特開 2024-172166 水電解装置およびその動作方法

(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】P2024172166

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】水電解装置およびその動作方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20241205BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241205BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241205BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20241205BHJP

   C25B 15/02 20210101ALI20241205BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20241205BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20241205BHJP

   C02F 1/461 20230101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B9/23

C25B1/04

C25B15/08 302

C25B15/02

C25B15/00 303

C25B15/00 302Z

C25B13/02 302

C02F1/461 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089710

(22)【出願日】2023-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003177

【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤井 健志

(72)【発明者】

【氏名】平方 聡樹

【テーマコード（参考）】

4D061

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D061DA01

4D061DB20

4D061EA02

4D061EB01

4D061EB04

4D061EB13

4D061EB19

4D061EB28

4D061EB29

4D061EB30

4D061EB35

4D061EB37

4D061EB39

4D061ED20

4D061FA20

4D061GA14

4D061GC02

4D061GC11

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC06

4K021CA08

4K021DB36

4K021DB43

4K021DB49

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA05

(57)【要約】

【課題】陰極部の近傍における不純物の蓄積に起因した電解性能の低下を抑制する。
【解決手段】水電解装置１１は、陰極部３１と陽極部３２との間にアニオン交換膜３３が設置された水電解セル２１と、水電解セル２１に給電する電源装置２２とを具備し、電源装置２２が水電解セル２１に給電する状態で水電解セル２１に電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、陰極部３１に除去液を供給することで陰極部３１の近傍の不純物を除去する除去動作とを実行する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、
前記水電解セルに給電する電源装置とを具備し、
前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、
前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作と
を実行する水電解装置。

【請求項2】

前記水電解セルは、前記陰極部に連通する第１流路が形成された第１流路部材を含み、
前記除去動作は、前記第１流路部材を介して前記陰極部に前記除去液を供給する第１除去動作を含む
請求項１の水電解装置。

【請求項3】

前記第１除去動作は、前記電解動作に並行して実行される
請求項２の水電解装置。

【請求項4】

前記第１除去動作の実行中における前記陰極部の電圧を、前記電解動作の実行中における前記陰極部の電圧を上回る電圧に設定する
請求項２または請求項３の水電解装置。

【請求項5】

前記水電解セルは、前記陽極部に連通する第２流路が形成された第２流路部材を含み、
前記除去動作は、前記電源装置による給電が停止した状態において、前記第２流路部材と前記陽極部と前記アニオン交換膜とを介して、前記電解液を前記除去液として前記陰極部に供給する第２除去動作を含む
請求項１の水電解装置。

【請求項6】

前記水電解セルに対する印加電圧が所定値を上回る場合に前記除去動作を実行する
請求項１の水電解装置。

【請求項7】

陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、
前記水電解セルに給電する電源装置とを具備する水電解装置の動作方法であって、
前記水電解装置に、
前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、
前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作と
を実行させる水電解装置の動作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電解質膜を利用した水電解のための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばアニオン交換膜（ＡＥＭ：Anion Exchange Membrane）等の電解質膜を利用した水電解により水素を製造する各種の技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、陽極触媒層と陰極触媒層との間に電解質膜が設置された水電解デバイスが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７１０２５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術においては、陽極触媒層に供給された電解液が電解質膜を通過して陰極触媒層に供給されることで水電解が発生する。以上の構成においては、長期間にわたる動作により、電解液中の不純物が陰極触媒層の近傍（例えば陰極触媒層と電解質膜との界面）に蓄積される。陰極触媒層の近傍に不純物が蓄積されると、電解性能が低下するという課題がある。以上の事情を考慮して、本開示のひとつの態様は、陰極部の近傍における不純物の蓄積に起因した電解性能の低下を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以上の課題を解決するために、本開示のひとつの態様に係る水電解装置は、陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、前記水電解セルに給電する電源装置とを具備し、前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作とを実行する。

【0006】

本開示のひとつの態様に係る水電解装置の動作方法は、陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、前記水電解セルに給電する電源装置とを具備する水電解装置の動作方法であって、前記水電解装置に、前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作とを実行させる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る水電解システムの構成図である。

【図2】水電解システムの動作の説明図である。

【図3】第１実施形態の効果の説明図である。

【図4】第２実施形態に係る水電解システムの構成図である。

【図5】第２実施形態に係る水電解システムの動作の説明図である。

【図6】第３実施形態における制御装置の動作を表すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、各要素の寸法および縮尺が実際の製品とは相違する場合がある。また、以下に説明する形態は、本開示を実施する場合に想定される例示的な一形態である。したがって、本開示の範囲は、以下に例示する形態には限定されない。

【0009】

Ａ：第１実施形態
図１は、第１実施形態における水電解システム１００の構成図である。第１実施形態の水電解システム１００は、水電解装置１１と制御装置１２とを具備する。水電解装置１１は、水電解により水素と酸素とを生成するシステムであり、水電解セル２１と電源装置２２と第１供給機構２３と第２供給機構２４とを具備する。

【0010】

水電解セル２１は、水電解により水素と酸素とを生成する機構であり、膜電極接合体３０（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と第１流路部材４１と第２流路部材４２と第１ガスケット５１と第２ガスケット５２とを具備する。第１流路部材４１と第２流路部材４２との間に膜電極接合体３０が設置される。具体的には、第１流路部材４１と第２流路部材４２とが例えばネジまたはボルト等の締結具により相互に固定され、第１流路部材４１と第２流路部材４２との間に膜電極接合体３０が挟持される。

【0011】

膜電極接合体３０は、水電解により水素と酸素とを発生させる。第１実施形態の膜電極接合体３０は、陰極部３１と陽極部３２とアニオン交換膜３３との積層で構成される。具体的には、陰極部３１と陽極部３２との間にアニオン交換膜３３が設置される。

【0012】

アニオン交換膜３３（ＡＥＭ：Anion Exchange Membrane）は、水酸化物イオン（ＯＨ^－）等の陰イオンが選択的に移動可能な電解質膜である。例えばＡ２０１（トクヤマ製）等の各種の高分子材料により、アニオン交換膜３３が形成される。ただし、アニオン交換膜３３の材料は任意であり、以上の例示には限定されない。例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等の高分子材料により、アニオン交換膜３３が形成されてもよい。

【0013】

第１実施形態のアニオン交換膜３３は、第１面Ｆ1と第２面Ｆ2とを含む矩形状の薄膜である。第１面Ｆ1および第２面Ｆ2は、相互に反対側に位置する表面である。アニオン交換膜３３の膜厚は例えば３０μｍ程度である。

【0014】

陰極部３１は、第１面Ｆ1に積層される。陰極部３１においては、以下に例示する第１反応により水素ガスが発生する。
４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→２Ｈ_２＋４ＯＨ^－

【0015】

図１に例示される通り、陰極部３１は、陰極触媒層３１１と陰極拡散層３１２との積層で構成される。第１面Ｆ1と陰極拡散層３１２との間に陰極触媒層３１１が位置する。陰極触媒層３１１は、第１面Ｆ1に密着する薄膜であり、第１反応を促進する。例えば白金（Ｐｔ）等の金属材料を担持したカーボンにより陰極触媒層３１１が形成される。なお、陰極触媒層３１１の材料は任意であり、例えばニッケル（Ｎｉ）等の材料が利用されてもよい。

【0016】

陰極拡散層３１２は、第１反応により発生した水素ガスを効率的に分離および排出するための要素である。例えばニッケル（Ｎｉ）フォームまたは炭素系材料の多孔質膜が、陰極拡散層３１２として利用される。また、陰極拡散層３１２は、導電材料により形成され、陰極触媒層３１１が授受する電子の経路としても機能する。

【0017】

陽極部３２は、第２面Ｆ2に積層される。陽極部３２においては、以下に例示する第２反応により酸素ガスが発生する。
４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－

【0018】

図１に例示される通り、陽極部３２は、陽極触媒層３２１と陽極拡散層３２２との積層で構成される。第２面Ｆ2と陽極拡散層３２２との間に陽極触媒層３２１が位置する。陽極触媒層３２１は、第２面Ｆ2に密着する薄膜であり、前述の第２反応を促進する。例えばイリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）またはニッケル（Ｎｉ）等の金属材料により陽極触媒層３２１が形成される。以上に例示した金属材料の酸化物により陽極触媒層３２１が形成されてもよい。陰極触媒層３１１と陽極触媒層３２１との間にアニオン交換膜３３が位置する。

【0019】

陽極拡散層３２２は、第２反応により発生した酸素ガスを効率的に分離および排出するための要素である。例えばニッケル（Ｎｉ）フォームまたは炭素系材料の多孔質膜が陽極拡散層３２２として利用される。陽極拡散層３２２は、電解液を陽極触媒層３２１（さらにはアニオン交換膜３３）に効率的に供給するための要素としても機能する。また、陽極拡散層３２２は、導電材料により形成され、陽極触媒層３２１が授受する電子の経路としても機能する。

【0020】

第１流路部材４１は、金属等の導電材料により形成された板状の構造体（セパレータ）である。第１流路部材４１は、陰極部３１を挟んで第１面Ｆ1に対向する。すなわち、陰極部３１は、第１面Ｆ1と第１流路部材４１との間に位置する。

【0021】

第１流路部材４１のうち第１面Ｆ1との対向面には第１流路４１１が形成される。第１流路４１１は、陰極部３１に連通する流路である。例えば、第１反応により陰極部３１に発生した水素ガスが第１流路４１１に流通する。

【0022】

また、第１流路部材４１には、第１供給管４１２と第１排出管４１３とが設置される。第１供給管４１２は、後述の除去液を水電解セル２１に供給するための管路である。第１排出管４１３は、第１反応により発生した水素ガスと余剰の電解液とを排出するための管路である。

【0023】

第２流路部材４２は、金属等の導電材料により形成された板状の構造体（セパレータ）である。第２流路部材４２は、陽極部３２を挟んで第２面Ｆ2に対向する。すなわち、陽極部３２は、第２面Ｆ2と第２流路部材４２との間に位置する。

【0024】

第２流路部材４２のうち第２面Ｆ2との対向面には第２流路４２１が形成される。第２流路４２１は、陽極部３２に連通する流路である。例えば、第２反応により陽極部３２に発生した酸素ガスが第２流路４２１に流通する。第２流路４２１は、電解液を流通させる経路としても機能する。

【0025】

また、第２流路部材４２には第２供給管４２２と第２排出管４２３とが設置される。第２供給管４２２は、水電解セル２１に電解液を供給するための管路である。第２排出管４２３は、第２反応により発生した酸素ガスと余剰の電解液とを排出するための管路である。

【0026】

第１ガスケット５１は、第１流路部材４１とアニオン交換膜３３との間の空間に陰極部３１を密封する矩形枠状のシール部材である。同様に、第２ガスケット５２は、第２流路部材４２とアニオン交換膜３３との間の空間に陽極部３２を密封するための矩形枠状のシール部材である。第１ガスケット５１および第２ガスケット５２は、例えば、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種の弾性材料により形成される。

【0027】

電源装置２２は、水電解セル２１に給電する直流電源である。具体的には、電源装置２２は、第１流路部材４１と第２流路部材４２とに電気的に接続される。第１実施形態の電源装置２２は、水電解セル２１に所定値の電流が供給されるように両端間の電圧を制御する定電流源である。例えば水電解時の電流密度は１Ａ／ｃｍ^２程度である。なお、電源装置２２は陰極部３１と陽極部３２とに電気的に接続されてもよい。

【0028】

第２供給機構２４は、第２容器２４１と第２ポンプ２４２とを含む。第２容器２４１は、電解液を貯留する容器である。電解液は、例えば純水またはアルカリ性溶液である。第１実施形態の電解液は、純水と水酸化カリウム（ＫＯＨ）との混合液である。例えば、２０μＳ／ｃｍ程度の純水に１Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）の濃度で水酸化カリウムを混合した水溶液が電解液として利用される。なお、アニオン交換膜３３は、純水に混在する不純物（例えばシリカ）による被毒が少ないから、例えばプロトン交換膜等の他の電解質膜と比較して低純度（例えば２０μＳ／ｃｍ）の純水を利用できる。したがって、水電解の運用コストを低減できる。なお、電解液に含まれる不純物としては、例えばナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはカルシウム（Ｃａ）等の金属イオンも例示される。

【0029】

第２ポンプ２４２は、第２容器２４１に貯留された電解液を水電解セル２１に供給する送液機構である。具体的には、第２ポンプ２４２は、第２容器２４１内の電解液を第２流路部材４２の第２供給管４２２に供給する。第２ポンプ２４２から送出された電解液は、第２供給管４２２を介して第２流路４２１に供給される。

【0030】

第２流路部材４２の第２流路４２１に供給された電解液は、陽極部３２とアニオン交換膜３３とを通過して陰極部３１に到達する。電源装置２２が水電解セル２１に給電する状態では、電解液を利用した前述の第２反応により、陽極部３２において酸素ガスが発生する。第２反応により発生した酸素ガスと余剰の電解液とは、第２排出管４２３から第２容器２４１に排出される。第２容器２４１は、酸素ガスと電解液とを分離する気液分離槽として機能する。

【0031】

第１供給機構２３は、第１容器２３１と第１ポンプ２３２とを含む。第１容器２３１は、電解液を貯留する容器である。電源装置２２が水電解セル２１に給電する状態では、陽極部３２側から供給される電解液を利用した前述の第１反応により、陰極部３１において水素ガスが発生する。第１反応により発生した水素ガスと余剰の電解液とは、第１排出管４１３から第１容器２３１に排出される。第１容器２３１は、水素ガスと電解液とを分離する気液分離槽として機能する。

【0032】

以上に説明した通り、電源装置２２が水電解セル２１に給電する状態において水電解セル２１に電解液を供給することで、第１反応と第２反応とを含む水電解の動作（以下「電解動作」という）が実行される。

【0033】

電解動作が長期間にわたり反復された場合、図１に例示される通り、電解液に混在する不純物が陰極部３１の近傍に蓄積される場合がある。具体的には、陰極触媒層３１１とアニオン交換膜３３との界面、または陰極部３１（特に陰極触媒層３１１）の内部に、濃縮された不純物が蓄積される。例えばシリカ等の酸化物またはナトリウム等の金属イオンが、電解液の不純物として例示される。なお、陽極部３２の近傍には電解液が充分な流量で定常的に供給されるから、陰極部３１の近傍と比較して不純物の蓄積は顕在化し難い。

【0034】

陰極部３１の近傍に不純物が蓄積された状態では、陰極触媒層３１１における触媒活性またはアニオン交換膜３３の導電率が低下し、結果的に水電解セル２１による電解性能が低下する。電解性能は、例えば単位時間内に生成可能な水素量である。

【0035】

以上の課題を解決するために、陰極部３１に除去液を供給することで当該陰極部３１の近傍の不純物が除去される。具体的には、第１実施形態においては、第１容器２３１に貯留された電解液が、陰極部３１の近傍の不純物を除去するための除去液として利用される。

【0036】

第１供給機構２３の第１ポンプ２３２は、第１容器２３１に貯留された除去液（電解液）を水電解セル２１に供給する送液機構である。具体的には、第１ポンプ２３２は、第１流路部材４１の第１供給管４１２に除去液を供給する。除去液の流量は、例えば５ｍＬ／ｍｉｎ程度である。なお、第１ポンプ２３２から送出される除去液の流量は任意である。すなわち、除去液の流量は、電解動作において第２ポンプ２４２から送出される電解液の流量と同等でもよいし、電解液の流量と比較して多くても少なくてもよい。

【0037】

第１流路部材４１に供給された除去液は、第１流路４１１から陰極部３１に流入し、陰極拡散層３１２と陰極触媒層３１１とを通過してアニオン交換膜３３に到達する。除去液は、陽極部３２側から供給される余剰の電解液とともに陰極部３１を通過して第１流路４１１に流入し、最終的には第１排出管４１３から第１容器２３１に排出される。陰極部３１の近傍の不純物は、除去液の流動とともに移動し、陰極部３１および第１流路４１１を経由して第１排出管４１３から排出される。以上の説明から理解される通り、第１実施形態においては、第１流路部材４１を介して陰極部３１に除去液を供給することで陰極部３１の近傍の不純物を除去する動作（以下「第１除去動作」という）が実行される。なお、陰極拡散層３１２は、第１除去動作において除去液を陰極触媒層３１１に効率的に供給するための要素として機能する。

【0038】

以上に説明した通り、第１実施形態においては、陰極部３１に除去液が供給されることで陰極部３１の近傍の不純物が除去される。したがって、不純物の蓄積に起因した電解性能の低下を抑制できる。第１実施形態においては特に、第１流路部材４１を介して陰極部３１に除去液が供給されるから、陰極部３１の近傍の不純物を効果的に除去できる。

【0039】

図１の制御装置１２は、水電解装置１１の動作を制御する。制御装置１２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、半導体メモリまたは磁気記録媒体等の記憶装置とを具備するコンピュータシステムである。記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、演算装置は各種の処理を実行する。具体的には、制御装置１２は、電源装置２２、第１ポンプ２３２および第２ポンプ２４２の動作を制御する。

【0040】

図２は、水電解システム１００の動作の説明図である。制御装置１２は、電解期間Ｅにおいて電解動作を水電解装置１１に継続的に実行させる。具体的には、制御装置１２は、電解期間Ｅにおいて、水電解セル２１に給電する状態に電源装置２２を維持し、かつ、第２容器２４１の電解液を水電解セル２１に供給する状態に第２ポンプ２４２を維持する。

【0041】

また、制御装置１２は、電解期間Ｅ内の複数の除去期間Ｃの各々において第１除去動作を水電解装置１１に実行させる。具体的には、各除去期間Ｃにおいて、制御装置１２は、第１容器２３１の除去液（電解液）を水電解セル２１に供給する動作を第１ポンプ２３２に実行させる。すなわち、第１実施形態においては、電解動作に並行して第１除去動作が間欠的に反復される。各除去期間Ｃでは、電源装置２２が水電解セル２１に給電する状態のもとで第１除去動作が実行される。

【0042】

各除去期間Ｃの継続時間Ｄおよび反復周期Ｔは任意である。例えば、反復周期Ｔが１日に設定された形態では、継続時間Ｄは１５分に設定される。また、反復周期Ｔが１週間に設定された形態では、継続時間Ｄは６０分に設定される。なお、反復周期Ｔは、第１除去動作の頻度に関する数値とも表現される。継続時間Ｄは除去期間Ｃの時間長であり、反復周期Ｔは、相前後する各除去期間Ｃの始点間の時間長である。

【0043】

図３は、第１実施形態の効果を説明するための図表である。図３の実施例１および実施例２が第１実施形態に相当する。すなわち、実施例１および実施例２は、第１除去動作により不純物を除去する形態である。実施例１は、反復周期Ｔが１日に設定され、継続時間Ｄが１５分に設定された形態である。また、実施例２は、反復周期Ｔが１週間に設定され、継続時間Ｄが６０分に設定された形態である。比較例は、陰極部３１の近傍の不純物を除去する動作を実行しない形態である。

【0044】

例えば陰極触媒層３１１の表面に不純物が蓄積されると、陰極触媒層３１１に対して電解液が接触する面積が減少し、結果的に第１反応が抑制される。また、陰極触媒層３１１とアニオン交換膜３３との界面に不純物が蓄積されると、アニオン交換膜３３の導電率が低下する。以上の通り、陰極部３１の近傍に不純物が蓄積されると、水電解セル２１に電流が流れ難くなる。前述の通り、電源装置２２は、水電解セル２１に所定値の電流が流れるように両端間の電圧を制御する。したがって、陰極部３１における不純物の蓄積に起因して、電源装置２２が水電解セル２１に印加する電圧（以下「印加電圧Ｖ」という）が上昇する。すなわち、印加電圧Ｖが高いほど不純物の蓄積が進行していると評価できる。図３には、水電解装置１１を１ヶ月にわたり稼動した場合に印加電圧Ｖの上昇が観測されたか否か（すなわち不純物の蓄積の有無）が図示されている。

【0045】

比較例においては、印加電圧Ｖの上昇が観測された。したがって、比較例では、電解動作に支障が発生する程度に陰極部３１の近傍に不純物が蓄積されたことが確認できる。他方、実施例１および実施例２においては、印加電圧Ｖの上昇は観測されていない。したがって、実施例１および実施例２においては、第１除去動作の実行により陰極部３１の近傍の不純物が有効に除去され、結果的に電解動作を支障なく継続できたことが確認できる。以上の通り、第１実施形態によれば、第１除去動作により陰極部３１の近傍の不純物が除去される結果、不純物の蓄積に起因した電解性能の低下を抑制できる。

【0046】

Ｂ：第２実施形態
本開示の第２実施形態を説明する。なお、以下に例示する各態様において機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明と同様の符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

【0047】

図４は、第２実施形態における水電解システム１００の構成図である。第２実施形態の水電解装置１１においては、第１実施形態の水電解装置１１から第１供給機構２３が省略される。水電解装置１１の他の構成は、第１実施形態と同様である。なお、第２実施形態において第１供給機構２３が設置されてもよい。

【0048】

第１実施形態においては、前述の通り、第１容器２３１内の除去液（電解液）を第１流路部材４１から陰極部３１に供給する第１除去動作により、陰極部３１の近傍の不純物が除去される。第２実施形態においては、第２容器２４１内の電解液が除去液として不純物の除去に利用される。すなわち、第２容器２４１内の電解液を除去液として第２流路部材４２から陰極部３１に供給する動作（以下「第２除去動作」という）により、陰極部３１の近傍の不純物が除去される。第２除去動作は、電源装置２２による給電が停止した状態で実行される。すなわち、電解動作が停止した状態で第２除去動作が実行される。

【0049】

第２除去動作において、第２供給機構２４の第２ポンプ２４２は、第２容器２４１に貯留された電解液を除去液として水電解セル２１に供給する。具体的には、第２ポンプ２４２は、第２流路部材４２の第２供給管４２２に除去液を供給する。なお、第２除去動作において第２ポンプ２４２から送出される除去液の流量は任意である。すなわち、除去液の流量は、電解動作において第２ポンプ２４２から送出される電解液の流量と同等でもよいし、電解液の流量と比較して多くても少なくてもよい。

【0050】

第２流路部材４２に供給された除去液は、第２流路４２１から陽極部３２に流入し、陽極部３２とアニオン交換膜３３とを通過して陰極部３１に到達する。除去液は、陰極部３１を通過して第１流路４１１に流入し、最終的には第１排出管４１３に排出される。陰極部３１の近傍の不純物は、以上に説明した除去液の流動により移動し、陰極部３１および第１流路４１１を経由して第１排出管４１３から排出される。以上の説明の通り、第２除去動作は、電源装置２２による給電が停止した状態において、第２流路部材４２と陽極部３２とアニオン交換膜３３とを介して、電解液を除去液として陰極部３１に供給する動作である。

【0051】

図５は、第２実施形態における水電解システム１００の動作の説明図である。第２実施形態の制御装置１２は、第１実施形態と同様に、電解期間Ｅにおいて電解動作を水電解装置１１に継続的に実行させる。具体的には、制御装置１２は、電解期間Ｅにおいて、水電解セル２１に給電する状態に電源装置２２を維持し、かつ、第２容器２４１の電解液を水電解セル２１に供給する状態に第２ポンプ２４２を維持する。

【0052】

制御装置１２は、電源装置２２による給電と第２ポンプ２４２の動作とを停止することで電解期間Ｅを終了する。電解期間Ｅの終了後に除去期間Ｃが開始される。具体的には、制御装置１２は、除去期間Ｃにおいて、電源装置２２を停止した状態に維持したまま、第２容器２４１の除去液（電解液）を水電解セル２１に供給する動作を第２ポンプ２４２に実行させる。

【0053】

すなわち、第１実施形態においては電解動作に並行して第１除去動作が実行されるのに対し、第２実施形態においては、電解動作の終了後（または停止中）に第１除去動作が実行される。したがって、第１実施形態においては電解期間Ｅと各除去期間Ｃとが時間軸上で重複するのに対し、第２実施形態においては電解期間Ｅと除去期間Ｃとが時間軸上で重複しない。なお、電解動作が間欠的に反復される形態においては、相前後する２個の電解期間Ｅの間の除去期間Ｃにおいて第２除去動作が実行される。また、第２ポンプ２４２が電解液を水電解セル２１に供給する動作が、電解期間Ｅと除去期間Ｃとにわたり連続的に継続されてもよい。

【0054】

第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態においては特に、第２流路部材４２を介した電解液の供給により陰極部３１の近傍の不純物が除去される。すなわち、電解動作のための電解液が不純物の除去のための除去液としても流用される。したがって、電解動作のための電解液を水電解セル２１に供給する第２供給機構２４とは別個に第１供給機構２３が必要である第１実施形態と比較して、水電解装置１１の規模を抑制できる。

【0055】

他方、第１実施形態においては、電解動作に並行して第１除去動作が実行される。したがって、電解動作が実行される電解期間Ｅとは別個の除去期間Ｃに第２除去動作が実行される第２実施形態と比較して、不純物の除去のために電解動作が時間的に制約されることを抑制できるという利点がある。

【0056】

Ｃ：第３実施形態
第１実施形態においては、第１除去動作が周期的に反復される形態を例示した。第３実施形態においては、水電解セル２１の状態に応じて第１除去動作が実行される。具体的には、陰極部３１の近傍に不純物が蓄積されることを条件として第１除去動作が実行される。

【0057】

前述の通り、陰極部３１における不純物の蓄積に起因して、水電解セル２１の印加電圧Ｖが上昇する。したがって、水電解セル２１の印加電圧Ｖは、陰極部３１の近傍に不純物が蓄積される度合の指標として利用可能である。以上の事情を背景として、第３実施形態の制御装置１２は、水電解セル２１の印加電圧Ｖに応じて第１除去動作の要否（不純物の蓄積の有無）を判定する。

【0058】

図６は、第３実施形態における制御装置１２の動作を表すフローチャートである。電解動作が実行される電解期間Ｅにおいて所定の周期で図６の処理が反復される。

【0059】

図６の処理を開始すると、制御装置１２は、水電解セル２１に対する印加電圧Ｖを取得する（Ｓ1）。例えば、制御装置１２は、電源装置２２に接続された電圧計（図示略）から印加電圧Ｖを取得する。なお、印加電圧Ｖは、第１流路部材４１と第２流路部材４２との間の電圧、または、陰極部３１と陽極部３２との間の電圧とも表現される。

【0060】

制御装置１２は、水電解セル２１の印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回るか否かを判定する（Ｓ2）。所定値Ｖrefは、陰極部３１の近傍に不純物が蓄積されていない状態で電解動作の実行中に水電解セル２１に印加される電圧を上回り、かつ、電解動作に支障が発生する程度に不純物が蓄積された状態で水電解セル２１に印加される電圧を下回るように、統計的または実験的に事前に設定される。したがって、陰極部３１の近傍に蓄積された不純物が少ない状態では印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを下回り、電解動作に支障が発生する程度に不純物が蓄積された状態では印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る。以上の説明から理解される通り、印加電圧Ｖと所定値Ｖrefとの比較は、不純物の除去の要否を判定する処理に相当する。所定値Ｖrefは、例えば、陰極部３１の近傍に不純物が蓄積されていない状態における既定の印加電圧Ｖを所定の電圧（例えば０．２Ｖ）だけ上回る電圧に設定される。

【0061】

印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る場合には不純物を除去する必要がある。したがって、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る場合（Ｓ2：YES）、制御装置１２は、水電解装置１１に第１除去動作を実行させる（Ｓ3）。具体的には、制御装置１２は、第１容器２３１の除去液（電解液）を水電解セル２１に供給する動作を第１ポンプ２３２に実行させる。また、制御装置１２は、除去期間Ｃが経過した場合に第１ポンプ２３２を停止することで第１除去動作を終了させる。

【0062】

他方、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを下回る場合には不純物を除去する必要がない。したがって、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを下回る場合（Ｓ2：NO）、制御装置１２は、水電解装置１１に第１除去動作を実行させることなく図６の処理を終了する。なお、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefと等しい場合には、第１除去動作を実行してもよいし実行しなくてもよい。

【0063】

第３実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。第３実施形態においては、水電解セル２１の印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る場合に第１除去動作が実行される。すなわち、陰極部３１の近傍に実際に不純物が蓄積した場合に第１除去動作が実行される。したがって、例えば所定の反復周期Ｔで第１除去動作が反復される第１実施形態と比較して、第１除去動作の過不足を抑制できる。他方、第１除去動作が反復周期Ｔで反復される第１実施形態によれば、第３実施形態と比較して第１除去動作の制御が簡便であるという利点がある。

【0064】

なお、以上の説明においては、第１実施形態を基礎として第３実施形態を説明したが、第２実施形態においても、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る場合に第２除去動作を実行する構成が採用され得る。具体的には、印加電圧Ｖが所定値Ｖrefを上回る場合（Ｓ2：YES）、制御装置１２は、電源装置２２による給電を停止したうえで第２ポンプ２４２を作動させることで、水電解装置１１に第２除去動作を実行させる。

【0065】

Ｄ：変形例
以上に例示した各態様に付加される具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を、矛盾しない範囲で適宜に併合してもよい。

【0066】

（１）第１実施形態に例示した第１除去動作と第２実施形態に例示した第２除去動作との双方が実行される形態も想定される。すなわち、電解期間Ｅ内の各除去期間Ｃにおいて第１除去動作が実行され、かつ、電解期間Ｅの終了後の除去期間Ｃにおいて第２除去動作が実行される。第１除去動作および第２除去動作は、陰極部３１に除去液を供給することで陰極部３１の近傍の不純物を除去する除去動作として包括的に表現される。

【0067】

（２）第１実施形態において、電解動作の実行中における陰極部３１の電圧Ｖaは、例えば接地電圧等の低電圧に設定される。しかし、電圧Ｖaが過度に低い電圧に維持された状態では、電解液に混在するナトリウムイオンまたはカリウムイオン等の金属イオン（カチオン）が陰極部３１において析出する可能性がある。

【0068】

以上に説明した金属イオンの析出を抑制するため、第１除去動作の実行中に陰極部３１の電圧を上昇させる形態も想定される。例えば、制御装置１２は、電源装置２２を制御することで、第１除去動作の実行中における陰極部３１の電圧Ｖbを、電解動作中の実行中における陰極部３１の電圧Ｖaを上回る電圧に設定する。

【0069】

以上の形態においては、第１除去動作の実行中に陰極部３１の電圧が上昇するから、陰極部３１における金属イオンの析出を抑制できる。したがって、金属イオンの析出に起因した電解性能の低下を抑制できる。

【0070】

（３）第１実施形態においては、電解動作に並行して第１除去動作が実行される形態を例示したが、電解動作の停止中に第１除去動作が実行されてもよい。すなわち、電解期間Ｅと各除去期間Ｃとの重複は第１実施形態において必須ではなく、電解期間Ｅと各除去期間Ｃとが相互に重複しない形態も想定される。

【0071】

（４）第１実施形態においては、第１除去動作の反復の条件（継続時間Ｄおよび反復周期Ｔ）が固定された形態を例示したが、第１除去動作の反復の条件は変更されてもよい。例えば、継続時間Ｄが経時的に増加する形態、または、反復周期Ｔが経時的に減少する形態（すなわち、第１除去動作の頻度が経時的に増加する形態）が想定される。

【0072】

（５）第１実施形態においては所定の反復周期Ｔで第１除去動作が反復される形態を例示し、第２実施形態においては電解期間Ｅの終了により第２除去動作が開始される形態を例示したが、除去動作（第１除去動作または第２除去動作）の実行の条件は、以上の例示に限定されず任意に変更される。例えば、利用者からの指示を契機として除去動作が実行されてもよい。また、水電解システム１００の起動の直後または停止の直前に、除去動作が実行されてもよい。

【0073】

（６）第１実施形態においては、第１流路部材４１の第１排出管４１３から排出される余剰の電解液を除去液として流用したが、電解動作用の電解液とは別個の除去液を第１除去動作に使用してもよい。以上の形態によれば、不純物の除去に好適な材料の溶液を、電解動作とは無関係に除去液として採用できる。

【0074】

（７）除去動作（第１除去動作または第２除去動作）において水電解セル２１に供給される除去液の流量が可変に制御されてもよい。例えば、制御装置１２は、除去動作の実行毎に除去液の流量を変更する。水電解セル２１のうち除去液が到達する部位は、除去動作における除去液の流量に依存するという傾向がある。したがって、除去液の流量を変化させる形態によれば、流量が一定である形態と比較して、水電解セル２１のうち不純物が特に有効に除去される部位が分散される。したがって、水電解セル２１の全体にわたり不純物を効果的に除去できる。

【0075】

（８）本願における「第ｎ」（ｎは自然数）という記載は、各要素を表記上において区別するための形式的かつ便宜的な標識（ラベル）としてのみ使用され、如何なる実質的な意味も持たない。したがって、「第ｎ」という表記を根拠として、各要素の位置または製造の順番等が限定的に解釈される余地はない。

【0076】

Ｅ：付記
以上に例示した形態から、例えば以下の構成が把握される。

【0077】

本開示のひとつの態様（態様１）に係る水電解装置は、陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、前記水電解セルに給電する電源装置とを具備し、前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作とを実行する。以上の構成によれば、陰極部に除去液が供給されることで陰極部の近傍の不純物が除去される。したがって、不純物の蓄積に起因した電解性能の低下を抑制できる。なお、「陰極部の近傍」は、水電解セルのうち陰極部側の部位である。具体的には、例えばアニオン交換膜の中心面からみて陰極部側の部位が「陰極部の近傍」に相当する。

【0078】

態様１の具体例（態様２）において、前記水電解セルは、前記陰極部に連通する第１流路が形成された第１流路部材を含み、前記除去動作は、前記第１流路部材を介して前記陰極部に前記除去液を供給する第１除去動作を含む。以上の態様においては、第１流路部材を介した除去液の供給により陰極部の近傍の不純物を効果的に除去できる。

【0079】

態様２の具体例（態様３）において、前記第１除去動作は、前記電解動作に並行して実行される。以上の態様においては、電解動作に並行して第１除去動作が実行されるから、電解動作が実行される期間とは別個の期間に除去動作が実行される形態と比較して、不純物の除去のために電解動作が時間的に制約されることを抑制できる。なお、第１除去動作と電解動作との「並行」は、第１除去動作が実行される期間の少なくとも一部と電解動作が実行される期間の少なくとも一部とが時間軸上で相互に重複することを意味する。

【0080】

態様２または態様３の具体例（態様４）において、前記第１除去動作の実行中における前記陰極部の電圧を、前記電解動作の実行中における前記陰極部の電圧を上回る電圧に設定する。以上の態様においては、第１除去動作の実行中に陰極部の電圧が上昇するから、陰極部における金属イオンの析出を抑制できる。

【0081】

態様１から態様４の何れかの具体例（態様５）において、前記水電解セルは、前記陽極部に連通する第２流路が形成された第２流路部材を含み、前記除去動作は、前記電源装置による給電が停止した状態において、前記第２流路部材と前記陽極部と前記アニオン交換膜とを介して、前記電解液を前記除去液として前記陰極部に供給する第２除去動作を含む。以上の態様においては、第２流路部材を介した電解液の供給により陰極部の近傍の不純物が除去される。電解動作のための電解液が不純物の除去のための除去液としても流用されるから、電解液とは別個の除去液のみが使用される形態と比較して、水電解装置の規模を抑制できる。

【0082】

態様１から態様５の何れかの具体例（態様６）において、前記水電解セルに対する印加電圧が所定値を上回る場合に前記除去動作を実行する。不純物の蓄積により電解性能が低下した場合に水電解セルに対する印加電圧が上昇する。したがって、印加電圧が所定値を上回る場合に除去動作を実行する形態によれば、除去動作の過不足を抑制できる。

【0083】

本開示のひとつの態様（態様７）に係る動作方法は、陰極部と陽極部との間にアニオン交換膜が設置された水電解セルと、前記水電解セルに給電する電源装置とを具備する水電解装置の動作方法であって、前記水電解装置に、前記電源装置が前記水電解セルに給電する状態で前記水電解セルに電解液を供給することで水電解を発生させる電解動作と、前記陰極部に除去液を供給することで前記陰極部の近傍の不純物を除去する除去動作とを実行させる。

【符号の説明】

【0084】

１００…水電解システム、１１…水電解装置、１２…制御装置、２１…水電解セル、２２…電源装置、２３…第１供給機構、２３１…第１容器、２３２…第１ポンプ、２４…第２供給機構、２４１…第２容器、２４２…第２ポンプ、３０…膜電極接合体、３１…陰極部、３１１…陰極触媒層、３１２…陰極拡散層、３２…陽極部、３２１…陽極触媒層、３２２…陽極拡散層、３３…アニオン交換膜、４１…第１流路部材、４１１…第１流路、４１２…第１供給管、４１３…第１排出管、４２…第２流路部材、４２１…第２流路、４２２…第２供給管、４２３…第２排出管、５１…第１ガスケット、５２…第２ガスケット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】