JP7220742B2 - 電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層及び給電体が配置された構造を含む電気化学セルに関する。

電気化学セルは、燃料電池、水電解装置、或いは、電気化学式水素昇圧装置等に用いられる。電気化学式水素昇圧装置では、電気化学セルの数が一つでも燃料電池電気自動車等に必要な高圧水素を発生し得るという利点がある。また、電気化学式水素昇圧装置では、機械式水素圧縮機に比べて小型で作動音が小さいという利点がある。

電気化学式水素昇圧装置では、電解質膜に水素の差圧が作用する。このため、電解質膜に隣接して電解質膜を支持する支持部材が電気化学式水素昇圧装置に備えられる場合がある。例えば、特許文献１には、通気孔を有する複数の金属シートを積層してアノード拡散層（支持部材）を構成する電気化学式水素昇圧装置が開示される。

特開２０１８－１０９２２１号公報

水素イオン伝導性を有する電解質膜では、水分の量が低下すると電気抵抗が増加する。そのため、電気化学セルに供給する水素に水蒸気を含ませる場合がある。

しかし、電気化学セルの運転条件に応じて、電解質膜に水素を通じて供給される水分量が、電解質膜で消費される水分量よりも多くなる場合がある。この場合、差圧により電解質膜のカソード電極側からアノード電極側に戻る水分がアノードの表面等で凝縮した水として滞留する傾向がある。

アノードの表面等で水分が滞留すると、水素等の処理対象と触媒層との反応面積が減少することで、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが問題となる。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面側に積層されるアノード給電体と、前記電解質膜の他方の面側に積層されるカソード給電体と、前記アノード給電体における前記電解質膜側とは逆の面側に配置され、前記アノード給電体に供給するための流体が流れる供給流路と、を備える電気化学セルであって、前記アノード給電体は、前記供給流路に向かって断面積が大きくなる第１空孔が形成された内側部と、前記内側部より外側に位置し、前記電解質膜に向かって断面積が大きくなる第２空孔が形成された外側部と、を有する。

本発明の別の一態様は、上記の電気化学セルと、前記電気化学セルに前記流体を供給する流体供給装置と、前記アノード給電体と前記カソード給電体との間に電圧を印加する電源装置と、前記アノード給電体と前記カソード給電体との間の電気状態を検出するセンサと、前記電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止するように前記電源装置を制御し、かつ、前記供給流路を流れる前記流体の流量が増加するように前記流体供給装置を制御する制御装置と、を備えるセル運転システムである。

本発明の別の一態様は、上記の電気化学セルを運転するセル運転方法であって、前記アノード給電体と前記カソード給電体との間に電圧を印加し、前記アノード給電体と前記カソード給電体との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止させ、かつ、前記供給流路を流れる流体の流量を増加させる。

上記の電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法では、第１空孔に発生する負圧によって、電気化学セルのアノード側に滞留する滞留水が供給流路に吸い出される。この結果、上記の電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法は、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。
また、上記の電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法では、第２空孔に発生する負圧によって、電気化学セルの外側部から内側部に滞留水が流れ込み、層間等における面内で水分が均一化される。この結果、上記の電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法は、電解質膜の乾燥に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

図１は、実施形態のセル運転システムを示す模式図である。 図２は、セル装置の構成を示す断面図である。 図３は、電気化学セルの構成を示す断面図である。 図４は、電気化学セルの積層方向から見た積層方向視図である。 図５は、電気化学セルでの流体の様子を示す図である。 図６は、制御処理の手順を示すフローチャートである。 図７は、滞留水を除去する場合の電気化学セルでの流体の様子を示す図である。 図８は、滞留水を除去する場合の電気化学セルで発生流体の圧力が高められる様子を示す図である。

図１は、実施形態のセル運転システム１０を示す模式図である。セル運転システム１０は、流体供給装置１２と、セル装置１４と、電源装置１６と、制御装置１８とを有する。

流体供給装置１２は、セル装置１４に流体を供給する装置である。流体は、本実施形態の場合、水素（水素ガス）である。水素ガスには水蒸気が含まれる。流体供給装置１２は、流体供給源２０と、導入路２２とを備える。導入路２２は、流体供給源２０から出力される流体をセル装置１４に導入する。

セル装置１４は、本実施形態の場合、電力を用いて、水素の酸化還元反応により水素を圧縮する電気化学式水素昇圧装置である。セル装置１４は、電気化学セル２４と、導入ポート２６と、第１排出ポート２８と、第２排出ポート３０とを備える。電気化学セル２４は、電気化学反応が行い得るように構成される。電気化学セル２４の構成は後述する。導入ポート２６には、流体供給装置１２の導入路２２が接続される。導入路２２を流れる流体は、導入ポート２６からセル装置１４に流入する。

第１排出ポート２８には、導入ポート２６から流入する流体のうち、電気化学セル２４で消費されなかった流体が排出される。第１排出ポート２８には、返還路３２を介して、流体供給装置１２が接続されてもよい。これにより、流体供給装置１２は、第１排出ポート２８から返還路３２を介して流入する流体を、再度、セル装置１４に供給することができる。

第２排出ポート３０には、排出流路３４が接続される。排出流路３４には、電気化学セル２４における電気化学反応により発生する発生流体が流れる。なお、発生流体は、本実施形態の場合、セル装置１４に供給される水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスである。

排出流路３４には、排出流路３４における発生流体の圧力を調整する圧力調整弁３６が設けられる。圧力調整弁３６の開度は、制御装置１８の制御により調整される。なお、圧力調整弁３６は、一次側（弁入力側）の圧力が一定となるように発生流体の圧力を調整する背圧弁であってもよい。

電源装置１６は、セル装置１４の電気化学セル２４に電圧を印加する。セル装置１４が複数の電気化学セル２４を備える場合、電源装置１６は、電気化学セル２４の各々に電圧を印加する。

制御装置１８は、セル装置１４に備えられる１又は複数の電気化学セル２４で電気化学反応が行われるように、流体供給装置１２、電源装置１６及び圧力調整弁３６を適宜制御する。

図２は、セル装置１４の構成を示す断面図である。なお、図２は、セル装置１４が複数の電気化学セル２４を備える場合の例である。セル装置１４は、セル積層体３８を備える。セル積層体３８は、複数の電気化学セル２４を備える。この複数の電気化学セル２４は、積層されている。

セル積層体３８の積層方向の一端には第１端板４０が配置され、セル積層体３８の積層方向の他端には第２端板４２が配置される。セル積層体３８は、第１端板４０と第２端板４２とにより挟持され、所定の締め付け荷重がセル積層体３８に付与される。

第１端板４０及び第２端板４２は、セル積層体３８より大きな平面形状に形成される。第１端板４０の外周部と第２端板４２との外周部とを架け渡すように、側壁４４が設けられる。側壁４４は、セル積層体３８の外周部を囲む。第１端板４０、第２端板４２及び側壁４４によって、セル積層体３８が配置された内部空間４４ａが気密に仕切られる。側壁４４には、導入ポート２６が設けられる。導入ポート２６が設けられる側壁４４の部位とは反対側の側壁４４の部位に、第１排出ポート２８が設けられる。

内部空間４４ａには、導入ポート２６に連通する分配流路４６が設けられる。分配流路４６は、矢印に示すように、導入ポート２６から導入された水素ガスを各電気化学セル２４のアノード側に導く。

また、内部空間４４ａには、第１排出ポート２８に連通する集合流路４８が設けられる。集合流路４８は、矢印に示すように、各電気化学セル２４で消費されなかった余分な水素ガスを第１排出ポート２８に導く。

セル積層体３８の中央部には、複数の電気化学セル２４の積層方向に貫通した連通孔５０が形成されている。この連通孔５０は、複数の電気化学セル２４を貫通する。連通孔５０は、各電気化学セル２４のカソード側に連通する。連通孔５０は、第２排出ポート３０に接続されており、各電気化学セル２４のカソード側と第２排出ポート３０とを連通させる。

図３は、電気化学セル２４の構成を示す断面図である。電気化学セル２４は、電気化学セル２４の厚さ方向（積層方向）の一端側（アノード側）に配置される第１セパレータ５２と、他端側（カソード側）に配置される第２セパレータ５４とに挟持される。第１セパレータ５２及び第２セパレータ５４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、或いは、めっき処理鋼板等で構成される。

電気化学セル２４は、電解質膜６０と、アノード給電体６２と、アノード触媒層６４と、カソード給電体６６と、カソード触媒層６８とを備える。

電解質膜６０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。電解質膜６０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。具体例として、電解質膜６０は、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜であってもよい。電解質膜６０は、繊維状の骨格を含む保護シート（図示せず）をアノード側に有してもよい。

アノード給電体６２は、電解質膜６０の一方の面側に積層される。アノード給電体６２は、具体的には、アノード触媒層６４における電解質膜６０側とは逆側の面上に積層される。アノード給電体６２は、金属やカーボン等の導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成されてもよい。また、アノード給電体６２は、金属やカーボン等の導電性を有する板状の部材で形成されてもよい。

本実施形態の場合、アノード給電体６２は、給電層６２Ａと、支持層６２Ｂとの２層構造である。給電層６２Ａは、電解質膜６０側に配置される。給電層６２Ａは、導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成される。支持層６２Ｂは、電解質膜６０側の給電層６２Ａの面とは逆側の給電層６２Ａの面上に配置される。支持層６２Ｂは、導電性を有する板状の部材で形成される。

アノード触媒層６４は、電解質膜６０とアノード給電体６２との間に配置される。アノード触媒層６４は、電解質膜６０の一方の面に接合される。アノード触媒層６４は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。

カソード給電体６６は、電解質膜６０の他方の面側に積層される。カソード給電体６６は、具体的には、カソード触媒層６８における電解質膜６０側とは逆側の面上に積層される。カソード給電体６６は、金属やカーボン等の導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成されてもよい。また、カソード給電体６６は、金属やカーボン等の導電性を有する板状の部材で形成されてもよい。図３では、導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成されるカソード給電体６６が示される。

カソード触媒層６８は、電解質膜６０とカソード給電体６６との間に配置される。カソード触媒層６８は、電解質膜６０の他方の面に接合される。カソード触媒層６８は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。

電気化学セル２４には、アノード給電体６２の支持層６２Ｂと第１セパレータ５２との間に、供給流路７０が備えられる。供給流路７０は、分配流路４６（図２）及び集合流路４８（図２）と連通する。供給流路７０は、第１セパレータ５２に向く支持層６２Ｂの面、又は、支持層６２Ｂに向く第１セパレータ５２の面に形成される溝であってもよい。なお、支持層６２Ｂには第１セパレータ５２と接触する接触部位がある。この接触部位を介して電気化学セル２４が第１セパレータ５２に支持される。

電気化学セル２４には、カソード給電体６６と第２セパレータ５４との間に、排出流路部７２が備えられる。排出流路部７２は、連通孔５０と連通する。排出流路部７２は、第２セパレータ５４に向くカソード給電体６６の面、又は、カソード給電体６６に向く第２セパレータ５４の面に形成される溝であってもよい。なお、カソード給電体６６には第２セパレータ５４と接触する接触部位がある。

図４は、電気化学セル２４の積層方向から見た積層方向視図である。電気化学セル２４は、内側部７４と、外側部７６とを有する。外側部７６は、内側部７４より外側に位置する。

内側部７４には、連通孔５０が形成される。内側部７４のアノード給電体６２には、図３に示すように、第１空孔８０が形成される。第１空孔８０は、供給流路７０に向かって断面積が大きくなる。一方、外側部７６のアノード給電体６２には、図３に示すように、第２空孔８２が形成される。第２空孔８２は、電解質膜６０に向かって断面積が大きくなる。第１空孔８０及び第２空孔８２は、１つの部材を貫通するように形成されもよい。また、第１空孔８０及び第２空孔８２は、孔の大きさが異なる複数のシートを重ね合わせて形成されてもよい。

内側部７４のアノード触媒層６４には、図３に示すように、第１空孔８０と連通する第１連通孔８４が形成される。第１連通孔８４は、第１空孔８０と連続してアノード触媒層６４に形成されてもよい。また、第１連通孔８４は、第１空孔８０とは非連続でアノード触媒層６４に形成されてもよい。第１連通孔８４が第１空孔８０と連続してアノード触媒層６４に形成される場合、第１連通孔８４は、供給流路７０に向かって断面積が大きくなる。この場合、第１空孔８０の内壁と第１連通孔８４の内壁とは連続することが好ましい。図３では、第１空孔８０の内壁と第１連通孔８４の内壁とが連続する場合が示される。

一方、外側部７６のアノード触媒層６４には、図３に示すように、第２空孔８２と連通する第２連通孔８６が形成される。第２連通孔８６は、第２空孔８２と連続してアノード触媒層６４に形成されてもよい。また、第２連通孔８６は、第２空孔８２とは非連続でアノード触媒層６４に形成されてもよい。第２連通孔８６が第２空孔８２と連続してアノード触媒層６４に形成される場合、第２連通孔８６は、電解質膜６０に向かって断面積が大きくなる。この場合、第２空孔８２の内壁と第２連通孔８６の内壁とは連続することが好ましい。図３では、第２空孔８２の内壁と第２連通孔８６の内壁とが連続する場合が示される。

次に、電気化学セル２４を運転するセル運転方法に関して説明する。セル運転方法は、制御装置１８によって実行される。制御装置１８は、電気化学セル２４を運転させて高圧水素ガスを発生させる。すなわち、制御装置１８は、電源装置１６を制御して、セル装置１４のアノード給電体６２とカソード給電体６６との間に電圧を印加させる。また、制御装置１８は、流体供給装置１２を制御して、セル装置１４に水素ガスを供給させる。さらに、制御装置１８は、排出流路３４に対する圧力調整弁３６の開度を調整する。

流体供給装置１２からセル装置１４に供給された水素ガスは、導入ポート２６（図２）からセル装置１４内部の分配流路４６（図２）に流入する。分配流路４６に流入した水素ガスは、電気化学セル２４の供給流路７０（図３）を流れる。

図５は、電気化学セル２４での流体の様子を示す図である。矢印で示すように、供給流路７０を流れる水素ガスの一部は、第２空孔８２及び第２連通孔８６を通って、アノード触媒層６４に至る。また、矢印で示すように、供給流路７０を流れる水素ガスの他の一部は、第１空孔８０及び第１連通孔８４を通って、アノード触媒層６４に至る。アノード触媒層６４に至った水素ガスは、アノード触媒層６４の触媒作用によりプロトン（Ｈ⁺イオン）に変換される。

プロトンは、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に印加される電圧に基づいて、電解質膜６０を通じてカソード触媒層６８に輸送される。カソード触媒層６８に輸送されたプロトンは、カソード触媒層６８の触媒作用を受けて電気化学反応により高圧水素ガスに変換される。変換された高圧水素ガスは、カソード給電体６６を通じて、排出流路部７２に放出される。排出流路部７２に放出された高圧水素ガスは、連通孔５０（図２）を通じて、第２排出ポート３０から排出流路３４（図１）に流出する。

水素ガスに含まれる水蒸気の一部は、電解質膜６０の加湿に用いられる。電解質膜６０の余剰な水分は、圧力勾配によってアノード側に戻る。アノード側に戻った水分は、電解質膜６０とアノード触媒層６４との層間、或いは、アノード触媒層６４とアノード給電体６２との層間等に滞留する傾向がある。層間等に滞留する滞留水が発生すると、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下する。

そこで、本実施形態の制御装置１８では、滞留水を除去するための制御処理が備えられる。この制御処理は、高圧水素ガスを生成するように電気化学セル２４を運転している運転時に実行される。図６は、制御処理の手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御装置１８は、センサ８８（図１）を用いて、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間の電気状態を時系列に計測する。センサ８８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間の電気状態を検出する。

なお、セル装置１４に電気化学セル２４が複数備えられる場合、センサ８８は、複数の電気化学セル２４の各々に対して１つずつ備えられる。この場合、制御装置１８は、各センサ８８を用いて、各電気化学セル２４のアノード給電体６２とカソード給電体６６との間の電気状態を計測する。

センサ８８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間の電気状態を検出するセンサである。具体的には、電圧センサ又は電流センサが挙げられる。制御装置１８が計測する電気状態は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に印加される電圧値Ｖであってもよい。また、制御装置１８が計測する電気状態は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間を流れる電流値Ｉであってもよい。本実施形態の場合、制御装置１８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に印加される電圧値Ｖを計測する。なお、センサ８８が電流センサであっても、制御装置１８は、電流センサから出力される信号に基づいて、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に印加される電圧値Ｖを計測し得る。

ステップＳ２において、制御装置１８は、計測した電圧値Ｖを所定の閾値と比較する。ここで、電圧値Ｖが閾値以下である場合、制御装置１８は、ステップＳ１に戻る。一方、電圧値Ｖが所定の閾値を超える場合、制御装置１８は、ステップＳ３に進む。

なお、セル装置１４に備えられる電気化学セル２４が複数備えられる場合、電圧値Ｖが閾値を超える電気化学セル２４が、規定数を超えた場合に、制御装置１８は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御装置１８は、圧力調整弁３６の開度が小さくなる（圧力調整弁３６の開度を絞る）ように圧力調整弁３６を制御し、ステップＳ４に進む。圧力調整弁３６の開度が小さくなることで、カソード触媒層６８で発生する高圧水素ガスの圧力（アノード側に電気化学セル２４を押さえ付ける力）が増加する。

ステップＳ４において、制御装置１８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に印加される電圧の印加を停止するように電源装置１６を制御し、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、制御装置１８は、供給流路７０を流れる水素ガスの流量が増加するように流体供給装置１２を制御する。例えば、制御装置１８は、導入路２２上に備えられる流体供給装置１２の導入弁（図示せず）の開度を大きくすることで、供給流路７０を流れる水素ガスの流量を増加させ得る。制御装置１８は、供給流路７０を流れる水素ガスの流量を増加させると、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、制御装置１８は、電圧の停止時間を計時するためのタイマーのカウント値Ｔを「０」に設定し、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、制御装置１８は、タイマーのカウント値Ｔを所定のカウント閾値と比較する。ここで、タイマーのカウント値Ｔがカウント閾値以下である場合、制御装置１８は、ステップＳ８に進み、タイマーのカウント値Ｔを「１」だけインクリメントした後、ステップＳ７に戻る。一方、タイマーのカウント値Ｔがカウント閾値を超えた場合、制御装置１８は、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、制御装置１８は、供給流路７０を流れる水素ガスの流量が減少するように流体供給装置１２を制御する。例えば、制御装置１８は、流体供給装置１２の導入弁（図示せず）の開度を元の開度（ステップＳ５において導入弁の開度を大きくする直前の開度）に戻す。これにより、供給流路７０を流れる水素ガスの流量が減少する。制御装置１８は、供給流路７０を流れる水素ガスの流量を減少させると、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、制御装置１８は、圧力調整弁３６の開度を元の開度（ステップＳ３において圧力調整弁３６の開度を小さくする直前の開度）に戻し、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、制御装置１８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に電圧を印加するように電源装置１６を制御した後、制御処理を終了する。

なお、ステップＳ１１において、制御装置１８は、アノード給電体６２とカソード給電体６６との間に電圧を印加するように電源装置１６を制御した後、ステップＳ１に戻ってもよい。また、上記の制御処理の順序は変更されてもよい。例えば、ステップＳ３とステップＳ４との先後が入れ替わってもよく、ステップＳ４とステップＳ５との先後が入れ替わってもよい。或いは、ステップＳ９とステップＳ１０との先後が入れ替わってもよく、ステップＳ１０とステップＳ１１との先後が入れ替わってもよい。

図７は、滞留水を除去する場合の電気化学セル２４での流体の様子を示す図である。白抜き矢印で示すように、上記の制御処理によって供給流路７０を流れる水素ガスの流量が増加されると、アノード給電体６２に形成される第１空孔８０及び第２空孔８２には負圧が発生する。

アノード給電体６２に形成される第１空孔８０は、供給流路７０に向かって断面積が大きくなる。このため、第１空孔８０に負圧が発生すると、層間等に滞留する滞留水が、破線矢印で示すように、第１空孔８０を通じて、供給流路７０に吸い出される。この結果、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが抑制される。

なお、第１連通孔８４の断面積が供給流路７０に向かって大きくなり、第１連通孔８４の内壁が第１空孔８０の内壁と連続する場合、供給流路７０を流れる水素ガスの流量の増加に応じて第１連通孔８４にも負圧が発生し易くなる。このため、
第１空孔８０及び第１連通孔８４を通じて、層間等に滞留する滞留水を供給流路７０に吸い出す力が高められる。したがって、滞留水の除去効率が高められる。

一方、アノード給電体６２に形成される第２空孔８２は、電解質膜６０に向かって断面積が大きくなる。このため、第２空孔８２に負圧が発生しても、第２空孔８２を通じて供給流路７０に滞留水が吸い出されることが制限される。したがって、２点鎖線矢印で示すように、層間等に滞留する滞留水が、電気化学セル２４の外側部７６から内側部７４に流れ込み、層間等における面内で水分が均一化される。この結果、乾燥に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが抑制される。

なお、第２連通孔８６の断面積が電解質膜６０に向かって大きくなり、第２連通孔８６の内壁が第２空孔８２の内壁と連続する場合、層間等に滞留する滞留水が、電気化学セル２４の外側部７６から内側部７４に流れ込み易くなる。したがって、層間等における面内の水分の均一化が高められる。

図８は、滞留水を除去する場合の電気化学セル２４で発生流体の圧力が高められる様子を示す図である。上記の制御処理では、供給流路７０を流れる水素ガスの流量が増加された状態で、圧力調整弁３６の開度が絞られる。このため、黒塗り潰し矢印で示すように、電気化学反応により排出流路３４に放出される高圧水素ガスの圧力が高まり、電気化学セル２４がアノード側に押さえ付けられる。したがって、層間等に滞留する滞留水が、第１空孔８０又は第１連通孔８４に押し出される。この結果、供給流路７０に吸い出す水量が多くなり、滞留水の除去効率が高められる。

上記の実施形態は、下記のように変形してもよい。

例えば、セル装置１４は、水を電気分解して水素（水素ガス）を発生流体として生成する水分解装置であってもよい。セル装置１４が水分解装置である場合、流体供給装置１２は、セル装置１４に水を供給する。この場合、セル装置１４に備えられる電気化学セル２４におけるアノード給電体６２の支持層６２Ｂは省かれてもよい。

セル装置１４が水分解装置であっても、電気化学セル２４の運転条件によって、電気化学セル２４のアノード側に滞留水が滞留する場合がある。このため、セル装置１４が水分解装置であっても、セル装置１４が電気化学式水素昇圧装置である場合と同様に、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが抑制され得る。

以上の実施形態の記載から把握し得る本発明として、第１の発明、第２の発明及び第３の発明が挙げられる。

第１の発明は、電解質膜（６０）と、電解質膜（６０）の一方の面側に積層されるアノード給電体（６２）と、電解質膜（６０）の他方の面側に積層されるカソード給電体（６６）と、アノード給電体（６２）における電解質膜（６０）側とは逆の面側に配置され、アノード給電体（６２）に供給するための流体が流れる供給流路（７０）と、備える電気化学セル（２４）である。
電気化学セル（２４）は、アノード給電体（６２）は、供給流路（７０）に向かって断面積が大きくなる第１空孔（８０）が形成された内側部（７４）と、内側部（７４）より外側に位置し、電解質膜（６０）に向かって断面積が大きくなる第２空孔（８２）が形成された外側部（７６）と、を有する。

この電気化学セル（２４）では、供給流路（７０）を流れる流体の流量が増加した場合、第１空孔（８０）及び第２空孔（８２）には負圧が発生し、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水が、第１空孔（８０）を通じて供給流路（７０）に吸い出される。この結果、電気化学セル（２４）は、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。
一方、第２空孔（８２）に負圧が発生しても、第２空孔（８２）及び第２連通孔（８６）を通じて供給流路（７０）に滞留水が吸い出されることが制限される。このため、滞留水は、電気化学セル（２４）の外側部（７６）から内側部（７４）に流れ込む。したがって、層間等における面内で水分が均一化され、電解質膜（６０）の乾燥が抑制される。この結果、電気化学セル（２４）は、乾燥に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

電気化学セル（２４）は、電解質膜（６０）とアノード給電体（６２）との間に介在し、第１空孔（８０）と連通する第１連通孔（８４）と、第２空孔（８２）と連通する第２連通孔（８６）とが形成されるアノード触媒層（６４）を備え、第１連通孔（８４）は、供給流路（７０）に向かって連続して断面積が大きくなり、第２連通孔（８６）は、電解質膜（６０）に向かって連続して断面積が大きくなってもよい。
これにより、電気化学セル（２４）では、供給流路（７０）を流れる流体の流量の増加に応じて第１連通孔（８４）にも負圧が発生し易くなる。このため、第１空孔（８０）及び第１連通孔（８４）を通じて、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を供給流路（７０）に吸い出す力が高められる。したがって、滞留水の除去効率が高められる。
また、電気化学セル（２４）では、滞留水が、電気化学セル（２４）の外側部（７６）から内側部（７４）に流れ込み易くなる。したがって、層間等における面内の水分の均一化が高められる。

第１空孔（８０）の内壁と第１連通孔（８４）の内壁とは連続し、第２空孔（８２）の内壁と第２連通孔（８６）の内壁とは連続してもよい。
これにより、電気化学セル（２４）では、第１空孔（８０）及び第１連通孔（８４）を通じて、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を供給流路（７０）に吸い出す力が高められる。したがって、滞留水の除去効率が高められる。
また、電気化学セル（２４）では、滞留水が、電気化学セル（２４）の外側部（７６）から内側部（７４）に流れ込み易くなる。したがって、層間等における面内の水分の均一化が高められる。

第２の発明は、セル運転システム（１０）である。セル運転システム（１０）は、上記の電気化学セル（２４）と、電気化学セル（２４）に流体を供給する流体供給装置（１２）と、アノード給電体（６２）とカソード給電体（６６）との間に電圧を印加する電源装置（１６）と、アノード給電体（６２）とカソード給電体（６６）との間の電気状態を検出するセンサ（８８）と、電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、電圧の印加を停止するように電源装置（１６）を制御し、かつ、供給流路（７０）を流れる流体の流量が増加するように流体供給装置（１２）を制御する制御装置（１８）と、を備える。
このセル運転システム（１０）は、第１空孔（８０）に負圧を発生させて、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を、第１空孔（８０）を通じて供給流路（７０）に吸い出すことができる。この結果、セル運転システム（１０）は、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。
また、セル運転システム（１０）は、第２空孔（８２）に負圧を発生させて、滞留水を、電気化学セル（２４）の外側部（７６）から内側部（７４）に流れ込ませ、層間等における面内で水分を均一化させることができる。この結果、セル運転システム（１０）は、電解質膜（６０）の乾燥に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

セル運転システム（１０）は、電気化学反応により発生した発生流体が流れる排出流路（３４）上に設けられ、発生流体の圧力を調整する圧力調整弁（３６）を備え、制御装置（１８）は、値が閾値を超える場合に、圧力調整弁（３６）の開度が小さくなるように圧力調整弁（３６）を制御した後、電源装置（１６）及び流体供給装置（１２）を制御してもよい。
これにより、排出流路（３４）での発生流体の圧力が高まり、電気化学セル（２４）がアノード側に押さえ付けられる。したがって、セル運転システム（１０）は、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を押し出して供給流路（７０）に排出させることができ、この結果、滞留水の除去効率を高めることができる。

流体は、水素ガスであってもよい。流体が水素ガスである場合、セル運転システム（１０）は、高圧水素ガスを発生流体として生成することができる。

第３の発明は、上記の電気化学セル（２４）を運転するセル運転方法である。セル運転方法は、アノード給電体（６２）とカソード給電体（６６）との間に電圧を印加し、アノード給電体（６２）とカソード給電体（６６）との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、電圧の印加を停止させ、かつ、供給流路（７０）を流れる流体の流量を増加させる。
このセル運転方法は、第１空孔（８０）に負圧を発生させて、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を、第１空孔（８０）を通じて供給流路（７０）に吸い出すことができる。この結果、セル運転方法は、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。
また、セル運転方法は、第２空孔（８２）に負圧を発生させて、滞留水を、電気化学セル（２４）の外側部（７６）から内側部（７４）に流れ込ませ、層間等における面内で水分を均一化させることができる。この結果、セル運転方法は、電解質膜（６０）の乾燥に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

セル運転方法は、値が閾値を超える場合に、電気化学反応により発生した発生流体が流れる排出流路（３４）上に設けられた圧力調整弁（３６）の開度を小さくした後、電圧の印加を停止させ、かつ、供給流路（７０）を流れる流体の流量を増加させてもよい。
これにより、排出流路（３４）での発生流体の圧力が高まり、電気化学セル（２４）がアノード側に押さえ付けられる。したがって、セル運転方法は、電気化学セル（２４）のアノード側に滞留する滞留水を押し出して供給流路（７０）に排出させることができ、この結果、滞留水の除去効率を高めることができる。

流体は、水素ガスであってもよい。流体が水素ガスである場合、セル運転方法は、高圧水素ガスを発生流体として生成することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

１０：セル運転システム １２：流体供給装置
１４：セル装置 １６電源装置
１８：制御装置 ２４：電気化学セル
３４：排出流路 ３６：圧力調整弁
５２：第１セパレータ ５４：第２セパレータ
６０：電解質膜 ６２：アノード給電体
６４：アノード触媒層 ６６：カソード給電体
６８：カソード触媒層 ７０：供給流路
７２：排出流路部 ７４：内側部
７６：外側部 ８０：第１空孔
８２：第２空孔 ８４：第１連通孔
８６：第２連通孔 ８８：センサ

Claims (9)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面側に積層されるアノード給電体と、
   前記電解質膜の他方の面側に積層されるカソード給電体と、
   前記アノード給電体における前記電解質膜側とは逆の面側に配置され、前記アノード給電体に供給するための流体が流れる供給流路と、
   を備える電気化学セルであって、
   前記アノード給電体は、前記供給流路に向かって断面積が大きくなる第１空孔が形成された内側部と、前記内側部より外側に位置し、前記電解質膜に向かって断面積が大きくなる第２空孔が形成された外側部と、を有し、
   前記内側部には、前記第２空孔が形成されず、前記外側部には、前記第１空孔が形成されない、電気化学セル。
2. 請求項１に記載の電気化学セルであって、
   前記電解質膜と前記アノード給電体との間に介在し、前記第１空孔と連通する第１連通孔と、前記第２空孔と連通する第２連通孔とが形成されるアノード触媒層を備え、
   前記第１連通孔は、前記供給流路に向かって連続して断面積が大きくなり、
   前記第２連通孔は、前記電解質膜に向かって連続して断面積が大きくなる、電気化学セル。
3. 請求項２に記載の電気化学セルであって、
   前記第１空孔の内壁と前記第１連通孔の内壁とは連続し、前記第２空孔の内壁と前記第２連通孔の内壁とは連続する、電気化学セル。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学セルと、
   前記電気化学セルに前記流体を供給する流体供給装置と、
   前記アノード給電体と前記カソード給電体との間に電圧を印加する電源装置と、
   前記アノード給電体と前記カソード給電体との間の電気状態を検出するセンサと、
   前記電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止するように前記電源装置を制御し、かつ、前記供給流路を流れる前記流体の流量が増加するように前記流体供給装置を制御する制御装置と、
   を備えるセル運転システム。
5. 請求項４に記載のセル運転システムであって、
   電気化学反応により発生した発生流体が流れる排出流路上に設けられ、前記発生流体の圧力を調整する圧力調整弁を備え、
   前記制御装置は、前記値が前記閾値を超える場合に、前記圧力調整弁の開度が小さくなるように前記圧力調整弁を制御した後、前記電源装置及び前記流体供給装置を制御する、セル運転システム。
6. 請求項４又は５に記載のセル運転システムであって、
   前記流体は、水素ガスである、セル運転システム。
7. 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学セルを運転するセル運転方法であって、
   前記アノード給電体と前記カソード給電体との間に電圧を印加し、前記アノード給電体と前記カソード給電体との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止させ、かつ、前記供給流路を流れる流体の流量を増加させる、セル運転方法。
8. 請求項７に記載のセル運転方法であって、
   前記値が前記閾値を超える場合に、電気化学反応により発生した発生流体が流れる排出流路上に設けられた圧力調整弁の開度を小さくした後、前記電圧の印加を停止させ、かつ、前記供給流路を流れる流体の流量を増加させる、セル運転方法。
9. 請求項７又は８に記載のセル運転方法であって、
   前記流体は、水素ガスである、セル運転方法。

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