(57)【要約】【課題】ガス中のＣＯ成分の濃度を計測するガス中のＣＯ成分計測装置を提供することを課題とする。【解決手段】ガス１１の供給・排出ライン１２，１３を備えたセル１４と、該セル１４内に供給されたガス１１にレーザ光２１を照射するレーザ照射手段２２と、上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求める光検出手段２３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】
ガスの供給・排出ラインを備えたセルと、
該セル内に供給されたガスにレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求める検出手段とを具備してなることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記セルが減圧セルであることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記減圧セル内の条件が５０ｋＰａ以下であることを特徴とするＣＯ成分計測装置。
【請求項４】
請求項１において、
上記セル内に相対向する多重反射ミラーを配設してなることを特徴とするＣＯ成分計測装置。
【請求項５】
請求項１において、
上記セル内に供給ガスを供給手段がピンホールを有し、段熱膨張させつつセル内部にガスを供給することを特徴とするＣＯ成分計測装置。
【請求項６】
セル内に供給されたガスにレーザ光を照射し、上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求めることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測方法。
【請求項７】
請求項６において、
上記セル内を減圧にすることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測方法。
【請求項８】
請求項７において、
上記減圧セル内の条件が５０ｋＰａ以下であることを特徴とするＣＯ成分計測方法。
【請求項９】
請求項６において、
上記セル内に相対向する多重反射ミラーを配設し、レーザ光を多重反射させることを特徴とするＣＯ成分計測方法。
【請求項１０】
請求項６において、
上記セル内に供給するガスを段熱膨張させつつ噴射することを特徴とするＣＯ成分計測方法。
【請求項１１】
燃料ガス中のＳ成分を除去する脱硫手段と、脱硫された燃料ガスを改質する改質手段と、改質されたガスにより発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
請求項１〜５のいずれか一のＣＯ成分計測装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス中のＣＯ成分の濃度を計測するガス中のＣＯ成分計測装置及び方法に関する。
【０００２】
【背景の技術】
例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等では、使用する燃料ガス、改質ガス等に含まれるＣＯ成分が装置の寿命に大きな影響を及ぼすので、その監視をする必要がある。
【０００３】
このため、上記ＣＯガスの監視において、可燃性ガス（ＣＯ２　：２０％、メタン：２％、水：２０％、Ｈ２　：５６％、Ｎ２　：２％）中のｐｐｍ単位のＣＯ成分を分析する必要から、ガスクロマトグラフィー等の高価な分析手段を用いる必要があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＣＯガスの監視は、燃料電池システムのガス供給ラインから分析のために、分枝してガス中のＣＯ成分を分析するので、オンラインでの連続分析ができないという、問題がある。
また、ガスクロマトグラフィー分析は、高価であるのと、分析ガスを多量に必要とし、燃料電池システムのガス構成に変動を生じるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑み、ガス中のＣＯ成分を連続して簡易且つ迅速に計測するＣＯ成分計測装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明は、ガスの供給・排出ラインを備えたセルと、
該セル内に供給されたガスにレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求める検出手段とを具備してなることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測装置にある。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
上記セルが減圧セルであることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測装置にある。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、
上記減圧セル内の条件が５０ｋＰａ以下であることを特徴とするＣＯ成分計測装置にある。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明において、
上記セル内に相対向する多重反射ミラーを配設してなることを特徴とするＣＯ成分計測装置にある。
【００１０】
第５の発明は、第１の発明において、
上記セル内に供給ガスを供給手段がピンホールを有し、段熱膨張させつつセル内部にガスを供給することを特徴とするＣＯ成分計測装置にある。
【００１１】
第６の発明は、セル内に供給されたガスにレーザ光を照射し、上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求めることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測方法にある。
【００１２】
第７の発明は、第６の発明において、
上記セル内を減圧にすることを特徴とするガス中のＣＯ成分計測方法にある。
【００１３】
第８の発明は、第７の発明において、
上記減圧セル内の条件が５０ｋＰａ以下であることを特徴とするＣＯ成分計測方法にある。
【００１４】
第９の発明は、第６の発明において、
上記セル内に相対向する多重反射ミラーを配設し、レーザ光を多重反射させることを特徴とするＣＯ成分計測方法にある。
【００１５】
第１０の発明は、第６の発明において、
上記セル内に供給するガスを段熱膨張させつつ噴射することを特徴とするＣＯ成分計測方法にある。
【００１６】
第１１の発明は、燃料ガス中のＳ成分を除去する脱硫手段と、脱硫された燃料ガスを改質する改質手段と、改質されたガスにより発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムの発明において、
第１〜５のいずれか一のＣＯ成分計測装置を備えたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係る実施の形態を説明するが、該実施の形態は本発明を限定するものではない。
【００１８】
図１にガス中のＣＯ成分計測装置を備えた燃料電池システムの概略図を示す。図１に示すように、本実施の形態にかかるＣＯ成分計測装置１０は、ガス１１の供給・排出ライン１２，１３を備えたセル１４と、
該セル１４内に供給されたガス１１にレーザ光２１を照射するレーザ照射手段２２と、
上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求める光検出手段２３とを具備してなるものである。
【００１９】
また、本発明のＣＯ成分計測装置の他の実施の形態を示す図２に示すように、上記セル１４内を減圧する真空ポンプ２５を設け、大気圧以下とするようにしてもよい。減圧することで、ＣＯの検出感度が向上するからである。
なお、減圧は５０ｋＰａ以下、好ましくは０．５〜５０ｋＰａとするのがよい。これは０．５ｋＰａ以下となると単にシグナル強度が低下するので、減圧効果を得ることができないからである。
【００２０】
図８にセル１４内を減圧し、ＣＯ濃度を一定とした場合の圧力の変動によるスペクトル変化図を示す。図８は、セル１４内を１０ｋＰａ（０．１ＭＰａ）から０．１ｋＰａ（０．００１ＭＰａ）の範囲で減圧したＣＯのシグナル強度を示す。
これにより、減圧は０．５ｋＰａまでするのがよいことが確認される。
【００２１】
また、図９〜１１に、大気圧下におけるＣＯとＣＯ２　とＨ２　Ｏとの吸収スペクトル図を示す。図９はＣＯ１０ｐｐｍ、ＣＯ２　２０％の場合である。
図１０はＣＯ１０ｐｐｍ、Ｈ２　Ｏ２０％の場合である。
図１１はＣＯ１０ｐｐｍ、ＣＯ２　、Ｈ２　Ｏ各々２０％の場合である。
【００２２】
また、図９〜１１に、減圧（０．５気圧）下におけるＣＯとＣＯ２　との吸収スペクトル図を示す。図９はＣＯ１０ｐｐｍ、ＣＯ２　２０％の場合である。
図１０はＣＯ１０ｐｐｍ、Ｈ２　Ｏ２０％の場合である。
図１１はＣＯ１０ｐｐｍ、ＣＯ２　、Ｈ２　Ｏ各々２０％の場合である。
【００２３】
次に、本発明にかかるセル１４の種々の構成を説明する。
図３に示すセル１４はガス１１を供給する供給ライン１２と排出ライン１３とを設け、真空ポンプ２５により、セル内部を減圧としている。セル内に供給されたガスはレーザ光２１の照射を受け、真空ポンプ２５により、外部へ排出される。なお、排出されたガス１１は燃料電池本体へ供給する改質ガスと混合して、燃料電池での発電に寄与するので、廃棄するようなことはない。
また、従来のガスクロマトグラフィーのような多量にガスを使用することもないので、燃料電池システムのガス構成に変動を与えることもない。さらに、ガスを戻すことにより、ガス収支は零となり、燃料を効率よく使用することとなる。
【００２４】
図４に、本発明の他の実施の形態について説明する。
【００２５】
図４に示す示すセル１４は、セル内部に多重反射ミラー３１、３１を配設し、セル内部に照射されたレーザ光２１を多重反射させることで、光路長さを長くしている。これにより感度向上を図っている。
図４は軸方向にレーザ光を折り返すように、セルの長手方向の両端部に反射ミラーを設けているが、図５に示すように、軸に沿った壁面に相対向するように多重反射ミラー３１を配設するようにしてもよい。これにより、パス長さを長くすることで、検出感度の向上を図ることができる。
上記多重反射ミラーには、誘電体多層膜（例えばＴｉＯ２　、ＳｉＯ２　）の薄膜を数μｍ程度の厚さでコーティングしたものであり、対象波長の光の反射率を高めるようにしている。
【００２６】
また、図６に示すように、セルの噴射手段５１の中央部分に細孔（細孔径』例えば０．５ｍｍ以下）５２を設け、セル１４内部に断熱膨張によるジェット流を形成させ、温度の低下を量り、検出感度を向上するようにしてもよい。
これにより、ＣＯ２　やＨ２　Ｏ等とのスペクトルの重なりが低減されると共に、数密度上昇による感度向上を図ることができる。
【００２７】
この際、レーザ光は複数回反射させるように反射面に多重反射ミラー３１を設けてさらに検出感度の向上を図っている。
【００２８】
図７は、燃料電池システムにおけるＣＯを検出した場合の工程図である。
先ず、図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給ライン１０１に介装され、燃料ガス１１中のＳ成分を除去する脱硫手段１０２と、上記脱硫された燃料ガス１０３を改質する改質手段１０４と、上記改質されたガス１０５を燃料極に供給すると共に空気供給ライン１０６により供給される空気１０７を酸素極に供給して発電を行う燃料電池本体１０８とを備えており、ＣＯ成分計測装置１０が改質手段１０４により改質された改質ガス中のＣＯ濃度を計測するように、供給・排出ライン１２，１３からセル１４へガスを供給・排出させている。
【００２９】
このように燃料電池システムにてリアルタイムでＣＯ濃度を測定できるので、計測結果に基づき、ＣＯ濃度が常に適正であるかを監視しつつ発電を実行することができるようになる。
これにより、燃料電池システムの保護強化を図ることができる。
特に、大型の設置用の燃料電池の場合には、ＣＯ濃度の被毒対策に効果が大きなものとなる。
なお、ガス１１はＣＯ濃度を計測した後に再度燃料電池への供給ラインに戻すようにしているので、従来のようなガスクロマトグラフィー法等のようなガスの大幅な損失を防止することができる。
【００３０】
そして、図７に示すように、計測装置１０において、ＣＯ成分を計測し（Ｓ１）、ＣＯ濃度が規定値以下の場合には、燃料電池の運転を継続する（Ｓ２）。
一方、ＣＯ成分を計測し（Ｓ１）、ＣＯ濃度が規定値以上の場合には、燃料電池に供給する燃料ガス１１のバルブ４１を閉め（Ｓ３）、アラーム４２を発する（Ｓ４）。
また、ＣＯの規定値以下であってもその程度に応じて、燃料電池運転を継続し（Ｓ５）、引き続き監視を継続し、ＣＯ濃度が異常値以上となった場合には、燃料電池の運転を停止する（Ｓ６）。
これにより、ＣＯ成分による触媒の被毒を防止するようにしている。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスの供給・排出ラインを備えたセルと、該セル内に供給されたガスにレーザ光を照射するレーザ照射手段と、上記レーザ光照射による吸収スペクトルを測定する際、１５６１〜１５６３ｎｍの波長域で吸収スペクトルを求め、該吸収スペクトルからＣＯ濃度を求める検出手段とを具備してなるので、ガス中のＣＯ成分をオンラインで簡易に計測することができる。
【００３２】
よって、この計測装置を用いて燃料電池システムにおける供給するガス中のＣＯ成分の濃度を監視することで、燃料電池本体での触媒の被毒を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス中のＣＯ成分計測装置を備えた燃料電池システムの概略図である。
【図２】他のガス中のＣＯ成分計測装置を備えた燃料電池システムの概略図である。
【図３】他のセルの構成概略図である。
【図４】他のセルの構成概略図である。
【図５】他のセルの構成概略図である。
【図６】他のセルの構成概略図である。
【図７】ＣＯ濃度測定の工程図である。
【図８】ＣＯ濃度測定の圧力変動のシグナル強度を示す図である。
【図９】ＣＯとＣＯ２　との常圧での測定図である。
【図１０】ＣＯとＨ２　Ｏとの常圧での測定図である。
【図１１】ＣＯとＣＯ２　とＨ２　Ｏとの常圧での測定図である。
【図１２】ＣＯとＣＯ２　との減圧での測定図である。
【図１３】ＣＯとＨ２　Ｏとの減圧での測定図である。
【図１４】ＣＯとＣＯ２　とＨ２　Ｏとの減圧での測定図である。
【符号の説明】
１０　ＣＯ成分計測装置
１１　ガス
１２　供給ライン
１３　排出ライン
１４　セル
２１　レーザ光
２２　レーザ照射手段
２３　光検出手段
【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】
2004055183.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004055183.tif 000013
【図１２】
2004055183.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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