(57)【要約】【課題】  水電解装置において、水電解セル内の水不足による膜電極接合体の劣化や水電解装置の効率低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】  水の電気分解によって酸素と水素を生成する水電解装置であって、膜電極接合体を含み、水を電気分解する水電解セルと、水電解セルに水を供給する水供給部と、膜電極接合体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、膜電極接合体のインピーダンスを用いて水電解セル内の水の量を推定し、推定された推定水量を用いて、水電解セルへの水の供給量を調整するように水供給部を制御する制御部と、を備える。【選択図】  図１
2020143346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の電気分解によって酸素と水素を生成する水電解装置であって、
膜電極接合体を含み、水を電気分解する水電解セルと、
前記水電解セルに水を供給する水供給部と、
前記水電解セル内の水の量を推定する水量推定部と、
前記水量推定部によって推定された推定水量を用いて、前記水電解セルへの水の供給量を調整するように前記水供給部を制御する制御部と、を備える、
水電解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水電解装置であって、
前記水電解セルは、前記膜電極接合体の一方の面に配置され生成された酸素が流れる酸素極側流路と、前記膜電極接合体の他方の面に配置され生成された水素が流れる水素極側流路と、を含み、
前記水供給部は、前記酸素極側流路と前記水素極側流路の両方に水を供給可能であり、
前記制御部は、前記水供給部が前記酸素極側流路に水を供給しているとき、前記水量推定部によって推定された推定水量が所定以下になると、前記水素極側流路に水を供給するように、前記水供給部を制御する、
水電解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水電解装置であって、
前記制御部は、前記酸素極側流路を流れる水の下流に対応する前記水素極側流路を流れる水の量が、前記酸素極側流路を流れる水の上流に対応する前記水素極側流路を流れる水の量より多くなるように、前記水供給部を制御する、
水電解装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水電解装置であって、
前記水供給部が前記酸素極側流路および前記水素極側流路に水を供給するとき、前記水素極側流路での水が流れる方向と、前記酸素極側流路での水が流れる方向とが交差する、
水電解装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の水電解装置は、さらに、
水を電気分解するための電力を前記水電解セルに供給する電力供給部を備え、
前記制御部は、前記水素極側流路に水が流れるように前記水供給部を制御するとき、前記膜電極接合体の電流密度が、前記膜電極接合体の電圧が許容電圧以下となる第１の電流密度となるように、前記電力供給部を制御する、
水電解装置。
【請求項６】
請求項５に記載の水電解装置であって、
前記制御部は、前記水素極側流路に水が流れるように前記水供給部を制御するとき、さらに、前記膜電極接合体の電流密度が、前記第１の電流密度より低い第２の電流密度であって、前記膜電極接合体の電圧が許容電圧以下となり、かつ、電圧の上昇率が所定の値以下となる前記第２の電流密度となるように、前記電力供給部を制御する、
水電解装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水電解装置であって、
前記水量推定部は、前記膜電極接合体のインピーダンスを取得し、取得したインピーダンスを用いて前記水電解セル内の水の量を推定する、
水電解装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水電解装置であって、
前記水量推定部は、第１の周波数での前記膜電極接合体のインピーダンスと、前記第１の周波数より低い第２の周波数での前記膜電極接合体のインピーダンスとの差分を用いて、前記水電解セル内の水の量を推定し、
前記制御部は、前記差分が所定以上であるとき、前記水電解セル内の水の量を増大するように前記水供給部を制御する、
水電解装置。
【請求項９】
膜電極接合体を含み、水を電気分解する水電解セルと、前記水電解セルに水を供給する水供給部と、前記水電解セル内の水の量を推定する水量推定部と、前記水量推定部によって推定された推定水量を用いて、前記水電解セルへの水の供給量を調整するように前記水供給部を制御する制御部と、を備え、水の電気分解によって酸素と水素を生成する水電解装置の制御方法であって、
前記水量推定部によって、前記水電解セル内の水の量を推定する推定工程と、
前記制御部によって、前記推定工程において推定された推定水量を用いて、前記水電解セルへの水の供給量を調整するように前記水供給部を制御する調整工程と、を備える、
水電解装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置、および、水電解装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水を電気分解して酸素と水素を生成する水電解装置が知られている。種々の水電解装置の中でも、固体高分子（以下、「ＰＥＭ」という）型水電解装置は、電解質膜を含む膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）を用いて水を電気分解するものである。例えば、特許文献１には、電解質膜を挟むように配置されている、酸素が生成される側の通路と水素が生成される側の通路とを備え、酸素が生成される側の通路の断面積を、水素が生成される側の通路の断面積より大きくすることで、活性面に出発物質を均一に供給する技術が記載されている。また、特許文献２には、陽極集電体として使用される櫛形のフロープレートを用いて、活性面への給水を均一にする技術が記載されている。また、特許文献３には、酸素極側を流れる水の温度を検出する温度センサを備え、水電解装置の温度を制御することによって水電解の効率を向上する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−４０３４６号公報
【特許文献２】特許６２７２９１１号明細書
【特許文献３】特開２０１７−２０３２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の水電解装置での、酸素が生成される側の通路の断面積と水素が生成される側の通路の断面積との関係は、水の供給量が所定の範囲内でのみ有効であって、例えば、水電解装置を高電流密度で稼働する場合、酸素が生成される側の通路において水が大量に消費されるため水が不足しがちになる。このため、電解質膜が乾燥し破損したり、水電解装置の効率が低下したりするおそれがある。
また、特許文献２では、水電解装置に水が十分に供給されていることを前提としており、水電解装置を高電流密度で稼働する場合に水が不足することを想定していない。このため、水が不足すると、特許文献１と同様に、電解質膜が破損したり、水電解装置の効率が低下したりするおそれがある。
また、特許文献３に記載の水電解装置は、水素極側を流れる水の温度を検出する温度センサを備えていない。水電解装置を高電流密度で稼働する場合、酸素極側で水が大量に消費されるとともに水素イオンともに電解質膜を通る随伴水が多くなるため、酸素極側の水の量は大きく減少する。このため、酸素極側の水の温度から水電解装置の稼働状態を正確に把握することが難しくなる。また、特許文献３に記載の水電解装置では、高電流密度で稼働するときに酸素極側の水が不足することは想定されていない。このため、水が不足すると、特許文献１、２と同様に、電解質膜が破損したり、水電解装置の効率が低下したりするおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水の電気分解によって酸素と水素を生成する水電解装置において、水電解セル内の水不足による膜電極接合体の劣化や水電解装置の効率低下を抑制する技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、水の電気分解によって酸素と水素を生成する水電解装置が提供される。この水電解装置は、膜電極接合体を含み、水を電気分解する水電解セルと、前記水電解セルに水を供給する水供給部と、前記水電解セル内の水の量を推定する水量推定部と、前記水量推定部によって推定された推定水量を用いて、前記水電解セルへの水の供給量を調整するように前記水供給部を制御する制御部と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、水電解装置では、制御部は、水量推定部によって推定された水電解セル内の推定水量から、水電解セル内の水の量が、当該水電解セルによる水の電気分解を継続するために必要な量であるか否かを判断する。制御部は、例えば、水電解セル内の水が不足していると判断する場合、水供給部による水電解セルへの水の供給量を増大するように水供給部を制御する。これにより、水電解セル内の水不足に伴う膜電極接合体の乾燥や発熱によって、膜電極接合体が劣化したり水電解装置の電解効率が低下したりすることを抑制することができる。
また、上記形態の水電解装置では、水電解セル内の水不足による過電圧の上昇を迅速に解消することができる。これにより、水電解装置による水の電気分解の機会損失を最小にし、水電解装置の稼働率を向上することができる。
【０００９】
（２）上記形態の水電解装置において、前記水電解セルは、前記膜電極接合体の一方の面に配置され生成された酸素が流れる酸素極側流路と、前記膜電極接合体の他方の面に配置され生成された水素が流れる水素極側流路と、を含み、前記水供給部は、前記酸素極側流路と前記水素極側流路の両方に水を供給可能であり、前記制御部は、前記水供給部が前記酸素極側流路に水を供給しているとき、前記水量推定部によって推定された推定水量が所定以下になると、前記水素極側流路に水を供給するように、前記水供給部を制御してもよい。
この構成によれば、制御部は、水量推定部によって推定された推定水量が所定以下になると、酸素極側流路に加えて水素極側流路にも水を供給する。水素極側流路に供給された水は、膜電極接合体を通って酸素極側流路に移動する。これにより、膜電極接合体の乾燥を抑制することができるため、膜電極接合体の劣化をさらに抑制することができる。
また、水電解装置では、膜電極接合体において水素極側流路に供給された水を用いて酸素イオンと水素イオンを生成することができる。これにより、酸素極側流路に直接供給される水が不足する場合でも水電解装置を稼働することができる。したがって、水電解装置の稼働率を向上することができる。
【００１０】
（３）上記形態の水電解装置において、前記制御部は、前記酸素極側流路を流れる水の下流に対応する前記水素極側流路を流れる水の量が、前記酸素極側流路を流れる水の上流に対応する前記水素極側流路を流れる水の量より多くなるように、前記水供給部を制御してもよい。
この構成によれば、酸素極側流路のうち酸素極側流路を流れる水の下流に対応する酸素極側流路に、水素極側流路から水が供給されやすくなる。これにより、水電解装置を高電流密度で稼働した場合に酸素極側流路を流れる水の上流で水を大量に消費しても、酸素極側流路を流れる水の下流に対応した位置にある膜電極接合体において酸素イオンと水素イオンを生成することができる。したがって、水電解装置の稼働率を向上することができる。
【００１１】
（４）上記形態の水電解装置において、前記水供給部が前記酸素極側流路および前記水素極側流路に水を供給するとき、前記水素極側流路での水が流れる方向と、前記酸素極側流路での水が流れる方向とが交差してもよい。
この構成によれば、酸素極側流路のうち酸素極側流路を流れる水の下流に対応する酸素極側流路に、水素極側流路から水が供給されやすくなるため、酸素極側流路を流れる水の下流に対応した位置にある膜電極接合体で酸素イオンと水素イオンを確実に生成することができる。したがって、水電解装置の稼働率をさらに向上することができる。
【００１２】
（５）上記形態の水電解装置は、さらに、水を電気分解するための電力を前記水電解セルに供給する電力供給部を備え、前記制御部は、前記水素極側流路に水が流れるように前記水供給部を制御するとき、前記膜電極接合体の電流密度が、前記膜電極接合体の電圧が許容電圧以下となる第１の電流密度となるように、前記電力供給部を制御してもよい。この構成によれば、膜電極接合体の電流密度が、膜電極接合体の許容電圧の大きさに応じた第１の電流密度となるように、水電解セルに供給される電力が制御されるため、水不足で乾燥している膜電極接合体への過剰な電圧による負荷を低減することができる。これにより、膜電極接合体の劣化がさらに抑制されるため、水電解装置の機会損失を最小とすることができるとともに、膜電極接合体の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
（６）上記形態の水電解装置において、前記制御部は、前記水素極側流路に水が流れるように前記水供給部を制御するとき、さらに、前記膜電極接合体の電流密度が、前記第１の電流密度より低い第２の電流密度であって、前記膜電極接合体の電圧が許容電圧以下となり、かつ、電圧の上昇率が所定の値以下となる前記第２の電流密度となるように、前記電力供給部を制御してもよい。この構成によれば、膜電極接合体の電流密度が、電圧の上昇率の大きさに応じた第２の電流密度となるように、水電解セルに供給される電力が制御されるため、膜電極接合体の寿命をさらに延ばすことができることができる。
【００１４】
（７）上記形態の水電解装置において、前記水量推定部は、前記膜電極接合体のインピーダンスを取得し、取得したインピーダンスを用いて前記水電解セル内の水の量を推定してもよい。この構成によれば、水量推定部は、膜電極接合体の状態を反映する当該膜電極接合体のインピーダンスを用いて、水電解セル内の水の量を推定する。これにより、水電解セル内の水の量の推定精度を向上することができる。
【００１５】
（８）上記形態の水電解装置において、前記水量推定部は、第１の周波数での前記膜電極接合体のインピーダンスと、前記第１の周波数より低い第２の周波数での前記膜電極接合体のインピーダンスとの差分を用いて、前記水電解セル内の水の量を推定し、前記制御部は、前記差分が所定以上であるとき、前記水電解セル内の水の量を増大するように前記水供給部を制御してもよい。この構成によれば、水量推定部は、膜電極接合体内の物質の拡散状態を反映する第１の周波数でのインピーダンスと第２の周波数でのインピーダンスとの差分を用いて、水電解セル内の水の量を推定する。これにより、水電解セル内の水の量の推定精度をさらに向上することができる。
【００１６】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解方法、水電解装置を含むシステム、これら装置及びシステムの制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の水電解装置の概略構成を示した模式図である。
【図２】第１実施形態の水電解装置での物質移動を説明する説明図である。
【図３】電気化学セルのＩＶ曲線を説明する説明図である。
【図４】第１実施形態でのＭＥＡのインピーダンスを説明する説明図である。
【図５】図４とは異なる条件でのＭＥＡのインピーダンスを説明する説明図である。
【図６】第２実施形態の水電解装置の概略構成を示した模式図である。
【図７】第２実施形態の水電解装置での物質移動を説明する説明図である。
【図８】ＭＥＡのＩＶ曲線を説明する説明図である。
【図９】ＭＥＡの電流密度の設定値を説明する説明図である。
【図１０】ＭＥＡの耐久試験の結果を説明する説明図である。
【図１１】第２実施形態の水電解装置での水の流れ方向を説明する説明図である。
【図１２】第３実施形態の水電解装置の概略構成を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解装置１の概略構成を示した模式図である。図２は、本実施形態の水電解装置１での物質移動を説明する説明図である。水電解装置１は、水を電気分解することによって、酸素と水素を生成する。水電解装置１は、ＰＥＭ型水電解セル１０と、水供給部２０と、酸素流通部２５と、水素流通部３０と、直流電力供給部４０と、インピーダンス取得部４５と、制御部５０とを備える。なお、図１、２では、水電解装置１内での物質の移動を実線または点線で示し、電子の移動を二点鎖線で示す。また、図１、２では、流路内を移動する物質の化学式を括弧書きで示す。
【００１９】
ＰＥＭ型水電解セル１０は、ＭＥＡ１１と、酸素極側流路１２と、水素極側流路１３とを含む。
ＭＥＡ１１は、水素イオンと水を通すことが可能な電解質膜１１ａの両面に、水の電気分解によって生成された酸素イオンから酸素を生成する酸素極１１ｂと、水素イオンから水素を生成する水素極１１ｃと、が接合されたものである。
酸素極側流路１２は、酸素極１１ｂの電解質膜１１ａとは反対側に配置されている。酸素極側流路１２は、溝や多孔質部材で形成され、水供給部２０が供給する電気分解用の水と、酸素極１１ｂで生成される酸素が流れる。
水素極側流路１３は、水素極１１ｃの電解質膜１１ａとは反対側に配置されている。水素極側流路１３は、溝や多孔質部材で形成され、水素極１１ｃで生成される水素と、水素イオンとともにＭＥＡ１１を通って酸素極側流路１２から水素極側流路１３に移動した水（以下、「随伴水」という）が流れる。
【００２０】
ＰＥＭ型水電解セル１０では、図２に示すように、酸素極側流路１２に水が供給されている状態でＭＥＡ１１の酸素極１１ｂと水素極１１ｃに電力が供給されると、酸素極１１ｂにおいて水が電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。生成された酸素は、電気分解されなかった水の一部とともに酸素極側流路１２を通ってＰＥＭ型水電解セル１０の外部に排出される。なお、本実施形態での酸素極側流路１２における酸素と水の流れ方向は、図２に示す白抜き矢印１２ａが示す方向である。
【００２１】
また、酸素極１１ｂで生成された水素イオンは、図２に示すように、電気分解されなかった水のうちＰＥＭ型水電解セル１０の外部に排出されなかった水（随伴水）とともに、酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動し（図２の白抜き矢印１０ａ参照）、水素極１１ｃにおいて電子と結合することで水素となる。水素は、随伴水とともに、水素極側流路１３を通ってＰＥＭ型水電解セル１０の外部に排出される。なお、本実施形態での水素極側流路１３における水素と随伴水の流れ方向は、図２に示す白抜き矢印１３ａが示す方向である。
【００２２】
ＰＥＭ型水電解セル１０の酸素極側流路１２に供給される水は、上述したような反応によって、酸素極側流路１２を流れる水の上流側から下流側、すなわち、図２の白抜き矢印１２ａが示す方向に向かうにしたがって、その量が少なくなる。一方、水素極側流路１３を流れる随伴水は、水素イオンとともに酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動した水であるため、図２の白抜き矢印１３ａが示す方向に進むにしたがって、その量は増大する。
【００２３】
図２には、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量の変化を視覚的にわかりやすくするため、一点鎖線１０ｂ、１０ｃで示す。図２では、白抜き矢印１２ａ、１３ａが示す方向に沿って、それぞれの位置における水の量を、一点鎖線１０ｂ、１０ｃで囲まれた領域の大きさで示している。図２では、酸素極側流路１２における水の量（一点鎖線１０ｂで囲まれた領域の大きさ）の変化を、ＭＥＡ１１の酸素極側流路１２側に示し、水素極側流路１３における水の量（一点鎖線１０ｃで囲まれた領域の大きさ）の変化を、ＭＥＡ１１の水素極側流路１３側に示す。
【００２４】
図２の一点鎖線１０ｂで示すように、ＰＥＭ型水電解セル１０では、酸素極側流路１２を流れる水は、白抜き矢印１２ａが示す方向にしたがって減少する。このため、ＰＥＭ型水電解セル１０で酸素と水素を安定的に生成するには、酸素極１１ｂにおいて電気分解される量に加え、水素イオンとともにＭＥＡ１１内を酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動する量の水が必要となる。ここで、酸素極１１ｂにおいて電気分解される量と、水素イオンとともにＭＥＡ１１内を酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動する量との和を、ストイキ量とする。
【００２５】
水供給部２０は、水タンク２１と、水供給路２２と、水循環路２３とを含む。水供給部２０は、ＰＥＭ型水電解セル１０に水を供給する。
水タンク２１は、酸素極側流路１２に供給する水を貯留している。水タンク２１には、酸素極側流路１２に供給される水の量を調整する調整バルブ２１ａが設けられている。
水供給路２２は、水タンク２１と酸素極側流路１２とを接続する流路であって、酸素極１１ｂにおいて電気分解される水が流れる。水供給路２２には、水を冷却する水冷却部２２ａと、例えば、イオン交換樹脂を含み、水を精製する水精製部２２ｂとが設けられている。
水循環路２３は、後述する酸素排出路２６に設けられる気液分離部２６ａと、水供給路２２の水タンク２１と水冷却部２２ａとの間と、を接続している。水循環路２３には、気液分離部２６ａにおいて分離された水を、水供給路２２に送るための水循環ポンプ２３ａが設けられている。
【００２６】
酸素流通部２５は、酸素排出路２６を含む。
酸素排出路２６は、酸素極側流路１２の出口に接続する流路であって、酸素極側流路１２から排出される酸素と水を含む流体が流れる。酸素排出路２６には、酸素極側流路１２から排出される流体を、水と酸素とに分離する気液分離部２６ａが設けられている。気液分離部２６ａにおいて分離された水は、水循環路２３を流れ、水供給路２２を流れる水に合流する。
【００２７】
水素流通部３０は、水素排出路３１と、水素循環路３２とを含む。
水素排出路３１は、水素極側流路１３の出口に接続し、水素極側流路１３から排出される水素と水を含む流体が流れる。水素排出路３１には、水素極側流路１３から排出される流体を、水と水素とに分離する気液分離部３１ａが設けられている。
水素循環路３２は、水素排出路３１における気液分離部３１ａの下流側と、水素極側流路１３の入口とに接続している。水素循環路３２には、水素排出路３１における気液分離部３１ａの下流を流れる水素の一部を、水素極側流路１３に送るための水素循環ポンプ３２ａが設けられている。
【００２８】
直流電力供給部４０は、ＰＥＭ型水電解セル１０の酸素極１１ｂと水素極１１ｃに電気的に接続されている。直流電力供給部４０は、電気的に接続している制御部５０の指令に従って、直流の電力をＰＥＭ型水電解セル１０に供給する。ここでは、直流電力供給部４０がＰＥＭ型水電解セル１０に印加する電圧を制御電圧という。
【００２９】
インピーダンス取得部４５は、直流電力供給部４０に設けられており、ＭＥＡ１１のインピーダンスを取得する。本実施形態では、インピーダンス取得部４５は、１ＭＨｚの直流抵抗計と、１００ｍＨｚの直流抵抗計との組み合わせから構成されている。インピーダンス取得部４５の作用の詳細は、後述する。
【００３０】
制御部５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータである。制御部５０は、直流電力供給部４０と、インピーダンス取得部４５と、調整バルブ２１ａとに電気的に接続している。制御部５０の作用の詳細は、後述する。
【００３１】
次に、本実施形態の水電解装置１の作用について説明する。最初に、一般的な水電解装置を高密度電流で稼働させるときの課題について説明する。
【００３２】
図３は、ＰＥＭ型水電解セルや燃料電池用セルなどに代表される電気化学セルのＩＶ曲線を説明する説明図である。図３では、横軸に電気化学セルの電流密度を示し、縦軸に電気化学セルの電圧を示す。図３では、酸素極と水素極のいずれにも水が供給されている場合のＩＶ曲線を実線Ｌ１１で示し、酸素極と水素極のいずれにも水が供給されていない場合のＩＶ曲線を点線Ｌ１２で示す。
【００３３】
電気化学セルで水電解する場合、電流密度を大きくすると、電圧は増加する（図３の実線Ｌ１１および点線Ｌ１２）。しかしながら、酸素極と水素極のいずれにも水が供給されていない場合、電圧上昇が大きくなり、所定の電圧の範囲内で過電圧が上昇するため、電流密度を大きくすることができない。
【００３４】
そこで、本実施形態の水電解装置１では、制御部５０は、インピーダンス取得部４５が取得したＭＥＡ１１のインピーダンスを用いてＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定し、推定された推定水量を用いて調整バルブ２１ａの開度を調整する。これにより、水タンク２１からＰＥＭ型水電解セル１０に供給される水の量が調整される。
【００３５】
図４は、本実施形態でのＭＥＡ１１のインピーダンスの変化を説明する説明図である。具体的には、図４では、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合とない場合との違いを比較している。図４には、制御電圧が１．６Ｖであって、周波数を１ＭＨｚから１００ｍＨｚまで変化させたときのインピーダンスの変化が示されている。図４では、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合（以下、「水供給ありの場合」という）のインピーダンスを○印で示し、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がない場合（以下、「水供給なしの場合」という）のインピーダンスを×印で示す。
【００３６】
ＭＥＡ１１のインピーダンスは、周波数を変化させると変化する。この周波数の変化に対するインピーダンスの変化を、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合とない場合とで、比較する。
水供給ありの場合、図４に示すように、周波数が１ＭＨｚのときの実部をＲｅ１１とし、周波数が１００ｍＨｚのときの実部をＲｅ１２とすると、周波数を変化させたときのインピーダンスの実部の変化、すなわち、図４に示す差分Ｄ１１は、（Ｒｅ１２−Ｒｅ１１）となる。
一方、水供給なしの場合、図４に示すように、周波数が１ＭＨｚのときの実部をＲｅ２１とし、周波数が１００ｍＨｚのときの実部をＲｅ２２とすると、周波数を変化させたときのインピーダンスの実部の差分Ｄ２１は、（Ｒｅ２２−Ｒｅ２１）となる。差分Ｄ２１は、図４に示すように、差分Ｄ１１より大きい。
【００３７】
また、比較的高周波のときのインピーダンスでは、虚部が０となるときの実部は、ＭＥＡ１１のオーミック抵抗を示している。図４に示すように、水供給ありの場合のＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｏ１１は、水供給なしの場合のＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｏ１２より小さい。このように、ＭＥＡ１１のオーミック抵抗は、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合とない場合とで、その値が異なる。
【００３８】
図５は、図４とは異なる条件でのＭＥＡ１１のインピーダンスの変化を説明する説明図である。具体的には、図５では、制御電圧が、図４の１．６Ｖに比べ高い２．０ＶでのＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合とない場合との違いを比較している。図５には、図４と同様に、周波数を１ＭＨｚから１００ｍＨｚまで変化させたときのインピーダンスの変化を示し、水供給ありの場合のインピーダンスを○印で示し、水供給なしの場合のインピーダンスを×印で示す。
【００３９】
図５に示すように、比較的制御電圧が高い場合、周波数の変化に対するインピーダンスの変化は、ＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給がある場合とない場合とで異なり、その変化の度合いは大きい。
具体的には、水供給ありの場合、周波数が１ＭＨｚのときの実部をＲｅ１３とし、周波数が１００ｍＨｚのときの実部をＲｅ１４とすると、周波数を変化させたときのインピーダンスの実部の差分Ｄ１２は、（Ｒｅ１４−Ｒｅ１３）となる。
一方、水供給なしの場合、周波数が１ＭＨｚのときの実部をＲｅ２３とし、周波数が１００ｍＨｚのときの実部をＲｅ２４とすると、周波数を変化させたときのインピーダンスの実部の差分Ｄ２２は、（Ｒｅ２４−Ｒｅ２３）となる。差分Ｄ２２は、図５に示すように、差分Ｄ１２より大きく、差分Ｄ１２に対する差分Ｄ２２の比は、制御電圧が１．６Ｖでの差分Ｄ１１に対する差分Ｄ２１の比より大きい。
【００４０】
また、図５に示すように、水供給ありのＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｏ２１は、水供給なしのＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｏ２２より小さい。このとき、制御電圧２．０Ｖでの水の供給がある場合とない場合とのオーミック抵抗の差分（Ｒｏ２２−Ｒｏ２１）は、制御電圧１．６Ｖでの水の供給がある場合とない場合とのオーミック抵抗の差分（Ｒｏ１２−Ｒｏ１１）より大きい。
【００４１】
本実施形態の水電解装置１では、制御部５０は、図４、５に示すような制御電圧の違いによるインピーダンスの変化の違いを考慮し、インピーダンスの変化からＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。制御部５０は、制御電圧が比較的低いとき、２つの周波数のインピーダンスの実部の差分からＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。制御部５０は、当該推定水量を用いてＰＥＭ型水電解セル１０に供給される水の量を調整する。
【００４２】
具体的には、水電解装置１で水の電気分解を行う前に、ストイキ量の水の供給が行われている状態での、ＭＥＡ１１の、２つの周波数のインピーダンスの実部の差分を取得しておく。例えば、このときのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部の差分を差分Ｄｂとする。次に、水電解装置１で水の電気分解が行われているときの、２つの周波数のＭＥＡ１１のインピーダンスをインピーダンス取得部４５によって取得し、当該２つの周波数のＭＥＡ１１のインピーダンスの実部の差分を演算する。例えば、このときのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部の差分を差分Ｄｍとする。
【００４３】
制御部５０は、水電解装置１で水の電気分解が行われているときのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部の差分を差分Ｄｍと、ストイキ量の水の供給が行われている状態でのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部の差分Ｄｂと、の差分ΔＤを演算する。制御部５０は、差分ΔＤが所定以上となるとき、ＰＥＭ型水電解セル１０に供給する水の供給量を増大するように、調整バルブ２１ａを制御する。また、制御部５０は、差分Ｄｍの大きさが差分Ｄｂを用いて事前に設定していた臨界値を超えたときに、ＰＥＭ型水電解セル１０に供給する水の供給量を増大するように、調整バルブ２１ａを制御してもよい。
【００４４】
また、制御部５０は、制御電圧が比較的高いとき、インピーダンスから求められるオーミック抵抗を用いてＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定し、当該推定水量を用いてＰＥＭ型水電解セル１０に供給される水の量を調整する。
【００４５】
具体的には、水電解装置１で水の電気分解を行う前に、ストイキ量以上の水の供給が行われている状態でのＭＥＡ１１のインピーダンスから、虚部が０となるときの実部の値Ｒｅ０を、水供給ありのＭＥＡ１１のオーミック抵抗として取得しておく。次に、水電解装置１で水の電気分解が行われているときのＭＥＡ１１のインピーダンスから、虚部が０となるときの実部の値Ｒｅ１を、ＭＥＡ１１のオーミック抵抗として取得する。
【００４６】
制御部５０は、水電解装置１で水の電気分解が行われているときのＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｅ１と、ストイキ量の水の供給が行われている状態でのＭＥＡ１１のオーミック抵抗Ｒｅ０との差分を演算する。制御部５０は、オーミック抵抗の差分（Ｒｅ１−Ｒｅ０）が所定以上となるとき、ＰＥＭ型水電解セル１０に供給する水の供給量を増大するように、調整バルブ２１ａを制御する。また、制御部５０は、オーミック抵抗Ｒｅ１の大きさがオーミック抵抗Ｒｅ０を用いて事前に設定していた臨界値を超えたときに、ＰＥＭ型水電解セル１０に供給する水の供給量を増大するように、調整バルブ２１ａを制御してもよい。
【００４７】
以上説明した、本実施形態の水電解装置１によれば、制御部５０は、インピーダンス取得部４５によって取得されたＰＥＭ型水電解セル１０のインピーダンスを用いてＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。制御部５０は、ＰＥＭ型水電解セル１０内の推定水量が、ＰＥＭ型水電解セル１０による水の電気分解に必要な量であるか否かを判断する。制御部５０は、例えば、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水が不足していると判断する場合、水供給部２０によるＰＥＭ型水電解セル１０への水の供給量を増大するように水供給部２０を制御する。これにより、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水不足に伴うＭＥＡ１１の乾燥や発熱によって、ＭＥＡ１１が劣化したり水電解装置１の電解効率が低下したりすることを抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態の水電解装置１によれば、酸素極１１ｂで生成される水素イオンが確実に水素極１１ｃに供給されるため、過電圧の上昇を解消することができる。したがって、水電解装置１は、水の電気分解の機会損失を最小にし、水電解装置１の稼働率を向上することができる。
【００４９】
また、本実施形態の水電解装置１によれば、インピーダンス取得部４５は、ＭＥＡ１１のインピーダンスを取得する。ＭＥＡ１１のインピーダンスは、水素イオンとともに酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動する随伴水の量によって変化する。そこで、制御部５０は、ＭＥＡ１１のインピーダンスを用いて、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。これにより、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量の推定精度を向上することができる。
【００５０】
また、本実施形態の水電解装置１によれば、制御部５０は、制御電圧が比較的低いとき、周波数が１ＭＨｚのときのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部と、周波数が１００ｍＨｚのときのＭＥＡ１１のインピーダンスの実部との差分を演算する。制御部５０は、当該差分が所定以上であるとき、ＰＥＭ型水電解セル内の水の量を増大するように調整バルブ２１ａを制御する。このような２つの異なるインピーダンスの差分は、ＭＥＡ１１内の物質の拡散状態を反映している。そこで、水電解装置１では、制御部５０は、２つの異なるインピーダンスの差分を用いてＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。これにより、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量の推定精度をさらに向上することができる。
【００５１】
また、本実施形態の水電解装置１によれば、制御部５０は、制御電圧が比較的高いとき、インピーダンス取得部４５の１ＭＨｚの直流抵抗計によって取得されるＭＥＡ１１のオーミック抵抗を用いて、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する。オーミック抵抗は、ＭＥＡ１１が乾燥すると急激に上昇することから、一時的なオーミック抵抗の上昇は、ＭＥＡ１１の劣化ではなくＰＥＭ型水電解セル１０内が水不足であることが考えられる。これにより、制御部５０における水の量の推定に必要な時間を短縮できるとともに、推定に必要な労力を低減することができる。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態における水電解装置２の概略構成を示した説明図である。図７は、本実施形態の水電解装置２での物質移動を説明する説明図である。第２実施形態の水電解装置２は、第１実施形態の水電解装置１（図１）と比較すると、水素極側流路１３に水が供給可能な点が異なる。
【００５３】
水電解装置２は、ＰＥＭ型水電解セル１０と、水供給部６０と、酸素流通部２５と、水素流通部３０と、直流電力供給部４０と、インピーダンス取得部４５と、電流計４６と、制御部５０とを備える。なお、図６、７では、水電解装置２内の物質の移動を実線または点線で示し、電子の移動を二点鎖線で示す。また、図６、７では、流路内を移動する物質の化学式を括弧書きで示す。
【００５４】
水供給部６０は、水タンク２１と、水供給路２２と、水循環路２３、６４とを含む。水供給部６０は、ＰＥＭ型水電解セル１０の酸素極側流路１２と水素極側流路１３との両方に水を供給可能に設けられている。
水循環路６４は、水素循環路３２を介して、水素排出路３１の気液分離部３１ａと、水素極側流路１３の入口とを接続している。水循環路６４には、制御部５０に電気的に接続され、水素循環路３２を介して気液分離部３１ａにおいて分離された水を水素極側流路１３に送るための水循環ポンプ６４ａが設けられている。水循環路６４は、気液分離部３１ａにおいて分離された水を、水素極側流路１３に循環する。
【００５５】
電流計４６は、直流電力供給部４０とＭＥＡ１１とを接続する電気配線上に設けられている。電流計４６は、ＭＥＡ１１を流れる電流を検出し、制御部５０に出力する。
【００５６】
水電解装置２のＰＥＭ型水電解セル１０では、図７に示すように、第１実施形態と同様に、酸素極側流路１２を流れる水の電気分解によって酸素と水素イオンが生成される。水素イオンは、随伴水によってＭＥＡ１１を通って水素極側流路１３に移動し（図７の白抜き矢印１０ａ参照）、水素極１１ｃにおいて水素となる。
しかしながら、電流密度を比較的高くすると、酸素極１１ｂで多くの水が電気分解されるため、酸素極側流路１２を流れる水の下流側、すなわち、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側の酸素極１１ｂに、水が供給されないおそれがある。
【００５７】
そこで、本実施形態では、制御部５０は、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側の水が不足していると推定すると、水循環ポンプ６４ａを駆動し、気液分離部３１ａにおいて分離された水を、水循環路６４を介して水素極側流路１３に供給する。これにより、水素極側流路１３の水の量は、第１実施形態に比べ多くなる（図７に示す本実施形態での水の量を示す一点鎖線１０ｄで囲む領域と、第１実施形態での水の量を示す一点鎖線１０ｃで囲む領域との比較参照）。
【００５８】
水素極側流路１３に供給される水は、水素極１１ｃ側と酸素極１１ｂ側との間の濃度勾配の解消を駆動力としてＭＥＡ１１内を水素極側流路１３から酸素極側流路１２に向かって移動する、いわゆる、カソードフィードされる（図７の白抜き矢印１０ｅ参照）。カソードフィードによって酸素極側流路１２に供給される水は、酸素極１１ｂにおいて電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。このように、本実施形態の水電解装置２では、水供給部６０は、水素極側流路１３から排出された随伴水を循環し水素極側流路１３に供給することによって、ストイキ量より多い量の水を、ＰＥＭ型水電解セル１０に供給する。
【００５９】
また、図７の白抜き矢印１０ｅで示すカソードフィードされる水は、ＭＥＡ１１内を水素極側流路１３から酸素極側流路１２に向かって移動する。このとき、ＭＥＡ１１は、カソードフィードされる水によって冷却される。
【００６０】
また、水電解装置２では、制御部５０は、水素極側流路１３に水を供給するとき、ＭＥＡ１１の電流密度が所定以下となるように、直流電力供給部４０を制御する。これにより、印加される電圧によるＭＥＡ１１への負荷が低減される。
【００６１】
図８は、ＭＥＡのＩＶ曲線を説明する説明図である。図８に示す説明図では、横軸にＭＥＡの電流密度を示し、縦軸にＭＥＡの電圧を示す。図８では、ＭＥＡの酸素極と水素極のいずれにもストイキ量以上の水が供給されている場合のＩＶ曲線を□印で示し、ＭＥＡの水素極に水が供給されていない場合のＩＶ刻線を○印で示し、ＭＥＡの酸素極に水が供給されていない場合のＩＶ曲線を△印で示す。
【００６２】
図８に示すように、酸素極と水素極のいずれにもストイキ量以上の水が供給されている場合（図８に示すＭ１）と、水素極に水が供給されていない場合（図８のＭ２）では、電流密度を大きくすることによって、電圧も大きくなり、通常のＩＶ曲線となる。
一方、酸素極に水が供給されていない場合（図８のＭ３）、電流密度を大きくすると電圧が急激に上昇する。具体的には、図８のＭ３で示すように、ＭＥＡは、ＭＥＡの電流密度を特定の電流密度Ｉｄｔ以上にすると、電流密度に対する電圧の上昇率が非常に大きくなる。このため、電流密度のわずかな増加で、ＭＥＡが破損するおそれがある許容電圧を超えるため、ＭＥＡが破損するを防止するためには、電流密度を、図３に示す範囲Ａｉ内とする必要がある。
【００６３】
図９は、ＭＥＡの電流密度の設定値を説明する説明図である。図９に示す説明図では、横軸にＭＥＡの電流密度を示し、縦軸にＭＥＡの電圧を示す。図９に示すデータは、水電解装置の水素極のみに水を供給したときの実験結果であって、このときのＰＥＭ型水電解セルの温度は、８０度とし、電流制御にて、所定の間隔で電流密度を増加させ、各電流密度で１分間保持したときの結果を示している。図９に示す実験結果から、ＭＥＡの電流密度Ｉａとなるとき、ＭＥＡの電圧が、ＭＥＡが破損するおそれがある許容電圧である２．５Ｖを超えるおそれがあることがわかる。
【００６４】
そこで、本実施形態の水電解装置２では、制御部５０は、ＭＥＡ１１の許容電圧を２．５Ｖと設定した場合、電流密度Ｉａの、例えば、マイナス１０％の電流密度を、第１の電流密度に設定する。制御部５０は、水素極側流路１３に水が流れるように水供給部６０を制御するとき、電流計４６によって推定されるＭＥＡ１１の電流密度が、第１の電流密度となるように直流電力供給部４０を制御し、ＭＥＡ１１の劣化を抑制することで、破損を防止する。なお、本実施形態では、第１の電流密度を、安全を考慮して電流密度Ｉａのマイナス１０％に設定しているが、電流密度Ｉａに対する比率は、マイナス１０％以外であってもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、制御部５０は、図９に示すように、ＭＥＡの電圧が２．５Ｖ以下となる電流密度であって、ＭＥＡ１１の電圧の上昇率が、例えば、「所定の値」としての５％を超えるときの電流密度を電流密度Ｉｂとし、電流密度Ｉｂの、例えば、マイナス１０％の電流密度を第２の電流密度に設定する。制御部５０は、ＭＥＡ１１の電流密度を、第１の電流密度としたのち、第２の電流密度となるように、直流電力供給部４０を制御し、ＭＥＡ１１の劣化をさらに抑制する。なお、本実施形態では、電流密度Ｉｂを、ＭＥＡ１１の電圧の上昇率が５％を超えるときの電流密度としているが、電流密度Ｉｂを設定するときの電圧の上昇率の設定値は、これに限定されない。また、本実施形態では、第２の電流密度を、安全を考慮して電流密度Ｉｂのマイナス１０％に設定しているが、電流密度Ｉｂに対する比率は、マイナス１０％以外であってもよい。
【００６６】
図１０は、ＭＥＡの耐久試験の結果を説明する説明図である。図１０は、ＭＥＡの耐久試験前後のＩＶ曲線であって、横軸にＭＥＡの電流密度を示し、縦軸にＭＥＡの電圧を示している。ここで、図１０で説明するＭＥＡの耐久試験は、水電解装置の水素極のみに水を供給した状態で、第２の電流密度で７時間保持したのち、第１の電流密度で７時間保持するものである。図１０では、耐久試験前のＭＥＡのＩＶ曲線を□印で示し、耐久試験後のＭＥＡのＩＶ曲線を○印で示す。
図１０に示すように、耐久試験前後でのＭＥＡのＩＶ曲線に大きな変化は認められなかった。このことから、水電解装置の水素極のみに水を供給した状態で、ＭＥＡの電流密度を、第１の電流密度および第２の電流密度に下げることは、ＭＥＡの劣化を抑制することにつながる。
【００６７】
また、水電解装置２では、水供給部６０が水素極側流路１３にも水を供給するとき、酸素極側流路１２を流れる水の下流に対応する水素極側流路１３を流れる水の量を、酸素極側流路１２を流れる水の上流に対応する水素極側流路１３を流れる水の量より多くする。具体的には、酸素極側流路１２と水素極側流路１３とは、それぞれの流路での水が流れる方向が流れる方向が交差し、かつ、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３の幅が、他の水素極側流路１３の幅より大きくなるように形成されている。
【００６８】
図１１は、本実施形態の水電解装置２での水の流れ方向を説明する説明図である。図１１では、酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向を点線矢印Ｆ０で示し、水素極側流路１３を流れる水の流れ方向を３種類の実線矢印Ｆ１（図１１（ａ））、Ｆ２１、Ｆ２２（いずれも図１１（ｂ））で示す。
【００６９】
図１１（ａ）には、水素極側流路１３に、気液分離部３１ａにおいて分離された水が循環されていないとき、すなわち、水供給部６０が酸素極側流路１２にのみ水を供給しているとき、の水の流れ方向を示している。したがって、図１１（ａ）の実線矢印Ｆ１は、酸素極側流路１２から水素極側流路１３に移動した随伴水の水素極側流路１３における流れ方向を示している。水供給部６０が酸素極側流路１２にのみ水を供給しているとき、図１１（ａ）に示すように、酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向Ｆ０と、水素極側流路１３を流れる水の流れ方向Ｆ１とは同じになっている。なお、水供給部６０が酸素極側流路１２にのみ水を供給しているとき、水素は、水素循環路３２を利用して水素極側流路１３に循環されていることが好ましく、水素極側流路１３の水素排出路３１に接続する側に移動した随伴水の一部が、カソードフィードされる場合がある。
【００７０】
図１１（ｂ）には、水素極側流路１３に、気液分離部３１ａにおいて分離された水を循環するとき、すなわち、水供給部６０は酸素極側流路１２と水素極側流路１３との両方に水を供給しているとき、の水の流れ方向を示している。したがって、図１１（ｂ）の実線矢印Ｆ２１、Ｆ２２は、酸素極側流路１２から水素極側流路１３に移動した随伴水と循環された水との水素極側流路１３における流れ方向を示している。水供給部６０が酸素極側流路１２と水素極側流路１３との両方に水を供給しているとき、図１１（ｂ）に示すように、酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向Ｆ０と、水素極側流路１３を流れる水の流れ方向Ｆ２１、Ｆ２２とは交差している。流れ方向Ｆ０と流れ方向Ｆ２１、Ｆ２２とが交差する角度は、例えば、９０度となっている。
【００７１】
また、水電解装置２では、例えば、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３の幅が、他の水素極側流路１３の幅より大きい。これにより、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３を流れる水（図１１（ｃ）の太線矢印Ｆ２１）の量が、他の水素極側流路１３を流れる水（図１１（ｃ）の実線矢印Ｆ２２）の量よりさらに多くなる。
このように、水電解装置２では、水供給部６０が酸素極側流路１２および水素極側流路１３に水を供給するとき、流れ方向が交差するように、酸素極側流路１２と水素極側流路１３に水を供給する。このとき、水供給部６０は、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３を流れる水の量が、他の水素極側流路１３を流れる水の量より多くなるように、水を供給する。これにより、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に、カソードフィードによって比較的多くの水が供給される。
【００７２】
水電解装置において酸素極側流路に十分な量の水が供給されていない場合、酸素極側流路への水の供給量を増大させられればよい。しかしながら、水電解装置のコンパクト化の観点から、水供給量の最大流量に制約がある場合、酸素極側流路への水の供給量を増大させることが難しい。また、当該水電解装置が余剰電力を水素に転換する場合、水電解装置の稼働を停止することは機会損失となるため、望ましくない。
【００７３】
そこで、以上説明した、本実施形態の水電解装置２によれば、制御部５０は、インピーダンス取得部４５が取得したインピーダンスを用いて推定された推定水量が所定以下であるとき、水素極側流路１３に水を供給するように、水供給部６０を制御する。これにより、水素極側流路１３に供給された水は、ＭＥＡ１１を通って酸素極側流路１２にカソードフィードされるため、ＭＥＡ１１の乾燥を抑制することができる。したがって、ＭＥＡ１１の劣化をさらに抑制することができる。
【００７４】
また、本実施形態の水電解装置２によれば、カソードフィードされた水を用いて酸素極１１ｂにおいて酸素イオンと水素イオンを生成することができる。これにより、水タンク２１の水が直接供給されている酸素極側流路１２側の水が不足しているにもかかわらず水電解装置２を稼働することができる。したがって、水電解装置２の稼働率を向上することができる。
【００７５】
また、本実施形態の水電解装置２によれば、制御部５０は、水素極側流路１３に水が流れるとき、ＭＥＡ１１の電流密度が、ＭＥＡ１１の電圧が許容電圧である２．５Ｖより小さくなる第１の電流密度となるように、直流電力供給部４０を制御する。これにより、高い電圧が印加されることによるＭＥＡ１１への負荷を低減することができる。したがって、ＭＥＡ１１の劣化がさらに抑制されるため、水電解装置２の機会損失を最小とすることができるとともに、ＭＥＡ１１の寿命を延ばすことができる。
【００７６】
また、本実施形態の水電解装置２によれば、制御部５０は、ＭＥＡ１１の電流密度を、第１の電流密度としたのち、ＭＥＡ１１の電圧の上昇率を低く抑えることが可能な第２の電流密度となるように、直流電力供給部４０を制御する。これにより、ＭＥＡ１１の寿命をさらに延ばすことができることができる。
【００７７】
また、本実施形態の水電解装置２によれば、酸素極側流路１２と水素極側流路１３とは、それぞれの流路での水が流れる方向が流れる方向が交差するように形成されている。また、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３は、幅が他の水素極側流路１３の幅より大きくなるように形成されている。これにより、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３を流れる水の量は、他の水素極側流路１３を流れる水の量より多くなるため、酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３から酸素極側流路１２に水が供給されやすくなる。ＭＥＡ１１での水の電気分解によって水不足になりやすい酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に水が供給されると、水電解装置２を高電流密度で稼働した場合でも、酸素と水素を生成することができる。したがって、水電解装置２の稼働率を向上することができる。
【００７８】
また、本実施形態の水電解装置２によれば、ＭＥＡ１１は、カソードフィードされる水によって冷却される。この構成によれば、水の電気分解によってＭＥＡ１１の温度が上昇しても、水素極側流路１３から酸素極側流路１２に移動する水によってＭＥＡ１１を冷却することができる。特に、カソードフィードの水は、乾燥のために温度が上昇しやすい酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に供給されるため、効率的にＭＥＡ１１を冷却することができる。これにより、ＭＥＡ１１の劣化を抑制することができる。
【００７９】
＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態における水電解装置３の概略構成を示した説明図である。第３実施形態の水電解装置３は、第１実施形態の水電解装置１（図１）と比較すると、水素極側流路１３に水が供給可能な点が異なる。
【００８０】
水電解装置３は、ＰＥＭ型水電解セル１０と、水供給部７０と、酸素流通部２５と、水素流通部３０と、直流電力供給部４０と、インピーダンス取得部４５と、制御部５０とを備える。なお、図１２では、物質の移動を実線または点線で示し、電子の移動を二点鎖線で示し、流路内を移動する物質の化学式を括弧書きで示す。
【００８１】
水供給部７０は、水タンク２１と、水供給路２２と、水循環路２３、７４と、温度センサ７５ａ、７５ｂとを含む。水供給部７０は、ＰＥＭ型水電解セル１０に水を供給する。
【００８２】
水循環路７４は、水素排出路３１の気液分離部３１ａと、水循環路２３と、を接続している。水循環路７４は、気液分離部３１ａにおいて分離された水を、水循環路２３と水供給路２２を介して、酸素極側流路１２に供給する。
【００８３】
温度センサ７５ａは、水供給路２２の水精製部２２ｂの下流側に設けられている。温度センサ７５ａは、水冷却部２２ａにおいて冷却された水の温度を取得し、当該取得結果を制御部５０に出力する。
温度センサ７５ｂは、水供給路２２の水精製部２２ｂの下流側に設けられている。温度センサ７５ａは、水素極側流路１３から排出された水の温度を取得し、当該取得結果を制御部５０に出力する。
制御部５０は、水冷却部２２ａに電気的に接続している。制御部５０は、温度センサ７５ａ、７５ｂが取得する温度を用いて、水冷却部２２ａで冷却される水の冷却度合いを制御する。
【００８４】
水電解装置３では、ＭＥＡ１１を通って酸素極側流路１２から水素極側流路１３に移動した水（随伴水）は、温度センサ７５ｂによって温度が取得された後、気液分離部３１ａによって水素と分離される。気液分離部３１ａによって水素と分離された水は、水循環路７４、２３、水供給路２２を通り、水冷却部２２ａによって冷却された後、温度センサ７５ａによって温度が取得される。温度センサ７５ａによって温度が取得された水は、酸素極側流路１２に戻される。
【００８５】
水電解装置を高電流密度で稼働する場合、比較的多くの水を水電解セルに供給する必要がある。さらに、ＭＥＡの電気浸透係数によっては、電気分解に関与しない水が多く存在するため、この電気分解に関与しない水の管理も重要となる。一方、水電解装置を高電流密度で稼働する場合、ＭＥＡでの発熱量も多くなる。
【００８６】
以上説明した、本実施形態の水電解装置３によれば、ＭＥＡ１１は、電気分解に関与しない水である随伴水によって冷却することができる。水素極側流路１３から排出された随伴水は、温度センサ７５ａ、７５ｂが取得する温度に参考して水冷却部２２ａによって効率的に冷却された後、酸素極側流路１２に再び戻し、電気分解による酸素と水素の生成や、新たな供給水として利用される。このように、水電解装置３では、循環する水の温度を管理することによって、ＭＥＡ１１を効率的に冷却することができる。したがって、温度上昇によってＭＥＡ１１が劣化したり、水電解装置３の電解効率が低下したりすることをさらに抑制することができる。
【００８７】
＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８８】
［変形例１］
上述の実施形態では、ＭＥＡ１１のインピーダンスによって、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定するとした。しかしながら、ＰＥＭ型水電解セル１０内の水の量を推定する方法は、これに限定されない。
【００８９】
［変形例２］
上述の実施形態では、インピーダンス取得部４５は、本実施形態では、インピーダンス取得部４５は、１ＭＨｚの直流抵抗計と、１００ｍＨｚの直流抵抗計との組み合わせから構成されているとした。しかしながら、インピーダンス取得部４５の構成は、これに限定されない。インピーダンス取得部４５は、ＭＥＡ１１のオーミック抵抗を取得可能な１ＭＨｚの直流抵抗計のみから構成されていてもよい。
【００９０】
［変形例３］
第２実施形態では、制御部５０は、水素極側流路１３に水を供給するとき、ＭＥＡ１１の電流密度を、第１の電流密度としたのち、第２の電流密度となるように直流電力供給部４０を制御するとした。しかしながら、制御部５０によるＭＥＡ１１の電流密度の制御の内容はこれに限定されない。第１の電流密度のみへの制御であってもよいし、第２の電流密度のみへの制御であってもよい。
【００９１】
［変形例４］
第２実施形態では、制御部５０は、水素極側流路１３に水が流れるように水供給部６０を制御するとき、電流計４６によって推定されるＭＥＡ１１の電流密度が、第１の電流密度または第２の電流密度となるように直流電力供給部４０を制御するとした。しかしながら、ＭＥＡ１１の電流密度の推定方法は、これに限定されない。図示しない記憶部に記憶されているＭＥＡ１１の特性と、インピーダンス取得部４５が取得するＭＥＡ１１のインピーダンスを用いて算出してもよい。
【００９２】
［変形例５］
第２実施形態では、水供給部６０は、水素流通部３０の気液分離部３１ａで分離された水を水素極側流路１３に循環し、循環された水を酸素極側流路１２にカソードフィードするとした。しかしながら、カソードフィードの方法は、これに限定されない。水タンク２１の水を、水素極側流路１３に直接供給することによって、水素極側流路１３の水の量を増加し、カソードフィードしてもよい。
【００９３】
［変形例６］
第２実施形態では、水供給部６０が酸素極側流路１２および水素極側流路１３に水を供給するとき、酸素極側流路１２を流れる水の下流に対応する水素極側流路１３を流れる水の量を、酸素極側流路１２を流れる水の上流に対応する水素極側流路１３を流れる水の量より多くするとした。しかしながら、隣り合う水素極側流路１３間での水の量の関係はこれに限定されない。同じ量であってもよい。
【００９４】
［変形例７］
第２実施形態では、酸素極側流路１２と水素極側流路１３とは、酸素極側流路１２での水が流れる方向と水素極側流路１３での水が流れる方向とが交差し、かつ、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３の幅が、他の水素極側流路１３の幅より大きくなるように形成されているとした。しかしながら、酸素極側流路１２での水が流れる方向と水素極側流路１３での水が流れる方向とを交差しなくてもよい。また、水素極側流路１３の幅は、同じであってもよい。
【００９５】
［変形例８］
第２実施形態では、水供給部６０が酸素極側流路１２と水素極側流路１３との両方に水を供給しているとき、酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向と、水素極側流路１３を流れる水の流れ方向とが交差する角度は、９０度であるとした。しかしながら、酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向と、水素極側流路１３を流れる水の流れ方向とが交差する角度は、これに限定されない。水素極側流路１３を流れる水の流れ方向が酸素極側流路１２を流れる水の流れ方向のベクトル成分を打ち消さない方向であればよい。
【００９６】
［変形例９］
第２実施形態では、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３の幅を他の水素極側流路１３の幅より大きくすることによって、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３を流れる水の流量を、他の水素極側流路１３を流れる水の流量より多くするとした。しかしながら、酸素極側流路１２の酸素排出路２６に接続する側に対応する水素極側流路１３を流れる水の流量を、他の水素極側流路１３を流れる水の流量より多くする方法はこれに限定されない。
【００９７】
［変形例１０］
第２実施形態では、ＭＥＡ１１は、カソードフィードされる水によって冷却されるとした。第３実施形態では、ＭＥＡ１１は、随伴水によって冷却されるとした。しかしながら、ＭＥＡ１１を冷却する方法はこれに限定されない。随伴水とは別に、冷却水によって冷却してもよい。
【００９８】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１、２、３…水電解装置
１０…ＰＥＭ型水電解セル
１１ａ…電解質膜
１１ｂ…酸素極
１１ｃ…水素極
１２…酸素極側流路
１３…水素極側流路
２０、６０、７０…水供給部
２１…水タンク
２１ａ…調整バルブ
２２…水供給路
２２ａ…水冷却部
２２ｂ…水精製部
２３、６４、７４…水循環路
２３ａ、６４ａ…水循環ポンプ
２５…酸素流通部
２６…酸素排出路
２６ａ、３１ａ…気液分離部
３０…水素流通部
３１…水素排出路
３２…水素循環路
３２ａ…水素循環ポンプ
４０…直流電力供給部
４５…インピーダンス取得部
４６…電流計
５０…制御部
７５ａ、７５ｂ…温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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