(57)【要約】【課題】イオン伝導性電解液を供給する電気化学デバイスの耐久性を向上させる。【解決手段】電気化学デバイス１は、それぞれ陰極室１０２、陽極室１０４、隔膜１０６、白金触媒を有する陰極１０８、および陽極室１０４に収容される陽極１１０を有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セル１００と、各電気化学セル１００の陰極室１０２および陽極室１０４にイオン伝導性電解液を供給し、また陰極室１０２および陽極室１０４からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールド２００と、複数の電気化学セル１００のセル電圧を制御する制御部３００とを備える。制御部３００は、複数の電気化学セル１００の運転停止中における各電気化学セル１００のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ陰極室、陽極室、前記陰極室および前記陽極室を仕切る隔膜、前記陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに前記陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セルと、
各電気化学セルの前記陰極室および前記陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また前記陰極室および前記陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、
前記複数の電気化学セルのセル電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記複数の電気化学セルの運転停止中における各電気化学セルのセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項２】
前記制御部は、各電気化学セルのセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記制御部は、各電気化学セルのセル電圧を上昇させる際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を、０．８Ｖ超の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする請求項２に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記制御部は、各電気化学セルのセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記制御部は、各電気化学セルのセル電圧を上昇させる際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする請求項４に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
水電解装置である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
前記イオン伝導性電解液は、アルカリ水溶液である請求項６に記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
それぞれ陰極室、陽極室、前記陰極室および前記陽極室を仕切る隔膜、前記陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに前記陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続されたＮ個の電気化学セルを含むセルモジュールと、
各電気化学セルの前記陰極室および前記陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また前記陰極室および前記陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、
前記セルモジュールの電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記セルモジュールの運転停止中における前記セルモジュールの電圧を０．１Ｎ  Ｖ以上に維持することを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項９】
それぞれ陰極室、陽極室、前記陰極室および前記陽極室を仕切る隔膜、前記陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに前記陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セルと、各電気化学セルの前記陰極室および前記陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また前記陰極室および前記陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、を備える電気化学デバイスの制御方法であって、
前記複数の電気化学セルの運転停止中における各電気化学セルのセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することを特徴とする電気化学デバイスの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学デバイスおよび電気化学デバイスの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セルの積層体にイオン伝導性電解液を流通させる電気化学デバイスとして、アルカリや酸の水溶液を流通させる水電解装置、トルエン等の芳香族化合物と酸の水溶液を流通させる有機ハイドライドの電解合成装置、食塩水を流通させる食塩電解装置、硫酸バナジウム、塩化鉄、塩化クロム等の水溶液を流通させるレドックスフロー電池などが知られている。例えば、水から酸素と水素を生成するアルカリ水電解では、陽極が配置された陽極室、陰極が配置された陰極室、およびこれらの電極室を仕切る隔膜を有する電気化学セルと、各電極に給電する電源とを備える水電解装置が用いられる。この水電解装置において、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等の電解液が各電極室に供給され、電極間に電圧が印加されると、陰極室で水素が発生し、陽極室で酸素が発生する。
【０００３】
水電解装置では、給電が停止すると電気化学セルに逆電流が発生し、これにより電極が劣化することが知られている。例えば、特許文献１では、逆電流による電極の劣化への対策として、ルテニウム化合物とセリウム化合物の組み合わせに特定の金属化合物を共存させた触媒層を有する陰極が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１４８０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、火力発電で得られるエネルギーに比べて生成過程での二酸化炭素排出量を抑制することができるエネルギーとして、風力や太陽光等で得られる再生可能エネルギーが注目されている。しかしながら、イオン伝導性電解液を供給する電気化学デバイスの電源として再生可能エネルギーを使用する場合、再生可能エネルギーの出力変動の大きさや給電の停止回数の多さが障害となる。
【０００６】
これまでのところ、電極の劣化を回避するために出力の安定した電源を電気化学デバイスに用いることが一般的であり、再生可能エネルギーと電気化学デバイスとの組み合わせは十分に検討されてこなかった。本発明者らは、再生可能エネルギーと電気化学デバイスとの組み合わせを実現すべく鋭意検討を重ねた結果、再生可能エネルギーの出力変動の大きさや給電の停止回数の多さに起因する電極の劣化を抑制して、電気化学デバイスの耐久性をより向上させる技術に想到した。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン伝導性電解液を供給する電気化学デバイスの耐久性を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、電気化学デバイスである。当該電気化学デバイスは、それぞれ陰極室、陽極室、陰極室および陽極室を仕切る隔膜、陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セルと、各電気化学セルの陰極室および陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また陰極室および陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、複数の電気化学セルのセル電圧を制御する制御部と、を備える。制御部は、複数の電気化学セルの運転停止中における各電気化学セルのセル電圧を０．１Ｖ以上に維持する。
【０００９】
本発明の他の態様は、電気化学デバイスである。当該電気化学デバイスは、それぞれ陰極室、陽極室、陰極室および陽極室を仕切る隔膜、陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続されたＮ個の電気化学セルを含むセルモジュールと、各電気化学セルの陰極室および陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また陰極室および陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、セルモジュールの電圧を制御する制御部と、を備える。制御部は、セルモジュールの運転停止中におけるセルモジュールの電圧を０．１Ｎ  Ｖ以上に維持する。
【００１０】
本発明の他の態様は、電気化学デバイスの制御方法である。当該制御方法は、それぞれ陰極室、陽極室、陰極室および陽極室を仕切る隔膜、陰極室に収容される、白金触媒を有する陰極、ならびに陽極室に収容される陽極を有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セルと、各電気化学セルの陰極室および陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また陰極室および陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、を備える電気化学デバイスの制御方法であって、複数の電気化学セルの運転停止中における各電気化学セルのセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、イオン伝導性電解液を供給する電気化学デバイスの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る電気化学デバイスの模式図である。
【図２】図２（Ａ）は、第１逆電流経路を示す図である。図２（Ｂ）は、第２逆電流経路を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、第３逆電流経路を示す図である。図３（Ｂ）は、第４逆電流経路を示す図である。
【図４】Ｎｉ基材とＰｔ被膜とで構成される陰極の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】運転停止中のセル電圧と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。
【図６】電圧変化速度と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。
【図７】電圧変化速度と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、同一の部材であっても、各図面間で縮尺等が若干相違する場合もあり得る。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限り、いかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。
【００１４】
図１は、実施の形態に係る電気化学デバイスの模式図である。以下では、アルカリ水電解装置を電気化学デバイスの例に挙げて、本実施の形態を説明する。電気化学デバイス１は、主な構成として、セルモジュール１０１と、マニホールド２００と、陰極循環タンク２と、陽極循環タンク４と、電源１０と、制御部３００とを備える。
【００１５】
セルモジュール１０１は、複数の電気化学セル１００が積層された構造を有する。各電気化学セル１００は、陰極室１０２と、陽極室１０４と、隔膜１０６と、陰極１０８と、陽極１１０とを有する。なお、本実施の形態では、酸化反応が起こる極を陽極（アノード）、還元反応が起こる極を陰極（カソード）と定義する。各電気化学セル１００は、陰極室１０２と陽極室１０４の並びが同じになるように向きが揃えられ、隣り合う電気化学セル１００の間に通電板１１２を挟んで積層される。これにより、各電気化学セル１００は電気的に直列接続される。本実施の形態の電気化学デバイス１は、一例として２つの電気化学セル１００を備える。また、最外側の電気化学セル１００の外側にも通電板１１２が積層される。通電板１１２は、金属等の導電性材料で構成される。
【００１６】
陰極室１０２は、陰極１０８およびイオン伝導性電解液を収容する空間である。陽極室１０４は、陽極１１０およびイオン伝導性電解液を収容する空間である。陰極室１０２および陽極室１０４は、隔膜１０６によって仕切られる。
【００１７】
隔膜１０６は、セパレータとも呼ばれる。後述のように、陰極室１０２では水素ガスが生成され、陽極室１０４では酸素ガスが生成される。このため、隔膜１０６は、水素ガスと酸素ガスとが混合されないように、ガス遮断性を有する。また、水電解ではイオンが電子を運ぶ媒体である。このため、隔膜１０６は、高いイオン透過性を有する。隔膜１０６を構成する材料には、従来公知のものを用いることができる。具体的には、アスベスト、高分子補強アスベスト、ＰＴＦＥ結着チタン酸カリウム、ＰＴＦＥ結着ジルコニア、ポリスルホン結着ポリアンチモン酸／酸化アンチモン、焼結ニッケル、セラミクス／酸化ニッケル被覆ニッケル、ポリスルホン等が例示される。
【００１８】
隔膜１０６の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１０〜１０００μｍである。隔膜１０６の厚さを１０μｍ以上とすることで、隔膜１０６のガス遮断性を確保して、水素ガスおよび酸素ガスのクロスリークをより確実に抑制することができる。また、隔膜１０６の厚さを１０００μｍ以下とすることで、隔膜１０６のイオン伝導抵抗が過大になることを抑制することができる。
【００１９】
陰極１０８（カソード）は、陰極室１０２に収容されるとともに、隔膜１０６の一方の主表面に接するように設けられる。陰極１０８は、例えばメッシュ状や多孔質状である。陰極１０８では、水（Ｈ２Ｏ）と電子（ｅ−）から水素ガス（Ｈ２）と水酸化物イオン（ＯＨ−）とが生成される反応が起こる。陰極１０８は、白金（Ｐｔ）触媒を有する。例えば、陰極１０８は、ニッケル（Ｎｉ）を含む基材と、Ｐｔを含み、基材の表面を覆う貴金属被膜とで構成される。貴金属を、反応場となる基材の表面のみに配置することで、電極のコストを低減することができる。陰極１０８の厚さは、特に限定されないが、例えば１００〜５０００μｍである。基材の表面を覆う貴金属被膜の厚さは、特に限定されないが、例えば０．１〜５０μｍである。
【００２０】
陽極１１０（アノード）は、陽極室１０４に収容されるとともに、隔膜１０６の他方の主表面、すなわち陰極１０８が接する側とは反対側の主表面に接するように設けられる。陽極１１０は、例えばメッシュ状や多孔質状である。陽極１１０では、水酸化物イオンから酸素ガス（Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）と電子（ｅ−）とが生成される反応が起こる。陽極１１０を構成する材料には、従来公知のものを用いることができる。具体的には、ニッケル、ニッケル系合金、鉄、ニッケル被覆鉄、イオン（Ａｇ＋，Ｌｉ＋，Ｈｅ＋，Ｋｒ＋等）プレートニッケル、ニッケルコバルト酸化物、酸化コバルト、ランタンドープ酸化コバルト、ランタンストロンチウムコバルト酸化物、亜鉛コバルト酸化物、貴金属酸化物等が例示される。また、陽極１１０は、陰極１０８と同様に、Ｎｉ基材とＰｔ被膜とで構成されてもよい。陽極１１０の厚さは、特に限定されないが、例えば１００〜５０００μｍである。
【００２１】
なお、本実施の形態の電気化学セル１００は、隔膜１０６に陰極１０８および陽極１１０が当接する、いわゆるゼロギャップ構造を有するが、特にこの構造に限定されない。
【００２２】
陰極循環タンク２には、各電気化学セル１００の陰極室１０２から回収されるイオン伝導性電解液が収容される。以下では適宜、イオン伝導性電解液を、単に電解液と称する。電解液は、従来公知のものを用いることができる。具体的には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液等のアルカリ水溶液が例示される。電解質の濃度は、例えば０．１〜１０ｍｏｌ／Ｌである。陰極循環タンク２は、陰極気液分離部としても機能する。各陰極室１０２から回収される電解液には、陰極１０８で生成された水素ガスが溶存している。電解液に溶存する水素ガスは、陰極循環タンク２において電解液から分離され、系外に取り出される。
【００２３】
陽極循環タンク４には、各電気化学セル１００の陽極室１０４から回収される電解液が収容される。電解液には、陰極循環タンク２に収容される電解液と同じものを用いることができる。陽極循環タンク４は、陽極気液分離部としても機能する。各陽極室１０４から回収される電解液には、陽極１１０で生成された酸素ガスが溶存している。電解液に溶存する酸素ガスは、陽極循環タンク４において電解液から分離され、系外に取り出される。
【００２４】
マニホールド２００は、各電気化学セル１００の陰極室１０２および陽極室１０４に電解液を供給し、また陰極室１０２および陽極室１０４からそれぞれの電解液を回収する部材である。すなわち、マニホールド２００は、電解液を循環させるための配管である。マニホールド２００は、陰極循環タンク２および陽極循環タンク４から各電気化学セル１００へ電解液を供給するための往路部２０２と、各電気化学セル１００から陰極循環タンク２および陽極循環タンク４へ電解液を回収するための復路部２０４とを有する。
【００２５】
往路部２０２は、途中に循環装置２０６を有する。循環装置２０６の駆動により電解液がマニホールド２００内を流れ、陰極循環タンク２および陽極循環タンク４と各電気化学セル１００との間を循環する。循環装置２０６としては、例えばギアポンプやシリンダーポンプ等の各種ポンプ、あるいは自然流下式装置等を用いることができる。
【００２６】
また、往路部２０２は、陰極循環タンク２と循環装置２０６とをつなぐ第１配管２０８と、陽極循環タンク４と循環装置２０６とをつなぐ第２配管２１０とを有する。本実施の形態では、第１配管２０８と第２配管２１０とは、合流した後に循環装置２０６に接続されている。すなわち、第１配管２０８と第２配管２１０とは、一部が共通の配管で構成される。なお、第１配管２０８と第２配管２１０とは、完全に独立していてもよい。
【００２７】
また、往路部２０２は、循環装置２０６と各電気化学セル１００の陰極室１０２との間に配置される第３配管２１２と、循環装置２０６と各電気化学セル１００の陽極室１０４との間に配置される第４配管２１４とを有する。本実施の形態では、第３配管２１２と第４配管２１４とは、循環装置２０６からの一部分が共通の配管で構成されている。なお、第３配管２１２と第４配管２１４とは、完全に独立していてもよい。第１配管２０８と第２配管２１０とが独立し、且つ第３配管２１２と第４配管２１４とが独立している場合には、第１配管２０８と第３配管２１２とが循環装置２０６を介して接続され、第２配管２１０と第４配管２１４とが循環装置２０６を介して接続される。
【００２８】
第３配管２１２の循環装置２０６とは反対側の端部には、複数の電気化学セル１００に対応して複数の側枝管２１３が接続される。各側枝管２１３は、各電気化学セル１００における陰極室１０２の供給口に接続される。したがって、第３配管２１２および側枝管２１３は、各電気化学セル１００の陰極室１０２に電解液を供給するための配管である。
【００２９】
第４配管２１４の循環装置２０６とは反対側の端部には、複数の電気化学セル１００に対応して複数の側枝管２１５が接続される。各側枝管２１５は、各電気化学セル１００における陽極室１０４の供給口に接続される。したがって、第４配管２１４および側枝管２１５は、各電気化学セル１００の陽極室１０４に電解液を供給するための配管である。
【００３０】
なお、第３配管２１２と第４配管２１４とは、共通の第７配管で構成されてもよい。この場合、第７配管の循環装置２０６とは反対側の端部に、複数の側枝管２１３，２１５が接続される。
【００３１】
復路部２０４は、各電気化学セル１００の陰極室１０２と陰極循環タンク２との間に配置される第５配管２１６と、各電気化学セル１００の陽極室１０４と陽極循環タンク４との間に配置される第６配管２１８とを有する。第５配管２１６と第６配管２１８とは、陰極１０８で生成される水素ガスと陽極１１０で生成される酸素ガスとが混ざらないように、完全に独立している。
【００３２】
第５配管２１６の陰極循環タンク２とは反対側の端部には、複数の電気化学セル１００に対応して複数の側枝管２１７が接続される。各側枝管２１７は、各電気化学セル１００における陰極室１０２の排出口に接続される。したがって、第５配管２１６および側枝管２１７は、各電気化学セル１００の陰極室１０２から電解液と生成ガスを回収するための配管である。
【００３３】
第６配管２１８の陽極循環タンク４とは反対側の端部には、複数の電気化学セル１００に対応して複数の側枝管２１９が接続される。各側枝管２１９は、各電気化学セル１００における陽極室１０４の排出口に接続される。したがって、第６配管２１８および側枝管２１９は、各電気化学セル１００の陽極室１０４から電解液と生成ガスを回収するための配管である。
【００３４】
電源１０は、複数の電気化学セル１００に電力を印加する。電源１０の正極出力端子は、電気化学セル１００と通電板１１２の積層体において最外側に配置される２つの通電板１１２のうち、陽極室１０４と隣り合う通電板１１２に接続される。電源１０の負極出力端子は、積層体の最外側に配置される２つの通電板１１２のうち、陰極室１０２と隣り合う通電板１１２に接続される。これにより、各電気化学セル１００の陰極１０８と陽極１１０との間に所定のセル電力が印加される。電源１０は、好ましくは風力発電装置、太陽光発電装置等の再生可能エネルギー発電装置である。
【００３５】
制御部３００は、複数の電気化学セル１００のセル電圧を制御する。制御部３００は、電圧取得部３０２および駆動制御部３０４を有する。制御部３００は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックがハードウェアおよびソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には当然に理解されるところである。
【００３６】
制御部３００には、セルモジュール１０１から、陰極１０８および／または陽極１１０の電位、あるいは各電気化学セル１００のセル電圧を示す信号が入力される。各電極の電位や電気化学セル１００セル電圧は、従来公知の方法で検出することができる。例えば、陰極１０８および／または陽極１１０の電位検知のために、参照極が隔膜１０６に設けられる。参照極は、陰極１０８および陽極１１０から電気的に隔離されている。参照極は、参照電極電位に保持される。例えば参照極は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極（参照電極電位＝＋０．１９９Ｖ  ｖｓ．ＮＨＥ）、飽和カロメル電極（参照電極電位＝＋０．２４４Ｖ  ｖｓ．ＮＨＥ）、可逆水素電極（参照電極電位＝０．００Ｖ  ｖｓ．ＮＨＥ、ｐＨ＝０）である。
【００３７】
参照極に対する陰極１０８および／または陽極１１０の電位は、セルモジュール１０１に設けられる図示しない電圧検出部によって検出される。電圧検出部は、例えば従来公知の電圧計で構成される。電圧検出部の検出値を示す信号は、電圧取得部３０２に入力される。電圧取得部３０２は、電解液のｐＨおよび温度に基づいて、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対する電位を可逆水素電極（ＲＨＥ：Reversible Hydrogen Electrode、参照電極電位＝０Ｖ）に対する電位に変換することができる。
【００３８】
これにより、制御部３００は、各電気化学セル１００における陰極１０８と陽極１１０との電位差、すなわちセル電圧を把握することができる。なお、一方の電極の電位が、逆電流の発生によって変化しないか、変化量が無視し得る程度である場合には、他方の電極の電位のみが制御部３００に送信されればよい。
【００３９】
電位の変化量が無視し得る程度であることは、陰極および陽極の放電容量を事前に把握することで見極めることができる。例えば、陰極および陽極の放電容量を測定し、放電容量の差が２倍以上ある場合に、放電容量が大きい方の電極における電位の変化量は無視することができる。また、電極の放電容量は、例えば陰極であれば、電力印加によって電気化学セルに開回路が形成された直後の陰極電位から当該開回路直後の陽極電位まで、陰極の電位が移動したときの電気量である。これは、陰極のサイクリックボルタンメトリーやクロノアンペロメトリー等で、容易に測定することができる。すなわち、陰極と陽極の放電容量を事前に測定して両極の放電容量比を把握しておくことで、逆電流が発生した際の電位変化量を無視できる電極を見極めることができる。
【００４０】
また、セルモジュールにおける端部セルの電圧から、電極の電位を推定することができる。後述のように、逆電流による電圧の低下は、隣り合うセル間での反応によって起こる。このため、端部セルにおいて隣のセルに接続されない電極、つまりエンドプレートに接続される電極（以下では適宜、端部電極という）では当該反応が起こらず、電位は変化しない。逆電流発生時に２つの端部セルのうち一方のセルの電圧が変化し、他方のセルの電圧が変化しない場合、電圧が変化した端部セルにおける端部電極を、電位の変化量を無視できる電極とみなすことができる。
【００４１】
図３（Ａ）を参照すると、陰極室１０２ａ中の陰極と陽極室１０４ｂ中の陽極が端部電極に該当する。逆電流によって、陰極室１０２ｂ中の陰極１０８ｂの電位が上昇した場合、第２電気化学セル１００ｂのセル電圧、つまり陰極１０８ｂと陽極室１０４ｂ中の陽極との電位差が減少する。この場合、第２電気化学セル１００ｂにおける端部電極、すなわち陽極室１０４ｂ中の陽極は、電位が変化していないとみなすことができる。一方、陽極室１０４ａ中の陽極１１０ａは、電位が変化しない。このため、第１電気化学セル１００ａのセル電圧、つまり陰極室１０２ａ中の陰極と陽極１１０ａとの電位差は変化しない。以上説明した方法によれば、参照極を用いずとも、電位が変化する電極を見極めることができる。これにより、参照極を用いずにセル電圧を制御することができる。
【００４２】
電気化学セル１００のセル電圧の値は、電圧取得部３０２から駆動制御部３０４に送られる。駆動制御部３０４は、取得したセル電圧の値に基づいて、各電気化学セル１００のセル電圧が所定の電圧となるように、あるいはセル電圧が所定の変化態様をとるように、電源１０の出力を制御する。
【００４３】
上述した構成を備える電気化学デバイス１の動作は、以下の通りである。まず、循環装置２０６が駆動して、陰極循環タンク２および陽極循環タンク４に貯蔵されている電解液が陰極室１０２および陽極室１０４に供給される。また、電源１０から各電気化学セル１００に電力が印加される。これにより、各電気化学セル１００では以下の反応が起こる。ここでは、一例として陰極および陽極としてＰｔコートＮｉ電極を用いている。反応温度は、例えば室温〜１００℃である。
【００４４】
＜陰極での反応＞
（１）２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−
＜陽極での反応＞
（２）４ＯＨ−→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
【００４５】
すなわち、陰極１０８では、水の電気分解により水素ガスと水酸化物イオンとが生成される（反応式（１））。生成された水酸化物イオンは、隔膜１０６を介して陽極１１０に供給される。陽極１１０に供給された水酸化物イオンは、陽極１１０において水と電子の生成に用いられる。具体的には、水酸化物イオン同士の反応により、水と電子が生成される（反応式（２））。生成された電子は、通電板１１２を介して、直列接続された隣の電気化学セル１００の陰極１０８に供給される。陰極１０８での電極反応と、陽極１１０での電極反応とが並行して進行する。
【００４６】
陰極１０８で生成された水素ガスは、主に電解液と混合された状態で陰極循環タンク２に送られる。水素ガスは、陰極循環タンク２において電解液から分離され、系外に取り出されて任意の用途に用いられる。水素ガスが分離された電解液は、再び電気化学セル１００に供給される。陽極１１０で生成された酸素ガスは、主に電解液と混合された状態で陽極循環タンク４に送られる。酸素ガスは、陽極循環タンク４において電解液から分離され、系外に取り出されて任意の用途に用いられる。酸素ガスが分離された電解液は、再び電気化学セル１００に供給される。
【００４７】
［逆電流の発生メカニズム］
本発明者らは、給電停止中に電気化学デバイス１で流れる逆電流について鋭意研究を重ねた結果、逆電流の発生メカニズムを解明するに至った。すなわち、電源１０からの給電が停止して、各電気化学セル１００における水の電解反応が停止すると、図２（Ａ）〜図３（Ｂ）に示す経路に沿った逆電流が流れる。図２（Ａ）は、第１逆電流経路を示す図である。図２（Ｂ）は、第２逆電流経路を示す図である。図３（Ａ）は、第３逆電流経路を示す図である。図３（Ｂ）は、第４逆電流経路を示す図である。以下、逆電流経路について具体的に説明する。
【００４８】
図２（Ａ）には、隣り合う第１電気化学セル１００ａと第２電気化学セル１００ｂとの間に形成される第１逆電流経路Ｃ１が示されている。電源１０からの給電が停止すると、第１電気化学セル１００ａの陽極１１０ａにおいて、以下の反応が起こる。
＜第１電気化学セルの陽極での反応＞
（ａ）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
【００４９】
陽極１１０ａで発生した水酸化物イオンは、第１電気化学セル１００ａ内を陽極室１０４ａから隔膜１０６ａを経て陰極室１０２ａに移動する。陰極室１０２ａに移動した水酸化物イオンは、陰極室１０２ａの供給口に接続された第１側枝管２１３ａ、第３配管２１２、および第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂの供給口に接続された第２側枝管２１３ｂを経て、第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂに移動する。そして、陰極１０８ｂにおいて以下の反応が起こる。
＜第２電気化学セルの陰極での反応＞
（ｂ）Ｈ２＋２ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００５０】
陰極１０８ｂで発生した電子は、通電板１１２を介して第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａに移動する。この結果、閉回路ができて逆電流が流れる。第１逆電流経路Ｃ１には、第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａ−隔膜１０６ａ−陰極室１０２ａ−マニホールド２００（往路部２０２の第１側枝管２１３ａ、第３配管２１２および第２側枝管２１３ｂ）−第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂの順に水酸化物イオンが流れる、水酸化物イオン経路が含まれる。
【００５１】
図２（Ｂ）には、隣り合う第１電気化学セル１００ａと第２電気化学セル１００ｂとの間に形成される第２逆電流経路Ｃ２が示されている。電源１０からの給電が停止すると、第１電気化学セル１００ａの陽極１１０ａにおいて、上記（ａ）の反応が起こる。
【００５２】
陽極１１０ａで発生した水酸化物イオンは、第１電気化学セル１００ａ内を陽極室１０４ａから隔膜１０６ａを経て陰極室１０２ａに移動する。陰極室１０２ａに移動した水酸化物イオンは、陰極室１０２ａの排出口に接続された第１側枝管２１７ａ、第５配管２１６、および第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂの排出口に接続された第２側枝管２１７ｂを経て、第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂに移動する。そして、陰極１０８ｂにおいて上記（ｂ）の反応が起こる。
【００５３】
陰極１０８ｂで発生した電子は、通電板１１２を介して第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａに移動する。この結果、閉回路ができて逆電流が流れる。第２逆電流経路Ｃ２には、第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａ−隔膜１０６ａ−陰極室１０２ａ−マニホールド２００（復路部２０４の第１側枝管２１７ａ、第５配管２１６および第２側枝管２１７ｂ）−第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂの順に水酸化物イオンが流れる、水酸化物イオン経路が含まれる。
【００５４】
図３（Ａ）には、隣り合う第１電気化学セル１００ａと第２電気化学セル１００ｂとの間に形成される第３逆電流経路Ｃ３が示されている。電源１０からの給電が停止すると、第１電気化学セル１００ａの陽極１１０ａにおいて、上記（ａ）の反応が起こる。
【００５５】
陽極１１０ａで発生した水酸化物イオンは、陽極室１０４ａの供給口に接続された第１側枝管２１５ａ、第４配管２１４、および第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂの供給口に接続された第２側枝管２１５ｂを経て、第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂに移動する。陽極室１０４ｂに移動した水酸化物イオンは、第２電気化学セル１００ｂ内を陽極室１０４ｂから隔膜１０６ｂを経て陰極室１０２ｂに移動する。そして、陰極１０８ｂにおいて上記（ｂ）の反応が起こる。
【００５６】
陰極１０８ｂで発生した電子は、通電板１１２を介して第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａに移動する。この結果、閉回路ができて逆電流が流れる。第３逆電流経路Ｃ３には、第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａ−マニホールド２００（往路部２０２の第１側枝管２１５ａ、第４配管２１４および第２側枝管２１５ｂ）−第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂ−隔膜１０６ｂ−陰極室１０２ｂの順に水酸化物イオンが流れる、水酸化物イオン経路が含まれる。
【００５７】
図３（Ｂ）には、隣り合う第１電気化学セル１００ａと第２電気化学セル１００ｂとの間に形成される第４逆電流経路Ｃ４が示されている。電源１０からの給電が停止すると、第１電気化学セル１００ａの陽極１１０ａにおいて、上記（ａ）の反応が起こる。
【００５８】
陽極１１０ａで発生した水酸化物イオンは、陽極室１０４ａの排出口に接続された第１側枝管２１９ａ、第６配管２１８、および第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂの排出口に接続された第２側枝管２１９ｂを経て、第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂに移動する。陽極室１０４ｂに移動した水酸化物イオンは、第２電気化学セル１００ｂ内を陽極室１０４ｂから隔膜１０６ｂを経て陰極室１０２ｂに移動する。そして、陰極１０８ｂにおいて上記（ｂ）の反応が起こる。
【００５９】
陰極１０８ｂで発生した電子は、通電板１１２を介して第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａに移動する。この結果、閉回路ができて逆電流が流れる。第４逆電流経路Ｃ４には、第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａ−マニホールド２００（復路部２０４の第１側枝管２１９ａ、第６配管２１８および第２側枝管２１９ｂ）−第２電気化学セル１００ｂの陽極室１０４ｂ−隔膜１０６ｂ−陰極室１０２ｂの順に水酸化物イオンが流れる、水酸化物イオン経路が含まれる。
【００６０】
なお、第３配管２１２と第４配管２１４とが共通の第７配管で構成される場合、任意の側枝管２１３からこれに最も近い側枝管２１５までの経路の方が、任意の側枝管２１３からこれに最も近い側枝管２１３までの経路、あるいは任意の側枝管２１５からこれに最も近い側枝管２１５までの経路よりも短い。このため、第１電気化学セル１００ａの陽極室１０４ａ−マニホールド２００（側枝管２１５、第７配管および側枝管２１３）−第２電気化学セル１００ｂの陰極室１０２ｂの順に水酸化物イオンが流れる水酸化物イオン経路を含む、第５逆電流経路が形成される。
【００６１】
［逆電流に起因する電極の劣化メカニズムと劣化対策］
逆電流が生じると、各電気化学セル１００の陰極１０８および陽極１１０の間にかかる電圧が変動する。この結果、容量が小さい電極の電位は容量が大きい電極の電位に徐々に近づいていく。通常、陰極１０８の方が陽極１１０よりも過電圧が小さい。このため、陰極１０８は陽極１１０よりも、表面粗さを考慮した時の触媒表面積や電極面積が小さい傾向にある。したがって、陰極１０８の電位が徐々に貴な電位にシフトすることが多い。
【００６２】
電位がシフトすると、電極の劣化が起こりやすくなる。具体的には、本実施の形態の陰極１０８は、Ｐｔ触媒を有する。陰極１０８の電位が高電位にシフトすると、電極表面のＰｔが酸化されて、酸化白金（ＰｔＯあるいはＰｔＯ２）となる。この状態で電気化学デバイス１が運転を開始すると、陰極１０８の電位は高電位から低電位にシフトする。このため、陰極１０８ではＰｔＯあるいはＰｔＯ２からＰｔへの還元反応が起こる。Ｐｔの酸化状態と還元状態との間での変化が繰り返されると、電極の劣化が促進される。電極の劣化量は、Ｐｔの酸化数の変化量に依存する。ＰｔＯ２（Ｐｔの酸化数：＋４）とＰｔＯ（Ｐｔの酸化数：＋２）とでは、ＰｔＯ２からＰｔ（Ｐｔの酸化数：０）に変化するときの方が、ＰｔＯからＰｔに変化するときよりも酸化数の変化量が大きく、劣化はより大きくなる。
【００６３】
図４は、Ｎｉ基材とＰｔ被膜とで構成される陰極の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図４に示すように、陰極１０８の劣化が進み、電極表面のＰｔが剥離している。この結果、電極表面の一部（枠で囲った部分）で、Ｎｉ基材が露出している。
【００６４】
［運転停止中のセル電圧制御の解析：試験１］
これに対し、制御部３００は、複数の電気化学セル１００の運転停止中における各電気化学セル１００のセル電圧を、０．１Ｖ以上に維持する。これにより、運転の停止と開始との繰り返しによる電極の劣化を抑制することができる。運転停止中の各電気化学セル１００におけるセル電圧の維持は、例えば、電源１０にキャパシタや蓄電池等の付加設備を組み込み、制御部３００が電源１０を制御して、付加設備から各電気化学セル１００に電圧を印加することで実現することができる。なお、付加設備を含む電源１０は、従来公知の構造を採用することができるため、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
本発明者らは、運転停止中のセル電圧の制御によって得られる効果を実証すべく、運転停止中の電気化学セルのセル電圧と、触媒の電気化学的有効表面積（ＥＣＳＡ：Electrochemical  Surface Area）との関係を解析した。
【００６６】
まず、ＰｔコートＮｉ電極（サイズ１０ｃｍ×１０ｃｍ、デノラ・ペルメレック社製）を準備した。また、水酸化カリウム（試薬特級、和光純薬工業社製）とイオン交換水とを用いて、６ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ水溶液を調整した。得られたＫＯＨ水溶液のｐＨを測定したところ、ｐＨは約１４であった。
【００６７】
作用極および対極の両方に、準備したＰｔコートＮｉ電極を用い、参照極にＡｇ／ＡｇＣｌ電極（北斗電工社製）を用いて、電気化学セルを作製した。この電気化学セルに、電解液としてのＫＯＨ水溶液を約１０００ｍｌ投入した。セル温度は、恒温槽を用いて２５℃に維持した。なお本解析では、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対する電位を、ｐＨおよび温度に基づいてＲＨＥに対する電位に変換している。
【００６８】
作製した電気化学セルについて、電気化学評価装置（北斗電工社製、ＨＺ−５０００、パワーブースター付）を用いて、サイクリックボルタンメトリーを３サイクル実施した。電位走査速度は１００ｍＶ／秒とし、電位走査範囲は０．０５Ｖ〜１．２Ｖとした。そして、２サイクル目のサイクリックボルタモグラムにおける水素の吸着脱離波（０．０５Ｖ〜０．４Ｖ付近）の平均電気量から、電気化学的に有効なＰｔのＥＣＳＡを算出した。電気量と表面積の変換には、理論的係数２１０μＣ／ｃｍ２を用いた。算出したＥＣＳＡを、初期のＥＣＳＡとした。
【００６９】
電位走査速度１０００ｍＶ／秒で、サイクル数３０，０００回の電位サイクル試験を実施した。このとき、下限電位は０Ｖに設定し、上限電位は０．０１〜１．２Ｖの範囲で複数設定した。電位サイクル試験後のＥＣＳＡを、初期ＥＣＳＡと同じ方法で算出した。そして、初期ＥＣＳＡに対する試験後ＥＣＳＡの割合を、３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとして算出した。３０，０００サイクル後のＥＣＳＡの算出式は以下の式のとおりである。
３０，０００サイクル後のＥＣＳＡ（％）＝（試験後ＥＣＳＡ）／（初期ＥＣＳＡ）
【００７０】
また、電気化学セルの運転停止中のセル電圧を以下の通りに算出した。すなわち、積層された複数の電気化学セルを有するアルカリ水電解槽では、電気化学セルの運転停止中に発生する逆電流により、陰極電位の上昇、陽極電位の下降、またはその両方が起こる。これにより、セル電圧は減少する。本解析では、ＰｔコートＮｉ電極を用いたときに最も起こりやすい陰極電位の上昇のみを想定し、運転停止中のセル電圧を算出した。この場合、陽極電位は約１．２Ｖのまま変化しない。このため、以下の式に基づいて、運転停止中のセル電圧を算出することができる。
セル電圧＝１．２Ｖ−陰極電位＝１．２Ｖ−上限電位
【００７１】
上述した３０，０００サイクル後のＥＣＳＡおよびセル電圧の各算出式を用いて、各上限電位における３０，０００サイクル後のＥＣＳＡを算出した。結果を図５に示す。図５は、運転停止中のセル電圧と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。
【００７２】
図５に示すように、運転停止中のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することで、ＥＣＳＡの大幅な低下を抑制できることが確認された。つまり、運転停止中のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することで、電極の劣化を効果的に抑制できることが確認された。これは、運転停止中のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することで、電極表面のＰｔの酸化数増加を抑制できたためと推測される。また、運転停止中のセル電圧を０．５Ｖ超、さらには０．８Ｖ以上に維持することで、ＥＣＳＡの低下をより抑制できることが確認された。
【００７３】
［セル電圧制御の解析：試験２］
また、電極が劣化するという課題に対して、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする。これにより、電気化学デバイス１のコストアップや運転効率の低下を回避しながら、電極の劣化を抑制することができる。
【００７４】
また、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖを基準とした電圧変化速度の切り換えに加えて、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を、０．８Ｖ超の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする。これにより、電気化学デバイス１のコストアップや運転効率の低下の抑制と、電極の劣化抑制とをより高い次元で両立することができる。電圧変化速度の調整は、電源１０にパワーコンディショナー、キャパシタ、蓄電池等の付加設備を組み込み、これらを用いることで実現することができる。電圧変化速度の抑制量が大きくなるほど、抑制に必要な電力量は大きくなる。このため、付加設備の規模が増大し、コスト増につながる。したがって、電圧変化速度を抑制する電圧範囲を制限することで、抑制に必要な電力量を極小化し、電気化学デバイス１の低コスト化を図ることができる。
【００７５】
本発明者らは、昇圧時のセル電圧の制御によって得られる効果を実証すべく、起動時のセル電圧の変化速度と、触媒のＥＣＳＡとの関係を解析した。
【００７６】
まず、試験１と同様に電気化学セルを作製し、サイクリックボルタンメトリーを３サイクル実施し、初期ＥＣＳＡを算出した。続いて、下限電位を０Ｖに、上限電位を１．２Ｖに固定し、所定の電位走査速度でサイクル数３０，０００回の電位サイクル試験を実施した。電位走査速度について、高速の電位走査速度として１０００ｍＶ／秒を設定し、低速の電位走査速度として１００ｍＶ／秒を設定した。
【００７７】
また、電位走査速度を、電位範囲の全体で高速とする実験例１と、電位範囲の全体で低速とする実験例２、０Ｖ〜０．５Ｖとを設定した。また、電位走査速度を、所定の電位範囲で低速とし、他の電位範囲で高速とする実験例３〜５を設定した。なお、低速あるいは高速とする電位範囲は、試験１と同様の方法でセル電圧の範囲に変換した。実験例１は、セル電圧の全範囲（０Ｖ〜１．２Ｖ）で高速である。実験例２は、セル電圧の全範囲で低速である。実験例３は、セル電圧０Ｖ〜０．５Ｖで低速である。実験例４は、セル電圧０．５Ｖ〜０．８Ｖで低速である。実験例５は、セル電圧０．８Ｖ〜１．２Ｖで低速である。
【００７８】
各実験例について、試験１と同様の方法で３０，０００サイクル後のＥＣＳＡを算出した。結果を図６に示す。図６は、電圧変化速度と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。図６に示すように、セル電圧を０Ｖ（陰極電位１．２Ｖ）から立ち上げる際に、全電圧範囲で電位走査速度、言い換えれば電圧変化速度を高速とした実験例１では、ＥＣＳＡは３２％程度しか残存しなかった。一方で、全電圧範囲で電圧変化速度を低速とした実験例２では、ＥＣＳＡの残存率が５０％程度まで上昇した。
【００７９】
このことから、電圧変化速度を低速にすることで、電極の劣化が抑制される傾向にあることが確認された。しかしながら、出力の安定した電源を用いる場合と異なり、出力変動の大きい再生可能エネルギーを電源とする場合は、電圧変化速度を落とすために付加設備の大容量化が必要となる。このため、電気化学デバイスのコストアップにつながる。また、電圧変化速度を遅くすれば、当然に電気化学デバイスの起動時間が延び、電気化学デバイスの運転効率が低下する。
【００８０】
電気化学デバイスのコストアップや運転効率の低下を抑制する上で、電圧変化速度を低速にする電圧範囲を一部のみとすることが有効である。そして、実験例３〜５から理解されるように、電圧変化速度を低速にする電圧範囲は、０．５Ｖ以上が好ましく、０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下がより好ましい。つまり、０．５Ｖ以上（０．５Ｖ以上１．２Ｖ以下）の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くすることが有効である。また、０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満および０．８Ｖ超の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くすることがより一層有効である。
【００８１】
これにより、電極の劣化を抑制することができるとともに、電圧変化速度を落とすために必要な付加設備の容量を小さくすることができ、また電気化学デバイスの運転効率の低下を軽減することができる。また、０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下の電圧範囲での電圧変化速度の低速化によれば、全電圧範囲での電圧変化速度の低速化と同程度のＥＣＳＡ保持効果を得ることができる。
【００８２】
電気化学セルの運転停止中、セル電圧が０Ｖ付近にあるとき、電極表面のＰｔは酸化状態にある。電極表面のＰｔＯやＰｔＯ２は、０．５Ｖ以上の電圧範囲、より特定的には０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下の電圧範囲において、還元されてＰｔに戻る。Ｐｔは、酸化状態から還元状態に遷移する際に不安定になり、一部がＰｔ２＋等のイオンに変化して、溶液中に拡散する。また、ＰｔＯ、ＰｔＯ２およびＰｔの間での変化は、膨張収縮等を伴う。このため、電圧変化速度が速いと結晶構造の再構築が間に合わず、一部のＰｔが電極から脱離することも想定される。したがって、Ｐｔの酸化状態が変化する上述の電圧範囲において緩やかに電圧を変化させることで、Ｐｔを酸化状態から還元状態に緩やかに変化させることができる。この結果、ＥＣＳＡを維持、言い換えれば電極の劣化を抑制することができる。
【００８３】
なお、Ｐｔが還元状態から酸化状態に遷移する際、言い換えれば電気化学セル１００の運転停止直後に逆電流が生じて陰極電位が上昇する際にも、０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を低速にすることが好ましい。これにより、電極の劣化をより一層抑制することができる。
【００８４】
［セル電圧制御における電圧変化速度の解析：試験３］
また、電極が劣化するという課題に対して、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする。これにより、電極の劣化をより確実に抑制することができる。また、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上で電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とすることに加えて、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする。これにより、電極の劣化をより確実に抑制しながら、電気化学デバイス１のコストアップや運転効率の低下を抑制することができる。
【００８５】
本発明者らは、電圧変化速度が電極の劣化に与える影響を確認すべく、起動時のセル電圧の変化速度と、触媒のＥＣＳＡとの関係を解析した。試験２では、電圧変化速度を高速と低速の２段階とした。これに対し本試験では、電圧変化速度をより多段階で変化させて、電圧変化速度に対する電極劣化の依存性を解析した。
【００８６】
まず、試験１と同様に電気化学セルを作製し、サイクリックボルタンメトリーを３サイクル実施し、初期ＥＣＳＡを算出した。続いて、下限電位を０Ｖに、上限電位を１．２Ｖに固定し、所定の電位走査速度でサイクル数３０，０００回の電位サイクル試験を実施した。電位走査速度は、１０〜１０００ｍＶ／秒の範囲で複数設定した。そして、試験１と同様の方法で３０，０００サイクル後のＥＣＳＡを算出した。結果を図７に示す。図７は、電圧変化速度と３０，０００サイクル後のＥＣＳＡとの関係を示す図である。
【００８７】
図７に示すように、電圧変化速度が２００ｍＶ／秒以下であるとき、ＥＣＳＡの大幅な低下を抑制できることが確認された。この傾向は、運転停止中のセル電圧を０．１Ｖに維持する場合も、運転停止中のセル電圧の維持制御を実施しない場合（すなわち停止中のセル電圧０Ｖ）も、同様であった。したがって、０．５Ｖ以上の電位範囲、さらには０．５Ｖ以上０．８Ｖ以下の電位範囲において、電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とすることで、電極の劣化をより確実に抑制できることが確認された。
【００８８】
［電気化学デバイスの制御方法］
本実施の形態に係る電気化学デバイスの制御方法は、複数の電気化学セル１００の運転停止中における各電気化学セル１００のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することを含む。また、当該制御方法は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くすることを含む。さらに、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を、０．８Ｖ超の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くすることを含む。また、当該制御方法は、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とすることを含む。さらに、各電気化学セル１００のセル電圧を上昇させる際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とすることを含む。
【００８９】
以上説明したように、本実施の形態に係る電気化学デバイス１は、それぞれ陰極室１０２、陽極室１０４、隔膜１０６、白金触媒を有する陰極１０８、および陽極１１０を有する複数の電気化学セル１００と、各電気化学セル１００の陰極室１０２および陽極室１０４に対しイオン伝導性電解液の供給と回収とを行うマニホールド２００と、複数の電気化学セル１００のセル電圧を制御する制御部３００とを備える。そして、制御部３００は、各電気化学セル１００の運転停止中におけるセル電圧を０．１Ｖ以上に維持する。また、本実施の形態に係る電気化学デバイス１の制御方法は、運転停止中における各電気化学セル１００のセル電圧を０．１Ｖ以上に維持することを含む。
【００９０】
これにより、運転停止中に起こる逆電流に起因する電極の劣化を抑制することができる。したがって、電気化学デバイス１の耐久性を向上させることができ、より長期間にわったて低電力で水素を製造することができる。
【００９１】
また、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧が上昇および／または下降する際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を、０．５Ｖ未満の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする。さらに制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧が上昇および／または下降する際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を、０．８Ｖ超の電圧範囲における電圧変化速度よりも遅くする。このように、電圧変化速度を遅くする電圧範囲を限定することで、大容量の付加設備を追加することなく、Ｐｔを酸化状態から還元状態へ、あるいは還元状態から酸化状態へ緩やかに変化させることができる。したがって、電極の劣化を抑制することができる。また、電気化学デバイス１の運転効率の低下を抑制することができる。
【００９２】
また、制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧が上昇および／または下降する際、０．５Ｖ以上の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする。さらに制御部３００は、各電気化学セル１００のセル電圧が上昇および／または下降する際、０．８Ｖ以下の電圧範囲における電圧変化速度を０．２Ｖ／秒以下とする。これにより、電極の劣化をより確実に抑制することができる。
【００９３】
なお、制御部３００は、各電気化学セル１００の電圧を個別に取得して、各電気化学セル１００の電圧を個別に制御してもよいし、各電気化学セル１００の電圧を取得せずに電圧検出部からセルモジュール１０１全体の電圧を取得して、セルモジュール１０１の電圧を制御してもよい。つまり、複数の電気化学セル１００の電圧を、一括して制御してもよい。
【００９４】
複数の電気化学セル１００の電圧を一括して制御する場合、制御部３００は、運転停止中のセル電圧の維持に用いるしきい値（０．１Ｖ）に電気化学セル１００のセル数（Ｎ）を乗じた値（０．１Ｎ  Ｖ）を、セルモジュール１０１に対するしきい値として保持する。そして、制御部３００は、セルモジュール１０１の運転停止中におけるセルモジュール１０１の電圧を、このしきい値以上に維持する。また、制御部３００は、電圧変化速度の維持に用いるしきい値（０．２Ｖ／秒）に電気化学セル１００のセル数（Ｎ）を乗じた値（０．２Ｎ  Ｖ／秒）を、セルモジュール１０１に対するしきい値として保持する。そして、制御部３００は、セルモジュール１０１の電圧を上昇あるいは下降させる際、上述した所定の電圧範囲における電圧変化速度をこのしきい値以下とする。なお、各電気化学セル１００の電圧を個別に制御する場合は、制御部３００は、１つの電気化学セル１００に対するしきい値、つまり維持電圧０．１Ｖと電圧変化速度０．２Ｖ／秒とに基づいて、各電気化学セル１００の電圧を個別に制御する。
【００９５】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００９６】
実施の形態では、陰極１０８を例に挙げて電極の劣化を説明した。しかしながら、特にこの構成に限定されず、陰極１０８よりも陽極１１０の方が容量が小さく、陽極１１０が白金触媒を含む場合であっても、本実施の形態によって同様の効果を得ることができる。
【００９７】
実施の形態では、アルカリ水電解装置を例に挙げて電気化学デバイスを説明した。しかしながら、電気化学デバイスは、電気化学セルの積層体にイオン伝導性電解液を流通させる構成を備えるものであればよい。例えば、電気化学デバイスは、酸性溶液を用いる水電解装置、有機ハイドライドの電解合成装置、食塩電解装置、レドックスフロー電池等であってもよい。また、実施の形態では、酸化反応が起こる極を陽極（アノード）、還元反応が起こる極を陰極（カソード）と定義している。しかしながら、充放電可能な二次電池の場合、充電の場合と放電の場合とで陽極と陰極は反転する。上記定義は、二次電池の充電時に該当する。陽極、陽極室、陰極および陰極室という表現を二次電池に適用する場合、二次電池の放電時における陽極、陽極室、陰極、陰極室と定義してもよい。
【００９８】
実施の形態で説明した構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【符号の説明】
【００９９】
１  電気化学デバイス、  １００  電気化学セル、  １０２  陰極室，  １０４  陽極室，  １０６  隔膜，  １０８  陰極，  １１０  陽極，  ２００  マニホールド、  ３００  制御部。
【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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