低温ブロワの回転数を増加させ、改質器の燃焼室への空気流量を増やして燃焼室の温度を低下させるように制御している。
【特許文献１】特開平８−０７８０３０号公報（第６ページ、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術においては、燃焼室出口ガス温度を検出して温度上限値を超えた場合に空気流量を増加して燃焼室の温度を低下させるという構成になっていたため、間欠的且つ短時間の燃焼を行う場合には、燃焼室内で燃焼させても燃焼室の熱容量があるために出口ガス温度の温度上昇が小さくなり、温度上限値を超えたことを検知できずに燃焼室の性能低下を生じる可能性があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスをアノードオフガス循環路を介して前記アノードに循環させるアノードオフガス循環装置と、前記アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に外部へ排出するパージ手段と、少なくとも前記パージ手段により排出されるアノードオフガスと前記酸化剤ガスまたは燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ手段によりアノードオフガスを前記燃焼器へ排出する際に、該燃焼器の燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御するシステム制御手段を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、パージ手段によりアノードオフガスを排出して、燃焼器で燃焼する際に、燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御することにより、過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
〔第１実施形態〕
次に図１乃至図３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給装置（燃料ガス供給装置）１と、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）２と、アノード４とカソード５を電極として備えそれぞれの電極に供給された水素と空気とを用いて発電する燃料電池スタック３と、アノードオフガスをアノードオフガス循環配管１２を介してアノード４の上流に循環させるアノードオフガス循環装置６と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼器７と、起動時に燃焼器７の燃焼排ガスで冷媒を加熱する冷媒用熱交換器８と、冷媒冷却装置９と、水素及び空気を加湿する加湿装置１０と、空気流量制御弁１６と、冷媒を熱交換器８又は冷媒冷却装置９と燃料電池スタック３との間に循環させる冷媒ポンプ２１と、冷媒流路を熱交換器８又は冷媒冷却装置９に切り換える三方弁２２と、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６から外部へ排出するアノードオフガス排出弁（パージ手段）２７と、温度検出器２９ａ〜２９ｇ、圧力検出器３０ａ〜３０ｄ、湿度検出器３１ａ、３１ｂ、空気流量計３２，水素流量計３３，燃料電池スタック３のセル電圧を検知する電圧検知手段３６，および燃料電池システム全体を制御するシステムコントローラ（システム制御手段）３７を備えている。
【００１４】
尚、以下の説明では、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６から燃焼器７へ一時的に排出することを「パージ」とも呼ぶ。
【００１５】
燃焼器７は、供給される水素あるいはアノードオフガスと、空気あるいはカソードオフガスとを混合して均一な混合ガスを形成するミキサ２３と、燃焼触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼室２４とで構成されている。
【００１６】
燃焼室２４には、温度検出器２９ｅが設けられ、この検出温度の情報は、図示しない信号線でシステムコントローラ３７へ送られる。
【００１７】
燃焼器７には、アノードオフガス排出弁２７を介して水素が供給されるとともに、空気供給装置２から空気流量調整弁１７を介して空気、カソードオフガス排出配管１５を介してカソードオフガスが供給される。そして、ミキサ２３でこれらのガスが混合され、混合ガスが燃焼触媒２４で燃焼される。燃料電池システムの起動時に燃焼器７で生成された燃焼ガスは、冷媒用熱交換器８で冷媒と熱交換され冷媒温度を運転温度まで上昇させるのに用いられ、その後、排気配管１９によりシステム外へ排出される。尚、排気配管１９からは凝縮水が回収されて、純水タンク２５に貯蔵される。
【００１８】
純水タンク２５に貯蔵された純水は、純水ポンプ３５により、純水配管２６を介して加湿装置１０へ供給され、加湿装置１０は、この純水を用いて燃料電池スタック３に供給する水素及び空気を加湿する。
【００１９】
燃料電池スタック３は、例えば不凍液等の冷媒により、運転温度が適温に維持されるように温度管理されている。このため、通常運転時には、三方弁２２は、冷媒ポンプ２１と冷媒冷却装置９とを連通し、冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒冷却装置９、燃料電池スタック３、冷媒ポンプ２１という閉路を冷媒が循環する。これにより、燃料電池スタック３の発熱を冷媒冷却装置９からシステム外へ放出して、燃料電池スタック３の温度を適温に維持する。
【００２０】
一方、燃料電池システムの起動時には、三方弁２２は、冷媒ポンプ２１と冷媒用熱交換器８とを連通し、冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒用熱交換器８、燃料電池スタック３、冷媒ポンプ２１という閉路を冷媒が循環する。これにより、冷媒温度を冷媒用熱交換器８で上昇させて、燃料電池スタック３の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。
【００２１】
システムコントローラ３７は、アノードオフガス排出弁２７によりアノードオフガスを燃焼器７へ排出する際に、燃焼器７の燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御するシステム制御手段である。
【００２２】
またシステムコントローラ３７には、空気流量計３２，水素流量計３３，温度検出器２９ａ〜２９ｇ、圧力検出器３０ａ〜３０ｄ、湿度検出器３１ａ、３１ｂ及び電圧検知手段３６が接続されている。システムコントローラ３７には、これらの装置類により、空気供給装置２から供給する空気の流量、温度、圧力、水素供給装置１から供給する水素の流量、温度、圧力、カソード５から排出されるカソードオフガスの温度、圧力、湿度、アノード４から排出されるアノードオフガスの温度、圧力、湿度をそれぞれ入力することができるようになっている。
【００２３】
さらに電圧検知手段３６は、燃料電池スタック３を構成する各セル毎または複数セルからなるセル群毎に電圧を検知して、これらの電圧値をシステムコントローラ３７へ出力する。
【００２４】
システムコントローラ３７は、上記装置類から検出信号および車両運転者の操作による発電システム負荷指令信号を入力されて、水素供給装置１，空気供給装置２，アノードオフガス循環装置６，冷媒ポンプ２１，純水ポンプ３５，空気流量調整弁１６，１７，三方弁２２、及びアノードオフガス排出弁２７を制御することにより、燃料電池スタック３に対する水素及び空気の供給、燃料電池スタック３の温度を制御する。さらに、システムコントローラ３７は、アノードオフガス排出弁２７からアノードオフガスを燃焼器７へ排出する際に、燃焼器７の温度が所定温度を超えないように制御する。また、特に限定されないが、本実施形態においては、システムコントローラ３７は、ＣＰＵとメモリとＩ／Ｏインタフェースを有するマイクロコンピュータで構成されている。
【００２５】
次に、燃料電池システムの動作を説明する。水素供給装置１から水素をアノード４に、空気供給装置２により空気をカソード５にそれぞれ供給し、燃料電池スタック３内で反応させて発電する。その際アノード４からは消費されずに残ったアノードオフガスが、またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００２６】
通常運転時にアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６によりアノードオフガス循環配管１２を介して水素供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給される。
【００２７】
カソードオフガスは燃焼器７へ供給された後に、冷媒用熱交換器８、排気配管１９を経由してシステム外へ排気される。
【００２８】
ここで燃料電池スタック３のセル電圧を検知する電圧検知手段３６により所定の電圧値よりも低い電圧が検知された場合には、システムコントローラ３７が発信するパージ信号に基づいて、アノードオフガス排出弁２７から所定流量のアノードオフガスが燃焼器７に排出されると同時に、水素供給装置１から供給する水素の流量が水素供給圧力を一定に保ちつつアノードオフガス流量と略同量だけ増量される。
【００２９】
この際、空気流量計３２で検出される空気流量と、水素流量計３３により検出される水素流量と、温度検出器２９ｃにより検出されるカソードオフガス温度と、圧力検出器３０ａにより検出されるカソードオフガス圧力と、湿度検出器３１ａにより検出されるカソードオフガス湿度とにより、カソードオフガスの水蒸気も含めたガス組成およびカソードオフガスのエンタルピを算出する。
【００３０】
一方アノードオフガス循環装置６から排出されるアノードオフガスの組成を水素のみと仮定し、予め設定されるアノードオフガス排出流量と、温度検出器２９ｄにより検出されるアノードオフガスの温度とによりアノードオフガスのエンタルピを算出する。
【００３１】
そして、算出されたカソードオフガスおよびアノードオフガスのエンタルピを基に燃焼器７での燃焼温度の予測値を算出する。以下にその計算方法の一例を示す。
【００３２】
以下の各ガス成分の１モル当りのエンタルピ(単位：KJ/mol)は、絶対温度Ｔ(単位：K)の関数として以下の式にて表される。
【００３３】
（数１）
水素：Hh2(T)＝ -8.64597E+00 + 2.90620E-02×T - 4.10000E-07×T^2 
+ 6.63433E-10×T^3                                    …(1)
酸素：Ho2(T)＝ -8.18267E+00 + 2.55940E-02×T + 6.62550E-06×T^2 
- 1.40167E-09×T^3                                    …(2)
窒素：Hn2(T)＝ -8.31059E+00 + 2.70160E-02×T + 2.90600E-06×T^2 
- 9.63333E-11×T^3                                    …(3)
水(gas)：Hh2o(T)＝-2.51277E+02 + 3.02040E-02×T + 4.96650E-06×T^2 
+ 3.72333E-10×T^3                                …(4)
燃料電池スタック３へ供給する空気流量Qsa(mol/sec)および水素流量Qsh(mol/sec)から求められるカソードオフガス中の酸素流量、窒素流量をそれぞれQCo2(mol/sec) 、QCn2(mol/sec) 、および温度検出器２９ｃ、圧力検出器３０ｃ、湿度検出器３１ａで検出されるカソードオフガスの温度Tc(K) 、圧力Pc(KPa) 、相対湿度Huc(%)を基に求められる水蒸気流量をQCh2o(mol/sec)とし、またアノードオフガス排出弁２７の開度で設定されるアノードオフガス流量をQAh2(mol/sec) 、アノードオフガスの温度をTa (K)とすると、カソードオフガスの単位時間当りのエンタルピHC、およびアノードオフガスの単位時間当りのエンタルピHAは、式(1)(2)(3)(4)よりそれぞれ以下の式で表される。
【００３４】
（数２）
空気の組成を酸素：窒素＝0.21：0.79とすると、
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)
（ただし、Huh2o(Tc)は、温度Tcにおける水の飽和蒸気圧(KPa)）
HC(Tc) = Ho2(Tc)×QCo2 + Hn2(Tc)×QCn2 + Hh2o(Tc)×QCh2o  (KJ/sec)     …(8)
HA(Ta) = Hh2(Ta)×Qah2     (KJ/sec)                                    …(9)
【００３５】
次に燃焼器７で燃焼した際の燃焼温度を算出する。  
アノードオフガス中の水素は完全燃焼するとおくと、カソードオフガスおよびアノードオフガスの組成、流量より、燃焼ガスの各成分の流量を以下のように想定することができる。
【００３６】
（数３）
酸素流量 QEo2 = QCo2 - QAh2／2     (mol/sec)                         …(10)
窒素流量 QEn2 = QCn2              (mol/sec)                          …(11)
水蒸気流量 QEh2o = QCh2o + QAh2    (mol/sec)                         …(12)
ここで燃焼温度をTe (K)と仮定すると、式(2)(3)(4)より燃焼ガスの単位時間当りのエンタルピHEは次式で表される。
【００３７】
（数４）
HE(Te) = Ho2(Te)×QEo2 + Hn2(Te)×QEn2 + Hh2o(Te)×QEh2o  (KJ/sec)   …(13)
また水素の低発熱量を241.8(KJ/mol)とすると、水素の単位時間当りの反応熱Hbは、
（数５）
Hb = 241.8×QAh2   (KJ/sec)                                          …(14)
式(8)(9)(13)(14)により、以下の式が成立するように燃焼温度Teに関して収束計算を行い、燃焼温度Teを求める。
【００３８】
（数６）
HC(Tc) +HA(Ta) = HE(Te) +Hb                                          …(15)
【００３９】
本来アノードオフガスには、カソード５から電解質膜を介してアノード４に拡散する窒素や水が含まれることが想定されるが、アノードオフガスのパージが進むに連れて、水素濃度が高まり逆に不純物濃度が低下する。
【００４０】
このため、アノードオフガスの組成を水素のみと仮定して燃焼温度を算出することにより、アノードオフガス排出末期において燃料電池スタック３内の水素通路とアノードオフガス循環装置６とアノードオフガス循環配管１２とからなるアノードオフガス循環系が全て水素で置換された後の略水素１００％のアノードオフガスが燃焼器７に供給される場合を考慮した燃焼温度に対応することができるため、燃焼器７の過度な温度上昇は防止できる。
【００４１】
また十分に応答性が良い温度検出器２９ｃ、２０ｄ、湿度検出器３１ａ、３１ｂ等の計測手段により過渡的なガス組成が把握でき、且つ供給ガスの流量調整が応答良く行える場合には、アノードオフガスについても各ガス成分毎にエンタルピを求めて燃焼温度を算出することにより制御を行ってもよい。
【００４２】
ここで算出された燃焼温度の予測値が予め設定される上限値よりも低い場合は流量条件の変更は行わない。  
しかし燃焼温度の予測値が上限値を超える場合は、燃焼温度を上限値以下とするために、燃料電池スタック３を経由して燃焼器７に供給する空気量を増量して、燃焼温度を上限値以下に抑制するよう制御する。
【００４３】
この際空気増量を算出するには以下の手順で行う。  
まず増量する空気流量をQair(mol/sec) とし、増量する空気と増量する空気が燃料電池スタック３から持出す水蒸気の混合気のエンタルピHairを温度Tc(K) に基づいて式 (2)(3)(4)により仮定する。この際燃料電池スタック３に供給する空気流量を増加させても燃料電池スタック３の熱容量は十分に大きく、また燃料電池スタック３内部の湿潤度も十分なため、カソードオフガスの温度Tcおよび相対湿度Hucも短期的に見れば変わらないものと見なせる。
【００４４】
（数７）
Hair(Tc) = Qair×0.21×Ho2(Tc) + Qair×0.79×Hn2(Tc) 
+ Qair×( Huh2o(Tc)×Huc/100/(Pc - Huh2o(Tc)×Huc/100))   (KJ/sec)                                                                        …(16)
次に燃焼ガス中の酸素、窒素、水蒸気流量を空気増量分だけ追加し、温度Teの際の燃焼ガスのエンタルピHE(Te)'を以下の式とする。
【００４５】
（数８）
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)'
式(15)の左辺にHairを加えて、且つ右辺の燃焼温度Teに予め設定される燃焼温度上限値Tmaxを代入し、空気流量Qairに関して収束計算を行い、Qairを算出する。
【００４６】
（数９）
HC(Tc) +HA(Ta) +Hair(Tc) = HE(Tmax)' +Hb                             …(17)
所定のアノードオフガス排出時間が経過した時点で燃焼器７へのアノードオフガス排出を停止すると同時に、水素供給装置１での水素流量の増量および空気供給装置２での空気の増量を停止して、通常運転に移行する。
【００４７】
図２は、第１実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【００４８】
図２において、アノードオフガスの排出と同時に、水素供給装置１から供給する水素流量をアノードオフガス排出量と同じだけ増量させているので燃料電池スタック３の出力は、排出開始前と開始後とで一定に保持される。また、予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、空気供給装置２から供給する空気を増量してカソードオフガス排出量を図２（ｃ）のように増加しているので、実際の燃焼器における燃焼温度が燃焼温度上限値Tmaxをこえることがないように制御されている。
【００４９】
これにより、従来の燃料電池システムにおいて生じる可能性がある図２（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【００５０】
図３は、第１実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００５１】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、上記の式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【００５２】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【００５３】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ１６以下の処理により、燃焼器７に供給する空気流量を増量して燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御したパージを行う。
【００５４】
Ｓ１６では、増量する空気流量Qairを算出する。この算出に際し、上記の式（１）〜式（１７）を用いて説明したように、カソードオフガスの温度Tcおよび相対湿度Hucが短期的に見れば変わらないものと見なしたエンタルピ計算に基づいて、増量する空気流量Qairを求めることができる。
【００５５】
次いでＳ１８で、システムコントローラ３７から、空気供給装置２、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ２０で空気供給装置２がカソード５へ供給する空気流量を増量し、Ｓ２４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ２６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【００５６】
次いでＳ２８で、パージを開始してから所定時間Tpが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ２８へ戻る。パージを開始してから所定時間Tpが経過すると、Ｓ３０へ進み、Ｓ３０で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ３２でアノードオフガス排出弁２７を閉止し、Ｓ３４で空気供給装置２の空気増量を停止する。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。
【００５７】
一方、Ｓ４０では、所定条件にてアノードオフガスを排出する過程を開始する。Ｓ４２で、システムコントローラ３７から、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ４４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ４６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【００５８】
次いでＳ４８で、パージを開始してから所定時間Tpが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ４８へ戻る。パージを開始してから所定時間Tpが経過すると、Ｓ５０へ進み、Ｓ５０で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ５２でアノードオフガス排出弁２７を閉止する。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。
【００５９】
以上説明した第１実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを排出する際に燃焼器で生成する燃焼ガスの温度が所定の温度を超えないように制御することにより、過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００６０】
また、燃料電池スタック運転負荷に基づいて燃焼器に流入する混合ガスの流量、組成のうち少なくとも一つを予測して燃焼温度を予め予測することにより、所定の温度を超えると判断される場合に燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御することにより、短時間しか燃焼を行なわずに燃焼器入口部温度と出口部温度が異なる場合でも燃焼器全体において過度な温度上昇を抑制して過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００６１】
〔第２実施形態〕
次に図４乃至図６を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を詳細に説明する。
【００６２】
図４は、第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第２実施形態では、空気供給装置２と燃焼器７との間に、空気流量制御弁１７および空気供給配管１８を追加配置し、空気供給装置２から供給する空気の一部を分岐して燃焼器７に直接供給できるように構成している。その他の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様であるので、同一の構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００６３】
本実施形態は、上記構成により、燃料電池スタック３を経由することなく、空気供給装置２から空気流量制御弁１７を介して直接に空気を燃焼器７に供給できるため、燃焼器７への空気増量応答性を向上して燃焼温度の上昇をより正確に抑制することができる。
【００６４】
この場合、必要な空気増量を算出する際に、増量する空気の温度としてTc(K) に換えて、空気供給装置２から供給する空気の温度を検出する温度検出器２９ａにより検出される温度Tair(K) を用いること、および増量する空気は燃料電池スタック３を通さず直接燃焼器７に供給するため空気増加に伴う水蒸気増加量は考慮しないこと以外は、第１実施形態と同様に行う。
【００６５】
その際、式(16)および式(13)'はそれぞれ次の式として、式(17)に代入して空気増量を算出する。
【００６６】
（数１０）
Hair(Tair) = Qair×0.21×Ho2(Tair) + Qair×0.79×Hn2(Tair)  (KJ/sec) …(16)'
HE(Te)' = Ho2(Te)×QEo2' + Hn2(Te)×QEn2' + Hh2o(Te)×QEh2o  (KJ/sec)                                                                …(13)'''
図５は、第２実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【００６７】
図５において、アノードオフガスの排出と同時に、水素供給装置１から供給する水素流量をアノードオフガス排出量と同じだけ増量させているので燃料電池スタック３の出力は、排出開始前と開始後とで一定に保持される。また、予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、空気供給装置２から空気流量制御弁１７を介して供給する空気を増量しているので、燃焼器における実際の燃焼温度が燃焼温度上限値Tmaxを超えることがないように制御されている。このとき、増量される空気の流路は、カソードオフガスの流路とは独立しているので、カソードオフガス排出量は、図５（ｃ）のように変化せず一定値が保持される。
【００６８】
これにより、図５（ａ）に細実線で示すような従来の燃料電池システムにおいて生じる可能性がある燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【００６９】
図６は、第２実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００７０】
まず、Ｓ１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、第１実施形態と同様に、式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【００７１】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【００７２】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ１６以下の処理により、燃焼器７に供給する空気流量を増量して燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御したパージを行う。
【００７３】
Ｓ１６では、増量する空気流量Qairを算出する。この算出に際し、上記の式（１）〜式（１７）を用いて説明したように、カソードオフガスの温度Tcが短期的に見れば変わらないものと見なしたエンタルピ計算に基づいて、増量する空気流量Qairを求めることができる。
【００７４】
次いでＳ１８で、システムコントローラ３７から、空気供給装置２、流量制御弁１６、１７、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ２０で空気供給装置２が供給する空気流量を増量し、Ｓ２１でカソード５へ空気を供給する空気流量制御弁１６の開度を調整するとともに、空気供給装置２から直接に燃焼器７へ空気を供給する空気流量調整弁１７を開く。Ｓ２４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ２６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【００７５】
次いでＳ２８で、パージを開始してから所定時間Tpが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ２８へ戻る。パージを開始してから所定時間Tpが経過すると、Ｓ３０へ進み、Ｓ３０で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ３２でアノードオフガス排出弁２７を閉止する。Ｓ３３で空気流量調整弁１６の開度を戻すとともに、空気流量調整弁１７を閉止する。Ｓ３４で空気供給装置２の空気増量を停止する。これにより、燃料電池システムは通常の運転状態に復帰する。
【００７６】
一方、Ｓ４０乃至Ｓ５２の通常のパージは、第１実施形態で説明した内容と同一であるので、重複する説明を省略する。
【００７７】
以上説明した第２実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを排出する際に燃焼器で生成する燃焼ガスの温度が所定の温度を超えないように制御することにより、過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００７８】
また、燃料電池スタック運転負荷に基づいて燃焼器に流入する混合ガスの流量、組成のうち少なくとも一つを予測して燃焼温度を予め予測することにより、所定の温度を超えると判断される場合に燃焼温度が所定の温度を超えないようにシステムを制御することにより、短時間しか燃焼を行なわずに燃焼器入口部温度と出口部温度が異なる場合でも燃焼器全体において過度な温度上昇を抑制して過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００７９】
さらに、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置の吐出量を増加させて酸化剤ガスの一部を燃焼器に直接供給させるよう制御して燃焼温度の過度な上昇を抑制することにより、システム制御を簡素にしつつ過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００８０】
〔第３実施形態〕
次に、図７乃至図９を参照して本発明の第３実施形態を詳細に説明する。  
図７は、第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第３実施形態は、図１に示した第１実施形態の構成に、燃焼器７専用に空気を供給する補助空気供給装置２８と、その流量を計測する補助空気流量計３８，補助空気供給装置２８から供給する空気の温度を検出する温度検出器２９ｈを追加設置したものである。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００８１】
第１および第２実施形態と比較して、第３実施形態では、パージ時に増量する空気は燃焼器７および冷媒用熱交換器８のみを通過して排出されるので流体抵抗を小さくすることができる。このため補助空気供給装置２８から供給する空気供給圧力を低く設定でき、補助空気供給装置２８での圧力比を小さくして消費電力の増加を抑制することができると同時に、燃料電池スタック３への空気供給条件を変えることなく制御できる。
【００８２】
この場合、第３実施形態におけるQairを補助空気供給装置２８により燃焼器７に供給する空気流量とし、また温度Tairを温度検出器２９ｈで検出される温度とすることにより、第２実施形態と同様に必要空気流量を算出する。
【００８３】
図８は、第３実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）補助空気供給装置２８から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【００８４】
図８において、アノードオフガスの排出と同時に、水素供給装置１から供給する水素流量をアノードオフガス排出量と同じだけ増量させているので燃料電池スタック３の出力は、排出開始前と開始後とで一定に保持される。また、予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、図８（ｂ）に示すように、補助空気供給装置２８からも燃焼器７へ空気を供給しているので、実際の燃焼器における燃焼温度が燃焼温度上限値Tmaxをこえることがないように制御されている。
【００８５】
これにより、従来の燃料電池システムでは、図８（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【００８６】
図９は、第３実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００８７】
まず、Ｓ１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、上記の式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【００８８】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【００８９】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ１６以下の処理により、燃焼器７に供給する空気流量を増量して燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御したパージを行う。
【００９０】
Ｓ１６では、増量する空気流量Qairを算出する。この算出に際し、上記の式（１）〜式（１７）を用いて説明したように、カソードオフガスの温度Tcが短期的に見れば変わらないものと見なしたエンタルピ計算に基づいて、増量する空気流量Qairを求めることができる。
【００９１】
次いでＳ１８で、システムコントローラ３７から、補助空気供給装置２８、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ２３で補助空気供給装置２８から燃焼器７へ空気を供給し、Ｓ２４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ２６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【００９２】
次いでＳ２８で、パージを開始してから所定時間Tpが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ２８へ戻る。パージを開始してから所定時間Tpが経過すると、Ｓ３０へ進み、Ｓ３０で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ３２でアノードオフガス排出弁２７を閉止し、Ｓ３５で補助空気供給装置２８の運転を停止する。これにより、燃料電池システムは通常の運転状態に復帰する。
【００９３】
一方、Ｓ４０乃至Ｓ５２の通常のパージは、第１実施形態で説明した内容と同一であるので、重複する説明を省略する。
【００９４】
以上説明した第３実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、燃焼器専用に酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給装置を駆動させて燃焼器に酸化剤ガスを追加供給するよう制御することにより、燃料電池スタックの運転状態を極力変化させることなく過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【００９５】
〔第４実施形態〕
次に、図１０及び図１１を参照して本発明の第４実施形態を詳細に説明する。第４実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第４実施形態の特徴は、予測した燃焼温度が燃焼温度上限値を超えると判断される場合に、アノードオフガス流量を予め設定されている排出流量よりも小さくし、且つアノードオフガス排出時間を長くして、燃焼器における燃焼温度を低下させることにある。
【００９６】
このため、第４実施形態では、燃焼温度Teを計算するまでは第１実施形態と同様に計算を行い、算出された燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判断される場合に、カソードオフガス流量は変更せずにアノードオフガスの排出流量を予め設定される流量よりも低減させ且つ予め設定される排出時間(Tp)よりも長時間(Tp'')排出するよう制御するものである。
【００９７】
図１０は、第４実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）カソードオフガス排出量、（ｃ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｄ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【００９８】
予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、アノードオフガスの排出量は、図１０（ｄ）に示すように、通常のパージ時の排出流量より少ない排出流量で、且つ長時間(Tp'')排出している。これにより、単位時間に発生する燃焼熱量が低下するので、燃焼器温度も低下する。
【００９９】
従来の燃料電池システムでは、図１０（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【０１００】
尚、水素供給装置１として高圧水素タンク等の高圧容器を使用する際には、アノードオフガス排出弁の開度調整により水素の供給流量を調整するのみで対応できるため、第１から第３実施形態のような空気増量の際に必要となる空気供給装置２および補助空気供給装置２８による消費電力の増加を回避することができる。
【０１０１】
アノードオフガス排出流量の設定方法は、予め設定されるアノードオフガス排出時間をTp(sec) 、変更後のアノードオフガス排出時間をTp''とし、アノードオフガス流量低減率Rdを以下のようにおくと、排出流量を低減した際のアノードオフガス流量QAh2o'' は以下のように表せる。
【０１０２】
（数１１）
Rd = Tp''／Tp                                                …(18)
QAh2'' = QAh2×Rd                                            …(19)
上記式より、式(9)(10)(12)(13)(15)は以下のようになる。
【０１０３】
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)''
ここで上記(15)''式において、燃焼ガス温度Teに上限値Tmaxを代入して、アノードオフガス流量低減率Rdに関して収束計算を行い、Rdを算出する。  
これにより求められたRdを式(18)に代入して、アノードオフガス排出時間Tp''が求められる。
【０１０４】
また水素流量低減手法としては、アノードオフガス排出弁２７をオリフィス等の固定絞り等とする場合には、水素供給装置１により水素供給圧力を低減するようにしてもよい。
【０１０５】
図１１は、第４実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【０１０６】
まず、Ｓ１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、上記の式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【０１０７】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【０１０８】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ１５以下の処理により、アノードオフガス排出弁２７から燃焼器７に供給するアノードオフガスの流量を低減するとともに、アノードオフガス排出時間を長くして、燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御したパージを行う。
【０１０９】
Ｓ１５では、アノードオフガス流量低減率Rdを算出する。次いでＳ１７で、アノードオフガス排出時間Tp''、排出流量QAh2''を算出する。これらの算出に際し、上記の式（１８）、（１９）、式（９）''〜（１５）''を用いて説明したように、エンタルピ計算に基づいて算出することができる。
【０１１０】
次いでＳ１８で、システムコントローラ３７から、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ２４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ２６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【０１１１】
次いでＳ２８で、パージを開始してから所定時間Tp''が経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ２８へ戻る。パージを開始してから所定時間Tp''が経過すると、Ｓ３０へ進み、Ｓ３０で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ３２でアノードオフガス排出弁２７を閉止する。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。
【０１１２】
一方、Ｓ４０乃至Ｓ５２の通常のパージは、第１実施形態で説明した内容と同一であるので、重複する説明を省略する。
【０１１３】
以上説明した第４実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、燃焼器に供給するアノードオフガス流量を予め設定される排出流量よりも小さくし、且つ長時間排出するよう制御して燃焼温度の過度な上昇を抑制することにより、システム構成を簡素な構成にしつつ過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を抑制することができるという効果がある。
【０１１４】
〔第５実施形態〕
次に、図１２及び図１３を参照して本発明の第５実施形態を詳細に説明する。  
第５実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第５実施形態の特徴は、予測した燃焼温度が燃焼温度上限値を超えると判断される場合に、アノードオフガスの排出を断続的な排出に変更する。即ち、アノードオフガスの１回の排出時間を所定の排出時間より短い時間とし、且つ複数回に排出することにより、燃焼器における燃焼温度を低下させることにある。
【０１１５】
このため、第５実施形態では、燃焼温度Teを計算するまでは第１実施形態と同様に計算を行い、算出される燃焼温度が上限値を超えると判断される場合に、カソードオフガス流量およびアノードオフガスの排出流量は変更せず、一回のアノードオフガス排出時間を予め設定される所定の排出時間よりも短い排出時間とし、且つ複数回に分けて所定の排出時間よりも長い時間をかけて排出するよう制御する。これにより、燃焼室２４の入口部温度が温度上限値Tmaxを超えないように予め決められた予備アノードオフガス排出時間に設定し直して、アノードオフガス排出を分散することにより、アノードオフガス排出期間中の燃焼器の燃焼温度を上限値以下に抑制することができる。
【０１１６】
排出時間の設定方法は、予め想定される運転条件毎に事前に実験的に排出時間Tp'''(sec)、排出間隔時間Tr'''(sec)、排出回数X(回)を決めておくことにより制御する。
【０１１７】
図１２は、第５実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【０１１８】
図１２において、Tp''' の期間アノードオフガスの排出を行い、Tr''' の期間アノードオフガスの排出を停止することを複数回繰り返えしている。このTp''' の期間アノードオフガスの排出と同時に、水素供給装置１から供給する水素流量をアノードオフガス排出量と同じだけ増量させている。この断続的なアノードオフガスの排出により、燃焼器温度Teは、図１２（ａ）に示すような鋸歯状波形となり、その先端部が燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御されている。
【０１１９】
これにより、従来の燃料電池システムでは、図２（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【０１２０】
図１３は、第５実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【０１２１】
まず、Ｓ１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、上記の式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【０１２２】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【０１２３】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ６０以下の処理により、アノードオフガスを断続的に行って、燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように制御したパージを行う。Ｓ６０では、カソードオフガス流量増加率Rgを算出する。Ｓ６２でアノードオフガス排出条件として、１回当たりの排出時間Tp''' 、排出間隔Tr''' 、排出回数Ｘを設定する。
【０１２４】
次いでＳ６４で、システムコントローラ３７から、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ６６でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ６８で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【０１２５】
次いでＳ７０で、パージを開始してから所定時間Tp''' が経過したか否かを判定し、経過していなければＳ７０へ戻る。パージを開始してから所定時間Tp''' が経過すると、Ｓ７２へ進み、Ｓ７２で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ７４でアノードオフガス排出弁２７を閉止し、Ｓ７６で所定時間Tr''' 経過したか否かを判定し、経過していなければＳ７６へ戻る。所定時間Tr''' が経過すると、Ｓ７８へ進み、排出回数がＸに達したか否かを判定する。排出回数がＸに達していなければ、Ｓ６６へ戻る。排出回数がＸに達していれば、間欠的なパージを終了して、リターンする。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。
【０１２６】
一方、Ｓ４０乃至Ｓ５２の通常のパージは、第１実施形態で説明した内容と同一であるので、重複する説明を省略する。
【０１２７】
以上説明した第５実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、カソードオフガス流量およびアノードオフガスの排出流量は変更せず、一回のアノードオフガス排出時間を予め設定される所定の排出時間よりも短い排出時間とし、且つ断続的に複数回に分けて排出するよう制御するものであり、アノードオフガス排出を分散することにより、排出期間中の平均燃焼温度を低減することができるという効果がある。
【０１２８】
〔第６実施形態〕
次に、図１４乃至図１６を参照して本発明の第６実施形態を詳細に説明する。図１４は、第６実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第６実施形態は、図１に示した第１実施形態の構成に、燃焼器７のミキサ２３の内部へ水を噴射する水供給弁３４と、純水ポンプ３５から水供給弁３４へ供給する水の温度を検出する温度検出器２９ｊを追加設置したものである。その他の構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【０１２９】
第６実施形態では、算出される燃焼温度が上限値を超えると判断される場合に、純水ポンプ３５を駆動して水供給弁３４から燃焼器７内に水を適量供給することにより、応答性良く燃焼温度の過度の上昇を抑制することができる。
【０１３０】
その際の水供給流量は、以下の手順で算出する。  
液体の水１モル当りのエンタルピHw(kJ/mol)は、温度検出器２９ｊで検出される水の温度をTw(K)とすると以下の式で算出される。
【０１３１】
（数１２）
水(liquid) Hw(Tw) = -3.07835e+02 + 7.25025e-02×Tw + 4.38217e-06×Tw^2 …(20)
供給する水の流量をQw(mol/sec)とすると、供給する水のエンタルピHsw(Tw)は
Hsw(Tw) = Hw(Tw)×Qw      (KJ/mol)                                     …(21)
これにより、式(12)(13)は以下のようになる。
【０１３２】
QEh2o'''' = QCh2o + QAh2 + Qw    (mol/sec)                         …(12)''''
HE(Te)'''' = Ho2(Te)×QEo2 + Hn2(Te)×QEn2 + Hh2o(Te)×QEh2o''''  
(KJ/sec)   …(13)''''
式(15)により、燃焼温度Te=上限値Tmaxとした場合に以下の式が成立するように、補助供給する水の量Qwに関して収束計算を行い、Qwを算出する。
【０１３３】
（数１３）
HC(Tc) +HA(Ta) +Hw(Tw)= HE(Tmax) +Hb                               …(22)
図１５は、第６実施形態における燃焼器の温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）水供給弁３４から燃焼器７へ供給する水供給量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【０１３４】
予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、アノードオフガスの排出期間Tpに合わせて、水供給弁３４から純水を燃焼器７へ供給する。燃焼器７へ供給された水は、速やかに蒸発することで周囲から蒸発熱を奪い、燃焼器７の燃焼温度が低下する。
【０１３５】
本実施形態によれば、図１５（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【０１３６】
図１６は、第６実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【０１３７】
まず、Ｓ１０において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が所定値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１０へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。Ｓ１２では、セル電圧回復を図るためのパージ動作により、アノードオフガスを燃焼器７へ排出して燃焼させる場合の燃焼温度を予測するため、燃焼温度Teを算出する。この燃焼温度Teの予測値の算出は、上記の式（１）〜式（１５）を用いて説明した燃焼器７へ流入及び流出するガスのエンタルピ計算に基づいて行われる。
【０１３８】
Ｓ１４で燃焼温度Teが予め設定されている燃焼温度上限値Tmaxを超えるか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えない場合には、通常のパージを行うべく、Ｓ４０へ進む。
【０１３９】
Ｓ１４の判定で、燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えると判定された場合、Ｓ８０以下の処理により、燃焼器７に水を供給して燃焼器７の燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えないように温度制御したパージを行う。
【０１４０】
Ｓ８０では、水供給弁３４から燃焼器７に供給する水供給量Qwを算出する。この算出に際し、上記の式（２０）〜式（２２）を用いて説明したように、温度検出器２９ｊで検出した水の温度Twから水のエンタルピ計算に基づいて、水供給量Qwを算出することができる。
【０１４１】
次いでＳ８２で、システムコントローラ３７から、水供給弁３４、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ８４で水供給弁３４から燃焼器７へ水の供給を開始し、Ｓ８６でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ８８で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増量する。
【０１４２】
次いでＳ９０で、パージを開始してから所定時間Tpが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ９０へ戻る。パージを開始してから所定時間Tpが経過すると、Ｓ９２へ進み、Ｓ９２で水素供給装置１から供給する水素の増量を停止し、Ｓ９４でアノードオフガス排出弁２７を閉止し、Ｓ９６で水供給弁３４からの水供給を停止する。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。
【０１４３】
一方、Ｓ４０乃至Ｓ５２の通常のパージは、第１実施形態で説明した内容と同一であるので、重複する説明を省略する。
【０１４４】
以上説明した第６実施形態によれば、アノードオフガス循環装置からアノードオフガスを一時的に排出する際に、燃焼器に適切な量の水を供給して燃焼温度の過度な上昇を抑制することにより、燃料電池スタックの運転状態を極力変化させることなく過度な熱負荷による燃焼器の性能低下を応答性良く抑制することができるという効果がある。
【０１４５】
〔第７実施形態〕
次に、図１８乃至図２４を参照して本発明の第７実施形態を詳細に説明する。  
第７実施形態のシステム構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。  
第１実施形態では、燃焼温度の上昇を抑えるためにアノードオフガスの排出と同時に、急峻に空気流量（またはカソードオフガス流量）を増加させている。しかし、このように急峻に空気流量を増加した場合には、空気流量の制御を行う圧力制御弁などのアクチュエータの応答遅れなどにより、圧力の変動が生じることもある。そして、圧力変動の大きさによっては、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）等の耐圧強度を高める必要があり、コストアップにつながる可能性も有る。
【０１４６】
本実施形態の目的は、このような問題点に鑑み、空気圧力の変動を抑制して、特に耐圧強度を必要としない燃料電池においても、燃焼器での燃焼温度が所定の温度を超えないように制御した燃料電池システムを提供することにある。
【０１４７】
図１８は、第７実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す。
【０１４８】
図１８において、アノードオフガスの排出開始と同時に、水素供給装置１から供給する水素流量をアノードオフガス排出量と同じだけ増加させているので、燃料電池スタック３の出力は、排出開始前と開始後とで一定に保持される。
【０１４９】
また、予測燃焼温度Teが燃焼温度上限値Tmaxを超えるときには、空気供給装置２から供給する空気流量を増加してカソードオフガス排出量を図１８（ｃ）のように増加しているので、実際の燃焼器における燃焼温度が燃焼温度上限値Tmaxを超えることがないように制御されている。
【０１５０】
これにより、従来の燃料電池システムにおいて生じる可能性がある図１８（ａ）に細実線で示すような燃焼温度上限値Tmaxを超える燃焼温度となる事態を回避し、燃焼器の燃焼触媒が劣化することを防止できるという効果がある。
【０１５１】
また、空気供給装置２から供給する空気流量を増加する場合、或いは一旦増加した空気を減量する場合には、図１８（ｂ）に示すように、空気流量の変化率を制限することによって緩やかに空気量を変化させている。
【０１５２】
これにより、空気供給装置２から供給する空気流量を増加する際の空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１５３】
図１９は、第７実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【０１５４】
まず、Ｓ１００において、電圧検知手段３６により燃料電池スタック３のセル電圧を検出し、セル電圧が所定値（電圧閾値）より低下しているか否かを判定する。電圧検知手段３６が検出した各セル毎の電圧、またはセル群毎の電圧が電圧閾値より低下していたらＳ１２へ進む。所定値以上であれば、Ｓ１００へ戻り、セル電圧の検出と判定を繰り返す。
【０１５５】
尚、Ｓ１００でセル電圧の判定に用いる電圧閾値の算出は以下のように行う。
【０１５６】
請求項１３記載の発明を適用する場合、空気温度検出器２９ａ或いは２９ｃの検出値に基づいて、図２０に示したようなテーブルデータを用いて、電圧閾値の算出を行う。このテーブルデータは、空気の温度が高いほど、電圧閾値が大きくなるように設定されており、空気温度が高いほど早い時期に後述する空気の増量を開始することになる。また詳細は後述するが、空気温度が高いほど空気圧力が変動しやすくなるので、圧力変動を抑えるために、増加させる空気流量の変化率（絶対値）を小さくする。これにより、空気の増量に要する時間が長くなるため、空気の温度が高いほど前記電圧閾値を大きくすることによって、早い時期に空気の増量を開始させ、アノードオフガスの排出を開始するまでに空気増量を完了させることができる。
【０１５７】
また、請求項１５記載の発明を適用する場合、空気流量計３２の検出値に基づいて、図２１に示したようなテーブルデータを用いて、Ｓ１００でセル電圧の判定に用いる電圧閾値の算出を行う。このテーブルデータは、空気流量が大きいほど、電圧閾値が大きくなるように設定されており、早い時期に後述する空気の増量を開始することになる。詳細は後述するが、空気流量が大きいほど空気圧力が変動しやすくなるので、圧力変動を抑えるために、増加させる空気流量の変化率（絶対値）を小さくする。これにより、空気の増量に要する時間が長くなるため、空気流量が大きいほど前記電圧閾値を大きくすることによって、早い時期に空気の増量を開始させ、アノードオフガスの排出を開始するまでに空気増量を完了させることができる。
【０１５８】
Ｓ１２〜Ｓ１６の処理内容は、第１実施形態の図３のＳ１２〜Ｓ１６と同様である。  
次いで、Ｓ１０２で、増加させる空気流量の変化率を算出する。
【０１５９】
ここで請求項１２記載の発明を適用する場合、以下のように、増加させる空気流量の変化率を算出する。
【０１６０】
空気温度検出器２９ａ或いは２９ｃの検出値に基づいて、予めシステムコントローラ３７に記憶させた図２２に示したようなテーブルデータを用いて、増加させる空気流量の変化率（絶対値）を算出する。図２２ののテーブルデータは、空気温度から空気量変化率を求めるテーブルデータであり、空気の温度が高いほど空気流量の変化率（絶対値）が小さくなるように設定されている。空気の温度が高いほど、飽和水蒸気量は増加率が大きくなるため、空気の温度が高いほど、温度の変化に対して空気の密度が大きく変化するようになる。このため、空気の圧力を一定値に制御しようとした場合、空気密度の変化により、制御量（圧力制御弁の開度など）が大きく変化するので、空気の温度が高いほど、空気圧力が変動しやすくなる。したがって、図２２に示したようなテーブルデータを用いることによって、空気の温度が高いほど緩やかに空気流量を増加させることが可能となり、空気流量を増加する場合の空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１６１】
また、請求項１４記載の発明を適用する場合、以下のように、増加させる空気流量の変化率を算出する。
【０１６２】
空気流量計３２の検出値に基づいて、予めシステムコントローラ３７に記憶させた図２３に示したようなテーブルデータを用いて、増加させる空気流量の変化率（絶対値）を算出する。図２３のテーブルデータは、空気流量から空気流量変化率を求めるテーブルデータであり、現在の空気の流量が大きいほど空気流量の変化率（絶対値）が小さくなるように設定されている。空気を一定の圧力に制御するように、バタフライ弁などを用いて空気の圧力制御を行った場合には、空気流量が大きいほど弁開度が大きくなり、開度に対する空気流量の感度が低くなる。このため、空気流量が大きいほど、空気流量の変化に対する弁開度の変化が大きくなので、空気圧力が変動しやすくなる。したがって、図２３に示したようなテーブルデータを用いることによって、空気流量が大きいほど緩やかに空気流量を増加することが可能となり、空気流量を増加する場合の空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１６３】
また、請求項１６記載の発明を適用する場合、増加させる空気流量の変化率（絶対値）を、増加を終了した後の減少する場合の空気流量の変化率（絶対値）より大きい値として算出する。図２４は、予めシステムコントローラ３７に記憶させたテーブルデータの例であり、空気温度から空気量変化率を求める場合、実線で示す空気量の増量時の空気量変化率（絶対値）を破線で示す空気量減量時の空気量変化率（絶対値）より大きくした例を示している。
【０１６４】
前述した空気温度検出器２９ａ或いは２９ｃによる空気温度に基づいて、空気流量の変化率（絶対値）を算出する場合、図２４の実線で示したテーブルデータに基づいて増加させる空気流量の変化率（絶対値）を算出する。前述したように、バタフライ弁などを用いて空気の圧力制御を行った場合には、空気流量が大きいほど弁開度が大きくなり、開度に対する空気流量の感度が低くなる。このため、空気圧力制御をＦ／Ｂ制御を用いて構成した場合、空気流量を増加している間は、大きなＦ／Ｂ補正量が算出されている場合がある。例えば、非常に一般的なＰＩ制御を用いた場合、Ｉ制御量（積分制御量）が大きな値となる。
【０１６５】
このような状態から急峻に空気流量を減量させようとすると、このＦ／Ｂ補正量によって一時的に制御量が不適切な値になる場合があり、空気圧力が変動してしまう。したがって、図２４の破線に示したようなテーブルデータを用いることによって、増加を終了した後の減少させる空気流量の変化率（絶対値）を、空気量を増加する場合の空気流量の変化率（絶対値）より小さい値として算出することが可能となり、空気流量を増加する場合だけでなく、増加後に空気流量を減少する場合も空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１６６】
次いでＳ１０４で、空気供給装置２がカソード５へ供給する空気流量の増加を開始する。ここでは、前記Ｓ１０２で算出した変化率に基づいて、空気流量の増加を実施する。
【０１６７】
Ｓ１０６では、前記空気流量の増加が完了したか否かを判断する。これは、空気流量計３２の検出値に基づいて判断を行い、完了と判断された場合には、Ｓ１８へ進む。  
次いでＳ１８で、システムコントローラ３７から、アノードオフガス排出弁２７及び水素供給装置１へ、パージ指令を発信する。このパージ指令により、Ｓ２４でアノードオフガス排出弁２７を開き、Ｓ２６で水素供給装置１がアノード４に供給する水素流量を増加する。
【０１６８】
次いでＳ２８で、パージを開始してから所定時間Ｔｐが経過したか、否かを判定し、経過していなければＳ２８へ戻る。パージを開始してから所定時間Ｔｐが経過すると、Ｓ３０へ進み、Ｓ３０で水素供給装置１から供給する水素流量の増加を停止し、Ｓ３２でアノードオフガス排出弁２７を閉止する。  
次いで、Ｓ１０８で、減少させる空気流量の変化率を算出する。
【０１６９】
ここで請求項１２記載の発明を適用した場合、空気温度検出器２９ａ或いは２９ｃの検出値に基づいて、図２２に示したようなテーブルデータを用いて、減少させる空気流量の変化率（絶対値）を算出する。このテーブルデータは、前述したように、空気の温度が高いほど空気流量の変化率（絶対値）が小さくなるように定められており、空気の温度が高いほど緩やかに空気流量を減少することが可能となり、空気を減量する場合の空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１７０】
また、請求項１４記載の発明を適用した場合、空気流量計３２の検出値に基づいて、図２３に示したようなテーブルデータを用いて、減少する空気流量の変化率（絶対値）を算出する。このテーブルデータは、前述したように現在の空気の流量が大きいほど空気流量の変化率（絶対値）が小さくなるように定められており、空気流量が大きいほど緩やかに空気流量を減少することが可能となり、空気流量を減少する場合の空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１７１】
また、請求項１６記載の発明を適用した場合、減少する空気流量の変化率（絶対値）を、増加する場合の空気流量の変化率（絶対値）より小さい値として算出する。例えば、図２４の破線で示したようなテーブルデータに基づいて減少させる空気流量の変化率（絶対値）を算出することによって、前述したように、空気流量を増加する場合だけでなく、増加後に空気流量を減少する場合も空気圧力の変動を抑えることができるという効果がある。
【０１７２】
次いでＳ１１０で、空気供給装置２がカソード５へ供給する空気流量の減少を開始する。ここでは、Ｓ１０８で算出した変化率に基づいて、空気流量の減少を実施し、空気流量を元の状態に戻す。これにより燃料電池システムは、通常の運転状態に復帰する。  
Ｓ４０〜Ｓ５２は、図３に示した第１実施形態のＳ４０〜Ｓ５２と同一である。
【０１７３】
尚、上記第１から第７実施形態に関しては、燃焼温度Teを予測する際に、燃焼器に流入出するガスのエンタルピ計算によって燃焼温度を予測しているが、図１７に示すような燃料電池の運転条件（ここではカソードオフガスの流量およびその相対湿度）に対する燃焼温度のマップを用いても良い。
【０１７４】
即ち、試作燃料電池において運転条件毎に燃焼温度の計測データを採取し、このデータにより運転条件に対する燃焼温度のマップ作成する。そしてシステムコントローラ３７内にマップを記憶しておき、燃焼温度の予測に用いる。この場合、システムコントローラプログラムのスタティックステップ及びダイナミックステップを大幅に削減し、システム制御を比較的簡素に行うことができる。
【０１７５】
ただし、マップを使用して燃焼温度を予測する際には、システムの流量制御誤差、外気温等の外部因子などの影響により燃焼温度予測精度が悪化する可能性があるため、燃焼温度をエンタルピにて求める場合と比較して上限値Tmaxを低めに設定しておくことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図３】第１実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】第２実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図６】第２実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】第３実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）補助空気供給装置２８から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図９】第３実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図１０】第４実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）カソードオフガス排出量、（ｃ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｄ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図１１】第４実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図１２】第５実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図１３】第５実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１５】第６実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）水供給弁３４から供給する水供給量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図１６】第６実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図１７】燃料電池の運転条件に対する燃焼温度予測マップの例を説明する図である。
【図１８】第７実施形態における燃焼温度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃焼器７における燃焼温度Te、（ｂ）空気供給装置２から供給する空気流量、（ｃ）カソードオフガス排出量、（ｄ）水素供給装置１から供給する水素流量、（ｅ）アノードオフガス排出量をそれぞれ示す図である。
【図１９】第７実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図２０】第７実施形態において、アノードオフガスのパージを実施するか否かを判定するための電圧閾値を、請求項１３記載の発明を適用して算出するためのテーブルデータを説明する図である。
【図２１】第７実施形態において、アノードオフガスのパージを実施するか否かを判定するための電圧閾値を、請求項１５記載の発明を適用して算出するためのテーブルデータを説明する図である。
【図２２】第７実施形態において、空気流量の変化率を、請求項１２記載の発明を適用して算出するためのテーブルデータを説明する図である。
【図２３】第７実施形態において、空気流量の変化率を、請求項１４記載の発明を適用して算出するためのテーブルデータを説明する図である。
【図２４】第７実施形態において、空気流量の変化率を、請求項１６記載の発明を適用して算出するためのテーブルデータを説明する図である。
【符号の説明】
【０１７７】
１…水素供給装置（燃料ガス供給装置）
２…空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）
３…燃料電池スタック
４…アノード
５…カソード
６…アノードオフガス循環装置
７…燃焼器
８…冷媒用熱交換器
９…冷媒冷却装置
１０…加湿装置
１１…水素供給配管
１２…アノードオフガス循環配管
１３…アノードオフガス排出配管
１４…空気供給配管
１５…カソードオフガス排出配管
１６、１７…空気流量制御弁
１８…空気供給配管
１９…排気配管
２０…冷媒配管
２１…冷媒ポンプ
２２…三方弁
２３…ミキサ
２４…燃焼室
２５…純水タンク
２６…純水配管
２７…アノードオフガス排出弁（パージ手段）
２８…補助空気供給装置
２９ａ〜２９ｊ…温度検出器
３０ａ〜３０ｄ…圧力検出器
３１ａ、３１ｂ…湿度検出器
３２…空気流量計
３３…水素流量計
３４…水供給弁
３５…純水ポンプ
３６…電圧検知手段
３７…システムコントローラ（システム制御手段）
３８…補助空気流量計
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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