JP2021061218A - Electrochemical system - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書における開示は、電気化学システムに関する。 The disclosure herein relates to an electrochemical system.
特許文献１は、ラマン散乱光から燃料電池セルの側壁外周近傍のガス成分を計測する燃料電池カートリッジ内部のガス成分計測方法を開示している。パルスレーザ光がある深さに達した際、ラマン散乱光を撮影することで、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している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。 Patent Document 1 discloses a method for measuring a gas component inside a fuel cell cartridge, which measures a gas component in the vicinity of the outer periphery of the side wall of the fuel cell from Raman scattered light. When the pulsed laser light reaches a certain depth, the Raman scattered light is photographed to measure the gas composition in the vicinity of the cell side wall in the desired depth direction. The contents of the prior art document are incorporated by reference as an explanation of the technical elements in this specification.
先行技術文献の構成では、深さ方向の距離を制御しながら所定位置におけるガス計測を行っている。このため、燃料電池のガス成分における深さ方向の分布を得るためには、ガス計測を複数回繰り返す必要があり、短時間で広い範囲のガス計測結果を得られなかった。電気化学システムにおいては、なるべく広い範囲において酸化還元反応が適切に行われている状態が好ましく、広い範囲のガス計測を行うことは重要である。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電気化学システムにはさらなる改良が求められている。 In the structure of the prior art document, gas measurement is performed at a predetermined position while controlling the distance in the depth direction. Therefore, in order to obtain the distribution of the gas component of the fuel cell in the depth direction, it is necessary to repeat the gas measurement a plurality of times, and it is not possible to obtain a wide range of gas measurement results in a short time. In an electrochemical system, it is preferable that the redox reaction is appropriately performed in a wide range as much as possible, and it is important to measure gas in a wide range. Further improvements are required in the electrochemical system in the above-mentioned viewpoint or in other viewpoints not mentioned.
開示される１つの目的は、レーザ光の進行方向に沿ってガス検知可能な電気化学システムを提供することにある。 One object disclosed is to provide an electrochemical system capable of detecting gas along the traveling direction of a laser beam.
ここに開示された電気化学システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給ガスの酸化還元反応を引き起こす電気化学装置（１０）と、供給ガスを電気化学装置に供給するためのガス供給部（２０、４０）と、電気化学装置内の供給ガスに照射するためのレーザ光を出力するレーザ装置（５１）と、レーザ光を供給ガスに照射することで発生するラマン散乱光の強度を計測する光計測器（５９）とを備え、光計測器は、供給ガスに照射されているレーザ光の進行方向と供給ガスに照射されているレーザ光の偏光方向との両方の方向に対して交差する方向に進行するラマン散乱光の強度を計測する。 The electrochemical system disclosed here includes an electrochemical device (10) that causes an oxidation-reduction reaction between a fuel gas and an oxidizing agent gas to supply gas, and a gas supply unit (20) for supplying the supplied gas to the electrochemical device. , 40), a laser device (51) that outputs laser light for irradiating the supply gas in the electrochemical device, and light for measuring the intensity of Raman scattered light generated by irradiating the supply gas with the laser light. A measuring instrument (59) is provided, and the optical measuring instrument is a direction that intersects with respect to both the traveling direction of the laser light irradiating the supply gas and the polarization direction of the laser light irradiating the supply gas. Measure the intensity of Raman scattered light that progresses to.
開示された電気化学システムによると、供給ガスに照射されているレーザ光の進行方向と供給ガスに照射されているレーザ光の偏光方向との両方の方向に対して交差する方向に進行するラマン散乱光の強度を計測する光計測器を備えている。このため、レーザ光の進行方向に沿った異なる位置で発生したラマン散乱光を光計測器が計測することができる。したがって、レーザ光の進行方向に沿ってガス検知可能な電気化学システムを提供できる。 According to the disclosed electrochemical system, Raman scattering travels in a direction intersecting both the traveling direction of the laser beam irradiating the supply gas and the polarization direction of the laser beam irradiating the supply gas. It is equipped with an optical measuring instrument that measures the intensity of light. Therefore, the Raman scattered light generated at different positions along the traveling direction of the laser light can be measured by the optical measuring instrument. Therefore, it is possible to provide an electrochemical system capable of detecting gas along the traveling direction of the laser beam.
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。 The disclosed aspects herein employ different technical means to achieve their respective objectives. The claims and the reference numerals in parentheses described in this section exemplify the correspondence with the parts of the embodiments described later, and are not intended to limit the technical scope. The objectives, features, and effects disclosed herein will be made clearer by reference to the subsequent detailed description and accompanying drawings.
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。以下において、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。 A plurality of embodiments will be described with reference to the drawings. In a plurality of embodiments, functionally and / or structurally corresponding parts and / or related parts may be designated with the same reference code or reference numerals having a hundreds or more different digits. References can be made to the description of other embodiments for the corresponding and / or associated parts. In the following, the three directions orthogonal to each other will be referred to as the X direction, the Y direction, and the Z direction.
第１実施形態
燃料電池システム１は、燃料電池１０において燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって、発電を行うシステムである。燃料電池システム１は、例えば燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ）に搭載されて走行用モータへ供給する電力を発電する。また、燃料電池システム１は、定置型燃料電池システムとして、電気と熱を同時に取り出して給湯や暖房などを行う。
The first embodiment is a system that generates electricity in a
燃料電池システム１は、電気化学システムの一例を提供する。ここで、電気化学システムとは、酸化還元反応を利用するシステムのことである。電気化学システムとしては、燃料電池システム１のような発電を目的としたシステムに限られない。電気化学システムには、少なくとも水電解装置に関するシステムや水素ポンプに関するシステムなどが含まれる。以下では、電気化学システムの一例として、燃料電池システム１を採用した場合を例に説明する。 The fuel cell system 1 provides an example of an electrochemical system. Here, the electrochemical system is a system that utilizes a redox reaction. The electrochemical system is not limited to a system for power generation such as the fuel cell system 1. Electrochemical systems include at least systems related to water electrolyzers and systems related to hydrogen pumps. In the following, as an example of the electrochemical system, a case where the fuel cell system 1 is adopted will be described as an example.
図１において、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、水素供給部２０と、空気供給部４０と、ガス検知装置５０と、制御部９０とを備えている。燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。燃料電池１０は、ＦＣあるいはＦＣスタックとも呼ばれる。燃料電池セル１１の積層方向は、Ｘ方向に沿う方向である。燃料電池セル１１の長手方向は、Ｙ方向に沿う方向である。燃料電池１０は、電気化学装置の一例を提供する。
In FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
燃料電池セル１１は、水素イオンを透過可能な電解質膜の一方の面に正極を備え、他方の面に負極を備えている。燃料電池セル１１は、アノード電極に還元剤として機能する水素が供給され、カソード電極に酸化剤として機能する酸素を含む空気が供給されることで、化学反応によって発電を行う固体高分子形燃料電池である。ただし、水素以外を還元剤として使用してもよい。また、空気に含まれる酸素以外を酸化剤として使用してもよい。水素は、燃料ガスの一例を提供する。空気は、酸化剤ガスの一例を提供する。水素と空気とは、それぞれ供給ガスの一例を提供する。
The
各燃料電池セル１１は、水素と空気とが供給されることで、以下に示すような水素と酸素の化学反応により、電気エネルギを出力することとなる。
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
水素供給部２０は、燃料電池システム１において、燃料電池１０に燃料である水素ガスを供給するための部分である。水素供給部２０は、水素タンク２１と水素調圧弁２２と水素流路部２５と水排出弁２９とを備えている。水素タンク２１は、高圧の水素ガスを蓄えるタンクである。水素流路部２５は、水素ガスの流れる流路を構成している部分である。水素流路部２５は、燃料電池１０に水素ガスを導入するための水素導入流路部を備えている。水素流路部２５は、燃料電池１０から水素ガスを導出するための水素導出流路部を備えている。水素流路部２５は、水素導入流路部と水素導出流路部とを接続して水素ガスが循環する流路を構成している循環流路部２５ｃを備えている。水素供給部２０は、ガス供給部の一例を提供する。水素流路部２５は、供給ガス流路部の一例を提供する。
When hydrogen and air are supplied to each
(Anode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Cathode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → H 2 O
The
水素調圧弁２２は、水素流路部２５の水素導入流路部に設けられている。水素調圧弁２２は、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための弁である。水素流路部２５において、水素調圧弁２２と燃料電池１０との間の流路部には、水素圧力センサ２３が設けられている。水素圧力センサ２３は、燃料電池１０に導入される水素ガスの圧力を計測するためのセンサである。水排出弁２９は、水素流路部２５の水素導出流路部に設けられている。水排出弁２９は、燃料電池１０から出た水を外部に排出するための弁である。水排出弁２９を開くことで、水を外部に排出するとともに一部のガスを外部に排出することができる。水素調圧弁２２は、供給ガス弁の一例を提供する。水排出弁２９は、供給ガス弁の一例を提供する。
The hydrogen
水素流路部２５において、循環流路部２５ｃには、循環ポンプ２６が設けられている。循環ポンプ２６は、燃料電池１０での化学反応に使用されずに燃料電池１０を通過した水素ガスを水素導出流路部から水素導入流路部に戻して循環させるためのポンプである。循環ポンプ２６は、循環動力部の一例を提供する。循環動力部として循環ポンプ２６に代えてエジェクタを用いて水素ガスを循環させてもよい。
In the hydrogen
化学反応に使用されなかった水素ガスを循環させて、再び燃料電池１０に導入することで、未反応の水素ガスを外部に排出することを抑制できる。ただし、未反応の水素ガスを循環させる構成を採用せず、未反応の水素ガスを外部に排出する構成としてもよい。水素流路部２５において、燃料電池１０と水排出弁２９との間の流路部には、気液分離器２８が設けられている。気液分離器２８は、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水を水素ガスから分離するための装置である。
By circulating hydrogen gas that has not been used in the chemical reaction and introducing it into the
空気供給部４０は、燃料電池システム１において、燃料電池１０に酸素を含んだ空気を供給するための部分である。空気供給部４０は、エアコンプレッサ４１と空気調圧弁４２と空気流路部４５と空気排出弁４９とを備えている。エアコンプレッサ４１は、吸い込んだ空気を圧縮して燃料電池１０に送るための装置である。エアコンプレッサ４１は、運転状態を電気的に制御可能な電動コンプレッサである。空気流路部４５は、空気の流れる流路を構成している部分である。空気流路部４５は、燃料電池１０に空気を導入するための空気導入流路部を備えている。空気流路部４５は、燃料電池１０から空気を導出するための空気導出流路部を備えている。空気供給部４０は、ガス供給部の一例を提供する。空気流路部４５は、供給ガス流路部の一例を提供する。
The
空気調圧弁４２は、空気流路部４５の空気導入流路部に設けられている。空気調圧弁４２は、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための弁である。空気排出弁４９は、燃料電池１０に供給された空気を外部に排出するための弁である。空気調圧弁４２は、供給ガス弁の一例を提供する。空気排出弁４９は、供給ガス弁の一例を提供する。
The air
ガス検知装置５０は、燃料電池１０の内部におけるガスの量を検知するための装置である。ガス検知装置５０は、複数の燃料電池セル１１のうち、端に位置する燃料電池セル１１におけるガスの量を検知する。ガス検知装置５０を２つ備えて、燃料電池１０の両端におけるそれぞれの燃料電池セル１１のガスの量を検知してもよい。ガス検知装置５０の詳細な構成については、後述する。
The
制御部９０は、燃料電池システム１における制御を行う。より詳細には、制御部９０は、燃料電池１０を制御して、燃料電池１０から外部に取り出す電力の大きさを制御する。制御部９０は、走行用モータなどの電気負荷を制御して、燃料電池１０から取り出した電力の消費量を制御する。制御部９０は、水素調圧弁２２と水排出弁２９との弁開度や循環ポンプ２６の出力を制御して燃料電池１０に供給される水素ガスの量を制御する。制御部９０は、エアコンプレッサ４１の出力や空気調圧弁４２と空気排出弁４９の弁開度を制御して燃料電池１０に供給される空気の量を制御する。制御部９０は、ガス検知装置５０を制御して、燃料電池１０内部における水素ガスや空気などの供給ガスの量を検知する。
The
図２において、燃料電池セル１１は、膜電極接合体１２とアノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４とを備えている。膜電極接合体１２は、電解質膜の一方の面にアノード電極を配設し、他方の面にカソード電極を配設して構成された接合体である。膜電極接合体１２は、ＭＥＡとも呼ばれる。アノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４とは、例えば金属製の部品である。
In FIG. 2, the
膜電極接合体１２は、アノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４とによって挟持されている。膜電極接合体１２とアノードセパレータ１３との間には、水素ガスが流れるための流路が形成されている。膜電極接合体１２とカソードセパレータ１４との間には、空気が流れるための流路が形成されている。言い換えると、水素ガスの流路と空気の流路とが膜電極接合体１２によって分離されている。膜電極接合体１２は、水素イオンと水を透過し、それ以外の物質を遮断する膜である。しかしながら、一部のガスが膜電極接合体１２を透過してわずかに漏れ出すことがある。例えば、空気の流路を流れている窒素が、膜電極接合体１２を透過して水素ガスの流路に漏れ出すことがある。このため、水素ガスの流路を流れるガスには、水素ガスだけでなく、窒素ガスや水といった不純物が含まれている場合がある。窒素や水は、供給ガスの一例を提供する。すなわち、供給ガスとは、酸化還元反応に用いられる水素や酸素などの反応ガス以外に、反応に使用されない窒素や水などの不純物ガスを含むガスである。ただし、供給ガス中に不純物ガスを含まない構成としてもよい。
The
ガス検知装置５０は、レーザ装置５１と拡大レンズ５２と光学フィルタ５８と光計測器５９とを備えている。レーザ装置５１は、燃料電池１０を流れている供給ガスに照射するためのレーザ光を出力する装置である。レーザ装置５１から出力されるレーザ光の偏光方向は、Ｚ方向に沿う方向である。ただし、レーザ光の偏光方向は、Ｚ方向に限られず様々な方向に設定可能である。
The
拡大レンズ５２は、レーザ装置５１から出力されたレーザ光の照射範囲を偏光方向であるＺ方向に拡大するための円筒面レンズである。拡大レンズ５２によって照射範囲がシート状に拡大されたレーザ光は、Ｚ方向を長軸とする楕円形状となる。拡大レンズ５２によって照射範囲が拡大されたレーザ光が燃料電池１０の内部に照射されることとなる。拡大レンズ５２として、照射範囲を拡大する機能を持つレンズと、コリメートレンズなどの集光する機能を持つレンズとを組み合わせて構成してもよい。これによると、拡大されて楕円形状に広がったレーザ光を薄く成形して平行光とすることができる。また、レーザ装置５１から十分なビーム径を有するレーザ光を出力させてもよい。この場合、拡大レンズ５２を用いることなく、広い範囲にレーザ光を照射することができる。
The magnifying
光学フィルタ５８は、特定の波長の光を透過し、それ以外の波長の光を遮断するフィルタである。光学フィルタ５８としては、例えば干渉フィルタを採用可能である。光計測器５９は、光の強度を計測する装置である。光計測器５９では、光学フィルタ５８を通過した特定の波長の光の強度を計測することとなる。光計測器５９としては、例えばカメラを採用可能である。
The
光学フィルタ５８と光計測器５９とは、観察窓６５のＸ方向に並んで設けられている。言い換えると、光計測器５９では、レーザ光の偏光方向であるＺ方向に交差する方向に進行する光を計測することになる。Ｚ方向に交差する方向には、Ｚ方向に直交する方向であるＸ方向を含む。また、光計測器５９では、燃料電池１０内部の供給ガス中におけるレーザ光の進行方向であるＹ方向に交差する方向に進行する光を計測することになる。Ｙ方向に交差する方向には、Ｙ方向に直交する方向であるＸ方向を含む。
The
光学フィルタ５８と光計測器５９とを配置する位置は、観察窓６５のＸ方向への投影領域に限られない。例えば、観察窓６５のＸ方向への投影領域からＺ方向にずれた位置に光学フィルタ５８と光計測器５９とを配置してもよい。ただし、レーザ光の偏光方向に対して直交する方向に近い角度であるほど、ガス検知制御で計測する対象であるラマン散乱光を高い強度で計測しやすい。このため、少なくともレーザ光の偏光方向であるＺ方向よりも、偏光方向に直交する方向であるＸ方向に近い角度に光学フィルタ５８と光計測器５９とを配置することが好ましい。
The position where the
アノードセパレータ１３には、導入窓６１と観察窓６５と導出窓６９とが設けられている。導入窓６１は、レーザ装置５１から出力され、拡大レンズ５２によって照射範囲の拡大されたレーザ光を燃料電池１０の内部に導入するための窓である。導出窓６９は、燃料電池１０の内部を通過したレーザ光を燃料電池１０の外部に導出するための窓である。導入窓６１や導出窓６９としては、例えばガラスなどの透明材料を採用可能である。導入窓６１と導出窓６９とには、レーザ光の反射を抑制する加工を施すことが好ましい。
The
観察窓６５は、燃料電池１０の内部に照射されたレーザ光によって水素ガスなどの供給ガスで発生したラマン散乱光を外部から観察するための窓である。光計測器５９は、この観察窓６５を通過したラマン散乱光の強度を計測することとなる。導入窓６１と観察窓６５と導出窓６９とから水素ガスなどのガスが外部に漏れ出すことがないよう、Ｏリングなどを用いてシール性を確保することが好ましい。
The
燃料電池１０の内部におけるガスの量を検知する原理について、以下に説明する。図３において、水素ガスは、観察窓６５を有するアノードセパレータ１３と膜電極接合体１２との間の空間をＹ方向に流れている。水素ガスの流路の一部形成している観察窓６５と膜電極接合体１２との距離をなるべく小さくすることで、膜電極接合体１２にアノード側の表面に水素ガスを効率的に供給することができる。
The principle of detecting the amount of gas inside the
導入窓６１を通過して燃料電池１０の内部に導入されたレーザ光は、反射鏡６２によって進行方向がＸ方向からＹ方向に変化する。言い換えると、レーザ光は、膜電極接合体１２の長手方向に沿って水素ガス中を進行することとなる。水素ガスの流れる流路部をレーザ光が進む過程で、レーザ光の照射された水素ガスからラマン散乱光が発生することとなる。水素ガスの流れる方向とレーザ光の進行方向とは、ともにＹ方向である。このため、水素ガスの流れの上流から下流までの間の複数の位置でラマン散乱光が発生することとなる。この時、水素ガスの流れる流路部に漏れ出した窒素ガスや水が存在している場合には、窒素ガスや水でもラマン散乱光が発生することとなる。水素ガスの流れる流路部を通過したレーザ光は、導出用の鏡によって進行方向がＹ方向からＸ方向に変化し、導出窓６９から燃料電池１０の外部に導出される。膜電極接合体１２の近傍において、レーザ光の進行方向と水素ガスの流れ方向とは、互いに反対の方向である。
The traveling direction of the laser beam introduced into the
Ｙ方向に進行するレーザ光によって膜電極接合体１２の近傍に存在する水素ガス全体からラマン散乱光が発生する。発生したラマン散乱光のうち、観察窓６５を通過し、さらに光学フィルタ５８を透過した光を光計測器５９で計測することとなる。照射したレーザ光の波長に対して発生するラマン散乱光の波長は、物質によって異なる。言い換えると、同じレーザ光を照射した場合であっても、水素のラマン散乱光の波長と窒素のラマン散乱光の波長と酸素のラマン散乱光の波長とはそれぞれ異なる波長である。このため、光学フィルタ５８において、水素ガスで発生するラマン散乱光の波長を透過する特定の波長として設定することで、水素ガスで発生したラマン散乱光の強度を計測することができる。
Raman scattered light is generated from the entire hydrogen gas existing in the vicinity of the
光計測器５９には、Ｙ方向とＺ方向に並んで複数の受光素子が備えられている。これにより、受光素子で計測した光の強度と、その受光素子の配置されている位置との情報を対応付けることで、ラマン散乱光の強度をＹＺ平面における２次元の分布として取得することができる。言い換えると、水素ガスの流れ方向の上流側と下流側とのどちらの領域においても、ラマン散乱光の強度を取得することができる。
The optical measuring
水素ガスのラマン散乱光の強度を２次元の分布として取得する場合を例に説明したが、水素ガス以外のラマン散乱光の強度を取得してもよい。例えば、光学フィルタ５８において、窒素ガスで発生するラマン散乱光の波長を透過する特定の波長として設定すれば、窒素ガスで発生したラマン散乱光の強度を計測することができる。また、主に空気が流れる流路部にレーザ光を照射して、酸素のラマン散乱光の強度を取得してもよい。
Although the case of acquiring the intensity of Raman scattered light of hydrogen gas as a two-dimensional distribution has been described as an example, the intensity of Raman scattered light other than hydrogen gas may be acquired. For example, if the
反射鏡６２は、膜電極接合体１２になるべく近い部分にレーザ光を進行させるように設置することが好ましい。これによると、膜電極接合体１２付近の水素ガスのラマン散乱光の強度を取得できる。膜電極接合体１２においては、酸化還元反応が積極的に行われている部分における水素ガスの濃度が減少しやすい。また、水素ガスの流れの下流側は、水素ガスの流れの上流側に比べて水素ガスの濃度が減少しやすい。また、酸化還元反応によって生成した生成水や、空気に含まれる水分が凝縮して生じる凝縮水の影響によっても、水素ガスの濃度は変化し得る。このように、膜電極接合体１２の表面付近においては、水素ガスの濃度が場所によってばらつきやすい。したがって、膜電極接合体１２にできるだけ近い位置での水素ガスなどの供給ガスの濃度分布を取得することは、燃料電池１０での発電の状態を把握する上で非常に重要である。
The reflecting
燃料電池システム１におけるガス検知に関する制御について以下に説明する。図４において、制御部９０には、燃料電池１０が接続されている。制御部９０は、燃料電池１０で発電した電力量などの情報を取得する。制御部９０は、電気負荷に供給すべき電力などに応じて燃料電池１０での発電量を制御する。
The control related to gas detection in the fuel cell system 1 will be described below. In FIG. 4, the
制御部９０には、水素調圧弁２２と水素圧力センサ２３と循環ポンプ２６と水排出弁２９とが接続されている。制御部９０は、水素調圧弁２２の弁開度を制御して、燃料電池１０に供給する水素ガスの量を制御する。制御部９０は、水素圧力センサ２３で計測した水素の圧力を取得する。制御部９０は、循環ポンプ２６の駆動を制御して、燃料電池１０に循環させる水素の量を制御する。制御部９０は、水排出弁２９の弁開度を制御して、燃料電池１０から排出される水や窒素ガスや水素ガスの量を制御する。
A hydrogen
制御部９０には、エアコンプレッサ４１と空気調圧弁４２と空気排出弁４９とが接続されている。制御部９０は、エアコンプレッサ４１の駆動を制御して、燃料電池１０に供給する空気の量を制御する。制御部９０は、空気調圧弁４２の弁開度を制御して、燃料電池１０に供給する空気の量を制御する。制御部９０は、空気排出弁４９の弁開度を制御して燃料電池１０から排出する空気の量を制御する。
An
制御部９０には、レーザ装置５１と光計測器５９とが接続されている。制御部９０は、レーザ装置５１の駆動を制御して、燃料電池１０にレーザ光を照射するタイミングを制御する。制御部９０は、光計測器５９の駆動を制御して、ラマン散乱光を受光するタイミングを制御する。
The
制御部９０は、濃度算出部９１を備えている。濃度算出部９１は、ラマン散乱光の強度からガス濃度を算出する。供給ガスの濃度が高い部分では、ラマン散乱光の発生量が多い。一方、供給ガスの濃度が低い部分では、ラマン散乱光の発生量が少ない。このため、ラマン散乱光の強度分布を濃度分布に変換可能である。ラマン散乱光の強度は、レーザ光の強度や、燃料電池１０と光計測器５９との間の距離などの条件によって変化する。このため、ガス濃度が最大の状態と最小の状態とでラマン散乱光の強度を予め取得して、ラマン散乱光の強度とガス濃度との関係を示す特性マップを作成しておくことが好ましい。これによると、予め作成した特性マップに基づいて、ラマン散乱光の強度に対応するガス濃度を容易に算出可能である。
The
図５において、燃料電池システム１が発電を開始するなどして燃料電池システム１でのガス検知を開始した場合、ステップＳ１０１で、レーザ装置５１からレーザ光を出力する。これにより、検知対象である供給ガスに対してレーザ光を照射する。
In FIG. 5, when the fuel cell system 1 starts power generation or the like and the gas detection in the fuel cell system 1 is started, the laser beam is output from the
レーザ装置５１が出力するレーザ光の励起波長は、任意に設定可能である。ただし、レーザ光の励起波長とラマン散乱光の波長および強度との間には相関関係がある。レーザ光の励起波長が長いほど、レーザ光の励起波長とラマン散乱光の波長との差を大きく確保できる。このため、光学フィルタ５８でラマン散乱光を精度よく分離しやすい。一方、レーザ光の励起波長が短いほど、レーザ光の強度を高めやすく、強度の高いラマン散乱光を得やすい。このため、光計測器５９でラマン散乱光の強度を精度よく計測しやすい。このように、レーザ光の励起波長の設定にあたっては、ラマン散乱光の分離しやすさとラマン散乱光の強度とを勘案して設定することが好ましい。また、励起波長を可視光領域の波長に設定することで、レーザ光が出力されているか否かを目で見て判断することができる。
The excitation wavelength of the laser light output by the
レーザ装置５１が出力するレーザ光としては、連続波のレーザ光とパルス波のレーザ光とのどちらを出力してもよい。ただし、レーザ光の強度が高いほどラマン散乱光の強度も強くなる。このため、精度よくガス検知を行うためには、強度の高いレーザ光を照射する必要がある。したがって、レーザ光の強度を強くしやすいパルス波のレーザ光を出力することが好ましい。レーザ光を照射した後、ステップＳ１０２に進む。
As the laser light output by the
ステップＳ１０２では、光計測器５９でラマン散乱光を計測する。光計測器５９では、特定の波長の光のみを透過する光学フィルタ５８を透過した光を計測することとなる。また、光計測器５９は、複数の受光素子ごとに光の強度を計測する。このため、ラマン散乱光が発生した場所に対応して、ラマン散乱光の強度を計測して、ラマン散乱光の強度分布を得ることができる。
In step S102, the Raman scattered light is measured by the optical measuring
レーザ装置５１から出力されるレーザ光が、パルス波である場合には、光計測器５９で計測するタイミングとパルス波を出力するタイミングとを同期させることが好ましい。ラマン散乱光を計測した後、ステップＳ１０３に進む。
When the laser light output from the
ステップＳ１０３では、検知対象の供給ガスの濃度を算出する。より詳細には、ラマン散乱光の強度が高いほどガス濃度が高いと推定して、ラマン散乱光の強度分布を供給ガスの濃度分布に変換する。この時、ラマン散乱光の強度とガス濃度との関係を示す特性マップを用いて、ラマン散乱光の強度に対応するガス濃度を算出することでガス濃度分布を取得することができる。 In step S103, the concentration of the supply gas to be detected is calculated. More specifically, it is estimated that the higher the intensity of the Raman scattered light, the higher the gas concentration, and the intensity distribution of the Raman scattered light is converted into the concentration distribution of the supply gas. At this time, the gas concentration distribution can be obtained by calculating the gas concentration corresponding to the intensity of the Raman scattered light by using the characteristic map showing the relationship between the intensity of the Raman scattered light and the gas concentration.
ガス濃度の算出方法は、特性マップを用いた方法に限られない。例えば、ラマン散乱光の強度と供給ガスの濃度との関係を示す基準となる情報を取得して、その基準からの相対的な変化量に基づいてガス濃度を算出してもよい。例えば、供給ガスの流れにおいて最も上流に膜電極接合体１２で酸化還元反応を引き起こさない非反応領域を設け、非反応領域におけるラマン散乱光の強度を基準強度に設定する。これによると、非反応領域においては、所定の供給ガス濃度であるとみなして、基準強度とガス濃度との関係を設定することができる。ガス濃度を算出した後、ステップＳ１０４に進む。
The method of calculating the gas concentration is not limited to the method using the characteristic map. For example, the gas concentration may be calculated based on the amount of change relative to the reference by acquiring reference information indicating the relationship between the intensity of Raman scattered light and the concentration of the supplied gas. For example, a non-reaction region that does not cause a redox reaction is provided in the
ステップＳ１０４では、ガス濃度が閾値未満であるか否かを判定する。ここで、閾値としては、燃料電池１０において適切な発電を維持するのに必要な値に設定可能である。例えば、適切な反応に必要な量に比べて水素ガス濃度が低下すると、燃料電池セル１１に劣化が引き起こされ得る。このため、適切な反応に必要な水素ガス濃度から数％程度高い濃度を閾値に設定することができる。これにより、適切な反応に必要な水素ガスが不足してしまうことを抑制できる。ただし、閾値として、適切な反応に必要な水素ガス濃度を設定してもよい。あるいは、閾値として、許容できる範囲で適切な水素ガス濃度よりも低い濃度を設定してもよい。
In step S104, it is determined whether or not the gas concentration is less than the threshold value. Here, the threshold value can be set to a value necessary for maintaining appropriate power generation in the
ガス濃度が閾値未満であるか否かの判定は、ガス濃度の２次元分布全体について行う。言い換えると、ガス濃度分布の中に一部分でも閾値未満の部分が存在するか否かを判定する。ただし、検知したガス濃度全体の平均値が閾値未満であるか否かを判定するようにしてもよい。これによると、燃料電池１０の一部では、適切に発電できない部分が存在し得るが、燃料電池１０の全体としては、十分な発電量を確保できると判断して、ガス濃度が閾値以上であると判定することになる。ガス濃度が閾値未満である場合には、ガス濃度を上昇させる必要があると判断してステップＳ１１０に進む。一方、ガス濃度が閾値以上である場合には、ガス濃度を上昇させる必要がないと判断してステップＳ１２０に進む。
Whether or not the gas concentration is below the threshold value is determined for the entire two-dimensional distribution of the gas concentration. In other words, it is determined whether or not even a part of the gas concentration distribution is less than the threshold value. However, it may be determined whether or not the average value of the detected gas concentration is less than the threshold value. According to this, there may be a part where power generation cannot be appropriately performed in a part of the
ステップＳ１１０では、ガス濃度上昇モードを実行する。ガス濃度上昇モードとは、膜電極接合体１２で酸化還元反応に使用可能なガスの濃度を上昇させるモードである。ガス濃度が低い状態では、燃料電池セル１１に適切な量の水素や酸素が供給されておらず、燃料電池１０として適切な発電ができないこととなる。また、水素ガスの濃度が低い状態では、アノード側に供給される水素の量が、カソード側に供給される酸素の量よりも少なくなる場合がある。この場合、過剰に供給されている酸素が燃料電池セル１１の触媒に使用されている炭素と反応するなどして、燃料電池セル１１の劣化が引き起こされる可能性がある。このため、水素ガスなどの供給ガスの濃度を適切に維持することは、燃料電池システム１において非常に重要である。
In step S110, the gas concentration increase mode is executed. The gas concentration increase mode is a mode in which the concentration of gas that can be used for the redox reaction in the
ガス濃度上昇モードの一例を以下に説明する。水素ガスのガス濃度を上昇させる場合には、水素調圧弁２２の弁開度を大きくして水素流路部２５を流れる水素ガスの量を増加させる。あるいは、循環ポンプ２６の出力を高めて、循環する水素の量を増加させる。空気のガス濃度を上昇させる場合には、エアコンプレッサ４１の出力を高めるとともに、空気調圧弁４２と空気排出弁４９との弁開度を大きくして空気流路部４５を流れる空気の量を増加させる。
An example of the gas concentration increase mode will be described below. When increasing the gas concentration of hydrogen gas, the valve opening degree of the hydrogen
ガス濃度上昇モードの他の一例を以下に説明する。燃料電池セル１１内部に存在する水が膜電極接合体１２の表面や供給ガス流路に付着して、ガス濃度分布にばらつきが生じ、部分的にガス濃度が低下している場合がある。この場合には、エアコンプレッサ４１の出力を高めるとともに、空気調圧弁４２と空気排出弁４９との弁開度を大きくして空気流路部４５を流れる空気の量を増加させる。この制御は、掃気とも呼ばれる。この掃気によって空気流路の水分を燃料電池１０の外部に排出させることができる。これにより、膜電極接合体１２のカソード側の水分を除去するとともに、アノード側に付着していた水が電解質膜に吸われることとなる。このため、膜電極接合体１２のカソード側とアノード側との両側において、付着している余分な水を除去してガス濃度のばらつきを低減できる。ここで、空気の量を増加させる代わりに水素ガスの循環量を増加させることで、水素ガスの流路における掃気を行ってもよい。
Another example of the gas concentration increase mode will be described below. Water existing inside the
ガス濃度上昇モードの他の一例を以下に説明する。水素流路部２５に循環する水素ガス中に、膜電極接合体１２で遮断されずに漏れ出した窒素ガスが含まれ、水素ガスの濃度が低下している場合がある。この場合には、水素調圧弁２２を閉じた状態で水排出弁２９の弁開度を大きくして水を排出するとともに、窒素ガスが多く含まれて濃度が低下した水素ガスを燃料電池１０の内部から排出する。その後、水排出弁２９を閉じた状態で水素調圧弁２２を開いて新しい水素ガスを水素流路部２５に流す。これにより、窒素ガスなどの不純物によって燃料電池１０に供給される水素ガスの濃度が低下した状態を解消することができる。ガス濃度上昇モードを実行した後、ステップＳ１２５に進む。
Another example of the gas concentration increase mode will be described below. The hydrogen gas circulating in the hydrogen
ステップＳ１２０では、通常モードを実行する。通常モードとは、燃料電池１０の発電に必要な供給ガスの供給を適切に維持するモードである。言い換えると、ガス濃度上昇モード以外のモードを実行すればよく、通常の発電を実行するモードに限られない。例えば、通常モードとして、発電を一時的に停止させて掃気を実行してもよい。通常モードとして、燃料電池１０の過度な温度上昇を抑制するために発電量を低く設定したモードを実行してもよい。通常モードを実行した後、ステップＳ１２５に進む。
In step S120, the normal mode is executed. The normal mode is a mode for appropriately maintaining the supply of the supply gas required for power generation of the
ステップＳ１２５では、燃料電池１０についてのガス検知要求の有無を判定する。ガス検知要求とは、ガス検知を行うか否かを判断するための情報である。ガス検知要求の設定方法としては様々な方法を採用可能である。例えば、燃料電池１０の発電要求がある状態ではガス検知要求があり、燃料電池１０の発電要求がない状態では、ガス検知要求がない状態となるようにガス検知要求の設定を自動で制御してもよい。あるいは、ユーザによる燃料電池システム１の操作によってガス検知要求の設定を変更制御してもよい。
In step S125, it is determined whether or not there is a gas detection request for the
ガス検知要求がない場合には、燃料電池１０の内部におけるガス検知を行う必要がないと判断してステップＳ１３０に進む。一方、ガス検知要求がある場合には、燃料電池１０の内部におけるガス検知を継続する必要があると判断してステップＳ１０２に戻ってラマン散乱光の計測を継続する。燃料電池１０におけるガス濃度の分布は、燃料電池１０で発電している間に絶えず変化する。特に、燃料電池システム１を車両に搭載している場合には、車両の走行時の振動によって、燃料電池１０内部に存在する水が膜電極接合体１２の表面に付着したり、膜電極接合体１２の表面から脱離したりすることがある。このため、燃料電池１０内部での供給ガスの濃度分布が変化しやすい。したがって、燃料電池１０の発電中にガス検知を継続することは非常に重要である。
If there is no gas detection request, it is determined that it is not necessary to detect the gas inside the
ステップＳ１３０では、停止モードを実行する。停止モードとは、ガス検知を停止するモードである。停止モードにおいては、レーザ装置５１からのレーザ光の出力を停止する。さらに、光計測器５９でのラマン散乱光の計測を停止する。停止モードを実行した後、ガス検知に関する制御を終了する。
In step S130, the stop mode is executed. The stop mode is a mode for stopping gas detection. In the stop mode, the output of the laser beam from the
上述した実施形態によると、光計測器５９は、供給ガスに照射されているレーザ光の進行方向と供給ガスに照射されているレーザ光の偏光方向との両方の方向に対して交差する方向に進行するラマン散乱光の強度を計測している。このため、レーザ光の進行方向に沿った領域で供給ガスのラマン散乱光を連続して発生させることができる。したがって、ラマン散乱光の発生場所とラマン散乱光の強度とを対応付けてラマン散乱光の強度分布を容易に取得することができる。よって、レーザ光の進行方向に沿ってガス検知可能な燃料電池システム１を提供できる。
According to the above-described embodiment, the optical measuring
光計測器５９は、偏光方向であるＺ方向よりもＸ方向に近い方向に進行するラマン散乱光の強度を計測している。言い換えると、光計測器５９は、偏光方向よりも偏光方向に対して直交する方向である直交方向に近い方向に進行するラマン散乱光の強度を計測している。ここで、Ｙ方向周りのラマン散乱光の発生強度は、偏光方向と平行な方向において最も低く、偏光方向と直交する方向において最も高くなる。このため、Ｚ方向に近い方向に進行するラマン散乱光を計測する場合に比べて、ラマン散乱光を高い強度で計測しやすい。したがって、ラマン散乱光の強度分布を精度よく取得しやすい。
The optical measuring
レーザ装置５１から出力されたレーザ光の照射範囲を偏光方向に拡大する拡大レンズ５２を備えている。このため、レーザ光の進行方向であるＹ方向だけでなくＺ方向においても広い範囲にレーザ光を照射することができる。したがって、ラマン散乱光の強度分布をＹＺ平面における２次元の分布として容易、かつ素早く取得することができる。
It includes a magnifying
光計測器５９は、光学フィルタ５８を通した光の強度を計測している。このため、光計測器５９で計測する光から特定の波長以外の光を容易に遮断することができる。また、光学フィルタ５８を透過可能な特定の波長を検知対象のガスに応じて適宜選択することで、検知対象のガスごとに順番にガスを検知できる。光学フィルタ５８と光計測器５９とをガスの種類に応じて複数備えて、複数の種類のガス検知を同時に行ってもよい。
The optical measuring
導入窓６１から導入したレーザ光を、膜電極接合体１２に対して平行に進行するように反射させる反射鏡６２を備えている。このため、反射鏡６２の位置や角度を調整することで、供給ガス中におけるレーザ光の進行方向を調整することができる。したがって、膜電極接合体１２から供給ガス中を進行するレーザ光までの距離を調整しやすい。よって、膜電極接合体１２の反応面になるべく近い位置のガス検知を行うことができる。また、導入窓６１と導出窓６９とを膜電極接合体１２から離れた任意の位置に設けることができる。このため、アノードセパレータ１３に導入窓６１や導出窓６９を設けた場合に必要となるシール構造の設置スペースを適切に確保しやすい。
A reflecting
拡大レンズ５２と導入窓６１とを同一の部品としてもよい。これによると、拡大レンズ５２を通過して照射範囲の拡大したレーザ光を燃料電池１０の内部に導入する場合に比べて、導入窓６１を小さくしやすい。また、拡大レンズ５２と導入窓６１とを別の部品で備える場合に比べて、部品点数を削減できる。
The magnifying
光計測器５９で計測したラマン散乱光の強度が閾値未満である場合に、ラマン散乱光の強度が閾値以上となるように水素供給部２０や空気供給部４０を制御する制御部９０を備えている。このため、ラマン散乱光の強度分布から実質的にガスの強度分布を取得して、ガス濃度が閾値以上になるように制御することができる。したがって、燃料電池システム１において、適切な発電ができる状態を維持しやすい。また、水素が不足することによって相対的に酸素が過剰に供給された状態となり、燃料電池セル１１が劣化することを抑制できる。特に、水素ガスの流れ方向の下流側においては、上流側での酸化還元反応の影響を受けることになる。このため、水素ガスの濃度がばらつきやすく、上流側に比べて劣化が引き起こされやすい。したがって、下流側における水素ガスを検知して、適切な水素ガス量を確保することは非常に重要である。
A
制御部９０は、水素ガスのラマン散乱光の強度が閾値以上となるように水素調圧弁２２の開度を大きくして、燃料電池１０に供給される水素ガスの量を増加させる。また、制御部９０は、酸素のラマン散乱光の強度が閾値以上となるように空気調圧弁４２の開度と空気排出弁４９の開度とを大きくして、燃料電池１０に供給される空気の量を増加させる。このため、弁開度を適切に制御することで、燃料電池１０が適切に発電可能な状態を維持できる。
The
制御部９０は、ラマン散乱光の強度が閾値以上となるように循環ポンプ２６を駆動して燃料電池１０に供給される水素ガスの量を増加させる。このため、循環ポンプ２６の駆動を適切に制御することで、燃料電池１０が適切に発電可能な状態を維持できる。
The
制御部９０は、ラマン散乱光の強度から燃料電池１０内の供給ガスの濃度を算出する濃度算出部９１を備えている。このため、供給ガスの濃度の情報を取得して、燃料電池システム１に関する様々な制御を供給ガスの濃度に基づいて実行することができる。
The
ステップＳ１０４で、ガス濃度が閾値未満であるか否かを判定する際に、不純物ガスの濃度から閾値未満か否かを判定してもよい。この場合、窒素ガスなどの不純物ガスの濃度が所定以上である場合に、水素ガスあるいは酸素の濃度が閾値未満であるとみなすことができる。 In step S104, when determining whether or not the gas concentration is below the threshold value, it may be determined from the concentration of the impurity gas whether or not it is below the threshold value. In this case, when the concentration of the impurity gas such as nitrogen gas is equal to or higher than a predetermined value, it can be considered that the concentration of hydrogen gas or oxygen is less than the threshold value.
拡大レンズ５２を用いる代わりに、レーザ装置５１をレーザ光の偏光方向であるＺ方向に走査してもよい。これによると、拡大レンズ５２を用いた場合と同様にＹＺ平面におけるガス検知を行うことができる。
Instead of using the magnifying
レーザ装置５１や光計測器５９などを燃料電池１０の内部に備える構成としてもよい。この場合、レーザ光を燃料電池１０の外部から導入したり、レーザ光を燃料電池１０の外部に導出したりする必要がない。このため、導入窓６１や導出窓６９を省略することができる。また、ラマン散乱光を燃料電池１０の外部に透過させる必要がない。このため、観察窓６５を省略することができる。ここで、導入窓６１と観察窓６５と導出窓６９の周囲には、供給ガスが外部に漏れだすことを防止するためのシール構造が設けられる。したがって、導入窓６１と観察窓６５と導出窓６９とを省略することで、このシール構造についても、省略できる。
The
第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、レーザ光の導入方向と供給ガス中のレーザ光の進行方向とレーザ光の導出方向とが、それぞれ互いに同じ方向である。
Second Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In this embodiment, the introduction direction of the laser light, the traveling direction of the laser light in the supply gas, and the derivation direction of the laser light are the same directions.
図６において、複数の燃料電池セル１１のうち、最も端に位置している燃料電池セル１１のアノードセパレータ１３には、導入窓２６１と観察窓６５と導出窓２６９とが形成されている。導入窓２６１と導出窓２６９におけるレーザ光の透過方向は、Ｙ方向である。また、供給ガス中でのレーザ光の進行方向は、Ｙ方向である。まとめると、導入窓２６１から導入されたレーザ光は、向きを変えることなく供給ガス中を進行し、導出窓２６９から導出されており、レーザ光の進行方向は、常にＹ方向である。レーザ光の進行方向と水素ガスの流れ方向とは、同じ方向である。
In FIG. 6, the
光計測器５９は、Ｘ方向の成分を有するラマン散乱光の強度を計測している。ここで、レーザ光の進行方向は、常にＹ方向でありＸ方向の成分を有していない。このため、光計測器５９がレーザ光から受ける影響を低減し、ラマン散乱光を精度よく計測しやすい。
The optical measuring
上述した実施形態によると、レーザ光の向きを変えることなくガス検知を行うことができる。このため、レーザ光を反射させるための鏡などを省略することができる。したがって、燃料電池１０内部に必要なスペースを小さくしやすい。
According to the above-described embodiment, gas detection can be performed without changing the direction of the laser beam. Therefore, a mirror or the like for reflecting the laser beam can be omitted. Therefore, it is easy to reduce the space required inside the
他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
Other Embodiments The disclosure in this specification, drawings and the like is not limited to the exemplified embodiments. The disclosure includes exemplary embodiments and modifications by those skilled in the art based on them. For example, disclosure is not limited to the parts and / or element combinations shown in the embodiments. Disclosure can be carried out in various combinations. The disclosure can have additional parts that can be added to the embodiments. Disclosures include those in which the parts and / or elements of the embodiment have been omitted. Disclosures include replacements or combinations of parts and / or elements between one embodiment and the other. The technical scope disclosed is not limited to the description of the embodiments. Some technical scopes disclosed are indicated by the claims description and should be understood to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims statement.
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。 Disclosure in the description, drawings, etc. is not limited by the description of the scope of claims. The disclosure in the description, drawings, etc. includes the technical ideas described in the claims, and further covers a wider variety of technical ideas than the technical ideas described in the claims. Therefore, various technical ideas can be extracted from the disclosure of the description, drawings, etc. without being bound by the description of the claims.
本開示に記載の制御部およびその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つないしは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサを構成する専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の装置およびその手法は、専用ハードウェア論理回路により、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の装置およびその手法は、コンピュータプログラムを実行するプロセッサと１つ以上のハードウェア論理回路との組み合わせにより構成された１つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。 The control unit and its method described in the present disclosure may be realized by a dedicated computer constituting a processor programmed to perform one or more functions embodied by a computer program. Alternatively, the apparatus and method thereof described in the present disclosure may be realized by a dedicated hardware logic circuit. Alternatively, the apparatus and method thereof described in the present disclosure may be realized by one or more dedicated computers configured by a combination of a processor that executes a computer program and one or more hardware logic circuits. Further, the computer program may be stored in a computer-readable non-transitional tangible recording medium as an instruction executed by the computer.
１ 燃料電池システム（電気化学システム）、 １０ 燃料電池（電気化学装置）、 １１ 燃料電池セル、 １２ 膜電極接合体、 １３ アノードセパレータ、 １４カソードセパレータ、 ２０ 水素供給部（ガス供給部）、 ２２ 水素調圧弁（供給ガス弁）、 ２５ 水素流路部（供給ガス流路部）、 ２５ｃ 循環流路部、 ２６ 循環ポンプ（循環動力部）、 ２９ 水排出弁（供給ガス弁）、 ４０ 空気供給部（ガス供給部）、 ４１ エアコンプレッサ、 ４２ 空気調圧弁（供給ガス弁）、 ４５ 空気流路部（供給ガス流路部）、 ４９ 空気排出弁（供給ガス弁）、 ５０ ガス検知装置、 ５１ レーザ装置、 ５２ 拡大レンズ、 ５８ 光学フィルタ、 ５９ 光計測器、 ６１ 導入窓、 ６２ 反射鏡、 ６５ 観察窓、 ６９ 導出窓、 ９０ 制御部、 ９１ 濃度算出部 1 Fuel cell system (electrochemical system), 10 Fuel cell (electrochemical device), 11 Fuel cell, 12 film electrode junction, 13 Anodic separator, 14 Cathode separator, 20 Hydrogen supply unit (gas supply unit), 22 Hydrogen Pressure regulating valve (supply gas valve), 25 Hydrogen flow path (supply gas flow path), 25c Circulation flow path, 26 Circulation pump (circulation power section), 29 Water discharge valve (supply gas valve), 40 Air supply section (Gas supply section), 41 Air compressor, 42 Air pressure control valve (supply gas valve), 45 Air flow path section (supply gas flow path section), 49 Air discharge valve (supply gas valve), 50 Gas detector, 51 Laser Equipment, 52 magnifying lens, 58 optical filter, 59 optical measuring instrument, 61 introduction window, 62 reflector, 65 observation window, 69 lead-out window, 90 control unit, 91 concentration calculation unit
Claims (9)
前記供給ガスを前記電気化学装置に供給するためのガス供給部（２０、４０）と、
前記電気化学装置内の前記供給ガスに照射するためのレーザ光を出力するレーザ装置（５１）と、
前記レーザ光を前記供給ガスに照射することで発生するラマン散乱光の強度を計測する光計測器（５９）とを備え、
前記光計測器は、前記供給ガスに照射されている前記レーザ光の進行方向と前記供給ガスに照射されている前記レーザ光の偏光方向との両方の方向に対して交差する方向に進行する前記ラマン散乱光の強度を計測する電気化学システム。 An electrochemical device (10) that causes a redox reaction between a fuel gas and an oxidant gas as a supply gas, and
Gas supply units (20, 40) for supplying the supply gas to the electrochemical device, and
A laser device (51) that outputs a laser beam for irradiating the supply gas in the electrochemical device, and a laser device (51).
A light measuring instrument (59) for measuring the intensity of Raman scattered light generated by irradiating the supply gas with the laser light is provided.
The optical measuring instrument travels in a direction intersecting both the traveling direction of the laser beam irradiating the supply gas and the polarization direction of the laser beam irradiating the supply gas. An electrochemical system that measures the intensity of Raman scattered light.
前記光計測器は、前記光学フィルタを通した光の強度を計測する請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気化学システム。 It is equipped with an optical filter (58) that blocks light of wavelengths other than a specific wavelength.
The electrochemical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical measuring instrument measures the intensity of light passing through the optical filter.
前記供給ガスの酸化還元反応を引き起こすための膜電極接合体（１２）と、
前記供給ガス中を進行する前の前記レーザ光を前記電気化学装置の内部に導入する導入窓（６１）と、
前記供給ガス中を進行した後の前記レーザ光を前記電気化学装置の外部に導出する導出窓（６９）と、
前記導入窓から導入した前記レーザ光を、前記膜電極接合体に対して平行に進行するように反射させる反射鏡（６２）とを備えている請求項１から請求項４のいずれかに記載の電気化学システム。 The electrochemical device is
A membrane electrode assembly (12) for inducing a redox reaction of the supplied gas,
An introduction window (61) for introducing the laser beam before traveling in the supplied gas into the electrochemical apparatus, and an introduction window (61).
A lead-out window (69) that guides the laser beam after traveling through the supply gas to the outside of the electrochemical device, and a lead-out window (69).
The invention according to any one of claims 1 to 4, further comprising a reflecting mirror (62) that reflects the laser beam introduced from the introduction window so as to travel in parallel with the membrane electrode assembly. Electrochemical system.
前記制御部は、
前記光計測器で計測した前記ラマン散乱光の強度が閾値未満である場合に、前記ラマン散乱光の強度が閾値以上となるように前記ガス供給部を制御する請求項１から請求項５のいずれかに記載の電気化学システム。 A control unit (90) for detecting and controlling the supplied gas in the electrochemical device is provided.
The control unit
Any of claims 1 to 5, which controls the gas supply unit so that the intensity of the Raman scattered light measured by the optical measuring instrument is less than the threshold value and the intensity of the Raman scattered light is equal to or more than the threshold value. The electrochemical system described in Crab.
前記供給ガスが流れる流路をなす供給ガス流路部（２５、４５）と、
前記供給ガス流路部に設けられて、前記供給ガスが流れる流路を開閉する供給ガス弁（２２、２９、４２、４９）とを備え、
前記制御部は、前記ラマン散乱光の強度が閾値以上となるように前記供給ガス弁の開度を大きくして前記電気化学装置に供給される前記供給ガスの量を増加させる請求項６に記載の電気化学システム。 The gas supply unit
Supply gas flow path portions (25, 45) forming a flow path through which the supply gas flows, and
A supply gas valve (22, 29, 42, 49) provided in the supply gas flow path portion to open and close the flow path through which the supply gas flows is provided.
The sixth aspect of the present invention, wherein the control unit increases the opening degree of the supply gas valve so that the intensity of the Raman scattered light becomes equal to or higher than a threshold value to increase the amount of the supply gas supplied to the electrochemical device. Electrochemical system.
前記電気化学装置に供給された前記燃料ガスのうち、化学反応に使用されなかった前記燃料ガスを循環させる流路をなす循環流路部（２５ｃ）と、
前記循環流路部に設けられて、前記循環流路部に前記燃料ガスを循環させる循環動力部（２６）とを備え、
前記制御部は、前記ラマン散乱光の強度が閾値以上となるように前記循環動力部を駆動して前記電気化学装置に供給される前記燃料ガスの量を増加させる請求項６に記載の電気化学システム。 The gas supply unit
Of the fuel gas supplied to the electrochemical device, a circulation flow path portion (25c) forming a flow path for circulating the fuel gas that was not used in the chemical reaction, and
The circulation flow path portion is provided with a circulation power unit (26) for circulating the fuel gas in the circulation flow path portion.
The electrochemical according to claim 6, wherein the control unit drives the circulating power unit so that the intensity of the Raman scattered light becomes equal to or higher than a threshold value to increase the amount of the fuel gas supplied to the electrochemical device. system.
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| JP2019186273A Pending JP2021061218A (en) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Electrochemical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2021061218A (en) |
-
2019
- 2019-10-09 JP JP2019186273A patent/JP2021061218A/en active Pending
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