密闭空间内电解除湿模块的性能分析

摘要：电解除湿作为一种十分新颖的除湿方法，随着其除湿可行性的验证，需要对其研究进行更加深入的开展，以便对这种全新的除湿方式有一个更加全面的认识。本实验通过对电解除湿的不同除湿模式主要包括腔体密闭除湿模式和气体流动态下的充分的实验探究，以期望能够对电解除湿机理及各种影响因素有一个更加全面而深刻的了解和探索，为其在各种场合的应用提供理论和技术支撑。

关键词：电化学；除湿；性能

随着社会的不断发展、工业化发展加速、城市化进程加快、人们生活水平的提高。精密制造过程、仪器仪表内部、电子器材运行（尤其需野外工作的）、文物保存以及医用口罩内部等空间对空气除湿有重大需求。而随着除湿要求精确化、除湿设备简单化和体积小型化、环境友好等方面的要求，传统除湿技术因系统复杂并且需要很大的空间、热惯性大等弊端在这些场合的应用受到极大限制。而电解质膜除湿是一种很有前途的新型除湿技术，具有结构紧凑、简单有效、环境友好等特点，可实现精准、便携、节能的除湿[1-5]。利用该技术，本团队制作的精密智能除湿模块作为行业技术的先驱，适用于市场多种空间、多种场合，可满足高精度、环保便捷的除湿需求。

1 电解质膜除湿装置的组成

电解质膜除湿技术是近年来提出的一种完全不同于传统物理除湿方法的十分新颖的除湿方式[7，8]。电解质膜除湿的主要特征是应用一种只能够传导氢质子的固体电解质膜，在直流电场作用下电解空氣中的水分子，从而达到除湿目的的一种电化学除湿方法。在电能的作用下，空气中的水分子，在阳极侧发生如（1）下所示的电化学反应。

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

反应产生的氢质子在电场力的作用下穿过电解质膜迁移到阴极，电解产生的电子则通过外电路到达阴极。在阴极侧，质子和电子或质子、电子和空气中的氧气，发生如式（2）或（3）的电化学反应而消耗掉阳极侧反应产生的质子和电子。通过阳极侧水分子的电解和阴极侧氢气或水的生成，从而达到调节电极阳极侧湿度的目的。

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

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

本组件构建的智能电解质膜除湿模块主要包括质子交换膜、负载于质子交换膜两侧的催化层以及具有气体扩散和电流传导作用的气体扩散层。

1.1质子交换膜

质子交换膜是智能电解质膜除湿模块的心脏部分，它的性能对整个除湿组件的运行起着至关重要的作用。作为传导介质，质子交换膜不仅要传导质子，分割膜两侧的组分，而且作为两极的催化剂提供一定的支撑，保证除湿组件的运行。因此采用的质子交换膜必须具备优异的化学性能，热力学稳定性和良好的质子传导性，保证除湿组件有较小的欧姆阻抗。同时，膜表面与催化剂的适配性要好，便于有效阻止两侧气体扩散。目前已经商品化的PEM膜有Nafion膜、Flemion膜、Aciplex膜和Dow膜，其中研究最为成功、应用最为广泛的是杜邦公司的Nafion膜。本研究采用杜邦公司生产的Nafion117系列的质子交换膜并严格把控膜的质量以保证组件各种所需的性能[9，10]。

1.2阳极催化剂

在该智能电解质膜除湿模块中，所采用的Nafion膜，由于磺酸根基团的存在，存在水时，使其呈现一定的酸性，并且理论的析氧电压较高，因此阳极腐蚀性较强而在阳极，析氧反应的难易程度主要取决于阳极催化剂的电催化活性的高低。因此作为阳极催化剂必须具有高催化活性。影响电催化活性的一般主要受能量因素、空间因素和表面因素的影响。根据Tesung等提[11]出的氧化物对电位控制理论，当阳极电位高于金属／氧化物或低价氧化物／高价氧化物对的标准电极电位后，氧化物表面的析氧过程才会发生，即控制电极对的标准电极电位越低，氧化物析氧活性越大。而Ir和Ru及其氧化物的标准电位在柏族金属氧化物中是最低的，因此可以作为良好的阳极催化剂。本产品选用贵金属作为阳极催化剂，其载负量为2mg/cm2。

1.3阴极催化剂

阴极，即水分子生成的一侧。在应用质子交换膜的设备设施中，由于Nafion膜在水中具有较强酸的性质，所以作为其电极材料，必须具有足够优良的稳定性以及耐腐蚀特性。因此阴极催化剂一般选用贵金属催化剂或者他们的合金材料。目前广泛应用的阴极催化剂主要是铂系金属及其合金。但是纯的金属或合金催化剂利用率不高且价格过高，因此近几年来负载型催化剂因其可以增大阴极反应活性面积降低贵金属使用量而得到广泛应用。负载型催化剂主要使用沉积法或者涂覆法在多孔电极上得到催化剂薄层并使其均匀分布，提高贵金属催化剂的机械强度，化学稳定性，改善催化性能。因此本产品的阴极催化剂主要使用Pt/C催化剂[13，14]。

1.4扩散层

质子交换膜及负载与两侧的贵金属催化剂构成了三合一的膜电极，为了使膜电极更好地发挥作用，通常在膜电极的外侧添加一层扩散层作为支撑。扩散层的主要起着支撑膜电极、传导电流和气体扩散通道的作用。作为扩散层的材料必须具有机械性良好、孔隙率大、良好的导电性能、耐腐蚀性强等优点[15]。因此本产品两极均采用碳纸作为扩散层。

2 电解质膜除湿装置结构

为探究气体流动态下电解除湿性能及影响因素，本实验构建了如图一所示的电解除湿结构。该电解除湿模块主要包括质子交换膜，负载于质子交换膜两侧作为电化学催化和反应位点的催化层，固定于膜电极外侧起着导流和支撑作用的气体扩散层以及用于气体流动的通道这几部分构成。其结构示意以及电化学反应及膜内物质传递方式如图一所示。开始为考虑到加湿测更加充分而有效的吹扫阴极侧反应生成的水分，因此阴极测和阳极测气体采用逆流的流动的方式设计。

该除湿模块的有效电解膜面积为3.5cm*3.5cm，有效气体通道的尺寸3.5cm*3.5cm*0.2cm即设计气体通道的有效高度为2mm，在阴极侧设计有模块引入电流的阴阳两极的接线柱以及气体进出除湿组件的气孔。改该除湿组件和单个单元的燃料电池模块有着基本相同的结构组成，但是在反应原理及膜电极催化剂的构成上又与燃料电池结构存在很大的差异。

3 实验分析及结果

湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少，它有三种表示方法：第一是绝对湿度，它表示每立方米空气中所含的水蒸气的量，单位是克/立方米；第二是含湿量，它表示每千克空气所含有的水蒸气的量，单位是千克/千克·干空气；第三是相对湿度，表示空气中绝对湿度与同温度下饱和绝对湿度的比值。

该实验中温湿度传感器所测的是该温度下的相对湿度值。其计算公式为：

阳极测绝对除湿量的计算公式为：

式中，为阳极测绝对除湿量，kg/s；

分别为阳极侧进出口空气的含湿量，kg/kg干空气；

为阳极测通入空气的质量流量，kg/s

同理，可以用此公式计算阴极测空气的增湿量。

根据电解除湿的原理和质量守恒原理

式中， 为阳极测的除湿量，单位为g或kg；

为阳极侧电解的水分子的量，单位为g或kg；

为电拖拽作用从膜的阳极侧移动到阴极侧的水分子量，单位为g或kg；

为水分子从膜的阴极测附近反扩散到阴极测附近的水分子的量，单位为g或kg。

式（3）根据其电解原理和传质过程可以转化为式（4）

其中，为单个电子电荷量，

为阿伏伽德罗常数，

为单个氢质子从阳极侧移动到阴极侧的电拖拽的水分子的个数，跟膜内水含量有关。根据文献，其值在1.3左右

为系统基本稳定后的系统的电流值。该值由实验采用三位半精度电流表测得。

此外膜组件表面的温度可由布置于膜组件建表面的四线制和二线制热电偶测得。本实验分别在阴极测和阳极侧膜组件表面各布置三个测温点进行测量。

由以上几个公式和温度测量可对系统的热和质的传递过程进行简要的计算求解和分析。

调控压缩干空气瓶和加湿瓶空气流量比例，使二者混合后的气体相对湿度和温度达到一个相对稳定的状态，，调节阳极入口气体流量控制阀门，调节阳极流量在1.327*10-3g/s——3.059*10-2g/s之间通过不同梯度的递减变化，同样的每个工况下在阴极侧通入与阳极测入口气体基本相同温度、相对湿度和流量的空气，然后在除湿组件两侧施加3V的电压，每个流量工况下，观察阴阳极测出口气体的相对湿度和温度，待其基本稳定后，一组试验工况基本完成，电脑采集该组实验工况的过程和结果。开始下一组实验工况。其阳极实验数据及基本的除湿量计算如表一所示。

3.1传质分析

通过阳极进出口的温度值及相对湿度值可以转化为气体中的含湿量kg/kg干空气，然后根据公式（2）计算出阳极测进出口空气中所含水分的差值从而求得电解除湿组件阳极测单位时间的除湿量。同理可求得阴极测的增湿量及利用公式（3）和（4）可以求得该系统中的通过电拖拽作用透过膜组件的水量及反扩散量。

通过分析可得该电解除湿组件单位时间电解除湿量先随着流量的增加开始出现明显的增加，然后流量进一步增加其电解除湿量增加缓慢，最后单位时间的電解除湿量随着流量增加不再有明显的增加而是趋于稳定值。最后趋于稳定值的电解除湿量基本为2.5*10-8kg/s ，该除湿量的值与Shuichi Sakuma实验所得密闭腔内电解除湿量单位膜面积单位时间内的除湿量处于同一数量级。因此气体流动态下电解除湿性能得到了比较充分的验证。基本趋势为随着流量的增加电流先增加后基本趋于稳定。

3.2传质各部分水量和流量之间的关系

电渗作用拖拽的水分子量，实际水分子反扩散作用下的水分，电解作用的水分子量，阳极测实际的除湿量质量随这流量的增加有着基本相同的趋势。其中反扩散的水分子量>电渗作用的水分子量>电解作用分解的水分子量>阳极侧除湿量。

3.3 不同流量下结果分析

在系统未接通电源的通气平衡阶段，该电解除湿模块的表面温度并未发生明显的上升。（轻幅度的气温微升是由于周围环境温度变化引起的整个系统温度的稍微升高），在接通电源的瞬间开始，除湿模块的温度先十分迅速的升高，然后缓慢升高达到基本稳态后基本不再发生明显的变化。气体流动态下电解除湿模块温度此种变化趋势与密闭腔体除湿系统除湿组件膜表面温度变化的趋势有一定的一致性。在电解除湿组件工作时，会使组件的温度明显高于周围环境温度。

4 结论

电解质膜除湿系统是近年来发展的一种新型的除湿技术。因其除湿组件结构紧凑，除湿能力显著，环境友好，可适用于小空间的精密除湿等特点，近年来得到了极大的关注。电解质膜除湿系统可实现精准、便携、节能的除湿，适用于在高精密制造业、昂贵的设备仪器等行业的应用。电解质膜除湿系统的基本趋势为随着流量的增加电流先增加后基本趋于稳定。在电解除湿组件工作时，会使组件的温度明显高于周围环境温度。际水分子反扩散作用下的水分，电解作用的水分子量，阳极测实际的除湿量质量随这流量的增加有着基本相同的趋势。其中反扩散的水分子量>电渗作用的水分子量>电解作用分解的水分子量>阳极侧除湿量。

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作者簡介：李杜鹃（1990— ），女，汉族，河南平顶山人，博士，讲师，研究方向：能源化工。