特開 2024-124242 電気化学セルスタックの設計装置、設計システム、設計方法および設計プログラム

(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】P2024124242

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】電気化学セルスタックの設計装置、設計システム、設計方法および設計プログラム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/00 20060101AFI20240905BHJP

   H01M 8/008 20160101ALI20240905BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 15/02 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20240905BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

C25B15/00 302Z

H01M8/008

C25B1/04

C25B1/23

C25B9/23

C25B15/02

C25B15/023

C25B9/70

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023032253

(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】水口 浩司

(72)【発明者】

【氏名】村松 武彦

(72)【発明者】

【氏名】尾平 弘道

(72)【発明者】

【氏名】大田 裕之

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021EA09

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE06

5H126EE11

5H126EE22

5H126EE23

5H126EE24

5H126JJ00

(57)【要約】

【課題】使用済みのセルを再利用して低コスト化を図ることができる電気化学セルスタックの設計装置を提供する。
【解決手段】
実施の形態による電気化学セルスタックの設計装置は、使用済みのセルのセル劣化度を識別情報とともに取得する劣化度取得部と、仕様寿命を取得する仕様取得部と、仕様セル枚数とセル劣化度とに基づいて、電気化学セルスタックの寿命が仕様寿命を満足するように電気化学セルスタックに用いる使用済みのセルを選定するとともに電気化学セルスタックの寿命を算出する選定算出部と、を備えている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計装置であって、
識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を前記識別情報とともに取得する劣化度取得部と、
前記電気化学セルスタックの仕様寿命を取得する仕様取得部と、
前記電気化学セルスタックの仕様セル枚数と前記セル劣化度とに基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命が前記仕様寿命を満足するように前記電気化学セルスタックに用いる前記使用済みのセルを選定するとともに、選定された前記使用済みのセルの前記セル劣化度に基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命を算出する選定算出部と、
を備えた、電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項2】

前記選定算出部において複数の前記使用済みのセルが選定された場合に、前記使用済みのセルの積層位置を決定する位置決定部を更に備えた、
請求項１に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項3】

前記選定算出部において選定された複数の前記使用済みのセルは、第１の使用済みのセルと、前記第１の使用済みのセルの前記セル劣化度よりも高い前記セル劣化度を有する第２の使用済みのセルと、を含み、
前記位置決定部は、前記第２の使用済みのセルを前記第１の使用済みのセルよりも前記電気化学セルスタックの積層方向における中央側に配置する、
請求項２に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項4】

前記選定算出部において選定された前記使用済みのセルの前記セル劣化度に基づいて、前記電気化学セルスタックの価格を算出する価格算出部を更に備えた、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項5】

前記使用済みのセルに、前記セル劣化度に基づいて劣化度ランクが割り当てられ、
前記選定算出部は、前記劣化度ランクが有する前記セル劣化度の範囲における最大値を前記セル劣化度とみなす、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項6】

前記選定算出部は、前記セル劣化度が所定値よりも高い前記使用済みのセルを選定対象から除外する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項7】

前記選定算出部は、前記使用済みのセルだけでなく、新品のセルも選定可能である、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項8】

前記仕様取得部は、前記電気化学セルスタックの仕様セル枚数を取得し、
前記選定算出部は、前記仕様取得部により取得された前記仕様セル枚数に基づいて、前記使用済みのセルを選定する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項9】

前記仕様寿命に基づいて、前記電気化学セルスタックの仕様スタック劣化度を算出する仕様算出部を更に備え、
前記選定算出部は、前記仕様算出部により算出された前記仕様スタック劣化度に基づいて、前記使用済みのセルを選定する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項10】

前記選定算出部により選定された前記使用済みのセルの前記識別情報と、前記寿命とを含む表示情報を作成する表示情報作成部を更に備えた、
請求項９に記載の電気化学セルスタックの設計装置。

【請求項11】

複数の使用済みのセルのセル劣化度を前記識別情報と関連付けて格納するデータベースと、
請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックの設計装置と、を備えた、
電気化学セルスタックの設計システム。

【請求項12】

使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計方法であって、
識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を前記識別情報とともに取得するステップと、
前記電気化学セルスタックの仕様寿命を取得するステップと、
前記電気化学セルスタックの仕様セル枚数と前記セル劣化度とに基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命が前記仕様寿命を満たすように前記電気化学セルスタックに用いる前記使用済みのセルを選定するとともに、選定された前記使用済みのセルの前記セル劣化度に基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命を算出するステップと、
を備えた、電気化学セルスタックの設計方法。

【請求項13】

使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計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設計プログラムであって、
前記設計方法は、
識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を前記識別情報とともに取得するステップと、
前記電気化学セルスタックの仕様寿命を取得するステップと、
前記電気化学セルスタックの仕様セル枚数と前記セル劣化度とに基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命が前記仕様寿命を満たすように前記電気化学セルスタックに用いる前記使用済みのセルを選定するとともに、選定された前記使用済みのセルの前記セル劣化度に基づいて、前記電気化学セルスタックの寿命を算出するステップと、
を備えた、電気化学セルスタックの設計プログラム。

【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設計装置、設計システム、設計方法および設計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。ある程度の性能低下が認められると、使用済みの電気化学セルスタックは廃棄され、新品の電気化学セルスタックに交換される。

【0003】

使用済みの電気化学セルスタックには、セル劣化度の低いセルが含まれる場合がある。一方、新品のセルだけで構成された新品の電気化学セルスタックには、コストがかかるという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【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】

【0005】

実施の形態は、使用済みのセルを再利用して低コスト化を図ることができる電気化学セルスタックの設計装置、設計システム、設計方法および設計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】

【0006】

実施の形態による電気化学セルスタックの設計装置は、使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計装置である。電気化学セルスタックの設計装置は、識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を前記識別情報とともに取得する劣化度取得部と、電気化学セルスタックの仕様寿命を取得する仕様取得部と、電気化学セルスタックの仕様セル枚数とセル劣化度とに基づいて、電気化学セルスタックの寿命が仕様寿命を満足するように電気化学セルスタックに用いる使用済みのセルを選定するとともに、選定された使用済みのセルのセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタックの寿命を算出する選定算出部と、を備えている。

【0007】

実施の形態による電気化学セルスタックの設計システムは、複数の使用済みのセルのセル劣化度を識別情報と関連付けて格納するデータベースと、上述の電気化学セルスタックの設計装置と、を備えている。

【0008】

実施の形態による電気化学セルスタックの設計方法は、使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計方法である。電気化学セルスタックの設計方法は、識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を識別情報とともに取得するステップと、電気化学セルスタックの仕様寿命を取得するステップと、電気化学セルスタックの仕様セル枚数とセル劣化度とに基づいて、電気化学セルスタックの寿命が仕様寿命を満たすように電気化学セルスタックに用いる使用済みのセルを選定するとともに、選定された使用済みのセルのセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタックの寿命を算出するステップと、を備えている。

【0009】

実施の形態による電気化学セルスタックの設計プログラムは、使用済みのセルを含む複数のセルが積層された電気化学セルスタックの設計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設計プログラムである。設計方法は、識別情報が割り当てられた使用済みのセルのセル劣化度を識別情報とともに取得するステップと、電気化学セルスタックの仕様寿命を取得するステップと、電気化学セルスタックの仕様セル枚数とセル劣化度とに基づいて、電気化学セルスタックの寿命が仕様寿命を満たすように電気化学セルスタックに用いる使用済みのセルを選定するとともに、選定された使用済みのセルのセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタックの寿命を算出するステップと、を備えている。

【発明の効果】

【0010】

実施の形態によれば、使用済みのセルを再利用して低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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、図１に示す電気化学セルスタックの商取引を説明するための図である。

【図5】図５は、本実施の形態による電気化学セルスタックの設計システムを示す図である。

【図6】図６は、図５に示す第１データベースに格納される情報を説明するための模式図である。

【図7】図７は、図５に示す第２データベースに格納される情報を説明するための模式図である。

【図8】図８は、図５に示すランク割当部によるランクの割り当ての一例を示す図である。

【図9】図９は、図５に示す設計装置の処理の一例を示す模式図である。

【図10】図１０は、図５に示す価格算出部が用いるセル劣化度と価格低下率との関係の一例を示す表である。

【図11】図１１は、図５に示す表示部による表示内容の一例を示す図である。

【図12】図１２は、セルの電圧電流特性を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13】図１３は、セルの電圧電流特性を示すグラフである。

【図14】図１４は、セルの電圧時間特性を示すグラフである。

【図15】図１５は、本実施の形態による電気化学セルスタックの設計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】

【0012】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタックの設計装置、設計システム、設計方法および設計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の設計装置の設計対象とな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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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カソード電極アノード電極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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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１２参照）、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。

【0028】

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。

【0029】

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カソード電極アノード電極を備えたセル１０を取り出すことができる。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１の設計システム４０について説明する。設計システム４０は、使用済みのセル１０を含む複数のセル１０が積層された電気化学セルスタック１の設計を行うためのシステムである。

【0033】

ここで、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の商取引について、図４を用いて説明する。図４では、電気化学セルスタック１の製造販売業者をＡ社としている。Ａ社の電気化学セルスタック１を使用しているユーザを、ａ社、ｂ社、ｃ社としている。

【0034】

図４に示すように、ａ社は、新品のセル１０だけを用いた電気化学セルスタック１をＡ社から導入している。ａ社は、電気化学セルスタック１の運転を行って事業活動を行っている。例えば、電気化学セルスタック１が二酸化炭素電解装置である場合、二酸化炭素を電気化学セルスタック１で電気分解して一酸化炭素を生成する。生成された一酸化炭素はボンベ等に充填し、一酸化炭素を取り扱う事業者（図示せず）に納入する。

【0035】

ａ社は、運転の継続によって電気化学セルスタック１の性能劣化や故障等が発生したため、電気化学セルスタック１のリプレイスを決定する。このため、ａ社は、仕様を提示してＡ社に相談する。Ａ社は、この仕様に基づいて、ａ社に導入可能な電気化学セルスタック１のラインナップを提示する。この仕様には、セル枚数および仕様寿命などが含まれているため、このラインナップには、新品のセル１０だけを用いた電気化学セルスタック１だけではなく、使用済みのセル１０を含む電気化学セルスタック１も含まれている。使用済みのセル１０を含む電気化学セルスタック１は、新品のセル１０だけを用いた同一構成の電気化学セルスタック１よりも低価格になっている。ａ社は、使用済みのセル１０を含む電気化学セルスタック１の購入を決定し、Ａ社に発注する。Ａ社は、ａ社が購入を決定した電気化学セルスタック１を製造し、ａ社に納入する。

【0036】

これまでａ社が保有していた電気化学セルスタック１は、Ａ社に引き取られる。Ａ社は、納入済みの電気化学セルスタック１がリプレイスなどの理由によって不要となった場合に、ユーザから引き取っている。このため、Ａ社には、ｂ社およびｃ社などからも、リプレイス品納入の際に、電気化学セルスタック１が引き取られている。

【0037】

引き取られた電気化学セルスタック１は、各セル１０のセル劣化度を調べるための測定試験を行う。その後、上述のようにして、電気化学セルスタック１を分解して各セル１０が取り出される。取り出された各セル１０は、電気化学セルスタック１に再利用するために、リペア処理されてもよい。そして、各セル１０は、使用済みセル１０として保管される。保管された使用済みセル１０のセル劣化度は、後述する第１データベース４１に、セル１０の識別情報が関連づけられた状態で保管される。上述したリペア処理がされた場合には、その処理内容が、セル劣化度と関連づけられて保管されてもよい。

【0038】

Ａ社は、ラインナップの検討時に、ａ社の仕様に基づいて、使用済みのセル１０を含む電気化学セルスタック１の設計を行い、価格を提示する。この際、保管中の使用済みのセル１０から、ユーザ仕様を満足する使用済みのセル１０を選定し、使用済みのセル１０の再利用を図る。この設計に基づいて、Ａ社の組立作業者は、保管場所から選定された使用済みのセル１０を取り出して電気化学セルスタック１を組み立てる。組立後の電気化学セルスタック１は、ａ社に納入される。本実施の形態による電気化学セルスタック１の設計システム４０は、このようなＡ社の設計業務で用いることができる装置である。

【0039】

図５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の設計システム４０は、複数のデータベース４１、４２と、設計装置５０と、を備えていてもよい。各データベース４１、４２および設計装置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、設計装置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。

【0040】

第１データベース４１には、複数の使用済みのセル１０のセル劣化度が格納されている。第１データベース４１には、種々の使用済み電気化学セルスタック１の使用済みのセル１０のセル劣化度が格納されている。各使用済みのセル１０には識別情報が割り当てられており、各セル１０のセル劣化度は、識別情報と関連付けられている。図６には、使用済みの第１の電気化学セルスタック１ａの５つの使用済みのセル１０のセル劣化度と、使用済みの第２の電気化学セルスタック１ｂの５つの使用済みのセル１０のセル劣化度が、第１データベース４１に格納される例が示されている。セル劣化度の詳細については後述する。各使用済みのセル１０のセル劣化度には、その使用済みのセル１０の識別情報が関連づけられている。識別情報がＩＤコードである場合、図６に示すように、連続するＩＤコードが各使用済みのセル１０に割り当てられてもよい。しかしながら、各使用済みのセル１０に割り当てられるＩＤコードの番号の付け方は、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。セル劣化度は、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。

【0041】

第２データベース４２には、ユーザの仕様情報が格納されている。図７に示すように、仕様情報には、電気化学セルスタック１の仕様寿命の情報が含まれている。セル劣化度および仕様情報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。ユーザの仕様情報は、設計装置５０とは異なる端末装置４３で入力した情報が、第２データベース４２に格納されていてもよい。

【0042】

図５に示すように、設計装置５０は、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１を設計する装置である。設計装置５０は、主として、複数の使用済みのセル１０から、ユーザの仕様を満足する電気化学セルスタック１を製造するために使用可能な使用済みのセル１０を選定するように構成されている。

【0043】

設計装置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６８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。

【0044】

図５に示すように、演算部６０は、劣化度取得部６１、ランク割当部６２、仕様取得部６３、仕様算出部６４、選定算出部６５、位置決定部６６および価格算出部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、記録媒体から設計装置５０にインストールされてもよい。あるいは、設計プログラムは、ネットワークＮ上のサーバなどから設計装置５０にダウンロードされてもよい。

【0045】

劣化度取得部６１は、使用済みのセル１０のセル劣化度を、関連づ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。劣化度取得部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からセル劣化度を取得するように構成されている。

【0046】

使用済みのセル１０のセル劣化度は、種々の方法により求めることができる。例えば、電気化学セルスタック１を用いて二酸化炭素電解を行った場合に得られた各セル１０の電圧特性を用いて、セル劣化度を算出することができる。あるいは、例えば、電気化学セルスタック１を用いて水電解を行った場合に得られた各セル１０の電圧特性を用いて、セル劣化度を算出することができる。セル劣化度の算出方法については後述する。

【0047】

このようにして算出された数値をセル劣化度として後述する各種処理を行ってもよいが、本実施の形態においては、この数値に基づいて設定された劣化度ランクを用いる。一例として、セル劣化度をＡ～Ｅの５段階に分けて説明する。なお、セル劣化度０（ゼロ）は、使用前の新品のセル１０のセル劣化度に相当する。セル劣化度の数値が大きいほど、セル１０の劣化が進んでいることを表す。

【0048】

ランク割当部６２は、使用済みのセル１０に、上述のように算出されたセル劣化度に基づいて劣化度ランクを割り当てる。劣化度ランクは、セル劣化度の所定の範囲を有している。より具体的には、図８に示すように、セル劣化度に基づいて、複数の劣化度ランクが設定される。ここでは、Ａ～Ｅの５つの劣化度ランクが割り当てられる例について説明する。

【0049】

ランクＡは、０％よりも大きく、５％以下の範囲にセル劣化度を有する使用済みのセル１０に割り当てられる。ランクＢは、５％よりも大きく、１０％以下の範囲にセル劣化度を有する使用済みのセル１０に割り当てられる。ランクＣは、１０％よりも大きく、１５％以下の範囲にセル劣化度を有する使用済みのセル１０に割り当てられる。ランクＤは、１５％よりも大きく、２０％以下の範囲にセル劣化度を有する使用済みのセル１０に割り当てられる。ランクＥは、２０％よりも大きい範囲にセル劣化度を有する使用済みのセル１０に割り当てられる。ランクＥは、セル劣化度が高いため、電気化学セルスタック１の設計には用いられなくてもよい。

【0050】

Ａ～Ｄの劣化度ランクは、劣化度ランクに対応するセル劣化度の範囲の最大値であるみなしセル劣化度を有している。より具体的には、ランクＡのみなしセル劣化度は５％であり、ランクＢのみなしセル劣化度は１０％である。ランクＣのみなしセル劣化度は１５％であり、ランクＤのみなしセル劣化度は２０％である。後述する選定算出部６５、位置決定部６６および価格算出部６７は、みなしセル劣化度をセル劣化度とみなして処理を行う。

【0051】

仕様取得部６３は、ユーザの仕様情報としての電気化学セルスタック１の仕様セル枚数と仕様寿命を取得する。仕様取得部６３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から仕様セル枚数と仕様寿命を取得するように構成されている。

【0052】

仕様算出部６４は、仕様寿命に基づいて、電気化学セルスタック１の仕様スタック劣化度を算出する。スタック劣化度は、電気化学セルスタック１に使用されるセル１０のセル劣化度の合計値であってもよい。

【0053】

選定算出部６５は、仕様セル枚数と仕様スタック劣化度とに基づいて、電気化学セルスタック１に用いる使用済みのセル１０を選定する。本実施の形態においては、上述したランク割当部６２によって、使用済みのセル１０に劣化度ランクが割り当てられている。このため、選定算出部６５は、各劣化度ランクの上述したみなしセル劣化度を、各使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして、以下の処理を行う。

【0054】

選定算出部６５は、上述のようにして算出された仕様スタック劣化度を満足するように、電気化学セルスタック１に用いる使用済みのセル１０を選定する。例えば、使用済みのセル１０のセル劣化度の合計値が、仕様スタック劣化度以下となる使用済みのセル１０の組み合わせを決定する。例えば、セル劣化度（みなしセル劣化度）をα_ｋ、セル劣化度がα_ｋである使用済みのセル１０の個数をβ_ｋとしたとき、以下の式を満たすような、使用済みのセル１０の組み合わせが選定される。ｎは、セル１０の枚数である。γは、仕様スタック劣化度である。

【数1】

【0055】

この際、電気化学セルスタック１の低コスト化を図ることができるように、仕様スタック劣化度を満足する使用済みのセル１０の組み合わせを決定してもよい。本実施の形態による選定算出部６５は、電気化学セルスタック１を構成する全てのセル１０に、使用済みのセル１０を割り当てる。

【0056】

選定算出部６５は、選定された使用済みのセル１０のセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタック１の寿命を算出する。より具体的には、選定算出部６５は、選定された使用済みのセル１０のセル劣化度の合計値であるスタック劣化度を算出する。例えば、スタック劣化度は、上述の式（１）の左辺によって算出される。そして、スタック劣化度から寿命を算出する。図９に示す例では、便宜上、仕様寿命５年に対して、寿命が５年になるような使用済みセル１０が選定されている。しかしながら、上述の式（１）にも示されているように、仕様寿命５年よりも寿命が短くならないように使用済みセル１０が選定されてもよい。

【0057】

選定算出部６５は、セル劣化度が所定値よりも高い使用済みのセル１０を選定対象から除外してもよい。例えば、ランク劣化度がランクＤである使用済みのセル１０は、選定対象から除外する。選定対象から除外する使用済みのセル１０の劣化度ランクは、ランクＤであることに限られることはない。ユーザの仕様等に応じて、選定対象から除外する劣化度ランクが設定されてもよい。

【0058】

選定算出部６５の具体的な処理について図９を用いて説明する。図９に示す例では、劣化度取得部６１が、図６に示す第１データベース４１に格納されている１０個の使用済みのセル１０のセル劣化度を取得している。ランク割当部６２が、図８に示すセル劣化度に基づいて劣化度ランクを各使用済みのセル１０に割り当てている。仕様取得部６３が、図７に示す第２データベース４２に格納されているユーザの仕様情報として、電気化学セルスタック１の仕様セル枚数と仕様寿命とを取得している。仕様算出部６４は、ユーザの仕様寿命から算出した仕様スタック劣化度を「１０％」と算出している。この場合、選定算出部６５は、５つの使用済みのセル１０の組み合わせとして、セル劣化度の合計値が「１０％」となる使用済みのセル１０の組み合わせを選定する。その一例が図９に示されている。

【0059】

セル劣化度が同一の複数の使用済みのセル１０から１つの使用済みのセル１０を選定する方法は任意である。例えば、ＩＤコードが示す数字が最も小さい使用済みのセル１０を選定してもよい。あるいは、使用済みのセル１０の識別情報から製造日の情報を取得できる場合には、最も製造日が早い使用済みのセル１０を選定してもよい。選定算出部６５は、図９に示すように選定された５つの使用済みのセル１０のセル劣化度の合計値（スタック劣化度）を算出する。ここでは、スタック劣化度が「１０％」となる。そして、選定算出部６５は、スタック劣化度から電気化学セルスタック１の寿命を算出する。

【0060】

位置決定部６６は、複数の使用済みのセル１０が選定された場合に、使用済みのセル１０の積層位置を決定する。位置決定部６６は、選定算出部６５と同様に、各劣化度ランクの上述したみなしセル劣化度を、各使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして積層位置を決定してもよい。

【0061】

位置決定部６６は、任意の方法で、使用済みのセル１０の積層位置を決定してもよい。例えば、位置決定部６６は、セル劣化度が高い使用済みのセル１０を電気化学セルスタック１の積層方向Ｄにおける中央側に配置してもよい。

【0062】

より具体的には、選定算出部６５において選定された複数の使用済みのセル１０が、第１の使用済みのセル１０ａ（図９参照）と、第２の使用済みのセル１０ｂと、を含んでいてもよい。第２の使用済みのセル１０ｂは、第１の使用済みのセル１０ａのセル劣化度よりも高いセル劣化度を有している。この場合、位置決定部６６は、第２の使用済みのセル１０ｂを第１の使用済みのセル１０ａよりも電気化学セルスタック１の積層方向Ｄにおける中央側に配置する。図９に示す例では、第２の使用済みのセル１０ｂとしてのＩＤ００４（ランクＢ）が、第１の使用済みのセル１０ａとしてのＩＤ００３（ランクＡ）よりも積層方向Ｄにおける中央側に配置されている。また、第２の使用済みのセル１０ｂとしてのＩＤ００１（ランクＣ）が、第１の使用済みのセル１０ａとしてのＩＤ００４（ランクＢ）よりも積層方向Ｄにおける中央側に配置されている。

【0063】

価格算出部６７は、選定算出部６５において選定された使用済みのセル１０のセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタック１の価格を算出する。価格算出部６７は、選定算出部６５と同様に、各劣化度ランクの上述したみなしセル劣化度を、各使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして価格を算出してもよい。例えば、図１０に示すように、セル劣化度に応じて使用済みのセル１０の価格低下率を設定してもよい。価格低下率は、新品のセル１０の価格に対する低下率を示している。電気化学セルスタック１の価格は、価格低下率と使用済みのセル１０の個数を乗算した値に、新品の電気化学セルスタック１の価格を乗算することにより算出されてもよい。例えば、セル劣化度がα_ｋである使用済みのセル１０の価格低下率をδ_ｋ、セル劣化度がα_ｋである使用済みのセル１０の個数をβ_ｋとしたとき、以下の式により、電気化学セルスタック１の価格ε_１が算出されてもよい。ε_０は、新品のセル１０だけを用いた電気化学セルスタック１の価格である。

【数2】

【0064】

上述した選定算出部６５、位置決定部６６および価格算出部６７は、人工知能（ＡＩ）を用いて処理を行うようにしてもよい。

【0065】

表示情報作成部６８は、選定された使用済みのセル１０の識別情報と、寿命とを含む表示情報を作成する。例えば、図１１に示すように、使用済みのセル１０の識別情報と寿命とを含む表示情報が作成されてもよい。図１１に示すように、使用済みのセル１０のセル劣化度が表示情報として作成されてもよく、電気化学セルスタック１の価格ε_１が表示情報として作成されてもよい。使用済みのセル１０は、積層位置の順番で並ぶように表示されてもよい。表示情報作成部６８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。

【0066】

次に、第１データベース４１に格納されたセル劣化度についてより詳細に説明する。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。

【0067】

まず、一例として、図１２および図１３を用いて、電気化学セルスタック１のセル１０の電圧電流特性を用いてセル劣化度を算出する方法について説明する。

【0068】

この場合、セル１０の電圧電流特性を示す第１特性データに基づいて第１対象電圧値が算出され、新品時のセル１０の電圧電流特性を示す第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、セル劣化度が算出される。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、水電解を行った場合に得られる電圧電流特性を示すデータである。第２特性データは、新品時の電気化学セルスタック１を用いて水電解を行った場合に得られた電圧電流特性を示すデータである。以下に、第１特性データおよび第２特性データに基づいて、セル劣化度を算出する方法について説明する。

【0069】

図１２に示すように、セル１０に印加される電圧とセル１０に流れる電流を測定するために、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１２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１２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１２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１２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について電圧値と電流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。

【0070】

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。

【0071】

測定装置７２は、各セル１０の電圧値と電流値を測定する。測定装置７２は、図示しないデータベースにネットワーク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電流値は、対応するセル１０の識別情報と関連付けられて、データベースに格納される。データベースには、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。

【0072】

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、二酸化炭素電解ではなく、水電解を行った場合に得られた電圧電流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。

【0073】

第１特性データを作成するための測定は、水電解を行いながら行われる。水電解反応が定常状態に達した後、電圧値および電流値の一方を変化させながら、電圧値および電流値が測定される。各セル１０について測定された電圧値と電流値は、複数の第１特性データとしてデータベースに格納される。このようにして、図１３に実線で示すような、電圧電流特性を示す第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。データベースに格納された各第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。

【0074】

第１特性データは、運転後の電気化学セルスタック１のセル１０について電圧値および電流値を測定することにより得られてもよい。例えば、第１特性データを得るための測定は、図４に示すａ社からＡ社に引き取られた後に、Ａ社によって行われてもよい。

【0075】

第２特性データは、新品時の電気化学セルスタック１を用いて水電解を行った場合に得られた電圧電流特性を示すデータであってもよい。すなわち、電気化学セルスタック１の出荷時または納入時などの運転を行う前に、上述した第１特性データと同様にして、電圧値と電流値を測定する。電圧値と電流値は、第２特性データとして図示しないデータベースに格納される。このようにして、図１３に破線で示すような、電圧電流特性を示す第２特性データが得られる。

【0076】

上述の第１特性データに基づいて第１対象電圧値Ｖ１（図１３参照）が算出される。第１対象電圧値Ｖ１は、第１特性データにおいて基準電流値に対応する電圧値である。第１特性データを構成する電流値と電圧値で図１３に示すような第１特性曲線を算出して、この第１特性曲線で基準電流値に対応する電圧値を第１対象電圧値としてもよい。第１特性曲線の例が、図１３に実線で示されている。

【0077】

上述の第２特性データに基づいて第２対象電圧値Ｖ２（図１３参照）が算出される。第２対象電圧値Ｖ２は、第２特性データにおいて基準電流値に対応する電圧値である。第２特性データを構成する電流値と電圧値で図１３に示すような第２特性曲線を算出して、この第２特性曲線で基準電流値に対応する電圧値を第２対象電圧値としてもよい。第２特性曲線の例が、図１３に破線で示されている。

【0078】

基準電流値は、第１特性データから電圧値がゼロであるときの電流値（零点電流値Ｉ_０）よりも大きい電流値を基準電流値Ｉ_Ｓに設定してもよく、第１特性データの電流値に対する電圧値の変化率（ΔＶ／ΔＩ）が変化率閾値以下になる最小の電流値を基準電流値Ｉ_Ｓに設定してもよい。この場合、電流値の増大に伴う電圧値の変化が小さくなった電流値を基準電流値に設定することができる。上述した電流値に対する電圧値の変化率が小さくなると、この変化率の変動が抑制され、第１対象電圧値および第２対象電圧値の精度を向上できる。このため、変化率閾値は、セル劣化度を精度よく算出することができる値に設定されていてもよい。

【0079】

第１対象電圧値と第２対象電圧値に基づいて、セル劣化度が算出される。例えば、第２対象電圧値から第１対象電圧値を引いた差分を第２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_１が算出されてもよい。

【数3】

【0080】

他の一例として、図１４を用いて、電気化学セルスタック１のセル１０の電圧時間特性を用いてセル劣化度を算出する方法について説明する。

【0081】

この場合、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３特性データに基づいて第３対象電圧値を算出し、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第４特性データに基づいて第４対象電圧値が算出される。第３対象電圧値および第４対象電圧値に基づいて、セル劣化度が算出される。以下に、第３特性データおよび第４特性データに基づいて、セル劣化度を算出する方法について説明する。

【0082】

各セル１０に印加される電圧値を測定するために、上述した測定ピン７０（図１２参照）および測定装置７２などが用いられてもよい。

【0083】

第３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。

【0084】

第３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１４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３特性データが得られる。すなわち、第３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。図示しないデータベースに格納された各第３特性データには、識別情報が割り当てられており、各第３特性データは、識別情報と関連付けられている。第３特性データを得るための測定は、図４に示すａ社からＡ社に引き取られた後に、Ａ社によって行われてもよい。

【0085】

第４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。

【0086】

第４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３特性データを作成後に行われてもよく、第３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１４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３特性データが得られる。すなわち、第３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。図示しないデータベースに格納された各第４特性データには、識別情報が割り当てられており、各第４特性データは、識別情報と関連付けられている。第４特性データを得るための測定は、図４に示すａ社からＡ社に引き取られた後に、Ａ社によって行われてもよい。

【0087】

上述の第３特性データに基づいて第３対象電圧値Ｖ３（図１４参照）が算出される。

【0088】

図１４に実線で示すように、第３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１４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４ｔ_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。

【0089】

二酸化炭素電解停止後の電圧時間特性は、図１４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３対象電圧値Ｖ３は、第３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３特性データを構成する時間と電圧値で図１４に示すような第３特性曲線が算出されて、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３対象電圧値としてもよい。第３特性曲線の例が、図１４に実線で示されている。

【0090】

上述の第４特性データに基づいて第４対象電圧値Ｖ４（図１４参照）が算出される。

【0091】

図１４に破線で示すように、第４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１４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。

【0092】

水電解停止後の電圧時間特性は、図１４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４対象電圧値は、第４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４特性データを構成する時間と電圧値で図１４に示すような第４特性曲線が算出されて、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４対象電圧値としてもよい。第４特性曲線の例が、図１４に破線で示されている。

【0093】

第３対象電圧値および第４対象電圧値に基づいてセル劣化度が算出される。例えば、第３対象電圧値から第４対象電圧値を引いた差分を第３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てもよい。すなわち、第３対象電圧値をＶ３、第４対象電圧値をＶ４とすると、以下の式（１）に従って、セル劣化度α_２が算出されてもよい。

【数4】

【0094】

このようにして、電気化学セルスタック１のセル１０の電圧時間特性を用いて、複数のセル１０についてセル劣化度α_２を算出することができる。

【0095】

このように算出されたセル劣化度α_１、α_２は、第１データベース４１に格納される。

【0096】

例えば、各セル１０についての上述したセル劣化度α_１が、識別情報と関連付けられて第１データベース４１に格納されてもよく、この場合、上述したセル劣化度α_２は格納されていなくてもよい。あるいは、各セル１０についての上述したセル劣化度α_２が、識別情報と関連付けられて第１データベース４１に格納されてもよく、この場合、上述したセル劣化度α_１は格納されていなくてもよい。

【0097】

あるいは、各セル１０についての上述したセル劣化度α_１およびα_２に基づいて算出されたセル劣化度が第１データベース４１に格納されていなくてもよい。例えば、以下の式に示すように算出された数値をセル劣化度として第１データベース４１に格納してもよい。
セル劣化度α_１×膜劣化寄与率＋セル劣化度α_２×触媒劣化寄与率
セル劣化度α_１は、主として膜劣化を起因としたセル劣化度を示しており、セル劣化度α_２は、主として触媒劣化を起因としたセル劣化度を示している。このため、膜劣化寄与率および触媒劣化寄与率を、ユーザ仕様に応じて調整することにより、ユーザの要望に応じたセル劣化度を算出することができる。例えば、膜劣化寄与率および触媒劣化寄与率をいずれも０．５としてもよい。しかしながら、膜劣化寄与率を触媒劣化寄与率よりも大きくしてもよく、または小さくしてもよい。

【0098】

次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１の設計方法について図１５を用いて説明する。

【0099】

まず、ステップＳ１として、劣化度取得部６１が、使用済みのセル１０のセル劣化度を、識別情報とともに第１データベース４１から取得する。例えば、図９に示すように、１０個の使用済みのセル１０のセル劣化度が取得される。１０個の使用済みのセル１０の識別情報を示すＩＤコードは、ＩＤ００１～ＩＤ０１０になっている。

【0100】

ステップＳ１の後、ステップＳ２として、ランク割当部６２が、第１データベース４１から取得した使用済みのセル１０に劣化度ランクを割り当てる。例えば、図８に示す劣化度ランクが図９に示すように使用済みのセル１０に割り当てられる。

【0101】

ステップＳ３として、仕様取得部６３が、電気化学セルスタック１の仕様セル枚数と仕様寿命を第２データベース４２から取得する。例えば、図９に示す例では、仕様取得部６３が、セル枚数が５枚であるとともに仕様寿命が５年であるという仕様情報を取得する。ステップＳ３は、ステップＳ１およびステップＳ２の後に行われてもよい。しかしながら、ステップＳ３は、ステップＳ１またはステップＳ２の前に行われてもよく、ステップＳ１またはステップＳ２と同時に行われてもよい。

【0102】

ステップＳ３の後、ステップＳ４として、仕様算出部６４が、電気化学セルスタック１の仕様スタック劣化度を算出する。図９に示す例では、仕様寿命が５年である場合に、仕様スタック劣化度は１０％であると算出されている。

【0103】

ステップＳ２およびステップＳ４の後、ステップＳ５として、選定算出部６５は、電気化学セルスタック１に用いる使用済みのセル１０を選定するとともに、電気化学セルスタック１の寿命を算出する。選定算出部６５は、上述したみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う。図９に示す例では、仕様スタック劣化度を満たすような５つの使用済み電気化学セルスタック１として、ＩＤ００１、ＩＤ００３、ＩＤ００４、ＩＤ００７およびＩＤ００９が選定される。この場合、各使用済み電気化学セルスタック１のセル劣化度の合計値であるスタック劣化度は「１０％」となり、５年という寿命が算出される。

【0104】

ステップＳ５の後、ステップＳ６として、位置決定部６６は、使用済みのセル１０の積層位置を決定する。位置決定部６６は、上述したみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う。セル劣化度が高い使用済みのセル１０が、電気化学セルスタック１の積層方向Ｄにおける中央側に配置されるように、各使用済みのセル１０の積層位置が決定される。図９に示す例では、積層方向Ｄにおける中央に、ランクＣの使用済みのセル１０が配置される。ランクＡの使用済みのセル１０が最上位置および最下位置に配置される。

【0105】

ステップＳ７として、価格算出部６７は、電気化学セルスタック１の価格を算出する。電気化学セルスタック１の価格は、例えば、図１０に示す使用済みのセル１０の価格低下率に基づいて算出される。価格算出部６７は、上述したみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う。ステップＳ７は、ステップＳ６の後に行われてもよい。しかしながら、ステップＳ７は、ステップＳ５の後であってステップＳ６の前に行われてもよく、ステップＳ６と同時に行われてもよい。

【0106】

ステップＳ７の後、ステップＳ８として、表示情報作成部６８は、使用済みのセル１０の識別情報と、電気化学セルスタック１の寿命および価格と、を含む表示情報を作成する。表示情報作成部６８により作成された表示情報は、例えば、図１１に示す例のような情報であってもよい。作成された表示情報は、表示部５２で表示される。

【0107】

このようにして、本実施の形態による電気化学セルスタック１の設計方法が完了する。

【0108】

表示部５２による表示に基づいて、電気化学セルスタック１の組立作業者は、該当する識別情報を示す識別記号１４（図２参照）が付された使用済みのセル１０を保管場所から取り出してもよい。そして、組立作業者は、表示部５２に表示された使用済みのセル１０の積層位置に従って、電気化学セルスタック１を組み立ててもよい。

【0109】

このように本実施の形態によれば、使用済みのセル１０のセル劣化度が識別情報とともに第１データベース４１から取得されるとともに、電気化学セルスタック１の仕様寿命が取得される。電気化学セルスタック１の仕様セル枚数とセル劣化度とに基づいて、電気化学セルスタック１の寿命が仕様寿命を満足するように電気化学セルスタック１に用いる使用済みのセル１０が選定されるとともに、選定された使用済みのセル１０のセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタック１の寿命が算出される。このことにより、ユーザの仕様寿命を満たすように、使用済みのセル１０のセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタックに用いる使用済みのセル１０を選定することができる。このため、使用済みのセル１０を再利用して低コスト化を図ることができる。

【0110】

また、本実施の形態によれば、選定算出部６５において複数の使用済みのセル１０が選定された場合、使用済みのセル１０の積層位置が決定される。このことにより、セル劣化度に応じて使用済みのセル１０を適切な位置に配置することができる。このため、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の寿命を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。また、使用済みのセル１０を有効利用することができる。

【0111】

また、本実施の形態によれば、第１の使用済みのセル１０ａと、第１の使用済みのセル１０ａのセル劣化度よりも高いセル劣化度を有する第２の使用済みのセル１０ｂとが選定された場合、第２の使用済みのセル１０ｂが、第１の使用済みのセル１０ａよりも電気化学セルスタック１の積層方向Ｄにおける中央側に配置される。このことにより、セル劣化度が高い使用済みのセル１０を、積層方向Ｄにおける中央側に配置することができる。このため、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の寿命を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。

【0112】

また、本実施の形態によれば、選定算出部６５において選定された使用済みのセル１０のセル劣化度に基づいて、電気化学セルスタック１の価格が算出される。このことにより、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の設計を行いながら、電気化学セルスタック１の価格をタイムリーに知ることができる。このため、電気化学セルスタック１の設計の利便性を向上させることができる。

【0113】

また、本実施の形態によれば、使用済みのセル１０に、セル劣化度に基づいて劣化度ランクが割り当てられ、選定算出部６５は、劣化度ランクが有するセル劣化度の範囲における最大値をセル劣化度とみなす。このことにより、選定算出部６５による使用済みのセル１０の選定処理を簡素化することができる。

【0114】

また、本実施の形態によれば、セル劣化度が所定値よりも高い使用済みのセル１０が選定対象から除外される。このことにより、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の寿命を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。

【0115】

なお、上述した本実施の形態においては、選定算出部６５は、電気化学セルスタック１を構成する全てのセル１０に、使用済みのセル１０を割り当て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、選定算出部６５は、電気化学セルスタック１を構成する一部のセル１０に、新品のセル１０を割り当ててもよい。この場合、使用済みのセル１０を用いた電気化学セルスタック１の寿命を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。

【0116】

また、上述した本実施の形態においては、選定算出部６５が、劣化度ランクに対応するセル劣化度の範囲の最大値であるみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う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、選定算出部６５は、第１データベース４１から取得した各使用済みのセル１０のセル劣化度を用いて、使用済みのセル１０の選定を行うとともに電気化学セルスタックの寿命を算出してもよい。

【0117】

また、上述した本実施の形態においては、位置決定部６６が、劣化度ランクに対応するセル劣化度の範囲の最大値であるみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う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、位置決定部６６は、第１データベース４１から取得した各使用済みのセル１０のセル劣化度を用いて、使用済みのセル１０の積層位置を決定してもよい。

【0118】

また、上述した本実施の形態においては、価格算出部６７が、劣化度ランクに対応するセル劣化度の範囲の最大値であるみなしセル劣化度を、使用済みのセル１０のセル劣化度とみなして処理を行う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、価格算出部６７は、第１データベース４１から取得した各使用済みのセル１０のセル劣化度を用いて、電気化学セルスタック１の価格を算出してもよい。

【0119】

また、上述した本実施の形態においては、演算部６０がランク割当部６２を含んで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、演算部６０は、ランク割当部６２を含んでいなくてもよい。この場合、使用済みのセル１０が、劣化度ランクを割り当てられることなく、設計が行われてもよい。また、演算部６０がランク割当部６２を含んでいない場合、第１データベース４１に格納されている使用済みのセル１０がすでに劣化度ランクが割り当てられていてもよい。この場合、設計装置５０による各種処理で、みなしセル劣化度が、セル劣化度と見なされて処理が行われる。

【0120】

また、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。

【0121】

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。

【0122】

また、上述した本実施の形態においては、仕様算出部６４が、仕様寿命に基づいて、電気化学セルスタック１の仕様スタック劣化度を算出し、選定算出部６５が、仕様スタック劣化度に基づいて使用済みのセル１０を選定す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、選定算出部６５が、仕様スタック劣化度を用いることなく、電気化学セルスタック１の寿命が仕様寿命を満足するように使用済みのセル１０を選定してもよい。

【0123】

また、上述した本実施の形態においては、仕様取得部６３が、電気化学セルスタック１の仕様寿命とともに仕様セル枚数を取得す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、仕様セル枚数がユーザ仕様によらずに固定値である場合、仕様取得部６３は、仕様寿命を取得することなく、仕様セル枚数を取得してもよい。選定算出部６５は、固定値である仕様セル枚数に基づいて、使用済みのセル１０を選定してもよい。

【0124】

以上述べた実施の形態によれば、使用済みのセル１０を再利用して低コスト化を図ることができる。

【0125】

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】

【0126】

１：電気化学セルスタック、１０：セル、１４：識別記号、４０：設計システム、４１：第１データベース、４２：第２データベース、５０：設計装置、６１：劣化度取得部、６２：ランク割当部、６３：仕様取得部、６４：仕様算出部、６５：選定算出部、６６：位置決定部、６７：価格算出部、６８：表示情報作成部

【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】

【図15】