(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及び燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法を提供する。【解決手段】燃料電池セル１１の内部に供給される燃料ガス１２と、前記燃料電池セル１１の外部に前記燃料ガス１２と対向するように供給される酸化剤１３とにより発電する燃料電池と、前記燃料電池セル１１の側壁近傍に沿ってパルスレーザ光２１を照射する送光レンズ２２及び前記パルスレーザ光２１の照射により発生するラマン散乱光２３を受光する受光レンズ２４と、前記送光レンズ２２に送光用光ファイバ２５を介してパルスレーザ光２１を送光するパルスレーザ送光部２６と、前記受光レンズ２４からのラマン散乱光２３を受光用光ファイバ２７に受光するゲート付光センサ２８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沿ってパルスレーザ光を照射する送光レンズ及び前記パルス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受光レンズと、
前記送光レンズに送光用光ファイバを介してパルスレーザ光を送光するパルスレーザ送光部と、
前記受光レンズからのラマン散乱光を受光するゲート付光センサと、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】
燃料電池セル近傍に照射されるパルスレーザ光により発生するラマン散乱光から前記燃料電池セルの側壁外周近傍のガス成分を計測する方法であって、
前記燃料電池の外部に設けられたパルスレーザ送光部から光ファイバを介して、燃料電池内のセルの鉛直方向側壁に沿ってパルスレーザ光を照射し、
パルスレーザ光により発生するラマン散乱光を燃料電池の外部において、ゲート付光センサで受光し、ガス組成を計測することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法。
【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及び燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法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。
【０００８】
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。
【０００９】
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及び燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法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】
【００１０】
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沿ってパルスレーザ光を照射する送光レンズ及び前記パルス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受光レンズと、前記送光レンズに送光用光ファイバを介してパルスレーザ光を送光するパルスレーザ送光部と、前記受光レンズからのラマン散乱光を受光するゲート付光センサと、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。
【００１１】
第１の発明によれば、パルスレーザ光を燃料電池セルの側壁近傍に鉛直軸方向に沿って照射し、ラマン散乱光を受光することで、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。
【００１２】
第２の発明は、燃料電池セル近傍に照射されるパルスレーザ光により発生するラマン散乱光から前記燃料電池セルの側壁外周近傍のガス成分を計測する方法であって、前記燃料電池の外部に設けられたパルスレーザ送光部から光ファイバを介して、燃料電池内のセルの鉛直方向側壁に沿ってパルスレーザ光を照射し、パルスレーザ光により発生するラマン散乱光を燃料電池の外部において、ゲート付光センサで受光し、ガス組成を計測することを特徴とする燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法にある。
【００１３】
第２の発明によれば、パルスレーザ光を燃料電池セルの側壁近傍に鉛直軸方向に沿って照射し、ラマン散乱光を受光することで、燃料電池セルの側壁の雰囲気ガス組成を計測できるので、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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パルスレーザ光を燃料電池セルの側壁近傍に鉛直軸方向に沿って照射し、ラマン散乱光を受光することで、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】
【００１５】
【図１】図１は、実施例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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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】
【００１７】
図１は、実施例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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、カートリッジ内の中心部分は、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。
【００２０】
以下の実施例では、その中心に位置する燃料電池セル１１の側壁に沿って鉛直軸方向にパルスレーザ光を照射する送光レンズ、及び発生するラマン散乱光を受光する受光レンズを配置した場合について、説明する。
【００２１】
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１０は、燃料電池セル１１の内部に供給される燃料ガス１２と、前記燃料電池セル１１の外部に前記燃料ガス１２と対向するように供給される酸化剤１３とにより発電する燃料電池と、前記燃料電池セル１１の側壁近傍に沿ってパルスレーザ光２１を照射する送光レンズ２２及び前記パルスレーザ光２１の照射により発生するラマン散乱光２３を受光する受光レンズ２４と、前記送光レンズ２２に送光用光ファイバ２５を介してパルスレーザ光２１を送光するパルスレーザ送光部２６と、前記受光レンズ２４からのラマン散乱光２３を受光用光ファイバ２７に受光するゲート付光センサ２８と、を具備するものである。ここで、パルスレーザ送光部２６とゲート付光センサ２８とは、燃料電池モジュールの外部に設置されている。
【００２２】
本実施例に係る燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０では、燃料電池カートリッジ１００の内部の中心のセル近傍に沿って、鉛直軸方向にパルスレーザ光２１を照射するパルスレーザ送光部２６と、パルスレーザ光２１の照射により発生したラマン散乱光２３（２３−１、２３−２、２３−３、２３−４）を検出するゲート付光センサ２８と、を具備するものである。
【００２３】
また、送光レンズ２２及びレーザ受光レンズ２４は、パルスレーザ送光部２６及びデート付光センサ２８と、送光用光ファイバ２５及び受光用光ファイバ２７により各々接続されている。なお、符号３１は、カートリッジ１００に設けられる光ファイバ接続用のアタッチメントを図示する。
【００２４】
セル１１の鉛直軸方向の所定深さ（本実施例では、深さＩ、深さII、深さIII、深さIV）に対応して、パルスレーザ光２１によるラマン散乱光２３の受光をゲート付センサ２８で時間に応じて、ゲートのシャッタの開閉を調節している。ここで、パルスレーザ送光部２６とゲート付光センサ２８とは、同期装置３０により同期されるようにしている。
【００２５】
パルスレーザ送光部２６から送光されるパルスレーザ光２１の波長としては、２００〜１０００ｎｍ、好適には５００〜５５０ｎｍとするのがよい。また、その時間平均出力としては、０．０５〜１０Ｗ、好適には０．１〜１Ｗとするのがよい。また、レーザパルス時間幅は、０．０１〜１００ｎｓｅｃ、好適には１〜１０ｎｓｅｃである。
【００２６】
パルスレーザ光２１は、送光レンズ２２からセル１１の側壁に沿っての深さ方向に照射される。
【００２７】
このパルスレーザ光２１の照射に起因する側壁近傍のガス成分により発生したラマン散乱光２３−１は、受光レンズ２４で受光される。
【００２８】
本実施例では、パルスレーザ光２３がある深さに達した（深さＩ）際、ラマン散乱光２３−１を撮影する。この撮影タイミングは同期装置３０で制御するようにしている。
【００２９】
ここでレーザ光は１ｎｓで約３０ｃｍ進むので、１０ｎｓ後には３００ｃｍ程度進むこととなる。パルスレーザ発振タイミングに対するゲート付センサ２８のゲート開放タイミングを適宜制御することで、所望の深さ方向におけるセル側壁近傍のガス組成を計測することができる。
【００３０】
図１において、パルスレーザ光２１を照射すると、時間分析し、時間と距離とが比例することに応じて、時間ごとに同期を図り、ゲート付センサ２８のゲートを開いて、受光深さを選択的に調整することができる。
【００３１】
この結果、所定厚さを持った領域におけるラマン散乱光２３−１によりセル側壁近傍のガスの組成を計測することが可能となる。
【００３２】
具体的には、深さＩのセル上端部に位置からラマン散乱光２３−１が入射するタイミングでゲートを開き、所定時間ゲートを開放しているときに厚さ領域の計測が可能となる。例えばセル１１の所定位置（深さＩ）において、その上端の送光レンズ２２から１５ｃｍ下方までの領域（図中斜線部）を計測しようとする場合には、当該上端より発生したラマン散乱光２３−１を検出するタイミングでゲートを開き、その０．５ｎｓ後にゲートを閉じるようにする。また、その上端から３０ｃｍ下方までの領域（図中斜線部）を計測しようとする場合には、当該上端より発生したラマン散乱光２３−１を検出するタイミングでゲートを開き、その１ｎｓ後にゲートを閉じるようにする。
【００３３】
次に、セル１１の中間部の深さIIまで到達した際に、深さIIの上端より発生したラマン散乱光２３−２を検出するタイミングでゲートを開き、所定厚さに相当する時間だけゲートを開放することで、所定厚さを持った領域におけるラマン散乱光２３−２を検出することができるため、その領域におけるガス組成を計測することが可能となる。
【００３４】
次に、セル１１の中間部の深さIIIまで到達した際に、深さIIの上端より発生したラマン散乱光２３−３を検出するタイミングでゲートを開き、所定厚さに相当する時間だけゲートを開放することで、所定厚さを持った領域におけるラマン散乱光２３−３を検出することができるため、その領域におけるガス組成を計測することが可能となる。
【００３５】
次に、セル１１の底部の深さIVまで到達した際に、深さIVの上端より発生したラマン散乱光２３−４を検出するタイミングでゲートを開き、所定厚さに相当する時間だけゲートを開放することで、所定厚さを持った領域におけるラマン散乱光２３−４を検出することができるため、その領域におけるガス組成を計測することが可能となる。
【００３６】
また、本実施例では、燃料電池の内部にレーザ光を照射するプローブ及びラマン散乱光を受光するプローブを挿入する必要がないので、セルが密集している箇所における鉛直軸方向のガス分布計測が可能となる。
【００３７】
また、ラマン散乱光を検出する検出手段としては、ＩＣＣＤカメラを例示したが、これに限定されるものではなく、例えばＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）やＥＭＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）または光電子増倍管なども使用できる。
【００３８】
本実施例によれば、燃料電池カートリッジ内部の監視装置１０を用いて、パルスレーザ光２１をセル１１の側壁近傍に鉛直軸方向に沿って照射し、ラマン散乱光２３を受光することで、燃料電池セル１１の側壁の雰囲気ガス組成を確認できるので、酸化剤が確実に供給されていることを確認することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
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、燃料電池全体内部に酸化剤１３が確実に供給されていることの確認ができ、燃料電池が適切に運転することとなる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  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）
２１  パルスレーザ光
２２  送光レンズ
２３（２３−１、２３−２、２３−３、２３−４）  ラマン散乱光
２４  受光レンズ
２５  送光用光ファイバ
２６  パルスレーザ送光部
２７  受光用光ファイバ
２８  ゲート付光センサ
１００  燃料電池カートリッジ
【図１】
2014225386.tif 000003
【図２】
2014225386.tif 000004