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公開番号2025021922
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-14
出願番号2023126035
出願日2023-08-02
発明の名称電解装置のシミュレータ、シミュレーション方法、及び電解装置
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類C25B 15/00 20060101AFI20250206BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電解セルや電解セルスタックの実運転に近い状態を判定することを可能にした電解装置のシミュレータを提供する。
【解決手段】実施形態のシミュレータ100は、還元反応を行うカソードと、酸化反応を行うアノードとを備えた電解セルを、1つ又は複数具備する第1セルスタックの性能を計算により模擬する電解装置のシミュレータであって、シミュレータ100に実装される計算手法において、第1電解セルスタック中のフラッディング及び塩析出の少なくとも1つを表す第1変数群を利用して演算する演算部120を具備する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
還元反応を行うカソードと、酸化反応を行うアノードとを備えた電解セルを、１つ又は複数具備する第１電解セルスタックの性能を計算により模擬する電解装置のシミュレータであって、
前記第１電解セルスタック中のフラッディング及び塩析出の少なくとも１つを表す第１変数群を利用して演算する演算部を具備するシミュレータ。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第１変数群は、前記計算の手法の中で他の変数やパラメータの関数として表される変数を含み、
前記演算部は、前記変数を含む前記第１変数群を利用して演算するように構成されている、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項３】
前記演算部は、前記第１変数群の値に応じて更新される他の変数やパラメータを利用して演算するように構成されている、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項４】
前記第１変数群の値は、前記第１電解セルスタック又は前記第１電解セルスタックと同等の特性を有する第２電解セルスタックを、電磁波、粒子線、音波、電磁場、電流、及び電圧のうちの少なくとも１つを利用して分析した結果に基づいて規定され、
前記演算部は、前記分析した結果に基づいて規定される前記第１変数群を利用して演算するように構成されている、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項５】
前記分析は、前記第１又は第２電解セルスタック内部の状態を可視化するイメージング実験である、請求項４に記載のシミュレータ。
【請求項６】
前記第１変数群の値は、前記イメージング実験の結果をランベルト・ベール則に基づいて解析した結果により規定され、
前記演算部は、前記解析した結果に基づいて規定される前記第１変数群を利用して演算するように構成されている、請求項５に記載のシミュレータ。
【請求項７】
前記第１変数群の値は、前記解析で得られる吸光度から求められ、
前記演算部は、前記吸光度から求められた前記第１変数群を利用して演算するように構成されている、請求項６に記載のシミュレータ。
【請求項８】
前記第１変数群は時間に依存する変数を含み、
前記演算部は、前記時間に依存する変数を含む前記第１変数群を利用して演算するように構成されている、請求項１に記載のシミュレータ。
【請求項９】
還元反応を行うカソードと、酸化反応を行うアノードとを備えた電解セルを、１つ又は複数具備する第１電解セルスタックの性能を計算により模擬する電解装置のシミュレーション方法であって、
前記計算の手法において、前記第１電解セルスタック中のフラッディング及び塩析出の少なくとも１つを表す第１変数群を利用する、シミュレーション方法。
【請求項１０】
前記第１変数群は、前記計算手法の中で他の変数やパラメータの関数として表される変数を含む、請求項９に記載のシミュレーション方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電解装置のシミュレータ、シミュレーション方法、及び電解装置に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、石油や石炭といった化石燃料の枯渇が懸念され、持続的に利用できる再生可能エネルギーへの期待が高まっている。再生可能エネルギーとしては、太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電等が挙げられる。これらは発電量が天候や自然状況等に依存するため、出力が変動する電源（変動電源）であり、電力の安定供給が難しいという課題を有している。そのため、再生可能エネルギーで発生させた電力を蓄電池に貯蔵し、電力を安定化させることが試みられている。しかし、電力を貯蔵する場合、蓄電池にコストを要したり、また蓄電時にロスが発生するといった課題がある。
【０００３】
このような点に対し、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて水電解を行い、水から水素を製造したり、二酸化炭素を電気化学的に還元し、一酸化炭素、ギ酸、メタノール、メタン、酢酸、エタノール、エタン、エチレン等の炭素化合物を製造したり、あるいは窒素を電気化学的に還元し、アンモニアを製造する等の、電気エネルギーを化学物質（化学エネルギー）に変換する技術が注目されている。これらの化学物質をボンベやタンクに貯蔵する場合、電力（電気エネルギー）を蓄電池に貯蔵する場合に比べて、エネルギーの貯蔵コストを低減することができ、また貯蔵ロスも少ないという利点がある。
【０００４】
上記したような水（Ｈ
２
Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ
２
）、窒素（Ｎ
２
）等の電解は、電解セルやそれらの複数を積層した電解セルスタックで実施されることが多い。電解セルスタックにおいては、フラッディングや塩析出といった現象が発生し、性能低下を招くという課題がある。例えばアノードに電解液、カソードに二酸化炭素を供給したＣＯ
２
電解セルでは、アノード側からカソード側へ電解液が移動することがある。カソード側に移動した電解液は、カソードの触媒表面の反応場に二酸化炭素が達するのを阻害し、電解セルの性能低下を引き起こす。そのため、そのようなフラッディングや塩析出の現象を考慮して、セルスタックの性能予測を行う技術や、フラッディングや塩析出を抑制できるように、セルスタックを制御できる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２１－０４６５７４号公報
特開２０２０－０４５５１５号公報
【非特許文献】
【０００６】
Ｒ．ＧｕａｎａｎｄＡ．Ｂａｚｙｌａｋ，ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ，４４７，４２１０３（２０２３）
Ｄ．Ｇ．Ｗｈｅｅｌｅｒｅｔａｌ．，Ｅｎｅｒｇｙ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ，１３，５１２６-５１３４（２０２０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、電解セルや電解セルスタックの実運転に近い状態を判定することを可能にした電解装置のシミュレータ、シミュレーション方法、及びそのようなシミュレータを備える電解装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のシミュレータは、還元反応を行うカソードと、酸化反応を行うアノードとを備えた電解セルを、１つ又は複数具備する第１セルスタックの性能を計算により模擬する電解装置のシミュレータであって、前記シミュレータに実装される計算手法において、前記第１電解セルスタック中のフラッディング及び塩析出の少なくとも１つを表す第１変数群を利用して演算する演算部を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施形態のシミュレータの第１の例を示す図である。
実施形態のシミュレータで性能を計算により模擬する電解装置の一例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第２の例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第３の例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第４の例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第５の例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第１変数群の１つとしてのカソード流路における光強度の時間変化を模式的に示す図である。
実施形態のシミュレータの第１変数群の１つとしての電解セルの断面についてＸ線によるイメージングを行った結果の解析例を示す図である。
実施形態のシミュレータの第１変数群の１つとしての電解セルに印加する電流密度を変化させながらカソード断面のＸ線イメージングを実施した結果の解析例を示す図である。
実施形態の電解装置の一例を示す図である。
実施形態の電解装置の他の例を示す図である。
実施形態のシミュレータの概念図である。
実施形態の電解装置の制御方法における第１のフロー図である。
実施形態の電解装置の制御方法における第２のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の電解装置のシミュレータ、シミュレーション方法、及びそのようなシミュレータを備える電解装置について、図面を参照して説明する。以下に示す実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なもので、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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