JP7834673B2 - Apparatus for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack, a cell degradation calculation system, a cell degradation calculation method, and a cell degradation calculation program. - Google Patents
Apparatus for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack, a cell degradation calculation system, a cell degradation calculation method, and a cell degradation calculation program.Info
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Description
実施の形態は、電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムに関する。 The embodiments relate to a cell degradation degree calculation apparatus, a cell degradation degree calculation system, a cell degradation degree calculation method, and a cell degradation degree calculation program for an electrochemical cell stack.
燃料電池、水電解装置および二酸化炭素電解装置等を構成する電気化学セルスタックは、複数のセルを積層することによって構成されている。セルを構成する膜電極接合体は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在された電解質膜と、を含んでいる。電気化学セルスタックの使用を継続すると、アノード電極およびカソード電極に含まれる触媒材料が劣化したり、電解質膜が劣化したりする。この場合、電気化学セルスタックの性能が低下し得る。 Electrochemical cell stacks, which constitute fuel cells, water electrolyzers, and carbon dioxide electrolyzers, are constructed by stacking multiple cells. The membrane electrode assembly constituting each cell includes an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte membrane interposed between the anode and cathode electrodes. With continued use of the electrochemical cell stack, the catalyst materials contained in the anode and cathode electrodes, as well as the electrolyte membrane, may deteriorate. In this case, the performance of the electrochemical cell stack may decrease.
実施の形態は、セルの劣化度を容易に得ることができる電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムを提供することを目的とする。 The embodiment aims to provide a cell degradation degree calculation device, cell degradation degree calculation system, cell degradation degree calculation method, and cell degradation degree calculation program for an electrochemical cell stack that can easily obtain the degree of cell degradation.
実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置は、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する装置である。電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置は、 二酸化炭素電解停止後のセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得する第１取得部と、水電解停止後のセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得する第２取得部と、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出する第１算出部と、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出する第２算出部と、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出する第３算出部と、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である。 The electrochemical cell stack cell degradation calculation device according to this embodiment is a device for calculating the degradation degree of cells in an electrochemical cell stack. The electrochemical cell stack cell degradation calculation device comprises: a first acquisition unit that acquires first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cells after carbon dioxide electrolysis is stopped; a second acquisition unit that acquires second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cells after water electrolysis is stopped; a first calculation unit that calculates a first target voltage value based on the first characteristic data; a second calculation unit that calculates a second target voltage value based on the second characteristic data; and a third calculation unit that calculates a cell degradation degree showing the degradation degree of the cells based on the first target voltage value and the second target voltage value. The voltage-time characteristics when carbon dioxide electrolysis is stopped have a first time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a second time period after the first time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The voltage-time characteristics when water electrolysis is stopped have a third time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a fourth time period after the third time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The first target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease in the voltage value reaches a first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed. The second target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease in the voltage value reaches a second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムは、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出するシステムである。電気化学セルスタックのセル劣化度算出システムは、上述の電気化学セルスタックの劣化度算出装置と、第１特性データを格納する第１データベースと、第２特性データを格納する第２データベースと、を備えている。第１取得部は、第１データベースから第１特性データを取得する。第２取得部は、第２データベースから第２特性データを取得する。 The electrochemical cell stack cell degradation calculation system according to this embodiment is a system for calculating the degradation degree of cells in an electrochemical cell stack. The electrochemical cell stack cell degradation calculation system comprises the electrochemical cell stack degradation calculation device described above, a first database for storing first characteristic data, and a second database for storing second characteristic data. The first acquisition unit acquires the first characteristic data from the first database. The second acquisition unit acquires the second characteristic data from the second database.
実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法は、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する方法である。電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法は、電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、電気化学セルスタックでの水電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。 The method for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack according to this embodiment is a method for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack. The method for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack includes the steps of: acquiring first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping carbon dioxide electrolysis in the electrochemical cell stack; acquiring second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping water electrolysis in the electrochemical cell stack; calculating a first target voltage value based on the first characteristic data; calculating a second target voltage value based on the second characteristic data; and calculating a degree of cell degradation showing the degree of cell degradation based on the first target voltage value and the second target voltage value. The voltage-time characteristics when carbon dioxide electrolysis is stopped have a first time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a second time period after the first time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The voltage-time characteristics when water electrolysis is stopped have a third time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a fourth time period after the third time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The first target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease in the voltage value reaches a first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed. The second target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease in the voltage value reaches a second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラムは、電気化学セルスタックのセルの劣化度を算出する電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法をコンピュータに実行させるプログラムである。電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラムは、電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、電気化学セルスタックでの水電解を停止してからのセルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備えている。二酸化炭素電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有している。水電解を停止した場合の電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。 The electrochemical cell stack cell degradation calculation program according to this embodiment is a program that causes a computer to execute an electrochemical cell stack cell degradation calculation method for calculating the degradation of cells in an electrochemical cell stack. The electrochemical cell stack cell degradation calculation program includes the steps of: acquiring first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cells after carbon dioxide electrolysis in the electrochemical cell stack is stopped; acquiring second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cells after water electrolysis in the electrochemical cell stack is stopped; calculating a first target voltage value based on the first characteristic data; calculating a second target voltage value based on the second characteristic data; and calculating a cell degradation degree showing the degradation of the cells based on the first target voltage value and the second target voltage value. The voltage-time characteristics when carbon dioxide electrolysis is stopped have a first time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a second time period after the first time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The voltage-time characteristics when water electrolysis is stopped have a third time period in which the rate of decrease in voltage value increases, and a fourth time period after the third time period in which the rate of decrease in voltage value decreases. The first target voltage value is the voltage value at which the rate of voltage decrease reaches the first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed. The second target voltage value is the voltage value at which the rate of voltage decrease reaches the second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
実施の形態によれば、セルの劣化度を容易に得ることができる。 According to this embodiment, the degree of cell degradation can be easily obtained.
次に、本実施の形態による電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置、セル劣化度算出システム、セル劣化度算出方法およびセル劣化度算出プログラムについて説明する。ここではまず、本実施の形態による電気化学セルスタックについて説明する。電気化学セルスタックは、二酸化炭素もしくは水などの電気分解装置、または燃料電池などに用いられる。 Next, the cell degradation degree calculation device, cell degradation degree calculation system, cell degradation degree calculation method, and cell degradation degree calculation program for the electrochemical cell stack according to this embodiment will be described. First, the electrochemical cell stack according to this embodiment will be described. The electrochemical cell stack is used in electrolysis devices for carbon dioxide or water, or in fuel cells, etc.
図１に示すように、電気化学セルスタック１は、一対の集電板２と、一対の集電板２の間に積層された複数のセル１０と、セル１０と交互に積層された複数のセパレータ３０と、を備えている。セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０Ｍと、セル枠２０と、を含んでいる。セル１０、セパレータ３０および集電板２は、一対の締付板３で締め付けられて押圧されている。一対の締付板３は、図示しないボルトおよびナット等を用いて締め付けられている。締付板３と集電板２との間に、絶縁板４が介在されている。 As shown in Figure 1, the electrochemical cell stack 1 comprises a pair of current collector plates 2, a plurality of cells 10 stacked between the pair of current collector plates 2, and a plurality of separators 30 stacked alternately with the cells 10. Each cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 10M and a cell frame 20. The cells 10, separators 30, and current collector plates 2 are clamped and pressed together by a pair of clamping plates 3. The pair of clamping plates 3 are fastened together using bolts and nuts (not shown). An insulating plate 4 is interposed between the clamping plates 3 and the current collector plates 2.
膜電極接合体１０Ｍは、カソード電極１１と、アノード電極１２と、カソード電極１１とアノード電極１２との間に介在された電解質膜１３と、を含んでいる。膜電極接合体１０Ｍは、薄板状に形成されている。膜電極接合体１０Ｍは、電気化学セルスタック１の積層方向Ｄで見たときに、矩形状に形成されていてもよい。 The membrane electrode assembly 10M includes a cathode electrode 11, an anode electrode 12, and an electrolyte membrane 13 interposed between the cathode electrode 11 and the anode electrode 12. The membrane electrode assembly 10M is formed in a thin plate shape. The membrane electrode assembly 10M may also be formed in a rectangular shape when viewed in the stacking direction D of the electrochemical cell stack 1.
カソード電極１１は、カソード触媒層１１ａと、カソードガス拡散層１１ｂと、を含んでいる。カソード触媒層１１ａは電解質膜１３に接している。カソードガス拡散層１１ｂは、セパレータ３０に接しており、後述するカソード流路から供給されたカソード流体を拡散させる。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、カソードガス拡散層１１ｂは、例えば、カーボンペーパまたはチタン不織布で形成されていてもよい。カソードガス拡散層１１ｂは、カソード触媒層１１ａに接合されている。カソード触媒層１１ａが、カソード流体を拡散することができれば、カソードガス拡散層１１ｂは設けられていなくてもよい。 The cathode electrode 11 includes a cathode catalyst layer 11a and a cathode gas diffusion layer 11b. The cathode catalyst layer 11a is in contact with the electrolyte membrane 13. The cathode gas diffusion layer 11b is in contact with the separator 30 and diffuses the cathode fluid supplied from the cathode channel (described later). When the electrochemical cell stack 1 is used in an electrolysis apparatus, the cathode gas diffusion layer 11b may be formed from, for example, carbon paper or titanium nonwoven fabric. The cathode gas diffusion layer 11b is bonded to the cathode catalyst layer 11a. If the cathode catalyst layer 11a can diffuse the cathode fluid, the cathode gas diffusion layer 11b may not be necessary.
アノード電極１２は、アノード触媒層１２ａと、アノードガス拡散層１２ｂと、を含んでいる。アノード触媒層１２ａは電解質膜１３に接している。アノード触媒層１２ａは電解質膜１３に接している。アノードガス拡散層１２ｂは、セパレータ３０に接しており、後述するアノード流路３２から供給されたアノード流体を拡散させる。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、アノードガス拡散層１２ｂは、例えば、カーボンペーパまたはチタン不織布で形成されていてもよい。アノードガス拡散層１２ｂは、アノード触媒層１２ａに接合されている。アノード触媒層１２ａが、アノード流体を拡散することができれば、アノードガス拡散層１２ｂは設けられていなくてもよい。 The anode electrode 12 includes an anode catalyst layer 12a and an anode gas diffusion layer 12b. The anode catalyst layer 12a is in contact with the electrolyte membrane 13. The anode gas diffusion layer 12b is in contact with the separator 30 and diffuses the anode fluid supplied from the anode channel 32 (described later). When the electrochemical cell stack 1 is used in an electrolysis apparatus, the anode gas diffusion layer 12b may be formed of, for example, carbon paper or titanium nonwoven fabric. The anode gas diffusion layer 12b is bonded to the anode catalyst layer 12a. If the anode catalyst layer 12a can diffuse the anode fluid, the anode gas diffusion layer 12b may not be necessary.
電解質膜１３は、電解質材料で形成されている。電気化学セルスタック１が電気分解装置に用いられる場合には、電解質膜１３の例としては、イオン交換膜または多孔質膜などが挙げられるが、任意である。 The electrolyte membrane 13 is formed from an electrolyte material. When the electrochemical cell stack 1 is used in an electrolysis apparatus, examples of the electrolyte membrane 13 include ion exchange membranes or porous membranes, but are optional.
アノード電極１２は、電解質膜１３の一方の面に形成されており、カソード電極１１は、電解質膜１３の他方の面に形成されている。アノード電極１２およびカソード電極１１は、電解質膜１３に接合されている。 The anode electrode 12 is formed on one side of the electrolyte membrane 13, and the cathode electrode 11 is formed on the other side of the electrolyte membrane 13. The anode electrode 12 and the cathode electrode 11 are bonded to the electrolyte membrane 13.
電気化学セルスタック１が燃料電池として用いられる場合には、電気エネルギを生成する発電反応が行われる。この場合、カソード電極１１に、後述するカソード流路３１からカソード流体（図１の符号Ｆ１参照）が供給される。カソード流体は、酸素を含有しているガスであり、例えば、空気であってもよい。アノード電極１２に、後述するアノード流路３２からアノード流体（図１の符号Ｆ２参照）が供給される。アノード流体は、例えば、水素を含有するガスであってもよい。カソード流体とアノード流体が供給されることにより、膜電極接合体１０Ｍにおいて、電気化学反応が生じる。この結果、電気エネルギを取り出すことができる。 When the electrochemical cell stack 1 is used as a fuel cell, a power generation reaction is performed to produce electrical energy. In this case, a cathode fluid (see reference numeral F1 in Figure 1) is supplied to the cathode electrode 11 from the cathode channel 31, which will be described later. The cathode fluid is an oxygen-containing gas, and may be, for example, air. An anode fluid (see reference numeral F2 in Figure 1) is supplied to the anode electrode 12 from the anode channel 32, which will be described later. The anode fluid may be, for example, a hydrogen-containing gas. The supply of the cathode fluid and anode fluid causes an electrochemical reaction to occur in the membrane electrode assembly 10M. As a result, electrical energy can be extracted.
電気化学セルスタック１が電気分解装置として用いられる場合には、電気エネルギを用いて電気分解反応が行われる。この場合、カソード流体は、水蒸気または二酸化炭素ガスであってもよく、カソード電極において水蒸気または二酸化炭素ガスが電気分解されてもよい。アノード電極１２には、電解溶液が供給されてもよい。電解溶液は、例えば、炭酸水素カルシウム（ＫＨＣＯ３）等の電解質を含む水溶液であってもよい。 When the electrochemical cell stack 1 is used as an electrolysis apparatus, the electrolysis reaction is carried out using electrical energy. In this case, the cathode fluid may be water vapor or carbon dioxide gas, and the water vapor or carbon dioxide gas may be electrolyzed at the cathode electrode. An electrolytic solution may be supplied to the anode electrode 12. The electrolytic solution may be an aqueous solution containing an electrolyte such as calcium bicarbonate ( KHCO3 ).
図２に示すように、セル１０には、識別情報を示す識別記号１４が付されている。識別情報は、ＩＤコードであってもよい。識別記号１４は、カソード電極１１のカソード流路３１に対向する面、またはアノード電極１２のアノード流路３２に対向する面に付されていてもよい。識別記号１４は、マージン部に付されていてもよい。マージン部は、後述するセル枠２０のうちのシール部（図示せず）よりも外側に配置されている。識別記号１４は、例えば印刷、レーザまたは手書きなどによって、セル枠２０に付されていてもよい。識別記号１４は、英数字でセル枠２０に付されていてもよく、あるいは、１次元バーコードまたは２次元バーコードでセル枠２０に付されていてもよい。 As shown in Figure 2, the cell 10 is marked with an identification symbol 14 indicating identification information. This identification information may be an ID code. The identification symbol 14 may be affixed to the surface of the cathode electrode 11 facing the cathode channel 31, or to the surface of the anode electrode 12 facing the anode channel 32. The identification symbol 14 may also be affixed to the margin portion. The margin portion is located outside the seal portion (not shown) of the cell frame 20, which will be described later. The identification symbol 14 may be affixed to the cell frame 20 by means of printing, laser, or handwriting. The identification symbol 14 may be affixed to the cell frame 20 using alphanumeric characters, or it may be affixed to the cell frame 20 using a one-dimensional barcode or a two-dimensional barcode.
図２に示すように、電気化学セルスタック１の積層方向Ｄで見たときに、膜電極接合体１０Ｍは、セル枠２０によって囲まれている。セル枠２０は、プラスチックフィルムで形成されていてもよい。プラスチックフィルムの材質には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド、メラミン樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルエチルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂などを用いることが可能である。セル枠２０は、アノード流体およびカソード流体に対する不透過性を有している。 As shown in Figure 2, when viewed in the stacking direction D of the electrochemical cell stack 1, the membrane electrode assembly 10M is surrounded by the cell frame 20. The cell frame 20 may be formed from a plastic film. Examples of materials that can be used for the plastic film include polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, polycarbonate, polyurethane, phenolic resin, polyimide, polyamide, melamine resin, polyethylene naphthalate, polyacetal, ABS resin, polyether ethyl ketone, polyphenylene ether, polyvinyl acetate, and fluororesin. The cell frame 20 is impermeable to the anode fluid and cathode fluid.
セル枠２０は、開口２０ａを含んでいる。この開口２０ａに膜電極接合体１０Ｍが挿入されて、接着剤で接着されている。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。 The cell frame 20 includes an opening 20a. A membrane electrode assembly 10M is inserted into this opening 20a and bonded with an adhesive. Suitable adhesives include acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, and polyvinyl acetate.
セル枠２０に、カソード流体供給口２１、アノード流体供給口２２、カソード流体排出口２３およびアノード流体排出口２４が設けられている。すなわち、本実施の形態による電気化学セルスタック１は、内部マニホールド構造を有している。各流体供給口２１、２２および各流体排出口２３、２４は、セル枠２０を貫通している。各流体供給口２１、２２は、膜電極接合体１０Ｍの一側に位置し、各流体排出口２３、２４は、膜電極接合体１０Ｍの他側に位置している。 The cell frame 20 is provided with a cathode fluid supply port 21, an anode fluid supply port 22, a cathode fluid outlet port 23, and an anode fluid outlet port 24. That is, the electrochemical cell stack 1 according to this embodiment has an internal manifold structure. Each fluid supply port 21, 22 and each fluid outlet port 23, 24 penetrates the cell frame 20. Each fluid supply port 21, 22 is located on one side of the membrane electrode assembly 10M, and each fluid outlet port 23, 24 is located on the other side of the membrane electrode assembly 10M.
セパレータ３０は、導電性を有しているとともに、ガス不透過性を有している。セパレータ３０によって、アノード流体の雰囲気とカソード流体の雰囲気が隔離されている。 The separator 30 is both conductive and gas-impermeable. The separator 30 separates the atmosphere of the anode fluid from the atmosphere of the cathode fluid.
図１に示すように、セパレータ３０は、複数のカソード流路３１と、複数のアノード流路３２と、を含んでいる。カソード流路３１は、セパレータ３０のカソード電極１１の側の面に形成されており、カソード流路３１を流れるカソード流体は、カソード電極１１に供給される。カソード流路３１は、直線流路構造、サーペンタイン流路構造またはクランク流路構造を有していてもよく、任意である。アノード流路３２は、セパレータ３０のアノード電極１２の側の面に形成されており、アノード流路３２を流れるアノード流体は、アノード電極１２に供給される。アノード流路３２は、直線流路構造、サーペンタイン流路構造またはクランク流路構造を有していてもよく、任意である。 As shown in Figure 1, the separator 30 includes a plurality of cathode channels 31 and a plurality of anode channels 32. The cathode channels 31 are formed on the side of the separator 30 facing the cathode electrode 11, and the cathode fluid flowing through the cathode channels 31 is supplied to the cathode electrode 11. The cathode channels 31 may have a linear channel structure, a serpentine channel structure, or a cranked channel structure, and are optional. The anode channels 32 are formed on the side of the separator 30 facing the anode electrode 12, and the anode fluid flowing through the anode channels 32 is supplied to the anode electrode 12. The anode channels 32 may have a linear channel structure, a serpentine channel structure, or a cranked channel structure, and are optional.
上述したセル枠２０と同様に、セパレータ３０には、カソード流体供給口３３（図８参照）、アノード流体供給口３４、カソード流体排出口３５およびアノード流体排出口３６が形成されている。カソード流体は、カソード流体供給口３３からカソード流路３１を通ってカソード流体排出口３５に流れる。アノード流体は、アノード流体供給口３４からアノード流路３２を通ってアノード流体排出口３６に流れる。セパレータ３０は、金属薄膜のプレス加工またはカーボン材料の射出成形で形成されていてもよく、任意である。 Similar to the cell frame 20 described above, the separator 30 has a cathode fluid supply port 33 (see Figure 8), an anode fluid supply port 34, a cathode fluid outlet 35, and an anode fluid outlet 36. The cathode fluid flows from the cathode fluid supply port 33 through the cathode flow path 31 to the cathode fluid outlet 35. The anode fluid flows from the anode fluid supply port 34 through the anode flow path 32 to the anode fluid outlet 36. The separator 30 may be formed by press forming of a thin metal film or injection molding of a carbon material, and this is optional.
セパレータ３０は、セル１０には接合されておらず、図１に示すように、上述した締付板３による押圧力で、セル１０に押圧されている。 The separator 30 is not joined to the cell 10, but is pressed against the cell 10 by the pressing force of the clamping plate 3 described above, as shown in Figure 1.
このように構成された電気化学セルスタック１は、運転後に分解することができる。より具体的には、まず、締付板３を締め付けていたボルトおよびナットが取り外される。そして、電気化学セルスタック１の最上位置に位置する締付板３、絶縁板４および集電板２が取り外される。そして、セパレータ３０とセル１０とが順次取り外されて、各セル１０が分離される。このようにして、膜電極接合体１０Ｍを備えたセル１０を取り出すことができる。 The electrochemical cell stack 1 configured in this way can be disassembled after operation. More specifically, first, the bolts and nuts that fastened the clamping plate 3 are removed. Then, the clamping plate 3, insulating plate 4, and current collector plate 2 located at the top of the electrochemical cell stack 1 are removed. Next, the separator 30 and the cells 10 are sequentially removed, and each cell 10 is separated. In this way, the cells 10 equipped with the film electrode assembly 10M can be removed.
図３に、上述した電気化学セルスタック１を備えた電気化学セルスタックシステム１００の例が示されている。図３に示す電気化学セルスタックシステム１００は、電気化学セルスタック１と、補機１０１と、電力変換装置１０２と、制御装置１０３と、を備えていてもよい。 Figure 3 shows an example of an electrochemical cell stack system 100 equipped with the electrochemical cell stack 1 described above. The electrochemical cell stack system 100 shown in Figure 3 may also include the electrochemical cell stack 1, auxiliary equipment 101, a power converter 102, and a control device 103.
電気化学セルスタック１は、補機１０１によって起動されるとともに運転を行うことができる。電気化学セルスタック１が燃料電池として用いられる場合、補機１０１は、燃料電池に、水素ガスおよび空気を供給する。補機１０１は、例えばブロアなどによって構成される。燃料電池が運転を行っている間、補機１０１には動作電力が商用系統から供給される。燃料電池の発電電力は、電力変換装置１０２によって直流電流から交流電流に変換され、外部負荷に供給される。電気化学セルスタック１が電気分解装置として用いられる場合、補機１０１は、電気分解装置に、水蒸気または二酸化炭素ガスを供給するとともに電解溶液を供給する。電気分解に用いる電力は、商用系統から電力変換装置１０２を通って供給される。電力変換装置１０２は、商用系統からの電力を、交流電流から直流電流に変換して電気分解装置に供給する。補機１０１および電力変換装置１０２は、制御装置１０３によって制御される。 The electrochemical cell stack 1 can be started and operated by the auxiliary equipment 101. When the electrochemical cell stack 1 is used as a fuel cell, the auxiliary equipment 101 supplies hydrogen gas and air to the fuel cell. The auxiliary equipment 101 consists of, for example, a blower. While the fuel cell is operating, the auxiliary equipment 101 is supplied with operating power from the commercial grid. The power generated by the fuel cell is converted from DC current to AC current by the power converter 102 and supplied to the external load. When the electrochemical cell stack 1 is used as an electrolysis apparatus, the auxiliary equipment 101 supplies water vapor or carbon dioxide gas and an electrolytic solution to the electrolysis apparatus. The power used for electrolysis is supplied from the commercial grid through the power converter 102. The power converter 102 converts the power from the commercial grid from AC current to DC current and supplies it to the electrolysis apparatus. The auxiliary equipment 101 and the power converter 102 are controlled by the control device 103.
次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出システム４０について説明する。セル劣化度算出システム４０は、電気化学セルスタック１のセル１０のセル劣化度を算出するためのシステムである。 Next, the cell degradation degree calculation system 40 for the electrochemical cell stack 1 according to this embodiment will be described. The cell degradation degree calculation system 40 is a system for calculating the cell degradation degree of the cells 10 of the electrochemical cell stack 1.
図４に示すように、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出システム４０は、第１データベース４１と、第２データベース４２と、セル劣化度算出装置５０と、を備えていてもよい。各データベース４１、４２およびセル劣化度算出装置５０は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワークＮで接続されている。本実施の形態においては、セル劣化度算出装置５０に、第１データベース４１および第２データベース４２が接続されている。 As shown in Figure 4, the cell degradation degree calculation system 40 of the electrochemical cell stack 1 according to this embodiment may include a first database 41, a second database 42, and a cell degradation degree calculation device 50. Each of the databases 41, 42, and the cell degradation degree calculation device 50 are connected by a network N such as a LAN (Local Area Network). In this embodiment, the first database 41 and the second database 42 are connected to the cell degradation degree calculation device 50.
図５に示すように、第１データベース４１には、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データが格納されている。第１データベース４１には、複数のセル１０についての第１特性データが格納されていてもよい。各第１特性データには、識別情報が割り当てられており、各第１特性データは、識別情報と関連付けられている。第１特性データは、互いに対応する時間と電圧値の複数の組み合わせで構成されている。第１特性データの詳細については後述する。識別情報がＩＤコードである場合、図５に示すように、連続するＩＤコードが各セル１０に割り当てられてもよい。しかしながら、各セル１０に割り当てられるＩＤコートの番号のつけ方は、識別機能を有していれば任意である。第１データベース４１は、クラウドサーバに記録されていてもよい。第１特性データは、測定された際にクラウドサーバに記録されることにより第１データベース４１に格納されてもよい。 As shown in Figure 5, the first database 41 stores first characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after carbon dioxide electrolysis has stopped. The first database 41 may store first characteristic data for multiple cells 10. Each first characteristic data is assigned identification information, and each first characteristic data is associated with this identification information. The first characteristic data consists of multiple combinations of corresponding time and voltage values. Details of the first characteristic data will be described later. If the identification information is an ID code, consecutive ID codes may be assigned to each cell 10, as shown in Figure 5. However, the numbering of the ID codes assigned to each cell 10 is arbitrary, as long as it has an identification function. The first database 41 may be recorded on a cloud server. The first characteristic data may be stored in the first database 41 by being recorded on the cloud server when measured.
図６に示すように、第２データベース４２には、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データが格納されている。第２データベース４２には、複数のセル１０についての第２特性データが格納されていてもよい。各第２特性データには、識別情報が割り当てられており、各第２特性データは、識別情報と関連付けられている。第２特性データは、互いに対応する時間と電圧値の複数の組み合わせで構成されている。第２特性データの詳細については後述する。第２データベース４２は、クラウドサーバに記録されていてもよい。第２特性データは、測定された際にクラウドサーバに記録されることにより第２データベース４２に格納されてもよい。 As shown in Figure 6, the second database 42 stores second characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after water electrolysis has stopped. The second database 42 may store second characteristic data for multiple cells 10. Each second characteristic data is assigned identification information, and each second characteristic data is associated with this identification information. The second characteristic data consists of multiple combinations of corresponding time and voltage values. Details of the second characteristic data will be described later. The second database 42 may be recorded on a cloud server. The second characteristic data may be stored in the second database 42 by being recorded on the cloud server when measured.
次に、本実施の形態によるセル劣化度算出装置５０について説明する。セル劣化度算出装置５０は、電気化学セルスタック１のセル１０のセル劣化度を算出するための装置である。 Next, the cell degradation degree calculation device 50 according to this embodiment will be described. The cell degradation degree calculation device 50 is a device for calculating the cell degradation degree of the cells 10 of the electrochemical cell stack 1.
図４に示すように、セル劣化度算出装置５０は、入力部５１と、表示部５２と、記憶部５３と、通信部５４と、演算部６０と、を含んでいてもよい。入力部５１は、情報を入力するように構成されており、例えば、キーボード、マウスまたはタッチパネルなどで構成されていてもよい。表示部５２は、情報を表示するように構成されており、例えば、ディスプレイなどで構成されていてもよい。表示部５２は、後述する表示情報作成部６７により作成された表示情報を表示してもよい。記憶部５３は、情報を記憶するように構成されており、例えば、メモリまたはストレージなどで構成されていてもよい。通信部５４は、ネットワークＮを介してデータベース４１、４２が記憶されている外部機器と通信するように構成されていてもよい。例えば、通信部５４は、通信インターフェースなどで構成されていてもよい。 As shown in Figure 4, the cell degradation degree calculation device 50 may include an input unit 51, a display unit 52, a storage unit 53, a communication unit 54, and a calculation unit 60. The input unit 51 is configured to input information and may consist of, for example, a keyboard, mouse, or touch panel. The display unit 52 is configured to display information and may consist of, for example, a display. The display unit 52 may display display information created by the display information creation unit 67, which will be described later. The storage unit 53 is configured to store information and may consist of, for example, a memory or storage device. The communication unit 54 may be configured to communicate with an external device containing databases 41 and 42 via a network N. For example, the communication unit 54 may consist of a communication interface.
図４に示すように、演算部６０は、第１取得部６１、第２取得部６２、第１算出部６３、第２算出部６４、第３算出部６５、判定部６６および表示情報作成部６７などの機能ブロックを含んでいてもよい。これらの機能ブロックは、例えば、記憶部５３内に格納されたコンピュータプログラムを演算部６０により実行することで実現されてもよい。このプログラムは、電気化学セルスタック１の設計プログラムの例であり、記録媒体からセル劣化度算出装置５０にインストールされてもよい。あるいは、セル劣化度算出プログラムは、ネットワークＮ上のサーバなどからセル劣化度算出装置５０にダウンロードされてもよい。 As shown in Figure 4, the calculation unit 60 may include functional blocks such as a first acquisition unit 61, a second acquisition unit 62, a first calculation unit 63, a second calculation unit 64, a third calculation unit 65, a determination unit 66, and a display information creation unit 67. These functional blocks may be implemented, for example, by executing a computer program stored in the storage unit 53 using the calculation unit 60. This program is an example of a design program for the electrochemical cell stack 1 and may be installed on the cell degradation degree calculation device 50 from a recording medium. Alternatively, the cell degradation degree calculation program may be downloaded to the cell degradation degree calculation device 50 from a server on the network N.
第１取得部６１は、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データを取得する。第１特性データは、関連付けられた識別情報とともに、上述した第１データベース４１から取得する。第１取得部６１は、通信部５４およびネットワークＮを介して、第１データベース４１から第１特性データを取得するように構成されている。 The first acquisition unit 61 acquires first characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after carbon dioxide electrolysis has stopped. The first characteristic data, along with associated identification information, is acquired from the first database 41 described above. The first acquisition unit 61 is configured to acquire the first characteristic data from the first database 41 via the communication unit 54 and the network N.
第２取得部６２は、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データを取得する。第２特性データは、関連付けられた識別情報とともに、上述した第２データベース４２から取得する。第２取得部６２は、通信部５４およびネットワークＮを介して、第２データベース４２から第２特性データを取得するように構成されている。 The second acquisition unit 62 acquires second characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after water electrolysis has stopped. This second characteristic data, along with associated identification information, is acquired from the second database 42 described above. The second acquisition unit 62 is configured to acquire the second characteristic data from the second database 42 via the communication unit 54 and the network N.
第１算出部６３は、第１対象電圧値を算出する。第１対象電圧値Ｖ１は、第１特性データに基づいて算出される。 The first calculation unit 63 calculates the first target voltage value. The first target voltage value V1 is calculated based on the first characteristic data.
図７に実線で示すように、第１特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、二酸化炭素電解を行って停止した後に得られた電圧時間特性を示すデータであってもよい。図７においては、時間ｔ０まで二酸化炭素電解が行われ、時間ｔ０において二酸化炭素電解を停止している。時間ｔ０以降では、二酸化炭素電解の停止が継続され、セル１０の電圧値が減少している様子が示されている。 As shown by the solid line in Figure 7, the first characteristic data may be data showing the voltage-time characteristics obtained after carbon dioxide electrolysis has been performed and stopped in a carbon dioxide electrolysis apparatus equipped with an electrochemical cell stack 1. In Figure 7, carbon dioxide electrolysis is performed until time t0 , at which point carbon dioxide electrolysis is stopped. After time t0 , the cessation of carbon dioxide electrolysis continues, and the voltage value of cell 10 is shown to be decreasing.
二酸化炭素電解停止後の電圧時間特性は、図７に実線で示すように、電圧値の低下率が増加する第１時間帯Ｔ１と、第１時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第２時間帯Ｔ２と、を有している。第１対象電圧値は、第１特性データの第２時間帯Ｔ２を経過した後に電圧値の低下率が第１閾値に達したときの電圧値である。第２時間帯においては、電圧値の低下率は徐々に減少し、その後電圧値はほぼ一定になる。第１閾値は、電圧値が一定とみなすことができる電圧値の低下率として設定されていてもよい。第１算出部６３は、第１特性データを構成する時間と電圧値で図７に示すような第３特性曲線を算出して、この第３特性曲線で電圧値の低下率が第１閾値となる電圧値を第１対象電圧値としてもよい。第３特性曲線の例が、図７に実線で示されている。 The voltage-time characteristics after carbon dioxide electrolysis is stopped have a first time period T1 in which the rate of decrease in voltage increases, and a second time period T2 in which the rate of decrease in voltage decreases after the first time period, as shown by the solid line in Figure 7. The first target voltage value is the voltage value when the rate of decrease in voltage reaches a first threshold after the second time period T2 of the first characteristic data has elapsed. In the second time period, the rate of decrease in voltage gradually decreases, and thereafter the voltage value becomes almost constant. The first threshold may be set as the rate of decrease in voltage at which the voltage value can be considered constant. The first calculation unit 63 may calculate a third characteristic curve as shown in Figure 7 using the time and voltage values that constitute the first characteristic data, and the voltage value at which the rate of decrease in voltage reaches the first threshold on this third characteristic curve may be set as the first target voltage value. An example of the third characteristic curve is shown by the solid line in Figure 7.
第２算出部６４は、第２対象電圧値を算出する。第２対象電圧値Ｖ２は、第２特性データに基づいて算出される。 The second calculation unit 64 calculates the second target voltage value. The second target voltage value V2 is calculated based on the second characteristic data.
図７に破線で示すように、第２特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、水電解を行って停止した後に得られた電圧時間特性を示すデータであってもよい。図７においては、時間ｔ０まで水電解が行われ、時間ｔ０において水電解を停止している。時間ｔ０以降では、水電解の停止が継続され、セル１０の電圧値が減少している様子が示されている。 As shown by the dashed line in Figure 7, the second characteristic data may be data showing the voltage-time characteristics obtained after water electrolysis has been performed and stopped in a carbon dioxide electrolysis apparatus equipped with an electrochemical cell stack 1. In Figure 7, water electrolysis is performed until time t0 , at which point water electrolysis is stopped. After time t0 , the cessation of water electrolysis continues, and the voltage value of cell 10 is shown to be decreasing.
水電解停止後の電圧時間特性は、図７に破線で示すように、電圧値の低下率が増加する第３時間帯Ｔ３と、第３時間帯の後に電圧値の低下率が減少する第４時間帯Ｔ４と、を有している。第２対象電圧値は、第２特性データの第４時間帯Ｔ４を経過した後に電圧値の低下率が第２閾値に達したときの電圧値である。第４時間帯においては、電圧値の低下率は徐々に減少し、その後電圧値はほぼ一定になる。第２閾値は、電圧値が一定とみなすことができる電圧値の低下率として設定されていてもよい。第２算出部６４は、第２特性データを構成する時間と電圧値で図７に示すような第４特性曲線を算出して、この第４特性曲線で電圧値の低下率が第２閾値となる電圧値を第２対象電圧値としてもよい。第４特性曲線の例が、図７に破線で示されている。 The voltage-time characteristics after water electrolysis is stopped have a third time period T3 in which the rate of decrease in voltage increases, and a fourth time period T4 in which the rate of decrease in voltage decreases after the third time period, as shown by the dashed line in Figure 7. The second target voltage value is the voltage value when the rate of decrease in voltage reaches the second threshold after the fourth time period T4 of the second characteristic data has elapsed. In the fourth time period, the rate of decrease in voltage gradually decreases, and thereafter the voltage value becomes almost constant. The second threshold may be set as the rate of decrease in voltage at which the voltage value can be considered constant. The second calculation unit 64 may calculate a fourth characteristic curve as shown in Figure 7 using the time and voltage values that constitute the second characteristic data, and the voltage value at which the rate of decrease in voltage reaches the second threshold on this fourth characteristic curve may be set as the second target voltage value. An example of a fourth characteristic curve is shown by the dashed line in Figure 7.
第３算出部６５は、第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいてセル劣化度を算出する。セル劣化度は、セル１０の劣化度を示す。例えば、第２算出部６４は、第１対象電圧値から第２対象電圧値を引いた差分を第１対象電圧値で除算することによりセル劣化度を算出してもよい。すなわち、第１対象電圧値をＶ１、第２対象電圧値をＶ２とすると、以下の式（１）に従って、セル劣化度αが算出されてもよい。
判定部６６は、第３算出部６５により算出されたセル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かを判定してもよい。この場合、セル１０の劣化の程度を判定することができる。劣化度閾値は、例えば、劣化が比較的激しいとみなすことができる値であってもよい。セル劣化度が比較的激しい場合には、セル劣化度が大きくなる。あるいは、劣化度閾値は、例えば、セル１０に短絡が発生したとみなすことができる値であってもよい。短絡が発生している場合には、第１対象電圧値Ｖ１と第２対象電圧値Ｖ２との差が大きくなり、セル劣化度が大きくなる。 The determination unit 66 may determine whether the cell degradation level calculated by the third calculation unit 65 is equal to or greater than the degradation level threshold. In this case, the degree of degradation of cell 10 can be determined. The degradation level threshold may be, for example, a value that indicates relatively severe degradation. If the cell degradation level is relatively severe, the cell degradation level will be high. Alternatively, the degradation level threshold may be, for example, a value that indicates a short circuit has occurred in cell 10. If a short circuit has occurred, the difference between the first target voltage value V1 and the second target voltage value V2 will be high, and the cell degradation level will be high.
表示情報作成部６７は、第３算出部６５により算出されたセル劣化度を含む表示情報を作成する。表示情報には、判定部６６によるセル劣化度の判定結果が含まれていてもよい。表示情報作成部６７により作成された表示情報は、上述した表示部５２で表示されてもよい。 The display information creation unit 67 creates display information including the cell degradation degree calculated by the third calculation unit 65. The display information may also include the cell degradation degree determination result by the determination unit 66. The display information created by the display information creation unit 67 may be displayed by the display unit 52 described above.
次に、第１特性データおよび第２特性データの作成方法について説明する。ここでは、図１に示す電気化学セルスタック１が二酸化炭素電解装置を構成する場合を例にとって説明する。 Next, we will explain how to create the first and second characteristic data. Here, we will use the example of the electrochemical cell stack 1 shown in Figure 1, which constitutes a carbon dioxide electrolysis device.
図８に示すように、セル１０に印加される電圧を測定するために、電気化学セルスタック１には、複数の測定ピン７０が取り付けられている。カソード電極１１用の測定ピン７０は、セパレータ３０のカソード電極１１に対向する面に形成されたカソード側凹部３７に挿入されていてもよい。カソード側凹部３７は、図８において表面に形成されているカソード流路３１とは異なる位置に形成されている。便宜上、図８においてカソード流路３１は簡略化して図示している。カソード側凹部３７に挿入された測定ピン７０は、カソード電極１１に電気的に接触することができる。アノード電極１２用の測定ピン７０は、セパレータ３０のアノード電極１２に対向する面に形成されたアノード側凹部３８に挿入されていてもよい。アノード側凹部３８は、図８において裏面に形成されているアノード流路３２とは異なる位置に形成されている。アノード側凹部３８に挿入された測定ピン７０は、アノード電極１２に電気的に接触することができる。図８では、代表的に、１つのセル１０についての測定状態が示されているが、電気化学セルスタック１を構成する各セル１０について電圧値を測定するために、各セパレータ３０のカソード側凹部３７およびアノード側凹部３８に、測定ピン７０が挿入されている。すなわち、１つのセル１０に対して２つの測定ピン７０を用いて測定が行われてもよい。 As shown in Figure 8, the electrochemical cell stack 1 is equipped with a plurality of measuring pins 70 to measure the voltage applied to the cell 10. The measuring pins 70 for the cathode electrode 11 may be inserted into cathode-side recesses 37 formed on the surface of the separator 30 facing the cathode electrode 11. The cathode-side recesses 37 are formed in a different location from the cathode channel 31 formed on the surface in Figure 8. For convenience, the cathode channel 31 is simplified in Figure 8. The measuring pins 70 inserted into the cathode-side recesses 37 can electrically contact the cathode electrode 11. The measuring pins 70 for the anode electrode 12 may be inserted into anode-side recesses 38 formed on the surface of the separator 30 facing the anode electrode 12. The anode-side recesses 38 are formed in a different location from the anode channel 32 formed on the back surface in Figure 8. The measuring pins 70 inserted into the anode-side recesses 38 can electrically contact the anode electrode 12. Figure 8 shows a typical measurement state for one cell 10. However, to measure the voltage value for each cell 10 constituting the electrochemical cell stack 1, measurement pins 70 are inserted into the cathode-side recess 37 and anode-side recess 38 of each separator 30. That is, measurements may be performed using two measurement pins 70 for a single cell 10.
カソード電極１１用の各測定ピン７０と、アノード電極１２用の各測定ピン７０は、電気線７１を介して測定装置７２に接続されている。電気線７１は、測定ピン７０と測定装置７２とを電気的に接続している。電気化学セルスタック１が内部マニホールド構造を有している場合、図示しないシール材などを用いて、測定ピン７０が気密にセパレータ３０に取り付けられる。このことにより、カソード流体およびアノード流体などの流体が、漏洩することを防止している。電気線７１は、図示しないハウジングを貫通して、外部に配置された測定装置７２に接続されている。 Each measuring pin 70 for the cathode electrode 11 and each measuring pin 70 for the anode electrode 12 are connected to the measuring device 72 via an electrical wire 71. The electrical wire 71 electrically connects the measuring pins 70 to the measuring device 72. If the electrochemical cell stack 1 has an internal manifold structure, the measuring pins 70 are hermetically attached to the separator 30 using a sealing material (not shown). This prevents leakage of fluids such as cathode fluid and anode fluid. The electrical wire 71 passes through a housing (not shown) and is connected to the measuring device 72 located externally.
測定装置７２は、各セル１０の電圧値を測定する。測定装置７２は、上述した第１データベース４１および第２データベース４２にネットワークＮを介して接続されている。測定装置７２が測定した電圧値と測定時間は、対応するセル１０の識別情報と関連付けられて、第１データベース４１に送信される。図５に示すように、電圧値と時間は、第１特性データとして第１データベース４１に格納される。第１データベース４１には、各セル１０に対応して複数の第１特性データが格納される。各第１特性データは、対応するセル１０の識別情報と関連付けられる。 The measuring device 72 measures the voltage value of each cell 10. The measuring device 72 is connected to the first database 41 and the second database 42 via the network N. The voltage value and measurement time measured by the measuring device 72 are associated with the identification information of the corresponding cell 10 and transmitted to the first database 41. As shown in Figure 5, the voltage value and time are stored in the first database 41 as first characteristic data. The first database 41 stores multiple first characteristic data corresponding to each cell 10. Each first characteristic data is associated with the identification information of the corresponding cell 10.
第１特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示すデータであってもよい。二酸化炭素電解時には、図１に示すカソード流体Ｆ１としての二酸化炭素ガスがカソード電極１１に供給され、アノード流体Ｆ２としての電解溶液（炭酸水素カルシムなど）がアノード電極１２に供給される。膜電極接合体１０Ｍにおいて二酸化炭素電解が行われ、カソード電極１１において一酸化炭素が生成されてカソード電極１１から排出される。アノード電極１２において酸素ガスが生成されてアノード電極１２から排出される。 The first characteristic data may be data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after carbon dioxide electrolysis has stopped in a carbon dioxide electrolysis apparatus equipped with an electrochemical cell stack 1. During carbon dioxide electrolysis, carbon dioxide gas as the cathode fluid F1 shown in Figure 1 is supplied to the cathode electrode 11, and the electrolytic solution (such as calcium bicarbonate) as the anode fluid F2 is supplied to the anode electrode 12. Carbon dioxide electrolysis is performed in the membrane electrode assembly 10M, carbon monoxide is generated at the cathode electrode 11 and discharged from the cathode electrode 11, and oxygen gas is generated at the anode electrode 12 and discharged from the anode electrode 12.
第１特性データを作成するための測定は、二酸化炭素電解を行ってから停止した後に行われる。停止後、電圧値を測定時間とともに測定する。このことにより、図７に実線で示すような、二酸化炭素電解停止後の電圧時間特性を示す第１特性データが得られる。すなわち、第１特性データは、電気化学セルスタック１を分解することなく、得ることができる。 The measurements for creating the first characteristic data are performed after carbon dioxide electrolysis has been stopped. After stopping, the voltage value is measured along with the measurement time. This yields the first characteristic data, showing the voltage-time characteristics after carbon dioxide electrolysis has stopped, as indicated by the solid line in Figure 7. In other words, the first characteristic data can be obtained without disassembling the electrochemical cell stack 1.
第２特性データは、電気化学セルスタック１を備えた二酸化炭素電解装置において、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示すデータであってもよい。水電解時には、図１に示すカソード流体Ｆ１としての水がカソード電極１１に供給され、アノード流体Ｆ２としての電解溶液（炭酸水素カルシムなど）がアノード電極１２に供給される。膜電極接合体１０Ｍにおいて水電解が行われ、カソード電極１１において水素ガスが生成されてカソード電極１１から排出される。アノード電極１２において酸素ガスが生成されてアノード電極１２から排出される。 The second characteristic data may be data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after water electrolysis has stopped in a carbon dioxide electrolysis apparatus equipped with electrochemical cell stack 1. During water electrolysis, water as the cathode fluid F1 shown in Figure 1 is supplied to the cathode electrode 11, and the electrolytic solution (such as calcium bicarbonate) as the anode fluid F2 is supplied to the anode electrode 12. Water electrolysis is performed in the membrane electrode assembly 10M, hydrogen gas is generated at the cathode electrode 11 and discharged from the cathode electrode 11, and oxygen gas is generated at the anode electrode 12 and discharged from the anode electrode 12.
第２特性データを作成するための測定は、水電解を行ってから停止した後に行われる。水電解は、第１特性データを作成後に行われてもよく、第１特性データを作成する前に行われてもよい。停止後、電圧値を測定時間とともに測定する。このことにより、図７に破線で示すような、水電解停止後の電圧時間特性を示す第１特性データが得られる。すなわち、第１特性データは、電気化学セルスタック１を分解することなく、得ることができる。 The measurements for creating the second characteristic data are performed after water electrolysis has been stopped. Water electrolysis may be performed after or before the creation of the first characteristic data. After stopping, the voltage value is measured along with the measurement time. This yields the first characteristic data, which shows the voltage-time characteristics after water electrolysis has stopped, as indicated by the dashed line in Figure 7. In other words, the first characteristic data can be obtained without disassembling the electrochemical cell stack 1.
次に、本実施の形態による電気化学セルスタック１のセル劣化度算出方法について図９を用いて説明する。 Next, the method for calculating the degree of cell degradation of the electrochemical cell stack 1 according to this embodiment will be explained using Figure 9.
まず、ステップＳ１として、第１取得部６１が、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データを取得する。例えば、図５に示すように、第１データベース４１に格納されている第１特性データのうち、任意の１つのセル１０に対応する第１特性データが取得される。 First, in step S1, the first acquisition unit 61 acquires first characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after carbon dioxide electrolysis has stopped. For example, as shown in Figure 5, first characteristic data corresponding to any one cell 10 is acquired from the first characteristic data stored in the first database 41.
ステップＳ２として、第２取得部６２が、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データを取得する。例えば、図６に示すように、第２データベース４２に格納されている第２特性データのうち、第１特性データと共通の識別情報が関連付けられたセル１０に対応する第２特性データが取得される。図９に示す例では、ステップＳ２は、ステップＳ１の後に行われている。しかしながら、ステップＳ２は、ステップＳ１の前に行われてもよく、ステップＳ１と同時に行われてもよい。 In step S2, the second acquisition unit 62 acquires second characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after water electrolysis has stopped. For example, as shown in Figure 6, second characteristic data corresponding to cell 10 associated with common identification information with the first characteristic data is acquired from the second characteristic data stored in the second database 42. In the example shown in Figure 9, step S2 is performed after step S1. However, step S2 may be performed before step S1, or simultaneously with step S1.
ステップＳ２の後、ステップＳ３として、第１算出部６３は、ステップＳ１において取得された第１特性データに基づいて第１対象電圧値Ｖ１（図７参照）を算出する。 After step S2, in step S3, the first calculation unit 63 calculates the first target voltage value V1 (see Figure 7) based on the first characteristic data acquired in step S1.
ステップＳ４として、第２算出部６４は、ステップＳ２において取得された第２特性データに基づいて第２対象電圧値Ｖ２（図７参照）を算出する。図９に示す例では、ステップＳ４は、ステップＳ３の後に行われている。しかしながら、ステップＳ４は、ステップＳ３の前に行われてもよく、ステップＳ３と同時に行われてもよい。 In step S4, the second calculation unit 64 calculates the second target voltage value V2 (see Figure 7) based on the second characteristic data acquired in step S2. In the example shown in Figure 9, step S4 is performed after step S3. However, step S4 may be performed before step S3, or simultaneously with step S3.
ステップＳ４の後、ステップＳ５として、第３算出部６５は、ステップＳ３において算出された第１対象電圧値と、ステップＳ４において算出された第２対象電圧値に基づいてセル劣化度を算出する。第３算出部６５は、上述した式（１）を用いてセル劣化度を算出してもよい。 After step S4, in step S5, the third calculation unit 65 calculates the cell degradation degree based on the first target voltage value calculated in step S3 and the second target voltage value calculated in step S4. The third calculation unit 65 may also calculate the cell degradation degree using the above-described formula (1).
ステップＳ５の後、ステップＳ６として、判定部６６は、ステップＳ５において算出されたセル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かを判定する。セル劣化度が劣化度閾値以上である場合、対応するセル１０に短絡が発生したとみなされてもよい。 After step S5, in step S6, the determination unit 66 determines whether the cell degradation level calculated in step S5 is equal to or greater than the degradation threshold. If the cell degradation level is equal to or greater than the degradation threshold, it may be considered that a short circuit has occurred in the corresponding cell 10.
ステップＳ６の後、ステップＳ７として、表示情報作成部６７は、ステップＳ５において算出されたセル劣化度と、ステップＳ６による判定結果と、を含む表示情報を作成する。作成された表示情報は、表示部５２で表示されてもよい。 After step S6, in step S7, the display information creation unit 67 creates display information including the cell degradation degree calculated in step S5 and the judgment result from step S6. The created display information may be displayed on the display unit 52.
上述したセル劣化度を算出したセル１０とは異なる他のセル１０のセル劣化度を算出する場合には、ステップＳ１において他のセル１０の第１特性データを取得し、ステップＳ２において同じセル１０の第２特性データを取得し、ステップＳ３～ステップＳ７を行えばよい。上述したステップＳ１～ステップＳ７を、各セル１０について行うことにより、複数のセル１０についてセル劣化度を算出することができる。 To calculate the cell degradation degree of a cell 10 different from the cell 10 from which the above-mentioned cell degradation degree was calculated, obtain the first characteristic data of the other cell 10 in step S1, obtain the second characteristic data of the same cell 10 in step S2, and then perform steps S3 to S7. By performing steps S1 to S7 described above for each cell 10, the cell degradation degree can be calculated for multiple cells 10.
このように本実施の形態によれば、二酸化炭素電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第１特性データに基づいて第１対象電圧値が算出され、水電解停止後のセル１０の電圧時間特性を示す第２特性データに基づいて第２対象電圧値が算出される。第１対象電圧値および第２対象電圧値に基づいて、セル１０のセル劣化度が算出される。このことにより、第１対象電圧値と第２対象電圧値とを用いるだけでセル１０のセル劣化度を算出することができる。このため、セル劣化度を容易に得ることができる。 As described above, according to this embodiment, a first target voltage value is calculated based on first characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after carbon dioxide electrolysis has stopped, and a second target voltage value is calculated based on second characteristic data showing the voltage-time characteristics of cell 10 after water electrolysis has stopped. The degree of cell degradation of cell 10 is calculated based on the first and second target voltage values. Therefore, the degree of cell degradation of cell 10 can be calculated simply by using the first and second target voltage values. This allows for easy acquisition of the degree of cell degradation.
また、本実施の形態によれば、第１対象電圧値から第２対象電圧値を引いた差分を第１対象電圧値で除算することによりセル劣化度が算出される。このことにより、セル１０のセル劣化度を容易に算出することができる。 Furthermore, according to this embodiment, the degree of cell degradation is calculated by dividing the difference obtained by subtracting the second target voltage value from the first target voltage value by the first target voltage value. This allows for easy calculation of the cell degradation degree of cell 10.
また、本実施の形態によれば、セル劣化度が劣化度閾値以上であるか否かが判定される。このことにより、劣化が比較的激しいセル１０を選定することができる。また、劣化度閾値を、短絡が発生したとみなせる値にした場合には、セル１０に短絡が発生しているか否かを判定することもできる。 Furthermore, according to this embodiment, it is determined whether the cell degradation level is above a degradation threshold. This allows for the selection of cells 10 with relatively severe degradation. Additionally, if the degradation threshold is set to a value that indicates a short circuit has occurred, it is possible to determine whether a short circuit has occurred in cell 10.
なお、上述した本実施の形態においては、電気化学セルスタック１が内部マニホールド構造を有している例について説明した。しかしながら、実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、電気化学セルスタック１は外部マニホールド構造を有していてもよい。この場合、セル枠２０は用いられることはなく、膜電極接合体１０Ｍとセパレータ３０が積層された積層体の外側面に、各ガスの流路を形成するマニホールドが設けられる。 In the above-described embodiment, an example was explained in which the electrochemical cell stack 1 has an internal manifold structure. However, the embodiment is not limited to this. For example, the electrochemical cell stack 1 may have an external manifold structure. In this case, the cell frame 20 is not used, and a manifold forming the flow path for each gas is provided on the outer surface of the laminate in which the membrane electrode assembly 10M and the separator 30 are stacked.
また、上述した本実施の形態においては、２つのセル１０の間に、カソード流路３１とアノード流路３２とを含む１つのセパレータ３０が介在されている例について説明した。しかしながら、実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、２つのセル１０の間に、カソード流路を含むカソード側セパレータと、アノード流路を含むアノード側セパレータが介在されていてもよい。カソード側セパレータとアノード側セパレータとの間に、図示しない冷却水流路が形成されていてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, an example was explained in which a single separator 30 containing a cathode channel 31 and an anode channel 32 is interposed between the two cells 10. However, the embodiment is not limited to this. For example, a cathode-side separator containing a cathode channel and an anode-side separator containing an anode channel may be interposed between the two cells 10. A cooling water channel (not shown) may be formed between the cathode-side separator and the anode-side separator.
以上述べた実施の形態によれば、セルの劣化度を容易に得ることができる。 According to the embodiments described above, the degree of cell degradation can be easily obtained.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples only and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications are possible without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and spirit of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as described in the claims. Naturally, these embodiments can also be partially combined as appropriate within the scope of the spirit of the invention.
１：電気化学セルスタック、４０：セル劣化度算出システム、５０：セル劣化度算出装置、６１：第１取得部、６２：第２取得部、６３：第１算出部、６４：第２算出部、６５：第３算出部、６６：判定部 1: Electrochemical cell stack, 40: Cell degradation degree calculation system, 50: Cell degradation degree calculation device, 61: First acquisition unit, 62: Second acquisition unit, 63: First calculation unit, 64: Second calculation unit, 65: Third calculation unit, 66: Judgment unit
Claims (6)
二酸化炭素電解停止後の前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得する第１取得部と、
水電解停止後の前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得する第２取得部と、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出する第１算出部と、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出する第２算出部と、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出する第３算出部と、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。 An electrochemical cell stack cell degradation degree calculation device for calculating the degree of degradation of cells in an electrochemical cell stack,
A first acquisition unit acquires first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after carbon dioxide electrolysis has stopped,
A second acquisition unit acquires second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after water electrolysis has stopped,
A first calculation unit that calculates a first target voltage value based on the first characteristic data,
A second calculation unit calculates a second target voltage value based on the second characteristic data,
The system includes a third calculation unit that calculates a cell degradation degree indicating the degree of degradation of the cell based on the first target voltage value and the second target voltage value,
When carbon dioxide electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a first time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a second time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the first time period.
When the water electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a third time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a fourth time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the third time period.
The first target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches a first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed.
The second target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches the second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
A device for calculating the degree of cell degradation in an electrochemical cell stack.
請求項１に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。 The third calculation unit calculates the degree of cell degradation by dividing the difference obtained by subtracting the second target voltage value from the first target voltage value by the first target voltage value.
A device for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack according to claim 1.
請求項１に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置。 The system further includes a determination unit that determines whether the cell degradation level calculated by the third calculation unit is equal to or greater than a degradation threshold.
A device for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack according to claim 1.
請求項１または２に記載の電気化学セルスタックのセル劣化度算出装置と、
前記第１特性データを格納する第１データベースと、
前記第２特性データを格納する第２データベースと、を備え、
前記第１取得部は、前記第１データベースから前記第１特性データを取得し、
前記第２取得部は、前記第２データベースから前記第２特性データを取得する、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出システム。 An electrochemical cell stack cell degradation calculation system for calculating the degree of degradation of cells in an electrochemical cell stack,
A device for calculating the degree of cell degradation of an electrochemical cell stack according to claim 1 or 2,
A first database for storing the first characteristic data,
The system comprises a second database for storing the second characteristic data,
The first acquisition unit acquires the first characteristic data from the first database,
The second acquisition unit acquires the second characteristic data from the second database.
A system for calculating the degree of cell degradation in electrochemical cell stacks.
前記電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、
前記電気化学セルスタックでの水電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出方法。 A method for calculating the degree of cell degradation in an electrochemical cell stack, wherein the degree of cell degradation in an electrochemical cell stack is calculated,
The steps include: acquiring first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping carbon dioxide electrolysis in the electrochemical cell stack;
The steps include: acquiring second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping the water electrolysis in the electrochemical cell stack;
A step of calculating a first target voltage value based on the first characteristic data,
A step of calculating a second target voltage value based on the second characteristic data,
The process includes the step of calculating a cell degradation degree indicating the degree of degradation of the cell based on the first target voltage value and the second target voltage value,
When carbon dioxide electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a first time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a second time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the first time period.
When the water electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a third time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a fourth time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the third time period.
The first target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches a first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed.
The second target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches the second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
Method for calculating the degree of cell degradation in an electrochemical cell stack.
前記電気化学セルスタックでの二酸化炭素電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第１特性データを取得するステップと、
前記電気化学セルスタックでの水電解を停止してからの前記セルの電圧時間特性を示す第２特性データを取得するステップと、
前記第１特性データに基づいて第１対象電圧値を算出するステップと、
前記第２特性データに基づいて第２対象電圧値を算出するステップと、
前記第１対象電圧値および前記第２対象電圧値に基づいて前記セルの劣化度を示すセル劣化度を算出するステップと、を備え、
前記二酸化炭素電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第１時間帯と、前記第１時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第２時間帯と、を有し、
前記水電解を停止した場合の前記電圧時間特性は、電圧値の低下率が増加する第３時間帯と、前記第３時間帯の後に前記電圧値の低下率が減少する第４時間帯と、を有し、
前記第１対象電圧値は、前記第１特性データの前記第２時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第１閾値に達したときの前記電圧値であり、
前記第２対象電圧値は、前記第２特性データの前記第４時間帯を経過した後に前記電圧値の低下率が第２閾値に達したときの前記電圧値である、
電気化学セルスタックのセル劣化度算出プログラム。 An electrochemical cell stack cell degradation calculation program that causes a computer to execute a method for calculating the degree of degradation of cells in an electrochemical cell stack,
The steps include: acquiring first characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping carbon dioxide electrolysis in the electrochemical cell stack;
The steps include: acquiring second characteristic data showing the voltage-time characteristics of the cell after stopping the water electrolysis in the electrochemical cell stack;
A step of calculating a first target voltage value based on the first characteristic data,
A step of calculating a second target voltage value based on the second characteristic data,
The process includes the step of calculating a cell degradation degree indicating the degree of degradation of the cell based on the first target voltage value and the second target voltage value,
When carbon dioxide electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a first time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a second time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the first time period.
When the water electrolysis is stopped, the voltage-time characteristics include a third time period in which the rate of decrease in the voltage value increases, and a fourth time period in which the rate of decrease in the voltage value decreases after the third time period.
The first target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches a first threshold after the second time period of the first characteristic data has elapsed.
The second target voltage value is the voltage value at which the rate of decrease of the voltage value reaches the second threshold after the fourth time period of the second characteristic data has elapsed.
A program for calculating the degree of cell degradation in an electrochemical cell stack.
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