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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023096216
(43)【公開日】2023-07-07
(54)【発明の名称】水電解デバイスのアノード劣化抑制方法
(51)【国際特許分類】
C25B 15/00 20060101AFI20230630BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20230630BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20230630BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20230630BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20230630BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20230630BHJP
C25B 15/023 20210101ALI20230630BHJP
C25B 15/031 20210101ALI20230630BHJP
【ＦＩ】
C25B15/00 303
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B9/23
C25B13/02 302
C25B15/08 302
C25B15/023
C25B15/031
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021211801
(22)【出願日】2021-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100131495
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 健児
(72)【発明者】
【氏名】古賀 功一
(72)【発明者】
【氏名】引地 巧
(72)【発明者】
【氏名】山内 将樹
(72)【発明者】
【氏名】山本 雅夫
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BB02
4K021BC01
4K021BC06
4K021CA08
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB49
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
4K021EA05
(57)【要約】
【課題】本開示は、水素製造を停止する工程において、アノードの劣化を抑制する方法を提供する。
【解決手段】本開示における水電解デバイスのアノードの劣化抑制方法は、還元反応を起こす触媒が基材に担持されたカソードと酸化反応を起こす触媒が基材に担持されたアノードとで水酸化物イオン伝導性の隔膜を挟んだ隔膜－電極接合体を備えた水電解デバイスにおいて、水素と酸素を製造する運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノードへ供給することにより、アノードの劣化を抑制する。
【選択図】図１
【解決手段】本開示における水電解デバイスのアノードの劣化抑制方法は、還元反応を起こす触媒が基材に担持されたカソードと酸化反応を起こす触媒が基材に担持されたアノードとで水酸化物イオン伝導性の隔膜を挟んだ隔膜－電極接合体を備えた水電解デバイスにおいて、水素と酸素を製造する運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノードへ供給することにより、アノードの劣化を抑制する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持されたカソードと水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持されたアノードとで水酸化物イオン伝導性の隔膜を挟んだ隔膜－電極接合体を、カソード流路が前記カソードと対向する面に形成されたカソードセパレータと、アノード流路が前記アノードと対向する面に形成されたアノードセパレータとで挟持した水電解デバイスの前記アノードの劣化を抑制する方法であって、
前記水電解デバイスで水素と酸素を製造する運転モードから前記水電解デバイスでの水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流を前記アノード流路に供給することにより前記アノードの劣化を抑制する、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
前記水電解デバイスで水素と酸素を製造する運転モードから前記水電解デバイスでの水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流を前記アノード流路に供給することにより前記アノードの劣化を抑制する、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
【請求項2】
前記運転モードから前記停止モードに移行した後に、前記カソードとアノードとの間の電圧、又は前記アノードの電位が規定値より小さくなった場合に、前記混相流を前記アノード流路に供給する、請求項１に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
【請求項3】
前記混相流を前記アノード流路へ供給する時のアルカリ水溶液のｐＨの値を、前記運転モード時に前記水電解デバイスへ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値よりも低くする、請求項１または２に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
【請求項4】
前記運転モードから立ち下げモードを経て前記停止モードに移行する場合において、
前記立ち下げモードにおいて、前記カソードと前記アノードとの間に流す前記電流を徐々に小さくするとともに、前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値が徐々に低くなるように前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のｐＨを調整する、請求項１から３のいずれか１項に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
前記立ち下げモードにおいて、前記カソードと前記アノードとの間に流す前記電流を徐々に小さくするとともに、前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値が徐々に低くなるように前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のｐＨを調整する、請求項１から３のいずれか１項に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
【請求項5】
前記混相流の前記アノード流路への供給を開始した後に、所定条件を満たすと、前記混相流の前記アノード流路への供給を停止する請求項１から４のいずれか１項に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水電解デバイスのアノードの劣化を抑制する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、水を電気分解し、水素と酸素とを製造する水電解システムを開示する。
【0003】
この水電解システムは、カソードとアノードとで隔膜を挟んだ水電解デバイスを用いてカソードとアノードとの間に電流を流してアルカリ水溶液を電気分解してカソードで水素を製造しアノードで酸素を製造するアルカリ水電解システムであり、水素と酸素との製造を停止する工程において、カソードの水素量を制御し、カソードの劣化を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１９６９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示は、水素と酸素との製造を停止したときのアノードの電位変化を抑制し、アノードの構造変化や変質によるアノードの劣化を抑制する水電解デバイスのアノード劣化抑制方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、カソードとアノードとで水酸化物イオン伝導性の隔膜を挟んだ隔膜－電極接合体を、カソードセパレータと、アノードセパレータとで挟持した水電解デバイスのアノードの劣化を抑制する方法である。
【0007】
カソードは、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノードは、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。
【0008】
カソードセパレータは、カソード流路がカソードと対向する面に形成されている。アノードセパレータは、アノード流路がアノードと対向する面に形成されている。
【0009】
そして、本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイスで水素と酸素を製造する運転モードから水電解デバイスでの水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路に供給することによりアノードの劣化を抑制することを特徴としている。
【発明の効果】
【0010】
本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノードへ供給するので、水素と酸素との製造を停止したときのアノードの電位変化を抑制することができる。そのため、アノードの構造変化や変質を防ぎ、アノードの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、水電解デバイスのカソード、又はアノードの少なくとも一方にアルカリ水溶液を供給しながら、カソードとアノードとの間に直流電流を流し、水を電気分解することで、カソードで水素を製造し、アノードで酸素を製造する技術があった。
発明者らが本開示に想到するに至った当時、水電解デバイスのカソード、又はアノードの少なくとも一方にアルカリ水溶液を供給しながら、カソードとアノードとの間に直流電流を流し、水を電気分解することで、カソードで水素を製造し、アノードで酸素を製造する技術があった。
【0013】
これにより、太陽光、風力などの出力変動が大きい再生可能エネルギー由来の余剰電力を水素に変換することができる。
【0014】
しかし、再生可能エネルギーの変動に応じて、水素と酸素との製造を停止した（運転モードから停止モードに移行した）ときに、水電解デバイスが劣化し、運転再開後のエネルギー効率が低下する課題があった。ここで、エネルギー効率とは、水電解デバイスに投入する電気エネルギーに対する、水の電気分解に必要な理論エネルギーの割合である。
【0015】
そのため、当該業界では、エネルギー効率低下の要因として、運転モードから停止モードに移行後に、カソードの水素量が変化し、カソードの電位が変化する現象を推定した。そして、対策として、停止モードにおいて、カソードの水素量を制御する運転方法等が検討されていた。
【0016】
しかし、水電解デバイスのエネルギー効率の低下について、カソード以外の劣化要因の考察や、劣化メカニズム、及び評価方法等について、十分な検討がされていなかった。
【0017】
そうした状況において、発明者らは、水電解デバイスの運転と停止を交互に繰り返すサイクル試験を行った。その結果、エネルギー効率が低下する要因として、アノードが早期
に劣化する現象を把握した。
に劣化する現象を把握した。
【0018】
一般的に、アノードは、電子伝導性を有する基材の表面に、酸化物や水酸化物等の触媒が担持された構造であるが、サイクル試験における停止モードにおいて、アノードの酸素量が変化し、アノードの電位が早期に変化することが確認された。
【0019】
そして、水電解デバイスの運転と停止が交互に繰り返されることで、アノードの電位変化が繰り返され、その結果、アノードの構造が変化することが確認された。
【0020】
更に、一部残った触媒も、アノードの電位変化によって変質し、触媒活性が低下することが確認された。
【0021】
上記試験結果に基づき、アノードの電位変化を制御する運転方法を検討した結果、アノードの酸素量とアルカリ水溶液のｐＨとによって、アノードの電位を制御出来ることを見出し、本開示の主題を構成するに至った。
【0022】
そこで、本開示は、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流をアノードへ供給することによって、アノードの構造変化や変質を抑制して、アノードの劣化を抑制する水電解システムを提供する。
【0023】
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
【0024】
なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
【0025】
【0026】
［１－１．構成］
［１－１－１．隔膜－電極接合体の構成］
図１に示すように、隔膜－電極接合体１０４は、カソード１０２とアノード１０３とで水酸化物イオン伝導性の隔膜１０１の主面を挟むように構成されている。
［１－１－１．隔膜－電極接合体の構成］
図１に示すように、隔膜－電極接合体１０４は、カソード１０２とアノード１０３とで水酸化物イオン伝導性の隔膜１０１の主面を挟むように構成されている。
【0027】
カソード１０２およびアノード１０３の主面の大きさは、隔膜１０１の主面よりも小さく、カソード１０２およびアノード１０３は、隔膜１０１の主面の周縁領域が露出するように配置される。
【0028】
隔膜１０１は、イオン交換可能な水酸化物イオンを含む高分子で構成された緻密な膜である。具体的には、隔膜１０１は、水酸化物イオン交換基としてトリメチルアンモニウム基などの４級アミンを有する高分子で構成されている。
【0029】
隔膜１０１の厚さは、特に限定されないが、例えば、５～１０００μｍの厚さであればよく、本実施の形態では、厚さが１００μｍの隔膜１０１を用いた。
【0030】
本実施の形態では、水酸化物イオンを含む隔膜１０１として、一辺の長さが１００ｍｍの正方形の形状を有するDioxide Materials社製のアニオン交換膜（Sustanion（登録商標）Ｘ３７）を用いた。
【0031】
カソード１０２は、隔膜１０１の一方の主面に積層されるカソード触媒層と、カソード触媒層における隔膜１０１と接する面とは反対側の面にカソード触媒層が露出しないように積層されるカソードガス拡散層と、から構成されている。カソードガス拡散層の主面の大きさは、カソード触媒層の主面と略同じ大きさである。
【0032】
カソード触媒層は、カソード触媒と、カソード触媒を担持するカソード基材と、カソード触媒を担持したカソード基材の外表面の少なくとも一部を覆うアイオノマーと、から構成されている。カソード触媒層は、カソード触媒層に供給されるアルカリ水溶液に含まれる水から水素を生成する電気化学反応を促進する機能を果たしている。
【0033】
カソード触媒の材料には、鉄やニッケル、コバルト等の遷移金属単体や、それら酸化物や水酸化物、複数の金属元素からなる合金や酸化物、水酸化物、或いはそれらの混合物、白金やイリジウム等の貴金属や、それら酸化物を用いることができる。
【0034】
カソード基材は、粒子状や繊維状、多孔質状の電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソード基材の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
【0035】
本実施の形態では、カソード触媒及びカソード基材（カソード触媒を担持したカソード基材）として、田中貴金属社製の白金を担持した炭素粒子（TEC10E50E)を用いた。また、アイオノマーとして、Dioxide Materials社製の電解質樹脂(Sustanion（登録商標）ＸＡ－９ ５％分散液）を用いた。
【0036】
カソード触媒層は、例えば、カソード触媒と、カソード基材と、アイオノマーと、を分散媒に分散させることによって調製したカソード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜１０１に塗工した後に、分散媒を加熱乾燥により除去することによって形成することができる。
【0037】
本実施の形態では、２５重量部のカソード触媒及びカソード基材と、１５重量部のアイオノマーと、１５重量部の純水と４５重量部のエタノールとからなる分散媒と、を容器に採取し混合し、得られた混合物を室温で２時間混練して、カソード触媒スラリーを得た。混錬には、分散機及び超音波ホモジナイザーを用いた。
【0038】
そして、得られたカソード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜１０１の一方の主面の周縁領域以外の中央領域に塗布した。
【0039】
そして、カソード触媒スラリーが塗布された隔膜１０１を恒温器に入れ、８０℃の温度で１時間の条件で加熱して、隔膜１０１に塗布されたカソード触媒スラリーから分散媒を除去した。その後、その隔膜１０１を室温で２時間の条件で冷却することによって、隔膜１０１の一方の主面にカソード触媒層を形成した。
【0040】
カソード触媒層の厚さは、特に限定されないが、例えば、５～１０００μｍであればよく、本実施の形態では、隔膜１０１の一方の主面に、１００μｍの厚さになるように、カソード触媒層を形成した。
【0041】
アノード１０３は、隔膜１０１の他方の主面に積層されるアノード触媒層と、アノード触媒層における隔膜１０１と接する面とは反対側の面にアノード触媒層が露出しないように積層されるアノードガス拡散層と、から構成されている。アノードガス拡散層の主面の大きさは、アノード触媒層の主面と略同じ大きさである。
【0042】
アノード触媒層は、アノード触媒と、カソード触媒を担持するアノード基材と、カソード触媒を担持したアノード基材の外表面の少なくとも一部を覆うアイオノマーと、から構成されている。アノード触媒層は、アノード触媒層に供給される水酸化物イオンから酸素と水とを生成する電気化学反応を促進する機能を果たしている。
【0043】
アノード触媒の材料には、鉄やニッケル、コバルト等の遷移金属単体や、それら酸化物や水酸化物、複数の金属元素からなる合金や酸化物、水酸化物、或いはそれらの混合物、白金やイリジウム等の貴金属や、それら酸化物を用いることができる。
【0044】
アノード基材は、粒子状や繊維状、多孔質状の電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、アノード基材の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
【0045】
本実施の形態では、カソード基材として、US Research Nanomaterials社製のニッケルナノ粒子（１００ｎｍ）を用いた。そして、カソード触媒として、ゾルゲル法により合成したニッケル及び鉄を含む水酸化物粒子をカソード基材に担持した。
【0046】
アイオノマーとして、Dioxide Materials社製の電解質樹脂(Sustanion（登録商標）ＸＡ－９ ５％分散液）を用いた。
【0047】
アノード触媒層は、例えば、アノード触媒と、アノード基材と、アイオノマーと、を分散媒に分散させることによって調製したアノード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜１０１に塗工した後に、分散媒を加熱乾燥により除去することによって形成することができる。
【0048】
本実施の形態では、３５重量部のアノード触媒及びアノード基材と、５重量部のアイオノマーと、１５重量部の純水と４５重量部のエタノールとからなる分散媒と、を容器に採取し混合し、得られた混合物を室温で２時間混練して、アノード触媒スラリーを得た。混錬には、分散機及び超音波ホモジナイザーを用いた。
【0049】
そして、得られたアノード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜１０１の他方の主面の周縁領域以外の中央領域に塗布した。
【0050】
そして、アノード触媒スラリーが塗布された隔膜１０１を恒温器に入れ、８０℃の温度で１時間の条件で加熱して分散媒を除去した。その後、室温、２時間の条件で隔膜１０１を冷却することによって、隔膜１０１の他方の主面にアノード触媒層を形成した。
【0051】
アノード触媒層の厚さは、特に限定されないが、例えば、５～１０００μｍであればよく、本実施の形態では、隔膜１０１の他方の主面に、１００μｍの厚さになるように、アノード触媒層を形成した。
【0052】
カソードガス拡散層は、繊維状や多孔質状のガス通気性と電子伝導性とを有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソードガス拡散層の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
【0053】
本実施の形態では、カソードガス拡散層として、一辺の長さが８０ｍｍの正方形の形状を有する東レ社製のカーボンペーパー（TGP-H-120）を用いた。
【0054】
アノードガス拡散層は、繊維状や多孔質状のガス通気性と電子伝導性とを有する材料で
構成されている。使用環境への耐性から、アノードガス拡散層の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
構成されている。使用環境への耐性から、アノードガス拡散層の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
【0055】
本実施の形態では、アノードガス拡散層として、一辺の長さが８０ｍｍの正方形の形状を有するベカルト社製のニッケル繊維（Bekipor（登録商標））を用いた。
【0056】
一方の主面にカソード触媒層を形成し他方の主面にアノード触媒層を形成した隔膜１０１と、カソードガス拡散層と、アノードガス拡散層とを、カソードガス拡散層がカソード触媒層と対向するとともにアノードガス拡散層がアノード触媒層と対向するように重ね、２ＭＰａの圧力で、１３０℃の温度で、１０分間ホットプレスすることにより、隔膜１０１にカソード１０２とアノード１０３とを形成し、隔膜－電極接合体１０４を得た。
【0057】
［１－１－２．水電解デバイスの構成］
図１に示すように、水電解デバイス１００は、隔膜－電極接合体１０４を、カソードセパレータ１０５とアノードセパレータ１０６とで挟持した構造になっている。
図１に示すように、水電解デバイス１００は、隔膜－電極接合体１０４を、カソードセパレータ１０５とアノードセパレータ１０６とで挟持した構造になっている。
【0058】
隔膜－電極接合体１０４は、両主面が重力方向に対して略平行となる向きに配置され、カソードセパレータ１０５とアノードセパレータ１０６との間に挟まれて、使用される。
【0059】
その際、隔膜－電極接合体１０４の両主面の周縁領域には、カソードセパレータ１０５とアノードセパレータ１０６のどちらかのセパレータと隔膜１０１とに挟まれて弾性変形する、樹脂を主成分とするシール部材が更に配置され、これにより、水電解デバイス１００からアルカリ水溶液及び水電解により生成するガスの漏洩を防止している。
【0060】
一方、隔膜－電極接合体１０４の中央領域では、一方の主面のカソード１０２にはカソードセパレータ１０５が接触し、他方の主面のアノード１０３にはアノードセパレータ１０６が接触するように構成、配置されている。
【0061】
カソードセパレータ１０５は、カソード入口１０７と、カソード出口１０８と、カソード流路１０９とが、それぞれ形成されており、隔膜－電極接合体１０４と対向する面の凹部（カソード流路１０９等を含む）に、カソード１０２と、カソード１０２に供給されたアルカリ水溶液と、カソード１０２で製造した水素と、を収容することができる。
【0062】
ここで、カソード入口１０７は、カソードセパレータ１０５における下側で隔膜－電極接合体１０４の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アルカリ水溶液をカソード１０２に供給するための孔である。
【0063】
カソード出口１０８は、カソードセパレータ１０５における上側で隔膜－電極接合体１０４の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、カソード１０２で水電解に利用されなかった残余のアルカリ水溶液と、カソード１０２で製造した水素と、をカソード１０２から排出するための孔である。
【0064】
カソード流路１０９は、カソード１０２における隔膜１０１と接する面とは反対側の面に沿って、カソード入口１０７から流入したアルカリ水溶液がカソード出口１０８へ向かって略水平方向に蛇行しながら、カソードセパレータ１０５とカソード１０２との間を流れるように、カソード１０２と当接する面に溝状に形成された流路である。
【0065】
カソードセパレータ１０５は、ガス透過性がなく電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソードセパレータ１０５の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。本実
施の形態では、カソードセパレータ１０５の材料にニッケルを用いた。
施の形態では、カソードセパレータ１０５の材料にニッケルを用いた。
【0066】
カソード流路１０９とカソード入口１０７とが接続する部分は、カソード１０２の主面における下端部近傍であり、カソード流路１０９とカソード出口１０８とが接続する部分は、カソード１０２の主面における上端部近傍である。
【0067】
アノードセパレータ１０６は、アノード入口１１０と、アノード出口１１１と、アノード流路１１２とが、それぞれ形成されており、隔膜－電極接合体１０４と対向する面の凹部（アノード流路１１２等を含む）に、アノード１０３と、アノード１０３に供給されたアルカリ水溶液と、アノード１０３で製造した酸素と、アノード１０３で酸素製造時に生成された水と、を収容することができる。
【0068】
ここで、アノード入口１１０は、アノードセパレータ１０６における下側で隔膜－電極接合体１０４の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アルカリ水溶液をアノード１０３に供給するための孔である。
【0069】
アノード出口１１１は、アノードセパレータ１０６における上側で隔膜－電極接合体１０４の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アノード１０３に供給されたアルカリ水溶液と、アノード１０３で製造した酸素と、アノード１０３で酸素製造時に生成された水と、をアノード１０３から排出するための孔である。
【0070】
アノード流路１１２は、アノード１０３における隔膜１０１と接する面とは反対側の面に沿って、アノード入口１１０から流入したアルカリ水溶液がアノード出口１１１へ向かって略水平方向に蛇行しながら、アノードセパレータ１０６とアノード１０３との間を流れるように、アノード１０３と当接する面に溝状に形成された流路である。
【0071】
アノードセパレータ１０６は、ガス透過性がなく電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、アノードセパレータ１０６の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。本実施の形態では、アノードセパレータ１０６の材料にニッケルを用いた。
【0072】
［１－１－３．水電解システムの構成］
図１に示すように、本実施の形態における水電解システム１８０は、水電解デバイス１００と、カソード水溶液供給手段１２１と、アノード水溶液供給手段１２２と、酸素供給手段１２５と、水素貯蔵室１２６と、酸素貯蔵室１２７と、電源１２８と、電圧計１２９と、制御器１３０と、を備える。
図１に示すように、本実施の形態における水電解システム１８０は、水電解デバイス１００と、カソード水溶液供給手段１２１と、アノード水溶液供給手段１２２と、酸素供給手段１２５と、水素貯蔵室１２６と、酸素貯蔵室１２７と、電源１２８と、電圧計１２９と、制御器１３０と、を備える。
【0073】
カソード水溶液供給手段１２１は、所定条件（温度、ｐＨ、流量）のアルカリ水溶液をカソード１０２に供給するように構成されており、例えば、カソードｐＨ調整手段１２３を組み合わせて用いることができる。これにより、所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液をカソード１０２に供給することができる。
【0074】
また、カソード水溶液供給手段１２１は、カソード出口１０８から排出される水素と、アルカリ水溶液とを気液分離するように構成されており、気液分離した水素を水素貯蔵室１２６に供給するように構成されている。
【0075】
本実施の形態では、カソード水溶液供給手段１２１には、アルカリ水溶液タンクと、気液分離タンクと、アルカリ水溶液供給ポンプと、水素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。
【0076】
カソードｐＨ調整手段１２３は、カソード水溶液供給手段１２１から供給するアルカリ水溶液のｐＨを制御するように構成されており、所定のｐＨに調整したｐＨ調整剤をカソード水溶液供給手段１２１に供給する。
【0077】
本実施の形態では、カソードｐＨ調整手段１２３には、ｐＨ調整剤の貯蔵タンクと、ｐＨ調整剤供給ポンプと、ｐＨ調整剤のｐＨを希釈する水タンクと、水供給ポンプと、ｐＨ計と、温度調節器と、逆止弁と、を用いた。
【0078】
アノード水溶液供給手段１２２は、所定条件（温度、ｐＨ、流量）のアルカリ水溶液をアノード１０３に供給するように構成されており、例えば、アノードｐＨ調整手段１２４を組み合わせて用いることができる。これにより、所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液をアノード１０３に供給することができる。
【0079】
また、アノード水溶液供給手段１２２は、アノード出口１１１から排出される酸素と、アルカリ水溶液とを気液分離するように構成されており、気液分離した酸素を酸素貯蔵室１２７に供給するように構成されている。
【0080】
本実施の形態では、アノード水溶液供給手段１２２には、アルカリ水溶液タンクと、気液分離タンクと、アルカリ水溶液供給ポンプと、酸素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。
【0081】
アノードｐＨ調整手段１２４は、アノード水溶液供給手段１２２から供給するアルカリ水溶液のｐＨを制御するように構成されており、所定のｐＨに調整したｐＨ調整剤をアノード水溶液供給手段１２２に供給する。
【0082】
本実施の形態では、アノードｐＨ調整手段１２４には、ｐＨ調整剤の貯蔵タンクと、ｐＨ調整剤供給ポンプと、ｐＨ調整剤のｐＨを希釈する水タンクと、水供給ポンプと、ｐＨ計と、温度調節器と、逆止弁と、を用いた。
【0083】
酸素供給手段１２５は、所定条件（温度、流量）の酸素をアノード１０３に供給するように構成されている。例えば、アノード水溶液供給手段１２２を組み合わせて用いることで、所定条件（温度、ｐＨ、流量）に制御されたアルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード１０３に供給することができる。
【0084】
本実施の形態では、酸素供給手段１２５には、酸素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。
【0085】
カソード供給経路１４１は、カソード水溶液供給手段１２１におけるアルカリ水溶液の出口と、カソード入口１０７とを接続する経路である。カソード供給経路１４１の途中には、カソード供給経路１４１を開閉するカソード入口弁１５０が配置されている。これにより、所定条件に制御されたアルカリ水溶液をカソード１０２に供給することができる。
【0086】
カソード排出経路１４２は、カソード出口１０８と、カソード水溶液供給手段１２１における水素とアルカリ水溶液の入口とを接続する経路である。カソード排出経路１４２の途中には、カソード排出経路１４２を開閉するカソード出口弁１５１が配置されている。これにより、カソード１０２から排出される水素とアルカリ水溶液とをカソード水溶液供給手段１２１に供給することができる。
【0087】
水素排出経路１４５は、カソード水溶液供給手段１２１における水素の出口と、外部インフラとを接続する経路である。水素排出経路１４５の途中には、水素入口弁１５２と、
水素入口弁１５２の下流側に水素貯蔵室１２６と、水素貯蔵室１２６の下流側に水素出口弁１５３と、が配置されている。これにより、気液分離した水素を、水素貯蔵室１２６を介して、外部インフラに供給することができる。
水素入口弁１５２の下流側に水素貯蔵室１２６と、水素貯蔵室１２６の下流側に水素出口弁１５３と、が配置されている。これにより、気液分離した水素を、水素貯蔵室１２６を介して、外部インフラに供給することができる。
【0088】
アノード供給経路１４３は、アノード水溶液供給手段１２２におけるアルカリ水溶液の出口と、アノード入口１１０とを接続する経路である。アノード供給経路１４３の途中には、二つの入口と一つの出口を有しアノード供給経路１４３を開閉可能で両方の入口と出口とを同時に連通可能に構成されたアノード入口切替弁１５４が配置されている。これにより、所定条件に制御されたアルカリ水溶液をアノード１０３に供給することができる。
【0089】
アノード排出経路１４４は、アノード出口１１１と、アノード水溶液供給手段１２２における酸素とアルカリ水溶液の入口とを接続する経路である。アノード排出経路１４４の途中には、アノード排出経路１４４を開閉するアノード出口弁１５５が配置されている。これにより、アノード１０３から排出される酸素とアルカリ水溶液とをアノード水溶液供給手段１２２に供給することができる。
【0090】
酸素排出経路１４６は、アノード水溶液供給手段１２２における酸素の出口と、外部インフラとを接続する経路である。酸素排出経路１４６の途中には、酸素入口弁１５６と、酸素入口弁１５６の下流側に酸素貯蔵室１２７と、酸素貯蔵室１２７の下流側に酸素出口弁１５７と、が配置されている。これにより、気液分離した酸素を、酸素貯蔵室１２７を介して、外部インフラに供給することができる。
【0091】
酸素供給経路１４７は、酸素貯蔵室１２７と、アノード入口切替弁１５４におけるアノード水溶液供給手段１２２側の入口とは別の入口とを接続する経路である。酸素供給経路１４７の途中には、酸素供給弁１５８と、酸素供給弁１５８とアノード入口切替弁１５４との間に酸素供給手段１２５と、が配置されている。これにより、酸素貯蔵室１２７に貯蔵された酸素を所定条件に制御し、アノード１０３に供給することができる。
【0092】
また、アノード水溶液供給手段１２２と、酸素供給手段１２５とを組み合わせて用いるとともに、アノード入口切替弁１５４を両方の入口と出口とを同時に連通可能な状態にすることで、所定条件に制御されたアルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード１０３に供給することができる。
【0093】
電源１２８は、指示された電流値の電流を流す定電流型の直流電源である。電源１２８のプラス側の出力端子はアノード１０３に電気的に接続され、電源１２８のマイナス側の出力端子はカソード１０２に電気的に接続されている。
【0094】
電圧計１２９は、カソード１０２とアノード１０３との間の電圧、又はアノード１０３の電位を測定する。ここで、カソード１０２とアノード１０３との間の電圧を測定する場合、電圧計１２９の一方の端子がカソード１０２に、他方の端子がアノード１０３に接続されて、両電極の電位差、つまり電圧が検知される。
【0095】
また、アノード１０３の電位を測定する場合、参照極が隔膜１０１に設けられる。参照極は、標準水素電極（ＳＨＥ：Standard Hydrogen Electrode）であり、電圧計１２９の一方の端子が参照極に、他方の端子がアノード１０３に接続されて、参照極に対する電極の電位が検知される。
【0096】
制御器１３０は、カソード水溶液供給手段１２１とアノード水溶液供給手段１２２とカソードｐＨ調整手段１２３とアノードｐＨ調整手段１２４と酸素供給経路１４７と酸素供給手段１２５とカソード入口弁１５０とカソード出口弁１５１と水素入口弁１５２と水素
出口弁１５３とアノード入口切替弁１５４とアノード出口弁１５５と酸素入口弁１５６と酸素出口弁１５７と酸素供給弁１５８と電源１２８と電圧計１２９とに接続されている。
出口弁１５３とアノード入口切替弁１５４とアノード出口弁１５５と酸素入口弁１５６と酸素出口弁１５７と酸素供給弁１５８と電源１２８と電圧計１２９とに接続されている。
【0097】
制御器１３０は、各機器を制御することで、以下の１－２で説明する運転モードと、立ち下げモードと、停止モードと、を動作させる。
【0098】
以上のように、本実施の形態の水電解システム１８０は、隔膜－電極接合体１０４をカソードセパレータ１０５とアノードセパレータ１０６とで挟持した水電解デバイス１００と、隔膜－電極接合体１０４に電流を流す電源１２８と、カソード水溶液供給手段１２１と、アノード水溶液供給手段１２２と、酸素供給手段１２５と、を備えている。
【0099】
隔膜－電極接合体１０４は、水酸化物イオン伝導性の隔膜を、カソード１０２とアノード１０３とで挟んだ構成になっている。カソード１０２は、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノード１０３は、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。
【0100】
カソードセパレータ１０５は、カソード入口１０７とカソード出口１０８とを連通させるカソード流路１０９がカソード１０２と対向する面に形成されている。アノードセパレータ１０６は、アノード入口１１０とアノード出口１１１とを連通させるアノード流路１１２がアノード１０３と対向する面に形成されている。
【0101】
電源１２８は、カソード１０２とアノード１０３とに電気的に接続され、水電解デバイス１００で水素と酸素を製造する運転モード時に、カソード１０２で還元反応が起き、アノード１０３で酸化反応が起きるようにカソード１０２とアノード１０３との間に電流を流すように構成されている。
【0102】
カソード水溶液供給手段１２１は、運転モード時に、カソードｐＨ調整手段１２３によって所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液を、カソード供給経路１４１を介してカソード入口１０７へ供給し、カソード出口１０８からカソード排出経路１４２に排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離するように構成されている。
【0103】
さらに、カソード水溶液供給手段１２１は、分離後のアルカリ水溶液を、カソードｐＨ調整手段１２３によって所定のｐＨに制御して再利用し、分離後の水素を水素排出経路１４５に排出するように構成されている。
【0104】
アノード水溶液供給手段１２２は、運転モード時、及び運転モードから水電解デバイス１００での水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アノードｐＨ調整手段１２４によって所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液を、アノード供給経路１４３を介してアノード入口１１０へ供給し、アノード出口１１１からアノード排出経路１４４に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離するように構成されている。
【0105】
さらに、アノード水溶液供給手段１２２は、分離後のアルカリ水溶液を、アノードｐＨ調整手段１２４によって所定のｐＨに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路１４６を介して酸素貯蔵室１２７へ供給するように構成されている。
【0106】
酸素供給手段１２５は、酸素貯蔵室１２７とアノード供給経路１４３とを連通させる酸素供給経路１４７に設けられ、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード１０３へ供給されるように、アノード供給経路１４３を通流するアルカリ水溶液に酸素貯蔵室１２７の酸素を混合するように構成されている。
【0107】
本実施の形態の水電解システム１８０は、電源１２８とカソード水溶液供給手段１２１とアノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とを制御する制御器１３０を備えている。
【0108】
電源１２８は、制御器１３０に制御されて、運転モード時に、カソード１０２とアノード１０３との間に電流を流す構成になっている。
【0109】
カソード水溶液供給手段１２１は、制御器１３０に制御されて、運転モード時に、所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液を、カソード入口１０７へ供給し、カソード出口１０８から排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離して、分離後のアルカリ水溶液は再利用し、分離後の水素は水素排出経路１４５に排出する構成になっている。
【0110】
アノード水溶液供給手段１２２は、制御器１３０に制御されて、運転モード時及び運転モードから停止モードに移行した後に、所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液を、アノード入口１１０へ供給し、アノード出口１１１から排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離して、分離後のアルカリ水溶液は再利用し、分離後の酸素は酸素貯蔵室１２７へ供給する構成になっている。
【0111】
酸素供給手段１２５は、制御器１３０に制御されて、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード１０３へ供給されるように、アノード供給経路１４３を通流するアルカリ水溶液に酸素を混合する構成になっている。
【0112】
本実施の形態の水電解システム１８０は、カソード１０２とアノード１０３との間の電圧、又はアノード１０３の電位を計測可能な電圧計１２９を備えている。
【0113】
そして、制御器１３０は、運転モードから停止モードに移行した後に、電圧計１２９により計測した値が規定値より小さくなった場合に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード１０３へ供給されるように、アノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とを制御するように構成されている。
【0114】
本実施の形態の水電解システム１８０の制御器１３０は、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード１０３へ供給する時にアノードｐＨ調整手段１２４によって制御するアルカリ水溶液のｐＨの値が、運転モード時にアノードｐＨ調整手段１２４によって制御するアルカリ水溶液のｐＨの値よりも低くなるように、アノードｐＨ調整手段１２４を調整するように構成されている。
【0115】
本実施の形態の水電解システム１８０は、運転モードから立ち下げモードを経て停止モードに移行するように構成され、制御器１３０は、立ち下げモードにおいて、カソード１０２とアノード１０３との間に流れる電流が徐々に小さくなるように、電源１２８を制御するとともに、アノード水溶液供給手段１２２によりアノード１０３へ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値が徐々に低くなるように、アノードｐＨ調整手段１２４を調整するように構成されている。
【0116】
本実施の形態の水電解システム１８０の制御器１３０は、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流がアノード１０３へ供給されるように、アノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とを制御した後に、所定条件を満たすと、アノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５の供給動作を停止させるように構成されている。
【0117】
【0118】
【0119】
水電解システム１８０の動作は、運転モードと、立ち下げモードと、停止モードと、との３つのモードからなる。
【0120】
まず、運転モードについて説明する。
【0121】
［１－２－１．運転モードの動作］
図２は、本実施の形態における水電解システム１８０の動作を示すフローチャートである。運転モードは、図２のフローチャートのＳ１０１～Ｓ１０６のステップから構成されている。
図２は、本実施の形態における水電解システム１８０の動作を示すフローチャートである。運転モードは、図２のフローチャートのＳ１０１～Ｓ１０６のステップから構成されている。
【0122】
図３は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０１の実行直後の状態を示し、図４は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０２の実行直後の状態を示し、図５は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０３の実行直後の状態を示し、図６は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０４の実行直後の状態を示している。
【0123】
【0124】
まず、制御器１３０は、図３に示すように、カソード入口弁１５０とカソード出口弁１５１とアノード出口弁１５５とを開ける。また、アノード水溶液供給手段１２２におけるアルカリ水溶液の出口がアノード入口１１０と連通して酸素供給手段１２５における酸素の出口がアノード入口１１０と連通しないように、アノード入口切替弁１５４を開ける（Ｓ１０１）。
【0125】
次に、制御器１３０は、図４に示すように、カソード水溶液供給手段１２１とカソードｐＨ調整手段１２３とアノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ調整手段１２４とを動作させる。
【0126】
その結果、カソード１０２側では、カソードｐＨ調整手段１２３によって所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液が、カソード水溶液供給手段１２１からカソード供給経路１４１を介してカソード入口１０７へ供給され、カソード入口１０７に供給されたアルカリ水溶液が、カソード出口１０８へ向かってカソード流路１０９を流れ、カソード出口１０８からカソード排出経路１４２に排出されたアルカリ水溶液が、カソード水溶液供給手段１２１に戻って再びカソード入口１０７へ供給される。
【0127】
また、アノード１０３側では、アノードｐＨ調整手段１２４によって所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段１２２からアノード供給経路１４３を介してアノード入口１１０へ供給され、アノード入口１１０に供給されたアルカリ水溶液が、アノード出口１１１へ向かってアノード流路１１２を流れ、アノード出口１１１からアノード排出経路１４４に排出されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段１２２に戻って再びアノード入口１１０へ供給される（Ｓ１０２）。
【0128】
本実施の形態では、カソード水溶液供給手段１２１からカソード入口１０７へ供給する
アルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。アノード水溶液供給手段１２２からアノード入口１１０へ供給するアルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。
アルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。アノード水溶液供給手段１２２からアノード入口１１０へ供給するアルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。
【0129】
カソード水溶液供給手段１２１からカソード入口１０７へ供給するアルカリ水溶液は、カソード水溶液供給手段１２１とカソードｐＨ調整手段１２３とによって、温度が７５℃で、ｐＨが１４で、流量が１５０ｃｃ／ｍｉｎになるように調整（制御）されている。
【0130】
アノード水溶液供給手段１２２からアノード入口１１０へ供給するアルカリ水溶液は、アノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ調整手段１２４とによって、温度が７５℃で、ｐＨが１４で、流量が１５０ｃｃ／ｍｉｎになるように調整（制御）されている。
【0131】
次に、制御器１３０は、図５に示すように、水素入口弁１５２と水素出口弁１５３と酸素入口弁１５６と酸素出口弁１５７とを開ける（Ｓ１０３）。
【0132】
そして、制御器１３０は、図６に示すように、電源１２８を動作させて、電源１２８により、アノード１０３から隔膜１０１を介してカソード１０２へ所定電流量（１．０Ａ／ｃｍ２）の電流を流す（Ｓ１０４）。
【0133】
この動作により、カソード１０２では、（化１）に示す、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応が起こり、アノード１０３では、（化２）に示す、水酸化物イオンから酸素と水とが生成する酸化反応が起こる。
【0134】
【化1】
【0135】
【化2】
【0136】
（化１）と（化２）とに示す電気化学反応により、水電解デバイス１００のカソード１０２において水素が、アノード１０３において酸素が、それぞれ生成される。
【0137】
このとき、カソード水溶液供給手段１２１は、カソード出口１０８からカソード排出経路に排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、カソードｐＨ調整手段１２３によって所定のｐＨに制御して再利用し、分離後の水素を、水素排出経路１４５に排出（水素排出経路１４５を介して水素貯蔵室１２６へ供給）する。
【0138】
また、アノード水溶液供給手段１２２は、アノード出口１１１からアノード排出経路１４４に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、アノードｐＨ調整手段によって所定のｐＨに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路１４６に排出（酸素排出経路１４６を介して酸素貯蔵室１２７へ供給）する。
【0139】
次に、制御器１３０は、停止モードの指示が入ったか確認する（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の確認の結果、停止モードの指示が入っていなければ、現状を所定時間（１０分間）継続して（Ｓ１０６）、Ｓ１０５に戻る。Ｓ１０５の確認の結果、停止モードの指示が入っていれば、運転モードが終了したと判断して、立ち下げモード（Ｓ１０７）に移行する。次に、立ち下げモードについて説明する。
【0140】
［１－２－２．立ち下げモードの動作］
立ち下げモードは、図２のフローチャートのＳ１０７～Ｓ１１０のステップから構成されている。
立ち下げモードは、図２のフローチャートのＳ１０７～Ｓ１１０のステップから構成されている。
【0141】
図７は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０７の実行直後の状態を示し、図８は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０８の実行直後の状態を示し、図９は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１０９の実行直後の状態を示し、図１０は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１１０の実行直後の状態を示している。
【0142】
立ち下げモードでは、まず、制御器１３０は、図７に示すように、電源１２８により、水電解デバイス１００に流す電流を、ゼロになるまで徐々に小さくして、停止させる。また、アノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ調整手段１２４とにより、アノード１０３に供給するアルカリ水溶液のｐＨを所定ｐＨ（１１）になるまで徐々に低くする（Ｓ１０７）。
【0143】
次に、制御器１３０は、図８に示すように、水素入口弁１５２と水素出口弁１５３と酸素入口弁１５６と酸素出口弁１５７とを閉める（Ｓ１０８）。
【0144】
そして、制御器１３０は、図９に示すように、カソード水溶液供給手段１２１とカソードｐＨ調整手段１２３とアノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ調整手段１２４とを停止する（Ｓ１０９）。
【0145】
続いて、制御器１３０は、図１０に示すように、カソード入口弁１５０とカソード出口弁１５１とアノード入口切替弁１５４とアノード出口弁１５５とを閉め（Ｓ１１０）、停止モード（Ｓ１１１）に移行する。
【0146】
［１－２－３．停止モードの動作］
停止モードは、図２のフローチャートのＳ１１１～Ｓ１２１のステップから構成されている。
停止モードは、図２のフローチャートのＳ１１１～Ｓ１２１のステップから構成されている。
【0147】
図１１は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１１４の実行直後の状態を示し、図１２は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１１５の実行直後の状態を示し、図１３は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１１９の実行直後の状態を示し、図１４は、水電解システム１８０における図２のフローチャートのＳ１２０の実行直後の状態を示している。
【0148】
停止モードでは、まず、制御器１３０は、電圧計１２９により、アノード電位を計測し（Ｓ１１１）、アノード電位が所定電位（５００ｍＶ）未満になったか確認する（Ｓ１１２）。
【0149】
Ｓ１１２の確認の結果、アノード電位が所定電位（５００ｍＶ）未満になっていなければ、現状を所定時間（１０分間）継続して（Ｓ１１３）、Ｓ１１１に戻る。Ｓ１１２の確認の結果、アノード電位が５００ｍＶ未満になっていれば、Ｓ１１４に移行する。
【0150】
次に、制御器１３０は、図１１に示すように、アノード入口切替弁１５４とアノード出口弁１５５と酸素入口弁１５６と酸素供給弁１５８とを開ける（Ｓ１１４）。
【0151】
このとき、アノード入口切替弁１５４は、アノード水溶液供給手段１２２におけるアルカリ水溶液の出口がアノード入口１１０と連通するとともに酸素供給手段１２５における酸素の出口がアノード入口１１０と連通する（アノード入口切替弁１５４における二つの
入口がアノード入口切替弁１５４における一つの出口と連通する）ように、開ける。
入口がアノード入口切替弁１５４における一つの出口と連通する）ように、開ける。
【0152】
そして、制御器１３０は、図１２に示すように、アノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ手段１２０と酸素供給手段１２５とにより、所定条件のアルカリ水溶液（水酸化カリウム水溶液）と酸素との混相流を、アノード１０３に所定時間（１０分間）供給する（Ｓ１１５）。
【0153】
このとき、アノードｐＨ調整手段１２４によって所定のｐＨに制御されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段１２２からアノード供給経路１４３に排出され、酸素供給手段１２５によって酸素貯蔵室１２７の酸素が、酸素供給経路１４７からアノード入口切替弁１５４に流入し、アノード供給経路１４３を通流するアルカリ水溶液と混合される。
【0154】
そして、所定条件のアルカリ水溶液と酸素の混相流が、アノード供給経路１４３からアノード入口１１０へ供給され、アノード入口１１０に供給されたアルカリ水溶液と酸素の混相流が、アノード出口１１１へ向かってアノード流路１１２を流れ、アノード出口１１１からアノード排出経路１４４に排出される。
【0155】
アノード水溶液供給手段１２２は、アノード出口１１１からアノード排出経路１４４に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、アノードｐＨ調整手段によって所定のｐＨに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路１４６を介して酸素貯蔵室１２７へ供給する。
【0156】
このとき、アノード１０３に所定時間（１０分間）供給されるアルカリ水溶液と酸素との混相流は、アノードｐＨ調整手段１２４とアノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とによって、アルカリ水溶液と酸素の体積比が１：２で、温度が７５℃で、ｐＨが９で、総流量が４５０ｃｃ／ｍｉｎになるように調整（制御）されている。
【0157】
続いて、制御器１３０は、電圧計１２９によりアノード電位を計測し（Ｓ１１６）、アノード電位が所定電位（６００ｍＶ）を超えたか確認する（Ｓ１１７）。
【0158】
Ｓ１１７の確認の結果、アノード電位が６００ｍＶを超えていなければ、現状を所定時間（１０分間）継続して（Ｓ１１８）、Ｓ１１６に戻る。Ｓ１１７の確認の結果、アノード電位が６００ｍＶを超えていれば、Ｓ１１８に移行する。
【0159】
次に、制御器１３０は、図１３に示すように、アノード水溶液供給手段１２２とアノードｐＨ手段１２０と酸素供給手段１２５とを停止する（Ｓ１１９）。
【0160】
そして、制御器１３０は、図１４に示すように、アノード入口切替弁１５４とアノード出口弁１５５と酸素入口弁１５６と酸素供給弁１５８とを閉める（Ｓ１２０）。
【0161】
次に、制御器１３０は、運転モード再開の指示が入ったか確認する（Ｓ１２１）。Ｓ１２１の確認の結果、運転モード再開の指示が入っていれば、Ｓ１０１に戻る。Ｓ１２１の確認の結果、運転モード再開の指示が入っていなければ、水電解システム１８０の動作を終了する。
【実施例0162】
【0163】
その結果、下記の（表１）に示す通り、サイクル試験後、エネルギー効率の大幅な低下は確認されなかった。
【0164】
（比較例１）
比較例１では、図１に示す実施の形態１の水電解システム１８０を用いて、図２に示すフローチャートのＳ１１０を１日間継続した後、Ｓ１１１からＳ１２０の動作を割愛し、Ｓ１２１に移行する動作を行うこと以外は、実施例１と同様のフローチャートを１０回繰り返した後、エネルギー効率を評価した。
比較例１では、図１に示す実施の形態１の水電解システム１８０を用いて、図２に示すフローチャートのＳ１１０を１日間継続した後、Ｓ１１１からＳ１２０の動作を割愛し、Ｓ１２１に移行する動作を行うこと以外は、実施例１と同様のフローチャートを１０回繰り返した後、エネルギー効率を評価した。
【0165】
その結果、下記の（表１）に示す通り、サイクル試験によるエネルギー効率の大幅な低下が確認された。また、サイクル試験後、水電解デバイス１００を解体し、アノード触媒層を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）で観察した結果、アノード基材からアノード触媒の剥離が観察された。
【0166】
以上の水電解試験から、実施例１の水電解システム１８０は、サイクル試験耐性が高いことが確認された。
【0167】
【表1】
【0168】
［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、カソード１０２とアノード１０３とで水酸化物イオン伝導性の隔膜１０１を挟んだ隔膜－電極接合体１０４を、カソードセパレータ１０５と、アノードセパレータ１０６とで挟持した水電解デバイス１００のアノード１０３の劣化を抑制する方法である。
以上のように、本実施の形態の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、カソード１０２とアノード１０３とで水酸化物イオン伝導性の隔膜１０１を挟んだ隔膜－電極接合体１０４を、カソードセパレータ１０５と、アノードセパレータ１０６とで挟持した水電解デバイス１００のアノード１０３の劣化を抑制する方法である。
【0169】
カソード１０２は、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノード１０３は、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。
【0170】
カソードセパレータ１０５は、カソード流路１０９がカソード１０２と対向する面に形成されている。アノードセパレータ１０６は、アノード流路１１２がアノード１０３と対向する面に形成されている。
【0171】
そして、本実施の形態の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイス１００で水素と酸素を製造する運転モードから水電解デバイス１００での水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路１１２（アノード１０３）に供給することにより、アノード１０３の劣化を抑制することを特徴としている。
【0172】
これにより、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流を、アノード１０３に供給するので、水素の製造を停止する工程において、アノード１０３の電位変化に起因したアノード１０３の構造変化や変質を抑制することができ
る。そのため、アノード１０３の劣化を抑制することができる。
る。そのため、アノード１０３の劣化を抑制することができる。
【0173】
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、運転モードから停止モードに移行した後に、カソード１０２とアノード１０３との間の電圧、又はアノード１０３の電位が規定値より小さくなった場合に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路１１２（アノード１０３）に供給してもよい。
【0174】
これにより、アノード１０３の電位が規定値より小さくなった場合に生じるアノード１０３の構造変化や変質を適切なタイミングで抑制することができる。そのため、アノード１０３の劣化を、より適切なタイミングで抑制することができる。
【0175】
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路１１２（アノード１０３）へ供給する時のアルカリ水溶液のｐＨの値を、運転モード時に水電解デバイス１００へ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値よりも低くしてもよい。
【0176】
これにより、アノード１０３を高い電位に保持することができ、アノード１０３の構造変化や変質を更に抑制することができる。そのため、アノード１０３の劣化を更に抑制することができる。
【0177】
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイス１００が運転モードから立ち下げモードを経て停止モードに移行する場合において、立ち下げモードにおいて、カソード１０２とアノード１０３との間に流す電流を徐々に小さくするとともに、アノード１０３へ供給するアルカリ水溶液のｐＨの値が徐々に低くなるように、アノード１０３へ供給するアルカリ水溶液のｐＨを調整してもよい。
【0178】
これにより、立ち下げモードにおいて、アノードを高い電位に保持することができ、アノード１０３の構造変化や変質を抑制することができる。そのため、立ち下げモードにおけるアノード１０３の劣化を抑制することができる。
【0179】
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流のアノード１０３への供給を開始した後に、所定条件を満たすと、混相流のアノード１０３への供給を停止してもよい。
【0180】
これにより、水電解デバイス１００で水素と酸素を製造しないときに、アノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とが必要以上に供給動作を継続して、アノード水溶液供給手段１２２と酸素供給手段１２５とを動作させるのに必要な電気エネルギーを無駄に消費するのを防止することができる。
【0181】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【0182】
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【0183】
実施の形態１では、水電解デバイス１００を直列に複数積層（スタック）した構成であってもよい。これにより、スタック化により助長されるアノード１０３の劣化（特に、逆電流によるアノード１０３の劣化）を抑制することができる。
【0184】
また、カソード１０２とアノード１０３のどちらか一方に供給したアルカリ水溶液が、カソード１０２とアノード１０３のどちらか他方にも供給されるように、水電解デバイス１００を構成した場合は、アルカリ水溶液供給手段を一つにしてもよい。
【0185】
そのようにアルカリ水溶液供給手段を一つにした場合は、簡素化できるとともに、スタックの水酸化物イオンの短絡経路を削減することができ、スタック化により助長されるアノード１０３の劣化（特に、逆電流によるアノード１０３の劣化）を抑制することができる。
【0186】
また、運転モードから停止モードに移行した後に、カソード１０２の電位が規定値になった場合に、アルカリ水溶液と水素との混相流がカソード１０２へ供給されるように構成すれば、カソード１０２の電位変化に起因したカソード１０２の劣化を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【0187】
本開示は、隔膜－電極接合体を備えた水電解デバイスを用いて、アルカリ水溶液に含まれる水を電気分解し、水素と酸素とを製造する水電解システムなどに適用可能である。
【符号の説明】
【0188】
１００ 水電解デバイス
１０１ 隔膜
１０２ カソード
１０３ アノード
１０４ 隔膜－電極接合体
１０５ カソードセパレータ
１０６ アノードセパレータ
１０７ カソード入口
１０８ カソード出口
１０９ カソード流路
１１０ アノード入口
１１１ アノード出口
１１２ アノード流路
１２１ カソード水溶液供給手段
１２２ アノード水溶液供給手段
１２３ カソードｐＨ調整手段
１２４ アノードｐＨ調整手段
１２５ 酸素供給手段
１２６ 水素貯蔵室
１２７ 酸素貯蔵室
１２８ 電源
１２９ 電圧計
１３０ 制御器
１４１ カソード供給経路
１４２ カソード排出経路
１４３ アノード供給経路
１４４ アノード排出経路
１４５ 水素排出経路
１４６ 酸素排出経路
１４７ 酸素供給経路
１５０ カソード入口弁
１５１ カソード出口弁
１５２ 水素入口弁
１５３ 水素出口弁
１５４ アノード入口切替弁
１５５ アノード出口弁
１５６ 酸素入口弁
１５７ 酸素出口弁
１５８ 酸素供給弁
１８０ 水電解システム
１０１ 隔膜
１０２ カソード
１０３ アノード
１０４ 隔膜－電極接合体
１０５ カソードセパレータ
１０６ アノードセパレータ
１０７ カソード入口
１０８ カソード出口
１０９ カソード流路
１１０ アノード入口
１１１ アノード出口
１１２ アノード流路
１２１ カソード水溶液供給手段
１２２ アノード水溶液供給手段
１２３ カソードｐＨ調整手段
１２４ アノードｐＨ調整手段
１２５ 酸素供給手段
１２６ 水素貯蔵室
１２７ 酸素貯蔵室
１２８ 電源
１２９ 電圧計
１３０ 制御器
１４１ カソード供給経路
１４２ カソード排出経路
１４３ アノード供給経路
１４４ アノード排出経路
１４５ 水素排出経路
１４６ 酸素排出経路
１４７ 酸素供給経路
１５０ カソード入口弁
１５１ カソード出口弁
１５２ 水素入口弁
１５３ 水素出口弁
１５４ アノード入口切替弁
１５５ アノード出口弁
１５６ 酸素入口弁
１５７ 酸素出口弁
１５８ 酸素供給弁
１８０ 水電解システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】