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特開2024-141117電解セルの試験装置、電解セルの試験装置の使用方法、電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法
(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】P2024141117
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】電解セルの試験装置、電解セルの試験装置の使用方法、電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法
(51)【国際特許分類】
C25B 15/00 20060101AFI20241003BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20241003BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
C25B15/00 302Z
C25B1/042
C25B9/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023052590
(22)【出願日】2023-03-29
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素利用等先導研究開発事業／水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発／高温水蒸気電解技術の研究開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(72)【発明者】
【氏名】嘉藤 徹
(72)【発明者】
【氏名】中野 清隆
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC09
4K021CA15
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】電解セルの運転中でもセンサ校正が簡便に行え、電解性能を正確に測定、評価できる、電解セルの試験装置とその使用方法、電解セルの評価方法を提供することである。
【解決手段】
電解セル１に、負極側原料ガスラインと、負極側生成ガスの測定器のガスラインと、正極側搬送ガスラインと、正極側生成ガスの測定器のガスラインとを設け、さらに、各測定器の校正用のガスラインを設け、負極を介する流路と負極を介さない流路、正極を介する流路と正極を介さない流路とに切り替える切替バルブ６５、６７、６９により、負極側測定器ガスラインと正極側測定器ガスラインの測定器により生成ガス成分を測定する機能と、負極側測定器ガスラインと正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により負極側校正用ガスと正極側校正用ガスの成分を測定し、測定値と校正用ガス供給量から、ガス測定器を校正する機能とを備えた電解セルの試験装置１０である。
【選択図】図５
【解決手段】
電解セル１に、負極側原料ガスラインと、負極側生成ガスの測定器のガスラインと、正極側搬送ガスラインと、正極側生成ガスの測定器のガスラインとを設け、さらに、各測定器の校正用のガスラインを設け、負極を介する流路と負極を介さない流路、正極を介する流路と正極を介さない流路とに切り替える切替バルブ６５、６７、６９により、負極側測定器ガスラインと正極側測定器ガスラインの測定器により生成ガス成分を測定する機能と、負極側測定器ガスラインと正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により負極側校正用ガスと正極側校正用ガスの成分を測定し、測定値と校正用ガス供給量から、ガス測定器を校正する機能とを備えた電解セルの試験装置１０である。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質と、前記電解質の両側に設けられ、負極と正極から構成される一対の電極とを備えた電解セルの試験装置であって、
原料ガスを負極に供給する原料ガスラインと、
生成ガスの搬送ガスを正極に供給する搬送ガスラインと、
負極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた負極側測定器ガスラインと、
正極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた正極側測定器ガスラインと、
前記負極側に設けられ、前記負極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する負極側校正用ガスラインと、
前記正極側に設けられ、前記正極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する正極側校正用ガスラインと、
負極側ガスを外部に排出する負極側排出ガスラインと、
正極側ガスを外部に排出する正極側排出ガスラインと、
前記原料ガスラインと前記負極側校正用ガスラインとを、負極を介する流路と負極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記負極を介する流路と負極を介さない流路とを、前記負極側測定器ガスラインと前記負極側排出ガスラインとに切り替えて接続させる負極側流路切替器と、
前記搬送ガスラインと前記正極側校正用ガスラインとを、正極を介する流路と正極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記正極を介する流路と正極を介さない流路とを、前記正極側測定器ガスラインと正極側排出ガスラインとに切り替えて接続させる正極側流路切替器と
を備え、
前記負極側流路切替器と正極側流路切替器の切り替えにより、
原料ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介して接続し、搬送ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介して接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する測定機能と、
負極側校正用ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介さずに接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正する校正機能と
を備えたことを特徴とする電解セルの試験装置。
原料ガスを負極に供給する原料ガスラインと、
生成ガスの搬送ガスを正極に供給する搬送ガスラインと、
負極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた負極側測定器ガスラインと、
正極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた正極側測定器ガスラインと、
前記負極側に設けられ、前記負極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する負極側校正用ガスラインと、
前記正極側に設けられ、前記正極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する正極側校正用ガスラインと、
負極側ガスを外部に排出する負極側排出ガスラインと、
正極側ガスを外部に排出する正極側排出ガスラインと、
前記原料ガスラインと前記負極側校正用ガスラインとを、負極を介する流路と負極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記負極を介する流路と負極を介さない流路とを、前記負極側測定器ガスラインと前記負極側排出ガスラインとに切り替えて接続させる負極側流路切替器と、
前記搬送ガスラインと前記正極側校正用ガスラインとを、正極を介する流路と正極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記正極を介する流路と正極を介さない流路とを、前記正極側測定器ガスラインと正極側排出ガスラインとに切り替えて接続させる正極側流路切替器と
を備え、
前記負極側流路切替器と正極側流路切替器の切り替えにより、
原料ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介して接続し、搬送ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介して接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する測定機能と、
負極側校正用ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介さずに接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正する校正機能と
を備えたことを特徴とする電解セルの試験装置。
【請求項2】
前記負極側校正用ガスを前記原料ガスと同じ組成とし、前記正極側校正用ガスを前記搬送ガスと同じ組成とし、
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
負極側校正用ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介して接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介して接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する校正用ガス測定機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
負極側校正用ガスラインと負極側測定器ガスラインとが負極を介して接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスラインとが正極を介して接続し、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する校正用ガス測定機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
【請求項3】
負極側校正用ガスラインに負極側校正用ガスの流量制御器を設け、正極側校正用ガスラインに正極側校正用ガスの流量制御器を設け、
負極側排出ガスラインと正極側排出ガスラインとに、校正用の流量計をそれぞれ設け、
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
負極側校正用ガスラインと負極側排出ガスラインとが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側排出ガスラインとが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
負極側排出ガスラインと正極側排出ガスラインとに、校正用の流量計をそれぞれ設け、
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
負極側校正用ガスラインと負極側排出ガスラインとが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側排出ガスラインとが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
【請求項4】
原料ガスラインに原料ガスの流量制御器を設け、搬送ガスラインに搬送ガスの流量制御器を設け、
負極側排出ガスラインと正極側排出ガスラインとに、校正用の流量計をそれぞれ設け、
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
原料ガスラインと負極側排出ガスラインとが負極を介さずに接続し、搬送ガスラインと正極側排出ガスラインとが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
負極側排出ガスラインと正極側排出ガスラインとに、校正用の流量計をそれぞれ設け、
前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、
原料ガスラインと負極側排出ガスラインとが負極を介さずに接続し、搬送ガスラインと正極側排出ガスラインとが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電解セルの試験装置。
【請求項5】
前記請求項１、請求項３－４のいずれか１項に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスラインから原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給して、前記測定機能により、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法。
【請求項6】
前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスラインから負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給して、前記校正機能により、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法。
【請求項7】
請求項２に記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスラインから前記原料ガスと同じ組成の負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから前記搬送ガスと同じ組成の正極側校正用ガスを供給し、前記校正用ガス測定機能により、負極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスラインの生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法。
【請求項8】
請求項３に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、負極側校正用ガスラインから負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法。
【請求項9】
請求項４に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、原料ガスラインから原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法。
【請求項10】
前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、
前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、
前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、
前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、
前記負極に供給した水蒸気量から電解反応した水蒸気量を引いた理論水蒸気流量に比べて前記第１流量計および前記湿度計の測定値から求められる、負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が多い場合は、
負極から正極へリークする水蒸気量をゼロとし、前記第２流量計の測定値、酸素濃度計の測定値、露点計の測定値を用いて正極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量を求めて、当該水蒸気量を負極から正極へリークした水素量とし、さらに、前記湿度計の測定値、前記第１流量計の測定値を用いて負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量を求め、当該水蒸気量と供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量から、正極から負極へリークした酸素量を求める一方、
前記理論水蒸気流量に比べて前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が少ないか同量の場合は、
正極から負極へリークする酸素量をゼロとし、供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量と前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量から、負極から正極へリークした水蒸気量を求め、前記正極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量と前記負極から正極へリークした水蒸気量から、負極から正極へリークした水素量を求めることで、
電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法。
前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、
前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、
前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、
前記負極に供給した水蒸気量から電解反応した水蒸気量を引いた理論水蒸気流量に比べて前記第１流量計および前記湿度計の測定値から求められる、負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が多い場合は、
負極から正極へリークする水蒸気量をゼロとし、前記第２流量計の測定値、酸素濃度計の測定値、露点計の測定値を用いて正極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量を求めて、当該水蒸気量を負極から正極へリークした水素量とし、さらに、前記湿度計の測定値、前記第１流量計の測定値を用いて負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量を求め、当該水蒸気量と供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量から、正極から負極へリークした酸素量を求める一方、
前記理論水蒸気流量に比べて前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が少ないか同量の場合は、
正極から負極へリークする酸素量をゼロとし、供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量と前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量から、負極から正極へリークした水蒸気量を求め、前記正極側測定器ガスラインを流れる水蒸気量と前記負極から正極へリークした水蒸気量から、負極から正極へリークした水素量を求めることで、
電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法。
【請求項11】
前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、
前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計と、窒素量と水素量とを測定する窒素水素測定装置とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、
前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、
前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、
前記原料ガスと搬送ガスの組成と、
前記第１流量計、湿度計、窒素水素測定装置、第２流量計、露点計、酸素濃度計から測定される測定値を用いて算出されるガス組成と
のマテリアルバランスから、
電解セル外部にリークした窒素、酸素、水素、水蒸気の流量を求めることで、
電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法。
前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計と、窒素量と水素量とを測定する窒素水素測定装置とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスラインを流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、
前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、
前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、
前記原料ガスと搬送ガスの組成と、
前記第１流量計、湿度計、窒素水素測定装置、第２流量計、露点計、酸素濃度計から測定される測定値を用いて算出されるガス組成と
のマテリアルバランスから、
電解セル外部にリークした窒素、酸素、水素、水蒸気の流量を求めることで、
電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水蒸気電解や共電解により水素や一酸化炭素等を製造する固体酸化物形などの電解セルの分野において、当該電解セルの生成ガスを正確に測定でき、セルの性能を正しく評価可能な電解セルの試験装置、電解セルの試験装置の使用方法、電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気分解技術によって、原料を電気分解して有用なガスを生成し、生成したガスを利用することが行われている。その一例として、水素社会の実現に向け、水を電気分解（電解）して水素を合成する技術の開発が進められている。例えば、水蒸気電解セルは７００－１０００℃で蒸気を電気分解し水素を発生させることができるため、再生可能エネルギー等からの高効率水素技術として世界中で精力的に研究が進められている。また、水蒸気電解セルは、水と二酸化炭素とを同時に電気分解して（共電解という。）水素と一酸化炭素と酸素に変換する技術としても利用されており、それらから触媒反応によってメタンを合成するメタレーション技術としても注目されている。このように、水素製造や燃料合成技術として水蒸気電解セルが利用されているが、水素等の正確な流量を把握するために、適宜分析計や流量計などのセンサ校正が必要である。そして、水蒸気電解セルの開発に当たっては、開発されたセルの性能評価と開発を繰り返し、性能を向上させることが望ましい。したがって、水蒸気電解セルの電解性能を正確に測定、評価することが重要である。
【0003】
水蒸気電解セルの電解性能を測定、評価する方法として、例えば、特許文献１には、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）のセルスタックのガスリークを検出するシステムが開示されている。このシステムでは、水蒸気電解により水素と酸素を生成させるセルスタックにおいて、セルスタックを収容する筐体の出口ダクトに存在する酸素含量と筐体の入口ダクト中の既定の酸素含量とを測定し、両酸素含量が異なる場合に、装置のリークを診断する分析ユニットを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２０１８－５１５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載のシステムにおいては、筐体の出口ダクトと入り口ダクトの酸素含量を測定することで、酸素のリーク流量は測定できるが、他の生成ガスについては評価ができない。したがって、ＳＯＥＣの電解性能を正確に測定、評価できるものとはいえない。また、特許文献１には分析計や流量計などのセンサ校正については記載されておらず、校正する場合は、システム全体を止めて分析計や流量計等をシステムから取り外して行う必要がある。ＳＯＥＣ等の性能評価では、単セル、小規模スタックレベルの規模の被試験体に原料ガスを正確な流量で安定に供給するとともに、ＳＯＥＣの生成ガスの成分と流量を正確に測定しＳＯＥＣの性能（例えば、水素生成能力、ガスリーク流量など）を評価することが重要である。ＳＯＥＣ等の性能評価のための試験装置に取り付けた流量制御器、組成、流量等の測定器をＳＯＥＣ等の運転中（電解反応時）に校正することは困難である。また、ＳＯＥＣ等の性能の長期間にわたる評価では、各種制御器、測定器等が不具合を起こす場合もあるが、このような場合はＳＯＥＣ等の装置の運転を中断しなければならない。
【0006】
本発明の課題は、このような問題を解決することであり、電解セルの運転中においてもセンサ校正が簡便に行え、ＳＯＥＣの電解性能を正確に測定、評価できる、電解セルの試験装置、電解セルの試験装置の使用方法、電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
通常、ＳＯＥＣ等の電解セルの性能評価では正負極出口で正負極の生成ガス中の水分を除去した後に、流量及び組成を測定している。この場合、水素生成量は計算できるが、セル負極からの水素ガス（Ｈ２）のリーク流量、正極から負極への酸素（Ｏ２）の漏れ込みによるＨ２の消費量などを把握することは困難だった。水蒸気電解では、ＳＯＥＣ等への供給ガス、生成ガス中には水分が含まれるため、水素生成能力、ガスリーク流量などを測定するためには、蒸気が凝縮しない状態で流量や成分を測定することが好ましいが、このような測定条件では各種センサの測定値にドリフト、変動が発生しやすいこと、また実際の測定条件と同じ条件下でセンサを校正することが難しいこと、などから生成ガスの成分や流量を精度よく測定することは難しい。しかしながら、ＳＯＥＣ等の測定用の原料ガス等の供給流路とは別にセンサの校正用の流路を設けることで、実際の測定条件と同じ条件下でセンサを校正することが可能となる。また、流路の切り替えにより運転と校正を同時に行うことができる。具体的には、以下の構成を有する。
【0008】
（１）電解質と、前記電解質の両側に設けられ、負極と正極から構成される一対の電極とを備えた電解セルの試験装置であって、原料ガスを負極に供給する原料ガスライン（Ｌ１）と、生成ガスの搬送ガスを正極に供給する搬送ガスラインと、負極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた負極側測定器ガスライン（Ｌ４）と、正極側で生成する生成ガスを含むガス成分を測定する生成ガス測定器を備えた正極側測定器ガスライン（Ｌ７）と、前記負極側に設けられ、前記負極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と、前記正極側に設けられ、前記正極側の生成ガス測定器の校正用ガスを供給する正極側校正用ガスラインと、負極側ガスを外部に排出する負極側排出ガスライン（Ｌ１０）と、正極側ガスを外部に排出する正極側排出ガスライン（Ｌ１３）と、前記原料ガスライン（Ｌ１）と前記負極側校正用ガスライン（Ｌ８）とを、負極を介する流路と負極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記負極を介する流路と負極を介さない流路とを、前記負極側測定器ガスライン（Ｌ４）と前記負極側排出ガスライン（Ｌ１０）とに切り替えて接続させる負極側流路切替器（６５、６７）と、前記搬送ガスラインと前記正極側校正用ガスラインとを、正極を介する流路と正極を介さない流路とに切り替えるとともに、前記正極を介する流路と正極を介さない流路とを、前記正極側測定器ガスライン（Ｌ７）と正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とに切り替えて接続させる正極側流路切替器（６９、７１、７３、７４、または、６９、７４、８７）とを備え、前記負極側流路切替器と正極側流路切替器の切り替えにより、原料ガスライン（Ｌ１）と負極側測定器ガスライン（Ｌ４）とが負極を介して接続し、搬送ガスラインと正極側測定器ガスライン（Ｌ７）とが正極を介して接続し、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する測定機能と、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と負極側測定器ガスライン（Ｌ４）とが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスライン（Ｌ７）とが正極を介さずに接続し、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正する校正機能とを備えたことを特徴とする電解セルの試験装置である。
（２）前記負極側校正用ガスを前記原料ガスと同じ組成とし、前記正極側校正用ガスを前記搬送ガスと同じ組成とし、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と負極側測定器ガスライン（Ｌ４）とが負極を介して接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスライン（Ｌ７）とが正極を介して接続し、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する校正用ガス測定機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（３）負極側校正用ガスライン（Ｌ８）に負極側校正用ガスの流量制御器を設け、正極側校正用ガスラインに正極側校正用ガスの流量制御器を設け、負極側排出ガスライン（Ｌ１０）と正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とに、校正用の流量計（８１、８３）をそれぞれ設け、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と負極側排出ガスライン（Ｌ１０）とが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（４）原料ガスライン（Ｌ１）に原料ガスの流量制御器を設け、搬送ガスラインに搬送ガスの流量制御器を設け、負極側排出ガスライン（Ｌ１０）と正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とに、校正用の流量計（８１、８３）をそれぞれ設け、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、原料ガスライン（Ｌ１）と負極側排出ガスライン（Ｌ１０）とが負極を介さずに接続し、搬送ガスラインと正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（５）前記（１）、（３）－（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスライン（Ｌ１）から原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給して、前記測定機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（６）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給して、前記校正機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（７）前記（２）に記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から前記原料ガスと同じ組成の負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから前記搬送ガスと同じ組成の正極側校正用ガスを供給し、前記校正用ガス測定機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（８）前記（３）に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（９）前記（４）に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、原料ガスライン（Ｌ１）から原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（１０）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、前記負極に供給した水蒸気量から電解反応した水蒸気量を引いた理論水蒸気流量に比べて前記第１流量計および前記湿度計の測定値から求められる、負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が多い場合は、負極から正極へリークする水蒸気量をゼロとし、前記第２流量計の測定値、酸素濃度計の測定値、露点計の測定値を用いて正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れる水蒸気量を求めて、当該水蒸気量を負極から正極へリークした水素量とし、さらに、前記湿度計の測定値、前記第１流量計の測定値を用いて負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れる水蒸気量を求め、当該水蒸気量と供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量から、正極から負極へリークした酸素量を求める一方、前記理論水蒸気流量に比べて前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が少ないか同量の場合は、正極から負極へリークする酸素量をゼロとし、供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量と前記負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れる水蒸気量から、負極から正極へリークした水蒸気量を求め、前記正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れる水蒸気量と前記負極から正極へリークした水蒸気量から、負極から正極へリークした水素量を求めることで、電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法である。
（１１）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計と、窒素量と水素量とを測定する窒素水素測定装置とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、前記原料ガスと搬送ガスの組成と、前記第１流量計、湿度計、窒素水素測定装置、第２流量計、露点計、酸素濃度計から測定される測定値を用いて算出されるガス組成とのマテリアルバランスから、電解セル外部にリークした窒素、酸素、水素、水蒸気の流量を求めることで、電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法である。
（２）前記負極側校正用ガスを前記原料ガスと同じ組成とし、前記正極側校正用ガスを前記搬送ガスと同じ組成とし、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と負極側測定器ガスライン（Ｌ４）とが負極を介して接続し、正極側校正用ガスラインと正極側測定器ガスライン（Ｌ７）とが正極を介して接続し、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定する校正用ガス測定機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（３）負極側校正用ガスライン（Ｌ８）に負極側校正用ガスの流量制御器を設け、正極側校正用ガスラインに正極側校正用ガスの流量制御器を設け、負極側排出ガスライン（Ｌ１０）と正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とに、校正用の流量計（８１、８３）をそれぞれ設け、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）と負極側排出ガスライン（Ｌ１０）とが負極を介さずに接続し、正極側校正用ガスラインと正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（４）原料ガスライン（Ｌ１）に原料ガスの流量制御器を設け、搬送ガスラインに搬送ガスの流量制御器を設け、負極側排出ガスライン（Ｌ１０）と正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とに、校正用の流量計（８１、８３）をそれぞれ設け、前記負極側流路切替器、正極側流路切替器の切り替えにより、原料ガスライン（Ｌ１）と負極側排出ガスライン（Ｌ１０）とが負極を介さずに接続し、搬送ガスラインと正極側排出ガスライン（Ｌ１３）とが正極を介さずに接続し、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器をそれぞれ校正する流量制御器校正機能を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の電解セルの試験装置である。
（５）前記（１）、（３）－（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスライン（Ｌ１）から原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給して、前記測定機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（６）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給して、前記校正機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により負極側校正用ガスの成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により正極側校正用ガスの成分を測定し、得られた測定値と校正用ガスの供給量とを比較することで、前記生成ガス測定器を校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（７）前記（２）に記載の電解セルの試験装置を用いて、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から前記原料ガスと同じ組成の負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから前記搬送ガスと同じ組成の正極側校正用ガスを供給し、前記校正用ガス測定機能により、負極側測定器ガスライン（Ｌ４）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定するとともに、正極側測定器ガスライン（Ｌ７）の生成ガス測定器により前記ガス成分を測定することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（８）前記（３）に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、負極側校正用ガスライン（Ｌ８）から負極側校正用ガスを供給するとともに、正極側校正用ガスラインから正極側校正用ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、負極側校正用ガスの流量制御器と正極側校正用ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（９）前記（４）に記載の電解セルの試験装置を用いて、原料ガスの電解前に、原料ガスライン（Ｌ１）から原料ガスを供給するとともに、搬送ガスラインから搬送ガスを供給し、前記流量制御器校正機能によって、前記校正用の流量計により、原料ガスの流量制御器と搬送ガスの流量制御器とをそれぞれ校正することを特徴とする電解セルの試験装置の使用方法である。
（１０）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、前記負極に供給した水蒸気量から電解反応した水蒸気量を引いた理論水蒸気流量に比べて前記第１流量計および前記湿度計の測定値から求められる、負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が多い場合は、負極から正極へリークする水蒸気量をゼロとし、前記第２流量計の測定値、酸素濃度計の測定値、露点計の測定値を用いて正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れる水蒸気量を求めて、当該水蒸気量を負極から正極へリークした水素量とし、さらに、前記湿度計の測定値、前記第１流量計の測定値を用いて負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れる水蒸気量を求め、当該水蒸気量と供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量から、正極から負極へリークした酸素量を求める一方、前記理論水蒸気流量に比べて前記負極側測定器ガスラインを流れる水蒸気流量が少ないか同量の場合は、正極から負極へリークする酸素量をゼロとし、供給した水蒸気量と電解反応した水蒸気量と前記負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れる水蒸気量から、負極から正極へリークした水蒸気量を求め、前記正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れる水蒸気量と前記負極から正極へリークした水蒸気量から、負極から正極へリークした水素量を求めることで、電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法である。
（１１）前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法であって、前記原料ガスは水蒸気であって、搬送ガスは空気であって、前記負極側の生成ガス測定器は負極側測定器ガスライン（Ｌ４）を流れるガスの全流量を測定する第１流量計と、湿度計と、窒素量と水素量とを測定する窒素水素測定装置とを含み、前記正極側の生成ガス測定器は正極側測定器ガスライン（Ｌ７）を流れるガスの全流量を測定する第２流量計と露点計と酸素濃度計とを含み、前記第１流量計、第２流量計および湿度計は水蒸気が凝縮しない温度で保持されており、前記測定機能または校正用ガス測定機能により前記ガス成分を測定し、前記原料ガスと搬送ガスの組成と、前記第１流量計、湿度計、窒素水素測定装置、第２流量計、露点計、酸素濃度計から測定される測定値を用いて算出されるガス組成とのマテリアルバランスから、電解セル外部にリークした窒素、酸素、水素、水蒸気の流量を求めることで、電解セルを評価することを特徴とする電解セルの評価方法である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、電解セルの運転中においてもセンサ校正が簡便に行え、ＳＯＥＣの電解性能を正確に測定、評価できる、電解セルの試験装置、電解セルの試験装置の使用方法、電解セルの試験装置を用いた電解セルの評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】固体酸化物形電解セルの構成図（模式図）である。
【図2】本発明の実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である（事前校正モード１）。
【図3】本発明の実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である（事前校正モード２）。
【図4】本発明の実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である（測定モード１）。
【図5】本発明の実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である（センサ校正モード）。
【図6】本発明の実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である（測定モード２）。
【図7】本発明の別実施形態に係る固体酸化物形電解セルの試験装置のガスライン系統図である。
【図8】固体酸化物形電解セルの試験装置の全体写真である。
【図9】校正用ガスの流量制御器の校正結果である。（実施例１）
【図10】センサ類（酸素濃度計、湿度計、露点計）の校正結果である。（実施例２）
【図11】センサ類（流量計）の校正結果である。（実施例２）
【図13】正負電極入口と出口でのＨ、Ｏ、Ｎのマテリアルバランスを示した図である。（実施例３）
【図14】正極から負極へのリークＯ２流量、負極から正極へのリークＨ２流量を求めた結果を示した図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下において、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0012】
（実施形態１）
図１には、水を電気分解して水素を合成する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）のガスライン系統図を示す。なお、本実施形態では、水蒸気電解により水素を生成する固体酸化物形電解セルを例として示しているが、これに限らず二酸化炭素と水蒸気の混合ガスから一酸化炭素、水素の混合ガスを生成する電解セルなども含まれる。
ＳＯＥＣ１は、電解質１１と、電解質１１の両側に設けられた一対の電極（正極１２、負極１３）を備えている。図１に示すＳＯＥＣ１は、電解質１１が一対の電極１２、１３で挟まれた単セルとなっているが、複数のセルが積層されたスタック構造としてもよく、電解セルにはセルスタックも含まれる。電解質１１は、酸化物イオン伝導性を有する固体材料であり、例えばジルコニア系酸化物であるイットリア安定化ジルコニア（YSZ）を用いることができる。電極１２、１３は、それぞれ、ストロンチウムとコバルトをドープしたランタンフェライト（La1-XSrXCo1-yFey03）、ニッケルなどの金属触媒とセラミックスを混合して焼成したサーメットから構成されている。ＳＯＥＣ１には、外部電源２により電力が供給され、電力は電力計３により測定される。水蒸気（Ｈ２Ｏ）は、所定の流量でＳＯＥＣ１の負極１３に導入される。ＳＯＥＣ１に供給された水蒸気はＳＯＥＣ１中での電解反応により水素（Ｈ２）と酸化物イオン（Ｏ２－）に分解される。生成したＯ２－は、電解質１１を伝導して正極１２側に移動する。正極１２では、電子とＯ２－が結合して酸素が生成される。なお、本明細書では、電気分解の対象（原料）を水（水蒸気）とした場合について説明するが、原料として二酸化炭素を用いた場合（一酸化炭素が生成）や水蒸気と二酸化炭素を用いた共電解（一酸化炭素と水素が生成）なども対象となる。
図１には、水を電気分解して水素を合成する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）のガスライン系統図を示す。なお、本実施形態では、水蒸気電解により水素を生成する固体酸化物形電解セルを例として示しているが、これに限らず二酸化炭素と水蒸気の混合ガスから一酸化炭素、水素の混合ガスを生成する電解セルなども含まれる。
ＳＯＥＣ１は、電解質１１と、電解質１１の両側に設けられた一対の電極（正極１２、負極１３）を備えている。図１に示すＳＯＥＣ１は、電解質１１が一対の電極１２、１３で挟まれた単セルとなっているが、複数のセルが積層されたスタック構造としてもよく、電解セルにはセルスタックも含まれる。電解質１１は、酸化物イオン伝導性を有する固体材料であり、例えばジルコニア系酸化物であるイットリア安定化ジルコニア（YSZ）を用いることができる。電極１２、１３は、それぞれ、ストロンチウムとコバルトをドープしたランタンフェライト（La1-XSrXCo1-yFey03）、ニッケルなどの金属触媒とセラミックスを混合して焼成したサーメットから構成されている。ＳＯＥＣ１には、外部電源２により電力が供給され、電力は電力計３により測定される。水蒸気（Ｈ２Ｏ）は、所定の流量でＳＯＥＣ１の負極１３に導入される。ＳＯＥＣ１に供給された水蒸気はＳＯＥＣ１中での電解反応により水素（Ｈ２）と酸化物イオン（Ｏ２－）に分解される。生成したＯ２－は、電解質１１を伝導して正極１２側に移動する。正極１２では、電子とＯ２－が結合して酸素が生成される。なお、本明細書では、電気分解の対象（原料）を水（水蒸気）とした場合について説明するが、原料として二酸化炭素を用いた場合（一酸化炭素が生成）や水蒸気と二酸化炭素を用いた共電解（一酸化炭素と水素が生成）なども対象となる。
【0013】
図２には、上記したＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図を示す。この図では、ガスライン系統が分かりやすいように、負極１３と正極１２とに接続されたガスライン系統のみを模式的に示しており、電解質１１等は図示を省略している。また、測定用の原料ガス２１、２３の流路を太線で示し、校正用の原料ガス５１、５３の流路を細線で示している。この試験装置１０では、通常の運転（測定、試験）前、すなわち原料の電解前に、校正用ガスの流量制御器等を校正する。最初に装置の概略について説明する。
【0014】
この装置は、主に、負極１３側には、測定用の原料ガス（Ｈ２Ｏは原料水であるが、便宜上、これを含めて原料ガスと称している。）２１と、測定用原料ガス２１を負極１３に供給し、負極１３から発生した生成ガスが流れるガスライン（配管）Ｌ１－Ｌ４等を備え、正極１２側には、測定用ガス２３と、測定用ガス２３を正極１２に供給し、正極１２から発生した生成ガスが流れるガスラインＬ５－Ｌ７等を備えている。負極１３側に供給するガスは、主に水蒸気であり、原料水が蒸発器２５に供給されて蒸発器２５内で蒸気となることで、負極１３側に供給される。正極１２側に供給するガス（測定用ガス２３）は、主に空気であり、空気によって正極１２で生成する酸素を搬送する。測定用のガス２１、２３はそれぞれボンベやタンクに貯留されている。
【0015】
負極１３側の測定用原料ガス２１には、電極を保護する目的で、水蒸気の他に水素も少量（例えば、１０％程度）含まれる。負極１３の上流側ラインＬ１には各原料ガスや原料水の流量制御器２７、２９（例えば、マスフローコントローラ）、水蒸気流量を制御する流量制御器３２（例えば、マスフローコントローラ）、圧力計Ｐ１が設けられており、負極１３の下流側ラインＬ４には全体のガス流量を測定する流量計３３や湿度計３５、チラー（冷却装置）３７、測定装置４１（例えば、ガスクロマトグラフ）、圧力計Ｐ２などが設けられている。なお、上流側、下流側とは、電極を基準として、上流側、下流側と称している。また、正極１２の上流側ラインＬ５には測定用ガス２３の流量制御器４３（例えば、マスフローコントローラ）と切替バルブ７１が設けられており、正極１２の下流側ラインＬ７には全体のガス流量を測定する流量計４５や露点計４７、チラー３７、酸素濃度計４８などが設けられている。電極の下流側ラインの流量計３３、４５や圧力計Ｐ１－Ｐ３により、これらの値が一定範囲であるかを常時監視している。なお、圧力計Ｐ２、Ｐ３の値に応じて、生成ガス等の圧力がバルブ４９、４９により調整される。
【0016】
ここで、本実施形態の試験装置１０では、上記ガスラインＬ１－Ｌ７とは別に、主に校正用の流路であるガスラインＬ８－１４を設けたことを特徴としている。校正用ガスは、測定用ガスと同じガス組成となるように設定しており、校正用ガスラインにより、実際の測定条件と同じ条件下でセンサ類を校正することやＳＯＥＣ１の評価が可能となる。具体的には、後述するが、負極１３側には、校正用の原料ガス５１と、校正用の原料ガス５１の反応管５２と、校正用ガスの供給流路となるラインＬ８－１０を備え、正極１２側には、校正用の原料ガス５３と、校正用の原料ガス５３の反応管５４と、校正用の原料ガス５３の流路となるラインＬ１１－Ｌ１４とを備えている。負極側の各校正用ガスラインと反応管５２との間には、各校正用ガスの流量制御器５５、５７、５９（例えば、マスフローコントローラ）が配置されており、正極側の各校正用ガスラインと反応管５４との間には、各校正用ガスの流量制御器６１、６３、６４（例えば、マスフローコントローラ）と、窒素と酸素の流路切替バルブ７３、水素の開閉バルブ７４等が配置されている。なお、校正用の原料ガス５１、５３はそれぞれボンベやタンクに貯留されている。
【0017】
負極１３側では、校正用の原料ガス５１である水素と酸素を、内部に触媒（例えば、ニッケル系触媒、白金系触媒など）を充填した反応管５２に導入して水素と酸素の燃焼反応により水蒸気を生成させる。この燃焼反応において、水素はリッチな状態で反応させることから、生成ガスは水蒸気と水素との混合ガスとなる。なお、窒素は原料ガスではないが、正極１２で供給する空気が負極１３側で流れることで（このことをリークともいう。）、検出される窒素の測定に必要であることから、負極１３側にも供給するものである。また、正極１２側においても、校正用の原料ガス５３である窒素と酸素と水素を、内部に触媒（例えば、ニッケル系触媒、白金系触媒など）を充填した反応管５４に導入し、酸素と水素を反応させて水蒸気を生成させるとともに、負極から水素、水蒸気がリークした正極の電解生成ガスを模擬するため窒素と酸素の混合ガスを生成させる。
【0018】
そして、図２に示すように、負極１３側では、ラインＬ１、Ｌ２間とラインＬ８、Ｌ９間に切替バルブ６５が配置され、ラインＬ３、Ｌ４間とラインＬ９、Ｌ１０間に切替バルブ６７が配置されている。また、正極１２側では、ラインＬ６、Ｌ７間とラインＬ１２、Ｌ１３間に切替バルブ６９が配置されている。切替バルブ６５、６７、６９は、４ポート流路切替バルブであり、対向する流路を二方向に切り替えできるものである。そして、これらのガスラインＬ１－Ｌ１４は所定の温度に保つため、一部オーブン７５内に配置されており、概ね１３０－１５０℃に保温されている。また、蒸発器２５はヒータ等の加熱器（図示せず）を備えているが、所定の温度（例えば、１３０－１５０℃の範囲）に保つためオーブン７７内に配置されている。さらに、正極１２の下流側ラインＬ７に設けた露点計４７も、所定の温度（例えば、３０―１５０℃の範囲）に保つためオーブン７９内に配置されている。
【0019】
以上が装置の概略であるが、本実施形態によれば、通常の試験装置１０の運転に先だって、事前（原料の電解前）に測定用や校正用の原料ガス等の流量制御器の校正を行う。このことを事前校正という。
【0020】
（事前校正モード１）
このモードは、校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の校正を行う機能を有するモードである。校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正は、この試験装置１０（図２）を用いて以下のように行う。
まず、ガスラインＬ１０、Ｌ１３に、校正用の石鹸膜流量計などの高精度流量計８１、８３を配置する。負極側の校正用の原料ガス５１の流量制御器（水素流量制御器５５、窒素流量制御器５７、酸素流量制御器５９）の校正は、以下のように行う。各ガスの流量制御器を一種類ずつ切り替えて流し、当該ガスを反応管５２に導入し、切替バルブ６５、６７を介して、ガスラインＬ１０に導入し、高精度流量計８１により、各ガス（水素、窒素、酸素）の正確な流量をそれぞれ測定する。なお、反応管５２には各ガスが時間を異にして流れるため、反応管５２内では反応は起こらず、このモードでは反応管５２は単なる流路となっている。
このモードは、校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の校正を行う機能を有するモードである。校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正は、この試験装置１０（図２）を用いて以下のように行う。
まず、ガスラインＬ１０、Ｌ１３に、校正用の石鹸膜流量計などの高精度流量計８１、８３を配置する。負極側の校正用の原料ガス５１の流量制御器（水素流量制御器５５、窒素流量制御器５７、酸素流量制御器５９）の校正は、以下のように行う。各ガスの流量制御器を一種類ずつ切り替えて流し、当該ガスを反応管５２に導入し、切替バルブ６５、６７を介して、ガスラインＬ１０に導入し、高精度流量計８１により、各ガス（水素、窒素、酸素）の正確な流量をそれぞれ測定する。なお、反応管５２には各ガスが時間を異にして流れるため、反応管５２内では反応は起こらず、このモードでは反応管５２は単なる流路となっている。
【0021】
正極側の校正用の原料ガス５３についても同様に、各ガスの流量制御器（窒素流量制御器６１、酸素流量制御器６３、水素流量制御器６４）を一種類ずつ切り替えて当該ガスを反応管５４に導入し、切替バルブ６９を介して、ガスラインＬ１３の高精度流量計８３により、各ガス（窒素、酸素、水素）の正確な流量をそれぞれ測定する。この反応管５４も、反応管５２と同様に単なる流路となっているだけである。このように、負極側と正極側の校正用の原料ガス５１、５３の流量制御器の校正を行うことで、ひいては、生成ガスの成分や流量を精度よく測定できるものである。なお、これら水素流量制御器５５、６４、窒素流量制御器５７、６１、酸素流量制御器５９、６３等は、試験装置１０への設置前に校正用の高精度流量計（石鹸膜流量計など）によりそれぞれ校正しておいてもよいが、事前校正モード１により、これらの流量制御器を設置した状態で、各流量制御器を切り替えて順にガスを流すことで、これらの校正をまとめてかつ簡便に行うことができる。
【0022】
（事前校正モード２）
このモードは、測定用ガス２１、２３の各流量制御器の校正を行う機能を有するモードである。この試験装置１０によれば、測定用ガス２１、２３の各流量制御器の事前校正も行うことができる。この場合の試験装置１０のガスライン系統を図３に示す。
負極側の測定用ガス２１の水素を、切替バルブ６５、６７の切り替えにより、ガスラインＬ１から切替バルブ６５、６７を介してガスラインＬ９からガスラインＬ１０に導入する。この場合も校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正と同様に、高精度流量計８１により、水素の正確な流量が測定できることで、水素流量制御器２９の校正ができる。また、正極側の測定用ガス２３は、切替バルブ６９の切り替えにより、ガスラインＬ１１からガスラインＬ１２を介してガスラインＬ１３に導入することで、高精度流量計８３により空気流量制御器４３の校正ができる。なお、これら水素流量制御器２９、空気流量制御器４３等は、試験装置１０への設置前に校正用の高精度流量計（石鹸膜流量計など）によりそれぞれ校正しておいてもよいが、事前校正モード２により、これらの流量制御器を設置した状態で、これらの校正をまとめてかつ簡便に行うことができる。
このモードは、測定用ガス２１、２３の各流量制御器の校正を行う機能を有するモードである。この試験装置１０によれば、測定用ガス２１、２３の各流量制御器の事前校正も行うことができる。この場合の試験装置１０のガスライン系統を図３に示す。
負極側の測定用ガス２１の水素を、切替バルブ６５、６７の切り替えにより、ガスラインＬ１から切替バルブ６５、６７を介してガスラインＬ９からガスラインＬ１０に導入する。この場合も校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正と同様に、高精度流量計８１により、水素の正確な流量が測定できることで、水素流量制御器２９の校正ができる。また、正極側の測定用ガス２３は、切替バルブ６９の切り替えにより、ガスラインＬ１１からガスラインＬ１２を介してガスラインＬ１３に導入することで、高精度流量計８３により空気流量制御器４３の校正ができる。なお、これら水素流量制御器２９、空気流量制御器４３等は、試験装置１０への設置前に校正用の高精度流量計（石鹸膜流量計など）によりそれぞれ校正しておいてもよいが、事前校正モード２により、これらの流量制御器を設置した状態で、これらの校正をまとめてかつ簡便に行うことができる。
【0023】
なお、事前校正モード１と事前校正モード２の行う順番はどちらが先でも構わないし、どちらか一方のみ行ってもよい。そして、試験装置１０の運転に先だって、すなわち測定前に必ずしも行わなければいけないものでもなく、必要なときに行ってもよい。また、水量制御器２７と水蒸気流量制御器３２については、以下の方法により校正することができる。原料水を蒸発器２５に供給する際に、蒸発器２５内の温度、圧力を、供給水が全量、水蒸気となる条件とし、供給水量（原料水の減少量）が水蒸気流量と一致することを利用する方法である。例えば、原料水の蒸発器２５への供給量を電子天秤などの重量計で正確に測定し、所定時間（例えば、３０分間）の水の減少量から水量制御器２７と水蒸気流量制御器３２の設定値と実際の水蒸気の流量（水の減少量から算出される）とを比較することで、水量制御器２７と水蒸気流量制御器３２の校正を行うことができる。
【0024】
（測定モード１）
次に、図４のＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図（測定モード）に基づいて、原料をＳＯＥＣに供給して生成ガスを測定するときの動作について説明する。なお、図４の試験装置１０は、主に高精度流量計８１、８３を設置していない点で図２の試験装置とは異なるが、それ以外の構成については共通しており、共通する部分の説明は省略する。
次に、図４のＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図（測定モード）に基づいて、原料をＳＯＥＣに供給して生成ガスを測定するときの動作について説明する。なお、図４の試験装置１０は、主に高精度流量計８１、８３を設置していない点で図２の試験装置とは異なるが、それ以外の構成については共通しており、共通する部分の説明は省略する。
【0025】
上記の事前校正後、高精度流量計８１、８３を取り外して、所定の起動条件でＳＯＥＣを起動した後に所定の運転条件に設定する。ＳＯＥＣの温度、生成ガス量、電解電流、電解電圧等が安定した後に測定を開始する。ここで測定とは、主に測定用ガス２１、２３を用いて電解反応を行い、生成ガスを上記流量計３３、湿度計３５、測定装置４１、流量計４５、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類（生成ガス測定器）によりガス成分を測定することをいうが、校正用ガス５１、５３を用いて電解反応を行い、上記センサ類によりガス成分を測定することも含まれる。そして、この測定によって、ＳＯＥＣ１の性能を確かめる試験をしたり、ＳＯＥＣ１の性能を評価したりすることができる。このモードは、上記センサ類が配置されたガスラインＬ４、Ｌ７のガス成分を測定する機能を有するモードである。
【0026】
所定の起動プロセス終了後、測定用ガスを試験条件に設定し、ＳＯＥＣ１の電解特性の測定を開始する。所定の起動プロセスとしては、図示していないが、ＳＯＥＣ１を加熱するための電気炉（図８）などの温度、供給ガスの組成・流量・圧力を設定して、昇温し、安定するまで待つことである。通常の試験装置１０の運転時では、負極１３側の測定用の原料ガス２１のうち、原料水が蒸発器２５に供給されて、水蒸気となったガスと少量の水素が切替バルブ６５を介してガスラインＬ２（負極１３に接続している）から負極１３に供給される。
【0027】
負極１３に水蒸気が供給されると、ＳＯＥＣ１での電解反応により水素と酸素が生成する。正極１２側では、測定用ガス２３である空気をガスラインＬ５（正極１２に接続している）から正極１２に供給し、生成した酸素をガスラインＬ６（正極１２に接続している）からガスラインＬ７へと搬送する。負極１３側では、水素と、未反応の水蒸気とがガスラインＬ３（負極１３に接続している）からガスラインＬ４に流れて、流量計３３により全流量が測定され、さらに湿度計３５により水蒸気濃度が測定されて、チラー３７により水分が除去された後、水素濃度（反応により発生した水素と未反応の水素）と窒素濃度（正極側の空気から負極側に流入した窒素）が測定装置４１により測定される。正極１２側では、流量計４５により全流量が測定され、露点計４７により、正極側に流入あるいは正極で発生する水蒸気の濃度が測定されて、チラー３７により水分が除去された後、酸素濃度（反応により発生した酸素と空気中の酸素）が酸素濃度計４８により測定される。正極側の窒素流量は、流量計４５と酸素濃度計４８から計算される。なお、負極側の湿度計３５では多量の水蒸気を正確に測定するため、高温用の湿度計を用いてオーブン７５の内部に設置している。一方、正極側の露点計４７は負極側を流れる水蒸気量に比べると微量の水蒸気を測定するものであるため、高温のオーブン７５（例えば、１３０－１５０℃）の外部に設置し、低温のオーブン７９（例えば、室温から１５０℃、通常は正極側水蒸気の露点を１０℃程度上回る温度に設定）内に配置している。そして、これら湿度計３５、測定装置４１、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類により測定された生成ガス等の流量を原料ガスの流量と比較することで、ＳＯＥＣ1の電解性能の試験や電解性能の評価をすることができる。
【0028】
（センサ校正モード）
ここで、測定中、ガスラインＬ４、Ｌ７に設置されたセンサ類（生成ガス測定器）の校正が必要になった場合に、センサ校正を行う。例えば、前記センサ類においてドリフトが発生したり、長時間（例えば、１か月以上など）運転を継続したり、オーブン７５の温度を変更した場合などが想定される。このモードでは、校正用ガス５１、５３を流量計３３、湿度計３５、測定装置４１、流量計４５、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類が設置されたガスラインＬ４、Ｌ７に流すことで、センサ類の校正を行うものである。すなわち、このモードは、これらのセンサ類の校正を行う機能を有するモードである。
ここで、測定中、ガスラインＬ４、Ｌ７に設置されたセンサ類（生成ガス測定器）の校正が必要になった場合に、センサ校正を行う。例えば、前記センサ類においてドリフトが発生したり、長時間（例えば、１か月以上など）運転を継続したり、オーブン７５の温度を変更した場合などが想定される。このモードでは、校正用ガス５１、５３を流量計３３、湿度計３５、測定装置４１、流量計４５、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類が設置されたガスラインＬ４、Ｌ７に流すことで、センサ類の校正を行うものである。すなわち、このモードは、これらのセンサ類の校正を行う機能を有するモードである。
【0029】
まず、校正用ガス５１、５３の供給を開始し、各流量が所定の流量になり安定するまで待つ。このとき、校正用ガス５１、５３は、それぞれガスラインＬ１０、Ｌ１３からオーブン７５の外部へと排出される。また、露点計４７では水蒸気濃度を測定するため、校正用の原料ガス５３には水素も使用して、酸素と水素を反応させることで所定の水蒸気流量を生成させる。そして、校正用ガス５１、５３が所定の流量になり、安定したら切替バルブ６５、６７、６９を変更する。この時のＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図（センサ校正モード）を図５に示す。このモードでは、校正用ガス５１、５３は、それぞれ、湿度計３５、測定装置４１、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類が設置されたガスラインＬ４、Ｌ７を流れる構成となる。なお、測定用ガス２１、２３はガスラインＬ１０、Ｌ１３をそのまま流れる状態が維持される。
【0030】
そして、各ガスの測定値は、各センサ類の測定値（表示値）を用いて、以下の式から算出できる。
負極側では、流量計３３の表示値をfNMFM、高温湿度計３５による水蒸気濃度の測定値をCNH2O、測定装置４１の窒素濃度の測定値をCGCN2、水素濃度の測定値をCGCH2とすると、以下の式が成り立つ。なお、以下の式について、「N」は負極側であることを示し、「ｆ」は流量を示し、「C」は濃度を示している。
fNMFM = fNH2O/CFH2O＋fNN2/CFN2＋fNH2/CFH2 （１）
CNH2O = fNH2O/(fNN2＋fNH2＋fNH2O) = fNH2O/fNtotal （２）
CGCN2 = fNN2/(fNN2＋fNH2) （３）
CGCH2 = fNH2/(fNN2＋fNH2) （４）
（上記式（１）中、CFH2O及びCFH2は流量計３３の窒素基準とした水蒸気と水素のコンバージョンファクター（CF）である。なお、CFN2は窒素のCFであり、１である。通常、コンバージョンファクターの値は流量計製作者から得るか、計測したいガスを実際に流し流量校正を行って求める。また、式（２）－（４）中、fNH2OはガスラインＬ４を流れる水蒸気流量、fNN2は窒素流量、fNH2は水素流量である。）
負極側では、流量計３３の表示値をfNMFM、高温湿度計３５による水蒸気濃度の測定値をCNH2O、測定装置４１の窒素濃度の測定値をCGCN2、水素濃度の測定値をCGCH2とすると、以下の式が成り立つ。なお、以下の式について、「N」は負極側であることを示し、「ｆ」は流量を示し、「C」は濃度を示している。
fNMFM = fNH2O/CFH2O＋fNN2/CFN2＋fNH2/CFH2 （１）
CNH2O = fNH2O/(fNN2＋fNH2＋fNH2O) = fNH2O/fNtotal （２）
CGCN2 = fNN2/(fNN2＋fNH2) （３）
CGCH2 = fNH2/(fNN2＋fNH2) （４）
（上記式（１）中、CFH2O及びCFH2は流量計３３の窒素基準とした水蒸気と水素のコンバージョンファクター（CF）である。なお、CFN2は窒素のCFであり、１である。通常、コンバージョンファクターの値は流量計製作者から得るか、計測したいガスを実際に流し流量校正を行って求める。また、式（２）－（４）中、fNH2OはガスラインＬ４を流れる水蒸気流量、fNN2は窒素流量、fNH2は水素流量である。）
【0031】
上記式（１）－（４）から、下記式（５）－（７）が導かれfNH2O、fNN2、fNH2が求められる。
fNH2O ={CFH2OCNH2O/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （５）
fNN2 = {CGCN2CFH2O（1-CNH2O）/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （６）
fNH2 = {(1-CGCN2)CFH2O（1-CNH2O）/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （７）
fNH2O ={CFH2OCNH2O/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （５）
fNN2 = {CGCN2CFH2O（1-CNH2O）/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （６）
fNH2 = {(1-CGCN2)CFH2O（1-CNH2O）/(CFH2O＋CNH2O- CFH2OCNH2O）}・fNMFM （７）
【0032】
正極側では、流量計４５の測定値をfPMFM、露点計４７による水蒸気濃度測定値をCPH2O、酸素濃度計４８の酸素濃度の測定値をCPO2とすると、以下の式が成り立つ。なお、以下の式について、「P」は正極側であることを示し、「ｆ」は流量を示し、「C」は濃度を示している。また、fPH2OはガスラインＬ７を流れる水蒸気量、fPN2は窒素流量、fPH2は水素流量、fPO2は酸素流量である。
fPMFM = fPH2O/CFH2O＋fPN2/CFN2＋fPH2/CFH2＋fPO2/CFO2 （８）
CPH2O = fPH2O/(fPN2＋fPH2＋fPO2＋fPH2O) = fPH2O/fPtotal （９）
CPO2 = fPO2/(fPN2＋fPH2＋fPO2) （１０）
fPH2 = 0（正極側の水素はゼロである。仮に、負極側の水素が正極側に流入した場合でも、正極側にある多量の酸素と反応し、水蒸気となるからである。）
CFH2O、CFO2及びCFH2は流量計４５の窒素基準とした水蒸気と水素のコンバージョンファクター（CF）である。なお、CFN2は窒素のCFであり、１である。
上記式（８）－（１０）から、下記式（１１）－（１３）が導かれfPO2、fPH2O、fPN2が求められる。
fPO2 = {CPO2/（１－CPO2）}・fPN2 （１１）
fPH2O = [CPH2O/{（１－CPO2）（１－ CPH2O）}]・fPN2 （１２）
fPN2top = CFH2OCFO2（１－CPO2）（１－ CPH2O）fPMFM、
fPN2bottom = CFO2CPH2O+CFO2CFH2O（１－CPO2）（１－ CPH2O）+CFH2OCPO2（１－ CPH2O）として、
fPN2 = fPN2top/fPN2bottom （１３）
なお、露点計、湿度計は水蒸気の濃度を明示的に表示できないものもあり、その場合は校正用に決まった濃度のガスを発生させて、露点計、湿度計により、水蒸気分圧を測定し、校正用の水蒸気濃度と比較することにより、測定分圧と濃度の関係式を導き、測定濃度を算出する。なお、その際、配管内の圧力を別途測定し、配管内圧力値そのものと圧力が変動していないことを確認する。
fPMFM = fPH2O/CFH2O＋fPN2/CFN2＋fPH2/CFH2＋fPO2/CFO2 （８）
CPH2O = fPH2O/(fPN2＋fPH2＋fPO2＋fPH2O) = fPH2O/fPtotal （９）
CPO2 = fPO2/(fPN2＋fPH2＋fPO2) （１０）
fPH2 = 0（正極側の水素はゼロである。仮に、負極側の水素が正極側に流入した場合でも、正極側にある多量の酸素と反応し、水蒸気となるからである。）
CFH2O、CFO2及びCFH2は流量計４５の窒素基準とした水蒸気と水素のコンバージョンファクター（CF）である。なお、CFN2は窒素のCFであり、１である。
上記式（８）－（１０）から、下記式（１１）－（１３）が導かれfPO2、fPH2O、fPN2が求められる。
fPO2 = {CPO2/（１－CPO2）}・fPN2 （１１）
fPH2O = [CPH2O/{（１－CPO2）（１－ CPH2O）}]・fPN2 （１２）
fPN2top = CFH2OCFO2（１－CPO2）（１－ CPH2O）fPMFM、
fPN2bottom = CFO2CPH2O+CFO2CFH2O（１－CPO2）（１－ CPH2O）+CFH2OCPO2（１－ CPH2O）として、
fPN2 = fPN2top/fPN2bottom （１３）
なお、露点計、湿度計は水蒸気の濃度を明示的に表示できないものもあり、その場合は校正用に決まった濃度のガスを発生させて、露点計、湿度計により、水蒸気分圧を測定し、校正用の水蒸気濃度と比較することにより、測定分圧と濃度の関係式を導き、測定濃度を算出する。なお、その際、配管内の圧力を別途測定し、配管内圧力値そのものと圧力が変動していないことを確認する。
【0033】
そして、このモードでは、校正用ガス５１、５３の各流量制御器（水素量制御器５５、窒素量制御器５７、酸素量制御器５９、窒素量制御器６１、酸素量制御器６３、水素の流量制御器６４）の流量が安定し、流量計３３、４５、湿度計３５、測定装置４１、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類のセンサ値も一定になったら各センサ値を測定する。負極側では、校正用ガス５１である水素、窒素、酸素が反応管５２において水素と酸素の燃焼反応により水蒸気が生成する。この燃焼反応において、水素はリッチな状態で反応させることから、生成ガスは水蒸気と水素との混合ガスとなる。また、窒素はそのまま前記混合ガスと共に切替バルブ６５、６７を介してガスラインＬ４へ流れて、湿度計３５により水蒸気濃度が、測定装置４１により水素濃度と窒素濃度が、それぞれ測定される。正極側では、校正用ガス５３である水素、酸素が反応管５４において水蒸気となり、窒素と共に切替バルブ６９を介してガスラインＬ７へ流れて、露点計４７により水蒸気濃度が、酸素濃度計４８により酸素濃度が、それぞれ測定される。
【0034】
所定の時間測定したら校正用ガス５１、５３の組成や流量を変えて測定を繰り返す。所定の組成範囲や流量範囲での測定が終了したら、切替バルブ６５、６７、６９を変更して、前記測定モード１（図４）になるように戻し、校正用ガス５１、５３の供給を停止する。供給した組成・流量値と測定値を対比させることで、それぞれのセンサ類の校正ができる。
【0035】
ＳＯＥＣの性能の長期間にわたる試験や評価では、各種制御器、測定器等が不具合を起こす場合もあるが、このような場合については、ＳＯＥＣの運転を中断することなく不具合を起こした制御器、測定器等の修理、交換を簡便に行うことができる。したがって、長期間に及ぶ連続運転も可能である。また、全てのセンサ類を校正する必要はなく、必要なもののみ行えばよい。
【0036】
また、上記説明したセンサ校正モードは、測定モードで高温（例えば、電気炉温度７００℃）での運転中に切替バルブ６５、６７、６９を変更して運転を継続しながらセンサ類を校正するものであるが、運転前または運転後などにセンサ校正モードにより、各センサ類の校正を行うこともできる。この場合、ＳＯＥＣは運転していないことから電気炉が昇温されておらず、電解セルの温度は、室温程度である。このように、ＳＯＥＣに測定用ガス２１、２３を供給することなく、各センサ類の校正を行うこともできる。
【0037】
（測定モード２）
また、測定は、主に測定モード１により、測定用ガス２１、２３を用いて電解反応を行い、生成ガスのガス成分をセンサ類により測定するものであるが、校正用ガス５１、５３を原料ガス等に用いて電解反応を行い、センサ類によりガス成分を測定してもよい。この場合のＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図を図６に示す。この時の原料をＳＯＥＣに供給して生成ガスを測定するときの動作について説明する。
また、測定は、主に測定モード１により、測定用ガス２１、２３を用いて電解反応を行い、生成ガスのガス成分をセンサ類により測定するものであるが、校正用ガス５１、５３を原料ガス等に用いて電解反応を行い、センサ類によりガス成分を測定してもよい。この場合のＳＯＥＣ１の試験装置１０のガスライン系統図を図６に示す。この時の原料をＳＯＥＣに供給して生成ガスを測定するときの動作について説明する。
【0038】
この測定モード２では、負極１３側では、校正用ガス５１である水素、酸素が反応管５２において水素と酸素の燃焼反応により水蒸気、水素が生成する。そして、ガスラインＬ８、Ｌ２を介して負極１３に水蒸気が供給されると、ＳＯＥＣ１での電解反応により水素（負極）と酸素（正極）が生成する。正極１２側では、校正用ガス５３である窒素、酸素（例えば４：１）をガスラインＬ５から正極１２に供給し、生成した酸素をガスラインＬ６からガスラインＬ７へと搬送する。負極１３側では、水素と未反応の水蒸気がガスラインＬ４を流れて、流量計３３により全流量が測定され、さらに湿度計３５により水蒸気濃度が測定されて、チラー３７により冷やされた後、水素濃度（反応により発生した水素と未反応の水素）と窒素濃度（正極側の空気から負極側に流入した窒素）が測定装置４１により測定される。また、正極１２側では、流量計４５により全流量が測定され、露点計４７により、正極側に流入する水蒸気濃度が測定されて、チラー３７により冷やされた後、酸素濃度（反応により発生した酸素と空気中の酸素）が酸素濃度計４８により測定される。この測定モード２においては電解電流が０の時、湿度計３５、測定装置４１、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類により測定された生成ガスの流量等を校正用ガスの流量と比較することで、ＳＯＥＣ１のガスリークの評価を簡便、高精度に行うことができる。一方、測定モード１では、測定用ガス２１、２３に容易に入手可能な水や空気を用いていることから、大流量の測定、長時間の測定などを行う場合に好適である。
【0039】
（実施形態２）
図７には、別の実施形態のＳＯＥＣ１の試験装置１０Ａのガスライン系統図を示す。この試験装置１０Ａでは、切替バルブ７１、７３に代えて、反応管５４の下流側に切替バルブ６９とは別の切替バルブ８７を配置したものである。それ以外の構成については図５の試験装置１０（センサ校正モード）と共通しており、共通する部分の説明は省略する。
この試験装置１０Ａでは、測定用ガス２３である空気をガスラインＬ１５から切替バルブ８７を介してガスラインＬ１６から正極１２に供給し、生成した酸素をガスラインＬ６から切替バルブ６９を介してガスラインＬ１３へと搬送する。また、校正用ガス５３である水素、酸素が反応管５４において水蒸気となり、ガスラインＬ１７から窒素と共に切替バルブ８７、ガスラインＬ１８、切替バルブ６９を介してガスラインＬ７へ流れて、露点計４７により水蒸気濃度が、酸素濃度計４８により酸素濃度が、それぞれ測定される。
この実施形態２においても、実施形態１のモードと同様の各モードを構成することができる。また、切替バルブ７１、７３を一つの切替バルブ８７で兼用できることから、簡素な構成となる。
図７には、別の実施形態のＳＯＥＣ１の試験装置１０Ａのガスライン系統図を示す。この試験装置１０Ａでは、切替バルブ７１、７３に代えて、反応管５４の下流側に切替バルブ６９とは別の切替バルブ８７を配置したものである。それ以外の構成については図５の試験装置１０（センサ校正モード）と共通しており、共通する部分の説明は省略する。
この試験装置１０Ａでは、測定用ガス２３である空気をガスラインＬ１５から切替バルブ８７を介してガスラインＬ１６から正極１２に供給し、生成した酸素をガスラインＬ６から切替バルブ６９を介してガスラインＬ１３へと搬送する。また、校正用ガス５３である水素、酸素が反応管５４において水蒸気となり、ガスラインＬ１７から窒素と共に切替バルブ８７、ガスラインＬ１８、切替バルブ６９を介してガスラインＬ７へ流れて、露点計４７により水蒸気濃度が、酸素濃度計４８により酸素濃度が、それぞれ測定される。
この実施形態２においても、実施形態１のモードと同様の各モードを構成することができる。また、切替バルブ７１、７３を一つの切替バルブ８７で兼用できることから、簡素な構成となる。
【0040】
以上、述べたように、上記実施形態の試験装置によれば、事前校正モード、測定モード、センサ校正モード等を有し、ＳＯＥＣの測定（試験）中に測定モード１、測定モード２、センサ校正モードは必要に応じて切り替えることができるものである。また、この切り替えは、切替バルブ６５、６７、６９、７１、７３、７４、８７を切り替えることで簡便、容易にできる。また、切り替えは手動ではなくモード切替スイッチ等により自動で行うこともできる。さらに、これらのモードとなるように、予め定められたプログラムに基づいて図示しない制御装置により制御されるようにしてもよい。そして、上記実施形態の試験装置により、電解により生成するガスの正確な流量を把握できる。
【実施例0041】
[実施例１]
（事前校正）
図８には、固体酸化物形電解セルの試験装置の全体写真を示す。オーブンＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ図２等に示す試験装置１０のオーブン７５、７７、７９に相当する。オーブンＢは負極への水蒸気供給装置である。オーブンＡは図２等で示したように反応管５２、５４、切替バルブ６５、６７、６９、流量計３３、４５、湿度計３５、セル出入り口の圧力計Ｐ１－Ｐ３などを有し、それぞれ配管で接続され、測定値をロガーに出力している。オーブン中に設定されている各測定機器は１５０－１８０℃で使用可能なものを選定している。また、オーブンＡの上部にあるＳＯＥＣ運転用の電気炉内のＳＯＥＣの正負極にガスを供給している。オーブンＣには、正極ガス水蒸気濃度を計測するために露点計４７を配置している。正極ガス中の水蒸気濃度は負極に比較して低いので、水蒸気濃度がなるべく高い精度で測定できるよう、オーブンＣの温度は露点計４７の測定値を参考にしてなるべく低く設定している。各オーブンの温度は各オーブンが有する温度制御装置により制御される。電気炉は図２等では示されていないがＳＯＥＣの運転温度制御に用いる。モニター・制御系はロガーと温度・プレス圧制御システム、蒸気供給システムからなり、正負極の各ガス流量、各部の温度、各圧力計、湿度計、露点計、酸素濃度計、正負極の流量計、直流安定化電源の電流、ＳＯＥＣの出力電圧等の測定値をモニターし、電気炉の温度、ＳＯＥＣに印加する荷重、蒸発器に供給する水の流量等を制御する。ガス供給系は多数の質量流量計（マスフローコントローラー）で構成され正負極の測定用ガス、校正用ガスを供給する。正負極ガス分析系は正極の酸素濃度計４８と負極用の測定装置４１（ガスクロマトグラフ）からなりオーブンＡおよびオーブンＣの出口に配置したチラー３７を経由してきた正負極の生成ガスの窒素濃度（負極）と酸素濃度（正極）を室温条件で測定する。電気制御系は直流安定化電源、交流インピーダンス測定装置等からなり前者はＳＯＥＣに印加する電流値を制御する。後者は運転条件下でのＳＯＥＣの内部インピーダンスを測定する。各オーブン、電気炉はガス配管で接続されている。接続部分でガスが冷却されないよう、必要に応じて配管を保温し、ガス配管を通す開口部はシリコンゴム等で隙間を埋めている。
（事前校正）
図８には、固体酸化物形電解セルの試験装置の全体写真を示す。オーブンＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ図２等に示す試験装置１０のオーブン７５、７７、７９に相当する。オーブンＢは負極への水蒸気供給装置である。オーブンＡは図２等で示したように反応管５２、５４、切替バルブ６５、６７、６９、流量計３３、４５、湿度計３５、セル出入り口の圧力計Ｐ１－Ｐ３などを有し、それぞれ配管で接続され、測定値をロガーに出力している。オーブン中に設定されている各測定機器は１５０－１８０℃で使用可能なものを選定している。また、オーブンＡの上部にあるＳＯＥＣ運転用の電気炉内のＳＯＥＣの正負極にガスを供給している。オーブンＣには、正極ガス水蒸気濃度を計測するために露点計４７を配置している。正極ガス中の水蒸気濃度は負極に比較して低いので、水蒸気濃度がなるべく高い精度で測定できるよう、オーブンＣの温度は露点計４７の測定値を参考にしてなるべく低く設定している。各オーブンの温度は各オーブンが有する温度制御装置により制御される。電気炉は図２等では示されていないがＳＯＥＣの運転温度制御に用いる。モニター・制御系はロガーと温度・プレス圧制御システム、蒸気供給システムからなり、正負極の各ガス流量、各部の温度、各圧力計、湿度計、露点計、酸素濃度計、正負極の流量計、直流安定化電源の電流、ＳＯＥＣの出力電圧等の測定値をモニターし、電気炉の温度、ＳＯＥＣに印加する荷重、蒸発器に供給する水の流量等を制御する。ガス供給系は多数の質量流量計（マスフローコントローラー）で構成され正負極の測定用ガス、校正用ガスを供給する。正負極ガス分析系は正極の酸素濃度計４８と負極用の測定装置４１（ガスクロマトグラフ）からなりオーブンＡおよびオーブンＣの出口に配置したチラー３７を経由してきた正負極の生成ガスの窒素濃度（負極）と酸素濃度（正極）を室温条件で測定する。電気制御系は直流安定化電源、交流インピーダンス測定装置等からなり前者はＳＯＥＣに印加する電流値を制御する。後者は運転条件下でのＳＯＥＣの内部インピーダンスを測定する。各オーブン、電気炉はガス配管で接続されている。接続部分でガスが冷却されないよう、必要に応じて配管を保温し、ガス配管を通す開口部はシリコンゴム等で隙間を埋めている。
【0042】
本実施例で用いたＳＯＥＣ１は直径５０ｍｍ、厚さ１．５－２ｍｍで、Ni-YSZ（Y2O3安定化ZrO2）多孔質支持体の上にNi-SDC（Sm2O3ドープCeO2）負極、SSZ（Sc2O3安定化ZrO2）電解質膜、La0.85Sr0.15Co0.2Fe0.8O3正極をデップコート法で塗布、焼成する方法を繰り返し形成した。作製したセルは正負極の短絡を防ぐ絶縁板、正負極のガスのリークを防ぐシール板および正負極のガス供給板を用いて試験装置に設置した。
下記各装置およびガスライン（ステンレス製チューブ）を図２に示すように、セルの負極側と正極側に配置した。
下記各装置およびガスライン（ステンレス製チューブ）を図２に示すように、セルの負極側と正極側に配置した。
【0043】
図２示すガスライン系統（事前校正モード１）とし、校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の校正を室温にて行った。ガスラインＬ１０、Ｌ１３に、校正用の石鹸膜流量計（株式会社堀場エステック製、品番ＳＵ－２Ｕ）８１、８３を配置して、負極側校正用ガス５１の水素、窒素、酸素を、それぞれ順にガスラインＬ１０に供給し、石鹸膜流量計８１を用いて測定した。また、正極側校正用ガス５３の窒素、酸素、水素を、それぞれ順にガスラインＬ１３に供給し、石鹸膜流量計８３を用いて測定した。それぞれのガスの流量制御器の設定値を変えて、このときの石鹸膜流量計に表示される実測値を測定した。なお、以下の実施例において、実施例１と共通する装置、計器等は、実施例１と同じものを用いた。このときの測定結果（校正結果）を図９に示す。また、各ガスの流量制御器の設定値と実測値（石鹸膜流量計の表示値）とを対比させて各流量制御器の校正値を計算する計算式を得た。なお、正極側校正用ガス５３の水素の流量制御器については、測定結果の記載は省略した。そして、測定用ガス２１、２３の各流量制御器（水素量制御器２９、空気量制御器４３等）は、試験装置１０への設置前に校正用の高精度流量計（石鹸膜流量計）によりそれぞれ校正した。
【0044】
[実施例２]
（センサ校正）
実施例１による測定用ガス２１、２３と校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正の後、配管内で水蒸気が凝集しないようにそれぞれのオーブン温度を所定の温度（オーブン７５は１３５℃、オーブン７９は８０℃）まで上昇させた後、ガスライン系統を図５のように切替えセンサ校正を行った。
また、正負極の流量計３３、４５についてはヒータ（図示せず）により１５０℃に加温した。
センサ校正モード（図５）では、校正用ガス５１、５３は、それぞれ、流量計３３、湿度計３５、測定装置４１、流量計４５、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類が設置されたガスラインＬ４、Ｌ７を流れる。本実施例では、負極側流量計３３、正極側流量計４５、酸素濃度計４８、湿度計３５、露点計４７について、各センサ値を測定した。このときの測定結果を図１０及び図１１に示す。図１０（Ａ）は酸素濃度計４８、図１０（Ｂ）は湿度計３５、図１０（Ｃ）は露点計４７の測定結果である。事前校正時の校正値を利用して、規定された濃度のガス（実測値で示す）を各センサに供給して表示値との校正を行った。また、図１１（Ａ）は負極側の流量計３３、図１１（Ｂ）は正極側の流量計４５の測定結果である。事前校正時の校正値を利用して、規定された濃度のガスを各流量計に供給して校正を行った。この場合も、各ガスの表示値と設定値（正しい値）とを対比させて各計器の校正値を計算する計算式を得た。なお、図１１（Ａ）においては、CFH2Oは０．８１、CFH2は１として、図１１（Ｂ）においては、CFN2は１、CFO2は０．９８としてfNMFMとfPMFMを計算した。
（センサ校正）
実施例１による測定用ガス２１、２３と校正用原料ガス５１、５３の各流量制御器の事前校正の後、配管内で水蒸気が凝集しないようにそれぞれのオーブン温度を所定の温度（オーブン７５は１３５℃、オーブン７９は８０℃）まで上昇させた後、ガスライン系統を図５のように切替えセンサ校正を行った。
また、正負極の流量計３３、４５についてはヒータ（図示せず）により１５０℃に加温した。
センサ校正モード（図５）では、校正用ガス５１、５３は、それぞれ、流量計３３、湿度計３５、測定装置４１、流量計４５、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類が設置されたガスラインＬ４、Ｌ７を流れる。本実施例では、負極側流量計３３、正極側流量計４５、酸素濃度計４８、湿度計３５、露点計４７について、各センサ値を測定した。このときの測定結果を図１０及び図１１に示す。図１０（Ａ）は酸素濃度計４８、図１０（Ｂ）は湿度計３５、図１０（Ｃ）は露点計４７の測定結果である。事前校正時の校正値を利用して、規定された濃度のガス（実測値で示す）を各センサに供給して表示値との校正を行った。また、図１１（Ａ）は負極側の流量計３３、図１１（Ｂ）は正極側の流量計４５の測定結果である。事前校正時の校正値を利用して、規定された濃度のガスを各流量計に供給して校正を行った。この場合も、各ガスの表示値と設定値（正しい値）とを対比させて各計器の校正値を計算する計算式を得た。なお、図１１（Ａ）においては、CFH2Oは０．８１、CFH2は１として、図１１（Ｂ）においては、CFN2は１、CFO2は０．９８としてfNMFMとfPMFMを計算した。
【0045】
[実施例３]
（測定、評価）
センサ校正後、切替バルブ６５、６７、６９を図６（測定モード２）の状態にし、ＳＯＥＣ１に校正用ガスを利用してガスの供給を開始するとともに外部電源２により電力を供給して、電気炉の温度を７００℃に昇温した。表１には、測定条件を示す。なお、下記運転温度とは、電解反応温度を示している。
（測定、評価）
センサ校正後、切替バルブ６５、６７、６９を図６（測定モード２）の状態にし、ＳＯＥＣ１に校正用ガスを利用してガスの供給を開始するとともに外部電源２により電力を供給して、電気炉の温度を７００℃に昇温した。表１には、測定条件を示す。なお、下記運転温度とは、電解反応温度を示している。
【表1】
【0046】
なお、正極と負極側の供給ガスは、具体的には以下のようにした。
（１）電気炉温度が200℃未満の時
正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：窒素200sccm（安全性を考慮し、水素の代わりに窒素を供給）
（２）電気炉温度が200-700℃の時（炉の温度が200℃になったら、組成を変えた。）
正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：窒素160sccm、水素40sccm
昇温速度 100℃／ｈとした。200℃以上700℃まで水素を薄めて流し、負極のＮｉＯをＮｉに還元した。
電気炉温度が700℃に達し、負極の還元が完了し、開回路（電解電流0A）の電解電圧が一定になったら、
（３）正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：水素200sccm、酸素80sccm（表１の反応管供給ガス組成）
とし、測定を開始した。このとき、各ガスの測定値は、各センサ類の測定値（表示値）を用いて、上記（１）－（１３）の式から算出した。これにより、電解セルの性能を確認した。
（１）電気炉温度が200℃未満の時
正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：窒素200sccm（安全性を考慮し、水素の代わりに窒素を供給）
（２）電気炉温度が200-700℃の時（炉の温度が200℃になったら、組成を変えた。）
正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：窒素160sccm、水素40sccm
昇温速度 100℃／ｈとした。200℃以上700℃まで水素を薄めて流し、負極のＮｉＯをＮｉに還元した。
電気炉温度が700℃に達し、負極の還元が完了し、開回路（電解電流0A）の電解電圧が一定になったら、
（３）正極：窒素160sccm、酸素40sccm 負極：水素200sccm、酸素80sccm（表１の反応管供給ガス組成）
とし、測定を開始した。このとき、各ガスの測定値は、各センサ類の測定値（表示値）を用いて、上記（１）－（１３）の式から算出した。これにより、電解セルの性能を確認した。
【0047】
図１２（Ａ）は、負極出口でのガス成分ごとの流量測定結果であり、図１２（Ｂ）は、正極出口でのガス成分ごとの流量測定結果である。また、図１３には、正負電極入口と出口でのＨ、Ｏ、Ｎのマテリアルバランスを示す。これらの結果は、前記式（１）－（１３）から得られたものである。また、マテリアルバランスは、Ｈは負極側のＨ２ＯとＨ２（式（５）、（７））と正極側のＨ２Ｏ（式（１２））から、Ｏは負極側のＨ２Ｏ（式（５））と正極側のＯ２とＨ２Ｏ（式（１１）、（１２））から、Ｎは負極側のＮ２（式（６））と正極側のＮ２（式（１３））から求めることができる。
【0048】
ＳＯＥＣの性能評価では、セル負極からの水素ガスのリーク流量、正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量などを把握することが重要である。なお、消費とは、生成したガス（例えばＨ２）が他のガス（例えばＯ２）との反応により他の生成物（例えばＨ２Ｏ）となることで、生成したガスが消費されることをいう。ＳＯＥＣへの供給ガス、生成ガス中には水分が含まれるため、水素生成能力、ガスリーク流量などを測定するためには、蒸気が凝縮しない状態で流量や成分を測定する必要がある。本実施例では、負極側の流量計３３と湿度計３５をオーブン７５内に配置することで、水蒸気の凝縮を防止して、正確な水蒸気量を測定することができる。流量計３３と湿度計３５は、使用温度が１５０－１８０℃でも可能な高温用のものである。本実施例の装置により、Ｈ２Ｏを含めてＳＯＥＣ正極、負極の出口ガス組成・流量が測定可能となった。そして、これらの結果により正極から負極へのＮ２リーク流量（図１２（Ａ）の黒四角のプロット）、正極から負極へのＯ２リーク流量と負極から正極へのＨ２リーク流量によるＨ２の減少量（図１２（Ａ）の黒三角のプロットの理論値と測定値との差）、正極から負極へのＯ２リーク流量と負極から正極へのＨ２Ｏリーク流量によるＨ２Ｏ量の増減（図１２（Ａ）のひし形のプロットの理論値と測定値との差）、負極から正極へのＨ２リーク流量（正極側Ｏ２と反応してＨ２Ｏが生成）と負極から正極へのＨ２Ｏリーク流量による正極でのＨ２Ｏ発生量（図１２（Ｂ）の白抜きひし形のプロット）、さらに負極から正極へのＨ２リーク流量と正極から負極へのＯ２リーク流量による正極におけるＯ２の減少量（図１２（Ｂ）の黒ひし形のプロットの理論値と測定値との差）などを求めることができる。
【0049】
また、図１３から、正負電極入口と出口でのＨ、Ｏ、ＮのマテリアルバランスはＨ、Ｏ、Ｎとも２％以内で、流量計の不確かさ程度のずれのみであることから、各電極１２、１３からセル周辺へのリークはほぼないことが示された。そのような場合は、正負極間のリーク（負極から正極または正極から負極へ電解質を介して移動するリークを指す）のみを考慮すればよい。そして、ガスラインＬ４、Ｌ７を流れる湿度計３５、測定装置４１、露点計４７、酸素濃度計４８等のセンサ類のセンサ値から、正極側から負極側にリークする窒素量、正極側から負極側にリークする酸素量、負極側から正極側にリークする水素量、負極側から正極側にリークする水蒸気量が、下記式（１４）－（２０）から求めることができる。
【0050】
電解電流をＩ（Ａ）とすると、電解により発生するＨ２は、下記式（１４）で示される。
60（秒）×22400I/2F(sccm) = aI （１４）
a=6.965 sccm/A Ｆ：ファラデー定数
また、水素のリーク流量は下記式より計算される。
負極出口理論Ｈ２流量 fNtheoH2 = fNinH2 ＋ aI （１５）
fNinH2：Ｈ２供給流量
負極出口消耗Ｈ２流量 fNcomH2 = fNinH2 ＋ aI - fNH2 （１６）
なお、消耗流量とは、負極から正極やセル外部へのリーク分と正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量分を合わせた流量をいう。
fNH2：負極出口のＨ２流量（式（７）より）
正極から負極へのリークＮ２流量 fP-NN2 = fNN2 （１７）
fNN2：負極出口のＮ２流量（式（６）より）
正極から負極へのリークＯ２流量 fP-NO2 = fPinO2 ＋ 0.5aI - fPO2 - 0.5fN-PH2（１８）
fPO2：正極出口のＯ２流量（式（１１）より）
fPinO2：正極入り口のＯ２供給流量
負極から正極へのリークＨ２流量 fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （１９）
fN-PH2O：負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量
水蒸気のマテリアルバランス fNH2O = fNinH2O - fN-PH2O ＋ 2fP-NO2 - aI（２０）
fNinH2O：Ｈ２Ｏ供給流量
60（秒）×22400I/2F(sccm) = aI （１４）
a=6.965 sccm/A Ｆ：ファラデー定数
また、水素のリーク流量は下記式より計算される。
負極出口理論Ｈ２流量 fNtheoH2 = fNinH2 ＋ aI （１５）
fNinH2：Ｈ２供給流量
負極出口消耗Ｈ２流量 fNcomH2 = fNinH2 ＋ aI - fNH2 （１６）
なお、消耗流量とは、負極から正極やセル外部へのリーク分と正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量分を合わせた流量をいう。
fNH2：負極出口のＨ２流量（式（７）より）
正極から負極へのリークＮ２流量 fP-NN2 = fNN2 （１７）
fNN2：負極出口のＮ２流量（式（６）より）
正極から負極へのリークＯ２流量 fP-NO2 = fPinO2 ＋ 0.5aI - fPO2 - 0.5fN-PH2（１８）
fPO2：正極出口のＯ２流量（式（１１）より）
fPinO2：正極入り口のＯ２供給流量
負極から正極へのリークＨ２流量 fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （１９）
fN-PH2O：負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量
水蒸気のマテリアルバランス fNH2O = fNinH2O - fN-PH2O ＋ 2fP-NO2 - aI（２０）
fNinH2O：Ｈ２Ｏ供給流量
【0051】
正極から負極へのリークＯ２流量、負極から正極へのリークＨ２流量、負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量は、以下の考え方により、求めることができる。
正極、負極間のガスリークについて、負極からはＨ２Ｏが正極側にリークし、正極からはＯ２が負極側にリークする。ここで、理論水蒸気流量に比べてＨ２Ｏ流量（ガスラインＬ４を流れる水蒸気流量であって、上記式（５）から計算されるfNH2Oである。）が多い場合、正極からリークしたＯ２が負極側のＨ２と反応することでＨ２Ｏが生成し、Ｈ２Ｏ量が過剰になったと考えられる（2fP-NO2 ＞ fN-PH2Oともいえる）。前記理論水蒸気流量は、負極に供給した水蒸気流量（fNinH2O）から電解反応した水蒸気流量（aI）を引いた値「fNinH2O - aI」である。したがって、この場合は、正極から負極へのリークＯ２量が多く、負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量はほぼゼロと考えてよい。一方、理論水蒸気流量に比べてガスラインＬ４を流れるＨ２Ｏ流量が少ない又は同じ場合、先とは反対にＨ２Ｏ量が不足している（過剰ではない）ことから、負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量が多く（2fP-NO2 ≦ fN-PH2Oともいえる）、正極から負極へのリークＯ２量はほぼゼロと考えてよい。本実施例では、図１２（Ａ）から（ひし形のプロットで示す）、理論水蒸気流量に比べて負極側で測定されるＨ２Ｏ流量が多いことから、前者に該当し、下記式（２１）、（２２）が成り立つ。
fP-NO2 = 0.5（fNH2O -（fNinH2O - aI）） （２１）
fN-PH2O = 0、fN-PH2 = fPH2O （２２）
一方、理論水蒸気流量に比べて負極側で測定されるＨ２Ｏ流量が少ない又は同じ場合は、下記式（２３）、（２４）が成り立つ。
fN-PH2O = fNinH2O - aI - fNH2O （２３）
fP-NO2 = 0、fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （２４）
正極、負極間のガスリークについて、負極からはＨ２Ｏが正極側にリークし、正極からはＯ２が負極側にリークする。ここで、理論水蒸気流量に比べてＨ２Ｏ流量（ガスラインＬ４を流れる水蒸気流量であって、上記式（５）から計算されるfNH2Oである。）が多い場合、正極からリークしたＯ２が負極側のＨ２と反応することでＨ２Ｏが生成し、Ｈ２Ｏ量が過剰になったと考えられる（2fP-NO2 ＞ fN-PH2Oともいえる）。前記理論水蒸気流量は、負極に供給した水蒸気流量（fNinH2O）から電解反応した水蒸気流量（aI）を引いた値「fNinH2O - aI」である。したがって、この場合は、正極から負極へのリークＯ２量が多く、負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量はほぼゼロと考えてよい。一方、理論水蒸気流量に比べてガスラインＬ４を流れるＨ２Ｏ流量が少ない又は同じ場合、先とは反対にＨ２Ｏ量が不足している（過剰ではない）ことから、負極から正極へのリークＨ２Ｏ流量が多く（2fP-NO2 ≦ fN-PH2Oともいえる）、正極から負極へのリークＯ２量はほぼゼロと考えてよい。本実施例では、図１２（Ａ）から（ひし形のプロットで示す）、理論水蒸気流量に比べて負極側で測定されるＨ２Ｏ流量が多いことから、前者に該当し、下記式（２１）、（２２）が成り立つ。
fP-NO2 = 0.5（fNH2O -（fNinH2O - aI）） （２１）
fN-PH2O = 0、fN-PH2 = fPH2O （２２）
一方、理論水蒸気流量に比べて負極側で測定されるＨ２Ｏ流量が少ない又は同じ場合は、下記式（２３）、（２４）が成り立つ。
fN-PH2O = fNinH2O - aI - fNH2O （２３）
fP-NO2 = 0、fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （２４）
【0052】
上記式（２１）、（２２）と、上記式（１８）－（２０）から、正極から負極へのリークＯ２流量、負極から正極へのリークＨ２流量を求めた結果を図１４に示す。この結果から、正負極間の全てのリーク流量の電界電流依存性等を正確に評価することができることが分かった。
本実施例によれば、セル負極からのＨ２のリーク流量、正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量などの測定が可能となることから、水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
以上より本実施例の装置により、Ｈ２Ｏを含めてＳＯＥＣ正極、負極の出口ガス組成・流量が測定可能となった。そして、本実施例によれば、セル負極からのＨ２のリーク流量、正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量などの測定が可能となることから、水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
本実施例によれば、セル負極からのＨ２のリーク流量、正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量などの測定が可能となることから、水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
以上より本実施例の装置により、Ｈ２Ｏを含めてＳＯＥＣ正極、負極の出口ガス組成・流量が測定可能となった。そして、本実施例によれば、セル負極からのＨ２のリーク流量、正極から負極へのＯ２の漏れ込みによるＨ２の消費量などの測定が可能となることから、水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
【0053】
なお、マテリアルバランス測定の結果、セル周辺へのリークが無視できない場合でも正極から周辺部へのＮ２とＯ２リーク流量（fsO2）が供給ガス組成を保ちながら、Ｎ２とＯ２がリークするなどの場合は、セル周辺部へのＮ２リーク流量からセル周辺部へのＯ２リーク流量が以下のように計算できる。この判断基準は、測定者（評価者）が期待する測定精度、測定器の測定精度による。例えば１％精度でリーク流量を測定したい場合はマテリアルバランスもその程度の精度で測定する。その場合、精度が１％より十分大きければリークがあるということになる。一方、測定者が５％程度の精度でも問題ないと判断すれば、同じ測定値の場合でも誤差の範囲ということになる。そして、このリークは、上記した電解質を介する正負極間のリーク（セル内部のリーク）とは異なり、ガスラインＬ４、Ｌ７を流れることなく、セル外部に放出されるリークのことをいう。この場合は、以下の考え方により、求めることができる。電解セル外部にリークしたガス流量をそれぞれfsN2、fsO2、fsH2、fsH2Oとするとマテリアルバランスから、以下の式が導かれる。なお、下記式中、未知数はfsN2、fsO2、fsH2、fsH2Oのみであり、他の値は設定値、測定値又は上記式（１）－（１４）等から算出される。
【0054】
fPinN2 = fNN2 ＋ fPN2 ＋ fsN2 （２５）
fNinH2 ＋ fNinH2O = fNH2 ＋ fNH2O ＋ fPH2O ＋ fsH2 ＋ fsH2O （２６）
fPinO2 ＋ 0.5fNinH2O = fPO2 ＋ 0.5 fNH2O ＋ 0.5 fPH2O ＋ 0.5 fsH2O ＋ fsO2 （２７）
fsH2：Ｈ２の形で周辺にリークする流量
fsH2O：Ｈ２Ｏの形で周辺にリークする流量
fsO2：Ｏ２の形で周辺にリークする流量
fsN2：Ｎ２の形で周辺にリークする流量
fPinN2：正極入り口のＮ２供給量（正極のみ）
fNinH2 ＋ fNinH2O = fNH2 ＋ fNH2O ＋ fPH2O ＋ fsH2 ＋ fsH2O （２６）
fPinO2 ＋ 0.5fNinH2O = fPO2 ＋ 0.5 fNH2O ＋ 0.5 fPH2O ＋ 0.5 fsH2O ＋ fsO2 （２７）
fsH2：Ｈ２の形で周辺にリークする流量
fsH2O：Ｈ２Ｏの形で周辺にリークする流量
fsO2：Ｏ２の形で周辺にリークする流量
fsN2：Ｎ２の形で周辺にリークする流量
fPinN2：正極入り口のＮ２供給量（正極のみ）
【0055】
式（２５）では、fsN2のみ未知数であるため、当該式からfsN2を求めることができる。さらに何らかの方法によりfsN2とfsO2の関係が求められる場合、例えばfPinO2≫0.5aIの場合（Ｏ２供給流量が過剰の場合を意味するが、所定倍以上とする基準は測定者（評価者）が判断する。）は、電解により生成するＯ２は0.5aIであることから、電解により生成するＯ２の正極酸素濃度に対する影響は小さく、正極のＮ２供給量とＯ２供給量の比とリークしたＮ２量とＯ２量の比はほぼ等しいと考えられるので下記式（２８）が成立し、式（２８）からfsO2を求めることができる。
fsO2 = （fPinO2 / fPinN2）fsN2 （２８）
fsO2が求められれば、上記式（２７）からfsH2Oを、上記式（２６）から、fsH2を求めることができる。
このように、マテリアルバランスと上記式（２８）など、fsN2とfsO2の関係が規定できる式が得られれば、これらから、窒素、酸素、水蒸気、水素の電解セル外部周辺へのリークの測定も可能となる。従って、Ｏ２などのリーク流量が推定あるいは測定できれば、上記の方法でセル周辺部へのリーク流量が可能となり得られた値を用いて、電極間の各種リーク流量が以下のように計算可能となる。
2fP-NO2 ＞ fN-PH2Oの時
fP-NO2 = 0.5（fNH2O -（fNinH2O - aI - fsH2O）） （２９）
fN-PH2O = 0、fN-PH2 = fPH2O （３０）
2fP-NO2 ≦ fN-PH2O
fN-PH2O = fNinH2O - aI - fsH2O - fNH2O （３１）
fP-NO2 = 0、fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （３２）
よって水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
fsO2 = （fPinO2 / fPinN2）fsN2 （２８）
fsO2が求められれば、上記式（２７）からfsH2Oを、上記式（２６）から、fsH2を求めることができる。
このように、マテリアルバランスと上記式（２８）など、fsN2とfsO2の関係が規定できる式が得られれば、これらから、窒素、酸素、水蒸気、水素の電解セル外部周辺へのリークの測定も可能となる。従って、Ｏ２などのリーク流量が推定あるいは測定できれば、上記の方法でセル周辺部へのリーク流量が可能となり得られた値を用いて、電極間の各種リーク流量が以下のように計算可能となる。
2fP-NO2 ＞ fN-PH2Oの時
fP-NO2 = 0.5（fNH2O -（fNinH2O - aI - fsH2O）） （２９）
fN-PH2O = 0、fN-PH2 = fPH2O （３０）
2fP-NO2 ≦ fN-PH2O
fN-PH2O = fNinH2O - aI - fsH2O - fNH2O （３１）
fP-NO2 = 0、fN-PH2 = fPH2O - fN-PH2O （３２）
よって水素生成能力、ガスリーク流量などを含めた、ＳＯＥＣの正確な評価が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0056】
水蒸気電解の他、原料として二酸化炭素を用いた場合や水蒸気と二酸化炭素を用いた共電解にも利用可能性がある。また、水蒸気からの水素製造分野の他、主に水蒸気を含むガスを精密に供給して各種製品を製造する分野において利用可能性がある。
【符号の説明】
【0057】
１ ＳＯＥＣ
２ 外部電源
３ 電力計
１０ 電解セルの試験装置
１１ 電解質
１２ 正極
１３ 負極
２１、２３ 測定用ガス
２７、２９、３２、４３、５５、５７、５９、６１、６３、６４ 流量制御器
３３、４５ 流量計
３５ 湿度計
３７ チラー
４７ 露点計
４８ 酸素濃度計
４９ バルブ
５１、５３ 校正用ガス
５２、５４ 反応管
６５、６７、６９、７１、７３、７４、８７ 切替バルブ
７５、７７、７９ オーブン
８１、８３ 高精度流量計
２ 外部電源
３ 電力計
１０ 電解セルの試験装置
１１ 電解質
１２ 正極
１３ 負極
２１、２３ 測定用ガス
２７、２９、３２、４３、５５、５７、５９、６１、６３、６４ 流量制御器
３３、４５ 流量計
３５ 湿度計
３７ チラー
４７ 露点計
４８ 酸素濃度計
４９ バルブ
５１、５３ 校正用ガス
５２、５４ 反応管
６５、６７、６９、７１、７３、７４、８７ 切替バルブ
７５、７７、７９ オーブン
８１、８３ 高精度流量計
【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】