(57)【要約】      （修正有）【課題】屋内空気から二酸化炭素を連続的に除去するのに適したエネルギー効率の良いシステム。【解決手段】内部空間の二酸化炭素濃度を改質するのに適した電気化学デバイス１０は、二酸化炭素を含有する供給ガスを受け取る入口を有するカソードチャンバ３２と、ガス中の二酸化炭素を還元してイオン担体種を形成するカソードチャンバ内の還元触媒層と、二酸化炭素を備えるガスを排出する出口を有するアノードチャンバ３０と、カソードチャンバとアノードチャンバとの間でイオン担体種を輸送するイオン液体を含む固体電解質膜と、イオン担体種を酸化して二酸化炭素を形成するアノードチャンバ内の酸化触媒層よりなる。さらに電圧源は膜に電圧差を提供する。【選択図】図２
2018144024.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、
二酸化炭素を備える供給ガスを受け取る入口を含むカソードチャンバと、
前記ガス中の二酸化炭素を還元してイオン担体種を形成する前記カソードチャンバ内の還元触媒層と、
二酸化炭素を備えるガスを排出する出口を有するアノードチャンバと、
前記アノードチャンバを前記カソードチャンバから隔てる電解質膜であって、イオン液体を備え、前記カソードチャンバと前記アノードチャンバとの間で前記イオン担体種を輸送する膜と、
前記イオン担体種を酸化して二酸化炭素を形成する前記アノードチャンバ内の酸化触媒層と、
前記還元触媒層および前記酸化触媒層の少なくとも一方に電気的に接続され、還元および酸化のためのエネルギーを供給するエネルギー源と
を備える電気化学デバイス。
【請求項２】
前記イオン担体種が、ペルオキシジカーボネートアニオン、ホルメートアニオン、シュウ酸アニオン、およびそれらの混合物で構成される群から選択される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記イオン液体膜が、重合性基を有するモノマーの重合によって誘導された高分子電解質である、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記重合性基が、アルケニル官能基を含む、請求項３に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記膜が、窒素含有カチオン、リン含有カチオン、硫黄含有カチオン、およびそれらの組み合わせから選択される有機カチオンを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
前記膜が、一般形態の窒素含有有機カチオンを含み、
【化１】
2018144024.tif 000010
ここでＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、Ｈ、Ｃ１−Ｃ１２アルキル基、Ｃ１−Ｃ１２アルケニル基、Ｃ１−Ｃ１２アルコキシ基、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロキシアルキル基、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロキシアルケニル基、およびそれらの組み合わせから独立して選択され、ここでＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の少なくとも１つはＨではなく、
ＸはＣまたはＮであって、
ｎは０または１である、
請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
前記有機カチオンが、
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−メチルイミダゾリウム、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム、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ウム、１，２−ジメチル−３−Ｎ‐ブチルイミダゾリウム、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−メチルイミダゾリウム、および１−オクチル−３−エチルイミダゾリウム、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−エテニルイミダゾリウム、１−エテニル−３−プロピニルイミダゾリウム、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と、
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、および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、および４−ビニルピリジニウムと、
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、および１−ヘキシル−１−メチルピロリジニウム、および１−エテニル−３−プロペニルピロリジニウムと、
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、およびトリエチルブチルアンモニウムと、
トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、およびトリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウムと、
それらの混合物と、
それらのポリマーと
で構成される群から選択される、請求項５に記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
前記イオン液体が、シュウ酸塩、水酸化物、スルホン酸塩、酢酸塩、リン酸塩、カルボン酸塩、ホウ酸塩、イミドアニオン、アミドアニオン、ハロゲン化物、硫酸塩およびそれらの混合物で構成される群から選択されるアニオンを含む、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項９】
内部空間の二酸化炭素濃度を改質する方法であって、
請求項１に記載の電気化学デバイスを提供するステップと、
前記カソードチャンバ内の二酸化炭素を前記イオン担体種に電気化学的に還元するステップと、
前記膜を介して前記イオン担体種をイオン輸送するステップと、
前記アノードチャンバ内の前記イオン担体種を二酸化炭素に電気化学的に酸化するステップと、
前記カソードチャンバおよび前記アノードチャンバの一方から前記内部空間にガスを供給して、前記内部空間の二酸化炭素濃度を改質するステップと
を備える方法。
【請求項１０】
二酸化炭素輸送のための方法であって、
第１の電極で二酸化炭素ガスを可動イオン種に電気化学的に還元するステップと、
固体電解質膜を横切って前記可動イオン種を輸送するステップと、
第２の電極でイオン種を二酸化炭素に酸化するステップと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例示的な実施形態は、密閉空間の雰囲気における二酸化炭素濃度の調節に関する。屋内空気から二酸化炭素を減少させるための装置および方法に関連して、特定の用途が見出される。
【背景技術】
【０００２】
屋内空気中の炭素濃度を調整するために様々な方法が用いられてきた。商業ビルでは、屋内空気をＡＳＨＲＡＥ推奨水準（ＡＳＨＲＡＥ基準、Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｏｏｒ  Ａｉｒ  Ｑｕａｌｉｔｙ、２００３年）に維持するために、屋外空気（一般的に３００〜４００ｐｐｍ以下の二酸化炭素）を使用して頻繁に換気が行われる。換気コストは非常に高くなる可能性がある。例えば、ＢＴＯ  Ｍａｒｋｅｔ  Ｃａｌｃｕｌａｔｏｒでは、商業ビルの占有者によって１１６ＭＴ  ＣＯ２が吐出され、既存のＨＶＡＣシステムによる外気の再循環および加熱または冷却で２．２５クワッド（２．３７×１０１２ＭＪ）のエネルギー（１次燃料ベース）が消費されると推定されている（ｈｔｔｐｓ：／／ｔｒｙｎｔｈｉｎｋ．ｇｉｔｈｕｂ．ｉｏ／ｓｃｏｕｔ／ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ．ｈｔｍｌを参照）。これは、大部分がＣＯ２除去（約２．２ＭＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２）を構築するための高いエネルギーコストに相当する。インテリジェントなＣＯ２除去システムがない場合、屋内空気を許容可能なＣＯ２レベルに希釈するための過度の換気でかなりの量のエネルギーが浪費される（Ｍｙｓｅｎら「Ｏｃｃｕｐａｎｃｙ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ａｎｄ  ｂｅｎｅｆｉｔｓ  ｏｆ  ｄｅｍａｎｄ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｎｏｒｗｅｇｉａｎ  ｐｒｉｍａｒｙ  ｓｃｈｏｏｌｓ」Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，３７，１２３４−１２４０（２００５））。現在の研究では、占有者の生産性向上のためのより厳しい大気質基準（６５０ｐｐｍ未満）のメリットが指摘されているため、エネルギー費用のかかる換気の使用が増加することが予想される（Ａｌｌｅｎら「Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｃｏｒｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ，  Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ，  ａｎｄ  Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅｓ  ｉｎ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｗｏｒｋｅｒｓ：Ａ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｇｒｅｅｎ  ａｎｄ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ」Ｅｎｖｉｒｏｎ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ、１２４（６）８０５−８１２（２０１６）、Ｓａｔｉｓｈら「Ｉｓ  ＣＯ２  ａｎ  Ｉｎｄｏｏｒ  Ｐｏｌｌｕｔａｎｔ？Ｄｉｒｅｃｔ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｌｏｗ−ｔｏ−Ｍｏｄｅｒａｔｅ  ＣＯ２  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｈｕｍａｎ  Ｄｅｃｉｓｉｏｎ−Ｍａｋｉｎｇ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」  Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｈｅａｌｔｈ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ，１２０（１２）：１６７１−１６７７（２０１２））。
【０００３】
屋内空気からＣＯ２を取り除くために、吸収剤を含む再生ＣＯ２除去システムが使用されてきた。Ｌａｃｋｎｅｒ「Ｃａｐｔｕｒｅ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｆｒｏｍ  ａｍｂｉｅｎｔ  ａｉｒ」Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｐｈｙｓ．Ｊ．Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｔｏｐｉｃｓ  １７６（１）：９３−１０６（２００９）、Ｈｏｆｆｍａｎ「ＮＥＴＬ  Ｒｅｐｏｒｔ：Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｒｅｇｅｎｅｒａｂｌｅ  ｓｏｒｂｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ＣＯ２  ｃａｐｔｕｒｅ」Ｊ．Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｒｅｓ．，１．１：９０−１００（２００１）、Ｆｕｃｈｓ．Ｗによる米国特許第３，５１１，５９５、Ｋｉｍら「Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ｓｔｒａｔｅｇｙ  ｗｉｔｈ  ＣＯ２  ｃａｐｔｕｒｅ  ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓａｖｉｎｇ  ｉｎ  ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ」Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，８７，１３４−１４１（２０１５）を参照。ＣＯ２除去量は吸収剤の容積に依存するため、システムを重くする傾向がある。さらなる使用のために吸収剤を再生するため、吸収剤を低ＣＯ２分圧で１５０℃以上の高温に加熱し、吸収されたＣＯ２および水蒸気を放出する。これは、屋内空気の連続処理能力を制限し、また大量の熱を発生させる。商業化された吸着剤ベースのシステムでは冷却負荷の２９％の削減が実証されているが、具体的なエネルギー消費量は、１ＭＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２除去以上であると推定されている（Ｚｅｍａｎ「Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｂａｌａｎｃｅ  ｏｆ  ＣＯ２  Ｃａｐｔｕｒｅ  ｆｒｏｍ  Ａｍｂｉｅｎｔ  Ａｉｒ」、Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、４１（２１）、７５５８−７５６３（２００７））。
【０００４】
生きている植物も屋内でのＣＯ２除去をいくらか行うことができるが、植物の占有者に対する比率は高くなければならず、屋内で健康な植物を維持することは高価になる可能性がある（Ｄａｒｌｉｎｇｔｏｎら「Ｔｈｅ  ｂｉｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｄｏｏｒ  ａｉｒ：ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ａｉｒ  ｑｕａｌｉｔｙ」Ｉｎｄｏｏｒ  Ａｉｒ，１０（１）：３９−４６（２０００））。
【０００５】
屋内のＣＯ２を除去するための電気化学的方法が提案されている。電気化学的ＣＯ２除去に示唆される１つのアプローチは、キノン担体を含む膜電解質を使用する（Ｇｅｌｌｅｔｔ「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ａｉｒ  Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」ＮＡＳＡ  ＮＩＡＣ  Ｐｈａｓｅ  Ｉ  Ｆｉｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，ｐｒｏｊｅｃｔ  ｎｏ．ＮＮＸ１２ＡＲ１４Ｇ（２０１３））。しかしながら、この担体は酸素安定性が比較的低く、低いＣＯ２除去流束しか示されていない。電気化学的ＣＯ２濃度のための１，４−ベンゾキノン担体を用いた電気化学的ＣＯ２輸送も提案されている（Ｓｃｏｖａｚｚｏら「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ＜１％  ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｆｒｏｍ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ」Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１５０．５：Ｄ９１−Ｄ９８（２００３））。しかしながら、このプロセスは高い還元電位（−３Ｖ対Ａｇ｜ＡｇＣｌ）を必要とし、連続的に動作することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
屋内空気から二酸化炭素を連続的に除去するのに適したエネルギー効率の良いシステムの必要性が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例示的な実施形態の一態様によれば、電気化学デバイスは、二酸化炭素を含有する供給ガスを受け取る入口を含むカソードチャンバを含む。カソードチャンバ内の還元触媒層は、ガス中の二酸化炭素を還元してイオン担体種を形成する。アノードチャンバは、二酸化炭素を含有するガスを排出する出口を含む。電解質膜は、アノードチャンバをカソードチャンバから隔てる。膜は、イオン液体を含む。膜に電位差が適用されたときに、膜は、カソードチャンバとアノードチャンバとの間でイオン担体種を輸送する。アノードチャンバ内の酸化触媒層は、イオン担体種を酸化して二酸化炭素を形成する。エネルギー源は、還元触媒層および酸化触媒層の少なくとも一方に電気的に接続され、還元および酸化のためのエネルギーを供給する。
【０００８】
例示的な実施形態の別の態様によれば、電解二酸化炭素除去装置は、上述した電気化学デバイスと、カソードチャンバ入口およびカソードチャンバ出口を関連する内部空間に接続する導管とを含み、電気化学デバイスは、内部空間の二酸化炭素の分圧を減少させる。
【０００９】
例示的な実施形態の別の態様によれば、電解二酸化炭素ポンピング装置は、上述の電気化学デバイスと、アノードチャンバ入口およびアノードチャンバ出口を関連する内部空間に接続する導管とを含み、電気化学デバイスは、内部空間の二酸化炭素の分圧を上昇させる。
【００１０】
例示的な実施形態の別の態様によれば、二酸化炭素検出システムは、上述の電気化学デバイスと二酸化炭素センサとを含む。
【００１１】
例示的な実施形態の別の態様によれば、内部空間の二酸化炭素濃度を改質する方法は、上述したような電気化学デバイスを提供するステップと、二酸化炭素をカソードチャンバ内のイオン担体種に電気化学的に還元するステップと、膜を介してイオン担体種をイオン輸送するステップと、アノードチャンバ内でイオン担体種を二酸化炭素に電気化学的に酸化するステップと、カソードチャンバおよびアノードチャンバの一方から内部空間にガスを供給して、内部空間の二酸化炭素濃度を改質するステップとを含む。
【００１２】
例示的な実施形態の別の態様によれば、二酸化炭素を輸送する方法は、第１の電極で二酸化炭素ガスを可動イオン種に電気化学的に還元するステップと、固体電解質膜を横切って可動イオン種を輸送するステップと、第２の電極でイオン種を二酸化炭素に酸化させるステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、例示的な一実施形態による、二酸化炭素の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】図２は、一実施形態による電気化学デバイスの側断面図である。
【図３】図３は、別の実施形態による、電気化学セルのスタックを含む電気化学デバイスの斜視図である。
【図４】図４は、図３の電気化学セルのスタックの分解斜視図である。
【図５】図５は、二酸化炭素除去の有効性を評価するために設計されたサイクリックボルタンメトリー実験の結果を示す。
【図６】図６は、図１〜図４の装置に使用され得る追加の二酸化炭素捕獲層を組み込んだ電気化学デバイスの層のセットを示す。
【図７】図７は、二酸化炭素の電解除去方法を示す。
【図８】図８は、一実施形態による屋内空気中の二酸化炭素の濃縮に適合した電気化学デバイスの側断面図である。
【図９】図９は、プロトタイプの電気化学デバイスを示す。
【図１０】図１０は、白金電極電解質（エチルイミダゾール中の０．１Ｍギ酸）におけるギ酸酸化およびその後のＣＯ２還元のサイクリックボルタモグラム（１０ｍＶ  ｓ−１）を示し、０．５−１Ｖの全動的過電圧を示している。
【図１１】図１１は、走査速度に対してプロットしたピーク酸化還元電流（ｍＡ／ｃｍ２）のグラフである。
【図１２】図１２は、ギ酸塩伝導膜の電気化学的応答を市販のＡＦＮ陰イオン交換膜と比較したナイキスト線図である。
【図１３】図１３は、周囲空気および純ＣＯ２供給物からＣＯ２を除去するために使用される電気化学セルの電流過渡を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
例示的な実施形態の態様は、密閉空間内で主に空気であり得る気体環境の二酸化炭素濃度を調節するための装置および方法に関する。一実施形態では、屋内空間の気体環境から二酸化炭素を除去するための装置が記載されている。別の実施形態では、屋内空間の気体環境に二酸化炭素を添加するための装置が記載されている。本明細書に記載のデバイスおよび方法は、屋内空気からの連続的なＣＯ２除去／屋内空気への連続的なＣＯ２添加に適している。
【００１５】
電解ＣＯ２除去装置（ＥＣＲ）は、連続的な屋内空気浄化のための電気化学デバイスを含む。電気化学デバイスは、様々な環境で簡単に設置できる形状因子を備えた低電力および低温デバイスであり得る。このデバイスは、換気の増加および関連する新鮮空気の熱調節に必要とされるエネルギーの一部における建物占有者の生産性を高めることを可能にする。ＣＯ２電気化学デバイスは、冷却ユニットまたはＨＶＡＣユニットと連結されて、屋内空気からＣＯ２を除去し、〜１，０００ｐｐｍ以下の安全レベルに保つことができる。ＣＯ２電気化学デバイスを使用することによって建物内の空気再循環の減少が可能になり、したがって全体のエネルギー消費量が減少する。あるいは、このようなデバイスは、温室などの用途のために、環境中の二酸化炭素の分圧を増加させるために使用することもできる。
【００１６】
例示的な電気化学デバイスは、例えば屋内空調システムに容易に統合することができる電解質膜を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）ベースのＣＯ２電気化学デバイスである。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、例示的な装置および電気化学的方法は、７０℃未満の温度で屋内空気からＣＯ２を連続的に除去することができる。
【００１７】
図１は、例示的な電解ＣＯ２除去（ＥＣＲ）装置１が動作する環境を示す。装置１は、屋外に通気されるＣＯ２流を濃縮す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に示す電気化学デバイスは、屋内空気（主に窒素および酸素、少量の二酸化炭素および水蒸気を含む）などの二酸化炭素含有ガスの流れＡを、空気入口導管１４を介して屋内空間１２から受け取る。空気から二酸化炭素を除去した後、空気出口導管１６を介して空気の一部または全部を屋内空間に戻すことができる。戻り空気流Ｂは、入口流Ａよりも低い二酸化炭素分圧を有する。二酸化炭素出口導管１８は、密閉構造２２の外部２０に、例えば空気中で混合された二酸化炭素の流れＣを運ぶ。大気の流れＤは、導管２１を介して受け取られる。流れＣ内の二酸化炭素の分圧は、流れＡおよび／または流れＢにおける分圧より高くてもよい。示された密閉構造２２は建物であるが、車両などの内部空間を有する他の密閉構造、例えば自動車、潜水艦、船舶、航空機または宇宙船も意図される。
【００１８】
１つ以上のポンプ２４，２６および／または送風機２７は、導管１４，１６，１８を介して電気化学デバイスに、および電気化学デバイスから、空気を循環させるのに役立つ。１つ以上の導管１４，１６に空気フィルター２８を組み込んで、揮発性有機成分および微粒子を捕捉してもよい。電気化学デバイスの動作のための電流は、電気回路２９によって供給される。電気化学セル１０（またはそのようなセルのスタック）は空調機の内部に設置することができ、空調機のファンを使用して屋内空気を電気化学デバイスへ動かすため、そのための追加のファンを必要としない。
【００１９】
図２を参照すると、図１の装置で使用するのに適した電気化学デバイス１０の一実施形態が示されている。この電気化学デバイスは、ポリ（イオン）液体ベースの膜などの固体膜３４によって隔てられたアノードチャンバ３０とカソードチャンバ３２とを含む。電位は、エネルギー（例えば電圧）源３６によって膜３４を横切って維持され、エネルギー源３６は、アノードチャンバ３０およびカソードチャンバ３２内のアノード３８およびカソード４０にそれぞれ電気的に接続されている。カソード４０は、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、電流コレクタ４１と第１の触媒層４２とを含む。アノード３８は、膜の反対側の第２の表面４６に隣接してアノードチャンバ３０内に配置された、電流コレクタ４４と第２の触媒層４５とを含む。電流コレクタは電子を輸送するが、ＣＯ２の酸化または還元を触媒しない。第１の触媒層４２は、二酸化炭素（および酸素）のイオン二酸化炭素担体種４７への還元を触媒する還元触媒を含む。第２の触媒層４５は、（膜を通って輸送された後の）イオン担体種４７の酸化物を二酸化炭素および酸素に触媒する酸化触媒を含む。還元触媒層および酸化触媒層の少なくとも１つと電気的に接続されているエネルギー源３６は、そこに生じる還元および酸化反応のためのエネルギーを供給する。膜３４は、イオン担体種（アニオン）４７に対して透過性であるが、ガス、特に酸素および二酸化炭素に対して不透過性または実質的に不透過性である。「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５％以下または１％以下が膜を通ってアノードチャンバに運ばれる（逆もまた同様である）ことを意味する。ガス拡散層４８，４９は、ガス流の分配を助けるために、触媒層４２，４５の一方または両方に隣接して配置することができる。この拡散層４８，４９は、布などの多孔質材料から形成することができる。コレクタ４０，４４からセルの反対側の端部に、第２の対の電流コレクタ５０，５１を配置することができる。電流コレクタ４０，４４，５０，５１は、銅または鋼のような導電性材料から形成することができる。セルは、セルおよび／またはチャンバ３２，３０間のガス漏れを防止するために、膜の両端にガスケット５２，５３を含むことができる。
【００２０】
カソードチャンバ３２への入口５４は、導管１４（図１）を介して、屋内空間１２からの屋内空気などの二酸化炭素を含む供給ガスを受け取る。屋内空気は、ＣＯ２の一部を除去した後、カソードチャンバの出口５５から流出し、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、再生されたＣＯ２を含む排気が導管１８を通る１つまたは複数の出口５６を含む。入口５７は、屋外空気の加圧された流れを受け取って、アノードチャンバ内の空気と混合し、出口５６から運び出すことができる。
【００２１】
コントローラ５８は、例えば１つ以上のガスセンサ６０，６１の使用を通じて、空気流Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄおよび／またはチャンバ３０，３２のうちの１つ以上におけるガス組成を監視する。コントローラ５８はメモリＭを含んでいてもよく、メモリＭは、センサ６０からの信号をＣＯ２など１種以上のガスのガス濃度測定値に変換するための命令と、検出されたガス濃度が所定の範囲外にある場合にＣＯ２除去率の調整を実施するための命令とを格納する。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所定の範囲内にない場合、コントローラ５８は、例えば電気回路３６のスイッチ６２および／またはレオスタット６４など、値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してもよい。セル１０は、頂部および底部電流コレクタを隔ててセルへのそれぞれの入口および出口を画定する１つまたは複数の側壁６６，６８を含んでいてもよく、または図３に示すように他のセルと接続してスタックを形成してもよい。
【００２２】
単一セルの電気化学デバイスが図２に示されているが、図３および図４に示すようにセルのスタックを組み合わせて電気化学デバイス１０を形成することができ、図３および図４では同様の要素に同じ数字が付されている。スタックは、少なくとも２個または少なくとも５個のセル、例えば約１０個のセルを含むことができ、互いに重なって、共通の入口（マニホールド）５４から空気を受け取り、１つまたは複数の共通の出口（マニホールド）５５，５６に排出空気を送達する。導電性部材６９は、電流コレクタ４１に電子を伝導する。同様の導電性部材（図示せず）が電流コレクタ４４から電子を伝導する。セルを画定する層４２，３４および４４（および使用される場合は４８，４９）は、絶縁層７０，７２によって覆われてもよく、絶縁層７０，７２は、クランプデバイス７４によって固定され、クランプデバイス７４は、本明細書ではボルトまたはねじなどのねじ付き固定部材８０によって共に保持される双極板７６，７８を含むものとして示されている。一実施形態では、双極板は各々、フルオロカーボン／グラファイト複合板などの複合グラファイト板である。ボルト、圧縮ばね、ガス継手などのクランプデバイス７４の他の構成要素は、鋼製、プラスチック製、または他の剛性材料製であり得る。
【００２３】
マルチセル電気化学デバイススタック１０は、スタック内の異なるセルに屋内空気を全体的な圧力および流量で分配する。セルは、スタック内で空気圧的に並行または連続しており、各セル内の空気の流量は均衡している。図４に示す実施形態では、第１の（左側の）セルはカソード、膜、アノードで配置されているが、スタックの第２のセルは逆転し、アノード、膜、カソードの配置であり、以下スタック全体を通して同様である。
【００２４】
ＣＯ２の低い周囲濃度（４００ｐｐｍ）は、膜３４を横切って維持することができる最大流束を抑制する傾向がある。一実施形態では、図２〜図４を参照して説明したように、電気化学デバイス１０は、膜３４のアノード側、例えば図５で示すように拡散層４９と触媒層４５の間に、ＣＯ２捕捉層９０としてＣＯ２吸着剤をさらに含むことができる。このようにして、ＣＯ２捕捉層９０は、膜３４の屋内側、例えば、触媒層４４によって膜から離間して配置される。ＣＯ２捕捉層９０は、ＣＯ２還元電極（カソード）４０近傍のガス濃度を上昇させることにより、ＣＯ２除去率を向上させることができる。捕捉層９０内のＣＯ２吸着剤ＣＯ２は、導電性多孔質材料（例えば、炭素布）によって支持された液体（例えば、アルキルアミンまたはイオン液体）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、または重合したイオン液体）であってもよい。
【００２５】
前述の実施形態のいずれかに記載された例示的な電気化学デバイス１０は、屋内のＣＯ２除去のために連続モードで動作可能であり、除去されたＣＯ２を屋外に通気する低電力、小型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で捕捉された空気からのＣＯ２は、アノード側を通って連続的に屋外に放出される。理解されるように、屋内空気からの酸素の一部も、ＣＯ２を除去する過程で還元され得る。しかしながら、これは屋内空間の酸素のうちの比較的少ない割合である。例えば、典型的な大気含有量２１０，０００ｐｐｍのうち、約２５０ｐｐｍの酸素が除去され得る。
【００２６】
触媒層４２，４５は各々、同じであっても異なっていてもよい１種以上の触媒を含む。ＣＯ２の還元および／またはＣＯ２を形成するためのイオン担体種の酸化に適した触媒には、インジウム（Ｉｎ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）および銅（Ｃｕ）などの貴金属、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）および亜鉛（Ｚｎ）などの他の金属触媒、ＰｄｘＰｔ１００−ｘおよびその混合物などの二金属触媒が含まれる。一実施形態では、層４２内の触媒は、二酸化炭素のイオン担体種への変換に対して高度に選択的である。一例として、ギ酸イオン生成のために、触媒層はＣｕ、Ｉｎ、ＳｎおよびＰｂの少なくとも１種を含み得る。層４２，４５の一方または両方の触媒は、触媒充填量を削減するために高い表面積を有することができるカーボンブラックのような担体材料上に担持することができる。ＣＯ２還元触媒は、ディスク電極を用いて測定したｊｌｉｍｉｔｉｎｇ＝０．２ｍＡ  ｃｍ−２で、少なくとも７０％のファラデー効率を有することができる。
【００２７】
図示の電気化学デバイス１０の膜３４は、ポリ（イオン）液体（ＰＩＬ）などの固化した液体電解質を含んでいてもよく、または例えば炭素含有布または他の導電性多孔質材料など、導電性布などの支持材料上に支持されたイオン液体であってもよい。イオン液体は、周囲温度（１０〜４０℃）で液体であり得る有機カチオンおよびアニオンを含有する化合物である。ＰＩＬは、典型的には、１００℃未満の温度で融解する。本明細書での使用に適したＰＩＬは、動作温度下で陽イオンがポリマーの形態で固定され、陰イオンが膜を自由に移動するものである。ポリ（イオン）液体膜は、例えばイオン液体の重合による、または適切なアニオンを含有する電解質による既存のイオン交換膜の官能化による、直接合成によって形成することができる。イオン液体またはポリ（イオン）液体は疎水性であり、１％未満の含水量を有し得る。したがって、例示的な膜３４は、疎水性であり、ＣＯ２吸収に対して高度に選択的であり、屋内環境に水分を残す。一実施形態では、膜３４は主にポリ（イオン）液体、すなわち少なくとも５１重量％または少なくとも７０重量％、または少なくとも９０重量％のポリ（イオン）液体、または１００重量％までのポリ（イオン）液体である。
【００２８】
薄い均一膜３４は、例えば１０〜５００μｍ、例えば少なくとも２０μｍ、例えば２００μｍまで、または１００μｍまで、例えば５０μｍ程度の厚さｔで作ることができる。膜３４は、用途に応じて、少なくとも０．５ｃｍ、例えば５０ｃｍまでの直径ｄ（または最大寸法）を有することができる。膜は可撓性であり、偏向後に元の形状に戻ることができる。
【００２９】
一実施形態では、膜３４は、非プロトン性、場合により重合されたイオン液体を含む。特に好適なイオン液体は、広い電気化学的窓（＞３．５〜７Ｖ）、低い蒸気圧（２９８Ｋで１００Ｐａ未満のＰｖａｐ）、高いイオン伝導度（０．１〜５０ｍＳ／ｃｍ）、および低い融点を有し、これら全てはガスベースの電気化学的用途に望ましい特性である。
【００３０】
イオン液体またはポリ（イオン）液体中の有機カチオンの例は、窒素含有カチオン、リン含有カチオン、硫黄含有カチオン、シュウ酸塩、およびこれらの組み合わせから選択することができる。
【００３１】
例示的な窒素含有カチオンとしては、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピペリジニウムおよびピロリジニウム含有カチオン、有機アンモニウムカチオン、およびこれらの混合物などの複素環式および非環式窒素含有カチオンが挙げられる。
【００３２】
適切な複素環式窒素含有カチオンは、一般形態の５および６員複素環式イオンであって、
【００３３】
【化１】
2018144024.tif 000003
【００３４】
ここでＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、Ｈ、Ｃ１−Ｃ１２アルキル基、Ｃ１−Ｃ１２アルコキシ基、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロキシアルキル基、Ｃ１−Ｃ１２アルケニル基、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロキシアルケニル基およびそれらの組み合わせから独立して選択され、ここで例えばＲ１など、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４（存在する場合）の少なくとも１つ、または少なくとも２つはＨではなく、ここでＲ１および／またはＲ２など、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の１つ、２つまたはそれ以上は重合性基、例えばＣ１−Ｃ１２アルケニル基およびＣ１−Ｃ１２ヒドロキシアルケニル基などの不飽和Ｃ２−Ｃ１２重合性基であってもよく、
ＸはＣまたはＮであり、
ｎは０または１であり、
ｍは０または１〜５である。
【００３５】
Ｒ３はＨ以外であってもよく、プロトン化された窒素基を除いて、Ｘを含む任意の環員に結合することができる。
【００３６】
例示的なイミダゾリウムカチオンとしては、モノ−、ジ−およびトリ−Ｃ１−Ｃ１２アルキル、アルケニル、アルコキシおよびヒドロキシアルキルイミダゾリウムカチオン、例えば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−メチルイミダゾリウム、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム、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ウム、１，２−ジメチル−３−Ｎ−ブチルイミダゾリウム、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−メチルイミダゾリウム、１−オクチル−３−エチルイミダゾリウム、イオン、例えばビニルまたは他のアルケニル官能基と重合可能なそれらの等価物であり、官能基は環の１位および／３位にあってもよい、例えば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−エテニルイミダゾリウム、１−エテニル−３−プロピニルイミダゾリウム、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、それらの混合物、およびそれらのポリマーなどが挙げられる。
【００３７】
例示的なピリジニウムカチオンには、Ｃ１−Ｃ１２アルキル、アルコキシおよびヒドロキシアルキルピリジニウムカチオン、例えば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、およびＮ−ヘキシルピリジニウムカチオン、それらの重合可能な等価物、例えば１−エテニル−３−プロペニルピリジニウム、４−ビニルピリジニウム、２−ビニルピリジニウム、およびそれらの混合物が含まれる。
【００３８】
例示的なピロリジニウムカチオンとしては、Ｃ１−Ｃ１２アルキル、アルケニル、アルコキシおよびヒドロキシアルキルピロリジニウムカチオン、例えば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、および１−ヘキシル−１−メチルピロリジニウム、それらの重合可能な等価物、例えば１−エテニル−３−プロペニルピロリジニウム、それらの混合物、およびそれらのポリマーが挙げられる。
【００３９】
適切な有機アンモニウムカチオンは、一般形態であり、
【００４０】
【化２】
2018144024.tif 000004
【００４１】
ここでＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、Ｈ、Ｃ１−Ｃ１２アルキル基、Ｃ１−Ｃ１２アルコキシ基、それらの重合可能な等価物、およびそれらの組み合わせから独立して選択され、ここでＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の少なくとも１つ、または少なくとも２つはＨではない。例示的な有機アンモニウムカチオンには、Ｃ１−Ｃ１２アルキルおよびアルコキシアンモニウムカチオン、例えば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およびトリエチルブチルアンモニウムカチオンが挙げられる。
【００４２】
例示的なリン含有カチオンには、ホスホニウムイオン、例えばＣ１−Ｃ１２アルキルおよびアルケニルホスホニウムイオン、例えばトリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムおよびトリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウムイオンが含まれる。
【００４３】
有機カチオンは、カチオン部位に少なくとも１つの不飽和重合性基を含むことができ、フリーラジカル重合によって架橋することができる。好適な不飽和重合性基には、α−不飽和Ｃ２−Ｃ１２アルケニル基、例えばエテニル、プロペニルおよびブテニル基が含まれる。
【００４４】
重合性カチオンの一例は、ビニル基を介して重合される１−ビニルイミダゾリウムカチオンなどのイミダゾリウムカチオンである。
【００４５】
ポリ（イオン）液体中の例示的なアニオンとしては、シュウ酸塩（Ｃ２Ｏ４）２−、水酸化物、トリフルオロメタンスルホン酸塩などのスルホン酸塩、トリフルオロ酢酸塩などの酢酸塩、ペンタフルオロエチルトリフルオロホスフェート、トリフルオロトリス（ペンタフルオロエチル）ホスフェート、ジホスフェートおよびヘキサフルオロホスフェートなどのホスフェート、ギ酸などのカルボン酸塩、ギ酸メチルおよびギ酸エチルなどのＣ１−Ｃ１２ギ酸アルキル、ギ酸ナトリウムなどのギ酸金属塩、テトラフルオロボレートおよびテトラシアノボレートなどのホウ酸塩、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミドとしても知られている）などのイミドイオン、シアナミドなどのアミドイオン、塩化物などのハロゲン化物、Ｃ１−Ｃ１２アルキル硫酸塩などの硫酸塩（例えば硫酸エチル）、およびそれらの混合物が挙げられる。
【００４６】
このようなアニオンおよびカチオンから形成される例示的なイオン液体およびポリイオン液体には、
【００４７】
１．ピペリジン、例えば１−（３−メトキシプロピル）−１−メチルピペリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、および１−（２−メトキシエチル）−１−メチルピペリジニウムトリス−（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート、
【００４８】
２．ホスホネート、例えばトリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムクロライド、トリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウムトリフルオロトリス（ペンタフルオロエチル）ホスフェート、トリス（ｎ−ヘキシル）テトラデシルホスホニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムジシアンアミド、およびＮ−アリルホスホニウムホルメート、
【００４９】
３．ピリジン、例えば１−（２−メトキシエチル）−１−メチルピリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート、Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）ピリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、およびＮ−ヘキシルピリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、
【００５０】
４．ピロリジン、例えば１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリフルオロメタンスルホネート、Ｎ−ブチル−Ｎ−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１−ヘキシル−１−メチル−ピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、および１−ブチル−１−メチルピロリジニウムトリフルオロアセテート、
【００５１】
５．一置換、二置換および三置換のイミダゾール、例えば１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１，２−ジメチル−３−Ｎ−ブチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１，３−ジメチルイミダゾリウムジホスフェート、１，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムエチルスルフェート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−ｎ−プロピル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−ブチル−２，３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロトリス（ペンタフルオロエチル）ホスフェート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、Ｎ−ビニルイミダゾリウムホルメート、１−エチル、３−メチルイミダゾリウムヒドロキシド、および１−ビニルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、
【００５２】
６．有機アンモニウム、例えばトリメチルブチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、Ｎ−エチル−Ｎ、Ｎ−ジメチル−２−メトキシエチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ｎ−ヘキシルトリエチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリメチル−ｎ−ヘキシルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリエチルブチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、およびテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートが挙げられる。
【００５３】
これらのイオン液体の混合物を使用してもよい。カチオン性ポリマーに対応するアニオンが浸透していてもよい、不飽和基を有するカチオンから形成された重合イオン液体も考えられる。
【００５４】
イオン液体の一例は、ＥＭＩＭ＝１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、ＴＦＳＩ＝ビス（トリフルオロメタン）スルホンイミドであるポリ（ＥＭＩＭ）ＴＦＳＩ電解質である：
【００５５】
【化３】
2018144024.tif 000005
【００５６】
別の例となるイオン液体は、ポリ（１−ビニルイミダゾリウム）化合物を含み、可動アニオンはシュウ酸塩、ギ酸塩、酢酸塩およびトリフルオロ酢酸塩から選択される。例えば、イオン液体は、フリーラジカル開始剤を用いて、ビニル基を介して重合される１−ビニルイミダゾリウムホルメートのポリマーである。一例として、ポリ（ビニルイミダゾール）ホルメートは、１−ビニルイミダゾリウムカチオンの重合によって形成される：
【００５７】
【化４】
2018144024.tif 000006
【００５８】
あるいは、ギ酸基は、重合の後、例えばイオン交換によって導入される：
【００５９】
【化５】
2018144024.tif 000007
【００６０】
どちらの方法においても、ペンダントイミダゾリウムカチオン基を有するｎ個の繰り返し単位のポリマー骨格が得られ、ここで、ｎは、例えば少なくとも２、または少なくとも１０、または少なくとも５０であり得る。ホルメートアニオンは可動性である。
【００６１】
イオン液体の他の特定の例は、１−エチル、３−メチルイミダゾリウムヒドロキシド（ポリ（ＥＭＩＭ）水酸化物としても知られている）などの重合水酸化物ベースのイオン液体である。アニオン交換膜の研究に使用するために、重合されたイオン液体水酸化物の使用が研究されており、ブロックコポリマーについては１０−３Ｓ／ｃｍまでの導電率が報告されている（Ｙｅ，Ｙ．ら「Ｈｉｇｈ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄ  ｉｏｎｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｂｌｏｃｋ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」ＡＣＳ  Ｍａｃｒｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２（７）：５７５−５８０（２０１３））。
【００６２】
一実施形態では、イオン液体は、カチオン基（イミダゾリウム、ホスホニウム、ピリジニウム、ピペリジニウムおよびアンモニウム）の１つと、アニオン基（トリフルオロメタンスルホネート、トリフルオロメタンスルホニルイミド、トリフルオロ酢酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、テトラフルオロボレートおよびヘキサフルオロホスフェート）の１つとの組み合わせによって選択される。
【００６３】
一実施形態では、膜は、選択的に官能化されたイオン交換膜であり、可動種は、選択的イオンＣＯ２担体、例えばシュウ酸塩、ギ酸塩、酢酸塩またはトリフルオロ酢酸塩である。
【００６４】
イオン液体を含有する固体マトリックスを形成するための架橋剤として好適な例示的な重合性モノマーには、ビニル置換芳香族モノマー、例えばスチレンおよびα−メチルスチレン、ビニル脂肪族モノマー、特にＣ１−Ｃ１２  α−オレフィン、例えばエチレン、プロピレンおよびブチレン、（メタ）アクリレートモノマー、例えばポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）、アリルモノマー、例えばポリエチレンオキシドおよびポリエチレングリコール、ならびにそれらの二量体およびオリゴマーおよび混合物が含まれる。
【００６５】
膜３４は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、またはアセトニトリルなどの非水性および非揮発性可塑剤をさらに含んでもよく、可塑剤は総膜容量の２５％以下で存在してもよい。
【００６６】
例示的なイオン担体種４７は、ペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）、ギ酸イオン（ＨＣＯＯ−）、シュウ酸イオン（Ｃ２Ｏ４）２−、炭酸イオン（ＣＯ３２−）、トリフルオロ酢酸イオン（ＣＦ３ＣＯ２−）およびこれらの組み合わせを含む。これらのアニオンの全ては、炭素および酸素の両方、および場合により水素またはフッ素などの別の元素を含む。特定の一実施形態では、イオン担体種は、ペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）である。担体種４７は、有機液体中のアニオンと同じであっても異なっていてもよい。
【００６７】
ＣＯ２の輸送は、ＣＯ２還元を使用してイオン担体種４７を生成することによって、または炭酸イオン（ＣＯ３２−）の形成を介して達成することができ、この場合、酸素ガスは還元種として働く。これらの反応は、以下の表１に示されている。
【００６８】
【表１】
2018144024.tif 000008
【００６９】
これらの還元された種は、膜を横切って可逆的に輸送されることにより、ＣＯ２を電気化学的にポンプ輸送するために使用される。上昇した電位での動作は、ＣＯ２除去のための比エネルギー消費を増加させる。代替的なＣＯ２還元反応は、除去されるＣＯ２の分子１個あたりに消費される電子の数を減少させることによって、エネルギー消費量を低減させることができる。
【００７０】
１つの例示的な架橋ポリ（イオン）液体膜は、ＣＯ２とＯ２の還元生成物であるペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）の輸送が優先的に膜を通過し、Ｃ２Ｏ６２−イオン担体種４７を酸化して図２に示すようにＣＯ２とＯ２に戻すことを可能にする。一例の膜３４は、高いイオン伝導率と機械的安定性を有し、かつガスクロスオーバーを有さないペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）導電性ポリ（イオン）液体膜である。一実施形態では、屋内環境において電気化学的ＣＯ２除去および／または電気化学的ＣＯ２検出を用いるペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）導電性固体電解質膜を使用する電気化学セルは、イオン液体の他の可能性のある可動種を固定化する一方で、ペルオキシジカーボネートイオンを優先的に輸送する、機械的に安定のポリ（イオン）液体膜と、アノードおよびカソード間にガスクロスオーバーを生じさせずにガスバリアとして作用する架橋ＰＩＬ膜とを含む。
【００７１】
一実施形態では、膜は、メナキノンおよびユビキノン（補酵素Ｑ１０）などのキノンを含まないか、または実質的に含まない。実質的に含まないとは、膜が１重量％未満のキノンを含むことを意味する。
【００７２】
一例として、図６は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネートを含む液体電解質を使用したプロトタイプデバイス（ビーカーに設置された３電極システム）のサイクリックボルタンメトリーの結果を示す。動作中、屋内空気からのＯ２とＣＯ２は還元されて、ＣＯ２選択性電解質膜の存在下で、カソードでペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）を形成する。最大−０．６Ｖ（対Ａｇ／Ａｇ＋基準電極）の過電圧をカソードに印加し、ＣＯ２還元反応を促進する。アノードには＋０．４Ｖ（対Ａｇ／Ａｇ＋基準電極）の追加電位を印加し、アノードにおけるペルオキシジカーボネートイオンのＣＯ２とＯ２への酸化を促進する。以下の反応が起こる。
【００７３】
【表２】
2018144024.tif 000009
【００７４】
Ｇａｒｙ  Ｂ．Ｄｕｎｋｓ  ａｎｄ  Ｄ．Ｓｔｅｌｍａｎ（１９８３）「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｆ  ｍｏｌｔｅｎ  ｓｏｄｉｕｍ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ」Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２２（１５），２１６８−２１７７を参照。
【００７５】
典型的なセル動作の下では、１Ｖの最大セル電位が印加される。図６の曲線Ｘは、４５％ＣＯ２、４５％Ｏ２を表しており、かなりの量の酸素が存在してもＣＯ２は電解され、結果として生じるイオン種（Ｃ２Ｏ６２−）の膜を通しての輸送を可能にすることを示す。なお、これは酸素と２対１のモル比で起こるため、屋内空気から失われる大気中の酸素はごくわずかである（２１０，０００ｐｐｍのうち２５０ｐｐｍ）。他の例示的な実施形態では、同様の電位を用いて、電気化学デバイスの動作中に膜を横切って（ＨＣＯＯ）−またはシュウ酸（Ｃ２Ｏ４）２−イオンを輸送することができる。
【００７６】
図３〜図４に示すタイプの電気化学デバイスにおいて、１０Ｖで動作する６Ａの電流は、５０Ｌ／ｈのＣＯ２を処理するのに十分であると推定される（ファラデーの電気分解の法則を用いる）。図６に示すサイクリックボルタモグラムから、熱および流量制御を含み、６Ａの電流を使用し、１０Ｖで１０セルの電気化学デバイススタックを動作させ、９７％の効率を仮定した場合の７３．４Ｗの総電力消費量を計算することができる。電気化学デバイスを加熱するのに必要な電力は、図３および図４に示すタイプの１０ｃｍ×１０ｃｍ×８．５ｃｍの電気化学デバイス上の１ｃｍ厚のガラス繊維絶縁体（０．０４Ｗ／ｍ．Ｋ）に対して１１．９Ｗと推定される。
【００７７】
別の実施形態では、イオン担体種４７としてのギ酸イオンが優先的に輸送される。架橋したイオン液体から合成された高分子電解質膜３４を用いてもよい。達成され得る比エネルギー消費量（１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２除去）は、周囲空気からのＣＯ２除去のための従来の吸着剤と比較して少なくとも１桁低い。膜は、高いギ酸イオン伝導度（例えば、５×１０−４Ｓ／ｃｍ）を有し得る。ギ酸イオン輸送を改善するために、エチレンカーボネートなどの非水性の不揮発性可塑剤、および／またはポリ（エチレンオキシド）またはポリ（エチレングリコール）などの低Ｔｇ架橋剤を膜に組み込むことができる。Ｉｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ＮｉまたはＰｄｘＰｔ１００−ｘバイメタル触媒を使用し、システム動作電圧を低下させることによって、ＣＯ２還元のファラデー効率を向上させることができる。このような電気化学デバイスの他の詳細は、以下の実施例に記載されている。
【００７８】
別の実施形態では、イオン担体種４７にはシュウ酸イオンが含まれる。これは、１−エチル、３−メチルイミダゾリウムヒドロキシド、またはポリ（ＥＭＩＭ）ヒドロキシド［ＥＭＩＭ＝１−エチル−３−メチルイミダゾリウム］などのシュウ酸塩−（Ｃ２Ｏ４）２−または重合水酸化物ベースのイオン液体の１つを含有する膜の使用によって達成され得る。これらの反応は各々、ＣＯ２  １モルあたり１電子のみを消費し、ギ酸塩へのＣＯ２還元と比較して、消費量が半分になる。イオン液体水酸化物中の酸素還元反応は、イオン液体中でより可逆的であることが知られている重炭酸イオンを生成する。膜は、１０Ωｃｍ２未満の面積比抵抗を有することができる。
【００７９】
シュウ酸塩ベースの膜の場合、ＣＯ２還元反応はＣＯ２分子あたり１電子のみを消費し、Ｏ２を消費せず、Ｈ２Ｏを消費せず、独立した湿度制御を可能にする。この独特の要因の組み合わせは、そのようなガスのレベルを制御することが望ましいかまたは困難な場合に、シュウ酸塩または重炭酸塩を特に有用にする。
【００８０】
電気化学デバイス１０の形状因子は比較的柔軟である。例えば、最小容積を達成するために、電気化学デバイスは、約０．０００８５ｍ３の小さな容積を占めることができる。このシステム容積は、０．０９Ａ／ｃｍ２の電流密度（図６のサイクリックボルタモグラムからのピーク電流密度）を用いて、５０Ｌ／ｈ（６０．３Ａ）を処理するのに必要なセルの表面積を得て、双極板とプラスチックの本体を含めて５ｃｍのセル厚さを有する４セルスタックを仮定して計算される。所望のどのような形状因子にも対応できるように、システムの寸法を変更することができる。
【００８１】
電気化学デバイス１０は、商業ビル内の既存の暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）システムのエネルギー需要を低減するように改造することができる。このシステムは、屋内のＣＯ２レベルを希釈するのに必要な屋外空気再取り入れ換気の回数を減らすことにより、米国内の全商業ビルで実施する場合、最高１．３５クワッド（１．４２×１０１２ＭＪ）の年間エネルギー節減を達成し得る。
【００８２】
理解されるように、ＣＯ２の電気化学的還元は複雑な反応である。触媒および電解質に応じて、複数の生成物（例えば、水素、メタン、エタン、メタノール、ギ酸塩など）が発生する可能性がある。場合によっては、目的のイオン（例えば、ペルオキシジカーボネート、ギ酸塩、重炭酸塩またはシュウ酸塩）へのＣＯ２の変換効率１００％を達成することが難しいことがあり、アノード反応効率とカソード反応効率との間で生じる不均衡が電解質の劣化およびシステム性能の低下につながることがある。このシステムは、電極で生じる望ましくない反応をバランスさせることによって、最適な（健康な）レベルの動作で維持することができる。例えば、セルを水電解（Ｅ＝１．２３Ｖ）に必要な電位よりも高い電位で動作させ、カソードでの寄生Ｈ２発生損失が同等の量の酸素発生によって補償されることを確実にすることができる。効果的なＣＯ２還元触媒（＞９０％）では、ファラデー効率への影響は小さいと予想される。セル電位は、測定された生成物ガスの濃度に基づいて動的に制御されてもよい。一実施形態では、センサ６０，６１を使用して、電気化学デバイス内および／または電気化学デバイスに入るかまたは電気化学デバイスを出る、１種以上のガスの濃度を検出する。複数のセンサの必要性を回避するために、セル電位、温度および流入／流出ガス濃度の間の相関をコントローラ５８にプログラムしてもよい。
【００８３】
ＣＯ２電気化学デバイスは、７０℃未満、または５０℃未満、または４０℃未満で動作させることができ、空調システムの熱負荷に影響を与えることなく高いＣＯ２除去流束を保証する。例えば、排気ガス温度は、冷却を必要とせずに許容可能な温度、例えば１０〜５０℃で維持される。いくつかの実施形態では、例えば、温室などの屋内環境のために二酸化炭素を濃縮するように動作する場合、電気化学デバイスに熱を加えることができる。
【００８４】
図１〜図５に示す電気化学デバイス１０は、屋内環境からＣＯ２を選択的に除去することにより、屋内ＣＯ２濃度を約１，０００ｐｐｍの低さに維持することによって、屋内環境をより快適にするのに適している。
【００８５】
電気化学デバイス１０が二酸化炭素除去のために使用される場合、生成物ガス中の二酸化炭素分圧（通気口５５を通って排出される）は、０．００１ｂａｒ（１．０２ｇ／ｃｍ２）〜０．０１ｂａｒ（１０．２ｇ／ｃｍ２）の範囲内であり得る。後述するように、電気化学デバイス１０が二酸化炭素濃縮のために使用される場合、生成物ガス（通気口５６を通って排出される）中の二酸化炭素の分圧は、０．１ｂａｒ（１０２ｇ／ｃｍ２）超〜１００ｂａｒ（１０２，０００ｇ／ｃｍ２）であり得る。
【００８６】
図７を参照すると、屋内環境からＣＯ２を除去する方法が示されている。この方法はＳ１００で始まる。Ｓ１０２でイオン液体ベースの電気化学デバイス１０が提供される。Ｓ１０４では、電気化学デバイスセルに電圧が印加される。Ｓ１０６では、屋内空気がカソードチャンバに供給される。電気化学デバイスは、取り込まれた屋内空気中のＣＯ２とＯ２をイオン担体種４７（例えば、ペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−））に電気化学的に還元し、イオン担体種４７は、ＰＩＬ膜３４を介してイオン輸送され、酸化されてＣＯ２とＯ２に戻る。
【００８７】
Ｓ１０８では、アノードで発生したＣＯ２を大気に通気して、屋内のＣＯ２レベルを約１，０００ｐｐｍという低いレベル、またはそれ以下に低下させることができる。
【００８８】
Ｓ１１０では、間を置いて、センサ６０，６１を用いて装置１および／または環境内の１箇所以上でＣＯ２レベルを測定する。
【００８９】
Ｓ１１２では、ＣＯ２レベルが所定の範囲内でないとコントローラ５８が判断した場合、方法はＳ１１４に進み、電気化学デバイス１０の調整を行った後、Ｓ１１０に戻る。そうでなければ、方法は直接Ｓ１１０に進む。この方法は、建物が人によって占有されていないか、または連続運転で維持されている場合など、ＣＯ２調整が必要なくなるまでこのように進めることができる。
【００９０】
膜の形成
一実施形態によれば、電気化学デバイスのための固体膜３４を形成する方法は、必要に応じて架橋剤の存在下で、必要に応じてコモノマーの存在下で、イオン液体を重合させるステップを含む。高いＣＯ２溶解度を有する非プロトン性の重合可能なイオン液体は、用途に応じてポリ（イオン）液体膜に形成することができる。
【００９１】
一実施形態では、ポリ（イオン）液体（ＰＩＬ）膜３４は、上述したような１つ以上の有機カチオン、または対応するイオン化可能なモノマーまたはオリゴマーを重合することによって形成することができる。重合は、有機カチオン／モノマー／オリゴマーの自己重合によって行うことができる。あるいは、重合は、第２のポリマー形成モノマーとの共重合によって行われて、固定化された有機カチオンを含有するポリマーを形成してもよい。この方法の利点は、カチオン部分が、重合可能な第２のモノマーから形成されたポリマー主鎖にグラフトされることである。重合は、開始剤の存在下で行うことができる。一実施形態において、イオン液体のアニオン成分は、例えば、イオン交換プロセスによって、有機カチオンの重合後に導入され得る。このことは、Ｃ２Ｏ６２−イオンが支配的な可動種４６として残ることを可能にする。このようにして、Ｃ２Ｏ６２−イオンの輸送およびアノードでのその供給が強化され、したがってＣＯ２電気化学デバイス１０の性能が改善される。
【００９２】
好適な開始剤には、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）が含まれる。
【００９３】
特定の一実施形態において、ポリ（イオン）液体（ＰＩＬ）膜３４は、直接合成によって調製される。この実施形態では、ポリ（イオン）液体（ＰＩＬ）膜は、カチオン部位に少なくとも１つの不飽和重合性基（例えばビニル）を含むイオン液体から製造することができ、フリーラジカル重合によって架橋することができる。このようなモノマーから調製された架橋ＰＩＬネットワークは、非架橋ＰＩＬ膜よりも水分および溶媒に対する優れた安定性、柔軟性およびより高い機械的安定性を有する。このようなイオン液体を架橋させた高分子電解質膜では、カチオンがポリマー骨格に沿って固定化され、ポリ（カチオン）が形成される。この固定化は、可搬性イオン４７（例えばギ酸イオン）の選択的輸送を可能にし、効果的に膜を単一イオン伝導体にする。このような膜は、柔軟で機械的に頑丈であり、薄膜（＜５０μｍ）として形成されて、面積比抵抗を最小にすることができる。例示的なＥＣＲシステムに統合されると、このような膜は、従来のシステムよりも１桁以上低い１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２のエネルギー消費量でＣＯ２除去を可能にする。
【００９４】
別の実施形態では、ポリ（イオン）液体（ＰＩＬ）膜は、既存のイオン交換膜を電解質として適切なイオン液体で機能化することによって調製することができる。
【００９５】
架橋剤の密度は、所望のフィルム厚さおよび弾力性を達成するように選択することができる。
【００９６】
膜３４は、ポリ（イオン）液体が不均一に分散し得る均一な厚さの薄層を形成するのに適したキャスティング、ドクターブレード、スピンコーティング、または他の堆積技術によって形成することができる。
【００９７】
アノード触媒層４２およびカソード触媒層４５は、焼結、スパッタリング、薄層金属スパッタリング、電気めっきまたは膜３４のそれぞれの表面上に触媒材料を堆積させるための他の適切な方法によって形成することができる。
【００９８】
例示的なＥＣＲシステム１は、１６０Ｌ  ＣＯ２  ｍ−２  ｈ−１の膜流束を有することができる。
【００９９】
電気化学デバイスの（膜を横切る）動作電圧（Ｖ）は、１．５Ｖまで、例えば１．０Ｖ〜１．３Ｖなど少なくとも０．５Ｖであり得る。１．０Ｖの動作電圧で、ＣＯ２とギ酸塩の完全な転化が達成される。
【０１００】
電気化学デバイスのエネルギー消費量は、最大３００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去、または最大２００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去、または最大１００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去、またはそれ以下であり得る。３００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去の消費量は、例えば、１．５Ｖで２ｅ−ＣＯ２の還元反応を伴う電気化学デバイスの動作によって達成することができる。１００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去の消費量は、例えば、１．０Ｖで１ｅ−  ＣＯ２の還元反応を伴う電気化学デバイスの動作、および高度に選択的なＣＯ２還元触媒の使用によって達成することができる。
【０１０１】
電気化学デバイス膜におけるギ酸イオン（または他のイオン４７）の伝導率は、少なくとも０．５ｍＳ  ｃｍ−１、または少なくとも１ｍＳ  ｃｍ−１、または少なくとも２ｍＳ  ｃｍ−１、または少なくとも２．８ｍＳ  ｃｍ−１であり得る。ギ酸充填量の増加、低Ｔｇ架橋剤の使用、および／またはポリ（カチオン）を固定化して単一イオン伝導性を確保することによって、より高い伝導度を達成することができる。
【０１０２】
膜３４は、１００μｍまで、または５０μｍまで、または２５μｍまでの厚さを有することができる。特に薄い膜の場合、スピンコーティングを用いて薄い均一なポリマーフィルムを得る、および／またはシリカ粒子、セラミック粒子、ガラス粒子、アルミナセラミック粒子または任意の適切なタイプの粒子などの非導電性粒状充填材を用いて膜強度を改善することが有利であり得る。非導電性粒子のサイズ（平均直径）は、２〜１５μｍの範囲であり得る。
【０１０３】
電気化学デバイスのファラデー効率は、供給ガスから除去された二酸化炭素と通過した電荷の量との比によって測定され、少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９７％であり得る。ＣＯ２還元反応では、１００％ファラデー効率を達成することは期待されない。アノード反応効率とカソード反応効率との間に生じる不均衡は、電解質の劣化を招く可能性がある。水電解（Ｅ＝１．２３Ｖ）に必要な電位よりも高い電位でセルを動作させることにより、カソードでの寄生Ｈ２発生損失を同等の酸素発生量で補うことができる。セル電位は、測定された生成物ガスの濃度に基づいて動的に制御することができる。余分なセンサを避けるために、セル電位、温度および／または流入／流出ガス濃度の間のこの相関をコントローラにプログラムすることができる。
【０１０４】
この膜は、最高５０００ｐｐｍまたはそれ以上のＣＯ２濃度で動作させることができる。この電気化学デバイスの例では、最終的に２ｍｏｌ  ＣＯ２  ｍ−２  ｈ−１または少なくとも２ｍｏｌ  ＣＯ２  ｍ−２  ｈ−１の流束を、５，０００ｐｐｍのＣＯ２で達成することができる。より高い触媒表面積でより高い流束レベルを達成することができる。
【０１０５】
図１〜図５の電気化学デバイスの一部におけるいくつかの利点は以下を含み得る。
【０１０６】
１．屋内環境からＣＯ２を選択的に除去して、約１，０００ｐｐｍの安全なＣＯ２限界未満にすることができる電気化学デバイス１０。
【０１０７】
２．膜３４を横切るペルオキシジカーボネートイオン（Ｃ２Ｏ６２−）イオン（または他の担体種）の選択的輸送。
【０１０８】
３．電気化学デバイスによって送達される最大電流密度の実質的な改善。
【０１０９】
４．適切なレベルの架橋を介してガス不透過性ポリマーマトリックスを形成することにより、アノード側とカソード側との間のガスクロスオーバーがわずかであるかまたは全くない。
【０１１０】
５．最高７０℃、またはそれ以上の動作温度で熱的および機械的に安定した膜。
【０１１１】
６．劣化を避けることによる電気化学デバイスの寿命および性能の改善。
【０１１２】
７．電気化学的なＣＯ２除去（３００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２まで、または１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２まで）にかかる低い比エネルギー消費。これは、本電気化学デバイスで達成することができ、単純にＣＯ２を希薄にすることに比べてより効率的な方法で、屋内のＣＯ２を除去することを可能にする。ＣＯ２が取り除かれた建物では、市販の空気フィルターでＶＯＣや微粒子を除去することができ、最小換気率が大幅に低下する。予防措置として、建物換気は、ホルムアルデヒドなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の屋内濃度によって決定することもできる（ＥＰＡ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＥＰＡ  ５３０−Ｒ−１０−００１（２０１１）「Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ  Ｉｎｄｏｏｒ  Ａｉｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ｉｎ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅｓ（１９９０−２００５）：Ａ  Ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ  Ｖａｐｏｒ  Ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ」）。典型的な建物のホルムアルデヒド濃度（１７１μｇ／ｍ３）を大気質の指標として仮定すると（Ｋａｄｅｎら「ＷＨＯ  Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｏｏｒ  Ａｉｒ  Ｑｕａｌｉｔｙ：Ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ」（２０１０））、ホルムアルデヒド濃度をＯＳＨＡの許容限度（０．７５ｐｐｍ）で維持しながら、換気率をＣＯ２ベンチマーク（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｏｏｌｂｏｘ．ｃｏｍ／ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ−ｒｏｏｍｓ−ｄ＿６９２．ｈｔｍｌ）と比較して８５％低下させることができる。この換気率の低下は、米国内の全商業ビル（または、４８ｋＷｈ／ｍ２／ｙ）で実施する場合、年間で最高１．３５クワッド（米国の全ての商業用建物のＨＶＡＣエネルギーのほぼ１０％）の主要なエネルギー節減をもたらす。
【０１１３】
このエネルギー節減の計算では、ＢＴＯ計算機によって推定される、米国（ゾーン１〜５）全体の２．２５クワッド（主要燃料ベース）の商業ビルにおける換気エネルギーのベースラインを仮定している。建物の空気を０．７５ｐｐｍのホルムアルデヒドと１，０００ｐｐｍのＣＯ２で維持するのに必要な換気率を計算することにより、換気量をベースライン値の１５％（０．３４クワッド）に低減できると仮定している。ＥＣＲシステム１は、１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２の比エネルギー消費を有することができる。４５％の燃料−電気変換効率が仮定される。
【０１１４】
ＥＣＲシステムの経済分析では、特定の資本コストがＰＥＭ燃料電池（＄５００ｍ−２）（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｈｙｄｒｏｇｅｎ．ｅｎｅｒｇｙ．ｇｏｖ／ｐｄｆｓ／１５０１５＿ｆｕｅｌ＿ｃｅｌｌ＿ｓｙｓｔｅｍ＿ｃｏｓｔ＿２０１５．ｐｄｆ）に匹敵し、高価な白金族金属（ＰＧＭ）触媒の使用を避けることによって最終的にはさらに約３０％削減できると仮定されている。５０ＬＰＨ／占有者のＣＯ２発生率と３２０Ｌ／ｍ２／ｈのＣＯ２膜流束を仮定すると、推定消費電力は６０Ｗ／人であり、５０ＬＰＨ／占有者相当分を除去するための資本コストは＄５２／占有者である。単純換算計算では、屋外換気率が８５％低下したと仮定して、３年以内に初期費用が回収されると考えられる。
【０１１５】
これらの結果は、システム内での良好なイオン輸送（高伝導性膜）および速い運動（十分に良好なＣＯ２還元および再酸化）によって達成される。これらは、キャスティング、ドクターブレーディングまたはスピンコーティングによってポリマーを薄く機械的に安定なフィルムにキャスティングするステップ、ポリ（エチレングリコール）またはポリ（エチレンオキシド）などの低Ｔｇ架橋剤の使用によってイオン輸送を改善するステップ、Ｉｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、ＮｉまたはＰｄｘＰｔ１００−ｘバイメタル触媒を使用することによってＣＯ２還元のファラデー効率を向上させるステップ、およびシステム動作電圧を低下させるステップのうちの１つ以上によって促進される。
【０１１６】
１，０００ｐｐｍで動作する商用ＥＣＲシステム１の設置コストは、２０１７年１月のエネルギー価格に基づき、３年未満の簡単な回収期間で約５２ドル／占有者と見積もられている。
【０１１７】
例示的なＥＣＲシステムは、建物の空気を空調する際に消費されるエネルギーを最小限に抑えようとするのではなく、空調が必要な建物の空気の量を最小限に抑えることによって、従来のＨＶＡＣシステムの高エネルギー消費に対処する。ＥＣＲシステムは、不要なガスを絶えず希釈して屋内の大気質を維持する現行のＨＶＡＣシステムとは対照的に、建物の空気から不要なガス（ＣＯ２）のみを選択的に除去し、一方で市販の空気フィルターでＶＯＣや微粒子を捕捉することを可能にする。ＥＣＲは、屋内の湿度レベルに影響を与えずにＣＯ２を独立して除去することができ、従来の電気化学システムとは違って全てのＥＣＲ構成要素が酸素の存在下で安定している。ＥＣＲシステムは、１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２という低いエネルギー消費量でＣＯ２を除去することができ、これは従来技術よりも１桁低い。成功した場合、ＥＣＲは、創造的なシステム設計と慎重な電気化学によって、最先端のソリューションにおけるエネルギーとコストの課題を解決し、米国の商業用建物のＨＶＡＣエネルギーの１０％を節減する。
【０１１８】
図８を参照すると、別の実施形態では、電気化学デバイス１００は、温室内などの屋内雰囲気において二酸化炭素の分圧を上昇させるように構成されている。電気化学デバイスは、注記したものを除いて、図２〜図５に示すものと同様に構成することができる。この実施形態では、電気化学デバイスは、アノードチャンバ３０が空気取り入れ口１４に接続された入口５４を介して屋内空気を受け取るように配向されている。二酸化炭素の分圧を高めた後、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を含有する屋外空気を受け取る。屋外空気からの二酸化炭素は、触媒層４２によって、輸送可能なイオン４６に還元され、イオン４６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。このようにして、このシステムを使用して屋内空気中のＣＯ２を濃縮させ、温室内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。
【０１１９】
理解されるように、内部空間における二酸化炭素の濃度を上昇させる方法は、図７に示す方法と同様であってもよい。しかしながら、Ｓ１０６では、高ＣＯ２雰囲気がカソードチャンバ入口に供給される一方で、内部空間からの空気がアノードチャンバ入口に供給される。Ｓ１０８では、より高レベルのＣＯ２を有する内部空気が、アノードチャンバから、アノードチャンバ出口を介して内部空間に通気される。図７の方法のように、二酸化炭素はカソードチャンバ内でイオン担体種に電気化学的に還元され、イオン担体種は膜を介してイオン輸送され、イオン担体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を形成する。
【０１２０】
別の実施形態では、電気化学デバイスは、屋内環境における暖房換気および空調（ＨＶＡＣ）システムを調節するための電気化学的ＣＯ２センサとして使用され得る。この実施形態では、周囲ＣＯ２濃度の摂動が、電気化学セルの電位に測定可能な変化をもたらす。この実施形態は、人感知などＣＯ２エミッタの存在を感知し、建物のＨＶＡＣ負荷を調節するために使用されてもよい。この実施形態では、基準電極上のＣＯ２ガス濃度（ベースライン）は一定の値に維持される。標準的な基準電極（銀、銀｜塩化銀、フェロセン｜フェロセニウム）も同様に使用することができる。
【０１２１】
ギ酸イオンによる二酸化炭素除去のための電気化学デバイス
ＣＯ２を除去し室温（１０〜４０℃）で動作するように構成されたプロトタイプの電気化学デバイス（１．２７ｃｍ２）１０を、図９に概略的に示すように組み立てる。膜は、ギ酸（９６％）またはギ酸カリウム（０．５Ｍ）のいずれかで平衡化されたアニオン交換膜から形成し、両方の電極（Ｐｔ、４ｍｇ／ｃｍ２）で触媒層を使用した。ギ酸イオンの高伝導度（１×１０−３Ｓ／ｃｍ以上）を可能にする高分子電解質膜および使用した市販の触媒によって、ＣＯ２をギ酸塩に還元し、ギ酸塩を高いファラデー効率（＞２０％）でＣＯ２ガスに再酸化する。
【０１２２】
別の実施では、ポリ（イオン）液体の合成について記載された方法（Ｙｕａｎ，Ｊ．ａｎｄ  Ｍ．Ａｎｔｏｎｉｅｔｔｉ「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｉｏｎｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ｄ．Ｍｅｃｅｒｒｅｙｅｓ．Ｂｅｒｌｉｎ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ：４７−６７（２０１５））を使用したＳａｒｏｊ  Ｓａｈｕによる米国特許出願公開第２０１６／００６４７６３号（２０１６年３月３日公開）「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ  ＷＩＴＨ  ＲＥＦＯＲＭＥＲ−ＬＥＳＳ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ」に記載された方法に従って、ポリ（１−ビニルイミダゾリウム）から膜を形成する。１モルのギ酸を、水（１０ｇ）中の１−ビニルイミダゾールの冷却した分散液に滴下し、一日間連続して撹拌する。次いで、過剰の水を蒸発させて、粘稠な暗イオン液体モノマーである１−ビニルイミダゾールホルメートを得る。モノマーを脱水ジエチルエーテルで繰り返し洗浄し、続いて６０℃に加熱して痕跡量の溶媒を除去することにより精製する。モノマーは、開始剤として１モル％アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）と、柔軟性を改善するための架橋剤として、膜の総重量を基準にした５重量％ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）とを備えた、フリーラジカル重合を用いて重合する。反応混合物を窒素ガスでバブリングし、キャスティングのために調製し、脱気し、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標））型にキャストする。
【０１２３】
形成された膜（厚さ８７０μｍ）は親水性であり、２．８×１０−３Ｓ／ｃｍの室温水和伝導率を有する。ギ酸塩膜のイオン伝導度は、５×１０−４Ｓ  ｃｍ−１の目標を満たしている。膜を薄膜（約５０μｍ）にキャスティングすることにより、膜面積固有抵抗が目標値＜１０Ωｃｍ２に低減されることが期待される。
【０１２４】
エチレンカーボネートなどの非水性の不揮発性可塑剤、およびポリ（エチレンオキシド）またはポリ（エチレングリコール）などの低Ｔｇ架橋剤を添加することによって、ギ酸塩輸送を改善することが期待される。架橋剤の密度は、所望のフィルム厚さおよび弾力性を達成するように選択することができる。ポリマーのガラス転移温度は、より柔軟な骨格を使用してイオンの可動性を促進することによって調節することができる。
【０１２５】
電気化学デバイスは、２つの触媒ガス拡散電極、高分子電解質膜、および双極板を含む。ＥＣＲシステムは、集中型の屋内空気取り入れダクトと直列に配置されており、室温で動作して屋内の典型的な濃度（７００〜１４００ｐｐｍのＣＯ２）で空気を浄化するように設計され、室温で１，０００ｐｐｍのＣＯ２で動作する場合の目標ＣＯ２除去流束（１６ｍｏｌｅ／膜材料のｍ２／時間）を有する。ＣＯ２除去の最大速度は、ＣＯ２還元反応の流束によって決定される。これは、ＰＥＭ燃料電池の酸素還元反応データを低濃度および室温に投影することによって推定される（出典：Ｂｅｎｚｉｇｅｒ、Ｊａｙら（２０１１）、ＡＩＣｈＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ、５７（９）、２５０５−２５１７）。
【０１２６】
電気化学デバイスは、３００ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２除去のエネルギー消費量で、室温で１６０Ｌ  ＣＯ２ｍ−２  ｈ−１の膜流束を有する。２ｍｏｌ−ｍ−２  ｈ−１のＣＯ２除去流束が達成される。電気化学デバイスを１．５Ｖ未満で動作させることによって、３００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２未満の比エネルギー消費が達成されることが期待される。比エネルギーは、他のＣＯ２還元触媒およびより効率的なイオン担体（１ｅ−ＣＯ２分子）を使用することによってさらに低減され得る（＜１００ｋＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２）。
【０１２７】
ＣＯ２除去のための電気化学デバイス（ＥＣＲ）は、連続動作が可能でありつつ、過剰換気（ＣＯ２除去エネルギー、約２．２ＭＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２）およびＣＯ２吸着剤（１ＭＪ  ｍｏｌ−１  ＣＯ２）など他の除去方法と比較して良好である。
【０１２８】
屋内のＣＯ２濃度が上昇するとＥＣＲシステムに活性電位が印加され、屋内空気中に存在するＣＯ２を電気化学的にギ酸（ＨＣＯ２）−イオンに還元する。還元されたイオン種は、導電性の高い固体電解質（κ＝２．８×１０−３Ｓ  ｃｍ−１）を通って外向きのカソードに輸送され、ここでギ酸塩は再酸化され、ＣＯ２が屋外空気に除去される。
【０１２９】
可逆性
このような電気化学デバイスにおいて、ＣＯ２還元の生成物は、水素の発生と競合しなければならず、これは電解質および触媒材料の選択に応じて著しく異なる。ＣＯ２／ＨＣＯＯ−システムは、非常に可逆的であることが従来実証されている（Ｒｉｃｅら「Ｄｉｒｅｃｔ  ｆｏｒｍｉｃ  ａｃｉｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１１１（１）、８３−８９（２００２））。予備実験は、Ｐｔディスク電極を備えた、１−エチルイミダゾールに溶解した０．１Ｍギ酸で実施した。
【０１３０】
図１０は、Ｐｔ電極電解質（エチルイミダゾール中の０．１Ｍギ酸）におけるギ酸酸化およびその後のＣＯ２還元のサイクリックボルタモグラム（１０ｍＶ／ｓ）を示し、０．５−１Ｖの全動的過電圧を示している。図１１は、走査速度に対してプロットしたピーク酸化還元電流のプロットである。酸化ピークと還元ピークの比は、準可逆的反応運動を示す。
【０１３１】
図１０に示すように、ギ酸酸化のピークは、０．６Ｖ対Ａｇ｜ＡｇＣｌで観察され、−０．６Ｖで観察されるカソード肩部がＣＯ２還元に対応すると予想される。ピーク電流の比は０．４４であり、反応が部分的に可逆的であることが示唆される。不可逆性は、ＣＯ２還元中間体の吸着によってＰｔ電極が被毒することによると考えられる。ＰｄｘＰｔ１００−ｘ二元金属触媒（Ｙｅ，Ｙ．ら「Ｈｉｇｈ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄ  Ｉｏｎｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」ＡＣＳ  Ｍａｃｒｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２（７）：５７５−５８０（２０１３））、およびＣＯ２のギ酸への還元（約９０％のファラデー効率）を促進するのに特に有効であることが知られているインジウム触媒を使用することによって、改善された可逆性が予想される。
【０１３２】
図１２は、ギ酸塩伝導膜の電気化学的応答を市販のＡＦＮアニオン交換膜（過スルホン化ポリベンズイミダゾール）と比較したナイキスト線図である。結果は、ギ酸塩伝導膜が従来の膜よりも良好に機能することを示している。ナイキストプロットの形状はまた、ギ酸塩伝導膜がより高い動的抵抗を有することを示唆している。
【０１３３】
予備的データは合理的な流束が達成できるという確信を与えているが、薄膜をキャスティングし可塑剤を添加することにより、膜の伝導性を上昇させることによって改善を行うことができ、また、ガラス転移温度を調整することにより、低い抵抗降下を有する大電流を可能にすることができると予想される。触媒の表面積を増加させ、電極アセンブリとの接触を改善することにより、動的過電圧がＣＯ２流束を制限しないようにすることができる。
【０１３４】
この結果は、空気中のＣＯ２を選択的に除去することにより、電気化学デバイスが、ＨＶＡＣ負荷の屋外再取り入れ換気部分を６０％低減することができることを示唆している。
【０１３５】
ギ酸イオンによる二酸化炭素ポンピングのための電気化学デバイス
ＣＯ２ポンピングのための電気化学セルは、以下のように製造される。ギ酸選択性膜は、市販のアニオン交換膜（例えばＡｓｔｏｍ  ＡＦＮ）を９６％ギ酸で７２時間イオン交換することによって調製される。このプロセス中、市販の膜内の可動イオンはギ酸塩基で置換される。この膜とＰｔ触媒（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  ｓｔｏｒｅ、４ｍｇ  ｃｍ−２）を用いて膜電極接合体を作製し、１．２７ｃｍ２の電気化学的活性面積を有するステンレススチールの電流コレクタを用いてセル内に組み立てる。電気化学デバイス１０は、周囲の屋内空気（０．１％ＣＯ２）および２０ｍＬ／ｍｉｎ−１の一定流量で流れる純ＣＯ２を用いて試験する。供給ガス中の二酸化炭素を、固定された電位（＋１．５Ｖ）を印加することによって抽出し、それによってＣＯ２をギ酸塩に還元し、その後排気（例えば屋外）側でＣＯ２に酸化する。電流過渡現象は図１３に示されており、装置が室温で動作していても高いＣＯ２除去率に相当する。
【０１３６】
排気側に位置するＣＯ２センサの時間経過写真撮影を使用して、ＣＯ２排気流の濃度およびＣＯ２供給源からの同時除去を実証した。
【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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