JP2023525988A - 電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ - Google Patents

Abstract

電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータを含む電気化学デバイスが開示され、このデバイスは、陰イオン交換ポリマーおよび水酸化ニッケルなどの電荷蓄積化合物からなる電極と、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための流路を有する膜とを含む【選択図】図１

Description

？関連する用途への相互参照
[0001]？この出願は、米国仮Applの利点を請求する。No
63？/027、760フィールドは、本明細書で参照により本明細書に組み込まれる、20、2020年5月20日に記載されている
？連発的にスポンジ化された研究又は開発に関する記載
[0002]？本発明は、Advanced Research Project社-Energy (ARPA-E)によって付与されたグラントDE-AR 0001034の下で政府のサポートを用いて作製された
？US Departs of Energy。政府は、本発明において一定の権利を有する

？[発明の属する技術分野]
[0003]？外部電流電気化学ポンプ(eECP)としても知られている電気化学デバイス、特に電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ(EDCS)が開示されている。EDCSは、空気から二酸化炭素を分離する方法に使用することができる
？[発明の背景]
[0004]？化石燃料および他の供給源の燃焼からの二酸化炭素(CO2)の排出は、大気中のCO2の蓄積を引き起こし、すべての社会のために費用のかかる結果を伴う気候変動につながる。炭素-中性置換は、化石燃料の多くの使用に対して生存可能であるが、いくつかの用途は、経済的に実行可能な代替物が少ない？これらの用途のために、炭素系燃料の継続使用は、CO2を捕捉し、CO2を地下に隔離するか、又は再生可能エネルギーを用いてCO2を使用して燃料をカーボンニュートラルにすることによって相殺することができる。CO2排出物の大規模点源は、比較的濃縮された流れから捕捉することができる
？しかしながら、輸送および空間加熱などの化石燃料の分散使用のためには、CO2排出物を使用時点で捕捉することができない
[0005]？大気からのCO2の直接空気捕捉(DAC)は、CO2排出物の分散源を相殺するために使用することができる。加えて、DACは、社会が有する場合に、大気から以前のCO2排出物を除去する電位を有する
？大気中のCO2の許容レベルをオーバーシュートさせる。DACのための既存の技術は、主に、吸着剤または溶媒を使用して、熱および圧力に基づく分離に焦点を合わせられる
[0006]？EDCSは、電気化学的に生成された水酸化物アニオンのフラックスを使用して、ガス混合物からCO2を分離する。CO2は、水酸化物アニオンのような強塩基と反応して、炭酸塩及び重炭酸アニオンを形成する

？EDCSでは、水酸化物アニオンがカソードで生成され、混合ガス流からCOsと反応する。得られた炭酸塩および重炭酸塩アニオンは、アノードに電気化学的に駆動され、水酸化物の消費は、pHを低下させる。pHの低下は、式1及び式2の平衡をシフトさせて、ガスCO2を有利にし、CO2を、それが除去された混合ガス流よりもはるかに高い分圧に濃縮することを可能にする
[0007]？原則として、水酸化アニオンを生成および消費する任意の一対の電気化学反応を、EDCSのカソードおよびアノードに使用することができる
？EDCSの前の例は、水素、酸素、および水の反応、すなわち、アノードのためのカソードおよび酸素発生反応(OER)または水素酸化反応(HOR)のための酸素還元反応(TORR)または水素発生反応(HER)に基づく。Rigon、W、A。et al (2017)。電気化学エネルギー変換および貯蔵のジャーナル；14(2)、p、020701；ランドon、J、&kithチン、J、R、J。エレクトロchem。Soc 157、B 1149(2010)；Pennline、H、W et al燃料89、1307-1314(2010)；Winnick、J？Chem Eng。Prog。86、41-45(1990)；Winnick、J。エレクトロchem。Sci Eng。1、205-248(1990)；Li、K&Li、N、Sep、Sci Technol。28、1085-1090(1993)。DACの適用のために、水素、酸素、およびウェハの4つの反応は、いくつかの理由では不十分である。トールは、空気中の酸素を所与として、便利なカソード反応であるが、トールを駆動するのに必要な運動過剰電位は、エネルギー消費を著しく上昇させる？HERは、通常空気流に失われるであろうカソードでの水素生成物の生成を含み、これは、エネルギーの有意な廃棄物を表す。アノード反応としてHORは、捕捉されたCO2の値に対して、エネルギー集約的で高価な水素の供給を必要とする？最後に、アノード反応であるOERは、大きな運動過剰電位を必要とし、酸素共存物との混合物として生成されるCO2をもたらし、その後、追加の下流分離を必要とする
[0008]？したがって、空気から二酸化炭素を除去するためのより効率的で費用対効果の高い装置および方法の必要性が存在する

[0009]？本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)に関する。EDCSは、細胞を含む。セルは、アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、電荷蓄積化合物およびアニオン交換ポリマーを含む2つの電極を含む？陰イオン交換ポリマーを含む膜と、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるように適合されたチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、アノードとなる電極と接触する開口を画定するチャネルと、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネルと、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネルと、を含む？と、二酸化炭素の流出のために適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルとを含む。セルは、運転において、カソードとなる電極で生成された水酸化物が膜内に輸送され、二酸化炭素含有ガスが膜に接触し、二酸化炭素が水酸化物イオンと反応して、重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩および炭酸イオンを形成するように適合されている？膜を介して陽極となる電極に炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを輸送し、陽極として作用する電極で炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを反応させて二酸化炭素と水を形成し、二酸化炭素を陽極となる電極の二酸化炭素の流出に適した流路を介してEDCSから放出する
[0010]？本開示の別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)に関する。EDCSは、細胞を含む。セルは、アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、2つの電極は、任意選択的に部分的に酸化された状態で水酸化ニッケルを含む、2つの電極と、アニオン交換ポリマーとを含む？水酸化ニッケルは、カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、アノードとして作用するときに水酸化物を消費する反応が可能であり、2つの電極に隣接し、2つの電極を分離する膜であって、アニオン交換体形成体を含む膜と、二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入に適合し、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を含む？と、二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入に適合し、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルとを含む。セルは、カソードとなる電極に水酸化物が生成され、二酸化炭素含有ガスがカソードとなる電極に接触し、二酸化炭素が水酸化物イオンと反応して重炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンを形成するように適合されている？膜を介して重炭酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンがアノードとなる電極に輸送され、炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンがアノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素と水を形成する
[0011]？EDCSは、電極に電流を供給するための電源をさらに備えることができ、電源は、電流の流れの方向を交互に反転させるように適合され、それによって、各電極が、アノードおよびカソードとして順に作用することを可能にする？あるいは、EDCSは、電極に電流を供給するための電源と、電源および電極に結合された電気スイッチとをさらに備え、電気スイッチは、電流の流れの方向を交互に反転させるように適合されており、それによって、各電極がアノードおよびカソードとして順に作用することを可能にする
[0012]？EDCSは、各電極に隣接する集電体をさらに備えることができる
[0013]？電荷蓄積化合物は、金属水酸化物、オキシ水酸化金属、金属酸化物、または水素吸蔵合金を含むことができる。例えば、電荷蓄積化合物は、ニッケル水酸化物、二酸化マンガン、部分充電状態の水酸化ニッケル、又はランタンニッケル水素化物を含むことができる。好ましくは、電荷蓄積性化合物は、水酸化ニッケルまたは水酸化ニッケルを部分的に帯電させた状態で含む
[0014]？EDCSは、2つの電極の各々の端部に沿って集電体に延在する2つの電極のそれぞれと膜との間にアイオノマー層をさらに含み、アイオノマー層は、アノードとなる電極内のアノードとなる電極から放出される二酸化炭素と、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネルとを封止するように適合される
[0015]？アイオノマー層は、アニオン交換ポリマーを含むことができる
[0016]？2つの電極のアニオン交換ポリマー、膜のアニオン交換ポリマーおよび/またはアイオノマー層のアニオン交換膜は、独立して、第4級アンモニウムまたはイミダゾリウム基と、エーテル基を有さないポリマー骨格とを含むことができる
[0017]？2つの電極の陰イオン交換ポリマー、膜の陰イオン交換ポリマーおよび/またはアイオノマー層の陰イオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキルSamriniurn-官能化ポリ(アリールアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)を含むことができる？置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能基化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(エチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)？アルキルアンモニウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせである
[0018]？2つの電極のアニオン交換ポリマー、膜のアニオン交換ポリマー、および/またはアイオノマー層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)を含むことができる
[0019]？アイオノマー層のアニオン交換ポリマーは、ポリジアリルジメチルアンモニウムを含むことができる
[0020]？膜は、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを含むことができる
[0021]？膜は、膜を通る二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を含むことができる
[0022]？セルは、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のために、電極内で生成された二酸化炭素をEDCSからチャネルを通して放出するように構成された逆止弁をさらに備えることができる。2つのこのような逆止弁は、EDCSの循環動作中に2つの電極のいずれかがアノードとなるため、EDCS内にあり得る
[0023]？EDCSは、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるために、チャネルを通して二酸化炭素含有ガスを送風するためのファンをさらに備えることができる
[0024]？二酸化炭素含有ガスは、空気を含むことができる
[0025]？EDCSは、直列に電気的に接続された1つ以上の追加のセルからなるスタックと、アノードとなる電極の各々から二酸化炭素を流出させるように適合されたマニホールドとをさらに備えることができる
[0026]？アイオノマー層は、二酸化炭素の流出のために2つの電極およびチャネルのそれぞれを取り囲むことができる
[0027]？集電カートは、2つの集電板の代わりに各セル間に双極板を備え、スタックの各端部に集電板を備える
[0028]？双極板は、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成することができる。二酸化炭素の流出のためのチャネルは、双極板および電極に対して垂直であり得る
[0020]？本開示の他の態様は、上記のように金属空気電池とEDCSとを備える電池システムであって、二酸化炭素含有ガスは空気であり、EDCSに空気を供給して二酸化炭素の濃度を低下させた後、二酸化炭素の濃度が低減された空気を金属空気電池のカソード入口に向ける
[0030]？本開示のさらに別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法に関する。この方法
？前記EDCSに前記二酸化炭素含有ガスを供給し、前記EDCSに電流を流すことを特徴とする
[0031]？電流は、2つの電極の一方がアノードとなり、2つの電極の他方がカソードとなる第1相と、2つの電極の一方がカソードとなり、他方がアノードとなるように電流が駆動される第2相とでEDCSを介して駆動することができる
[0032]？EDCSの電圧は、アノード中の水酸化ニッケルのほとんど又は全てをオキシ水酸化ニッケルに変換し、カソード中のオキシ水酸化ニッケルのほとんど又は全てを、セル又はセルの極性が反転する前に水酸化ニッケルに変換するのに十分な時間継続するように、一定の電流で監視することができる。例えば、EDCSの電圧が細胞当たり約0。5-約1。0Vの範囲にあるとき、細胞または細胞の極性を反転させることができる
[0033]？方法は、2つの電極のためのオキシ水酸化ニッケルとオキシ水酸化ニッケルとの比を監視することをさらに含み、2つの電極を組み合わせた場合、100は充電(SOC)の細胞平均状態を示し、比が0。5未満に設定された所望の閾値に達したとき、または細胞平均SOCが50%未満の所望の閾値に到達したときに介入をトリガすることをさらに含むことができる
[0034]？この方法は、第1の相および第2の相のそれぞれを通過した総電荷を監視し、第1の相および第2の相のうちの1つを通過した総電荷が公称電極容量の所定の割合を下回るときに介入をトリガすることをさらに含むことができる
[0035]？介入は、より高い電圧閾値に達するまで、動作の位相を延長することを含むことができる。例えば、より高い電圧閾値は、セル当たり約1。0-約2。0Vの範囲であり得る
[0036]？介入は、所定の量の電荷が通過するまで、動作の位相を延長することを含むことができる。例えば、所定量の電荷は、公称電極容量の約80%-約120%の範囲とすることができる
[0037]？介入は、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素または空気を供給することを含むことができる
[0038]？介入は、水素発生反応を促進するためにEDCSに電流を印加することを含むことができる
[0039]？他の目的および特徴は、部分的に明らかであり、以下で指摘される部分である

[0052]？対応する参照文字は、図面を通して対応する部分を示す
？図1は、化学反応および主要種を含む、1相の運転におけるEDCSの概略図である ？図3に示す線に沿って取ったEDCSセルの正面断面図である ？図2に示す線に沿って取ったEDCSセルの上面断面図である ？図4は、電極の各々と、2つの電極のそれぞれの端部に沿って集電体に沿って延在する膜との間にアイオノマー層を含むEDCSセルの上面断面図である ？図6に示されるようなラインに沿って取られたEDCS反復ユニットの上部断面図である ？図5に示す線に沿ったEDCS繰り返しユニットの正面断面図である ？EDCSスタックの正面断面図である ？EDCSスタックの上面断面図である ？図9は、実施例1で報告された時間の関数として、輸送されたCO2分子当たりの電子の計算された比、算出されたCO2輸送速度、セル電流、セル電圧、アノード出口CO2濃度、およびカソード出口CO2濃度のプロットである ？実施例1の実験から算出し、各セル電圧保持工程で平均化した平均CO2フラックスを示す棒グラフである ？実施例1の実験の各セル電圧工程における電気化学セルの平均エネルギー消費量を示す図である ？図12は、動作の両相において、二酸化炭素含有ガスがカソードに向かうEDCSの概略図を示す

[0053]？本開示は、電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)、および利用または隔離のために空気などの二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する際のそれらの使用に関する。EDCSは、大気からCO2を除去することができるため、炭素-ネガ技術である
[0054]？例えば、本開示は、セルまたはEDCSスタックを含む電気化学的に駆動されるCO2セパレータに関する。EDCSスタックは、直列に電気的に接続された1つ以上のセルを含む
[0055]？各セルは、第1の電極、膜、および第2の電極を含む。第1の電極及び第2の電極は、水酸化ニッケル、アニオン交換ポリマー、及び必要に応じてニッケルフォームガス拡散層を含む。第1の電極および第2の電極は、それぞれアノードおよびカソード反応が可能であり、電流の流れの方向に応じて、一方の電極がセルのアノードとなり、他方の電極がセルのカソードとなる
[0056]？アノードには、水酸化ニッケル(Ni (OH)2がオキシ水酸化ニッケル(NiO (OH))に酸化され、プロセス中の水酸化アニオン(OH-)が消費される

？カソード反応は、式3の逆である

[0057]？カソードで生成された水酸化物アニオンは、アニオン交換ポリマーを含むアイオノマー層によって膜中に輸送される。膜は、アニオン交換ポリマーおよび統合された二酸化炭素含有ガス流路を含む。膜内では、空気からの二酸化炭素が水酸化物アニオンと反応し、式1及び式2に従って重炭酸塩及び炭酸アニオンが生成される
[0058]？重炭酸塩、炭酸塩、及び任意の残留水酸化物アニオンは、膜からアノードに輸送される。アノードでは、式3を介した水酸化物の消費により、pHが低下し、炭酸水素塩及び炭酸塩は、式1及び式2の逆に応じて分解し、二酸化炭素及び水酸化物アニオンを放出し、純粋な二酸化炭素は、アノードから回収される[0059]？セルは、第1の電極と流体連通する第1の二酸化炭素流路と、第2の電極と流体連通する第2の二酸化炭素流路とをさらに備える。第1の二酸化炭素流路は、電流の流れ方向に応じて、第1の電極を陽極としたときに二酸化炭素を回収し、第2の二酸化炭素流路は、第2の電極を陽極として二酸化炭素を回収する
[0060]？スタックは、各セルの第1の二酸化炭素流路と流体連通する第1のマニホールドと、各セルの第2の二酸化炭素流路と流体連通する第2のマニホールドとをさらに備える
[0061]？EDCSは、第1のマニホールドに接続された逆止弁と、第2のマニホールドに接続された逆止弁とをさらに備える。製品二酸化炭素は、逆止弁を通してEDCSから回収され、逆止弁は、電極がカソードとして機能するときに、マニホールド、流路、および電極への二酸化炭素の逆流を防止するように配向される
[0062]？さらに、本開示は、本明細書に記載のEDCSの膜の二酸化炭素含有ガス流路に二酸化炭素含有ガスを供給し、EDCSを介して環状に電流を駆動することを含む、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法に関する？電流の周期的な供給は、第1の電極がアノードとなり、第2の電極がカソードとなるように電流が駆動される第1の相と、第1の電極がカソードとなり、第2の電極がアノードとなるように電流が駆動される第2の相とを含む？各相は、アノード中の水酸化ニッケルのほとんど又は全てをオキシ水酸化ニッケルに変換し、カソード中のオキシ水酸化ニッケルのほとんど又は全てをニッケル水酸化物に変換するのに十分な時間継続される
[0063]？電極の完全な変換が行われたときに、EDCS電圧が監視される。定電流で電圧が所定の閾値を超えると、セルの極性が反転する。電圧閾値は、細胞当たり0。5-1。0Vの範囲であってもよい
[0064]？電極の電池平均状態(SOC)は、オキシ水酸化ニッケルに対する完全な転化が示されるように、結合された電極中のオキシ水酸化ニッケルとオキシ水酸化ニッケルとの比として定義される
100？SOC%であり、水酸化ニッケルへの完全な転化率は0%SOCを表し、通常運転時には、第1および第2の電極の平均SOCは約50%となり、平均SOCが50%から大きく発散すると、電極のサイクルの程度が制限される。例えば、平均SOCが30%である場合、各電極は、0-60%のSOCからのサイクルのみ可能であり、酸素発生反応(OER)のような副反応は、細胞の平均SOCを徐々に減少させることができる
[0065]？細胞平均SOCが実質的に50%未満に低下した場合、デバイスの寿命を延ばすために、細胞の平均SOCを高めるために追加の介入を適用することができる。1つの介入は、カソードが0%付近に到達し、カソード電位が正常範囲より低下した後であっても、セルを通して電流を駆動し続けることである？十分に低いカソード電位では、2つのカソード側反応のうちの一方が、電流が流れ続けることを可能にするために、酸素還元反応、または水素発生反応を可能にするために起こることができる
[0066]？加えて、本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、各相中を通過する全電荷を追跡することによってセルの平均SOCを監視し、電荷が公称電極容量の所定の割合を下回ったときに介入がトリガされる方法を対象とする。介入は、より高い電圧閾値に達するまで、現在の動作の位相を延長することを含むことができる？高電圧閾値は、セル当たり1。0-2。0Vの範囲であってもよい。あるいは、介入は、所定の量の電荷が通過するまで、現在の動作の位相を延長することを含むことができる。所定の電荷は、公称電極容量の80%-120%の範囲であってもよい。介入は、酸素還元反応を促進するために、EDCSのカソードに酸素または空気を供給することをさらに含むことができる
？しかしながら、酸素の供給は必須ではなく、代わりに水素発生反応によって電流を流すことができる
[0067]？EDCSの概略は、図1に示されており、一方の電極はカソードとして標識され、他方の電極はアノードとして標識される。電流は、電源からセルに供給される。水酸化ニッケルのような電荷蓄積性化合物の還元によって、水酸化物アニオンがカソードにおいて電気化学的に生成され、膜中に輸送される？膜において、水酸化物は、膜流路に供給されるガス(好ましくは空気)を含む二酸化炭素から二酸化炭素と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩は、アノードに輸送される。アノードでは、水酸化ニッケルの酸化は水酸化物を消費し、pHの低下及び炭酸塩及び重炭酸塩の分解を引き起こし、二酸化炭素を放出する。二酸化炭素生成ガスは、アノードから流出する？サイクルの第1および第2の相の間、アノードおよびカソードとなる電極は交互になる。しかしながら、図1に示されるようなセルのメカニズムは、ラベルアノードおよびカソードを使用して、両方の相に適用される
[0068]？EDGSセルの正面断面図が図2に示されており、セルは、第1の電極20と、メンブレン3と、第2の電極30とを備え、セルは、各電極に隣接する集電板10をさらに備えることができる。膜は、二酸化炭素含有ガスが膜を通過することを可能にするアニオン交換ポリマーおよび二酸化炭素含有ガス流路4を含む？任意選択で、膜は、二酸化炭素含有ガス流路4に加えて細孔容積を含むように多孔性であり得、二酸化炭素が膜のバルクをより迅速に拡散することを可能にする。電源51は、集電板に電流を供給する
[0069]？EDCSセルの頂部断面図が図3に示されており、セルは、第1の電極20と流体連通する第1の二酸化炭素回収チャネル21と、第2の電極30と流体連通する第2の二酸化炭素回収チャネル31とを備え、これらの収集チャネル21、31は、アノードとなる電極から二酸化炭素を流出させるためのものである
[0070]？EDGSセルの好ましい実施形態の頂部断面図が図4に示されており、セルは任意選択的に、電極と膜との間に挿入されたアイオノマー層11を含む。アイオノマーiayersは、任意選択で、電極、二酸化炭素回収チャネル、および集電板を包囲して、気密性のある海を提供することができる!電極の周囲には、電極が配置されている。アイオノマー層は、アニオン交換ポリマーを含む
[0071]？膜が多孔質である場合、アイオノマー層の代わりに、アノードからの二酸化炭素の漏出を防止することができる緻密なアニオン交換ポリマーの層を用いることができる
[0072]？図5には、繰り返し単位の頂部断面模式が示されており、EDCSは、1つ以上の反復ユニット1のスタックを備えているが、各ユニット1は、バイポーラ電極アセンブリ2と、膜3とを備えているが、EDCSは、上述のように1つ以上のセルを備えているが、個々のセルではなく、繰り返しユニット1からスタックを製造するのに便利であり得る
[0073]？双極型電極アセンブリ2は、1つのセルの第2の電極20および第2の二酸化炭素回収チャネル21と、隣接するセルの第1の電極30および第1の二酸化炭素回収チャネル31とを備える。隣接する2つの集電体は、単一のバイポーラプレート10に置き換えられ、任意選択で、バイポーラ電極アセンブリは、電極、双極板、および二酸化炭素流路の外部を包囲するアイオノマー層11をさらに含むことができる
[0074]？第1および第2の電極20、30は、ガス輸送を可能にするのに十分な多孔度を有する水酸化ニッケル電極触媒およびアニオン交換ポリマーを含むことができる
[0075]？第1および第2の電極20、30は、グラファイト、カーボンブラック、または金属ニッケルなどの導電性添加剤をさらに含むことができる
[0076]？第1及び第2の二酸化炭素流路21、31は、プレートを転動させて、第1及び第2の電極20及び30との流体連通を可能にする間隙22、32を有する流路を形成することによって、双極板10から形成することができる
[0077]？随意に、バイポーラ電極2は、第1の電極20、第1の二酸化炭素回収チャネル21、第2の電極30、および第2の二酸化炭素回収チャネル31と接触するイオノマー外囲器11をさらに含み、イオノマー外囲器11は、第1の電極20および第2の電極30を周囲環境から隔離するための気密シールを提供する
[0078]？バイポーラ電極2の正面断面図が図6に示されており、バイポーラ電極2は、第2の電極30の端部を封止するガスケット33と、第1の電極20の端部を封止するガスケット23とを備え、必要に応じて、イオノマー外囲器11は、双極板10に接触することができ、第1および第2の電極20、30の未封止端26、36は、それぞれ、第1および第2の二酸化炭素流路21、31(図5)と流体連通している
[0079]？平面モジュールは、平面セルのスタックを含み、マニホールドは、活性領域の外側の境界領域に組み込まれ、ガスを各セルセルに分配するために、流路を組み込む双極板によって分離されてもよく、またはセルは、流路を提供するために使用される導電性メッシュ供給スペーサを有する平面双極板によって分離されてもよい。前者は、図7に示すように、導電性双極板によって電気的に直列に接続されている？平面構成が示されているが、EDCSは、当技術分野で知られているようなスパイラルスタックのような他の構成で作製することができる
[0080]？直列に電気的に接続された複数の反復ユニット1を含むスタック40の正面断面図が図7に示されており、スタック40は、スタック40内に流体連通を提供するための第1のマニホールド24および第2のマニホールド34を含み、または、第1および第2のマニホールド24、34の両方は、バイポーラ電極2の頂部または底部に位置することができる？随意に、追加のマニホールドを追加して、各二酸化炭素流路の入口および出口マニホールドの両方を作成することができる。各ユニット1の第1の二酸化炭素流路21は、第1のマニホールド24と流体連通しており、各ユニット1の第2の二酸化炭素流路31は、第2のマニホールド34と連通している
[0081]？図8では、スタック40の頂部断面図が、縦向き(紙面に垂直)の第1および第2の二酸化炭素流路21、31と、水平配向(紙面に平行)の二酸化炭素含有ガス流路4(図示せず)とで示されている。この配向は図示されているが、デバイスは、任意の配向で使用するか、または任意の向きで使用することができる
[0082]？スタック40の各バイポーラ電極2は、第2の電極30の端部と、第1のマニホールド24との流体連通を防止するための第2の二酸化炭素流路31(図示せず)と、第1の電極20の端部および第1の二酸化炭素流路21(図示せず)を封止して第2のマニホールド34との流体連通を防止するガスケット23とを封止するガスケット33を含む
[0083]？積層体40において、繰り返し単位1は、1つのバイポーラ電極2と1つの膜3とを備えているが、繰り返し単位の境界は、単セルの境界と一致していない。単セルは、1つの繰り返し単位1の第2の電極30および膜3と、次の隣接する繰り返し単位1の第1の電極20とを含む
[0084]？図7に示すスタックの右端には、最終的なセルを完成させるために、端部電極43が集電体46に隣接して含まれている。スタック40のSett端における第1の繰り返し単位1のバイポーラ電極2は、端部電極41とみなすこともできるが、端部電極41、43は、バイポーラ電極2と同一または類似の構成とすることができ、この場合、余分な電極および余分な二酸化炭素流路が存在するが、スタックの動作には使用されない
40.
[0085]？あるいは、端部電極41、43は、単一の電極、双極板、および単一の二酸化炭素流路のみで構成されてもよく、端部電極41、43の双極板10と集電体45、46との間に転移スペーサ42、44を含む
[0086]？端部電極41、43は、スタックへの外部電気接続部が形成された集電体45、46に電気的に接続されている
[0087]？第1および第2のマニホールド24、34は、スタック40への二酸化炭素の逆流を防止するための逆止弁25、35を有する出口を有し、運転中、カソードとしての電極は、電極、二酸化炭素流路、およびマニホールドの細孔容積内の任意の利用可能な二酸化炭素を消費するが、この二酸化炭素の量は制限される。逆止弁は、追加の二酸化炭素の流入を防止し、二酸化炭素が速やかに消費される？逆止弁はまた、セル又はスタックのカソード側への空気流入、セル又はスタックのカソード側からの空気流出(CO2が除去された)及びセル又はスタックのアノード側からの二酸化炭素流出を制御する
[0088]？EDCSは、流路4を通る二酸化炭素含有ガスの循環を改善し、存在する場合、カソード空隙容積を通って、二酸化炭素含有ガスの循環を改善するためのファン50をさらに備えることができる
[0089]？あるいは、膜は、流路を備えておらず、電極流路は、二酸化炭素含有ガスおよび二酸化炭素生成ガスの両方の流れに適合されている。二酸化炭素含有ガスは、図12に示すように、カソードとなる電極に向けられており、図12に示すように、アノードとなる電極から二酸化炭素生成ガスが回収される。水酸化物及び二酸化炭素の反応は、膜内ではなく、カソード内で行われる
[0090]？EDCSは、電極の外側にガス拡散層を含むことができる。ガス拡散層は、カーボンペーパーのような当技術分野で知られている任意の適切な材料を含むことができる。例えば、ガス拡散層は、5%及び10%のウェットプルーフ、及び/又は、Sigracet 29BCを有する東レ紙060を含むことができる
[0091]？2つの電極、膜またはアイオノマー層で使用されるアニオン交換ポリマーは、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-co-ジビニルベンゼン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)を含むことができる？アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エビレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキルアンモニウム官能化ポリ(エチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキルアンモニウム-官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(エチレン-co-テトラフルオロエチルエン)？置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-co-テトラフィロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせである。ポリ(アリールピペリジニウム)またはポリジアリルジメチルアンモニウムが好ましい
[0092]？2つの電極におけるアニオン交換ポリマーは、同一であることが好ましい
[0093]？アイオノマーは、水酸化物伝導性ネットワークを提供する。すべての実験使用PAP膜およびイオノマー。PAP膜およびイオノマーは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第10、290890号、米国特許出願シリアルNo、16/651、622、およびポット公報WO 2019/068051に記載されている。好ましいアイオノマーはPAP-TP-85である
[0094]？膜中のアニオン交換ポリマーは、アイオノマー層中の電極またはアニオン交換ポリマー中のアニオン交換ポリマーとは異なることができる。これらの成分中の陰イオン交換ポリマーは、同一であってもよく、一部が同一であってもよく、全て異なっていてもよい
[0095]？EDCSの電池電極反応は、周期的な動作を必要とし、電流は周期的に反転し、電極はカソードであり、水酸化物を生成し、電極はアノードであり、二酸化炭素を濃縮する
[0096]？EDCSには、電源によって電流が供給される。電源は、その出力電流を直接反転させることができ、またはデュアルポールデュアルスロースイッチ/リレーを使用して、EDCSの端子と電源の端子との間の接続を逆にすることができる
[0097]？典型的な双極板は、ステンレス鋼の薄いシートである。一方の側はアノードに電気的に接続され、他方の側は隣接するセルのカソードに電気的に接続される
[0098]？電極は、当該技術分野で公知の方法によって調製することができる。電極は、本明細書に記載される電荷蓄積化合物と、次いで、セルの隣接する成分に噴霧または鋳造されるアニオン交換ポリマーとを含むインクから調製することができる。あるいは、電荷蓄積化合物を基板上に電気的に付着させ、次いでアニオン交換ポリマーでコーティングすることができる？例えば、Ni (OH)2電極は、3電極セルを使用して塩化ニッケル(NiCl 2)溶液から基板上に電着し、続いて水酸化カリウム溶液中で前サイクリングしてNiO (OH)を生成することによって調製することができる。次いで、NiO (OH)/Ni (OH)2電極を、溶液からアニオン交換ポリマーで浸漬する
[0099]？EDCSセルまたはEDCSスタックは、当技術分野でよく知られている標準的な方法論を使用して構築することができる
[00100]？本明細書に記載されるようなEDCsは、従来のエネルギー源に対して最小限のエネルギーコスト及び長いサイクル寿命を有するCO2を効率的に除去するために、低コストの電気化学セルを提供する。得られたCO2は、化学合成に使用することができる。二酸化炭素ガスが除去された空気は、空気取入口を用いて金属空気電池または他の装置またはプロセスに供給することができる
[00101]？本明細書に記載のEDCSは、金属空気電池に供給される二酸化炭素含有ガスは、EDCSのカソードにおける水酸化物イオンとのCO2の反応によって達成される、約20ppm未満、18ppm、16ppm、15ppm、12ppm、10ppm、8ppm、6ppm、5ppm、4ppm、3ppm、または2ppmの二酸化炭素を含む
[00102]？発電プラントによって生成されるような煙道ガスが二酸化炭素含有ガスである場合、排ガスは、CO2の除去後に大気中に放出されてもよく、又は、それが放出される前に他の汚染物質を除去するためにさらに処理されてもよい
[00103]？EDCSは、炭素負の放出であり、化石燃料などの炭素放出技術の効果を相殺するために使用することができる直接空気捕捉技術、工業プロセスおよび陸上使用を目的とし、正味のゼロCO2排出を達成し、気候変動を最小限に抑えることができる
[00104]？EDCSは、液体または固体の取り扱いを伴わず、またはいくつかの炭素ネガティブ技術によって必要とされるような高温焼成を必要としない
[00105]？ここで開示される発明は、DACの適用によって示されているが、他の用途が可能である。これらの用途の例には、建物内又は建物内に流入する空気からCO2を除去すること、より高い再循環速度を可能にし、したがってHVACエネルギー消費を節約すること、CO2有人宇宙機を除去すること、及び周囲空気infoグリーンハウス又は他の構造からCO2をポンピングして、植物の成長を助けることが含まれる
？定義
[00106]？"双極板は、1つのセルのカソードと隣接セルのアノードとの間の電気的接続を提供し、
[00107]？"slpm"は、0℃、1気圧の標準条件で1L/分に相当するガス流量の単位である
[00108]？本発明を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変更が可能であることは明らかであろう

[00109]？本発明をさらに説明するために、以下の非限定的な例が提供される
？[実施例1]電極製剤
[00110]？Ni (OH)2電極を、3電極セルを用いて塩化ニッケル(NiCl 2)溶液からニッケルフォーム基板上に電着することにより作製した。より具体的には、電極は、0。1M NiCl 2溶液中の10mA/cm 2の電流密度で30分間約5cmの寸法で約5cmの寸法でニッケルフォーム上に電着され、続いて0。1M KOH溶液中で予めサイクリングされてNiO (OH)が生成された。NiO (OH)/Ni (OH)2電極を、5重量%溶液からエタノール溶媒中でポリ(アリールピペリジニウム)アイオノマーで浸漬した
？[実施例2]EDCS製剤
[00111]？完全EDCS細胞を、poを用いて構築した!Y (arySピペリジニウム)膜および2つのNiO (OH)/Ni (OH)2電極。セルを25cm (2)の単セル型燃料電池固定具に3重の蛇行流場を用いて組み立てた。5cmの開口部を有するガスケットをアノード流れ場上に配置した。次に、5cmのカーボンペーパーガス拡散層をアノード流れ場の開口部に配置した。第1NiO (OH)/Ni (OH)2電極をガス拡散層、7、5cm：x 7の上に配置した5？cm膜を電極およびガスケットの上に配置した。5cmの開口を有する第2のガスケットを膜上に配置し、第2の電極を膜と接触して開口の内側に配置した。第2の電極上に、5cmのカーボンペーパーガス拡散層による第2の5cmを配置した。最後に、カソード流れ場を配置し、細胞を閉鎖した
？[実施例3]EDCS動作及び性能
[00112]？セルは、440ppmのCO2を含む0。5slpmの空気によって供給され、57。7℃の露点に加湿されたアノードおよびカソードの両方で、60℃で運転された。アノードおよびカソード出口の両方を凝縮器を通過させて水を除去し、CO2分析器に向けてCO2の含有量を測定した。細胞をポテンショスタットに接続してセル電圧を制御し、電流を測定した。セルは、一連の電圧保持ステップ：-0。8V、1200s、-0。3V、600s、0で実行された3？970s、-0。3Vは1800s、1350sは0。3Vである
[00113]？結果は、図9に示され、アノードおよびカソード出口流中の電流、電圧、CO2濃度、セルを通るCO2輸送の計算速度、およびCO2の1分子当たりに通過する電子の計算された比を含む
？輸送。CO2は、印加電圧の極性に応じて双方向に輸送されたことが示された。輸送されたCO2分子を通過した電子の割合は、典型的には1から2までの範囲であって、EDCSのカソード内で水酸化物を炭素および重炭酸水素に近完全に変換することを示す
[00114]？図10では、CO2フラックスが示され、各電圧保持ステップにわたって平均化され、セル領域によって正規化され、年間ベースに変換される。-0。8Vでの保持は、より高いエネルギー消費にもかかわらず、+/-0。3Vでの保持よりも有意に優れていなかった。+/-0。3Vでの平均化を平均化すると、CO2フラックスは19kg/m 2-年であった
[00115]？図11において、単セルのエネルギー消費量は、輸送されたCO2のトング毎に算出された。+/-0。3Vを超えて平均化したところ、電気化学セル単独(補機を除く)からのエネルギー消費は0。6MWh/tであった
[00116]？本発明の要素又はその好ましい実施形態を導入する場合、物品"a"、"an"、"the"及び"the"は、1つ以上の要素が存在することを意味するものとする。"含む"、"含む"、および"含む"という用語は、包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する
[00117]？上記のことから、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が達成されることが分かるであろう
[00118]？本発明の範囲から逸脱することなく、上記の装置および方法において種々の変更を行うことができるので、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されているレール事項は、例示として解釈され、限定的な意味ではないことが意図される

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年５月２０日出願の米国仮出願第６３／０２７，７６０号の利益を主張し、その開示全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

連邦政府の資金による研究又は開発に関する声明
本発明は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｇｅｎｃｙ－Ｅｎｅｒｇｙ（ＡＲＰＡ－Ｅ），Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙによって付与された助成金ＤＥ－ＡＲ０００１０３４の下で政府の支援を受けて成された。政府は、本発明においてある特定の権利を有する。

電気化学的デバイス、特に外部電流電気化学ポンプ（ｅＥＣＰ）としても知られる電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）が開示される。ＥＤＣＳは、空気から二酸化炭素を分離するための方法に使用され得る。

化石燃料及びその他の資源の燃焼による二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出は、大気中のＣＯ_２の蓄積を引き起こすことにより、気候変動をもたらし、全ての社会にとって高いコストを支払う結果となっている。カーボンニュートラルな置き換えは、化石燃料の多くの使用に対して実行可能であるが、いくつかの用途には、経済的に実行可能な代替手段がほとんどない。これらの用途では、ＣＯ_２を回収して、そのＣＯ_２を地下で隔離するか、又は再生可能エネルギでＣＯ_２を使用してカーボンニュートラルな方法で燃料を作成するか、のいずれかによって、炭素ベース燃料の継続的な使用を相殺することができる。ＣＯ_２排出の大規模なポイントソースは、相対的に濃縮された流れから回収することができる。しかしながら、輸送及び室内暖房などの化石燃料の分散された使用については、使用時点でＣＯ_２排出を回収することができない。

大気からのＣＯ_２の直接空気回収（ＤＡＣ）を使用して、ＣＯ_２排出の分散源を相殺することができる。更に、ＤＡＣは、社会が大気中のＣＯ_２排出の許容レベルを超えた場合に、大気中から過去のＣＯ_２排出を除去する可能性を有する。ＤＡＣの既存の技術は、主に吸着剤又は溶媒を使用した熱及び圧力ベースの分離に焦点を当てている。

ＥＤＣＳは、水酸化物アニオンの電気化学的に生成されたフラックスを使用して、ＣＯ_２をガス混合物から分離する。ＣＯ_２は、水酸化物アニオンのような強塩基と反応して、炭酸塩及び重炭酸塩アニオンを形成する。

ＥＤＣＳでは、水酸化物アニオンがカソードで生成され、混合ガス流からのＣＯ_２と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩アニオンは、アノードに電気化学的に駆動され、水酸化物を消費してｐＨを低下させる。ｐＨの低下により、式１及び２の平衡が気体ＣＯ_２に有利に移行し、ＣＯ_２が、それを除去した混合ガス流よりもはるかに高い分圧に濃縮される。

原則として、水酸化物アニオンを生成し消費するいずれの一対の電気化学反応を、ＥＤＣＳのカソード及びアノードに使用してもよい。ＥＤＣＳの以前の例は、水素、酸素、及び水の反応、すなわち、カソードについては酸素還元反応（ＯＲＲ）又は水素発生反応（ＨＥＲ）、アノードについては酸素発生反応（ＯＥＲ）又は水素酸化反応（ＨＯＲ）に基づいている。Ｒｉｇｄｏｎ，Ｗ．Ａ．ら（２０１７）．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ，１４（２），ｐ．０２０７０１；Ｌａｎｄｏｎ，Ｊ．＆Ｋｉｔｃｈｉｎ，Ｊ．Ｒ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１５７，Ｂ１１４９（２０１０）、Ｐｅｎｎｌｉｎｅ，Ｈ．Ｗ．ら、Ｆｕｅｌ８９，１３０７－１３１４（２０１０）、Ｗｉｎｎｉｃｋ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｐｒｏｇ．８６，４１－４５（１９９０）；Ｗｉｎｎｉｃｋ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．１，２０５－２４８（１９９０）；Ｌｉ，Ｋ．＆Ｌｉ，Ｎ．Ｓｅｐ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２８，１０８５－１０９０（１９９３）。ＤＡＣの用途に対し、水素、酸素、及び水の４つの反応は、いくつかの理由にあまり適切ではない。ＯＲＲは、空気中の酸素を考えると便利なカソード反応であるが、ＯＲＲを駆動するために必要な運動過電位は、エネルギ消費を著しく増加させる。ＨＥＲは、カソードで水素副生成物の生成を伴い、これは通常、空気流に失われることになるため、エネルギのかなりの無駄を示す。アノード反応としてのＨＯＲは、水素の供給を必要とし、水素は、回収されたＣＯ_２の値と比較して、生成するのにエネルギ集約的かつ高価である。最後に、アノード反応としてのＯＥＲは、大きな運動過電位を必要とし、酸素副生成物との混合物として生成されるＣＯ_２となり、その後、追加の下流分離を必要とする。

したがって、空気から二酸化炭素を除去するための、より効率的で費用対効果の高いデバイス及び方法が必要である。

本開示は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するための、電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＣＤＳ）を対象とする。ＥＣＤＳは、セルを備える。セルは、アノード又はカソードとして作動することができる２つの電極であって、２つの電極は、電荷貯蔵化合物及びアニオン交換ポリマを含み、電荷貯蔵化合物は、カソードとして作動する場合、水酸化物を形成するように反応し、アノードとして作動する場合、水酸化物を消費するように反応することができる、２つの電極と、２つの電極に隣接し、かつ２つの電極に隣接を分離する膜であって、膜は、アニオン交換ポリマを含む、膜と、膜内で二酸化炭素含有ガスの流入に適合されたチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、二酸化炭素の流出に適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を備える。セルは、動作中に、カソードとなる電極で生成された水素は、膜に輸送され、二酸化炭素含有ガスは、膜と接触し、二酸化酸素は、水酸化物イオンと反応して重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンを形成し、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送され、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、アノードとして作動する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成し、二酸化炭素は、アノードとなる電極の二酸化炭素の流出に適合されたチャネルを通ってＥＤＣＳから放出されるように適合されている。

本開示の別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）を対象とする。ＥＤＣＳは、セルを備える。セルは、アノード又はカソードとして作動することができる２つの電極であって、２つの電極は、任意選択的に部分酸化状態のニッケル水酸化物及びアニオン交換ポリマを含み、ニッケル水酸化物は、カソードとして作動する場合、水酸化物を形成するように反応し、アノードとして作動する場合、水酸化物を消費するように反応することができる、２つの電極と、２つの電極に隣接しており、かつ２つの電極を分離する膜であって、膜は、アニオン交換ポリマを含む、膜と、二酸化炭素の流出、又は二酸化炭素含有ガスの流入に適合され、アノードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、二酸化炭素の流出、又は二酸化炭素含有ガスの流入に適合され、カソードとなる電極と接触する開口部を画定するチャネルと、を備える。セルは、動作中に、カソードとなる電極で水酸化物が生成され、二酸化炭素含有ガスは、カソードとなる電極と接触し、二酸化炭素は、水酸化物イオンと反応して重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンを形成し、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送され、重炭酸塩イオン、炭酸塩イオン、又は重炭酸塩及び炭酸塩イオンは、アノードとして作動する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成するように適合されている。

ＥＤＣＳは、電極に電流を供給するための電源を更に備えることができ、電源は、電流の方向を交互に逆転させることにより、各電極を次々にアノード及びカソードとして作動させることができるように適合されている。あるいは、ＥＤＣＳは、電極に電流を供給するための電源と、電源及び電極に結合された電気スイッチと、を更に備えることができ、電気スイッチは、電流の方向を交互に逆転させることにより、各電極を次々にアノード及びカソードとして作動させることができるように適合されている。

ＥＤＣＳは、電極の各々に隣接する集電体を更に備えることができる。

電荷貯蔵化合物は、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属酸化物、又は水素貯蔵合金を含むことができる。例えば、電荷貯蔵化合物は、ニッケル水酸化物、二酸化マンガン、部分的に荷電した状態のニッケル水酸化物、又はランタンニッケル水素化物を含むことができる。好ましくは、電荷貯蔵化合物は、ニッケル水酸化物、又は部分的に荷電した状態のニッケル水酸化物を含む。

ＥＤＣＳは、２つの電極の各々の端部に沿って集電体に延びる、膜と２つの電極の各々との間のイオノマ層を更に備えることができ、イオノマ層は、アノードとなる電極及びアノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネル内で、アノードとなる電極から放出された二酸化炭素を封止するように適合されている。

イオノマ層は、アニオン交換ポリマを含むことができる。

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ、及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、四級アンモニウム基又はイミダゾリウム基及びエーテル基を有しないポリマ主鎖を含むことができる。

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ（アリールピペリジニウム）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、ポリエチレンイミン、ポリ（ジアリルアンモニウム）、ポリジアリルジメチルアンモニウム、又はそれらの組み合わせを含むことができる。

２つの電極のアニオン交換ポリマ、膜のアニオン交換ポリマ、及び／又はイオノマ層のアニオン交換膜は、独立して、ポリ（アリールピペリジニウム）を含むことができる。

イオノマ層のアニオン交換ポリマは、ポリジアリルジメチルアンモニウムを含むことができる。

膜は、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを備えることができる。

膜は、膜を通る二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を備えることができる。

セルは、ＥＤＣＳからのアノードとなる電極内で生成された二酸化炭素を、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのチャネルを通して放出するように構成された逆止弁を更に備えることができる。２つの電極のいずれかが、ＥＤＣＳのサイクル動作中にアノードとなるため、２つのそのような逆止弁は、ＥＤＣＳ内に存在し得る。

ＥＤＣＳは、膜内の二酸化炭素含有ガスの流入のためのチャネルを通して二酸化炭素含有ガスを吹き込むためのファンを更に備えることができる。

二酸化炭素含有ガスは、空気を含み得る。

ＥＤＣＳは、直列に電気的に接続された１つ以上の追加のセルからなるスタックと、アノードとなる電極の各々からの二酸化炭素の流出に適合したマニホールドと、を更に備えることができる。

イオノマ層は、二酸化炭素の流出のための２つの電極及びチャネルの各々を取り囲むことができる。

集電体は、２つの集電体プレートの代わりに、各セルの間のバイポーラプレートと、スタックの各端部に集電体プレートと、を備えることができる。

バイポーラプレートは、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成することができる。二酸化炭素の流出のためのチャネルは、バイポーラプレート及び電極に対して垂直であり得る。

本開示の別の態様は、金属空気電池と、上述したＥＤＣＳと、を含む電池システムを対象とし、二酸化炭素含有ガスは空気であり、空気が二酸化炭素の濃度を低減するためにＥＤＣＳに供給された後、低減した濃度の二酸化炭素を有する空気は、金属空気電池のカソード入口に向けられる。

本開示の更に別の態様は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法を対象とする。本方法は、上記のように、ＥＤＣＳに二酸化炭素含有ガスを供給することと、ＥＤＣＳを通して電流を駆動することと、を含む。

電流は、２つの電極の一方がアノードとなり、２つの電極の他方がカソードとなる第１の段階と、電流が駆動され、その結果、２つの電極の一方がカソードとなり、２つの電極の他方がアノードとなる第２の段階とで、ＥＤＣＳを通して駆動され得る。

ＥＤＣＳの電圧は、第１及び第２の段階の各々が、アノード内のニッケル水酸化物の大部分又は全てをニッケルオキシ水酸化物に変換し、カソード内のニッケルオキシ水酸化物の大部分又は全てをニッケル水酸化物に変換してから、１つ以上のセルの極性が逆転するのに十分な時間継続されるように、一定の電流で監視することができる。例えば、ＥＤＣＳの電圧が１セル当たり約０．５～約１．０Ｖの範囲である場合、１つ以上のセルの極性は逆転することができる。

この方法は、２つの電極を組み合わせた場合のニッケル水酸化物とニッケルオキシ水酸化物の合計に対するニッケルオキシ水酸化物の比率（１００を乗じると、セル平均充電状態（ＳＯＣ）を示す）を監視することと、比率が０．５未満に設定された所望の閾値に達したとき、又は電池平均ＳＯＣが５０％未満の所望の閾値に達したとき、介入をトリガすることと、を更に含むことができる。

この方法は、第１及び第２の段階の各々を通過した総電荷を監視することと、第１及び第２の段階の一方を通過した総電荷が、公称電極容量の所定の部分を下回るときに介入をトリガすることと、を更に含むことができる。

介入は、より高い電圧閾値に達するまで動作の段階を延長することを含むことができる。例えば、より高い電圧閾値は、１セル当たり約１．０～約２．０Ｖの範囲であり得る。

介入は、所定量の電荷が通過するまで動作の段階を延長することを含むことができる。例えば、所定量の電荷は、公称電極容量の約８０％～約１２０％の範囲であり得る。

介入は、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素又は空気を供給することを含むことができる。

介入は、水素発生反応を促進するためにＥＤＣＳに電流を印加することを含むことができる。

他の目的及び特徴は、一部は明らかであり、一部は以下で指摘されるであろう。

化学反応及び関連する主要な化学種を含む、動作の１つの段階におけるＥＤＣＳの概略図である。 図３に示されるように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳセルの正面断面図である。 図２に示すように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳセルの上面断面図である。 電極の各々と、２つの電極の各々の端部に沿って集電体に延びる膜との間のイオノマ層を含むＥＤＣＳセルの上面断面図である。 図６に示すように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳ繰り返しユニットの上面断面図である。 図５に示されるように、線に沿って切り取ったＥＤＣＳ繰り返しユニットの正面断面図である。 ＥＤＣＳスタックの正面断面図である。 ＥＤＣＳスタックの上面断面図である。 実施例１に報告される、時間の関数としての、輸送されたＣＯ_２分子当たりに通過した電子の計算比率、ＣＯ_２輸送の計算流速、セル電流、セル電圧、アノード出口ＣＯ_２濃度、及びカソード出口ＣＯ_２濃度のプロットである。 実施例１の実験から計算され、各セル電圧保持ステップにわたって平均化された平均ＣＯ_２フラックスを示す棒グラフである。 実施例１の実験の各セル電圧ステップにわたる、補助機器を無視した電気化学セルの平均エネルギ消費量を示す。 動作の両段階において、二酸化炭素含有ガスがカソードに向けられたＥＤＣＳの概略図を示す。

対応する参照符号は、図面全体を通して対応する部分を示す。

本開示は、電気化学的に駆動される二酸化炭素セパレータ（ＥＤＣＳ）、及び利用又は隔離のための空気などの二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するためのそれらの使用を対象とする。ＥＤＣＳは、大気中のＣＯ_２を除去することができるため、カーボンネガティブ技術である。

例えば、本開示は、セル又はＥＤＣＳスタックを備える電気化学的に駆動されるＣＯ_２セパレータを対象とする。ＥＤＣＳスタックは、直列に電気的に接続された１つ以上のセルを備える。

各セルは、第１の電極、膜、及び第２の電極を備える。第１の電極及び第２の電極は、ニッケル水酸化物、アニオン交換ポリマ、及び任意選択的にニッケル発泡ガス拡散層を備える。第１の電極及び第２の電極は、各々アノード及びカソード反応が可能であり、電流の流れの方向に応じて、一方の電極はセルのアノードとなり、他方の電極はセルのカソードとなる。

アノードでは、ニッケル水酸化物（Ｎｉ（ＯＨ）_２が酸化されてニッケルオキシ水酸化物（ＮｉＯ（ＯＨ））となり、プロセス中、以下の式に従って水酸化アニオン（ＯＨ^－）を消費する。
Ｎｉ（ＯＨ）_２＋ＯＨ^－→ＮｉＯ（ＯＨ）＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ^－［３］
カソード反応は式３の逆である。
ＮｉＯ（ＯＨ）＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ^－→Ｎｉ（ＯＨ）_２＋ＯＨ^－［４］

カソードで生成された水酸化物アニオンは、アニオン交換ポリマを含むイオノマ層によって膜内に輸送される。膜は、アニオン交換ポリマ及び一体型二酸化炭素含有ガス流動チャネルを備える。膜内で、空気からの二酸化炭素は、式１及び２に従って、水酸化物アニオンと反応して、重炭酸塩及び炭酸塩アニオンを作る。

重炭酸塩、炭酸塩、及び任意の残りの水酸化物アニオンは、膜からアノードへ輸送される。アノードでは、式３によって水酸化物が消費されて、ｐＨが低減することにより、重炭酸塩及び炭酸塩が分解し、式１及び２の逆に従って、二酸化炭素及び水酸化アニオンを放出する。純粋二酸化炭素がアノードから収集される。

セルは、第１の電極と流体連通する第１の二酸化炭素流動チャネルと、第２の電極と流体連通する第２の二酸化炭素流動チャネルと、を更に備える。電流の流れの方向に応じて、第１の二酸化炭素流動チャネルは、第１の電極がアノードとなっている場合に二酸化炭素を収集し、第２の二酸化炭素流動チャネルは、第２の電極がアノードとなっている場合に二酸化炭素を収集する。

スタックは、各セルの第１の二酸化炭素流動チャネルと流体連通する第１のマニホールドと、各セルの第２の二酸化炭素流動チャネルと流体連通する第２のマニホールドと、を更に備える。

ＥＤＣＳは、第１のマニホールドに接続された逆止弁と、第２のマニホールドに接続された逆止弁と、を更に備える。生成物二酸化炭素は、逆止弁を介してＥＤＣＳから収集され、逆止弁は、その電極がカソードとなっている場合に、マニホールド、流動チャネル、及び電極への二酸化炭素の逆流を防止するように配向される。

更に、本開示は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、本明細書に記載のＥＤＣＳの膜の二酸化炭素含有ガス流動チャネルに二酸化炭素含有ガスを供給することと、ＥＤＣＳを通る電流をサイクル的に駆動することと、を含む方法を対象とする。電流のサイクル供給は、第１の電極がアノードとなり、第２の電極がカソードとなるように電流が駆動される第１の段階と、第１の電極がカソードとなり、第２の電極がアノードとなるように電流が駆動される第２の段階と、を含む。各段階は、アノード中のニッケル水酸化物の大部分又は全てをニッケルオキシ水酸化物に変換し、カソード中のニッケルオキシ水酸化物の大部分又は全てをニッケル水酸化物に変換するのに十分な時間継続される。

電極のほぼ完全な変換がいつ行われたかを判断するために、ＥＤＣＳ電圧は監視される。定電流で電圧が所定の閾値を超えると、セルの極性が逆転される。電圧閾値は、１セル当たり０．５～１．０Ｖの範囲であってもよい。

電極のセル平均充電状態（ＳＯＣ）は、合わせた電極中のニッケル水酸化物とニッケルオキシ水酸化物の合計に対するニッケルオキシ水酸化物の比率として定義され、ニッケルオキシ水酸化物への完全な変換は、１００％ＳＯＣを表し、ニッケル水酸化物への完全な変換は、０％ＳＯＣを表す。通常の動作中、第１及び第２の電極を合わせた平均ＳＯＣは、約５０％であるべきである。平均ＳＯＣが５０％から著しくはずれた場合、電極のサイクルの程度は制限されことになる。例えば、平均ＳＯＣが３０％である場合、各電極は０～６０％のＳＯＣからサイクル動作することができだけとなる。時間の経過とともに、酸素発生反応（ＯＥＲ）などの副反応により、セルの平均ＳＯＣが次第に減少する可能性がある。

セル平均ＳＯＣが５０％を大幅に下回った場合、デバイスの寿命を延ばすために、追加の介入を適用してセルの平均ＳＯＣを上昇させることができる。１つの介入は、カソードが０％ＳＯＣ近くに達し、カソード電位が正常範囲を下回った後でも、セルを通る電流を駆動し続けることである。十分に低いカソード電位で、２つのカソード副反応のうちの１つが発生して、電流が流れ続けることができる。すなわち、酸素還元反応、又は水素発生反応である。

更に、本開示は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離するための方法であって、セルの平均ＳＯＣは、各段階を通過した総電荷を追跡することによって監視され、通過した電荷が公称電極容量の所定の部分を下回る場合に介入がトリガされる、方法を対象とする。介入は、より高い電圧閾値に達するまで動作の現在の段階を延長すること、を含んでもよい。より高い電圧閾値は、１セル当たり１．０～２．０Ｖの範囲であってもよい。あるいは、介入は、所定の電荷量が通過するまで動作の現在の段階を延長すること、を含んでもよい。所定の電荷は、公称電極容量の８０％～１２０％の範囲であってもよい。介入は、酸素還元反応を促進にするために、ＥＤＣＳのカソードに酸素又は空気を供給すること、を更に含んでもよい。ただし、水素発生反応によって電流が流れる場合があるため、酸素の供給は必須ではない。

ＥＤＣＳの概略図が図１に示され、図中、一方の電極はカソードとしてラベルされ、他方の電極はアノードとしてラベルされている。電流は、電源からセルに供給される。水酸化物アニオンは、ニッケルオキシ水酸化物などの電荷貯蔵化合物の還元によってカソードで電気化学的に生成され、膜に輸送される。膜中で、水酸化物は、膜流動チャネルに供給される二酸化炭素含有ガス（好ましくは空気）からの二酸化炭素と反応する。得られた炭酸塩及び重炭酸塩は、アノードに輸送される。アノードでは、ニッケル水酸化物の酸化により水酸化物が消費されて、ｐＨが低下し、炭酸塩と重炭酸塩が分解して二酸化炭素を放出する。二酸化炭素生成物ガスは、アノードから流れ出る。サイクルの第１及び第２の段階の間、アノード及びカソードとなる電極は交互に入れ替わる。しかしながら、図１に示すようなセルの機構は、ラベルされたアノード及びカソードを使用して、両方の段階に適用される。

ＥＤＣＳセルの正面断面図を図２に示す。セルは、第１の電極２０、膜３、及び第２の電極３０を備える。セルは、各電極に隣接する集電体プレート１０を更に備えることができる。膜は、アニオン交換ポリマと、二酸化炭素含有ガスが膜を通過できるようにする二酸化炭素含有ガス流動チャネル４と、を備える。任意選択的に、膜は、二酸化炭素含有ガス流動チャネル４に加えて細孔容積を備えて、二酸化炭素が膜の大部分を通ってより迅速に拡散することを可能にするように、多孔質であり得る。電源５１は、集電体プレートに電流を供給する。

ＥＤＣＳセルの上面断面概略図を図３に示す。セルは、第１の電極２０と流体連通する第１の二酸化炭素収集チャネル２１と、第２の電極３０と流体連通する第２の二酸化炭素収集チャネル３１と、を備える。これらの収集チャネル２１、３１は、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のためのものである。

ＥＤＣＳセルの好ましい実施形態の上面断面概略図を図４に示す。セルは、任意選択的に、電極と膜との間に挿入されたイオノマ層１１を備える。イオノマ層は、任意選択的に、電極、二酸化炭素収集チャネル、及び集電体プレートを包囲して、電極の周囲に気密封止を提供することができる。イオノマ層は、アニオン交換ポリマを含む。

膜が多孔質である場合、イオノマ層の代わりに、アノードからの二酸化炭素のリークを防止することができる高密度アニオン交換ポリマ層を使用することができる。

繰り返しユニットの上部断面概略図が図５に示され、図中、ＥＤＣＳは、１つ以上の繰り返しユニット１のスタックを備える。各ユニット１は、バイポーラ電極アセンブリ２及び膜３を備える。ＥＤＣＳは、上述したように１つ以上のセルを備えるが、個々のセルからよりも、繰り返しユニット１からスタックを製造する方がより便利であり得る。

バイポーラ電極アセンブリ２は、１つのセルの第２の電極２０及び第２の二酸化炭素収集チャネル２１と、隣接セルの第１の電極３０及び第１の二酸化炭素収集チャネル３１と、を備える。隣接する２つの集電体は、単一のバイポーラプレート１０に置き換えられる。任意選択的に、バイポーラ電極アセンブリは、電極、バイポーラプレート、及び二酸化炭素流動チャネルの外側を包囲するイオノマ層１１を更に備えてもよい。

第１及び第２の電極２０及び３０は、ニッケル水酸化物電触媒と、ガス輸送を可能にするのに十分な多孔性を有するアニオン交換ポリマと、を含むことができる。

第１及び第２の電極２０及び３０は、グラファイト、カーボンブラック、又は金属ニッケルなどの導電性添加剤を更に含むことができる。

第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１は、バイポーラプレート１０から、各々プレートを丸めて隙間２２、３２を有するチャネルを作成し、第１及び第２の電極２０及び３０との流体連通を可能にすることによって形成され得る。

任意選択的に、バイポーラ電極２は、第１の電極２０、第１の二酸化炭素収集チャネル２１、第２の電極３０、及び第２の二酸化炭素収集チャネル３１と接触するイオノマエンベロープ１１を更に備える。イオノマエンベロープ１１は、第１の電極２０及び第２の電極３０を周囲環境から隔離するための気密封止を提供する。

バイポーラ電極２の正面断面図を図６に示す。バイポーラ電極２は、第２の電極３０の端部を封止するためのガスケット３３と、第１の電極２０の端部を封止するためのガスケット２３と、を備える。任意選択的に、イオノマエンベロープ１１は、バイポーラプレート１０と接触していてもよい。第１及び第２の電極２０、３０の封止されていない端部２６、３６は、各々第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１（図５）と流体連通している。

平面モジュールは、平面セルのスタックを備え、マニホールドは、活性領域の外側の境界領域に組み込まれ、各セルにガスを分配する。セルは、流動チャネルを組み込むバイポーラプレートによって分離され得るか、又はセルは、流動チャネルを提供するために使用される導電性メッシュ供給スペーサを有する平面バイポーラプレートによって分離され得る。前者を図７に示す。セルは、導電性バイポーラプレートによって直列に電気的に接続されている。平面構成が示されているが、ＥＤＣＳは、当該技術分野において既知のように、らせんスタックなどの他の構成で作製され得る。

直列に電気的に接続された複数の繰り返しユニット１を備えるスタック４０の正面断面図を図７に示す。スタック４０は、スタック４０内に流体連通を提供するための第１のマニホールド２４及び第２のマニホールド３４を備える。あるいは、第１及び第２のマニホールド２４、３４の両方は、バイポーラ電極２の上部又は下部に位置することができる。任意選択的に、追加のマニホールドを追加して、各二酸化炭素流動チャネルのための入口マニホールド及び出口マニホールドの両方を作製することができる。各ユニット１の第１の二酸化炭素流動チャネル２１は、第１のマニホールド２４と流体連通している。各ユニット１の第２の二酸化炭素流動チャネル３１は、第２のマニホールド３４と流体連通している。

図８では、スタック４０の上面断面図が示され、第１及び第２の二酸化炭素流動チャネル２１、３１は、垂直方向（紙の平面に垂直）に、二酸化炭素含有ガス流動チャネル４（図示せず）は、水平方向（紙の平面に平行）である。この配向が描かれているが、デバイスは任意の配向で構築又は使用することができる。

スタック４０の各バイポーラ電極２は、第２の電極３０及び第２の二酸化炭素流動チャネル３１（図示せず）の端部を封止して、第１のマニホールド２４との流体連通を防止するためのガスケット３３と、第１の電極２０及び第１の二酸化炭素流動チャネル２１（図示せず）の端部を封止して、第２のマニホールド３４との流体連通を防止するためのガスケット２３と、を備える。

スタック４０において、繰り返しユニット１は、１つのバイポーラ電極２と、１つの膜３と、を備える。しかしながら、繰り返しユニットの境界は、単一のセルの境界と位置が一致していない。単一のセルは、１つの繰り返しユニット１の第２の電極３０及び膜３と、次の隣接繰り返しユニット１の第１の電極２０と、を備える。

図７に示されるスタックの右端には、最終セルを完了するために、端部電極４３が集電体４６に隣接して備えられる。スタック４０の左端にある第１の繰り返しユニット１のバイポーラ電極２も、端部電極４１と見なすことができる。端部電極４１、４３は、バイポーラ電極２と同じ又は類似した構造であってもよく、その場合、余分な電極及び余分な二酸化炭素流動チャネルが存在するが、スタック４０の動作では使用されない。

あるいは、端部電極４１、４３は、単一の電極、バイポーラプレート、及び単一の二酸化炭素流動チャネルのみで構成されてもよく、端部電極４１、４３のバイポーラプレート１０と集電体４５、４６との間に金属スペーサ４２、４４を備えてもよい。

端部電極４１、４３は、スタックへの外部電気接続が成される集電体４５、４６に電気的に接続される。

第１及び第２のマニホールド２４、３４は、二酸化炭素のスタック４０への逆流を防止するために逆止弁２５、３５を有する出口を有する。動作中、カソードとなる電極は、電極、二酸化炭素流動チャネル、及びマニホールドの細孔容積内のいかなる利用可能な二酸化炭素も消費することになるが、この二酸化炭素の量は制限される。逆止弁は、追加の二酸化炭素の流入を防ぎ、二酸化炭素が素早く消費されるようにする。また、逆止弁は、セル又はスタックのカソード側への空気の流入、セル又はスタックのカソード側からの（ＣＯ_２が除去された）空気の流出、及びセル又はスタックのアノード側からの二酸化炭素の流出を制御する。

ＥＤＣＳは、存在する場合、チャネル４を通る、及びカソード空隙容積を通る二酸化炭素含有ガスの循環を改善するファン５０を更に備えることができる。

あるいは、膜は、流動チャネルを備えず、電極流動チャネルは、二酸化炭素含有ガス及び二酸化炭素生成物ガスの両方の流れに適合される。二酸化炭素含有ガスは、図１２に示すように、カソードとなる電極に配向される。二酸化炭素生成物ガスは、アノードとなる電極から収集される。水酸化物と二酸化炭素との反応は、膜内ではなくカソード内で起こる。

ＥＤＣＳは、電極の外側にガス拡散層を備えることができる。ガス拡散層は、炭素紙等の当該技術分野において既知の任意の好適な材料を含むことができる。例えば、ガス拡散層は、５％及び１０％の防水性を有する東レ紙０６０、及び／又はＳｉｇｒａｃｅｔ２９ＢＣを含むことができる。

２つの電極、膜又はイオノマ層で使用されるアニオン交換ポリマは、ポリ（アリールピペリジニウム）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（アリールアルキレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレン－ｃｏ－ジビニルベンゼン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（スチレン－ブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（スチレンブロック－エチレン－ｃｏ－ブタジエン－ブロック－スチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（テトラフルオロエチレン）、アルキルアンモニウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、置換－イミダゾリウム－官能化ポリ（エチレン－ｃｏ－テトラフルオロエチレン）、ポリエチレンイミン、ポリ（ジアリルアンモニウム）、ポリジアリルジメチルアンモニウム、又はそれらの組み合わせを含むことができる。ポリ（アリールピペリジニウム）又はポリジアリルジメチルアンモニウムが好ましい。

２つの電極中のアニオン交換ポリマは、好ましくは同じである。

イオノマは、水酸化物伝導ネットワークを提供する。全ての実験は、ＰＡＰ膜及びイオノマを使用した。ＰＡＰ膜及びイオノマは、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第１０，２９０，８９０号、米国出願第１６／６５１，６２２号、及びＰＣＴ公開第ＷＯ２０１９／０６８０５１号に記載されている。好ましいイオノマは、ＰＡＰ－ＴＰ－８５である。

膜中のアニオン交換ポリマは、電極中のアニオン交換ポリマ又はイオノマ層中のアニオン交換ポリマとは異なり得る。これらの成分中のアニオン交換ポリマは、同じであり得、一部は同じであり得、又は全てが異なり得る。

ＥＤＣＳの電池電極反応は、サイクル動作を必要とし、電流は周期的に逆転して、どの電極がカソードであり、水酸化物を生成し、どの電極がアノードであり、二酸化炭素を濃縮するかを交互に入れ替える。

電流は、電源によってＥＤＣＳに供給される。電源は、その出力電流を直接逆転させることができ、又はデュアルポールデュアルスロースイッチ／リレーを使用して、ＥＤＣＳの端子と電源の端子との間の接続を逆転させることができる。

典型的なバイポーラプレートは、ステンレス鋼の薄いシートである。一方側はアノードに電気的に接続され、他方側は隣接するセルのカソードに電気的に接続されている。

電極は、当該技術分野において既知の方法によって調製することができる。電極は、本明細書に記載される電荷貯蔵化合物及びアニオン交換ポリマを含有するインクから調製することができ、インクは、その時、セルの隣接部品にスプレー又は流延される。あるいは、電荷貯蔵化合物は、基材上に電着され、次いでアニオン交換ポリマで被覆され得る。例えば、Ｎｉ（ＯＨ）_２電極は、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ_２）溶液から３電極セルを使用して基板上に電着し、続いて水酸化カリウム溶液中でプリサイクリングしてＮｉＯ（ＯＨ）を生成することによって調製され得る。次いで、ＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）_２電極は、溶液由来のアニオン交換ポリマで浸漬被覆される。

ＥＤＣＳセル又はＥＤＣＳスタックは、当該技術分野で周知の標準的な方法論を使用して構築することができる。

本明細書に記載のＥＤＣＳは、従来のエネルギ源及び長いサイクル寿命と比較して、最小限のエネルギコストでＣＯ_２を効率的に除去する低コストの電気化学セルを提供する。得られたＣＯ_２は、化学合成に使用することができる。二酸化炭素ガスが除去された空気は、空気取り入れ口を使用して、金属空気電池又は他のデバイス又はプロセスに供給することができる。

本明細書に記載されるＥＤＣＳは、金属空気電池に供給される二酸化炭素含有ガスを、約２０ｐｐｍ、１８ｐｐｍ、１６ｐｐｍ、１５ｐｐｍ、１２ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、８ｐｐｍ、６ｐｐｍ、５ｐｐｍ、４ｐｐｍ、３ｐｐｍ、又は２ｐｐｍ未満を含有させることができ、これらの低減されたレベルは、ＣＯ_２とＥＤＣＳのカソードにおける水酸化物イオンとの反応によって達成される。

発電所で生成されるような煙道ガスが二酸化炭素含有ガスである場合、煙道ガスは、ＣＯ_２の除去後に大気中に放出されるか、又は放出される前に他の汚染物質を除去するように更に処理され得る。

ＥＤＣＳは、化石燃料、工業プロセス、土地利用などの炭素排出技術の効果を相殺するために使用され得るカーボンネガティブ排出、直接空気回収技術であり、目標は、気候変動を最小限に抑えるために正味のゼロＣＯ_２排出を達成することを目指す。

ＥＤＣＳは、一部のカーボンネガティブ技術で必要とされるように、液体又は固体の取り扱いを伴わない、又は高温焼成を必要としない。

ここで開示される発明は、ＤＡＣの用途によって説明されるが、他の用途も可能である。これらの用途として、例えば、建物内又は建物内に入ってくる空気からＣＯ_２の除去、より高い再循環率を可能にすることによるＨＶＡＣエネルギ消費量の節約、ＣＯ_２有人宇宙船の除去、及び植物の成長を助けるために周囲の空気からＣＯ_２を温室又は他の構造物にポンプで送り込むことなどが挙げられる。

定義
「バイポーラプレート」は、１つのセルのカソードと隣接するセルのアノードとの間の電気的接続を提供する。

「ｓｌｐｍ」は、０℃及び１気圧の標準条件で１リットル／分に相当するガス流量の単位である。

本発明を詳細に説明した後、修正及び変形は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが明らかであろう。

以下の非限定的な実施例は、本発明を更に例示するために提供される。

実施例１電極の調製
Ｎｉ（ＯＨ）_２電極を、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ_２）溶液から３電極セルを使用してニッケル泡基板上に電着することによって作製した。より具体的には、電極を、約５センチメートル×５センチメートルの寸法のニッケル泡上に、０．１ＭのＮｉＣｌ_２溶液中１０ｍＡ／ｃｍ^２電流密度で３０分間電着し、続いて０．１ＭのＫＯＨ溶液中でプリサイクリングして、ＮｉＯ（ＯＨ）を生成した。ＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）_２電極を、エタノール溶媒中で５重量％溶液からのポリ（アリールピペリジニウム）イオノマで浸漬被覆した。

実施例２ＥＤＣＳの調製
ポリ（アリールピペリジニウム）膜及び２つのＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）_２電極を使用して、完全なＥＤＣＳセルを構築した。セルを、トリプルサーペンタインフローフィールドを有する２５ｃｍ^２単一セル燃料電池フィクスチャに組み立てた。５センチメートル×５センチメートルの開口部を有するガスケットをアノードフローフィールド上に置いた。次に、アノードフローフィールドの開口部に５センチメートル×５センチメートルの炭素紙ガス拡散層を配置した。第１のＮｉＯ（ＯＨ）／Ｎｉ（ＯＨ）_２電極をガス拡散層上に置いた。７．５センチメートル×７．５センチメートルの膜を電極とガスケットの上に配置した。５センチメートル×５センチメートルの開口部を有する第２のガスケットを膜上に配置し、第２の電極を膜と接触させて開口部の内側に配置した。第２の電極上に第２の５センチメートル×５センチメートルの炭素紙ガス拡散層を置いた。最後に、カソードフローフィールドを配置し、セルを閉じた。

実施例３ＥＤＣＳの動作及び性能
セルを、４４０ｐｐｍのＣＯ_２を含有する０．５ｓｌｐｍの空気によって供給され、５７．７℃の露点まで加湿されたアノードとカソードの両方を用いて６０℃で動作させた。アノード及びカソード出口の両方を濃縮器に通して水を除去し、ＣＯ_２分析器に向けてＣＯ_２の含有量を測定した。セルをポテンショスタットに接続してセル電圧を制御し、電流を測定した。セルを以下の一連の電圧保持ステップで実行した。すなわち、１２００秒間－０．８Ｖ、６００秒間－０．３Ｖ、９７０秒間０．３Ｖ、１８００秒間－０．３Ｖ、１３５０秒間０．３Ｖである。

電流、電圧、アノード及びカソード出口流中のＣＯ_２濃度、セルを通過したＣＯ_２輸送の計算流量、輸送したＣＯ_２の分子当たりに通過した電子の計算比率を含む結果を図９に示す。ＣＯ_２は、印加電圧の極性に応じて、両方向に輸送されることが示された。輸送されるＣＯ_２分子に渡される電子の比率は、典型的には１～２の範囲であり、ＥＤＣＳのカソード内での水酸化物の炭素及び重炭酸塩へのほぼ完全な変換を示す。

図１０では、ＣＯ_２フラックスが示され、各電圧保持ステップにわたって平均化され、セル面積によって正規化され、年ベースに変換される。－０．８Ｖでの保持は、より高いエネルギ消費量にもかかわらず、＋／－０．３Ｖでの保持よりも有意に実行されなかった。＋／－０．３Ｖでの保持の平均では、ＣＯ_２フラックスは１９ｋｇ／ｍ^２年であった。

図１１において、単一セルのエネルギ消費量が、輸送されたＣＯ_２１トン当たりで計算された。＋／－０．３Ｖホールドで平均すると、電気化学電池（補助機器を除く）単体のエネルギ消費量は０．６ＭＷｈ／トンであった。

本発明の要素又はその好ましい実施形態を紹介する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」及び「ｓａｉｄ」は、１つ以上の要素が存在することを意味することが意図される。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であることが意図され、列挙される要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。

以上のことから、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が達成されることが分かるであろう。

上記のデバイス及び方法において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができるため、上記の説明に含まれ、添付の図面に示される全ての主題は、例示的であると解釈され、限定的な意味で解釈されないものとする。

Claims (38)

1.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)であって：
？細胞であって、前記細胞が：
？アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、前記2つの電極は、電荷蓄積化合物およびアニオン交換ポリマーを含み、前記電荷蓄積化合物は、前記カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、前記アノードとして作用するときに水酸化物を消費するように反応することができる；
？該2つの電極に隣接して該2つの電極を分離する膜であって、該膜がアニオン交換ポリマーを含む、膜；
？該膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合されたチャネル；
？二酸化炭素の流出のために適合され、前記アノードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネルと；
？二酸化炭素の流出のために適合され、前記カソードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネル；
？請求項1に記載の方法であって、前記細胞は、動作中に適合されるように適合されており；
？カソードとなる電極で生成された水酸化物が膜中に輸送される；
？前記二酸化炭素含有ガスは前記膜に接触し、前記二酸化炭素は前記水酸化物イオンと反応して重炭酸イオン、炭酸イオン、又は重炭酸塩及び炭酸イオンを形成し；
？重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩および炭酸イオンは、膜を通ってアノードとなる電極に輸送される；
？炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、炭酸水素イオンがアノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成することを特徴とする二酸化炭素の製造方法
？前記二酸化炭素は、前記アノードとなる前記電極の二酸化炭素の流出に適合したチャネルを介して前記EDCSから放出されることを特徴とする方法

2.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離するための電気化学的に駆動される二酸化炭素分離器(EDCS)であって、前記EDCSが；
？細胞であって、前記細胞が：
？アノードまたはカソードとして作用することができる2つの電極であって、前記2つの電極は、任意に部分的に酸化された状態で水酸化ニッケルを含み、アニオン交換ポリマーを含み、前記水酸化ニッケルは、前記カソードとして作用するときに水酸化物を形成し、前記アノードとして作用するときに水酸化物を消費するように反応することができる；
？該2つの電極に隣接して該2つの電極を分離する膜であって、該膜がアニオン交換ポリマーを含む、膜；
？二酸化炭素の流出または二酸化炭素含有ガスの流入のために適合され、前記アノードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネルと；
？二酸化炭素を流出させるか、または二酸化炭素含有ガスを流入させるように適合され、前記カソードとなる前記電極と接触する開口部を画定するチャネル；
？請求項1に記載の方法であって、前記細胞は、操作：
？水酸化物が、前記カソードとなる電極で生成される、請求項1に記載の方法
？前記二酸化炭素含有ガスは、前記カソードとなる電極に接触し、前記二酸化炭素は、前記水酸化物イオンと反応して、重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸塩と炭酸イオンとを形成し；
？炭酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素塩、炭酸イオンが膜を介して陽極となる電極に輸送されることを特徴とする電解質膜の製造方法
？炭酸水素イオン、炭酸イオン又は炭酸水素塩及び炭酸イオンは、アノードとして作用する電極で反応して二酸化炭素及び水を形成し、

3.？前記EDCSは、前記電極に電流を供給するための電源をさらに含み、前記電源は、電流の流れの方向を交互に逆にするように適合されており、それによって、各電極が、アノードおよびカソードとして、順番に作用することを可能にする、請求項1または2に記載のEDCS

4.？前記EDCSは、前記電極に電流を供給するための電源と、前記電源および前記電極に結合された電気スイッチと、をさらに備え、前記電気スイッチは、電流の流れの方向を交互に反転させるように構成され、それによって、各電極が、アノードとして、およびカソードとして機能するように構成されている、請求項1または2に記載のEDCS

5.？EDCSが、各電極に隣接する集電体をさらに含む、請求項1-4のいずれか1項に記載のEDCS

6.？前記電荷蓄積化合物が、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物、金属酸化物、又は水素吸蔵合金を含む、請求項1-5のいずれか一項に記載のEDCS

7.？前記電荷蓄積化合物が、水酸化ニッケル、二酸化マンガン、部分充電状態の水酸化ニッケル、又はランタンニッケル水素化物を含む、請求項6に記載のEDCS

8.？前記EDCSが、前記2つの電極の各々の端部に沿って前記集電体に延在する2つの電極のそれぞれと前記膜との間にアイオノマー層をさらに含み、前記アイオノマー層が、前記アノードとなる前記電極内の前記アノードとなる前記電極から放出される二酸化炭素を封止するように適合され、前記電極からの二酸化炭素の流出のための前記チャネルが、前記アノードとして機能する、請求項1-7のいずれか1項に記載のEDCS

9.？前記アイオノマー層がアニオン交換ポリマーを含む、請求項8に記載のEDCS

10.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記アイオノマー層の膜および/またはアニオン交換膜のアニオン交換ポリマーは、独立して、第4級アンモニウムまたはイミダゾリウム基と、エーテル基を有さないポリマー骨格とを含む、EDCS

11.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記膜のアニオン交換ポリマーおよび/または前記アイオノマー層の前記アニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(aryiアルキレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(アリールアルキレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン)？アルキルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-コ-ジビニルベンゼン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-co-ジビニルベンゼン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(スチレン-ブロック-エチレン-co-ブタジエン-ブロック-スチレン)、アルキニルアンモニウム-官能化ポリ(エチレン)、置換-イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン)、アルキニルアンモニウム官能化ポリ(テトラフルオロエチレン)？置換-イミダゾリウム官能化ポリ(テトラフィロエチレン)、アルキニルアンモニウム-官能化ポリ(エチレン-co-テトラフルオロエチレン)、置換イミダゾリウム官能化ポリ(エチレン-コ-テトラフルオロエチレン)、ポリエチレンイミン、ポリ(ジアリルアンモニウム)、ポリジアリルジメチルアンモニウム、またはそれらの組み合わせ、

12.？請求項1-9のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記2つの電極のアニオン交換ポリマー、前記膜のアニオン交換ポリマー、および/または前記アイオノマー層の前記アニオン交換膜は、独立して、ポリ(アリールピペリジニウム)、

13.？前記アイオノマー層の前記アニオン交換ポリマーが、poSyジアリルジメチルSアンモニウムを含む、請求項11に記載のEDCS

14.？膜が、膜内に二酸化炭素含有ガスを流入させるための複数のチャネルを含む、請求項1-13のいずれか一項に記載のEDCS

15.？前記膜が、前記膜を通る前記二酸化炭素含有ガスの拡散のための空隙容積を含む、請求項1-14のいずれか一項に記載のEDCS

16.？請求項1-15のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記セルは、アノードとなる電極からの二酸化炭素の流出のために、前記電極内で生成された二酸化炭素を前記EDCSから前記チャネルを通して放出するように構成された逆止弁をさらに備える、EDCS

17.？EDCSが、二酸化炭素含有ガスを膜内に流入させるためにチャネルを通して二酸化炭素含有ガスを送風するためのファンをさらに含む、請求項14-16のいずれか一項に記載のEDCS

18.？前記二酸化炭素含有ガスが空気である、請求項1-17のいずれか一項に記載のEDCS

19.？請求項1-18のいずれか1項に記載のEDCSであって、電気的に直列に接続された1つ以上の追加のセルからなるスタックと、前記アノードとなる前記電極の各々から二酸化炭素を流出させるように適合されたマニホールドと、をさらに備える、EDCS

20.？前記アイオノマー層が、二酸化炭素の流出のために前記2つの電極および前記チャネルのそれぞれを取り囲む、請求項19に記載のEDCS

21.？請求項5-20のいずれか1項に記載のEDCSであって、前記集電体は、2つの集電板の代わりに各セル間に双極板を備え、前記スタックの各端部に集電板を備える、EDCS

22？前記双極板が、二酸化炭素の流出のためのチャネルを提供するように構成されている、請求項21に記載のEDCS

23.？請求項22に記載のEDCSであって、前記二酸化炭素の流出のための前記チャネルは、前記CO2含有空気の膜内のチャネルに対して垂直であり、

24,？二酸化炭素含有ガスが空気であり、空気をEDCSに供給して二酸化炭素濃度を低下させた後、二酸化炭素濃度が低減された空気を金属空気電池のカソード入口に向ける、請求項1-23のいずれか1項に記載の金属空気電池とEDCSとを備える電池システム

25.？二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する方法であって、請求項1-23のいずれか1項に記載のEDCSに二酸化炭素含有ガスを供給し、EDCSを介して電流を駆動することを特徴とする方法

26.？前記二酸化炭素含有ガスが煙道ガスである、請求項25に記載の方法

27.？前記二酸化炭素含有ガスが空気である、請求項25に記載の方法

28.？請求項25-27のいずれか1項に記載の方法であって、前記2つの電極の一方が前記アノードとなり、他方が前記カソードとなる第1相と、前記2つの電極の一方が前記カソードとなり、他方が前記アノードとなるように電流を駆動する第2相とで前記電流を駆動することを特徴とする請求項25-27のいずれか1項に記載の方法

29.？請求項28に記載の方法であって、前記EDCSの電圧を一定の電流で監視し、前記第1の相および前記第2の相の各々が、前記アノード中の水酸化ニッケルのほとんどまたはすべてをオキシ水酸化ニッケルに変換し、前記カソード中のオキシ水酸化ニッケルの大部分または全部を、前記細胞または細胞の極性が反転する前に水酸化ニッケルに変換することを特徴とする方法

30.？前記EDCSの電圧が細胞当たり約0。5-約1。0Vの範囲にあるとき、前記細胞または細胞の極性が反転される、請求項29に記載の方法

31.？請求項25-30のいずれか1項に記載の方法であって、さらに、合計水酸化ニッケルに対するオキシ水酸化ニッケルと、前記2つの電極のためのオキシ水酸化ニッケルとの比を監視することをさらに含み、前記2つの電極を組み合わせたとき、100は充電(SOC)の細胞平均状態を示し、前記比が所望の値に達したときに介入をトリガすることを特徴とする方法
？閾値が0。5未満であるか、または、前記細胞平均SOCが50%未満の所望の閾値に達することを特徴とする方法

32.？前記第1の相および前記第2の相のそれぞれを通過した総電荷を監視すること、および前記第1の相および前記第2の相のうちの1つを通過した前記総電荷が公称電極容量の所定の割合を下回るときに介入をトリガすることをさらに含む、請求項29または30に記載の方法

33.？前記介入が、より高い電圧閾値に達するまで前記動作の位相を延長することを含む、請求項31又は32に記載の方法

34.？前記より高い電圧閾値が、細胞当たり約1。0-約2。0Vの範囲にある、請求項33に記載の方法

35.？前記介入が、所定量の電荷が通過するまで前記動作の位相を延長することを含む、請求項31又は32に記載の方法

36.？前記所定量の電荷が、公称電極容量の約80%-約120%の範囲である、請求項35に記載の方法

37.？介入が、酸素還元反応を促進するためにカソードに酸素または空気を供給することを含む、請求項31または32に記載の方法

38.？介入が、水素発生反応を促進するためにEDCSに電流を印加することを含む、請求項31又は32に記載の方法

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