特開 2024-124234 電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラム

(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】P2024124234

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/00 20060101AFI20240905BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

C25B15/00 302Z

C25B1/04

C25B1/23

C25B9/23

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023032245

(22)【出願日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】椎野 佳祐

(72)【発明者】

【氏名】霜鳥 宗一郎

(72)【発明者】

【氏名】水口 浩司

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021BB05

4K021DB53

(57)【要約】

【課題】セルの劣化度を容易に得ることができる電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置を提供する。
【解決手段】
実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置は、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出する第１算出部と、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出する第２算出部と、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出する第３算出部と、を備えている。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置であって、
二酸化炭素電解停止後の前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得する第１取得部と、
水電解停止後の前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得する第２取得部と、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出する第１算出部と、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出する第２算出部と、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出する第３算出部と、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。

【請求項2】

前記第３算出部は、前記第１対象電圧値から前記第２対象電圧値を引いた差分を前記第１対象電圧値で除算することにより前記セル劣化度を算出する、
請求項１に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。

【請求項3】

前記第３算出部により算出された前記セル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かを判定する判定部を更に備えた、
請求項１に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。

【請求項4】

電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムであって、
請求項１または２に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置と、
前記第１特性データを格納する第１データベースと、
前記第２特性データを格納する第２データベースと、を備え、
前記第１取得部は、前記第１データベースから前記第１特性データを取得し、
前記第２取得部は、前記第２データベースから前記第２特性データを取得する、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出システム。

【請求項5】

電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法であって、
前記電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、
前記電気化学セルスタックでの水電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法。

【請求項6】

電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法をコンピュータに実行させる電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラムであって、
前記電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、
前記電気化学セルスタックでの水電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施の形態は、電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池、水電解装置および二酸化炭素電解装置等を構成する電気化学セルスタックは、複数のセルを積層することによって構成されている。セルを構成する膜電極接合体は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在された電解質膜と、を含んでいる。電気化学セルスタックの使用を継続すると、アノード電極およびカソード電極に含まれる触媒材料が劣化したり、電解質膜が劣化したりする。この場合、電気化学セルスタックの性能が低下し得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－０６９９４８号公報

【特許文献2】特開２０１９－１６０７０１号公報

【特許文献3】特開２０２２－１３７６０７号公報

【特許文献4】特開２０２１－０４６５７５号公報

【特許文献5】特開２０１２－２１４９０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施の形態は、セルの劣化度を容易に得ることができる電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置は、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する装置である。電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置は、 二酸化炭素電解停止後のセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得する第１取得部と、水電解停止後のセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得する第２取得部と、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出する第１算出部と、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出する第２算出部と、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出する第３算出部と、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である。

【0006】

実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムは、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出するシステムである。電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムは、上述の電気化学セルスタックの劣化度算出装置と、第１特性データを格納する第１データベースと、第２特性データを格納する第２データベースと、を備えている。第１取得部は、第１データベースから第１特性データを取得する。第２取得部は、第２データベースから第２特性データを取得する。

【0007】

実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法は、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する方法である。電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法は、電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、電気化学セルスタックでの水電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。

【0008】

実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラムは、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法をコンピュータに実行させるプログラムである。電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラムは、電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、電気化学セルスタックでの水電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。

【発明の効果】

【0009】

実施の形態によれば、セルの劣化度を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施の形態による電気化学セルスタックの概略構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１に示すセルを示す平面図である。

【図3】図３は、図１に示す電気化学セルスタックのシステム概略構成を示す図である。

【図4】図４は、本実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムを示す図である。

【図5】図５は、図４に示す第１データベースに格納される第１特性データを説明するための模式図である。

【図6】図６は、図４に示す第２データベースに格納される第２特性データを説明するための模式図である。

【図7】図７は、セルの電圧時間特性を示すグラフである。

【図8】図８は、図５および図６に示す特性データを得るための測定方法を説明するための図である。

【図9】図９は、本実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムについて説明する。ここではまず、本実施の形態による電気化学セルスタックについて説明する。電気化学セルスタックは、二酸化炭素もしくは水などの電気分解装置、または燃料電池などに用いられる。

【0012】

図１に示すように、電気化学セルスタック１は、一対の集電板２と、一対の集電板２の間に積層された複数のセル１０と、セル１０と交互に積層された複数のセパレータ３０と、を備えている。セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０Ｍと、セル枠２０と、を含んでいる。セル１０、セパレータ３０および集電板２は、一対の締付板３で締め付けられて押圧されている。一対の締付板３は、図示しないボルトおよびナット等を用いて締め付けられている。締付板３と集電板２との間に、絶縁板４が介在されている。

【0013】

膜電極接合体１０Ｍは、カソード電極１１と、アノード電極１２と、カソード電極１１とアノード電極１２との間に介在された電解質膜１３と、を含んでいる。膜電極接合体１０Ｍは、薄板状に形成されている。膜電極接合体１０Ｍは、電気化学セルスタック１の積層方向Ｄで見たときに、矩形状に形成されていてもよい。

【0014】

カソード電極１１は、カソード触媒層１１ａと、カソードガス拡散層１１ｂと、を含んでいる。カソード触媒層１１ａは電解質膜１３に接している。カソードガス拡散層１１ｂは、セパレータ３０に接しており、後述するカソード流路から供給されたカソード流体を拡散させる。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、カソードガス拡散層１１ｂは、例えば、カーボンペーパまたはチタン不織布で形成されていてもよい。カソードガス拡散層１１ｂは、カソード触媒層１１ａに接合されている。カソード触媒層１１ａが、カソード流体を拡散することができれば、カソードガス拡散層１１ｂは設けられていなくてもよい。

【0015】

アノード電極１２は、アノード触媒層１２ａと、アノードガス拡散層１２ｂと、を含んでいる。アノード触媒層１２ａは電解質膜１３に接している。アノード触媒層１２ａは電解質膜１３に接している。アノードガス拡散層１２ｂは、セパレータ３０に接しており、後述するアノード流路３２から供給されたアノード流体を拡散させる。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、アノードガス拡散層１２ｂは、例えば、カーボンペーパまたはチタン不織布で形成されていてもよい。アノードガス拡散層１２ｂは、アノード触媒層１２ａに接合されている。アノード触媒層１２ａが、アノード流体を拡散することができれば、アノードガス拡散層１２ｂは設けられていなくてもよい。

【0016】

電解質膜１３は、電解質材料で形成されている。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、電解質膜１３の例としては、イオン交換膜または多孔質膜などが挙げられるが、任意である。

【0017】

アノード電極１２は、電解質膜１３の一方の面に形成されており、カソード電極１１は、電解質膜１３の他方の面に形成されている。アノード電極１２およびカソード電極１１は、電解質膜１３に接合されている。

【0018】

電気化学セルスタック１が燃料電池として用いられる場合には、電気エネルギを生成する発電反応が行われる。この場合、カソード電極１１に、後述するカソード流路３１からカソード流体（図１の符号Ｆ１参照）が供給される。カソード流体は、酸素を含有しているガスであり、例えば、空気であってもよい。アノード電極１２に、後述するアノード流路３２からアノード流体（図１の符号Ｆ２参照）が供給される。アノード流体は、例えば、水素を含有するガスであってもよい。カソード流体とアノード流体が供給されることにより、膜電極接合体１０Ｍにおいて、電気化学反応が生じる。この結果、電気エネルギを取り出すことができる。

【0019】

電気化学セルスタック１が電気分解装置として用いられる場合には、電気エネルギを用いて電気分解反応が行われる。この場合、カソード流体は、水蒸気または二酸化炭素ガスであってもよく、カソード電極において水蒸気または二酸化炭素ガスが電気分解されてもよい。アノード電極１２には、電解溶液が供給されてもよい。電解溶液は、例えば、炭酸水素カルシウム（ＫＨＣＯ_３）等の電解質を含む水溶液であってもよい。

【0020】

図２に示すように、セル１０には、識別情報を示す識別記号１４が付されている。識別情報は、ＩＤコードであってもよい。識別記号１４は、カソード電極１１のカソード流路３１に対向する面、またはアノード電極１２のアノード流路３２に対向する面に付されていてもよい。識別記号１４は、マージン部に付されていてもよい。マージン部は、後述するセル枠２０のうちのシール部（図示せず）よりも外側に配置されている。識別記号１４は、例えば印刷、レーザまたは手書きなどによって、セル枠２０に付されていてもよい。識別記号１４は、英数字でセル枠２０に付されていてもよく、あるいは、１次元バーコードまたは２次元バーコードでセル枠２０に付されていてもよい。

【0021】

図２に示すように、電気化学セルスタック１の積層方向Ｄで見たときに、膜電極接合体１０Ｍは、セル枠２０によって囲まれている。セル枠２０は、プラスチックフィルムで形成されていてもよい。プラスチックフィルムの材質には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド、メラミン樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルエチルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂などを用いることが可能である。セル枠２０は、アノード流体およびカソード流体に対する不透過性を有している。

【0022】

セル枠２０は、開口２０ａを含んでいる。この開口２０ａに膜電極接合体１０Ｍが挿入されて、接着剤で接着されている。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。

【0023】

セル枠２０に、カソード流体供給口２１、アノード流体供給口２２、カソード流体排出口２３およびアノード流体排出口２４が設けられている。すなわち、本実施の形態による電気化学セルスタック１は、内部マニホールド構造を有している。各流体供給口２１、２２および各流体排出口２３、２４は、セル枠２０を貫通している。各流体供給口２１、２２は、膜電極接合体１０Ｍの一側に位置し、各流体排出口２３、２４は、膜電極接合体１０Ｍの他側に位置している。

【0024】

セパレータ３０は、導電性を有しているとともに、ガス不透過性を有している。セパレータ３０によって、アノード流体の雰囲気とカソード流体の雰囲気が隔離されている。

【0025】

図１に示すように、セパレータ３０は、複数のカソード流路３１と、複数のアノード流路３２と、を含んでいる。カソード流路３１は、セパレータ３０のカソード電極１１の側の面に形成されており、カソード流路３１を流れるカソード流体は、カソード電極１１に供給される。カソード流路３１は、直線流路構造、サーペンタイン流路構造またはクランク流路構造を有していてもよく、任意である。アノード流路３２は、セパレータ３０のアノード電極１２の側の面に形成されており、アノード流路３２を流れるアノード流体は、アノード電極１２に供給される。アノード流路３２は、直線流路構造、サーペンタイン流路構造またはクランク流路構造を有していてもよく、任意である。

【0026】

上述したセル枠２０と同様に、セパレータ３０には、カソード流体供給口３３（図８参照）、アノード流体供給口３４、カソード流体排出口３５およびアノード流体排出口３６が形成されている。カソード流体は、カソード流体供給口３３からカソード流路３１を通ってカソード流体排出口３５に流れる。アノード流体は、アノード流体供給口３４からアノード流路３２を通ってアノード流体排出口３６に流れる。セパレータ３０は、金属薄膜のプレス加工またはカーボン材料の射出成形で形成されていてもよく、任意である。

【0027】

セパレータ３０は、セル１０には接合されておらず、図１に示すように、上述した締付板３による押圧力で、セル１０に押圧されている。

【0028】

このように構成された電気化学セルスタック１は、運転後に分解することができる。より具体的には、まず、締付板３を締め付けていたボルトおよびナットが取り外される。そして、電気化学セルスタック１の最上位置に位置する締付板３、絶縁板４および集電板２が取り外される。そして、セパレータ３０とセル１０とが順次取り外されて、各セル１０が分離される。このようにして、膜電極接合体１０Ｍを備えたセル１０を取り出すことができる。

【0029】

図３に、上述した電気化学セルスタック１を備えた電気化学セルスタックシステム１００の例が示されている。図３に示す電気化学セルスタックシステム１００は、電気化学セルスタック１と、補機１０１と、電力変換装置１０２と、制御装置１０３と、を備えていてもよい。

【0030】

電気化学セルスタック１は、補機１０１によって起動されるとともに運転を行うことができる。電気化学セルスタック１が燃料電池として用いられる場合、補機１０１は、燃料電池に、水素ガスおよび空気を供給する。補機１０１は、例えばブロアなどによって構成される。燃料電池が運転を行っている間、補機１０１には動作電力が商用系統から供給される。燃料電池の発電電力は、電力変換装置１０２によって直流電流から交流電流に変換され、外部負荷に供給される。電気化学セルスタック１が電気分解装置として用いられる場合、補機１０１は、電気分解装置に、水蒸気または二酸化炭素ガスを供給するとともに電解溶液を供給する。電気分解に用いる電力は、商用系統から電力変換装置１０２を通って供給される。電力変換装置１０２は、商用系統からの電力を、交流電流から直流電流に変換して電気分解装置に供給する。補機１０１および電力変換装置１０２は、制御装置１０３によって制御される。

【0031】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出システム４０について説明する。セル劣化度算出システム４０は、電気化学セルスタック１のセル１０のセル劣化度を算出するためのシステムである。

【0032】

図４に示すように、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出システム４０は、第１データベース４１と、第２データベース４２と、セル劣化度算出装置５０と、を備えていてもよい。各データベース４１、４２およびセル劣化度算出装置５０は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワークＮで接続されている。本実施の形態においては、セル劣化度算出装置５０に、第１データベース４１および第２データベース４２が接続されている。

【0033】

図５に示すように、第１データベース４１には、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データが格納されている。第１データベース４１には、複数のセル１０についての第１特性データが格納されていてもよい。各第１特性データには、識別情報が割り当てられており、各第１特性データは、識別情報と関連付けられている。第１特性データは、互いに対応する時間と電圧値の複数の組み合わせで構成されている。第１特性データの詳細については後述する。識別情報がＩＤコードである場合、図５に示すように、連続するＩＤコードが各セル１０に割り当てられてもよい。しかしながら、各セル１０に割り当てられるＩＤコートの番号のつけ方は、識別機能を有していれば任意である。第１データベース４１は、クラウドサーバに記録されていてもよい。第１特性データは、測定された際にクラウドサーバに記録されることにより第１データベース４１に格納されてもよい。

【0034】

図６に示すように、第２データベース４２には、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データが格納されている。第２データベース４２には、複数のセル１０についての第２特性データが格納されていてもよい。各第２特性データには、識別情報が割り当てられており、各第２特性データは、識別情報と関連付けられている。第２特性データは、互いに対応する時間と電圧値の複数の組み合わせで構成されている。第２特性データの詳細については後述する。第２データベース４２は、クラウドサーバに記録されていてもよい。第２特性データは、測定された際にクラウドサーバに記録されることにより第２データベース４２に格納されてもよい。

【0035】

次に、本実施の形態によるセル劣化度算出装置５０について説明する。セル劣化度算出装置５０は、電気化学セルスタック１のセル１０のセル劣化度を算出するための装置である。

【0036】

図４に示すように、セル劣化度算出装置５０は、入力部５１と、表示部５２と、記憶部５３と、通信部５４と、演算部６０と、を含んでいてもよい。入力部５１は、情報を入力するように構成されており、例えば、キーボード、マウスまたはタッチパネルなどで構成されていてもよい。表示部５２は、情報を表示するように構成されており、例えば、ディスプレイなどで構成されていてもよい。表示部５２は、後述する表示情報作成部６７により作成された表示情報を表示してもよい。記憶部５３は、情報を記憶するように構成されており、例えば、メモリまたはストレージなどで構成されていてもよい。通信部５４は、ネットワークＮを介してデータベース４１、４２が記憶されている外部機器と通信するように構成されていてもよい。例えば、通信部５４は、通信インターフェースなどで構成されていてもよい。

【0037】

図４に示すように、演算部６０は、第１取得部６１、第２取得部６２、第１算出部６３、第２算出部６４、第３算出部６５、判定部６６および表示情報作成部６７などの機能ブロックを含んでいてもよい。これらの機能ブロックは、例えば、記憶部５３内に格納されたコンピュータプログラムを演算部６０により実行することで実現されてもよい。このプログラムは、電気化学セルスタック１の設計プログラムの例であり、記録媒体からセル劣化度算出装置５０にインストールされてもよい。あるいは、セル劣化度算出プログラムは、ネットワークＮ上のサーバなどからセル劣化度算出装置５０にダウンロードされてもよい。

【0038】

第１取得部６１は、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データを取得する。第１特性データは、関連付けられた識別情報とともに、上述した第１データベース４１から取得する。第１取得部６１は、通信部５４およびネットワークＮを介して、第１データベース４１から第１特性データを取得するように構成されている。

【0039】

第２取得部６２は、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データを取得する。第２特性データは、関連付けられた識別情報とともに、上述した第２データベース４２から取得する。第２取得部６２は、通信部５４およびネットワークＮを介して、第２データベース４２から第２特性データを取得するように構成されている。

【0040】

第１算出部６３は、第１対象電圧値を算出する。第１対象電圧値Ｖ_１は、第１特性データに基づいて算出される。

【0041】

図７に実線で示すように、第１特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、二酸化炭素電解を行って停止した後に得られた電圧時間特性を示すデータであってもよい。図７においては、時間ｔ_０まで二酸化炭素電解が行われ、時間ｔ_０において二酸化炭素電解を停止している。時間ｔ_０以降では、二酸化炭素電解の停止が継続され、セル１０の電圧値が減少している様子が示されている。

【0042】

二酸化炭素電解停止後の電圧時間特性は、図７に実線で示すように、電圧値の低下率が増加する第１時間帯Ｔ_１と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯Ｔ_２と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯Ｔ_２を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２時間帯においては、電圧値の低下率は徐々に減少し、その後電圧値はほぼ一定になる。第１閾値は、電圧値が一定とみなすことができる電圧値の低下率として設定されていてもよい。第１算出部６３は、第１特性データを構成する時間と電圧値で図７に示すような第３特性曲線を算出して、この第３特性曲線で電圧値の低下率が第１閾値となる電圧値を第１対象電圧値としてもよい。第３特性曲線の例が、図７に実線で示されている。

【0043】

第２算出部６４は、第２対象電圧値を算出する。第２対象電圧値Ｖ_２は、第２特性データに基づいて算出される。

【0044】

図７に破線で示すように、第２特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、水電解を行って停止した後に得られた電圧時間特性を示すデータであってもよい。図７においては、時間ｔ_０まで水電解が行われ、時間ｔ_０において水電解を停止している。時間ｔ_０以降では、水電解の停止が継続され、セル１０の電圧値が減少している様子が示されている。

【0045】

水電解停止後の電圧時間特性は、図７に破線で示すように、電圧値の低下率が増加する第３時間帯Ｔ_３と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯Ｔ_４と、を有している。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯Ｔ_４を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。第４時間帯においては、電圧値の低下率は徐々に減少し、その後電圧値はほぼ一定になる。第２閾値は、電圧値が一定とみなすことができる電圧値の低下率として設定されていてもよい。第２算出部６４は、第２特性データを構成する時間と電圧値で図７に示すような第４特性曲線を算出して、この第４特性曲線で電圧値の低下率が第２閾値となる電圧値を第２対象電圧値としてもよい。第４特性曲線の例が、図７に破線で示されている。

【0046】

第３算出部６５は、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセル劣化度を算出する。セル劣化度は、セル１０の劣化度を示す。例えば、第２算出部６４は、第１対象電圧値から第２対象電圧値を引いた差分を第１対象電圧値で除算することによりセル劣化度を算出してもよい。すなわち、第１対象電圧値をＶ_１、第２対象電圧値をＶ_２とすると、以下の式（１）に従って、セル劣化度αが算出されてもよい。

【数1】

【0047】

判定部６６は、第３算出部６５により算出されたセル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かを判定してもよい。この場合、セル１０の劣化の程度を判定することができる。劣化度閾値は、例えば、劣化が比較的激しいとみなすことができる値であってもよい。セル劣化度が比較的激しい場合には、セル劣化度が大きくなる。あるいは、劣化度閾値は、例えば、セル１０に短絡が発生したとみなすことができる値であってもよい。短絡が発生している場合には、第１対象電圧値Ｖ_１と第２対象電圧値Ｖ_２との差が大きくなり、セル劣化度が大きくなる。

【0048】

表示情報作成部６７は、第３算出部６５により算出されたセル劣化度を含む表示情報を作成する。表示情報には、判定部６６によるセル劣化度の判定結果が含まれていてもよい。表示情報作成部６７により作成された表示情報は、上述した表示部５２で表示されてもよい。

【0049】

次に、第１特性データおよび第２特性データの作成方法について説明する。ここでは、図１に示す電気化学セルスタック１が二酸化炭素電解装置を構成する場合を例にとって説明する。

【0050】

図８に示すように、セル１０に印加される電圧を測定するために、電気化学セルスタック１には、複数の測定ピン７０が取り付けられている。カソード電極１１用の測定ピン７０は、セパレータ３０のカソード電極１１に対向する面に形成されたカソード側凹部３７に挿入されていてもよい。カソード側凹部３７は、図８において表面に形成されているカソード流路３１とは異なる位置に形成されている。便宜上、図８においてカソード流路３１は簡略化して図示している。カソード側凹部３７に挿入された測定ピン７０は、カソード電極１１に電気的に接触することができる。アノード電極１２用の測定ピン７０は、セパレータ３０のアノード電極１２に対向する面に形成されたアノード側凹部３８に挿入されていてもよい。アノード側凹部３８は、図８において裏面に形成されているアノード流路３２とは異なる位置に形成されている。アノード側凹部３８に挿入された測定ピン７０は、アノード電極１２に電気的に接触することができる。図８では、代表的に、１つのセル１０についての測定状態が示されているが、電気化学セルスタック１を構成する各セル１０について電圧値を測定するために、各セパレータ３０のカソード側凹部３７およびアノード側凹部３８に、測定ピン７０が挿入されている。すなわち、１つのセル１０に対して２つの測定ピン７０を用いて測定が行われてもよい。

【0051】

カソード電極１１用の各測定ピン７０と、アノード電極１２用の各測定ピン７０は、電気線７１を介して測定装置７２に接続されている。電気線７１は、測定ピン７０と測定装置７２とを電気的に接続している。電気化学セルスタック１が内部マニホールド構造を有している場合、図示しないシール材などを用いて、測定ピン７０が気密にセパレータ３０に取り付けられる。このことにより、カソード流体およびアノード流体などの流体が、漏洩することを防止している。電気線７１は、図示しないハウジングを貫通して、外部に配置された測定装置７２に接続されている。

【0052】

測定装置７２は、各セル１０の電圧値を測定する。測定装置７２は、上述した第１データベース４１および第２データベース４２にネットワークＮを介して接続されている。測定装置７２が測定した電圧値と測定時間は、対応するセル１０の識別情報と関連付けられて、第１データベース４１に送信される。図５に示すように、電圧値と時間は、第１特性データとして第１データベース４１に格納される。第１データベース４１には、各セル１０に対応して複数の第１特性データが格納される。各第１特性データは、対応するセル１０の識別情報と関連付けられる。

【0053】

第１特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示すデータであってもよい。二酸化炭素電解時には、図１に示すカソード流体Ｆ１としての二酸化炭素ガスがカソード電極１１に供給され、アノード流体Ｆ２としての電解溶液（炭酸水素カルシムなど）がアノード電極１２に供給される。膜電極接合体１０Ｍにおいて二酸化炭素電解が行われ、カソード電極１１において一酸化炭素が生成されてカソード電極１１から排出される。アノード電極１２において酸素ガスが生成されてアノード電極１２から排出される。

【0054】

第１特性データを作成するための測定は、二酸化炭素電解を行ってから停止した後に行われる。停止後、電圧値を測定時間とともに測定する。このことにより、図７に実線で示すような、二酸化炭素電解停止後の電圧時間特性を示す第１特性データが得られる。すなわち、第１特性データは、電気化学セルスタック１を分解することなく、得ることができる。

【0055】

第２特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示すデータであってもよい。水電解時には、図１に示すカソード流体Ｆ１としての水がカソード電極１１に供給され、アノード流体Ｆ２としての電解溶液（炭酸水素カルシムなど）がアノード電極１２に供給される。膜電極接合体１０Ｍにおいて水電解が行われ、カソード電極１１において水素ガスが生成されてカソード電極１１から排出される。アノード電極１２において酸素ガスが生成されてアノード電極１２から排出される。

【0056】

第２特性データを作成するための測定は、水電解を行ってから停止した後に行われる。水電解は、第１特性データを作成後に行われてもよく、第１特性データを作成する前に行われてもよい。停止後、電圧値を測定時間とともに測定する。このことにより、図７に破線で示すような、水電解停止後の電圧時間特性を示す第１特性データが得られる。すなわち、第１特性データは、電気化学セルスタック１を分解することなく、得ることができる。

【0057】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出方法について図９を用いて説明する。

【0058】

まず、ステップＳ１として、第１取得部６１が、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データを取得する。例えば、図５に示すように、第１データベース４１に格納されている第１特性データのうち、任意の１つのセル１０に対応する第１特性データが取得される。

【0059】

ステップＳ２として、第２取得部６２が、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データを取得する。例えば、図６に示すように、第２データベース４２に格納されている第２特性データのうち、第１特性データと共通の識別情報が関連付けられたセル１０に対応する第２特性データが取得される。図９に示す例では、ステップＳ２は、ステップＳ１の後に行われている。しかしながら、ステップＳ２は、ステップＳ１の前に行われてもよく、ステップＳ１と同時に行われてもよい。

【0060】

ステップＳ２の後、ステップＳ３として、第１算出部６３は、ステップＳ１において取得された第１特性データに基づいて第１対象電圧値Ｖ１（図７参照）を算出する。

【0061】

ステップＳ４として、第２算出部６４は、ステップＳ２において取得された第２特性データに基づいて第２対象電圧値Ｖ２（図７参照）を算出する。図９に示す例では、ステップＳ４は、ステップＳ３の後に行われている。しかしながら、ステップＳ４は、ステップＳ３の前に行われてもよく、ステップＳ３と同時に行われてもよい。

【0062】

ステップＳ４の後、ステップＳ５として、第３算出部６５は、ステップＳ３において算出された第１対象電圧値と、ステップＳ４において算出された第２対象電圧値に基づいてセル劣化度を算出する。第３算出部６５は、上述した式（１）を用いてセル劣化度を算出してもよい。

【0063】

ステップＳ５の後、ステップＳ６として、判定部６６は、ステップＳ５において算出されたセル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かを判定する。セル劣化度が劣化度閾値以上である場合、対応するセル１０に短絡が発生したとみなされてもよい。

【0064】

ステップＳ６の後、ステップＳ７として、表示情報作成部６７は、ステップＳ５において算出されたセル劣化度と、ステップＳ６による判定結果と、を含む表示情報を作成する。作成された表示情報は、表示部５２で表示されてもよい。

【0065】

上述したセル劣化度を算出したセル１０とは異なる他のセル１０のセル劣化度を算出する場合には、ステップＳ１において他のセル１０の第１特性データを取得し、ステップＳ２において同じセル１０の第２特性データを取得し、ステップＳ３～ステップＳ７を行えばよい。上述したステップＳ１～ステップＳ７を、各セル１０について行うことにより、複数のセル１０についてセル劣化度を算出することができる。

【0066】

このように本実施の形態によれば、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データに基づいて第１対象電圧値が算出され、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データに基づいて第２対象電圧値が算出される。第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいて、セル１０のセル劣化度が算出される。このことにより、第１対象電圧値と第２対象電圧値とを用いるだけでセル１０のセル劣化度を算出することができる。このため、セル劣化度を容易に得ることができる。

【0067】

また、本実施の形態によれば、第１対象電圧値から第２対象電圧値を引いた差分を第１対象電圧値で除算することによりセル劣化度が算出される。このことにより、セル１０のセル劣化度を容易に算出することができる。

【0068】

また、本実施の形態によれば、セル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かが判定される。このことにより、劣化が比較的激しいセル１０を選定することができる。また、劣化度閾値を、短絡が発生したとみなせる値にした場合には、セル１０に短絡が発生しているか否かを判定することもできる。

【0069】

なお、上述した本実施の形態においては、電気化学セルスタック１が内部マニホールド構造を有している例について説明した。しかしながら、実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、電気化学セルスタック１は外部マニホールド構造を有していてもよい。この場合、セル枠２０は用いられることはなく、膜電極接合体１０Ｍとセパレータ３０が積層された積層体の外側面に、各ガスの流路を形成するマニホールドが設けられる。

【0070】

また、上述した本実施の形態においては、２つのセル１０の間に、カソード流路３１とアノード流路３２とを含む１つのセパレータ３０が介在されている例について説明した。しかしながら、実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、２つのセル１０の間に、カソード流路を含むカソード側セパレータと、アノード流路を含むアノード側セパレータが介在されていてもよい。カソード側セパレータとアノード側セパレータとの間に、図示しない冷却水流路が形成されていてもよい。

【0071】

以上述べた実施の形態によれば、セルの劣化度を容易に得ることができる。

【0072】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0073】

１：電気化学セルスタック、４０：セル劣化度算出システム、５０：セル劣化度算出装置、６１：第１取得部、６２：第２取得部、６３：第１算出部、６４：第２算出部、６５：第３算出部、６６：判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】