(57)【要約】【課題】燃料電池セルに酸化剤が確実に供給されているかを確認することができる燃料電池カートリッジ内部の監視装置を提供する。【解決手段】燃料電池セル１１の内部に上方から供給される燃料ガス１２と、セル１１の外部に前記燃料ガス１２と対向するように下方から供給される酸化剤１３とにより発電する燃料電池１４と、セル１１の側壁近傍に一対設けられ、側壁近傍にレーザ光２１を照射するレーザ集光用プローブ２２及びレーザ光２１の照射により発生するラマン散乱光２３を受光するレーザ受光用プローブ２４と、レーザ集光用プローブ２２に送光用光ファイバ２５を介してレーザ光２１を送光するレーザ送光部２６と、レーザ受光用プローブ２４からのラマン散乱光２３を受光用光ファイバ２７により受光するレーザ受光部２８と、を具備するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルの内部に供給される燃料ガスと、前記燃料電池セルの外部に前記燃料ガスと対向するように供給される酸化剤とにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池セルの側壁近傍に一対設けられ、前記側壁近傍にレーザ光を照射するレーザ集光用プローブ及び前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を受光するレーザ受光用プローブと、
前記レーザ集光用プローブに送光用光ファイバを介してレーザ光を送光するレーザ送光部と、
前記レーザ受光用プローブからのラマン散乱光を受光するレーザ受光部と、を具備することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブを燃料電池セルの軸方向に沿って、所定間隔をもって複数設けてなり、
前記レーザ送光部からのレーザ光を光分配器で分配して、各レーザ集光用プローブに導入すると共に、
各レーザ受光用プローブからのラマン散乱光を光選択器で選択して、レーザ受光部に送光することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記レーザ受光部で受光したラマン散乱光からの酸素の回転線スペクトル分布より、燃料電池セルの輻射熱温度を求めることを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記レーザ受光用プローブを用いて、燃料電池セルからの輻射スペクトルを受光する輻射スペクトル受光部を有することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池カートリッジ内部の監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出され、かつガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。また、ＳＯＦＣで利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性が良い。
【０００３】
このため、たとえば、特許文献１に示されるように、高効率を達成できる発電システムとしてＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、石炭ガス化ガスを、燃料電池、ガスタービン、蒸気タービンと効率よく複合的に利用して高い発電効率で発電するシステムとして、石炭ガス化燃料電池複合発電システム（ＩＧＦＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｏａｌ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ）が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３６８７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５９０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池は、例えば中空の容器(モジュール)内に、複数のカートリッジが配設されており、各カートリッジは、略円筒形のセルチューブ（燃料電池セル）を複数本集合させ、各セルチューブに燃料ガスと酸化剤（空気）とを燃料供給ヘッダ及び空気供給ヘッダから供給している。
【０００７】
この際、燃料ガスの供給と共に、燃料電池セルに酸化剤である空気の供給が確実になされていることが重要である。これは、酸化剤である空気の供給が無い場合、燃料電池セルの外側が還元雰囲気となり、問題となる。
しかしながら、現時点では、燃料電池セルにおける酸化剤供給の監視システムの構築がなされていないので、酸化剤が燃料電池セルに確実に供給されていることを確認できるシステムの構築が切望されている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池セルに酸化剤が確実に供給されているかを確認することができる燃料電池カートリッジ内部の監視装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、燃料電池セルの内部に供給される燃料ガスと、前記燃料電池セルの外部に前記燃料ガスと対向するように供給される酸化剤とにより発電する燃料電池と、前記燃料電池セルの側壁近傍に一対設けられ、前記側壁近傍にレーザ光を照射するレーザ集光用プローブ及び前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を受光するレーザ受光用プローブと、前記レーザ集光用プローブに送光用光ファイバを介してレーザ光を送光するレーザ送光部と、前記レーザ受光用プローブからのラマン散乱光を受光するレーザ受光部と、を具備することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置にある。
【００１０】
第１の発明によれば、一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブを燃料電池セルの側壁近傍に設け、燃料電池セルの側壁の雰囲気ガス組成を確認できるので、酸化剤が確実に供給されていることを確認することができる。
また、酸化剤以外のガス成分が確認されることによる燃料電池セルのリークを検知することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブを燃料電池セルの軸方向に沿って、所定間隔をもって複数設けてなり、前記レーザ送光部からのレーザ光を光分配器で分配して、各レーザ集光用プローブに導入すると共に、各レーザ受光用プローブからのラマン散乱光を光選択器で選択して、レーザ受光部に送光することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置にある。
【００１２】
第２の発明によれば、一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブを燃料電池セルの側壁の軸方向に沿って複数設けることにより、各燃料電池セルの側壁の雰囲気ガス組成の分布状態を確認できるので、酸化剤が確実に供給されていることを確認することができる。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記レーザ受光部で受光したラマン散乱光からの酸素の回転線スペクトル分布より、燃料電池セルの輻射熱温度を求めることを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置にある。
【００１４】
第３の発明によれば、ラマン散乱光から、酸素の回転線スペクトル分布を求め、温度に応じたスペクトル分布より、燃料電池セルの側壁の輻射熱温度を確認できるので、燃料電池反応が確実になされていることを確認することができる。
【００１５】
第４の発明は、第１又は２の発明において、前記レーザ受光用プローブを用いて、燃料電池セルからの輻射スペクトルを受光する輻射スペクトル受光部を有することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部の監視装置。
【００１６】
第４の発明によれば、燃料電池セルからの輻射スペクトルより、燃料電池セルの側壁の輻射熱温度を確認できるので、燃料電池反応が確実になされていることを確認することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブを燃料電池セルの側壁近傍に設け、燃料電池セルの側壁の雰囲気ガス組成を確認できるので、酸化剤が確実に供給されていることを確認することができる。また、酸化剤以外のガス成分が確認されることによる燃料電池セルのリークを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。
【図２】図２は、燃料電池カートリッジ内の燃料電池セルと一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブとの配置図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。
【図４】図４は、図３の光ファイバの接続の様子を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施例２に係る他の燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。
【図６】図６は、実施例２に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２０】
実施例１に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。。図２は、燃料電池カートリッジ内の燃料電池セルと一対のレーザ集光用プローブ及びレーザ受光用プローブとの配置図である。
【００２１】
本実施例に係る燃料電池システムは、中空容器である燃料電池モジュール内に複数の燃料電池カートリッジ（以下、「カートリッジ」という。）が配設されており、このカートリッジには、燃料ガスを供給する燃料供給ヘッダ、酸化剤である空気を供給する酸化剤供給ヘッダが各々配設されている。そして、この燃料供給ヘッダ及び酸化剤供給ヘッダには燃料電池セルが複数本接続されており、このセルの内部に燃料ガス及び、外部に酸化剤である空気を供給することで燃料電池発電をしている。
図２では、カートリッジ１００の内部に燃料電池セル１１が複数本配設されている様子を示している。ここで、本実施例において、カートリッジ１００の内部の中心の燃料電池セル１１の外周のガス成分を計測するのは、カートリッジ１００内の中心部分が、ガス供給のバラツキにより希薄になりやすいからである。
【００２２】
以下の実施例では、その中心に位置する燃料電池セル１１の鉛直軸方向の上端近傍に一対のレーザ集光用プローブ２２及びレーザ受光用プローブ２４を配置した場合について、説明する。図１では、燃料供給ヘッダ及び酸化剤供給ヘッダの図示を省略している。
【００２３】
図１に示すように、本実施例に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０Ａは、カートリッジ１００内に鉛直方向に立設される燃料電池セル（以下「セル」という。）１１の内部に上方から供給される燃料ガス１２と、セル１１の外部に前記燃料ガス１２と対向するように下方から供給される酸化剤（空気）１３とにより発電する燃料電池１４と、セル１１の側壁近傍に一対設けられ、側壁近傍にレーザ光２１を照射するレーザ集光用プローブ２２及びレーザ光２１の照射により発生するラマン散乱光２３を受光するレーザ受光用プローブ２４と、レーザ集光用プローブ２２に送光用光ファイバ２５を介してレーザ光２１を送光するレーザ送光部２６と、レーザ受光用プローブ２４からのラマン散乱光２３を受光用光ファイバ２７により受光するレーザ受光部２８と、を具備するものである。ここで、レーザ送光部２６とレーザ受光部２８とは、燃料電池モジュールの外部に設置されている。
【００２４】
本実施例では、レーザ集光用プローブ２２とレーザ受光用プローブ２４とが一対になり、セル１１の上端部１１ａの所定位置に、図２に示すように、所定の角度を保ちつつ配設されている。
【００２５】
そして、レーザ送光部２６は、レーザ光２１を送光するものであり、本実施例では、レーザ光２１としては、パルスレーザを使用しても良いが、ファイバ端面損傷などを回避する観点から、連続発振型レーザを適用するのが好適である。この連続レーザ光の波長は２００〜１，０００ｎｍ、好適には５００〜５５０ｎｍとし、出力は０．５〜１０Ｗ、好適には１〜２Ｗとするのが良い。なお、必要に応じてレーザ光２１を吸収するビームダンパを設けるようにすれば良い。
【００２６】
図３は、実施例２に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。図４は、図３の光ファイバの接続の様子を示す斜視図である。
図３に示すように、レーザ光２１は、送光用光ファイバ２５を介して、カートリッジ１００内に配設されたレーザ集光用プローブ２２に送光されている。
【００２７】
本実施例では、レーザ光２１をセル１１の上端部１１ａの側壁近傍に照射するようにしており、酸化剤が枯渇する位置におけるガス組成を計測するようにしている。
【００２８】
このレーザ集光用プローブ２２は、送光されたレーザ光２１を集光レンズ２２ａで所定焦点距離の集光点Ｘで集光している。ここで、焦点距離は測定箇所により適宜設定されれば良いが、例えば３００〜８００ｎｍ程度としている。
なお、本実施例では、集光レンズ２２ａを設置しているが、集光レンズ２２ａを省略し、レーザ集光用プローブとしても良い。
【００２９】
レーザ受光部２８は、ラマン散乱光２３を分光する分光部２８ａとＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラなどの光検出器２８ｂから構成されている。
そして、図４に示すように、発生するラマン散乱光２３をレーザ受光用プローブ２４で受光し、このレーザ受光用プローブ２４から受光用光ファイバ２７を介してレーザ受光部２８に送られている。
【００３０】
このような構成において、レーザ送光部２６からのレーザ光２１は、送光用光ファイバ２５を介して、セル１１の上端部１１ａ側壁近傍の所定位置に設けたレーザ集光用プローブ２２に送られて、セル１１側に出射され、集光レンズ２２ａにより集光点Ｘで集光される（図３参照）。なお、レーザ集光用プローブ２２及び送光用光ファイバ２５は図示しない固定手段によりカートリッジ１００内部に支持されている。
【００３１】
集光点Ｘにて散乱されたラマン散乱光２３は、図４に示すように、例えば集光レンズ２４ａで集光される。そして、受光用光ファイバ２７を介してレーザ受光部２８に送られ、レーザ受光部２８を構成する分光部２８ａで分光され、例えばＩＣＣＤカメラ等の光検出器２８ｂにより各波長の光の強度が計測される。
【００３２】
ＩＣＣＤカメラからの計測データは、図示しないデータ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで計測データの処理がなされ、セル１１の上端部１１ａ近傍のガス組成のスペクトルピーク強度が求められる。このガス組成を分析することにより、セル１１の上端部１１ａにおける酸化剤である酸素の枯渇状況が確認される。なお、レーザ受光部２８及び受光用光ファイバ２７も図示しない固定手段によりカートリッジ１００内に支持されている。
【００３３】
この燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０Ａを用いて、一対のレーザ集光用プローブ２２及びレーザ受光用プローブ２４をセル１１の上端部１１ａの側壁近傍に設け、セル１１の側壁の雰囲気ガス組成を確認できるので、酸化剤（空気）１３が確実に供給されていることを確認することができる。
【００３４】
また、計測の結果、酸化剤１３以外のガス成分が確認されることで、セル１１のリークの発生があることを検知することができる。
【００３５】
このように、カートリッジ１００の内部のガス供給のバラツキにより希薄になりやすい中心部分の燃料電池セル１１の外周のガス成分を計測することで、カートリッジ１００内において、燃料電池１４の空間内部に酸化剤１３が確実に供給されていることの確認ができ、燃料電池１４が適切に運転することとなる。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例２に係る他の燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。図５に示すように、本実施例に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０Ｂでは、一対のレーザ集光用プローブ２２とレーザ受光用プローブ２４を、セル１１の軸方向に沿って複数（本実施例では３箇所：上端部１１ａ近傍、中段部１１ｂ近傍、下端部１１ｃ近傍）設置している。
【００３７】
そして、各レーザ集光用プローブ２２−１〜２２−３には、レーザ送光部２５からのレーザ光２１を分配する光分配器３１を介して、分岐した送光用分岐光ファイバ２５−１〜２５−３を介して送光され、各位置にレーザ光２１が照射される。
【００３８】
このレーザ照射によって、集光点Ｘから散乱されたラマン散乱光２３−１〜２３−３は、例えばレーザ受光用プローブ２４−１〜２４−３で集光され、受光用分岐光ファイバ２７−１〜２７−３を介して光選択器である光チャンネルセレクター３２に送られる。
【００３９】
光チャンネルセレクター３２では、順次受光用分岐光ファイバ２７−１〜２７−３のチャンネルを選択することで、ラマン散乱光２３−１〜２３−３を順次分光器２８ａへ送り、ここで分光され、該分光器２８ａに接続された光検出器２８ｂによりガス組成を順次計測する。
【００４０】
前記光検出器２８ｂからの計測データは、制御手段（図示せず）のデータ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで分析スペクトルから、各位置１１ａ〜１１ｃにおけるガスの燃料ガス組成が求められる。
【００４１】
本実施例によれば、各位置１１ａ〜１１ｃにおけるガスの燃料ガス組成を常時確認することができ、酸化剤１３の供給が適切であるかの確認、および燃料ガスリークの有無についてオンラインで確認することができる。
【００４２】
また、前記レーザ受光部２８で受光したラマン散乱光２３からの酸素の回転線スペクトル分布より、セル１１の表面での輻射熱温度を求めることができる。
【００４３】
これにより、ラマン散乱光２３を計測することで、酸素の回転線スペクトル分布を求め、温度に応じたスペクトル分布より、セル１１の側壁の輻射熱温度を確認できるので、セル１１の軸方向に沿っての温度分布を把握することができ、燃料電池反応が確実になされていることを確認することができる。
【実施例３】
【００４４】
図６は、実施例３に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置の概略図である。なお、実施例１及び２に係る構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図６に示すように、本実施例に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０Ｃは、実施例２の燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０Ｂにおいて、レーザ受光用プローブ２４を用いて、セル１１からの輻射スペクトル４１を受光する輻射スペクトル受光部４２を設置している。
【００４５】
そして、レーザ送光部２６からレーザ光２１を照射しない場合には、セル１１側壁からの輻射熱の輻射スペクトル４１を、輻射スペクトル受光部４２で計測することより、その温度を確認できることとなる。これによりセル１１の温度が許容の範囲内であることを確認できる。この結果、燃料電池反応が確実になされていることを確認することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０Ａ〜１０Ｃ  燃料電池カートリッジ内部の監視装置
１１  燃料電池セル（セル）
１２  燃料ガス
１３  酸化剤（空気）
１４  燃料電池
２１  レーザ光
２２  レーザ集光用プローブ
２３  ラマン散乱光
２４  レーザ受光用プローブ
２５  送光用光ファイバ
２６  レーザ送光部
２７  受光用光ファイバ
２８  レーザ受光部
１００  燃料電池カートリッジ（カートリッジ）
【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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