JP2013502702A - アルカリ燃料電池における空気ｃｏ２に対する耐性を確保するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

アルカリ燃料電池に供給される空気流からのＣＯ_２の濾過／吸収を最大化することによって、燃料電池カソードに供給される空気流中のＣＯ_２レベルを最小化するために、制限はあるが高容量の体積を伴って設計および構成されるＣＯ_２フィルタまたはトラップを含む、空気ＣＯ_２濾過アセンブリまたはシステムが提供される。このＣＯ_２フィルタまたはトラップは、強力結合ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップとタンデムな構成で配置された少なくとも１つの熱再生ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップを含む。この２種類のフィルタまたはトラップの組み合わせが、空気流からＣＯ_２を順次濾過／吸収し、カソードに供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させる。この空気ＣＯ_２濾過アセンブリまたはシステムは、アルカリ燃料電池の電気化学的パージングとともに用いられてもよい。

Description

関連出願
本出願は、２００９年８月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／２３６，２８２号に関し、この出願に対する優先権を主張し、この出願の全体は、本明細書において参照として援用される。

発明の分野
本発明は、燃料電池カソードに供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させるためにアルカリ燃料電池とともに用いるための空気ＣＯ_２濾過／吸収アセンブリおよびシステムを提供する。本発明はまた、燃料電池からの電気化学的ＣＯ_２除去を達成するための、アルカリ燃料電池へのパージング電流の印加による電気化学的パージングの方法を提供する。本発明は、アルカリ水性電解質か、または液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を含むアルカリ燃料電池における空気濾過／吸収に対するものである。

背景
アルカリ膜燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ：ＡＭＦＣ）は、他の低温燃料電池を上回る重要な利点を有し、その利点には液体電解質を加えることなく非貴金属触媒によって動作できることが含まれる。ただし、この燃料電池技術の実施に対する重要な課題は、電池にＣＯ_２が入ったときに性能損失を被ることである。ＡＭＦＣが水素燃料に対して動作するとき、カソード空気供給物内のＣＯ_２が懸案の特定の原因となる。なぜなら、空気供給物（ａｉｒ ｆｅｅｄ）は約４００ｐｐｍのＣＯ_２を含有するからである。こうした未処理の空気がカソードに供給される限り、この「空気ＣＯ_２」が電池カソードを通じて継続的に電池に入ってくる。ＣＯ_２が約１０^−４Ｐ_ａｉｒの分圧で電池カソードに継続的に流入し、カソードから電池に流入するというこうした条件下では、顕著なＡＭＦＣ電圧損失が記録されている。約０．２Ａ／ｃｍ^２〜０．４Ａ／ｃｍ^２の一定の電流密度における電池電圧は、（ＣＯ_２を含まないカソード空気供給物によって動作する同じ電池と比べて）０．１Ｖ〜０．３Ｖだけ低いことが見出されており、エネルギー変換効率の低下が２０％〜６０％に達することが示されている。

このＡＭＦＣ性能低下の理由の１つは酸−塩基プロセスであることが理解されている。電池に入ったＣＯ_２は、ポリマー電解質の塩基性官能基に再結合し、次式に従ってＯＨ⁻イオン伝導官能基をＨＣＯ_３ ⁻（重炭酸）イオン伝導官能基に置換する。

（１）ＣＯ_２＋（Ｒ_４Ｎ^＋ＯＨ⁻）＝（Ｒ_４Ｎ^＋ＨＣＯ_３ ⁻）
Ｒ_４Ｎ^＋はテトラアルキルアンモニウムイオンであり、アルカリイオノマーの典型的な固定化カチオン基である。ＣＯ_２は気体の形で電池カソードに入った後、水に溶解した形で電池の厚さ寸法に拡散してもよく、膜および電池のアノード全体に式（１）で示される「炭酸化プロセス」を広げてもよい。

電池の厚さ寸法に炭酸化プロセスを広げる別のモードは、アニオン置換プロセスである。この場合は、重炭酸アニオンが電流の下でイオノマーに拡散し、次式に従ってＯＨ⁻アニオンを置換する。

（２）ＨＣＯ_３ ⁻＋（Ｒ_４Ｎ^＋ＯＨ⁻）＝（Ｒ_４Ｎ^＋ＨＣＯ_３ ⁻）＋ＯＨ⁻
これが起こるとき、ＡＭＦＣのＯＨ⁻イオンは電池アノードに向かって拡散し、アノードプロセスは次式に従ってＯＨ⁻イオンを消費する。

（３）Ｈ_２＋２ＯＨ⁻＝２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ
ここで、通常のＡＭＦＣ動作条件下のアノードにおいてＨＣＯ_３ ⁻アニオンは反応性ではない。

したがって、アノードがＯＨ⁻イオンを消費するときに起こるイオン置換プロセス（２）は、最終的にアニオン性部位の大部分を永続的に炭酸化する。

ＯＨ⁻アニオンをＨＣＯ_３ ⁻で置換すると、２つの理由から顕著なＡＭＦＣ損失がもたらされ得る。第１に、重炭酸イオンの移動度はＯＨ⁻イオンのそれよりも約４倍小さく、電池膜および内部電極イオノマー構成要素の両方における伝導率の低下をもたらす。第２の理由は、アノード内のＯＨ⁻イオンの炭酸化である。ＯＨ⁻イオンがアノードプロセスにおける反応体の働きをしているときに、式（３）に示すとおりそのアノードプロセスに対する利用可能性を低くすると、結果としてアノード過電圧の顕著な増加がもたらされる。

電解質炭酸化は、たとえば水性ＫＯＨなどの液体アルカリ電解質に基づくアルカリ燃料電池（ａｌｋａｌｉｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）において重要な問題であることが十分に示されている。しかしながら、その問題の性質および必要な解決策は、ＡＦＣとＡＭＦＣとで異なる。ＡＦＣの場合、電解質炭酸化の最終的な結果は、液体電解質中に固体炭酸塩が形成されることであり、それを継続的に取り除く必要がある。これは典型的に、継続的な電解質の再循環および固体／液体分離によって達成される。ＡＭＦＣにおいては、固体炭酸塩は形成され得ないため、液体の再循環および固体炭酸塩の除去は必要ない。しかし、空気ＣＯ_２が液体アルカリ電解質と反応して固体炭酸塩を形成することは、電池内のＣＯ_２隔離機能を与える。ＡＭＦＣはこうした電池内のＣＯ_２隔離機能を有さないため、ＡＭＦＣ中のイオノマー材料は空気ＣＯ_２に対して非常に脆弱になり、式（１）および（２）に示される炭酸化プロセスは、未処理の空気が入るとイオノマーをＯＨ⁻イオンの形から炭酸イオンの形に容易に転換する。したがって、ＣＯ_２の進入を阻止し、ある程度の炭酸化を被るアルカリ燃料電池とともに修復ツールを使用することが、結果的に空気ＣＯ_２に対する電池の耐性（ｉｍｍｕｎｉｔｙ）を確保するために効果的であるに違いない。

電解質再循環以外に、アルカリ燃料電池におけるＣＯ_２の影響を最小化するための伝統的アプローチとしては、アルカリ水溶液を含有する空気スクラバー、またはアルカリ水酸化物および／もしくはアルカリ土類水酸化物の顆粒からなる固体ＣＯ_２吸収体を上流で使用することがあり、これはたとえば特許文献１などに開示されている。こうしたスクラバーまたは吸収体フィルタを通過するときに、空気供給流のＣＯ_２成分がこうしたＣＯ_２トラップのＯＨ⁻イオンと反応して炭酸塩を形成することによって、電池に入る空気中のＣＯ_２の濃度が低減する。このＣＯ_２濾過のモードは電池カソードより上流で起こり、フィルタまたはフィルタ内の活性材料の定期的な交換を必要とする。燃料電池の適用のほとんどにおいては、燃料電池のメンテナンスを最小限にする必要があるために、こうした手作業の交換の頻度をあまりにも高くすることはできない。フィルタ交換の頻度を低くするために可能な手法の１つは、より大きい体積のフィルタ、すなわちＣＯ_２吸収容量がより大きいフィルタを用いることである。しかし、フィルタの許容サイズは全体のシステム体積の制約によって制限される。

よって、空気流およびアルカリ燃料電池内のＣＯ_２レベルを最小化するためには、空気流をこうしたフィルタまたはトラップに通すことによって空気流中のＣＯ_２レベルを最大限に低減させるような、制限はあるが高容量の体積と容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）との組み合わせを有する効果的なＣＯ_２フィルタまたはトラップが望ましい。

米国特許第３，９０９，２０６号明細書

要旨
アルカリ燃料電池への空気流供給物のＣＯ_２レベル低減を最大化することに対する要求は、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）よりもアルカリ膜燃料電池（ＡＭＦＣ）の方がかなり厳しいことを出願人らは確認した。ＡＦＣにおいては、特にＡＦＣ内の液体電解質が再循環されているときには、５０ｐｐｍほどの高さのＣＯ_２レベルが残る洗浄空気が入っても、大きな燃料電池電圧損失をもたらさないことがある。しかしＡＭＦＣの場合には、ゼロに近い電圧損失を確実にするためには、ＣＯ_２レベルを１０ｐｐｍよりもかなり低くする必要がある。燃料電池への空気供給物が約４００ｐｐｍのＣＯ_２を有する通常の空気であるとき、単一の吸収体、フィルタ、トラップ、またはその他のＣＯ_２濾過／吸収ユニットでは、その出口で空気流のこれほど低いＣＯ_２レベルを達成し、かつ妥当な寸法を有することができない。理由の１つは、フィルタの寸法を制限して高いガス流速を達成することに向けられたフィルタ設計の原理が、完全なＣＯ_２隔離を目的とする原理と相容れないことである。

本明細書に開示される本発明は、アルカリ燃料電池のカソードに入る空気流中のＣＯ_２レベルを低減させることによって、燃料電池の目標効率レベルを確保し、燃料電池内のＣＯ_２に対する耐性およびその影響を達成することを助けることに向けられる。本発明は、アルカリ水性電解質を含むアルカリ燃料電池（「ＡＦＣ」）とともに用いられても、液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を含むアルカリ燃料電池（「ＡＭＦＣ」）とともに用いられてもよい。本発明の目的の１つは、同時にＣＯ_２フィルタ（複数可）またはトラップ（複数可）の体積サイズを最小化し、かつＣＯ_２フィルタ（複数可）またはトラップ（複数可）の高処理量を達成する一方で、そのフィルタ（複数可）またはトラップ（複数可）が燃料電池への空気流供給物のＣＯ_２レベルのレベルを予め定められた量だけ低減させること、たとえば１０分の１にするか、または通常の（未濾過）空気における約４００ｐｐｍのＣＯ_２を約１０ｐｐｍよりも十分に低いＣＯ_２にまで低減させることを可能にするように設計され構成された、フィルタアセンブリおよび方法を提供することを含む。加えて、たとえば予め定められた時間だけ燃料電池に高電流摂動を加えることによって、燃料電池に進入するあらゆるＣＯ_２をアノード排気流を通じてパージすることによる「電気化学的パージ」を達成することを助けるために、こうした方法が用いられてもよい。

一局面において、本発明は、燃料電池に動作的に連結され、かつ互いにタンデムな構成で配置された２種類のＣＯ_２フィルタまたはトラップの組み合わせを含む、２フィルタＣＯ_２濾過アセンブリを提供する。この２フィルタアセンブリは、燃料電池のカソードよりも上流にあることによって、カソードに供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させる。より特定的には、このフィルタまたはトラップは、空気流がフィルタまたはトラップを通過する際に空気流中のＣＯ_２を捕獲または吸収することによって、空気流がカソードに入る前に空気流中のＣＯ_２レベルを低減させるように設計され構成されている。このため、カソードへの空気流供給物中のＣＯ_２をアセンブリが吸収することによって、２フィルタアセンブリはアルカリ燃料電池が空気ＣＯ_２に対する耐性を達成することを助け、したがってアルカリ燃料電池の目標効率レベルを達成することを助ける。

本発明に従う２フィルタアセンブリの２種類のフィルタまたはトラップは、第１の熱再生化学ＣＯ_２フィルタまたはトラップと、それとタンデムに配置された第２の強力結合ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップとを含んでもよい。第１の熱再生フィルタまたはトラップは、以下に説明するとおり、フィルタまたはトラップの分解を必要とせずにＣＯ_２飽和の際の熱再生を行なうために設計され構成される。前述のとおり、２種類のフィルタはカソードへの入口よりも上流に配され、第２の強力結合ＣＯ_２フィルタまたはトラップは第１のフィルタとカソード入口との間に配される。この２フィルタアセンブリをアルカリ燃料電池とともに配置することによって、第１のフィルタがカソードに供給される入口空気流を受け取り、その空気流が第１のフィルタを通過する際に空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させることが可能になる。加えてこの配置によって、第１のフィルタの下流にタンデムに配された第２のフィルタが、第１のフィルタから出る濾過空気流を受け取って、その空気流が最終的にカソード入口に供給される前に、空気流が第２のフィルタを通過する際に空気流中のＣＯ_２のレベルをさらに低減させることが可能になる。２つのフィルタまたはトラップを通ってカソード入口に入る空気流の流れを誘導するために、第１および第２のフィルタの間に空気ポンプが含まれる。

第１の熱再生フィルタは、入口空気流中のＣＯ_２のレベルを、たとえば１０分の１などの予め定められた量に低減させるように設計され構成される。第２の強力結合フィルタは、第１のフィルタで濾過されてそこから出てきた空気流中のＣＯ_２のレベルを、たとえば１０分の１などの第２の予め定められた量に低減させるように設計され構成される。このため、カソード入口に供給される空気流が第１および第２のフィルタによって順次濾過されることにより、カソード入口に供給される空気流中のＣＯ_２のレベルは、２フィルタアセンブリの１つの構成において、たとえば１００分の１など、顕著に低減される。

たとえば、本発明に従う２フィルタアセンブリの構成の１つにおいて、第１の熱再生フィルタは通常の空気中のＣＯ_２のレベルを１０分の１または約４００ｐｐｍから約４０ｐｐｍに低減させるように構成され設計されてもよく、第２の強力結合フィルタは第１のフィルタによって濾過された空気流中のＣＯ_２のレベルを１０分の１または約４０ｐｐｍから５ｐｐｍ未満、好ましくは１ｐｐｍに等しいかまたはそれに近い値にさらに低減させるように構成され設計されてもよい。本発明に従う２フィルタアセンブリは、燃料電池への空気供給物として通常の空気が用いられるときに、カソード入口に供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを顕著に低減させてもよい。

別の局面において、本発明は、アノード分解によって燃料電池アノードからＣＯ_２を除去するためにアルカリ燃料電池を電気化学的にパージする方法を提供する。この方法は、アノード内の蓄積炭酸イオンのアノードプロセスにおける反応体としての関与を強制することを助けるために好適な電流をアルカリ燃料電池に印加することによって、ＣＯ_２を遊離してアノード排気流を通じてアノードから除去するステップを含む。電流の大きさは十分に高く、かつスタックにおける燃料電池反転の開始をもたらすいかなる大きさにも達しない大きさである。この電気化学的パージングの方法は、燃料電池に一時的および周期的に適用されてもよい。加えて、この電気化学的パージングの方法は、たとえば動作時間などの所与の期間にわたる燃料電池の性能の低下に応答して、アルカリ燃料電池に適用されてもよい。本発明の方法に従うと、電気化学的パージング電流の印加は、たとえば約１秒間から約３０秒間など、予め定められた持続時間だけ行なわれてもよい。ＯＨ⁻イオンはアノードプロセスにおける反応体としてのカルバミン酸イオンによって置換されることにより、電気化学的に消費される。アノードプロセスは副生成物としてＣＯ_２を放出し、アノード排気流はＣＯ_２を燃料電池から放出する。本発明に従う方法は、上述の２フィルタアセンブリ、または以下に説明するＣＯ_２濾過システムとともに有利に用いられ得る。

さらなる局面において、本発明はアルカリ燃料電池とともに用いるためのＣＯ_２濾過システムを提供し、このＣＯ_２濾過システムは上述のとおりの２種類のＣＯ_２フィルタまたはトラップの組み合わせを含み、さらに第１の熱再生ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップと類似の第２の熱再生ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップを含む。第１および第２の熱再生フィルタまたはトラップは並列に配置され、カソードへの入口よりも上流に配される。加えて、第１および第２の熱再生フィルタまたはトラップの各々は強力結合ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップに対してタンデムな構成で配置される。第１および第２の熱再生ＣＯ_２フィルタまたはトラップは、上述のとおり、それらを分解することなく熱で復活されてもよい。第１または第２の熱再生ＣＯ_２フィルタは、強力結合フィルタとともに、上述のとおり空気流が熱再生フィルタおよび強力結合フィルタのいずれかを通過する際に空気流を濾過して、ＣＯ_２のレベルを顕著に低減させた空気流をカソード入口に提供する。各熱再生フィルタは強力結合ＣＯ_２フィルタとタンデムに配置され、熱再生フィルタの各々は、他方の熱再生フィルタが熱復活を受けている間に能動的なＣＯ_２吸収に従事していてもよい。この態様で、一方の熱再生フィルタは、他方の熱再生フィルタが再生されている間も、入ってくる空気流を濾過するために常時使用可能であってもよい。

熱再生フィルタの熱復活は、熱再生フィルタに温風または熱風を通して、能動的な動作中にフィルタ内に蓄積した吸収されたＣＯ_２の放出を助けることによって達成される。熱再生フィルタの熱復活は、たとえば燃料電池の動作中などに、再生を受けるフィルタを温風または熱風が通過することによってインラインで起こってもよい。こうした温風または熱風は、熱復活を受ける第１または第２のフィルタのいずれかに向け直された、燃料電池からのカソード排気流を含んでもよい。ＣＯ_２濾過システムは、第１および第２のフィルタのどちらが熱再生を指定されるか、および／または熱再生を受けるかに依存して、第１または第２の熱再生フィルタのいずれかに対してカソード排気流を向け直せるよう助けるための空気流ラインおよびバルブのサブシステムを含む。空気流ラインおよびバルブのサブシステムは、第１および第２のフィルタのどちらが能動的に濾過しているかに依存して第１または第２の熱再生フィルタのいずれかへの入口空気流の空気流を促進したり、それらのフィルタの下流の空気流を強力結合ＣＯ_２フィルタに向けて、その後カソード入口に向けたりすることも助ける。

いくつかの適用においては、所与のフィルタ特性および電気化学的パージ条件によって、上述の２フィルタアセンブリまたはＣＯ_２濾過システムから熱再生フィルタまたは強力結合フィルタのいずれかを除去しても完全な濾過を達成できる。つまり、ＣＯ_２の影響を排除するためのツールのセット全体が、熱再生フィルタと電気化学的パージとの組み合わせか、または強力結合フィルタと電気化学的パージとの組み合わせを含む。

図１は、本発明の一局面に従った、タンデム配置に配された２つの異なる種類のＣＯ_２フィルタまたはトラップを含む、アルカリ燃料電池のための空気ＣＯ_２濾過アセンブリの概略図である。 図２は、カソード入口への空気流のＣＯ_２濾過と、アノード脱炭酸化のための燃料電池の電気化学的摂動と、アノード排気流を通じた燃料電池からのＣＯ_２の放出とを含む、アルカリ燃料電池においてＣＯ_２耐性を達成する方法を示す流れ図である。 図３は、酸素および窒素以外のあらゆる成分が「超ゼロ」レベルにて提供されるカソード空気供給物が周囲空気で置換されたときの、負荷に対する一定の電流におけるアルカリ燃料電池電圧の減少を示すグラフである。 図４は、本発明の別の局面に従った、熱復活のために配置された２つの熱再生ＣＯ_２フィルタまたはトラップを含む、アルカリ燃料電池のためのＣＯ_２濾過システムの概略図である。 図５は、カソード入口への空気流中のＣＯ_２レベルの低減を確実にするための、本発明に従うＣＯ_２濾過アセンブリまたはシステムの設計の最小限の全寸法を定める方法を示す流れ図である。

詳細な説明
本発明は、以下によって提供される特徴のさまざまな組み合わせに基づく、空気ＣＯ_２に対する実質的なアルカリ燃料電池の耐性を効果的に達成するためのアセンブリおよび方法を提供する：（ａ）フィルタまたはトラップの分解なしに熱によって再生され得る少なくとも１つの高容量／高処理量の化学ＣＯ_２フィルタまたはトラップによる化学ＣＯ_２濾過；（ｂ）少なくとも１つの使い捨ての強力結合ＣＯ_２フィルタまたはトラップによる化学ＣＯ_２濾過；および／または（ｃ）アノード脱炭酸化および燃料電池のアノード排気流を通じたＣＯ_２の放出の達成を助ける電気化学的摂動。

図１を参照すると、本発明は１つの局面において、互いに対して直列またはタンデムな構成で配置された２種類のフィルタまたはトラップ１２および１４の組み合わせを含む、アルカリ燃料電池のためのＣＯ_２濾過アセンブリ５０を提供する。２つのフィルタ１２および１４のタンデム構成は、アセンブリ５０への通常の空気供給物のための入口３０よりも下流であって、かつ燃料電池のカソードへの入口３２よりは上流に位置決めされる。２つのフィルタのうち第２または後者のフィルタまたはトラップ１４は、第１のフィルタまたはトラップ１２とカソード入口３２との間に位置決めされる。２つのフィルタ１２および１４を通ってカソード入口に入る空気流の流れを誘導するために、２つのフィルタ１２および１４の間に空気ポンプ１６が配される。図１に示される２フィルタアセンブリ５０は、アルカリ水性電解質を用いるアルカリ燃料電池、または液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を用いるアルカリ燃料電池とともに組み込まれてもよい。

以下の本発明を開示するために用いられる「アルカリ燃料電池」、「燃料電池」および「電池」という用語は、アルカリ水性電解質を含むアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）または液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を含むアルカリ燃料電池（ＡＭＦＣ）を示す。本発明はいずれかの種類のアルカリ燃料電池に限定されず、ＡＭＦＣおよびＡＦＣとともに用いられてもよい。

２フィルタの組み合わせの第１の空気フィルタまたはトラップ１２は、フィルタ１２の分解を必要としない熱復活のために設計され構成された、高いＣＯ_２吸収容量および高い空気処理量を有する化学ＣＯ_２フィルタである。フィルタ１２は、空気流がフィルタ１２を通過する際に、空気流中のＣＯ_２レベルを予め定められた量だけ低くする、すなわちたとえば１０分の１にするか、または通常の空気における約４００ｐｐｍから約４０ｐｐｍまで低減させるように設計され構成されている。第１のフィルタ１２はさらに、たとえばフィルタ１２における最大約１秒の空気滞留時間に相当するものなどの高処理量条件下で達成され得る高容量のＣＯ_２吸収、たとえば約５重量％から８重量％などの組み合わせを提供するように設計され構成される。これらの吸収容量および動的処理量の特徴の組み合わせは、アルカリ燃料電池のカソード入口に最終的に提供される空気流中のＣＯ_２のレベルを低くすることを助ける。

たとえば、第１のフィルタまたはトラップ１２は、燃料電池によって生成される電力１ｋＷ当たり約２ｋｇの活性材料を有してもよく、および高いＣＯ_２吸収容量および高い処理量を可能にする仕様を有してもよく、それによって１ｋＷ電池スタックにおけるフィルタ１２は燃料電池の動作の際に空気流中のＣＯ_２のレベルを約４００ｐｐｍから約４０ｐｐｍに、または１０分の１に下げることを助け、ここでフィルタ１２を通過する空気流は最高約４５℃の温度である。こうした仕様を有するフィルタまたはトラップ１２は、最大約８時間動作してもよく、その後ＣＯ_２で飽和してもよく、続いて熱復活され得る。

第１のフィルタまたはトラップ１２は、吸収されたＣＯ_２を除去および放出することによる熱復活を可能にする１つまたはそれより多くの活性材料で構築される。第１のフィルタ１２のこうした復活はフィルタ１２を分解することなく達成され、好ましくはインラインで、たとえば熱スイング吸収（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｗｉｎｇ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＴＳＡ）技術などによって、フィルタまたはトラップ１２に温風または熱風を通して吸収されたＣＯ_２を放出することによって達成される。

よって、第１のフィルタまたはトラップ１２は、ＣＯ_２の取り込みおよび放出のための熱的条件の要求を満たすように設計され構築されてもよく、それによってフィルタ１２はアルカリ燃料電池の動作温度における進入空気流中のＣＯ_２のレベルを強力に低減し、それと同時にＣＯ_２飽和フィルタ１２が過剰な加熱エネルギーを回避するために十分に低い温度で吸収ＣＯ_２を放出することを可能にする。空気ＣＯ_２の低減のためにアルカリ土類水酸化物材料が用いられてきたが、それは典型的に捕獲ＣＯ_２の熱放出のために過剰に高い温度を必要とする。加えて、たとえば酸化物／水酸化物顆粒など、いくつかの活性材料の大部分は、炭酸化において起こる寸法の変化を受けやすく、吸収容量を失わずに複数のＴＳＡサイクルを受けることができない。

出願人らは、第１の熱再生フィルタまたはトラップ１２の構築のための代替的な活性材料を同定し、その材料は、本明細書に開示される特定のＣＯ_２吸収および低減の適用に対する優れた性能を示し、かつアルカリ燃料電池におけるＣＯ_２耐性を達成するために必要とされる、アミン官能基を有するポリマーに基づくＣＯ_２隔離材料のファミリーを含む（Ｄｒｅｓｅ，Ｊ．Ｈ．，ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．３８２１−３８３２）。たとえば、本発明に従う２フィルタアセンブリ５０の構成の１つにおいて、第１のフィルタまたはトラップ１２は、室温近くで必要なＣＯ_２取り込みおよび脱離の特性の組み合わせを提供できる、たとえば多孔性セラミック基材の上に支持されたアミン官能基を有するポリマー樹脂などの活性材料で構築される。アミン官能基化樹脂および多孔性セラミック基材の活性材料は、室温近くでの約５重量％から８重量％のＣＯ_２取り込みと、約１００℃よりも顕著に高くない温度の空気に露出した際の完全なＣＯ_２脱離とを示し、複数のＴＳＡサイクルにわたる燃料電池性能の損失は最小限であった。これらの効果が達成された一方で、たとえば１秒未満または１秒以下などの滞留時間にてフィルタ１２を通過後の空気流中のＣＯ_２レベルを、たとえば１０分の１などの必要量または所望の量まで低下させることも達成された。したがって、第１の空気フィルタまたはトラップ１２の活性材料（同上）の１つまたはそれより多くの特定の種類を選択することは、本発明に従ってアルカリ燃料電池におけるＣＯ_２耐性を達成する解決策の重要な局面である。

加えて、図４を参照して以下に詳細に説明されるとおり、熱再生フィルタまたはトラップ１２は、フィルタ１２に温風または熱風を通してＣＯ_２飽和フィルタ１２からＣＯ_２を放出させることによって復活されてもよい。再生フィルタ１２が予め定められた量だけ達成する空気流中のＣＯ_２レベルの低減、たとえば１０分の１または約４００ｐｐｍから約４０ｐｐｍへの低減などは、フィルタ１２の複数サイクルの熱復活の後にも維持されることが示された。

第１の空気フィルタまたはトラップ１２の特性の必要とされる組み合わせを達成するために好適なこうした活性材料（複数可）は、アミン官能基を有するポリマー、および多孔性セラミック材料の上に支持されたアミン官能基を有するポリマーを含むがそれに限定されない。

第２の空気フィルタまたはトラップ１４は、使い捨ての強力結合ＣＯ_２化学フィルタである。たとえば、本発明に従う２フィルタアセンブリ５０の構成の１つにおいて、第２のフィルタまたはトラップ１４は、強力結合ＣＯ_２フィルタ１４が第１のフィルタ１２から受け取る出口空気流中のＣＯ_２レベルを、たとえば１０分の１または約４０ｐｐｍから１ｐｐｍ近くへの低減など、必要量または所望の量に効果的に下げることを助ける無機水酸化物または水酸化物混合物の顆粒を活性材料として含む。たとえば、こうしたフィルタ１４に通常の空気含有量の約１０％のＣＯ_２レベルを有する空気流が提供されるとき、フィルタ１５は空気流中のＣＯ_２レベルを１ｐｐｍ近くにまで低減させることを助けてもよい。第２のフィルタまたはトラップ１４の好適な活性フィルタ材料（複数可）はＣＯ_２の強力な結合剤である材料を含み、これはこうした低いＣＯ_２出口レベルを達成するために必要とされる特性である。第２のフィルタ１４のこうした活性濾過材料（複数可）は、ソーダ石灰、水酸化リチウム、水酸化カリウム、および水酸化ナトリウムを含むがそれに限定されない。

強力結合フィルタまたはトラップ１４は妥当な温度での復活ができないため、活性材料がＣＯ_２で飽和したら交換する必要がある。しかし、本発明に従う２フィルタアセンブリ５０の設計によって、第２のフィルタ１４は通常の空気の約１０％のＣＯ_２レベルしかない進入空気流の取り扱いに比較的限定されているため、第２のフィルタ１４の交換頻度は比較的低い。

よって、図１に示されるとおりの本発明に従う濾過アセンブリ５０がアルカリ燃料電池とともに組み込まれるとき、アセンブリ５０は、空気流をカソード入口に送達する前に、空気供給物として通常の空気が用いられるときには、たとえば４００ｐｐｍから１ｐｐｍ近くなどにまで空気流中のＣＯ_２レベルを顕著に低減させることを助ける一連のＣＯ_２濾過／吸収によって、電池内のＣＯ_２耐性を達成させることを助ける。カソード入口への空気流供給物中のＣＯ_２レベルのこうした顕著な低減は、２フィルタアセンブリ５０の最小限のメンテナンスおよび燃料電池の最小限のエネルギー損失とともに達成される。

本発明に従う２フィルタアセンブリ５０の構成の１つにおいて、第１のＣＯ_２フィルタまたはトラップ１２は、ＣＯ_２トラップ部位として働くように構成されるアミン官能基を有するポリマー（複数可）を含むがそれに限定されない活性材料（複数可）で構築される。アミン（複数可）とＣＯ_２および水蒸気との反応は、次のプロセスに従って重炭酸イオンを形成する。

（４）Ｒ−ＮＨ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＝Ｒ−ＮＨ_３ ^＋（ＨＣＯ_３ ⁻）
ここでＲは炭素質のポリマー骨格を含んでもよい。

さらに、本発明に従う２フィルタアセンブリ５０の別の構成において、第１のＣＯ_２フィルタまたはトラップ１２は乾燥空気条件において用いるために構築されており、ＣＯ_２トラップ部位として働くように構成されるアミン官能基を有するポリマー（複数可）を含むがそれに限定されない活性材料（複数可）を含む。乾燥空気条件下でのアミンとＣＯ_２との反応は、次のプロセスに従ってカルバミン酸イオンを形成する。

（５）２（Ｒ−ＮＨ_２）＋ＣＯ_２＝（Ｒ−ＮＨＣＯＯ⁻）（Ｒ−ＮＨ_３ ^＋）
ここでＲは炭素質のポリマー骨格を含んでもよい。

図１に示される２フィルタアセンブリ５０に加えて、電池のアノード部分に蓄積し得るあらゆる炭酸塩の電気化学的分解の達成を助け、かつ電気化学的分解の結果として形成したＣＯ_２をアノード排気流を通じて排気することを助けるために、動作中のアルカリ燃料電池に電池負荷摂動を加えてもよい。本発明に従うこうした電気化学的ＣＯ_２パージング法は、燃料電池スタックに最大限の電流を比較的短時間だけ通す、限られた持続時間の燃料電池負荷摂動を用いることによって、電池から残留炭酸塩を効果的に除去することを助ける一方で、燃料電池に高い電池電流が通ったときに受け得る、負荷に対する燃料電池電力供給の損失の持続時間を最小化する。アルカリ膜燃料電池におけるＣＯ_２の電気化学的パージの現象はすでに説明されており、こうした燃料電池における無ＣＯ_２性能の回復のためのプロセスまたは技術の役割をする。アルカリ燃料電池におけるＣＯ_２耐性を達成するために、電気化学的パージングのみに頼ることはできないことを出願人らは確認した。なぜなら、必要とされる高電流摂動の頻度および持続時間は、燃料電池をバックアップするために必要な補助電力装置および負荷に対する電池電力供給のために残された正味時間の点からみて高すぎるためである。

しかしながら出願人らは、電気化学的パージアプローチの使用がアルカリ燃料電池におけるＣＯ_２耐性の達成に真の価値を与えるのは、上述のとおり電気化学的パージングがＣＯ_２濾過または吸収とともに用いられて、燃料電池のカソード部分に入る空気流中のＣＯ_２レベルをたとえば約４００ｐｐｍから約２０ｐｐｍまたはそれ未満に低減させるときであることを確認した。言及したとおり、こうした濾過または吸収は、本発明に従う２つのＣＯ_２フィルタアセンブリ５０を用いるか、または以下に詳細に説明される本発明に従うＣＯ_２システム１００を用いて、カソードへの入口よりも上流で達成される。空気ＣＯ_２の流入レベルが低いと、燃料電池のアノード部分における炭酸塩の蓄積にかかる時間が比較的長くなり、その結果燃料電池の電流摂動が必要とされる頻度が比較的低くなる。熱再生フィルタ１２と強力結合ＣＯ_２フィルタ１４とを含む２フィルタアセンブリ５０がカソード入口よりも上流で用いられるとき、電気化学的パージ法は、たとえばフィルタ１２および１４のいずれかの機能の何らかの欠陥などからもたらされ得る、アノード内の炭酸塩のゆっくりした蓄積を修正することを助ける「研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）」ツールとして機能する。

本発明に従う電気化学的パージ法は、アノード中のＯＨ⁻イオンの大部分が炭酸イオンによって置換されたために通常のアノードプロセスが要求電流を支持できないときに、アルカリ燃料電池からのＣＯ_２の電気化学的除去を可能にする。こうした条件下で、炭酸イオンは次式に従ってアノードプロセスの反応体としてＯＨ⁻イオンを置換できる。

（６）１／２Ｈ_２＋ＨＣＯ_３ ⁻＝Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋ｅ
これによってＣＯ_２が「遊離」して、アノード排気流を通じて燃料電池から去る。式（６）によって示されるプロセスに続いて、炭酸イオンの電気化学的分解によって空にされたアニオン性部位を、アノードを通じてアノード内に移動してきたＯＨ⁻イオンが瞬時に満たす。したがってアノードの炭酸塩分解のプロセスは、次式に従って電池の厚さ寸法を通るアニオン性電流が維持されている間に起こる。

（７）（Ｒ_４Ｎ＋ＨＣＯ_３ ⁻）＋１／２Ｈ_２＋ＯＨ⁻＝（ＲＮ_４ ^＋ＯＨ⁻）＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ
したがって、こうしたアノード分解によってアルカリ燃料電池から炭酸塩を除去するための鍵は、可能な最大電流の印加による一時的な電気化学的摂動によって、アノードプロセスにおける炭酸塩の関与を強制することを助けることである。同時に、式（６）に示される所望のプロセスを確実にすることを助けるこうした一時的負荷変更は、事実上ゼロの電力出力レベルにおけるスタック動作を伴う。その結果、付加的な電力が摂動プロセスの持続時間に提供されてもよく、それはたとえばウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）またはバッテリーなどの補助電源から提供されてもよい。加えて、全体の高変換効率を確実にすることを助けるために、燃料スタックの反復性の電気化学的復活に用いられる動作時間の部分は、たとえば約１％から約１０％など、数パーセント点よりも大きくなることはない。

したがって図２を参照して、本発明の別の局面はアルカリ燃料電池におけるＣＯ_２耐性を達成する方法２００を提供し、この方法は、本発明に従う２フィルタアセンブリ５０または以下に説明される本発明に従うＣＯ_２濾過システム１００を用いた、燃料電池のカソード入口３２への空気流のＣＯ_２濾過と、アノードの脱炭酸化およびＣＯ_２放出のための燃料電池の電気化学的摂動とを含む。図２に示される方法２００は単なる例示であって、たとえば以下に開示される段階を追加、除去、および／または再配置することなどによって、方法２００が変更されてもよい。

段階１０２において、この方法は、アルカリ燃料電池に、燃料電池のカソード入口よりも上流に位置決めされた一連のＣＯ_２フィルタまたはトラップ１２、１２Ａまたは１２Ｂおよび１４を提供するステップを含み、少なくとも第１の熱再生化学ＣＯ_２フィルタまたはトラップ１２、１２Ａまたは１２Ｂは、第２の強力結合ＣＯ_２化学フィルタまたはトラップ１４とタンデムな構成で配置される。第２の強力結合フィルタ１４は、カソード入口３２と熱再生フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂの少なくとも１つとの間に位置決めされる。第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂは、たとえば約５重量％から８重量％などの予め定められたＣＯ_２吸収能力と、たとえばフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂにおける最大約１秒の空気滞留時間などに対応して必要とされるかまたは所望される処理量能力とを提供することによって、フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂから出る空気流中のＣＯ_２レベルを、たとえば１０分の１への低減など、予め定められた量だけ低減させるように設計され構築される。本発明に従うフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂの構成の１つにおいて、フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂの活性材料は、アミン官能基を有する１つまたはそれより多くのポリマーを含む。強力結合フィルタ１４は、空気流がカソード入口に供給される前に、第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂから受け取った空気流中のＣＯ_２レベルを、たとえば１０分の１への低減など、予め定められた量だけさらに低減させるように設計され構築される。本発明に従うアセンブリ５０の構成の１つにおいて、第２のフィルタ１４の活性材料は、ソーダ石灰、水酸化リチウム、水酸化カリウム、または水酸化ナトリウムを含む。

段階１０４において、空気入口３０から第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂを通って燃料電池に供給される空気流を濾過して、予め定められた処理量および第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂにおける空気の滞留時間、たとえば最大１秒または約１秒などの時間によって、第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂから出る空気流中のＣＯ_２レベルをたとえば約４００ｐｐｍから約４０ｐｐｍなど、予め定められた量に低減させることを助ける。

段階１０６において、第１のフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂから出て第２のフィルタ１４を通る空気流を濾過して、第２のフィルタ１４から出てカソード入口に入る空気流中のＣＯ_２レベルをたとえば約４０ｐｐｍから１ｐｐｍ近くなど、予め定められた量に低減させることを助ける。

段階１０８において、アノード分解による燃料電池アノードにおけるＣＯ_２除去のために燃料電池を電気化学的にパージし、これは燃料電池アノード内の蓄積炭酸イオンのアノードプロセス（式（６）で示される）における反応体としての関与を強制することを助けるために好適な最大電流を燃料電池に印加することによって、ＣＯ_２を遊離してアノード排気流を通じて燃料電池から除去することによって行なわれる。電流の大きさは十分に高く、かつスタックにおける燃料電池反転の開始をもたらすいかなる大きさにも達しない大きさである。こうしたパージングは、燃料電池に一時的および周期的に適用されてもよい。

段階１１０において、パージング電流の印加を、たとえば約１秒間から約３０秒間などの予め定められた持続時間だけ維持することによって、炭酸イオンの実質的な部分がアノードプロセスにおける反応体としてのＯＨ⁻イオンの実質的な部分を置換することによって、ＣＯ_２が副産物として放出されることによって電気化学的に消費され、アノード排気流を通じて燃料電池から放出される。

段階１１２において、電気化学的パージング段階の際に、必要であれば任意に追加の電力を提供して、動作中の燃料電池スタックの結果的な一時的負荷変更および電力出力レベルの低減を適応させる。こうした追加の電力は、たとえばウルトラキャパシタまたはバッテリーなどの補助電源から提供されてもよい。

図３を参照して、グラフ５２は、酸素および窒素以外のあらゆる成分が「超ゼロ」レベルで与えられるか、または相対的にＣＯ_２を含まない電池カソードへの空気供給物が周囲空気供給物に切り換えられたときの、負荷への一定の電流にて動作するアルカリ燃料電池の電圧の減少を例示するものである。このグラフは、電池カソードへの周囲空気供給物と、空気ＣＯ_２のレベルを低減させるための上述の２フィルタアセンブリ５０または下に説明される濾過システム１００とを用いた燃料電池の電圧の維持も例示する。アセンブリ５０またはシステム１００によるＣＯ_２の濾過または能動的な捕獲は、燃料電池アノードにおけるアノード分解によるＣＯ_２の除去および放出のための上述の電気化学的摂動法２００とともに用いられてもよい。

図４を参照して、本発明は別の局面において、アルカリ燃料電池２０のためのＣＯ_２濾過システム１００を提供し、このＣＯ_２濾過システム１００は第１の熱再生フィルタまたはトラップ１２Ａおよび第２の熱再生フィルタまたはトラップ１２Ｂを含み、各フィルタまたはトラップ１２Ａおよび１２Ｂは、図１を参照して上述した熱再生フィルタまたはトラップ１２と同じ特性および仕様を有する。第１および第２の熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂは、空気入口３０よりも下流であって燃料電池カソードの入口３２よりは上流に位置決めされる。第１および第２の熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂは、互いに並列な向きに配される。加えて各フィルタ１２Ａおよび１２Ｂは、図１を参照して上述したものと同じ特性および仕様を有する強力結合ＣＯ_２フィルタまたはトラップ１４とタンデムな構成でその上流に位置決めされる。強力結合フィルタ１４はカソード入口３２よりも上流に位置決めされ、以下に説明されるとおり、各フィルタ１２Ａおよび１２Ｂの動作のモードに依存して、第１のフィルタ１２Ａまたは第２のフィルタ１２Ａのいずれかから出される濾過された空気流を受け取る。フィルタ１２Ａ、１２Ｂおよび１４を通ってカソード入口に入る空気流の流れを誘導するために、熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂと強力結合フィルタ１４との間に空気ポンプ１６が配される。システム１００は、必要であれば他方のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂが熱復活を受けている間に一方のフィルタ１２Ａまたは１２ＢがＣＯ_２を能動的に濾過することを可能にする熱復活スキームを提供するように構築され配置される。

第１および第２の熱再生フィルタまたはトラップ１２Ａおよび１２Ｂは、たとえば熱スイング吸収（ＴＳＡ）技術などによって、フィルタ１２Ａおよび１２Ｂに温風または熱風を通して吸収されたＣＯ_２を放出させることによる熱復活ができるように構成され設計される。図４に示されるとおり、熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂは、空気流ライン２２と、たとえば２方向および／または３方向バルブなどのバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４とのサブシステムに動作的に接続されてともに配置されている。このサブシステムは、空気入口３０から各フィルタ１２Ａおよび１２Ｂに入口空気流を送達し、フィルタ１２Ａまたは１２Ｂが能動的に空気流からＣＯ_２をトラップしているかどうかに依存して、入口空気流をフィルタ１２Ａまたは１２Ｂのいずれかに選択的に送達するように構成され配置されている。加えてこのサブシステムは、各フィルタ１２Ａおよび１２Ｂに熱再生のための復活空気流を送達し、かつフィルタ１２Ａまたは１２Ｂが熱復活を指定されているか、および／または熱復活を受けているかに依存して、復活空気流をフィルタ１２Ａまたは１２Ｂのいずれかに選択的に送達するようにも構成され配置されている。このサブシステムはフィルタ１２Ａおよび１２Ｂの動作のモードに依存して適切な空気流を送達し、ＣＯ_２のレベルを低減させるために入口空気流を濾過するために作動中のときにはフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに入口空気流を送達し、熱復活を受けるときにはフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに復活流を送達する。

たとえば、サブシステムは空気流ライン２２の１つまたはそれより多くと、バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の１つまたはそれより多くとを用いてＣＯ_２を能動的にトラップしているフィルタ１２Ａに入口空気流を送達してもよく、さらに、たとえばそれと同時に、熱再生を受けているフィルタ１２Ｂに復活空気流を送達してもよく、逆の場合も同様である。これによって、第１および第２のフィルタ１２Ａおよび１２Ｂならびに空気流ライン２２およびバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の特定のものは、フィルタ１２Ａまたは１２Ｂの一方が入口空気流中のＣＯ_２のレベルを低減できるようにするとともに、他方のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに温風または熱風復活流を通すことによって他方のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂが熱復活を受けられるようにすることを助けることができる。本発明に従うシステム１００は、熱再生フィルタ１２Ａまたは１２Ｂの少なくとも一方が常にＣＯ_２を能動的にトラップすることによって、後に強力結合フィルタまたはトラップ１４に供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させることを確実にするように動作してもよい。

本発明に従うサブシステムの構成の１つにおいて、特定の空気流ライン２２およびバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４は、温風または熱風のカソード排気空気流を第１および第２のフィルタ１２Ａおよび１２Ｂに向け直すことによって、フィルタ１２Ａまたはフィルタ１２Ｂが熱再生を指定されるか、および／または熱再生を受けるかに依存して、カソード排気流がフィルタ１２Ａまたは１２Ｂを通過する際に復活流として働くように構成され配置される。本発明に従うシステム１００は、それによってフィルタ１２Ａおよび１２Ｂの分解を必要としない第１および第２のフィルタ１２Ａおよび１２Ｂのインライン熱復活を実現する。燃料電池２０の動作中にこうしたインライン復活を行なえることで、第１および第２のフィルタ１２Ａおよび１２Ｂの少なくとも一方、フィルタ１２Ａまたは１２Ｂのいずれかが入口空気流の受け取りおよび濾過専用となる。

本発明に従うシステム１００の構成の１つにおいて、復活空気流として働く、向け直されたカソード排気流は、サブシステムの空気流ライン２２の１つもしくはそれより多くならびに／またはバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の１つもしくはそれより多くに動作的に接続された、たとえば電気ヒーターまたは触媒ヒーターなどのインラインヒーター２４によって提供される付加的または追加の加熱を含むことによって、復活空気流の温度を必要または所望の復活温度に上げることを助けてもよい。こうしたインラインヒーター２４は、その動作のために燃料電池２０のいくらかの水素燃料を用いてもよい。

ＣＯ_２の熱放出は、約８０℃から約１２０℃、好ましくは約１００℃から約１０５℃の範囲内の温度にて復活空気流をフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに通すことによって達成される。加えて、フィルタ１２Ａおよび１２Ｂの構成および動作温度は、吸着および脱離の半サイクルの間の、フィルタ１２Ａおよび１２ＢがＣＯ_２吸収能力を回復するために必要な時間が、等しい空気流速におけるＣＯ_２飽和時間よりも短いことを確実にする。熱再生を受けるフィルタ１２Ａまたは１２Ｂを通過した後に、復活空気流はＣＯ_２再生空気流出口３４を経由してサブシステムから放出されてもよい。

空気流ライン２２の１つまたはそれより多くならびにバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の１つまたはそれより多くはさらに、空気流がフィルタ１４を通る際のフィルタ１４によるさらなるＣＯ_２吸収のために、第１または第２のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂのいずれかからの出口空気流を強力結合フィルタ１４に送達するように構成され配置される。空気流ライン２２の１つまたはそれより多くならびにバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の１つまたはそれより多くは、フィルタ１４からの出口空気流をカソード入口３２に送達するように構成され配置される。少なくとも１つの空気流ライン２２は、空気入口３０からの入口空気流を受け取って、フィルタ１２Ａまたは１２Ｂのどちらが空気流の濾過に従事しているかに依存して、空気流の流れを第１または第２のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに向ける。入口空気流内に存在するあらゆる混入物の除去を助けるために、この空気流ライン２２に空気混入物フィルタ１７が動作的に連結されていてもよい。

前述のとおり、システム１００、ならびに特に空気流ライン２２およびバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４のサブシステムは、一対の熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂの異なるモードでの動作を可能にし、一方のモードはＣＯ_２を能動的にトラップするフィルタ１２Ａまたは１２Ｂを含み、第２のモードは、たとえばこうしたフィルタ１２Ａおよび１２Ｂに排気カソード流を向け直すことなどによる熱再生を受けるフィルタ１２Ａまたは１２Ｂを含む。たとえば、フィルタ１２Ｂが熱復活を受けているときに、同時にフィルタ１２Ａが空気流中のＣＯ_２を能動的にトラップしていてもよい。各フィルタ１２Ａおよび１２Ｂの動作のモードをＣＯ_２の能動的なトラップから熱復活に切り換え、次いでＣＯ_２の能動的なトラップに戻すことは、いくつかの所与の燃料電池電力出力における燃料電池２０の予め設定された動作期間の後に達成されてもよい。予め設定された動作期間の終了後に、バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、およびＶ_４の１つまたはそれより多くならびに空気流ライン２２の１つまたはそれより多くによって燃料電池２０内の空気流が向け直されてもよく、それによって排気カソード流は熱復活のためにフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに向け直されてもよく、入口空気流は空気流中のＣＯ_２の能動的なトラップのためにフィルタ１２Ａまたは１２Ｂに向けられてもよい。

図１および図２および図４を参照して上に開示された本発明は、カソード入口３２に与えられる空気流中のＣＯ_２レベルを低減するため、および最終的にはアルカリ燃料電池２０におけるＣＯ_２耐性を達成するためのあらゆる特定の適用の取り扱いに柔軟性を与える。特に、２フィルタアセンブリ５０またはシステム１００は単独で用いられても、電気化学的摂動の方法２００とともに用いられてＣＯ_２レベルを低減させてもよい。加えて、電気化学的摂動方法２００の使用を伴って、または伴わずに、２フィルタアセンブリ５０の２種類のフィルタ１２および１４の一方の種類のみを用いて、空気流中のＣＯ_２レベルの低減が達成されてもよい。同様に、電気化学的摂動方法２００の使用を伴って、または伴わずに、システム１００の一対の熱再生フィルタ１２Ａおよび１２Ｂの一方のみを用いて、空気流中のＣＯ_２レベルの低減が達成されてもよい。これらの選択肢は、特定の適用、ＣＯ_２フィルタの仕様、およびアルカリ燃料電池における電気化学的摂動方法２００の効率に依存し、所与の膜および電極材料ならびにそれらの仕様に依存する。こうした選択肢のいくつかを以下にまとめる。

（１）能動的なＣＯ_２吸収のためにシステム１００の一対の熱再生フィルタ１２Ａまたは１２Ｂの一方を用いる間に、他方のフィルタ１２Ａまたは１２Ｂは熱復活を受けることによって、ＣＯ_２吸収を維持し、それによりアルカリ燃料電池の動作中において常時、空気流中のＣＯ_２レベルを低減させる。

（２）熱再生フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂのうちの１つだけを用い、空気流が強力結合ＣＯ_２フィルタ１４のみを通過する間に、熱再生フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂは熱復活を受ける。

（３）必要なときには電気化学的摂動の方法２００とともに、カソード入口３２よりも上流の強力結合ＣＯ_２フィルタ１４のみを用いる。フィルタ１４の手作業の交換の頻度がフィルタ１４の好適な寸法によって指示され、かつ操作上許容できるときは、この選択肢が望ましい。

（４）フィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂのうち１つの熱再生を含むあらゆる選択肢において、熱復活に用いられる熱エネルギーの少なくともいくらかはフィルタ１２、１２Ａまたは１２Ｂを通るカソード排気流の向け直しに由来する。

開示される本発明は上述の選択肢に限定されず、本発明はこれらのＣＯ_２吸収および放出能力の他の可能な組み合わせも想定しており、２フィルタアセンブリ５０またはＣＯ_２濾過システム１００は、フィルタまたはトラップ１２、１２Ａ、１２Ｂおよび１４の所与の動作条件および仕様ならびに所与の燃料電池に依存して、所与のアルカリ燃料電池およびそのスタックサブシステムに提供されて燃料電池内のＣＯ_２耐性の達成を助けてもよいことを通常の当業者は認識できる。

図５を参照すると、別の局面において、本発明は、カソード入口３２への空気流中のＣＯ_２レベルを超低ＣＯ_２レベルにまで確実に低減させることを助けるために、本発明に従うＣＯ_２濾過アセンブリ５０またはシステム１００の設計の最小全寸法を定める方法３００を提供する。方法３００は単なる例示であり、たとえば段階を追加、除去、および／または再配置することなどによって変更されてもよい。

段階３０２において、予め定められた最大パーセンテージの燃料電池電力の損失をもたらす、アルカリ燃料電池２０のカソード入口３２への空気流の最大ＣＯ_２レベルを定める。

段階３０４において、熱再生フィルタまたはトラップ１２、１２Ａおよび１２Ｂから出る空気流中のＣＯ_２レベルを低くするためにフィルタまたはトラップ１４に必要とされる、強力結合フィルタまたはトラップ１４の体積を定める。

段階３０６において、フィルタ１４の交換のために許容できる最短期間において、たとえば約３０ｐｐｍから４０ｐｐｍなどのＣＯ_２をトラップするためのフィルタ１４の活性材料を含有および／または維持するために必要とされる、強力結合フィルタまたはトラップ１４の体積を定める。

段階３０６において、所与のデューティサイクルの典型的な「オン」期間の持続時間、たとえば８時間などにおいて、燃料電池への所与の空気流速にて、カソード入口への空気流中のＣＯ_２レベルを、たとえば約４００ｐｐｍから約３０〜４０ｐｐｍに下げるか、または１０分の１に下げ、かつ好ましくは燃料電池の「オフ」期間の間に熱復活を達成することを助けるために必要とされる、各熱再生フィルタまたはトラップ１２、１２Ａおよび１２Ｂの熱復活される活性材料の重量を定める。

本発明の少なくとも１つの例示的局面を説明してきたが、当業者にはさまざまな変更、改変および改善が容易に考えられるであろう。そうした変更、改変および改善は、上に開示される本発明の範囲および趣旨の内にあることが意図される。したがって前述の記載は単なる例であって、限定することは意図されない。本発明の制限は、以下の特許請求の範囲およびその同等物においてのみ規定される。

Claims (23)

1. アルカリ燃料電池であって、
   ２トラップ空気フィルタアセンブリに動作的に連結された空気カソードを含み、
   前記２トラップ空気フィルタアセンブリは、一連の、第２の強力結合ＣＯ_２化学トラップとタンデムに配置された第１の熱再生化学ＣＯ_２トラップを含み、前記第１および第２のＣＯ_２トラップは前記空気カソードへの入口よりも上流に配され、前記第２のＣＯ_２トラップは前記第１のＣＯ_２トラップと前記カソード入口との間に配され、
   前記第１および第２のＣＯ_２トラップは、前記空気カソードへの前記入口に供給される空気流中のＣＯ_２のレベルを低減させるように構成され、
   前記アルカリ燃料電池は、アルカリ水性電解質か、または液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を含む、アルカリ燃料電池。
2. 前記第１のＣＯ_２トラップは、次のプロセスに従ってアミンがＣＯ_２および水蒸気と反応して重炭酸イオンを形成する反応を介してＣＯ_２トラップ部位として働くように構成される、アミン官能基を有する樹脂を活性材料として含み、
   Ｒ−ＮＨ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＝Ｒ−ＮＨ_３ ^＋（ＨＣＯ_３ ⁻）
   ここでＲは炭素質のポリマー骨格を含む、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
3. 前記第１のＣＯ_２トラップは、次のプロセスに従って乾燥空気条件下でＣＯ_２と反応してカルバミン酸イオンを形成する反応を介してＣＯ_２トラップ部位として働くように構成される、アミン官能基を有する樹脂を活性材料として含み、
   ２（Ｒ−ＮＨ_２）＋ＣＯ_２＝（Ｒ−ＮＨＣＯＯ⁻）（Ｒ−ＮＨ_３ ^＋）
   ここでＲは炭素質のポリマー骨格を含む、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
4. 生成される電力１ｋＷ当たり、前記第１のＣＯ_２トラップは約２リットルの寸法を定め、前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるように構成される、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
5. 前記第１のＣＯ_２トラップは、前記第１のＣＯ_２トラップ内のガスの滞留時間が最大約１秒間となることを可能にするように構成され、前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるようにさらに構成される、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
6. 前記第１のＣＯ_２トラップは、前記第１のＣＯ_２トラップに前記空気流を通す際に前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるように構成され、前記第１のＣＯ_２トラップを通過する前記空気流は最大約４５℃の温度を有する、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
7. 前記第１のＣＯ_２トラップは熱再生のために構成され、それによって、約８０℃から１２０℃の範囲内、好ましくは約１００℃から約１０５℃の範囲内の温度にて前記第１のＣＯ_２トラップを通過する復活空気に応答して、前記第１のＣＯ_２トラップは吸収されたＣＯ_２を放出する、請求項２または３のいずれかに記載のアルカリ燃料電池。
8. 前記第１のＣＯ_２トラップに対する前記構成および動作温度は、吸着および脱離の半サイクルの間の、ＣＯ_２トラップ能力を回復するための熱再生の時間が、実質的に等しい空気流速におけるＣＯ_２飽和時間よりも短いことを確実にする、請求項２または３のいずれかに記載のアルカリ燃料電池。
9. 前記第１のＣＯ_２トラップは、前記第１のＣＯ_２トラップに復活空気流を通すことによる熱再生のために構成されており、前記復活空気流は、追加の加熱を伴うかまたは伴わずに前記第１のＣＯ_２トラップに供給される前記カソード排気空気を含む、請求項２または３のいずれかに記載のアルカリ燃料電池。
10. 前記追加の加熱は、前記燃料電池に動作的に連結された電気ヒーターまたは触媒ヒーターによって与えられる加熱を含む、請求項９に記載のアルカリ燃料電池。
11. 前記第２のＣＯ_２トラップは、ソーダ石灰、水酸化リチウム、または水酸化ナトリウムを含む活性材料を含む、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
12. 前記第２のＣＯ_２トラップは、前記第１のＣＯ_２トラップから出る前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるように構成される、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
13. 前記第１のＣＯ_２トラップは、前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるように構成され、そして前記第２のＣＯ_２トラップは、前記第１のＣＯ_２トラップから出る前記空気流中のＣＯ_２のレベルを約１０分の１に低減させるように構成され、前記カソード空気入口に供給される前記空気流中のＣＯ_２のレベルは約５ｐｐｍより低く、好ましくは約１ｐｐｍ以下である、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
14. 前記第２のＣＯ_２トラップは使い捨てであり、および定期的な交換のために構成される、請求項１に記載のアルカリ燃料電池。
15. アルカリ燃料電池であって、
    ２トラップ空気フィルタアセンブリに動作的に連結された空気カソードを含み、
    前記空気フィルタアセンブリは、第１の熱再生化学ＣＯ_２トラップおよび第２の熱再生化学ＣＯ_２トラップを含み、
    前記第１および第２のトラップの各々は、強力結合ＣＯ_２トラップとタンデムな構成で配置され、前記第１および第２のトラップならびに前記強力結合ＣＯ_２トラップは前記空気カソードへの入口よりも上流に配され、そして前記強力結合ＣＯ_２トラップは前記第１および第２のトラップと前記カソード入口との間に配され、
    前記第１および第２のトラップの各々は、前記トラップを通過する空気流中のＣＯ_２のレベルを予め定められた量だけ低減させるように構成され、そして前記強力結合ＣＯ_２トラップは前記強力結合ＣＯ_２トラップを通過する空気流中のＣＯ_２のレベルを第２の予め定められた量だけ低減させるように構成され、そして
    前記第１および第２のトラップの各々が前記燃料電池とともに配置されることによって、一方のトラップが前記一方のトラップを通過する空気流中のＣＯ_２を能動的にトラップしている間に、他方のトラップが熱再生を受けることが可能となり、
    ここで、前記アルカリ燃料電池は、アルカリ水性電解質か、または液体電解質を有さないＯＨ⁻イオン伝導ポリマー膜を含む、アルカリ燃料電池。
16. 前記第１および第２の熱再生化学ＣＯ_２トラップの各々は、所与の燃料電池電力出力における前記燃料電池の予め設定された各動作期間の後にＣＯ_２トラップモードから熱復活モードに切り替わり、およびＣＯ_２トラップモードに戻るように構成される、請求項１５に記載のアルカリ燃料電池。
17. 前記第１および第２の熱再生化学ＣＯ_２トラップの各々は、入口空気およびカソード排気空気流の適切な向け直しによってＣＯ_２トラップモードから熱復活モードに切り替わるように構成され、ここで、カソード排気空気は熱復活のために各ＣＯ_２トラップに向け直される、請求項１６に記載のアルカリ燃料電池。
18. 炭酸塩のアノード電気化学的消費と、アノード排気流を通じたＣＯ_２の放出とによって前記電解質内に蓄積した残留炭酸塩を除去するための摂動電流の印加を受けるために適合され、前記摂動電流はスタックにおける電池反転の開始には達しない大きさを有する、請求項１５に記載のアルカリ燃料電池。
19. 前記摂動電流の前記印加の持続時間は約１秒間から約３０秒間である、請求項１８に記載のアルカリ燃料電池。
20. 前記摂動電流は、所与の動作時間にわたる燃料電池性能の低下に応答して作動される、請求項１９に記載のアルカリ燃料電池。
21. 前記燃料電池に動作的に連結され、前記摂動電流の前記印加の間に中断することなく負荷に電力を補充または供給するように構成された補助電源をさらに含む、請求項１８に記載のアルカリ燃料電池。
22. 前記補助電力は、前記摂動電流の前記印加の完了後に前記燃料電池から再充電するために前記燃料電池に動作的に連結されたバッテリーを含む、請求項２１に記載のアルカリ燃料電池。
23. 前記予め定められた量は１０分の１の量を含み、そして前記第２の予め定められた量は１０分の１への低減を含む、請求項１５に記載のアルカリ燃料電池。

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