(57)【要約】【課題】燃料電池の各カートリッジに等量に燃料が分岐されているかを確認することができる燃料電池システムの燃料監視装置を提供する。【解決手段】燃料ガス１１を燃料電池１２の中空容器である燃料電池モジュール１００に供給する燃料供給母管１４と、前記燃料供給母管１４から分岐され、複数の燃料電池セル１０５が集合された各カートリッジ１０１−１〜１０１−４に分岐燃料ガス１１−１〜１１−４を供給する分岐燃料管１７−１〜１７−４と、前記分岐燃料管１７−１〜１７−４の各レーザ測定部１８−１〜１８−４内の各々に照射するレーザ光２１−１〜２１−４を分配する光分配器１９を備えたレーザ装置２３と、分配された前記各レーザ光２１−１〜２１−４の照射により発生するラマン散乱光２２−１〜２２−４を順次計測するレーザ受光部２４と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを燃料電池の中空容器に供給する燃料供給母管と、
前記燃料供給母管から分岐され、前記中空容器内に配置された複数の燃料電池セルが集合された各カートリッジに分岐燃料ガスを供給する分岐燃料管と、
前記分岐燃料管の各レーザ測定部内の各々に照射するレーザ光を分配する光分配器を備えたレーザ装置と、
分配された前記各レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を順次計測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システムの燃料監視装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記レーザ受光部が、各ラマン散乱光を光選択器で選択し、選択されたラマン散乱光を計測する分光器と、分光した光を検出する光検出器とからなることを特徴とする燃料電池システムの燃料監視装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記レーザ受光部が、各ラマン散乱光を導出する複数の受光用光ファイバと、
ラマン散乱光を計測するスリットを有する分光器と、
分光した光を検出する光検出器とからなり、
前記スリットの開口部に各受光用光ファイバの端部が各々接続されることを特徴とする燃料電池システムの燃料監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃料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よい。
【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、燃料ガスの供給が、中空の容器に供給する燃料母管から各モジュールの分岐管に確実に供給されていることが肝要となるが、現時点では、各分岐管における燃料供給の監視システムの構築がなされていないので、燃料が各モジュー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、燃料電池の各カートリッジに等量に燃料が分岐されているかを確認することができる燃料電池システムの燃料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、燃料ガスを燃料電池の中空容器に供給する燃料供給母管と、前記燃料供給母管から分岐され、前記中空容器内に配置された複数の燃料電池セルが集合された各カートリッジに分岐燃料ガスを供給する分岐燃料管と、前記分岐燃料管の各レーザ測定部内の各々に照射するレーザ光を分配する光分配器を備えたレーザ装置と、分配された前記各レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を順次計測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システムの燃料監視装置にある。
【００１０】
第１の発明によれば、分岐燃料管を通過する分岐燃料ガスのガス組成を確認することができ、燃料ガスの供給のバラつきがないことをオンラインで確認することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記レーザ受光部が、各ラマン散乱光を光選択器で選択し、選択されたラマン散乱光を計測する分光器と、分光した光を検出する光検出器とからなることを特徴とする燃料電池システムの燃料監視装置にある。
【００１２】
第２の発明によれば、選択されたラマン散乱光を順次計測することで、分岐燃料管を通過する分岐燃料ガスのガス組成を確認することができ、燃料ガスの供給のバラつきがないことをオンラインで確認することができる。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、前記レーザ受光部が、各ラマン散乱光を導出する複数の受光用光ファイバと、ラマン散乱光を計測するスリットを有する分光器と、分光した光を検出する光検出器とからなり、前記スリットの開口部に各受光用光ファイバの端部が各々接続されることを特徴とする燃料電池システムの燃料監視装置にある。
【００１４】
第３の発明によれば、分岐燃料管を通過する分岐燃料ガスのガス組成を同時に確認することができ、燃料ガスの供給のバラつきがないことをオンラインで確認することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、分岐燃料管を通過する分岐燃料ガスのガス組成を確認することができる。これにより燃料電池の各カートリッジに等量に燃料が分岐されているかをオンラインで確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池システムの燃料監視装置の概略図である。
【図２】図２は、図１のＡ部拡大図であり、レーザ測定部の概略図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池システムの燃料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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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】
【００１８】
図１は、実施例１に係る燃料電池システムの燃料監視装置の概略図である。
本実施例では、燃料電池モジュール１００内に４つのカートリッジ（第１〜第４のカートリッジ１０１−１〜１０１−４）が配設されている場合について説明する（本実施例では簡略化した４本のカートリッジを図示しているが、これに限定されるものではない。）。ここで、第１〜第４のカートリッジ１０１−１〜１０１−４には、燃料ガス１１を供給する燃料供給ヘッダ１０２、酸化剤である空気１０３を供給する酸化剤供給ヘッダ１０４が各々配設されている。また、第１〜第４のカートリッジ１０１−１〜１０１−４には燃料電池セル（以下「セル」という。）１０５が複数本（本実施例では簡略化した３本を図示しているが、これに限定されるものではない。）接続されており、このセル１０５に燃料ガス１１及び空気１０３を供給することで燃料電池発電をしている。なお、図１においては、燃料ガス及び空気の排気ラインは図示を省略する。
【００１９】
図１に示すように、本実施例に係る燃料電池システムの燃料監視装置１０Ａは、燃料ガス１１を燃料電池１２の中空容器である燃料電池モジュール１００に供給する燃料供給母管１４と、前記燃料供給母管１４から分岐され、前記燃料電池モジュール１００内に配置された複数のセル１０５が集合された第１〜第４のカートリッジ１０１−１〜１０１−４に分岐燃料ガス１１−１〜１１−４を供給する分岐燃料管１７−１〜１７−４と、前記分岐燃料管１７−１〜１７−４の各レーザ測定部１８−１〜１８−４内の各々に照射するレーザ光２１−１〜２１−４を分配する光分配器１９を備えたレーザ装置２３と、分配された前記各レーザ光２１−１〜２１−４の照射により発生するラマン散乱光２２−１〜２２−４を順次計測するレーザ受光部２４と、を具備するものである。
【００２０】
この燃料電池システムの燃料監視装置１０Ａを用いて、レーザ測定部１８−１〜１８−４で発生した燃料ガス１１に起因する各ラマン散乱光２２−１〜２２−４をレーザ受光部２４で計測することにより、分岐燃料ガス１１−１〜１１−４の各ガス組成を計測することができる。
【００２１】
ここで、レーザ受光部２４は、各ラマン散乱光２２−１〜２２−４を分光する分光器２４ａと、分光した光を検出する光検出器２４ｂとから構成されている。なお、光検出器２４ｂとしては、ＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等を用いることができる。
【００２２】
レーザ計測するには、先ず、レーザ装置２３からのレーザ光２１を、送光用光ファイバ２５を介して光分配器１９に送光する。この光分配器１９では、レーザ光２１を分配し、各分配されたレーザ光２１−１〜２１−４は、送光用分岐光ファイバ２６−１〜２６−４を介して各レーザ測定部１８−１〜１８−４に送られる。
【００２３】
図２は、図１のＡ部拡大図であり、レーザ測定部の概略図である。
図２に示すように、レーザ測定部１８−１では、分配されたレーザ光２１−１は、コリメータ２７を通過して測定領域２８−１側へ集光させ、分岐燃料管１７−１の測定領域２８−１内にレーザ光２１−１を入射させる。図２において、符号４１はビームダンパを図示する。
【００２４】
このレーザ照射によって、分岐燃料管１７−１〜１７−４に導入された分岐燃料ガス１１−１〜１１−４が通過する測定領域２８−１〜２８−４の中心部から散乱されたラマン散乱光２２−１〜２２−４は、例えば集光部２９を通過し、受光用分岐光ファイバ３０−１〜３０−４を介して光選択器である光チャンネルセレクター３１に送られる。
【００２５】
光チャンネルセレクター３１では、順次受光用分岐光ファイバ３０−１〜３０−４のチャンネルを選択することで、ラマン散乱光２２−１〜２２−４を順次分光器２４ａへ送り、ここで分光され、該分光器２４ａに接続された光検出器２４ｂにより各波長の光の強度を計測する。
【００２６】
前記光検出器２４ｂからの計測データは、制御手段３２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、各分岐燃料管１７−１〜１７−４を通過する各分岐燃料ガス１１−１〜１１−４の燃料ガス組成が求められる。
【００２７】
本実施例によれば、分岐燃料管１７−１〜１７−４を通過する分岐燃料ガス１１−１〜１１−４のガス組成を常時確認することができ、燃料ガスの供給のバラつきがないことをオンラインで確認することができる。
【実施例２】
【００２８】
図３は、実施例２に係る燃料電池システムの燃料監視装置の概略図である。なお、実施例１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３に示すように、本実施例に係る燃料電池システムの燃料監視装置１０Ｂは、実施例１の燃料電池システムの燃料監視装置１０Ａにおいて、光チャンネルセレクターを用いずに、分光器２４ａに受光用分岐光ファイバ３０−１〜３０−４を接続している。
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４に示すように、分光器２４ａの側壁に形成されたスリット５１に、受光用分岐光ファイバ３０−１〜３０−４の他端部３０ａが接続されている。これにより、各受光用分岐光ファイバ３０−１〜３０−４からのラマン散乱光２２−１〜２２−４を同時に計測することができる。ここでスリット５１のスリット幅は、１００〜２００μｍ程度としている。
【００２９】
スリット５１に導入された光情報は、ＩＣＣＤカメラ等の光検出器２４ｂでの二次元のピクセル情報として、一度に計測することができる。
【００３０】
本実施例によれば、分岐燃料管１７−１〜１７−４を通過する分岐燃料ガス１１−１〜１１−４のガス組成を同時に確認することができ、燃料ガスの供給のバラつきがないことをオンラインで確認することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０Ａ、１０Ｂ  燃料電池システムの燃料監視装置
１１  燃料ガス
１２  燃料電池
１７−１〜１７−４  分岐燃料管
１８−１〜１８−４  レーザ測定部
１９  光分配器
２１−１〜２１−４  レーザ光
２２−１〜２２−４  ラマン散乱光
２３  レーザ装置
２４  レーザ受光部
１００  燃料電池モジュール
１０１−１〜１０１−４  第１〜４のカートリッジ
１０２  燃料供給ヘッダ
１０３  空気
１０４  酸化剤供給ヘッダ
１０５  燃料電池セル（セル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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