(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択拡散を介して、水選択膜を通って、第一のサイドから第二のサイドへと、湿気を含む空気からの水を運ぶように構成された、当該水選択膜と、
前記水選択膜の前記第二のサイドおよび水素ガス注入口と、流体連通されている、低圧力チェンバーと、
アノード、プロトン交換膜、カソード、および電源を含む、膜電極接合体と、
前記カソードから、飽和水素および液体水を受け取るために、前記カソードと流体連通されている、高圧力チェンバーと、
前記高圧力チェンバーから前記流体水を除去するように構成された、前記高圧力チェンバーと流体連通されている、水路と、
前記高圧力チェンバーから前記飽和水素を除去するための、水素路とを備え、
前記水素ガス注入口は、
前記低圧力チェンバーに乾燥水素を運ぶように、構成されており、
前記アノードは、
前記低圧力チェンバーと流体連通されている、
空気−水抽出システム。
【請求項２】
絞りバルブは、前記水素路に位置しており、
前記水素路は、前記水素ガス注入口と流体連通されている、
請求項１に係る空気−水抽出システム。
【請求項３】
前記低圧力チェンバーは、０．２ｋＰａ〜５ＭＰａの圧力で動作するように、構成されている、または、前記高圧力チェンバーは、５〜１００ＭＰａの圧力を維持するように、構成されている、
請求項１または請求項２に記載の空気−水抽出システム。
【請求項４】
前記高圧力チェンバーと流体連通されている水貯蔵タンクを、さらに備える、
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の空気−水抽出システム。
【請求項５】
前記水選択膜に向かうように、前記湿気を含む空気を方向づけするように構成された、前記水選択膜の前記第一のサイドに位置する、ファンをさらに備えている、
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の空気−水抽出システム。
【請求項６】
湿気を含む空気から水を除去する方法であって、
水選択膜を介して、湿気を含む空気からの水を、低圧力チェンバーへ運ぶこと、および、混合ガスを形成するために、水素ガス注入口を介して、前記低圧力チェンバーへ、乾燥水素を方向づけすることと、
アノードで前記乾燥水素をプロトンと電子とに分離させるために、膜電極接合体に対して電圧を印加すること、および、プロトン交換膜を介して、前記アノードから、カソードへ、前記プロトンおよび前記水を、方向づけすることと、
高圧力チェンバー内で、結合した水素と前記水とを集めることとを、備え、
前記低圧力チェンバーは、前記膜電極接合体と、流体連通されており、
前記膜電極接合体は、前記アノード、前記プロトン交換膜、前記カソード、および電源を含み、
前記結合した水素を形成するために、前記カソードで、前記プロトンは、前記電子と再結合する、
方法。
【請求項７】
水路を介して、前記高圧力チェンバーから、液体状の前記水を除去することを、さらに備える、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
水素路を介して、前記高圧力チェンバーから、前記結合した水素を除去することと、
前記乾燥水素を形成するため、前記結合した水素の圧力および相対湿度を下げることと、
前記水素ガス注入口を介して、前記低圧力チェンバーへ、前記乾燥水素を導入することとを、さらに備える、
請求項６または請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記湿気を含む空気は、２０〜１００％の初期相対湿度を有する、または、前記乾燥水素は、２０％以下、または０〜１５％、または５〜１０％の相対湿度を有する、
請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記低圧力チェンバー内の圧力は、０．２ｋＰａ〜５ＭＰａであり、
前記高圧力チェンバー内の圧力は、５〜１００ＭＰａである、
請求項６乃至請求項９の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
公共およびプライベート空間における使用から、たとえば電子製品を製造する製造空間における使用までに至る要望と共に、ここ数十年に渡り、湿度が制御されたビルに対する要望が、継続的に増加している。従来のエアコンディショナシステムは、しばしば、フロンガスの過剰使用に加えて、湿度の要望される量に到達するのに限界がある。液体または固体の乾燥剤（デシカント）を使用することを含む、これらの問題に挑み、軽減するために、独立した湿度制御装置が使用されてきた。なお、デシカント溶液は、金属腐食および潜在的な健康懸念を招く乾燥剤のキャリーオバーを有する問題と共に、複雑なシステム設計、大容量の空間の頻繁な占有を含む、商業的および産業的適用の両方においての実用的な制限がある。
【０００２】
より最近になると、電気化学除湿に依存した除湿セルが、開発されてきている。電気化学除湿システムの一例は、非特許文献１により、示されている。当該非特許文献１では、水が、プロトン、電子、および酸素に分割される場所であるアノードへ、湿気を含む空気が導入される。それから、プロトンは、プロトン交換膜を介して、余分な水と共に、カソードへと搬送される。当該カソードでは、水を改質するために、プロトンおよび余分な水は、酸素および電子と反応させられる。その後、搬送された水および形成された水は、液体水として、当該システムから除去され、これにより、湿度を含む空気の除湿がなされる。なお、当該システムは、高電圧動作を含む幾つかの欠点を、有する。当該高電圧動作は、湿度を含む空気から除去される水の量を制限する可能性があり、さらに、膜におけるフリーラディカルの形成のために、当該高電圧動作により、経時的な膜の劣化という好ましくない結果に至りうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Qi et al. Applied Energy 208 (2017) 1174-1183
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、上述した問題および欠点を克服する、改良された電気化学除湿システムが、望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
空気−水抽出システムおよび湿度を含む空気から水を抽出する方法が、ここで開示される。
【０００６】
実施の形態において、空気−水抽出システムは、選択拡散を介して、水選択膜を通って、第一のサイドから第二のサイドへと、湿気を含む空気からの水を運ぶように構成された、当該水選択膜と、前記水選択膜の前記第二のサイドおよび水素ガス注入口と、流体連通されている、低圧力チェンバーと、ここで、前記水素ガス注入口は、前記低圧力チェンバーに乾燥水素を運ぶように構成されており、アノード、プロトン交換膜、カソード、および電源を含む、膜電極接合体と、ここで、前記アノードは、前記低圧力チェンバーと流体連通されており、前記カソードから、飽和水素および液体水を受け取るために、前記カソードと流体連通されている、高圧力チェンバーと、前記高圧力チェンバーから前記流体水を除去するように構成された、前記高圧力チェンバーと流体連通されている、水路と、前記高圧力チェンバーから前記飽和水素を除去するための、水素路とを備える。
【０００７】
他の実施の形態では、湿気を含む空気から水を除去する方法は、水選択膜を介して、湿気を含む空気からの水を、低圧力チェンバーへ運ぶこと、および、混合ガスを形成するために、水素ガス注入口を介して、前記低圧力チェンバーへ、乾燥水素を方向づけすることと、ここで、前記低圧力チェンバーは、膜電極接合体と、流体連通されており、ここで、前記膜電極接合体は、アノード、プロトン交換膜、カソード、および電源を含み、前記アノードで前記乾燥水素をプロトンと電子とに分離させるために、前記膜電極接合体に対して電圧を印加すること、および、前記プロトン交換膜を介して、前記アノードから、前記カソードへ、前記プロトンおよび前記水を、方向づけすることと、ここで、結合した水素を形成するために、前記カソードで、前記プロトンは、前記電子と再結合し、高圧力チェンバー内で、前記結合した水素と前記水とを集めることとを、備える。
【０００８】
上述した内容および他の特徴は、後述の、図面、詳細な説明、および特許請求の範囲により、例示される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図面は、限定されない例示の実施の形態であり、同様の構成要素には、同様の符号が付されている。
【００１０】
【図１】空気−水抽出システムの一例となる実施の形態を示す図である。
【図２】空気−水抽出システムの一例となる実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本出願は、２０１７年９月２２日に出願された、米国仮出願 Ｎｏ．６２／５６１９８７の利益を主張する。当該関連出願は、全体として、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１２】
二つの異なる搬送領域において、湿気を含む空気から水を除去する空気−水抽出システムが、開発された。第一の領域は、湿気を含む空気から水を選択的に除去するための水選択膜を使用する、濃度駆動移送領域Ｉである。第二の領域は、水の電気浸透抗力に基づいて、プロトン交換膜を横切って、高圧領域へ水を積極的に組み上げる、電気浸透駆動移送領域ＩＩである。より具体的に、最初に、湿気を含む空気から水を分離するために、空気−水抽出システムは、水選択膜を使用する。混合ガスを形成するために、分離された水は、水素と結合し、当該混合ガスは、膜電極接合体へと導かれる。アノードでは、水素が、プロトンと電子とに分離され、当該プロトンと水とが、プロトン交換膜を横切るように、動かされる。カソードでは、水素を改質するために、当該プロトンは、電子と反応する。その後、膜を横切るように引っ張られた水は、液体の状態で、除去されることができる。図１に、空気−水抽出システムの説明例を示し、以下において、詳細に説明する。
【００１３】
領域Ｉでは、自然対流により、水選択膜の第一のサイドへと、湿気を含む空気が晒される、または、ファンなどの（たとえば図１に例示されたファン６）気流補助により、露出が促進される。湿気を含む空気は、２０〜１００％または４０〜１００％の、初期相対湿度を有する。ここで、空気−水抽出システムが動作するために、初期相対湿度の下限は、相対圧力値と共に、低圧力チェンバーおよび高圧力チェンバーの両方での相対湿度に依存している。
【００１４】
湿気を含む空気内に存する水は、膜の吸湿特性により、水選択膜へと自然に入り、濃度勾配の存在により、水選択膜を通って移送される。水選択膜の懸垂官能基は、クラスタを形成し、当該クラスタは、膜を介した水の移動を可能とする親水性孔または通路の生成をもたらす。膜に跨って確立された水分活性プロファイルの相違に基づいて、水は、孔の網を通って、動かされる。水選択膜は、水に対して選択的であるので、水選択膜は、たとえば、酸素、二酸化炭素、または窒素などの他の分子を排して、水分子を運ぶことができる。
【００１５】
図１は、湿気を含む空気から低圧力チェンバー２０へ、水選択膜が水分子を運ぶ様子を、例示している。上述したように、水選択膜１０を介した水の移動は、水選択膜１０の第一のサイド１２での水のより高い濃度と、水選択膜１０の第二のサイド１４での水のより低い濃度とがある場合の、濃度勾配の結果として生じ得る。
【００１６】
水選択膜は、疎水性主鎖上または疎水性主鎖から離れた懸垂基上における、ある量のイオン性基を含む、アイオノマー系の高分子電解質を含んでいてもよい。アイオノマー系の高分子電解質は、スルホン化ポリ（キシレンオキシド）またはスルホン化フッ素重合体（たとえば、パーフルオロエチレンスルホン酸のリチウム塩）の少なくとも一つを含んでいてもよい。当該水選択膜の一例は、デュポンから商業的に入手できる、ナフィオン（Nafion）である。水選択膜は、アセチルセルロースを含むLoeb-Sourirajan膜のような層を２層以上有する、水選択非対称膜を含んでいてもよい。水選択膜は、親水性化合物により処理された多孔質プレートを、含んでいてもよい。ここで、多孔質プレートは、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（エチレンオキサイド）、ポリアクリルアミド、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（酢酸ビニル）、またはセルロース誘導体の少なくとも一つで処理された、紙または多孔性高分子フィルムを含んでいてもよい。
【００１７】
当該分野の当業者により理解されるように、水選択膜およびドライ水素から、低圧力チェンバー内へ、水を導くために、多くの種類の構成を採用することができる。たとえば、空気−水抽出システムは、直列の２以上水選択膜を含んでいてもよい。平膜の表面エリアに対する、水選択膜の表面エリアが増加するように、当該水選択膜を構成してもよい。水選択膜は、チューブの形状であってもよい。ここで、ドライ水素は、当該チューブの内側チェンバーを通り、当該チューブの外側面は、湿気を含む空気に露出する。それから、湿気を含む空気からの水は、当該チューブの壁を通って移動し、混合ガスを形成するために、当該チューブの内部チェンバーに入る。チューブの内部チェンバーは、低圧力チェンバーであってもよく、または、低圧力チェンバーは、チューブの内部チェンバーに流体連通していてもよい。
【００１８】
水選択膜の第二のサイドから、水は、水選択膜から蒸発し、混合ガスを形成するために、ドライ水素となる。水選択膜からの水の蒸発は、膜内の濃度勾配の存在を維持することができ、これにより、水が水選択膜を通過するための、駆動力が維持される。図１は、水選択膜１０の第二のサイド１４から、水が、低圧力チェンバー２０に入る様子を、例示している。したがって、低圧力チェンバーは、転送された水の混合ガスおよびドライ水素を含む。水選択膜は、選択的に、膜を介して水を運ぶことができるので、他の分子の転送を遅らせ、転送された水、水素、およびドライ水素から生じる水を含む、低圧力チェンバー内の混合ガスは、低圧力チェンバー内のガスの総体積の、９０から１００体積パーセント（ｖｏｌ％）、または、９５から１００ｖｏｌ％、または、９９．５から１００ｖｏｌ％を、占める。混合ガスは、混合ガスにおけるガスの総体積に基づいて、５ｖｏｌ％未満、または、０から１ｖｏｌ％の酸素を含む。低圧力チェンバー内の混合ガスは、２０から１００％、または、４０〜１００％、または、７０から９５％の相対湿度を有する。液体水のある量が、低圧力チェンバー内に存在する一方、低圧力チェンバー内の水の総重量に基づいて、９５から１００ｗｔ％、または、９９から１００ｗｔ％の水が、気体の状態で存在する。
【００１９】
ドライ水素は、水素ガス注入口を介して、低圧力チェンバー内に加えられる。低圧力チェンバー内への付加前に、ドライ水素は、２０％以下、または、０から１５％、または、５から１０％、または、１から５％の相対湿度を有する。
【００２０】
たとえば、低圧力チェンバーは、解放チェンバーであってもよい。したがって、混合ガスのみが、当該解放チェンバーを占める。逆に言うと、低圧力チェンバーは、網スクリーンまたは解放チャネルを有する板の少なくとも一つを含んでいてもよい。低圧力チェンバーは、流体流動フィールドとして機能することができる、拡張板金を含んでいてもよい。低圧力チェンバー２０内の圧力は、大気圧、準大気圧、または、０．２キロパスカル（ＫＰａ）から５０メガパスカル（ＭＰａ）、または、１００キロパスカルから５ＭＰａ、または、０．１から１ＭＰａである。ここで、低圧力チェンバー２０内の圧力の上限は、各膜の一つまたは両方の圧力閾値により、制限される。なお、複数の膜の一つの圧力閾値の機械的欠陥は、起こりうる。
【００２１】
混合ガスは、膜電極接合体（ＭＥＡ）に露出される。ＭＥＡのアノード側での低圧力水素から、ＭＥＡのカソード側での高圧力水素へと、水素を電気化学的に圧縮するために、ＭＥＡは、小電圧を使用する。電気化学反応の還元電位は、ネルンストの式により特徴づけられることができ、さらに、理想的な等温圧縮に必要なそれと同等の値を運ぶことができる。電極での触媒効果を促進するためのプロトン輸送膜のオーム抵抗を満たすために、付加の小電位を印加してもよい。水を有するセルのカソードから水素が放出され、プロトンと共に、プロトン輸送膜を横断して運ばれる。当該プロセスは、領域Ｉでの濃度駆動輸送を促進するための濃度勾配を維持しているプロトン輸送膜のアノード側を、乾かす。輸送される水は、液体状で、カソードから出現し、動作圧力および高圧力チェンバーの温度で、高圧水素ガスは、水蒸気で飽充されている。
【００２２】
図１は、低圧力チェンバー２０内の混合ガスが、ＭＥＡと接触する様子を、例示している。ＭＥＡは、触媒電極、電気化学の半反応を促進するために両側に配置されたアノード３０およびカソード５０、を有するプロトン交換膜４０を含む。電気化学反応（１）により、アノードと接触している低圧力チェンバーからの水素は、プロトンと電子とに分離される。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （１）
印加される電圧の極性により、反応（１）から形成されるプロトンは、プロトン交換膜を横切るように駆動され、さらに、反応（１）から形成される電子は、外部回路を介して、バスされる（bussed）。プロトン交換膜を介して搬送される各プロトンは、当該プロトンと共に、ある量の水を引き込むことができる。ここで、プロトン交換膜を通り抜けるプロトンの毎モルに対して、２〜４モルまたは２．５〜３．５モルの水が、膜を横切って、搬送されると考えられる。
【００２３】
プロトン交換膜を介して駆動されるプロトンは、電気化学反応（２）により、外部回路からバスされた電子と、ＭＥＡのカソード側で、結合する。
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２        （２）
【００２４】
電極（アノード３０および／またはカソード５０）は、プロトン交換膜と、直接物理的に接触してもよく、また、プロトン交換膜の各表面領域の９０〜１００％を覆ってもよい。各電極は、触媒層を独立的に含む。当該触媒層は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、および銀のうちの、少なくとも一つを含んでもよい。触媒は、バウンド触媒（bound catalyst）を含んでもよい。バインダーは、フッ素重合体および微粒炭素の少なくとも一つを、含んでもよい。触媒および任意のバインダーは、プロトン交換膜の表面上に、直接的に配置されてもよい。触媒が、ガス拡散層の至る所に位置するように、または、プロトン交換膜と接触しているガス拡散層の表面上位置するように、触媒は、ガス拡散層上に配置されてもよい。ガス拡散層は、多孔質であってもよい。ガス拡散層は、メッシュであってもよい。ガス拡散層は、黒鉛材料を含んでもよい。ガス拡散層は、カーボンファイバーのような複数のファイバーを、含んでもよい。ガス拡散層は、導電性であってもよい。
【００２５】
プロトン交換膜は、プロトンコンダクトイオノマおよびイオン交換樹脂の少なくとも一つのような、電解質を含んでもよい。プロトンコンダクトイオノマは、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、およびプロトン酸塩の少なくとも一つと複合化した、ポリマーを含んでもよい。複合ポリマーは、ポリエーテル、ポリエステル、ポリイミド、およびポリオキシアルキレン（たとえば、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（エチレングリコールモノエーテル）、またはポリ（エチレングリコールジエーテル））の少なくとも一つを、含んでもよい。
【００２６】
プロトン交換膜は、水選択膜と、同じまたは異なる材料を含んでもよい。たとえば、プロトン交換膜は、疎水性バックボーンまたは、炭化水素およびフッ化炭素タイプ樹脂などの疎水性バックボーンから離れた懸垂基上に、ある量のイオン性基を含むイオノマー・タイプ高分子電解質を、含んでもよい。炭化水素タイプイオン交換樹脂は、フェノール樹脂およびポリスチレンの少なくとも一つを、含んでもよい。炭化水素タイプイオン交換樹脂は、スルホン酸化（たとえば、スルホン化ポリ（酸化キシリレン））されてもよい。炭化水素タイプイオン交換樹脂は、プロトンコンダクト分子、たとえば、フラーレン分子、カーボンファイバー、およびカーボンナノチューブの少なくとも一つを、含んでもよい。プロトンコンダクト分子は、プロトン解離基、たとえば、−ＯＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−Ｃ６Ｈ４、−ＳＯ３Ｈ、および−ＯＨの少なくとも一つを、含んでもよい。プロトンコンダクト分子単体は、プロトン交換膜を形成することができ、または、フッ素重合体（たとえば、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリ（フッ化ビニリデン））およびポリ（ビニルアルコール）の少なくとも一つのような、バインダポリマとの混合物として、存在してもよい。プロトン交換膜内において、酸素は大量に存在しないので、酸化の懸念は低く、さらにプロトン交換膜は、炭化水素タイプイオン交換樹脂を含み得る。
【００２７】
フッ化炭素タイプイオン交換樹脂は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロスルホニルエトキシビニルエーテルおよびテトラフルオロエチレン−ヒドロキシル化（パーフルオロビニルエーテル）共重合体の少なくとも一つの、水和物を含み得る。フッ化炭素タイプイオン交換樹脂は、スルホン、カルボン、およびリン酸官能性の少なくとも一つを、有することができる。フッ化炭素タイプイオン交換樹脂は、スルホン化フルオロポリマ（たとえば、パーフルオロエチレンスルホン酸のリチウム基）であってもよい。フッ化炭素タイプイオン交換樹脂の一例は、デュポンから商業的に入手できる、ナフィオン（Nafion）である。
【００２８】
空気−水抽出システムは自動制御され、もし、空気が十分に除湿されるなら、低圧力チェンバー内の混合ガスは、低濃度の水を有することになる。低圧力チェンバー内の減量された水により、より少ない水がプロトン交換膜を横切って搬送される、という結果が生じ、ＭＥＡが動作不可能となるポイントまで、それを乾燥する。したがって、カレントがある値に達した場合には、システムの電源がオフとなるように、制御が設定される。
【００２９】
図１は、ＭＥＡに対して電圧を印加するために、電源６０が使用される様子を、例示している。印加される電圧は、１ボルト（Ｖ）以下、または０．８ボルト以下、０．５ボルト以下、または０．０１〜０．２ボルトである。電源は、太陽電池、直流（ＤＣ）源、風車、電池（たとえば、フロー電池）、燃料電池などであってもよい。
【００３０】
図１は、ＭＥＡのカソード側で、凝縮された水および水素が、高圧力チェンバー７０内に集まる様子を、例示している。高圧力チェンバーオープンチェンバーであってもよく、たとえば、混合ガスおよび凝縮された水のみが、オープンチェンバーを占める。これとは逆に、高圧力チェンバーは、網スクリーンおよび解放チャネルを有する板の少なくとも一つを含んでいてもよい。高圧力チェンバーは、流体流動フィールドとして機能することができる、拡張板金を含んでいてもよい。
【００３１】
液体状の凝縮された水が、水路、たとえば図１に例示されている水路９０を介して、システムから回収される。水路９０は、システムからの除去のため、周囲（大気）圧力へ水を調整することができるレギュレータ９２を含んでいてもよい。改質された水素は、高圧力チェンバーの温度および圧力で、水蒸気で飽充される。高圧力チェンバー内の圧力は、５〜１００ＭＰａ、または１０〜５０ＭＰａ、または１０〜２０ＭＰａである。ここで、高圧力チェンバーにおける最高圧力は、高圧力チェンバーの機会耐久性と、膜にわたる圧力差に耐えるためのＭＥＡの能力とにより、制限されてもよい。
【００３２】
図１は、水素が、水素路８０を介して、高圧力チェンバー７０から除去される様子、および、低圧力チェンバー２０へ水素を再導入することにより、水素が選択的リサイクルされる様子を、例示されている。低圧力チェンバー内への導入の前に、ガスの圧力を下げるために、水素を、絞り弁８２を通してもよい。絞り弁は、水素ガスの断熱膨張として、作られてもよい。実際には、ガスのトータル圧力は、絞りバルブを通って下げることができ、さらに、水素の負のジュールトムソン効果により、水素の温度は、ある程度増加する。よって、ガスのトータル圧力を、桁違いに下げることができ、これにより、下げられた相対湿度を有する水素ガスとなるように、同じ比率だけ、水の部分圧力をもさげることができる。したがって、システムは、水素が保存されるので、連続的な動作のために、ある量のメイクアップ水素を必要としない、という利益を有する。なお、水選択膜が、当該膜を介したある量の水素浸透性を許す場合には、水選択膜を通して失われた水素を補うために、ある量のメイクアップ水素が必要とされる。
【００３３】
図２は、空気−水抽出システムのブロックを例示している。ファン６を介して、湿気を含む空気が、水選択膜１０に直接向けられている様子を、例示している。混合ガス路２２は、湿気を含む空気から除去された水および水素を含む混合ガスを、ＭＥＡのアノード３０に向けることができる。水素は、プロトンと電子とに分離され、電気浸透抗力により水と共に、プロトンは、プロトン交換膜を通って、カソード５０へ向けられる。カソード５０では、膜を通して駆動されたプロトンおよび外部回路を介してバスされた電子との反応を介して、水素は改質される。改質された水素および回収された水は、高圧力チェンバー７０に入る。水路９０を介して、水は、高圧力チェンバー７０から除去される。ここで、水は、水貯蔵タンク９４に向けられる前に、レギュレータ９２を通過してもよい。高圧力チェンバー７０からの水素は、水素路８０を介して、除去され、低圧力チェンバー２０へ再導入される前に、水素の圧力および相対湿度を下げるために、水素は、絞りバルブ８２を通過してもよい。
【００３４】
空気−水抽出システムは、空気を除湿するために、使用することができる。たとえば、周囲圧力および温度で、湿気を含む空気の相対湿度を、２０〜１００％または４０〜１００％の初期湿度から、０〜８０％または１０〜５０％または２０〜３５％または１９％〜８０％の最終湿度値へと、下げることができる。空気−水抽出システムの除湿能力を向上させるために、直列または並列に二つ以上の空気−水抽出ユニットを使用すること、高圧力チェンバー内の動作圧力を増加すること、各膜の表面領域を増加すること、ＭＥＡを横切るカレント密度を増加すること、および水素のフロー率を増加することの、少なくとも一つを含む、１以上のステップを取り入れることができる。
【００３５】
回収された水は、純粋な水であり、きれいな飲料水を供給するために使用することができる。ＭＥＡ１センチ平方あたり、１秒当たり、５×１０−４グラムの水（ｇ／ｓ／ｃｍ２）、たとえば、０．１〜４×１０−４ｇ／ｓ／ｃｍ２または１〜４×１０−４ｇ／ｓ／ｃｍ２と同等の割合で、水を回収することができる。
【００３６】
以下の例は、本開示を例示するために提供される。例は単なる例示であり、ここで述べられる、材料、条件、またはプロセスパラメータに対して、開示に従って作成される装置に限定する意図はない。
例
例１
【００３７】
空気−水抽出システムが、図２に例示したブロック図に従って用意され、当該システムを、周囲温度２０℃で動作させた。相対湿度が４０％の湿気を含む空気を、水選択膜１０へ導入させた。低圧力チェンバー内の水素は、７５％の相対湿度を有していた。ＭＥＡの動作電圧は、１センチ平方あたり、０．４２アンペア（Ａ／ｃｍ２）のカレント密度で、０．４９Ｖであった。高圧力チェンバーにおける圧力は、１平方インチ絶対圧力あたり、１６５ポンド（ｐｓｉ）（１．１３ＭＰａ）であった。絞りバルブ８２を通過した後の水素の圧力は、１６．７ｐｓｉ（０．１１ＭＰａ）であり、相対湿度は１０％であった。ファラデーの法則を用いて、プロトンの毎モルに対して、２．５モルの水がプロトン交換膜を通過することを仮定すると、１秒あたり、１センチ平方あたり、１．９６×１０−４グラムの水であるように、水の生成率が計算された。
【００３８】
本開示の限定されない側面が、後述される。
【００３９】
側面１：空気−水抽出システムは、選択拡散を介して、水選択膜を通って、第一のサイドから第二のサイドへと、湿気を含む空気からの水を運ぶように構成された、当該水選択膜と、前記水選択膜の前記第二のサイドおよび水素ガス注入口と、流体連通されている、低圧力チェンバーと、ここで、前記水素ガス注入口は、前記低圧力チェンバーに乾燥水素を運ぶように構成されており、アノード、プロトン交換膜、カソード、および電源を含む、膜電極接合体と、ここで、前記アノードは、前記低圧力チェンバーと流体連通されており、前記カソードから、飽和水素および液体水を受け取るために、前記カソードと流体連通されている、高圧力チェンバーと、前記高圧力チェンバーから前記流体水を除去するように構成された、前記高圧力チェンバーと流体連通されている、水路と、前記高圧力チェンバーから前記飽和水素を除去するための、水素路とを備える。
【００４０】
側面２：側面１の空気−水抽出システムであって、絞りバルブは、前記水素路に位置しており、前記水素路は、前記水素ガス注入口と流体連通されている。
【００４１】
側面３：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記水選択膜は、内部チェンバーを有するチューブの形状であり、前記チューブは、前記内部チェンバーにおいて前記乾燥水素と混合するために、前記チューブの外側面から、前記水選択膜を通るように、前記湿気を含む空気が通過するように、構成されている。
【００４２】
側面４：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記低圧力チェンバーは、０．２ｋＰａ〜５０ＭＰａの圧力で動作するように、構成されている。前記低圧力チェンバー内の圧力は、前記高圧力チェンバー内の圧力よりも低く、たとえば、少なくとも１０％低く、または少なくとも５０％低く、または１０〜９０％低い。
【００４３】
側面５：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記高圧力チェンバーは、５〜１００ＭＰａの圧力を維持するように、構成されている。前記高圧力チェンバー内の圧力は、前記低圧力チェンバー内の圧力よりも高く、たとえば、少なくとも１０％高く、または少なくとも５０％高く、または１０〜９０％高い。
【００４４】
側面６：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記高圧力チェンバーと流体連通されている水貯蔵タンクを、さらに備える。
【００４５】
側面７：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記電源は、１ボルト以下、または０．８ボルト以下、０．２ボルト以下、または０．０１〜０．２ボルトの電圧を、前記膜電極接合体に供給するように、構成されている。
【００４６】
側面８：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記膜電極接合体は、ガス拡散層をさらに備えている。
【００４７】
側面９：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記プロトン交換膜は、炭化水素ポリマーを含む。
【００４８】
側面１０：いずれか１つ以上の上記側面の空気−水抽出システムであって、前記水選択膜に向かうように、前記湿気を含む空気を方向づけするように構成された、前記水選択膜の前記第一のサイドに位置する、ファンをさらに備えている。
【００４９】
側面１１：いずれか１つ以上の上記側面のシステムを選択的に用いて、湿気を含む空気から水を除去する方法であって、水選択膜を介して、湿気を含む空気からの水を、低圧力チェンバーへ運ぶこと、および、混合ガスを形成するために、水素ガス注入口を介して、前記低圧力チェンバーへ、乾燥水素を方向づけすることと、ここで、前記低圧力チェンバーは、膜電極接合体と、流体連通されており、ここで、前記膜電極接合体は、アノード、プロトン交換膜、カソード、および電源を含み、前記アノードで前記乾燥水素をプロトンと電子とに分離させるために、前記膜電極接合体に対して電圧を印加すること、および、前記プロトン交換膜を介して、前記アノードから、前記カソードへ、前記プロトンおよび前記水を、方向づけすることと、ここで、結合した水素を形成するために、前記カソードで、前記プロトンは、前記電子と再結合し、高圧力チェンバー内で、前記結合した水素と前記水とを集めることとを、備える。
【００５０】
側面１２：側面１１の方法であって、水路を介して、前記高圧力チェンバーから、液体状の前記水を除去することを、さらに備えている。
【００５１】
側面１３：側面１１または側面１２の方法であって、水素路を介して、前記高圧力チェンバーから、前記結合した水素を除去することと、前記乾燥水素を形成するため、前記結合した水素の圧力および相対湿度を下げることと、前記水素ガス注入口を介して、前記低圧力チェンバーへ、前記乾燥水素を導入することとを、さらに備える。
【００５２】
側面１４：側面１１乃至側面１３の何れかの方法であって、前記湿気を含む空気は、２０〜１００％の初期相対湿度を有する。
【００５３】
側面１５：側面１１乃至側面１４の何れかの方法であって、前記乾燥水素は、２０％以下、または０〜１５％、または５〜１０％の相対湿度を有する。
【００５４】
側面１６：側面１１乃至側面１５の何れかの方法であって、前記水選択膜を通して運ばれる前記水および前記乾燥水素（前記乾燥水素内の水も含む）は、前記低圧力チェンバーにおいて、前記混合ガスの総体積の、９０〜１００ｖｏｌ％、または９５〜１００ｖｏｌ％、または９９．５〜１００ｖｏｌ％を占める、
【００５５】
側面１７：側面１１乃至側面１６の何れかの方法であって、前記水選択膜は、内部チェンバーを有するチューブの形状であり、前記方法は、前記チューブの前記内部チェンバーを通るように、前記乾燥水素を方向づけすることと、前記湿気を含む空気からの水が、前記水選択膜を介して、前記内部チェンバーへと運ばれるように、前記チューブの外側面へ前記湿気を含む空気を導入することとを、備え、前記チューブの前記内部チェンバーは、前記低圧力チェンバーであるか、または、前記チューブの前記内部チェンバーは、前記低圧力チェンバーと流体連通されている。
【００５６】
側面１８：側面１１乃至側面１７の何れかの方法であって、前記電圧を印加することは、１ボルト以下、または０．８ボルト以下、または０．５ボルト以下、または０．０１〜０．２ボルトを、印加することを含む。
【００５７】
側面１９：側面１１乃至側面１８の何れかの方法であって、前記低圧力チェンバー内の圧力は、０．２ｋＰａ〜５ＭＰａであり、前記高圧力チェンバー内の圧力は、５〜１００ＭＰａである。
【００５８】
側面２０：側面１１乃至側面１９の何れかの方法であって、前記湿気を含む空気を、前記水選択膜の第一のサイドへ方向づけすることを、さらに備える。
【００５９】
側面２１：上記側面の何れかに記載の前記接合体であって、前記低圧力チェンバーおよび前記高圧力チェンバーの少なくとも一方は、拡張板金を含む。
【００６０】
組成物、方法、および物品は、ここで記載された、適切な材料、ステップ、または構成要素を、選択的に、備え、これらから構成され、またはこれらから本質的に構成される。組成物、方法、および物品の機能または目的の達成に必要でない、材料（またはスピーシーズ）、ステップ、または構成要素を欠く、または実質的に含まないように、組成物、方法、および物品は、付加的にまたは選択的に考案され得る。
【００６１】
「ａ」および「ａｎ」の用語は、量の限定を意味するものではなく、むしろ言及された物の少なくとも１つの存在を意味している。「または」の用語は、「および／または」を意味するが、分により明確に別途示されている場合は、この限りではない。「側面」、「実施の形態」、「他の実施の形態」、「いくつかの実施の形態」などに対する、明細書を通しての言及は、実施の形態と関連して説明されている特定の要素（たとえば、特徴、構造、ステップ、または特質）は、ここで記載された少なくとも一つの実施の形態において、含まれており、他の実施の形態において、存在してもしなくてもよい、ということを意味している。加えて、説明された要素は、あらゆる適切な態様で、様々な実施の形態において、組み合わされてもよい、ということを理解される。
【００６２】
層、フィルム、領域、または基板などの要素が、他の要素と「接している」、のように述べられているとき、当該他の要素との直接の接触であってもよく、または、介在要素が存在してもよい。これに対して、要素が他の要素と「直接物理的に接触している」、のように述べられているときは、介在要素は存在しない。
【００６３】
ここで用いられている圧力値は、絶対圧力値であってもよい。相対湿度値は、各場所内における、たとえば、外部環境内、路内、低圧力チェンバー内、または高圧力チェンバー内における、動作温度および圧力でのものである。
【００６４】
同じ構成要素または特性に対して向けられている全ての範囲のエンドポイントは、当該エンドポイントを含み、独立に組み合わせることができ、および全ての中間ポイントおよび範囲を含む。たとえば、「２５ｗｔ％まで、または、５〜２０ｗｔ％」の範囲は、エンドポイントを含み、そして「５〜２５ｗｔ％」の全ての中間値、たとえば１０〜２３ｗｔ％などを、含む。
【００６５】
「少なくとも一つ」の用語は、リストが、個々に、各層を含み、また、当該リストの２以上の要素の組合せも含み、さらに挙げられていない要素などとの、当該リストの少なくとも一つの要素との組み合わせも含む。別途定義しない限り、ここで使用されている技術および科学用語は、本発明が属する技術分野における当業者により、一般的に理解されているものと同じ意味を有する。化学物は、正式名称を用いて記載されている。たとえば、示された基により置換されない場所は、示されているようなボンドにより満たされた価数、または水素原子を有すると、理解される。二つの文字またはシンボルの間にないダッシュ（「−」）は、置換基に対する付着のポイントを意味するために使用される。たとえば、−ＣＨＯは、カルボニル基の炭素を介して、付着される。
【００６６】
すべての引用された特許、特許出願、および他の参照は、全体として、参照によりここに組み込まれる。しかしながら、本願における用語が、組み込まれた参照内の用語と、矛盾または対立する場合には、本願からの用語が、組み込まれた参照からの用語よりも優先する。
【００６７】
特定の実施の形態について説明されている一方、現時点で予測しない、または予測しないかもしれない、代替手段、変更、変化、改良、および実質的な等価物は、出願人または当該技術分野の他の技術者に対して、生じ得る。したがって、提出される、および補正されるときの、添付の特許請求の範囲は、上記のような、代替手段、変更、変化、改良、および実質的な等価物の全てを包含するように意図されている。
【図１】
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【図２】
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