密閉空間內電解除濕模塊的性能分析

摘要：電解除濕作為一種十分新穎的除濕方法，隨著其除濕可行性的驗證，需要對其研究進行更加深入的開展，以便對這種全新的除濕方式有一個更加全面的認識。本實驗通過對電解除濕的不同除濕模式主要包括腔體密閉除濕模式和氣體流動態下的充分的實驗探究，以期望能夠對電解除濕機理及各種影響因素有一個更加全面而深刻的了解和探索，為其在各種場合的應用提供理論和技術支撐。

關鍵詞：電化學；除濕；性能

隨著社會的不斷發展、工業化發展加速、城市化進程加快、人們生活水平的提高。精密制造過程、儀器儀表內部、電子器材運行（尤其需野外工作的）、文物保存以及醫用口罩內部等空間對空氣除濕有重大需求。而隨著除濕要求精確化、除濕設備簡單化和體積小型化、環境友好等方面的要求，傳統除濕技術因系統復雜并且需要很大的空間、熱慣性大等弊端在這些場合的應用受到極大限制。而電解質膜除濕是一種很有前途的新型除濕技術，具有結構緊湊、簡單有效、環境友好等特點，可實現精準、便攜、節能的除濕[1-5]。利用該技術，本團隊制作的精密智能除濕模塊作為行業技術的先驅，適用于市場多種空間、多種場合，可滿足高精度、環保便捷的除濕需求。

1 電解質膜除濕裝置的組成

電解質膜除濕技術是近年來提出的一種完全不同于傳統物理除濕方法的十分新穎的除濕方式[7，8]。電解質膜除濕的主要特征是應用一種只能夠傳導氫質子的固體電解質膜，在直流電場作用下電解空氣中的水分子，從而達到除濕目的的一種電化學除濕方法。在電能的作用下，空氣中的水分子，在陽極側發生如（1）下所示的電化學反應。

H2O → 2H+ +2e-1 +0.5O2? ? ? ? ? ? ? ?（1）

反應產生的氫質子在電場力的作用下穿過電解質膜遷移到陰極，電解產生的電子則通過外電路到達陰極。在陰極側，質子和電子或質子、電子和空氣中的氧氣，發生如式（2）或（3）的電化學反應而消耗掉陽極側反應產生的質子和電子。通過陽極側水分子的電解和陰極側氫氣或水的生成，從而達到調節電極陽極側濕度的目的。

2H+ +2e-1 +0.5O2→H2O? ? ? ? ? ? ? ? （2）

2H+ +2e-1 +→H2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

本組件構建的智能電解質膜除濕模塊主要包括質子交換膜、負載于質子交換膜兩側的催化層以及具有氣體擴散和電流傳導作用的氣體擴散層。

1.1質子交換膜

質子交換膜是智能電解質膜除濕模塊的心臟部分，它的性能對整個除濕組件的運行起著至關重要的作用。作為傳導介質，質子交換膜不僅要傳導質子，分割膜兩側的組分，而且作為兩極的催化劑提供一定的支撐，保證除濕組件的運行。因此采用的質子交換膜必須具備優異的化學性能，熱力學穩定性和良好的質子傳導性，保證除濕組件有較小的歐姆阻抗。同時，膜表面與催化劑的適配性要好，便于有效阻止兩側氣體擴散。目前已經商品化的PEM膜有Nafion膜、Flemion膜、Aciplex膜和Dow膜，其中研究最為成功、應用最為廣泛的是杜邦公司的Nafion膜。本研究采用杜邦公司生產的Nafion117系列的質子交換膜并嚴格把控膜的質量以保證組件各種所需的性能[9，10]。

1.2陽極催化劑

在該智能電解質膜除濕模塊中，所采用的Nafion膜，由于磺酸根基團的存在，存在水時，使其呈現一定的酸性，并且理論的析氧電壓較高，因此陽極腐蝕性較強而在陽極，析氧反應的難易程度主要取決于陽極催化劑的電催化活性的高低。因此作為陽極催化劑必須具有高催化活性。影響電催化活性的一般主要受能量因素、空間因素和表面因素的影響。根據Tesung等提[11]出的氧化物對電位控制理論，當陽極電位高于金屬／氧化物或低價氧化物／高價氧化物對的標準電極電位后，氧化物表面的析氧過程才會發生，即控制電極對的標準電極電位越低，氧化物析氧活性越大。而Ir和Ru及其氧化物的標準電位在柏族金屬氧化物中是最低的，因此可以作為良好的陽極催化劑。本產品選用貴金屬作為陽極催化劑，其載負量為2mg/cm2。

1.3陰極催化劑

陰極，即水分子生成的一側。在應用質子交換膜的設備設施中，由于Nafion膜在水中具有較強酸的性質，所以作為其電極材料，必須具有足夠優良的穩定性以及耐腐蝕特性。因此陰極催化劑一般選用貴金屬催化劑或者他們的合金材料。目前廣泛應用的陰極催化劑主要是鉑系金屬及其合金。但是純的金屬或合金催化劑利用率不高且價格過高，因此近幾年來負載型催化劑因其可以增大陰極反應活性面積降低貴金屬使用量而得到廣泛應用。負載型催化劑主要使用沉積法或者涂覆法在多孔電極上得到催化劑薄層并使其均勻分布，提高貴金屬催化劑的機械強度，化學穩定性，改善催化性能。因此本產品的陰極催化劑主要使用Pt/C催化劑[13，14]。

1.4擴散層

質子交換膜及負載與兩側的貴金屬催化劑構成了三合一的膜電極，為了使膜電極更好地發揮作用，通常在膜電極的外側添加一層擴散層作為支撐。擴散層的主要起著支撐膜電極、傳導電流和氣體擴散通道的作用。作為擴散層的材料必須具有機械性良好、孔隙率大、良好的導電性能、耐腐蝕性強等優點[15]。因此本產品兩極均采用碳紙作為擴散層。

2 電解質膜除濕裝置結構

為探究氣體流動態下電解除濕性能及影響因素，本實驗構建了如圖一所示的電解除濕結構。該電解除濕模塊主要包括質子交換膜，負載于質子交換膜兩側作為電化學催化和反應位點的催化層，固定于膜電極外側起著導流和支撐作用的氣體擴散層以及用于氣體流動的通道這幾部分構成。其結構示意以及電化學反應及膜內物質傳遞方式如圖一所示。開始為考慮到加濕測更加充分而有效的吹掃陰極側反應生成的水分，因此陰極測和陽極測氣體采用逆流的流動的方式設計。

該除濕模塊的有效電解膜面積為3.5cm*3.5cm，有效氣體通道的尺寸3.5cm*3.5cm*0.2cm即設計氣體通道的有效高度為2mm，在陰極側設計有模塊引入電流的陰陽兩極的接線柱以及氣體進出除濕組件的氣孔。改該除濕組件和單個單元的燃料電池模塊有著基本相同的結構組成，但是在反應原理及膜電極催化劑的構成上又與燃料電池結構存在很大的差異。

3 實驗分析及結果

濕度的概念是空氣中含有水蒸氣的多少，它有三種表示方法：第一是絕對濕度，它表示每立方米空氣中所含的水蒸氣的量，單位是克/立方米；第二是含濕量，它表示每千克空氣所含有的水蒸氣的量，單位是千克/千克·干空氣；第三是相對濕度，表示空氣中絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度的比值。

該實驗中溫濕度傳感器所測的是該溫度下的相對濕度值。其計算公式為：

陽極測絕對除濕量的計算公式為：

式中，為陽極測絕對除濕量，kg/s；

分別為陽極側進出口空氣的含濕量，kg/kg干空氣；

為陽極測通入空氣的質量流量，kg/s

同理，可以用此公式計算陰極測空氣的增濕量。

根據電解除濕的原理和質量守恒原理

式中， 為陽極測的除濕量，單位為g或kg；

為陽極側電解的水分子的量，單位為g或kg；

為電拖拽作用從膜的陽極側移動到陰極側的水分子量，單位為g或kg；

為水分子從膜的陰極測附近反擴散到陰極測附近的水分子的量，單位為g或kg。

式（3）根據其電解原理和傳質過程可以轉化為式（4）

其中，為單個電子電荷量，

為阿伏伽德羅常數，

為單個氫質子從陽極側移動到陰極側的電拖拽的水分子的個數，跟膜內水含量有關。根據文獻，其值在1.3左右

為系統基本穩定后的系統的電流值。該值由實驗采用三位半精度電流表測得。

此外膜組件表面的溫度可由布置于膜組件建表面的四線制和二線制熱電偶測得。本實驗分別在陰極測和陽極側膜組件表面各布置三個測溫點進行測量。

由以上幾個公式和溫度測量可對系統的熱和質的傳遞過程進行簡要的計算求解和分析。

調控壓縮干空氣瓶和加濕瓶空氣流量比例，使二者混合后的氣體相對濕度和溫度達到一個相對穩定的狀態，，調節陽極入口氣體流量控制閥門，調節陽極流量在1.327*10-3g/s——3.059*10-2g/s之間通過不同梯度的遞減變化，同樣的每個工況下在陰極側通入與陽極測入口氣體基本相同溫度、相對濕度和流量的空氣，然后在除濕組件兩側施加3V的電壓，每個流量工況下，觀察陰陽極測出口氣體的相對濕度和溫度，待其基本穩定后，一組試驗工況基本完成，電腦采集該組實驗工況的過程和結果。開始下一組實驗工況。其陽極實驗數據及基本的除濕量計算如表一所示。

3.1傳質分析

通過陽極進出口的溫度值及相對濕度值可以轉化為氣體中的含濕量kg/kg干空氣，然后根據公式（2）計算出陽極測進出口空氣中所含水分的差值從而求得電解除濕組件陽極測單位時間的除濕量。同理可求得陰極測的增濕量及利用公式（3）和（4）可以求得該系統中的通過電拖拽作用透過膜組件的水量及反擴散量。

通過分析可得該電解除濕組件單位時間電解除濕量先隨著流量的增加開始出現明顯的增加，然后流量進一步增加其電解除濕量增加緩慢，最后單位時間的電解除濕量隨著流量增加不再有明顯的增加而是趨于穩定值。最后趨于穩定值的電解除濕量基本為2.5*10-8kg/s ，該除濕量的值與Shuichi Sakuma實驗所得密閉腔內電解除濕量單位膜面積單位時間內的除濕量處于同一數量級。因此氣體流動態下電解除濕性能得到了比較充分的驗證。基本趨勢為隨著流量的增加電流先增加后基本趨于穩定。

3.2傳質各部分水量和流量之間的關系

電滲作用拖拽的水分子量，實際水分子反擴散作用下的水分，電解作用的水分子量，陽極測實際的除濕量質量隨這流量的增加有著基本相同的趨勢。其中反擴散的水分子量>電滲作用的水分子量>電解作用分解的水分子量>陽極側除濕量。

3.3 不同流量下結果分析

在系統未接通電源的通氣平衡階段，該電解除濕模塊的表面溫度并未發生明顯的上升。（輕幅度的氣溫微升是由于周圍環境溫度變化引起的整個系統溫度的稍微升高），在接通電源的瞬間開始，除濕模塊的溫度先十分迅速的升高，然后緩慢升高達到基本穩態后基本不再發生明顯的變化。氣體流動態下電解除濕模塊溫度此種變化趨勢與密閉腔體除濕系統除濕組件膜表面溫度變化的趨勢有一定的一致性。在電解除濕組件工作時，會使組件的溫度明顯高于周圍環境溫度。

4 結論

電解質膜除濕系統是近年來發展的一種新型的除濕技術。因其除濕組件結構緊湊，除濕能力顯著，環境友好，可適用于小空間的精密除濕等特點，近年來得到了極大的關注。電解質膜除濕系統可實現精準、便攜、節能的除濕，適用于在高精密制造業、昂貴的設備儀器等行業的應用。電解質膜除濕系統的基本趨勢為隨著流量的增加電流先增加后基本趨于穩定。在電解除濕組件工作時，會使組件的溫度明顯高于周圍環境溫度。際水分子反擴散作用下的水分，電解作用的水分子量，陽極測實際的除濕量質量隨這流量的增加有著基本相同的趨勢。其中反擴散的水分子量>電滲作用的水分子量>電解作用分解的水分子量>陽極側除濕量。

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作者簡介：李杜鵑（1990— ），女，漢族，河南平頂山人，博士，講師，研究方向：能源化工。