(57)【要約】      （修正有）【課題】屋内環境からＣＯ２及び水を選択的に除去するための、エネルギー消費及び全体コストの両方を削減するシステム及びプロセスの提供。【解決手段】デバイスは、制御された環境におけるＣＯ２及び水のレベルを制御する。このデバイスは、ＣＯ２及び水の第１の濃度を含む投入流体を受容し、第１の濃度よりも低いＣＯ２及び水の濃度を有する第１の吐出流体を第１の環境に送達するように構成された第１の電極チャンバと、第３の濃度のＣＯ２及び水を有する第２の吐出流体を第２の環境に送達するように構成された出口を有する第２の電極チャンバと、を含む。第１の電極チャンバ内の還元触媒層は、投入流体内のＣＯ２及び水を還元してイオンキャリア種を形成し、イオン輸送膜は、第１の電極チャンバと第２の電極チャンバとの間に位置付けられ、かつキャリア種を含み、第２の電極チャンバ内の酸化触媒層は、イオンキャリア種を酸化させてＣＯ２及び水を形成する。【選択図】図３
2020108879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学デバイスであって、
第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を第１の環境から受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を前記第１の環境に送達するように構成された出口であって、前記第２の濃度が前記第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバと、
前記第１の電極チャンバ内の還元触媒層であって、前記投入流体中の二酸化炭素及び水を還元してイオン性キャリア種を形成する、還元触媒層と、
第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を第２の環境に送達するように構成された出口を有する第２の電極チャンバと、
前記第２の電極チャンバと前記第１の電極チャンバとの間に位置付けられたイオン輸送膜であって、キャリア種を含む、イオン輸送膜と、
前記第２の電極チャンバ内の酸化触媒層であって、前記イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成する、酸化触媒層と、を含む、デバイス。
【請求項２】
前記膜が、非水性膜である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記膜が、非水性電解質で処理され、前記非水性電解質が、
１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジエチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリリウム、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリリウム、１，３−ジプロピルイミダゾリウム、１−エチル−３−プロピルイミダゾリリウム、１，２−ジメチル−３−Ｎ−ブチルイミダゾリリウム、１−エチル−３−ブチルイミダゾリウム、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウム、１−エチル−３−オクチルイミダゾリウム、１−ｎ−プロピル−３−メチルイミダゾリリウム、１−ｎ−プロピル−３−エチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリリウム、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウム、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−ブチル−２，３−ジエチルイミダゾリウム、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、１−ヘキシル−３−エチルイミダゾリウム、１−オクチル−３−メチルイミダゾリリウム、及び１−オクチル−３−エチルイミダゾリリウム、１−ビニルイミダゾリウム、１−プロピニルイミダゾリウム、１−ビニル−３−エチルイミダゾリウム、１−エテニル−３−プロピニルイミダゾリウムウム、１，３−ジプロピニルイミダゾリウム、２−メチル−１−ビニルイミダゾリウム、１−（２−メトキシエチル）−１−メチルピリジニウム、Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）ピリジニウム、Ｎ−ヘキシルピリジニウム、１−エテニル−３−プロペニルピリジニウム、２−ビニルピリジニウム、４−ビニルピリジニウム、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、Ｎ−ブチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、１−ヘキシル−１−メチルピロリジニウム、１−エテニル−３−プロペニルピロリジニウム、
トリメチルブチルアンモニウム、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−２−メトキシエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、ｎ−ヘキシルトリエチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ヘキシルアンモニウム、トリエチルブチルアンモニウム、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、及びトリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウム、ホルメート、オキサレート、水酸化物、スルホネート、アセテート、ホスフェート、カルボキシレート、ホウ酸塩、イミドアニオン、アミドアニオン、ハロゲン化物、サルフェート、及びこれらの混合物を含む群から選択されるカチオンを含むイオン性液体、又は
エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、グリセロール、テトラヒドロフラン、及びエチレンカーボネートのうちの少なくとも１つを含む非水性溶媒であって、溶解したギ酸塩及び水酸化物化合物を含有する、非水性溶媒を含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記還元触媒層及び前記酸化触媒層のうちの少なくとも１つが、金属、合金、及び酸化物のうちの少なくとも１つを含む電気触媒を含み、前記少なくとも１つの金属、合金、及び酸化物が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｃｕ  Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、及びＰｄのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記膜が、実質的にガス不透過性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記デバイスが、殺菌特性を有する成分又は添加剤を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記殺菌添加剤が、前記膜内に位置し、抗菌特性を有するイオン性液体と、四級アンモニウム化合物を含むイオン性液体と、アジ化ナトリウム添加剤、アジ化カリウム添加剤、過酸化物添加化合物、次亜塩素酸塩添加化合物、及び過塩素酸塩添加化合物のうちの少なくとも１つを含む電解質と、のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記デバイスが、制御された環境のためのＨＶＡＣシステム内に一体化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
制御された環境における二酸化炭素及び水のレベルを制御するためのデバイスであって、
第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を第１の環境に送達するように構成された出口であって、前記第２の濃度が前記第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバと、
前記第１の電極チャンバ内の還元触媒層であって、前記投入流体中の二酸化炭素及び水を還元してイオン性キャリア種を形成する、還元触媒層と、
第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を第２の環境に送達するように構成された出口を有する第２の電極チャンバと、
前記第２の電極チャンバと前記第１の電極チャンバとの間に位置付けられたイオン輸送膜であって、キャリア種を含む、イオン輸送膜と、
前記第２の電極チャンバ内の酸化触媒層であって、前記イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成する、酸化触媒層と、を含む、デバイス。
【請求項１０】
前記第１の環境が、制御された環境である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２の環境が、制御された環境である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスを通る流体の流れを制御するための手段と、前記制御された環境に送達される流体の温度を調節するように構成された温度制御ユニットと、のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記還元触媒層及び前記酸化触媒層のうちの少なくとも１つが、制御されたサイズ、歪み、酸化、結晶配向、又は好ましい結晶学的ファセットを有する電気触媒を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記膜が、非水性膜である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記膜が、５〜１，０００マイクロメートルの厚さを有する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記膜が、殺菌性であるか、又は殺菌添加剤を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１７】
制御された環境における二酸化炭素及び水濃度を制御するための方法であって、
電気化学デバイスを提供することであって、前記電気化学デバイスが、
第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を送達するように構成された出口であって、前記第２の濃度が前記第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバと、
前記投入流体中の二酸化炭素及び水を還元してイオン性キャリア種を形成するように構成された、前記第１の電極チャンバ内の還元触媒層と、
第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を送達するように構成された出口を有する第２の電極チャンバと、
前記第２の電極チャンバと前記第１の電極チャンバとの間に位置付けられたイオン輸送膜であって、キャリア種を含む、イオン輸送膜と、
前記イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成するように構成された、前記第２の電極チャンバ内の酸化触媒層と、
前記還元触媒層及び前記酸化触媒層のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたエネルギー源と、を含む、提供することと、
前記第１の電極チャンバ内で、二酸化炭素及び水をイオンキャリア種に電気化学的に還元することと、
前記膜を通して前記イオンキャリア種をイオン輸送することと、
前記第２の電極チャンバ内で、前記イオンキャリア種を二酸化炭素及び水に電気化学的に酸化することと、
前記第１の吐出流体及び前記第２の吐出流体のうちの１つを前記制御された環境内に方向付けることと、を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１の吐出流体において、二酸化炭素の分圧が０．０００４〜１バールの範囲内であり、水が３０〜１００％の相対湿度の範囲内であり、前記第１の吐出流体が、前記制御された環境に方向付けられる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の吐出流体において、二酸化炭素の分圧が０．０００４〜１バールの範囲内であり、水の分圧が０．０００５〜１バールの範囲内であり、前記第２の吐出流体が、前記制御された環境に方向付けられる、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、ガスから二酸化炭素及び水を分離するためのシステム、その動作方法、及びシステムで使用するための電気化学ポンプに関する。
【０００２】
屋内環境からの二酸化炭素（ＣＯ２）の低減及び除去は、エネルギー集約的であり、費用がかかる。現在、ＣＯ２は、典型的には、建物内のＣＯ２濃度を希釈するために外気を使用して頻繁な換気によって、商業ビルなどの屋内環境から除去される。電気ベースでは、これらのプロセスは、換気のために約４００〜５００ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ２を消費し、並びに入って来る外気の温度及び湿度を調節するためにエネルギーを消費する。地域の気象及び／又は気候に応じて、可変量の水分移動も達成され得る。しかしながら、このアプローチは、ＣＯ２ドームを形成する都市的地域、又は湿潤気候を有する地域において、限定された有効性を有し、これにより、希釈に使用される外気の能力が低減される。
【０００３】
アルカリ又はアミン吸着剤を使用する再生ＣＯ２除去システムを伴う他のアプローチは、空気を除湿させることができず、大規模な建物での設備を制限する高い資本コストを有する。このようなシステムはまた、比較的非選択的であり、省エネルギー電位（例えば、０．１９ｑｕａｄ、一次燃料ベース）を大規模な商業ビルに制限するエネルギー集約型再生（２４０〜８００ｋＬ／ｍｏｌ、電気ベース）を必要とする。例えば、市販の吸着剤系システムは、冷却負荷における２９％の低減を達成している。
【０００４】
ＣＯ２及び水除去に対する電気化学的アプローチは、除去された構成要素における連続的な動作及び高い選択性を示唆する。しかしながら、キノン系ＣＯ２シャトルに関する既存の研究は、商業的に実現可能には低すぎるＣＯ２除去流速を報告している。このようなキノン系アプローチは、酸素安定性が乏しく、ＣＯ２除去率が低いキノンキャリアを使用する。同様の研究は、ＣＯ２の電気化学濃度のための１，４−ベンゾキノンキャリアを使用した電気化学的ＣＯ２輸送を示したが、このプロセスは、高い還元電位（例えば、−Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して−３Ｖ）を必要とし、連続的に動作することはできない。
【０００５】
実質的な省エネルギーは、建物空気のコンディショニング（すなわち、浄化及び／又は調節温度）で消費されるエネルギーを低減する代わりに、コンディショニングを必要とする外気の体積を低減することによって達成され得る。このような手法は、屋内汚染物質の目標とする除去によって従来のＨＶＡＣシステムの膨大なエネルギー消費に対処することができ、それにより、約１０％の米国の商業ビルのＨＶＡＣエネルギーを節約することができる。本明細書では、屋内環境から二酸化炭素及び水を選択的に除去するためのエネルギー消費及び全体コストの両方を削減するシステム及びプロセスが本明細書に記載される。
【０００６】
本明細書に記載される実施形態は、第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を第１の環境から受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を第１の環境に送達するように構成された出口であって、第２の濃度が第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバを含む電気化学デバイスを目的とする。第２の電極チャンバは、第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を第２の環境に送達するように構成された出口を有する。第１の電極チャンバ内の還元触媒層は、投入流体内の二酸化炭素及び水を還元して、イオンキャリア種を形成し、イオン輸送膜は、第２の電極チャンバと第１の電極チャンバとの間に位置付けられており、この膜はキャリア種を含み、第２の電極チャンバ内の酸化触媒層は、イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成する。
【０００７】
他の実施形態は、制御された環境における二酸化炭素及び水のレベルを制御するためのデバイスを目的とする。本デバイスは、第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を第１の環境に送達するように構成された出口であって、第２の濃度が第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバを含む電気化学デバイスを含む。第２の電極チャンバは、第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を第２の環境に送達するように構成された出口を有する。第１の電極チャンバ内の還元触媒層は、投入流体内の二酸化炭素及び水を還元して、イオンキャリア種を形成し、イオン輸送膜は、第２の電極チャンバと第１の電極チャンバとの間に位置付けられ、かつキャリア種を含み、第２の電極チャンバ内の酸化触媒層は、イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成する。
【０００８】
更なる実施形態は、制御された環境における二酸化炭素及び水濃度を制御するための方法を目的とする。本方法は、第１の濃度の二酸化炭素及び水を含む投入流体を受容する入口と、第２の濃度の二酸化炭素及び水を含む第１の吐出流体を第１の環境に送達するように構成された出口であって、第２の濃度が第１の濃度よりも低い、出口とを含む第１の電極チャンバを含む電気化学デバイスを提供することを含む。第２の電極チャンバは、第３の濃度の二酸化炭素及び水を含む第２の吐出流体を送達するように構成された出口を有する。第１の電極チャンバ内の還元触媒層は、投入流体内の二酸化炭素及び水を還元して、イオンキャリア種を形成するように構成され、イオン輸送膜は、第２の電極チャンバと第１の電極チャンバとの間に位置付けられ、かつキャリア種を含む。第２電極チャンバ内の酸化触媒層は、イオンキャリア種を酸化させて二酸化炭素及び水を形成するように構成され、エネルギー源は、還元触媒層及び酸化触媒層のうちの少なくとも１つと電気的に接続される。本方法は、二酸化炭素及び水を第１の電極チャンバ内のイオンキャリア種に電気化学的に還元することと、膜を通してイオンキャリア種をイオン輸送することと、第２の電極チャンバ内で、イオンキャリア種を二酸化炭素及び水に電気化学的に酸化することと、を更に含む。第１及び第２の吐出流体のうちの１つは、制御された環境に方向付けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ある特定の実施形態による、選択的電気化学デバイスが動作する環境の側断面図である。
【図２】ある特定の実施形態による、選択的電気化学デバイスの概略図である。
【図３】ある特定の実施形態による、選択的電気化学デバイスの側断面図である。
【図４】ある特定の実施形態による、電気化学セルの積層体を含む選択的電気化学デバイスの斜視図である。
【図５】図４の電気化学セルの積層体の分解斜視図である。
【図６】ある特定の実施形態による、選択的電気化学デバイスの層を図示する。
【図７】ある特定の実施形態による、環境内で二酸化炭素及び水を濃縮するための選択的電気化学デバイスの側断面図である。
【図８】ある特定の実施形態による方法のフロー図である。
【図９】ある特定の実施形態による、選択的電気化学デバイスを含む実験システムの概略図である。
【図１０】選択的電気化学デバイスにおいて使用される様々な膜に対する面積直列抵抗を示すグラフである。
【図１１】面積直列抵抗に対する、サイクリング及び変動する入口二酸化炭素濃度の影響を示すグラフである。
【図１２】選択的電気化学デバイスの動作中の、供給及び出口二酸化炭素濃度のプロットである。
【図１３】選択的電気化学デバイスの動作中の湿度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
知的ＣＯ２除去システムの非存在下では、屋内空気を許容可能なＣＯ２（例えば、＜１，０００ｐｐｍ）及び湿度レベル（例えば、３０〜５０％ＲＨ）に希釈するために過剰な換気に起因して、かなりの量のエネルギー浪費が生じる。ＢＴＯ  Ｓｃｏｕｔ計算機（２０３０）は、暖房（１．３４ｑｕａｄ）、冷房（−０．１４ｑｕａｄ）、及び換気（１．２５ｑｕａｄ）の間に分配された、商業ビル内の外気を処理するための著しいエネルギー消費を予測している。しかしながら、ＡＳＨＲＡＥによって義務付けられた換気率は、局所的なＣＯ２濃度を、２，５００ｐｐｍの高さに維持することを可能にする。新たな研究が、入居者の生産性及び認知機能のための更なる厳格な空気品質基準（例えば、＜５００ｐｐｍのＣＯ２）の利点を指し示していることを考えると、より厳しい建物エンベロープをサポートし、より低いシステムコストで屋内空気品質を改善する技術に対する動機が存在する。
【００１１】
本明細書に記載される実施形態は、屋内湿度及び二酸化炭素に標的を絞った除去を可能にすることを目的とする。モデル化されたシナリオでは、外気換気率の８０％の低減にもかかわらず、適切な屋内空気品質を維持することができる。低減された換気率は、米国の全ての商業ビルにわたって実施されたときに、＞０．５０ｑｕａｄ（例えば、全ての米国商業ビルのＨＶＡＣエネルギーの１０％）の年間の一次エネルギー節約をもたらす。
【００１２】
建物エンベロープのより緊密な密封のモデル化されたシナリオでは、建物入居者が、湿度の主要な供給源である。目標ＣＯ２除去（２，５００ｐｐｍ→２００ｐｐｍ）は名目上低い湿度変化（２０℃で１０％ＲＨ）に対応するが、実際には、潜熱冷却負荷（０．８ｋｇ／日）の約半分に相当する。潜熱冷却負荷のこの低減は、暖房、換気及び空調（ｈｅａｔｉｎｇ  ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ａｉｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ、ＨＶＡＣ）の冷却能力の実質的な小型化を可能にする。商業的に成熟したシステムを設置するためのコスト見積は、現在のエネルギー価格に基づいて２年未満の単純な回収期間を有する周辺機器コストを含めて、設置された建物面積１ｍ２当たり約＄２であろう。したがって、既存のＨＶＡＣシステムに経済的に実行可能な改造が可能である。より新しい建物においてＨＶＡＣシステムと一体化されると、提案された電気化学デバイスは、より小さい空気流量及び低減された電力消費の使用により、低下したＨＶＡＣの設置及び運転コストをもたらす可能性があり得る。
【００１３】
本開示は、概して、ガス流などの投入流体からの二酸化炭素及び水蒸気の電気化学的選択的分離に関する。本明細書では、「流体」という用語は、液体状態及び気体状態の両方を広く指す。屋内ガス環境からＣＯ２を除去することは、外気希釈及び／又は吸着剤を使用して現在達成されており、両方の技術はエネルギー集約的である。代わりに、モジュール式固体電気化学ポンプを使用して、単一の電気化学的プロセスにおいて、二酸化炭素及び水蒸気の両方を共に除去することができる。このプロセス反応は、以下のように記載される。ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−⇔［ＨＣＯＯ］−＋［ＯＨ］−。この反応は、触媒によって刺激されて、屋内ＣＯ２及びＨ２Ｏを選択的に捕捉し、並びに非水性膜によって、高い除去流速を達成する。触媒はＣＯ２をカルボン酸に還元し、膜は、ギ酸イオン及び水酸化物イオンとして急速なイオン輸送を確実にする。電気化学ポンプは、還元（例えば、＞８５％）及び酸化（例えば、＞９５％）反応、並びに高汚染物質（すなわち、ＣＯ２及びＨ２Ｏ）除去効率（例えば、９０％）を伴い、高ファラデー効率で実施することができる。例えば、空気安定性、高表面積、ｐ−ブロック金属（例えば、Ｓｎ、Ｉｎ）は、ＣＯ２還元及び水性アニオン選択膜における急速なイオン輸送のための不均一触媒として使用される。
【００１４】
様々な実施形態は、封入空間内で主に空気であり得るガス状環境の二酸化炭素及び水蒸気（本明細書では水とも称される）濃度を調節するためのシステム及び方法を目的とする。ある特定の実施形態では、屋内空間内のガス状環境からの二酸化炭素及び水除去のための装置が記載される。他の実施形態では、屋内空間内のガス状環境への二酸化炭素及び水添加のための装置が記載される。例示的実施形態は、屋内空気の空調における汚染物質の除去、プロセスガス流からのＣＯ２の直接空気捕捉、及び温室又はサンルームにおける適切なＣＯ２及び湿度レベルを維持することを目的とし得る。本明細書に記載される装置及び方法は、屋内空気などのガス状環境からの／ガス状環境への連続的ＣＯ２除去／添加を提供することができる。
【００１５】
電解ＣＯ２及び水除去（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ  ＣＯ２  ａｎｄ  ｗａｔｅｒ  ｒｅｍｏｖａｌ、ＥＣＷＲ）のためのシステムは、連続的屋内空気浄化のための電気化学デバイス（例えば、ポンプ）を含む。電気化学デバイスは、様々な環境での容易な設置を可能にするフォームファクタを有する、低電力及び低温デバイスであり得る。これは、換気を増加させるために及び新鮮な空気の関連する熱的コンディショニングのために必要とされるであろうエネルギーの割合で、建物入居者の生産性を増加させることができる。ＣＯ２及び水電気化学デバイスは、冷蔵ユニット、微粒子フィルタ、揮発性有機汚染物質（ＶＯＣ）を除去するための収着剤、活性炭素収着剤、除湿ユニット、又はＨＶＡＣユニットのうちの１つ以上と連結されて、温度制御を提供し、粒子状及びＶＯＣ汚染物質を除去し、及び／又は過剰な水蒸気を除去することができる。ＣＯ２及び水電気化学デバイスを使用して、屋内空気からＣＯ２及び水を除去し、それぞれの濃度を約１，０００ｐｐｍ以下のＣＯ２、及び約３０〜６５％の湿度の安全レベルに制御することができる。ＣＯ２電気化学デバイスの使用は、建物内の空気再循環を減少させ、それによって空調システムの全体的なエネルギー消費を減少させる。あるいは、この装置は、温室及びサンルームなどの用途のための環境における二酸化炭素の分圧を増加させるために使用することができる。
【００１６】
本明細書に記載される電気化学デバイスは、例えば屋内空気調節システムに容易に一体化することができる電解質膜を有する膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）である。高温で動作する吸収剤を使用する既存のシステムとは対照的に、記載されたシステム及び方法は、７０℃未満の温度で屋内空気からＣＯ２及び水を連続的に除去することができる。
【００１７】
図１を参照すると、ＥＣＷＲ装置１が動作する制御された環境が示されている。本明細書における「制御された環境」という用語は、建物又は車両などの密閉空間を指し、屋外などの制御されていない環境と対比され得る。装置１は、屋外へと換気されるべきＣＯ２及び水の流れを濃縮させる電気化学デバイス１０（この場合、単一の電気化学セル）を含む。図１に示される電気化学デバイス１は、入口導管１４を介して、第１の制御された環境１２から、屋内空気（主に窒素及び酸素、少量の二酸化炭素及び水蒸気）などの二酸化炭素及び水含有流体の流れＡを受容する。流体から二酸化炭素及び水を除去した後、流体の一部又は全部を出口導管１６を介して第１の環境に戻すことができる。リターン流Ｂは、入口流Ａよりも低い二酸化炭素及び水の分圧を有する。二酸化炭素及び水出口導管１８は、二酸化炭素及び水の流体流Ｃ、例えば、二酸化炭素と空気中で混合された水蒸気とを、密閉構造２２に対して第２の環境２０に運ぶ。スイープ流体の流れ、例えば大気Ｄは、導管２１を介して受容される。いくつかの実施形態では、スイープ流体は、気体又は液体であってもよく、スイープ流体はＣＯ２を吸収、溶解、又は吸着する構成要素を含有してもよい。流体流Ｃ中の二酸化炭素及び水の分圧は、流れＡ及び／又はＢよりも高くてもよい。図示される封入構造２２は、車両、例えば自動車、潜水艦、船舶、航空機、又は宇宙船などの内部空間を有する他の密閉構造であってもよい。
【００１８】
１つ以上のポンプ２４、２６及び／又はブロワー２７は、導管１４、１６、１８を介して電気化学デバイス１０へ、及び電気化学デバイス１０から流体を循環させるのに役立つ。フィルタ（複数可）２８（例えば、エアフィルタ）は、任意選択的に、揮発性有機成分及び微粒子を捕捉するために導管１４、１６のうちの１つ以上に組み込まれる。温度調節ユニット２３（例えば、暖房及び／又は冷房及び／又は追加の除湿）は、第１の環境１２に戻された流体が入居者のための望ましい温度になるように導管１６に連結される。電気化学デバイス１０の動作のための電流は、電源２９によって供給される。電気化学セル１０（又はそのようなセルの積層体）は、空調装置又は他のＨＶＡＣユニット内に設置されるように構成され、ある特定の実施形態では、空調ファンは、屋内空気を電気化学デバイス１０に駆動し、それによって追加のファンの必要性を回避する。
【００１９】
電気化学デバイス１０の概要は、図２の概略図に関連して提供されている。供給ガス流などの投入空気２は、電気化学デバイス１０のカソードチャンバ８に入る。電気化学セル１０は、電気触媒３、７の層と、平面又は渦巻き状積層体に配置された陰イオン伝導膜５とを含む。ＭＥＡは、２つの触媒ガス拡散層３、７、陰イオン伝導性ガス不透過性膜５、ガスケット、及び双極プレートを含む。複数の層を組み立てて積層体を形成することができ、この積層体は、集中的又は局所的な再循環空気ダクトとインラインで設置することができる。屋内ＣＯ２及び／又は水蒸気濃度が増加すると、電源２９は、供給ガス２中に存在するＣＯ２をギ酸（ＨＣＯＯ）−イオン及び水酸化物（ＯＨ）−イオンに電気化学的に還元する活性電位を印加する。外部電圧（例えば、単位セル当たり＜１Ｖ）の下で、供給ガス２からのＣＯ２及び湿度は、カソード８でのギ酸イオン及び水酸化物イオンに選択的に還元され、膜５を横切ってアノード９に移動し、ここでは可逆的に酸化され、換気された製品ガス６になる。二酸化炭素及び水は、等モル比で建物（すなわち、供給ガス）から除去される。高伝導性膜５は、還元されたイオン種を外側に向くアノードに輸送し、ここでは、上記の反応に従って、ギ酸イオンが再酸化され、ＣＯ２が外気に放出される。加えて、浄化空気４（すなわち、二酸化炭素及び水蒸気が除去された空気）は、カソード８から吐出され、屋内空間１２に再循環される。
【００２０】
電気化学デバイス１０のある特定の実施形態のより詳細な図が、図３に提供されている。電気化学デバイス１０は、アノードチャンバ３０とカソードチャンバ３２とを含み、これらは、ポリ（イオン性）液体ベースの膜などの固体膜３４によって離間されている。電位は、アノード及びカソードチャンバ３０、３２内のそれぞれのアノード３８及びカソード４０に電気的に接続されたエネルギー（例えば、電圧）源２９によって膜３４全体で維持される。カソード４０は、集電体４１と、膜３４の第１の表面４３に隣接してカソードチャンバ３２内に配置された第１の触媒層４２とを含む。アノード３８は、集電体４４と、膜の第２の表面４６に隣接してアノードチャンバ３０内に配設された第２の触媒層４５とを含む。集電体は電子を輸送するが、ＣＯ２の酸化又は還元を触媒しない。第１の触媒層４２は還元触媒を含み、還元触媒は、二酸化炭素及び水のイオンキャリア種４７（すなわち、［ＨＣＯＯ］−及び［ＯＨ］−）への還元を触媒する。第２の触媒層４５は酸化触媒を含み、この酸化触媒は、イオンキャリア種４７の二酸化炭素及び水への酸化（膜３４を介した輸送後）を触媒する。還元触媒層及び酸化触媒層のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたエネルギー源２９は、還元及び酸化反応のためのエネルギーを提供する。膜３４は、イオンキャリア種（アニオン）４７に対して透過性であるが、ガス不透過性であり、これは、気体、特に酸素、二酸化炭素、及び水蒸気に対して少なくとも実質的に不透過性であることを意味する。「実質的に不透過性」とは、カソードチャンバに入るそれぞれのガス（例えば、酸素）の２５％以下、５％以下、又は１％以下が、膜を通してアノードチャンバ内に運ばれる（逆もまた同様である）ことを意味する。ガス拡散層４８、４９は、ガス流の分配を補助するために、触媒層４２、４５の一方又は両方に隣接して配設されてもよい。拡散層４８、４９は、布又は紙などの多孔質材料から形成されてもよい。集電体５０、５１の第２の対は、集電体４０、４４からのセルの反対端部に位置してもよい。集電体４０、４４、５０、５１は、銅又は鋼などの導電性材料から形成されてもよい。セルは、膜のいずれかの端部に２つ以上のガスケット５２、５３を含んでもよく、セルからのガス漏出及び／又はチャンバ３２、３０間のガス漏出を阻止する。
【００２１】
カソードチャンバ３２への入口５４は、例えば、屋内空気などの二酸化炭素を含有する供給ガスを、屋内空間１２から導管１４を介して受容する。屋内空気は、ＣＯ２及び水の一部を除去した後、カソードチャンバ室３２の出口５５から出て、導管１６を介して屋内空間１２に戻される。アノードチャンバ３０は、再生ＣＯ２及び水を藩有する排気が導管１８内を通過する１つ以上の出口５６を含む。入口５７は、任意選択的に、アノードチャンバ内の空気と混合するために、外気の加圧された流れを受容し、出口５６からそれを流出することができる。
【００２２】
コントローラ５８は、例えば、１つ以上のガスセンサ６０ａ〜ｂ、６１ａ〜ｂを使用することにより、１つ以上の空気流Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及び／又はチャンバ３０、３２のうちの１つ以上の中でガス状組成物を監視する。コントローラ５８は、センサ６０ａからの信号をＣＯ２及び／又は水などの１つ以上のガスに関するガス濃度測定値に変換するための命令を記憶するメモリＭと、検出されたガス濃度のうちの１つ以上が所定の範囲外にあるときにＣＯ２及び水の除去速度に対する調整を実施するための命令と、を含んでもよい。コントローラ５８は、命令を実行するために、メモリと通信するハードウェアプロセッサＰを含む。検出されたガス濃度が１つ以上の所定の範囲内にないとき、コントローラ５８は、電気回路３６内のスイッチ６２及び／又はレオスタット６４などのレベルの変化をもたらすことができる電気化学デバイス１０の１つ以上の構成要素と通信する。セル１０は側壁又は壁６６、６８を含んでもよく、この側壁又は壁６６、６８は、図４に示されているように、上部及び底部の集電体に一定間隔を保たせ、それぞれの入口及び出口をセルに画定してもよく、又は他のセルと接続されて積層体を形成してもよい。
【００２３】
単一セル型電気化学デバイスが図３に示されているが、セルの積層体を組み合わせて、図４及び５に示されているような電気化学デバイス１０を形成してもよく、ここでは同様の要素が同じ番号を与えられる。積層体は、少なくとも２つのセル、又は少なくとも５つのセルを含んでもよく、ある特定の実施形態では、１つが他方の上にある、約１０個のセルを含んでもよく、これらは共通入口（マニホールド）５４から空気を受け取り、共通の出口又は出口（マニホールド）５５、５６に吐出空気を供給する。導電性部材６９は、集電体４１に電子を伝導する。同様の導電性部材（図示せず）は、集電体４４から電子を伝導する。セルを画定する層４２、３４、及び４４（並びに使用される場合は４８、４９）は、ここではボルト又はねじなどのねじ付き固定部材８０によって一緒に保持された双極プレート７６、７８を含むように図示されるクランプ装置７４によって適所に保持される絶縁層７０、７２によって被覆されてもよい。いくつかの実施形態では、双極プレートはそれぞれ、フルオロカーボン／黒鉛複合板などの複合黒鉛プレートである。特定の実施形態では、双極プレート７６及び絶縁層７０のうちの１つ以上は、加熱／冷却プレートであってもよく、及び／又は１つ以上のセンサを含んでもよい。ボルト、圧縮バネ、及びガス継手などのクランプ装置７４の他の構成要素は、鋼、プラスチック、又は他の剛性材料で作製することができる。
【００２４】
マルチセル電気化学デバイス積層体１０は、全体的な圧力及び流量で、屋内空気を積層体内の異なるセルに分配する。セルは、それぞれのセルにおける空気の流量がバランスが取れた状態で、積層体内で空気圧的に並列又は直列である。図４では、第１の（左側）セルは、カソード、膜、アノードで配置され、及び積層体内の第２の後続のセルは、積層体全体にわたってアノード、膜、カソード配置などで反転される。
【００２５】
ＣＯ２の低い周囲濃度（例えば、約４００ｐｐｍ）は、膜３４全体にわたって維持され得る最大流束を阻害することができる。特定の実施形態では、電気化学デバイス１０は、任意選択的に、例えば、図６に示されるように、拡散層４９と触媒層４５との中間に、膜３４のアノード側上に、ＣＯ２捕捉層９０としてＣＯ２吸着剤を含むことができる。ＣＯ２捕捉層９０は、例えば、触媒層４４によって膜から離間した膜３４の屋内側に位置付けられる。ＣＯ２捕捉層９０は、ＣＯ２還元電極（カソード）４０付近のＣＯ２ガス濃度を上昇させることによって、ＣＯ２除去速度を高めることができる。捕捉層９０中のＣＯ２収着剤は、導電性多孔質材料（例えば、炭素布）によって支持される液体（例えば、アルキルアミン、又はイオン性液体）であってもよい。あるいは、吸着剤は、固体ポリマー（例えば、ポリ（エタノールアミン）などのポリアミン、又は重合イオン性液体）であってもよい。
【００２６】
本明細書に記載されるように、電気化学デバイス１０は、除去されたＣＯ２及び水蒸気を屋外へと換気する、屋内ＣＯ２及び水蒸気除去のための連続モードで動作することができる低電力でコンパクトかつ軽量のデバイスである。膜によって分離された電気化学デバイスのカソード側に捕捉された空気からのＣＯ２及び水は、アノード側を通って屋外へと連続的に放出される。理解されるように、ＣＯ２及び水を除去するプロセスにおいて、屋内空気からの酸素の一部も低減され得る。しかしながら、これは屋内空間内の酸素の比較的小さい割合である。例えば、約２５０ｐｐｍの酸素を、２１０，０００ｐｐｍの典型的な大気含有量から除去することができる。
【００２７】
触媒層４２、４５はそれぞれ、同じであっても又は異なっていてもよい１つ以上の触媒を含む。ＣＯ２及び水の還元し、及び／又はＣＯ２及び水を形成するための好適な触媒としては、高単分散を有する（例えば、単峰性粒径分布を有し、かつ／又は分布の中心の半値全幅が１００％未満、例えば、１０±５ｎｍ又は１００±５０ｎｍ）電解触媒、制御された結晶歪み（非歪み触媒表面に対して−８〜＋８％の平均結晶歪みとして定義される）、ＣＯ２のギ酸塩種への還元のための著しくい低い活性化エネルギーを有する好ましい結晶学的ファセット（例えば、Ｐｂ上のＩｎ２Ｏ３又はＳｎ上の（２１１）などの触媒の＜１１０＞又は＜１１１＞結晶配向）有する電気触媒、及び／又は純粋な金属状態と、−１｜ｅ｜〜−１．１６｜ｅ｜のＢａｄｅｒ電荷に対応する完全酸化状態との間で変化する、制御された酸化度を有する電気触媒が挙げられる。例としては、金属、合金、及び酸化物のうちの少なくとも１つを含む電気触媒が挙げられる。少なくとも１つの金属、合金、及び酸化物は、インジウム（Ｉｎ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）、並びに／又はビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、及びスズ（Ｓｎ）などの他の金属触媒を含む。いくつかの実施形態では、層４２中の触媒は、イオン性キャリア種への二酸化炭素の変換のために非常に選択的である。一例として、ギ酸イオン生成の場合、触媒層は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＰｂのうちの少なくとも１つを含んでもよい。層４２、４５のうちの一方又は両方における触媒は、カーボンブラックなどの指示材料上に担持することができ、これは、触媒充填を低減するために高表面積を有することができる。ＣＯ２及び水還元触媒は、ディスク電極を使用して測定された、ｊｌｉｍｉｔｉｎｇ＝０．２ｍＡ  ｃｍ−２で、少なくとも７０％のファラデー効率を有し得る。
【００２８】
二酸化炭素還元に関連する活性化過電圧は、電気化学デバイスの動作電圧（例えば、＜１Ｖ）を低減する際の課題である。還元反応の反応速度は、（ｉ）低濃度の屋内ＣＯ２（例えば、＜２，５００ｐｐｍ）、（ｉｉ）市販のＣＯ２還元触媒のより低い活性、及び（ｉｉｉ）水和膜中の高Ｈ２Ｏ：ＣＯ２比によって影響を受ける。イオン性液体は、捕捉溶媒として使用され、局所ＣＯ２濃度を増加させるためのアプローチの１つは、ＣＯ２吸着を考慮して局所的蓄積に依存する。ナノ構造単分散触媒は、バルク材料と比較すると、高エネルギー縁部の曝露を考慮して、より高い活性を有することが知られている。触媒活性を増加させるために、部分的な酸化又は増加した結晶歪みが報告される。密度関数理論（ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｔｈｅｏｒｙ、ＤＦＴ）研究は、（１１０）インジウム表面及び酸化物の存在が両方とも、生成物としてのＣＯの形成を防止するために必要であることを示唆している。したがって、水とＣＯ２との共吸着は、０．４２Ｖ（０．８４ｅＶ）のみの活性化バリアを有するＩｎ２Ｏ３上の表面ＣＯＯＨ種をもたらすと予測される。ある特定の実施形態では、約１０ｎｍの直径を有する単分散Ｓｎ又はナノ結晶は、触媒層の一方又は両方の電気触媒として使用される。
【００２９】
膜電極接合体内の優れた三相接触は、汚染物質除去流速の所望の改善を達成する上で重要な要因である。これは、システム電流密度（例えば、約３→＞５０ｍＡ  ｃｍ−２）の増加に対応する。熱プレスの使用は、触媒と膜との間の接触を維持及び維持することによって、電荷移動抵抗を実質的に低減する。高表面積カーボンブラックの添加は、ナノ粒子凝集を低減又は防止する。炭素及びナノ粒子を含有するアイオノマー分散体は、ガス拡散電極内で均質な分布をもたらす。ｏ−ジクロロベンゼンなどの揮発性細孔形成剤（すなわち、ポロゲン）を、アイオノマー分散体と混合することができる。蒸発すると、ポロゲンは、高い触媒活性表面積を提供する薄い多孔質外皮の形成をもたらす。性能を改善するための方策としては、触媒インク中のアイオノマー結合剤を含む熱プレス、触媒及び炭素充填を変化させること、並びにＭＥＡ接触を改善するための細孔形成剤の使用が挙げられる。３ｍＡ  ｃｍ−２（１時間）の最大電流密度を、以下の表１に示すように達成した。屋内実施形態についての典型的な動作電圧は、２６０〜３６０ｋＪｍｏｌ−１の特定のエネルギー消費に対応する約１．２５〜１．８Ｖである。
【００３０】
上記の方策は、電気化学デバイス１０のイオン選択性及び実質的にガス不透過性膜（複数可）３４に適用される。ある特定の実施形態では、膜は非水性である。膜に関して使用されるとき、「非水性」という用語は、１０重量％以下の含水量を指す。膜（複数可）は、ポリ（イオン性）液体（ｐｏｌｙ（ｉｏｎｉｃ）ｌｉｑｕｉｄ、ＰＩＬ）などの固化した液体電解質を含んでもよく、又は導電性布、例えば、炭素含有布、又は他の導電性多孔質材料などの支持材料上に支持されるイオン性液体であってもよい。イオン性液体は、有機カチオン及びアニオンを含有する化合物であり、周囲温度（約１０〜４０℃）で液体であってもよい。ＰＩＬは、典型的には、１００℃未満の温度で溶融する。本明細書で使用するのに好適なＰｉＬは、動作温度下で、カチオンがポリマーの形態で不動化され、一方、アニオンが膜を通って自由に移動するものである。ポリ（イオン性）液体膜は、例えば、イオン性液体の重合によって、又は、好適なアニオンを含有する電解質を用いた既存のイオン交換膜の官能化によって形成することができる。ある特定の実施形態では、膜３４は、主にポリ（イオン性）液体、すなわち、少なくとも５１重量％、又は少なくとも７０重量％、又は少なくとも９０重量％のポリ（イオン性）液体、又は最大１００重量％のポリ（イオン性）液体である。
【００３１】
膜非水性電解質の例としては、１，３−ジメチルイミダゾリウム、１，３−ジエチルイミダゾリウム、１−エチル−３−メチルイミダゾリリウム、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリリウム、１，３−ジプロピルイミダゾリウム、１−エチル−３−プロピルイミダゾリリウム、１，２−ジメチル−３−Ｎ−ブチルイミダゾリリウム、１−エチル−３−ブチルイミダゾリウム、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウム、１−エチル−３−オクチルイミダゾリウム、１−ｎ−プロピル−３−メチルイミダゾリリウム、１−ｎ−プロピル−３−エチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリリウム、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウム、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−ブチル−２，３−ジエチルイミダゾリウム、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、１−ヘキシル−３−エチルイミダゾリウム、１−オクチル−３−メチルイミダゾリリウム、及び１−オクチル−３−エチルイミダゾリリウム、１−ビニルイミダゾリウム、１−プロピニルイミダゾリウム、１−ビニル−３−エチルイミダゾリウム、１−エテニル−３−プロピニルイミダゾリウムウム、１，３−ジプロピニルイミダゾリウム、２−メチル−１−ビニルイミダゾリウム、１−（２−メトキシエチル）−１−メチルピリジニウム、Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）ピリジニウム、Ｎ−ヘキシルピリジニウム、１−エテニル−３−プロペニルピリジニウム、２−ビニルピリジニウム、４−ビニルピリジニウム、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、Ｎ−ブチル−Ｎ−メチルピロリジニウム、１−ヘキシル−１−メチルピロリジニウム、１−エテニル−３−プロペニルピロリジニウム、トリメチルブチルアンモニウム、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−２−メトキシエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、ｎ−ヘキシルトリエチルアンモニウム、トリメチル−ｎ−ヘキシルアンモニウム、トリエチルブチルアンモニウム、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、及びトリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウム、ホルメート、オキサレート、水酸化物、スルホネート、アセテート、ホスフェート、カルボキシレート、ホウ酸塩、イミドアニオン、アミドアニオン、ハロゲン化物、サルフェート、及びこれらの混合物を含む群から選択されるカチオンを含むイオン性液体が挙げられる。加えて、膜は、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、グリセロール、テトラヒドロフラン、及びエチレンカーボネートのうちの少なくとも１つを含む非水性溶媒を含んでもよく、溶媒は、溶解したギ酸塩及び水酸化物化合物を含有する。
【００３２】
薄い均一膜３４は、例えば、５〜５００μｍ、例えば、少なくとも２０μｍ、例えば、最大２００μｍ、又は最大１００μｍ、例えば、およそ５０μｍの厚さの厚さｔで作製することができる。膜３４は、用途に応じて、少なくとも０．５ｃｍ、例えば最大５０ｃｍの直径ｄ（又は最大寸法）を有し得る。膜は可撓性であってもよく、偏向後に元の形状に戻ることができる。
【００３３】
ある特定の実施形態では、膜３４は、非プロトン性の、任意選択的に重合されたイオン性液体を含む。特に好適なイオン性液体は、広範な電気化学窓（＞３．５〜７Ｖ）、低蒸気圧（２９８Ｋで１００Ｐａ未満のＰｖａｐ）、高いイオン伝導率（０．１〜１００ｍＳ／ｃｍ）、及び低融点を有し、これらは全て、ガスベースの電気化学的用途に望ましい特性である。
【００３４】
不要なガスを絶えず希釈することによって屋内空気品質を維持する現在のＨＶＡＣシステムとは対照的に、ある特定の実施形態では、本電気化学的分離システムは、市販のエアフィルタを用いて固体微粒子を捕捉しながら空気を構築することから不要なガス（ＣＯ２及び水蒸気）を選択的に除去する。ＣＯ２を洗浄除去した建物では、市販のエアフィルタは固体微粒子を除去することができ、これにより、最小換気率が劇的に低減される。ホルムアルデヒド及びアンモニアなどの揮発性有機化合物（ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ、ＶＯＣ）の存在は、建物の換気の必要性の下限を依然として決定することができる。ホルムアルデヒドは、正確な試験方法及び排出基準が確立された一般的なＶＯＣである。ＶＯＣ蓄積を防止するための１つのアプローチは、ポリマー膜を通じた単純な透過である。典型的な膜厚（５０μｍ）、透過性（２，５００バーラー（Ｂａｒｒｅｒ））、典型的な空気速度（５Ｌｓ−１  ｍ−２）、及びホルムアルデヒド濃度（１７１μｇ／ｍ３）を仮定すると、ＣＯ２ベンチマークと比較して、９０％を超える通気率を低減することができ、一方で、ＯＳＨＡ許容限界（すなわち、０．７５ｐｐｍ）でホルムアルデヒド濃度をなお維持することができる。
【００３５】
更なる実施形態は、追加のエアフィルタリングを提供するために添加剤を用いて、膜などのＭＥＡの一部を処理することを含む。例えば、屋内空気を調整するために使用される場合、膜は、膜電解質に導入された殺菌添加剤で処理することができる。添加剤の例としては、抗菌特性を有するイオン性液体、又は四級アンモニウム化合物、銀若しくは他の金属ナノ粒子、生物学的剤の接着を阻害する物理的ナノ構造、及びアジ化ナトリウム若しくはアジ化カリウム添加剤を含む電解質、並びに過酸化物、次亜塩素酸塩、及び／又は過塩素酸塩添加化合物を含む電解質が挙げられる。このような殺菌添加剤は、細菌、真菌、及びカビなどの生物学的汚染物質のために、屋内空気を洗浄除去する追加のレベルを提供することができる。ある特定の実施形態では、ＭＥＡの膜又は構成要素は、添加剤を使用することなく本質的に殺菌性であり得る。
【００３６】
ほとんどのＨＶＡＣ用途は、１０年を超える寿命を必要とする。本電気化学デバイスの寿命に影響を及ぼす要因としては、（ｉ）触媒汚染による触媒活性の進行性損失、（ｉｉ）電解質損失を考慮した膜伝導率の損失、及び（ｉｉｉ）膜内の微視的な引裂による増加したガスクロスオーバーが挙げられる。２５０時間にわたるイオン性及び分極面積比抵抗及びガス透過率の変化を使用して、これらのモードの効果を評価する。投影されたシステム寿命は、８％の抵抗損失、８時間の動作、及び２５０の作業日数を仮定して推定される。これらの保守的な仮定を使用すると、１％の性能損失は１０年の予測寿命に相当する。
【００３７】
図７を参照すると、温室などの屋内雰囲気中の二酸化炭素及び水の分圧を上昇させるように構成された電気化学デバイス１００を対象とする代替的な実施形態が示されている。電気化学デバイス１００は、注記がなければ、上述したものと同様に構成することができる。これらの実施形態では、電気化学デバイス１００は、吸気口１４に接続された入口５４を通じて屋内空気を受容するアノードチャンバ３０に向けられる。二酸化炭素の分圧を増加させた後、屋内空気は出口５５を介して屋内環境に戻される。カソードチャンバ３２は、入口５７を介して、少なくとも低レベルの二酸化炭素及び水を含有する外気を受容する。外気からの二酸化炭素は、触媒層４５によって二酸化炭素に再変換される前に、膜３４を横切って輸送される輸送可能なイオン４６に触媒層４２によって還元される。このようにして、システムを使用して、屋内空気中のＣＯ２及び水を濃縮して、温室などの環境で使用するためのより高い濃度を提供することができる。電気化学デバイスを使用して環境中の二酸化炭素及び水を濃縮する場合、吐出ガス（外部に換気されたガス）は、０．０００４〜１バールの範囲の二酸化炭素の分圧及び０．０００５〜１バールの範囲の水の分圧を有することができる。電気化学デバイスを使用してガス環境中の二酸化炭素及び水蒸気を増加及び減少させる方法は、同様であり、以下で更に説明される。
【００３８】
図８では、環境からＣＯ２及び水を除去することを目的とした実施形態が示されている。プロセスは、８００で開始する。８０２において、イオン選択性のガス不透過性の膜ベースの電気化学デバイス（例えば、電解槽）が提供される。８０４において、電気化学デバイスセル全体に電圧が印加される。電圧の増加は、反応速度及び二酸化炭素及び水蒸気が投入ガスから除去される速度を増加させる。８０６では、第１の濃度の二酸化炭素及び水を有する投入ガスが、カソードチャンバに供給される。電気化学デバイスは、投入空気中のＣＯ２及び水をイオンキャリア種（例えば、ギ酸イオン及び水酸化物イオン）に電気化学的に還元し、イオンキャリア種は、ガス不透過性膜を通ってイオン輸送され、ＣＯ２及び水に再び酸化される。アノードで生成されたＣＯ２及び水は、投入ガス８０８のものとは異なるＣＯ２及び水の濃度を有するガスで換気される。例えば、眼器ガス中のＣＯ２分圧は０．０００４〜１バールの範囲であり得、相対湿度は３０〜１００％の範囲であり得る。
【００３９】
任意選択的に、様々な時間間隔において、ＣＯ２及び／又は水濃度は、１つ以上のＣＯ２及び／又は湿度センサを用いて、様々な場所８１０（例えば、電気化学デバイスの投入部及び／又は吐出部、外部雰囲気への投入部／吐出部）で感知されてもよい。ＣＯ２及び／又は湿度レベルが所定の閾値又は範囲８１２を超えている場合、コントローラは、システム及び／又は電気化学デバイスを調整して吐出濃度８１４を調整する。例えば、調整は、電気化学デバイスに印加される電圧を増減させること、投入ガスの流量を増減させること、換気されるガスの量又は流量を増減させること、及びシステムに投入される外部空気の量又は流量を増加若しくは減少させることと、を含み得る。そうでなければ、方法は監視段階８１０に戻る。このプロセスは、建物が人によって占有されていない場合、又は連続動作に維持されるときなど、調整がもはや必要とされなくなるまで、この方法を進めることができる。換気率及びＣＯ２／Ｈ２Ｏ除去率の制御はまた、ホルムアルデヒド、他のＶＯＣ、又は微粒子などの別の汚染物質を検知することに基づいて実施することができる。
【００４０】
理解されるように、内部空間内の二酸化炭素濃度を増加させる方法は、上記と同様であってもよい。しかしながら、内部空間からの空気は、８０６でアノードチャンバ入口に供給され、一方、高ＣＯ２及び水雰囲気がカソードチャンバ入口に供給される。次いで、より高いレベルのＣＯ２及び水を有する内部空気は、アノードチャンバ出口８０８を介して、アノードチャンバから内部空間に換気される。しかしながら、二酸化炭素及び水は、依然としてカソードチャンバ内のイオンキャリア種に電気化学的に還元され、イオンキャリア種は膜を通ってイオン輸送され、イオンキャリア種は電気化学的に酸化されて、アノードチャンバ内に二酸化炭素及び水を形成する。
【００４１】
他の実施形態では、電気化学デバイスは、屋内環境におけるＨＶＡＣシステムを調節するための電気化学的ＣＯ２及び水センサとして使用されてもよい。周囲ＣＯ２及び水濃度の一方又は両方における摂動は、電気化学セル電位の測定可能な変化をもたらす。これは、入居者を検知するため、及び建物のＨＶＡＣ負荷を調節するための、ＣＯ２及び／又は水放出体の存在を感知する。参照電極（ベースライン）上のＣＯ２及び水ガス濃度は、一定の値に維持される。標準的な参照電極を使用してもよい（銀、銀｜塩化銀、フェロセン｜フェロセニウム）。
【００４２】
本明細書に記載されるように、適用された電位下でのガスの選択的分離は、天然ガスからのＣＯ２除去などの他の別個のプロセスに拡張され得、ガスの代わりに吐出スイープ液を生成することができる。プロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ、ＰＥＭ）燃料電池の報告されたコストモデルに基づくシステムコストの予備的な経済分析が開発されている。ベースラインシステムは、１，０００ｃｍ２の設置面積を有する２５セルの積層体としてモデル化される。膜電極接合体は、任意の白金族金属触媒を含有せず、材料、労働、及びツーリングのコストは、積層体構成要素に通じる。上述のように、積層体構成要素は、ＭＥＡ、ガスケット、双極プレート、エンドプレート、及びアセンブリハードウェアを含む。プラント構成要素の残部としては、交換式エアフィルタ、電源、制御モジュール、熱電対、湿度及びＣＯ２センサ、デバイスハウジング、及び配管ハードウェアが挙げられる。設置されたコストは、設置された建物面積の単位で報告され、１人当たり８６ｍ−２の入居者密度に基づいて、１人当たり約＄１３０に相当する。市場導入に対するシステムコストの感応度も評価し（１〜５０％）、初期モデリングは、＄１．５０〜＄２．００ｍ−２（単位建物面積当たり）の未設置価格を示す。
【００４３】
１Ｖの電池電圧で動作する場合、電気化学セル積層体は、１６ｍｌ  ｍ−２  ｈ−１を超える組み合わせた除去流束（ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ）を供給することが期待され、通常の活動中に単一の個体によって生成される二酸化炭素及び水蒸気（例えば、それぞれ２０リットル／時間）を排除することができる。積層エネルギー消費は、除去される２００ｋＪｍｏｌ−１（ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ）のみの特定のエネルギー消費に対応する１人当たり４８Ｗであると予想される。エネルギー節約の可能性が、建物の使用及び人口統計に基づいて、米国の全ての商業ビルにわたって評価されるとき、外気換気率及び潜熱冷却及び加熱負荷は、７５％まで低減され得る。対応するエネルギー節約電位は、＞０．５０ｑｕａｄであり得、０．８Ｖの低電圧限界で動作される場合、０．７６ｑｕａｄ程の高さであり得る。
【実施例】
【００４４】
２つのプロトタイプの電気化学デバイスを、図９に概略的に示すように作製した。２つのプロトタイプは、触媒活性の幾何学的表面積のサイズで異なっていた。第１の電気化学的ＣＯ２ポンププロトタイプは、１．３ｃｍ２の膜を使用し、本明細書でモジュール式単位電池と称される２５ｃｍ２の面積のセルに拡大した。単位セル膜電極接合体は、高表面積インジウム触媒と、ギ酸及び水酸化物輸送イオンとを含む。ベンチトップ試験セットアップは、図９に概略的に示されている。
【００４５】
ＣＯ２タンク９０２及びＮ２タンク９０４を使用して屋内ガス環境を複製する。他のガスを使用して、他のガス環境を複製してもよい。それぞれのガスの相対量は、それぞれの弁９０６Ａ〜Ｃによって制御される。弁９０６Ａ〜Ｂは、膜接合体入口９１２に供給するための、二酸化炭素と窒素との組み合わせを吸気マニホールド９０８に吐出する。膜接合体に入る前に、供給ガスは加湿器９１０内で水を取得する。
【００４６】
上記の電気化学セルについて説明したように、入口９１２は、２つの電気触媒層９１４、９１８の間に挟まれた膜９１６につながる。電気触媒（アノード）層は、排気部９２０に連結される。入口９１２及び排気部９２０の両方は、セルを０〜５０℃の範囲で加熱するように構成されたヒータ９２６に連結され、電気触媒層は、エネルギー源９２２（例えば、０〜１０Ｖの範囲を印加するように構成されたポテンシオスタット）に連結される。水素センサ９２８は、試験システムからの空気を換気する前に、吐出（例えば、屋内環境に戻される空気）に影響を及ぼす任意の寄生反応を評価するために、入口９１２の出口に連結される。排気部では、二酸化炭素センサ９３０が吐出部に連結されて、通気ガス（例えば、上記の考察で外部大気に換気されたガス）中の二酸化炭素の濃度の増加を判定する（例えば、０〜３，００００ｐｐｍの範囲内）。追加の構成要素は、セル性能に対する気候条件の影響を評価するために、第２の加湿器９２４、露点センサ、湿度制御及び測定機構、熱電対、及び二酸化炭素センサを含んでもよい。
【００４７】
プロトタイプの電気化学セルを、０．１〜１００％に及ぶ入口供給ガス中のＣＯ２濃度の範囲にわたって（及び両端の測定値を含めて）試験した。達成された動作を、目標範囲と共に、以下の表１に要約する。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
ここから分かるように、電気化学デバイスは、周囲空気中での動作中に、広範なＣＯ２除去（１，５００→１５０ｐｐｍのＣＯ２）、適度な特定のエネルギー消費（２６０〜３６０ｋＪｍｏｌ−１）、及び低ガス透過性（５５バーラー）を示す。エネルギー消費は、エネルギーベースとして電気を使用して報告され、３３％の燃料から電気へ換算率は、ＨＶＡＣ及び収着技術を比較するために使用される。
【００５０】
上述のように、プロトタイプの電気化学セルを使用してガス透過性を評価した。ガス透過性は、ＣＯ２濃度（１．９〜７．６％）を屋内の供給側で一定値に設定し、ＣＯ２センサ（すなわち、Ｖａｉｓａｌａ  ＧＭＰ−２５２、０〜３，０００ｐｐｍ）を使用して排気側のＣＯ２クロスオーバーを測定することによって測定した。排気ガス流量は、全ての試験運転の間、１００ｍＬのＮ２／分に維持された。イオン性液体中の商業用膜を平衡化することにより、ギ酸伝導性イオン性膜を調製した。結果を以下の表２にまとめる。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
最低ＣＯ２透過率は、ギ酸官能化ＦＡＡ−３−５０膜（０．０１０４ｃｍ２／秒）を使用してセルに記録し、予想される屋内ＣＯ２濃度において、無視できるほど小さな透過率を有するように投影した。
【００５３】
プロトタイプの電気化学セルを更に使用して、セルインピーダンスを評価した。電気化学セルのインピーダンスに対する異なる市販の膜の効果を、電気化学的インピーダンス分光法を用いて決定した。３つの異なるギ酸イオン官能化アニオン交換膜を試験した（ＦＡＳ−１５、ＦＡＳ−３０、及びＦＡＡ−３−５０）。それぞれのＦＡＳ及びＦＡＡ膜の組成は、それぞれの名称の最後の数が膜の厚さを示すため（例えば、ＦＡＳ−１５が厚さ１５マイクロメートルである）、当該技術分野において既知である。様々な膜のそれぞれの面積直列抵抗（ａｒｅａ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｓｅｒｉｅｓ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＡＳＲ）が図１０に示されている。ＦＡＳ−１５膜（３つのうちで最も薄い）は非常に抵抗性であったが、他の２つ（ＦＡＳ−３０及びＦＡＡ−３−５０）は満足のいくセルインピーダンス（すなわち、＜１０オーム−ｃｍ２）を有した。
【００５４】
図１１は、２Ｍのギ酸でイオン交換されたＦＡＡ−３−５０膜を使用して、電気化学セルのＡＳＲに及ぼすサイクリング及び入口ＣＯ２濃度の効果を示す。セル電位（０．２５〜１．５Ｖ）及びＣＯ２濃度（１．９〜７．６％）を、それらの中で変動させた１７個の別個の実験の過程で試験した。イオン伝導率は、６つの実験及びＣＯ２の４８時間の曝露にわたって２．６３オームｃｍ２の初期値から３．１５オームｃｍ２だけ増加した。分かるように、イオン性セル抵抗（白抜き点で示される）は、供給濃度（黒点で示される）及び反復試験の変化によって、明らかに影響を受けない。
【００５５】
図１２及び図１３は、プロトタイプアセンブリからの結果を使用して、提案される電気化学セルの全体的な有効性を示す。これらは、ＣＯ２濃度の変化（図１２）と共に供給流における湿度の変化（図１３）を示している。図１２において、実線は、異なる印加電位（例えば、１〜２時間、印加電位が１．６５Ｖであった）で、各時間にわたって屋外に排気された空気中のＣＯ２濃度を示す。破線は、それらの対応する時間間隔中に電気化学セルを通過した後に、屋内環境に戻されたガスの対応するＣＯ２濃度を表す。投入供給ガスを、２２℃及び１，５００ｐｐｍのＣＯ２に維持した。少なくとも１．５０Ｖの印加電圧で、二酸化炭素は供給ガスから分離され、システムから除去される。同時に、電気化学セルは、図１３に示されるように、供給ガスの露点（すなわち、湿度）を減少させる。
【００５６】
電気化学デバイスによって利用される電気化学反応（ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−⇔［ＨＣＯＯ］−＋［ＯＨ］−）は、好気性細胞呼吸の生成化学量論を模倣する（１／６  Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋Ｏ２→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ）。これにより、本明細書に記載される装置は、入居者が発生した汚染物質（ＣＯ２及びＨ２Ｏ）除去に適している。特定のエネルギー消費を低減することができ（３６０→２００ｋＪｍｏｌ−１（ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ））、これは、ＣＯ２が唯一の種が排除されている場合と比較すると、現行のアプローチよりもほぼ２５％低い。システム構成成分は空気安定性であり、ＣＯ２還元反応速度は、触媒酸化を考慮して酸素の存在下で増強される。したがって、記載された電気化学的選択分離デバイスは、エネルギー消費を大幅に低減しながら、屋内湿度及び二酸化炭素の標的化された除去を提供する。
【００５７】
別途記載のない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴サイズ、量、及び物理的特性を表す全ての数は、全ての場合において、「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、反対に指示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。端点による数値範囲の使用は、その範囲内の全ての数（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）並びにその範囲内の任意の範囲を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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