CN108151191A - 气态水分子捕集电解装置、制法及在电化学除湿中的应用 - Google Patents

气态水分子捕集电解装置、制法及在电化学除湿中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气态水分子捕集电解装置及其制备方法，属于电化学除湿技术领域，包括阴极集流框、氢气扩散层、固体聚合物质子交换膜、阳极网以及阳极集流框；所述氢气扩散层与固体聚合物质子交换膜相对的表面上设有氢气催化层，所述氢气催化层通过将析氢催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于氢气扩散层表面而形成，所述固体聚合物质子交换膜与阳极网相对的表面上还设有水分子捕集及催化氧化层，所述水分子捕集及催化氧化层通过将析氧催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜表面而形成。本发明还公开了一种气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，相对于现有的除湿器具有静态无噪音、寿命长、免维护的优点。

Description

气态水分子捕集电解装置、制法及在电化学除湿中的应用
技术领域
本发明属于电化学除湿技术领域，具体涉及一种气态水分子捕集电解装置、制备方法及其在电化学除湿中的应用。
背景技术
环境湿度与人类的生活和生产活动息息相关，环境湿度的大小直接影响着人类体感的舒适度甚至人类的健康，环境湿度的大小对工业生产活动和电力设备等也有着至关重要的影响。
目前比较成熟的除湿技术有多种，包括固体吸附式除湿、膜法除湿、热泵除湿、冷却式除湿、液体吸收式除湿。固体吸附式除湿原理与液体吸收式除湿基本相同，都是利用干燥剂吸附空气中的水蒸气，其特点是干燥剂在吸附水蒸气的过程中会放出大量的热，为了保持较大的吸附能力，必须在吸附过程中对干燥剂进行降温增加了能耗，如果环境有特殊要求，还要增加降温设备。膜法除湿技术随着新材料与膜分离技术的发展，在空气除湿方面得到了很大的应用，膜法除湿工艺有真空法、吹扫气法、膜吸附法等，相对于液体除湿法，膜法除湿设备占地面积小，且没有运动部件，但是除湿膜现阶段还存在透湿率低、强度差、成本高等缺点，限制了膜法除湿的发展。热泵除湿是应用冷却除湿的原理，将湿空气冷却到露点温度以下，析出水分后，再利用回收的冷凝热加热冷却后的干空气，从而实现循环除湿的一种除湿技术。热泵除湿干燥过程中虽然没有废气废液的排放，但是热泵冷凝干燥装置中使用的制冷剂用是CFCs，此类物质对大气臭氧层有破坏；除此之外其维修难度大，对维修人员的技术水平有一定要求，并且存在除湿时间较长的问题。
在一些特定的工作场合，例如，精密仪器、充电桩、风力发电和光伏发电场的配电柜设备等领域，对环境湿度要求很严格，同时也希望相应的湿度控制技术具有静态、长寿命和免维护的特点，甚至要求湿度可以实现自动化控制。针对这一需求，本发明克服了传统除湿技术存在的缺陷，公开了一种新型的电化学除湿方法，通过气态水分子捕集电解装置的捕集和电解以达到除湿的目的。
发明内容
针对上述背景，本发明提供一种气态水分子捕集电解装置及其，并将其应用于电化学除湿中，可以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种气态水分子捕集电解装置，包括依次层叠设置的阴极集流框、氢气扩散层、固体聚合物质子交换膜、阳极网以及阳极集流框；所述氢气扩散层与固体聚合物质子交换膜相对的表面上设有氢气催化层，所述氢气催化层通过将析氢催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于氢气扩散层表面而形成，所述固体聚合物质子交换膜与阳极网相对的表面上还设有水分子捕集及催化氧化层，所述水分子捕集及催化氧化层通过将析氧催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜表面而形成。
优选地，所述氢气扩散层为碳纸、碳布、金属毡中任意一种的，所述氢气扩散层孔隙率为40-90％，厚度为0.1-2mm，所述氢气扩散层(2)单位面积上的析氢催化剂的担载量为0.1-6mg/cm2。
优选地，所述氢气催化层中析氢催化剂与粘接剂的质量比为1:0.2-0.8。
优选地，所述固体聚合物质子交换膜单位面积上的析氧催化剂的担载量为0.5-8mg/cm2。
优选地，所述水分子捕集及催化氧化层中析氧催化剂与粘接剂的质量比为1:0.2-0.8。
优选地，所述阳极集流框和阳极网的材质为金属钛、钛合金、镀有贵金属或其氧化物涂层的金属钛中的一种，所述贵金属为金、铂、铱、钯、钌、铑、锇中的一种；所述阳极网为拉丝网、扁平网、菱形网的一种，所述阳极网的目数为40-300目，合适的开孔率有利于兼顾电极材料良好的导电性和水分解产生气体的扩散率。
优选地，所述阴极集流框的材质为导电性能良好的铂、金、钛、不锈钢、铝或其合金中的一种。
优选地，所述析氧催化剂为纳米铱、纳米氧化铱、纳米铂、纳米氧化铂、纳米钌、纳米二氧化钌中的一种或多种，所述析氢催化剂为纳米铂黑、碳载纳米铂、纳米铱、碳载纳米铱、钠米金、碳载纳米金的一种或多种。
更优选地，所述析氧催化剂为纳米铱和纳米二氧化钌按照质量比为1:2-3.5的配比混合得到的复合析氧催化剂，所述析氢催化剂为纳米铂黑与纳米金按照1:1-1.5的配比混合得到的复合析氢催化剂。
为了实现上述目的，本发明还提供一种气态水分子捕集电解装置的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将阳极网、水分子捕集及催化氧化层、固体聚合物质子交换膜、氢气催化层及氢气扩散层依次叠放，在120～180℃，1～5Mpa的条件下热压2～5min形成一体化构件；
S2：将S1步骤得到的一体化构件有阳极网的一侧与阳极集流框紧密接触、另一侧与阴极集流框紧密接触即可形成气态水分子捕集电解装置。通过将阳极集流框、一体化构件和阴极集流框紧密接触，可以降低电解槽的内阻。
本发明还提供一种气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，所述应用通过以下两个步骤实现：
S1：将所述气态水分子捕集电解装置安装于待除湿的设备上或空间内，使得阴极集流框朝向外部的大气，阳极集流框朝向需要除湿的设备内部或空间内部；
S2：通过外电路对所述气态水分子捕集电解装置供给直流电，阳极集流框接正极，阴极集流框接负极，供给的直流电压范围为1.5～5.5V。
本发明的气态水分子捕集电解装置，与现有技术相比，具有以下优点：(1)其应用于电化学除湿时，阳极集流框可以捕集空气中的水蒸气，使水分子在阳极被电解，形成质子，在电流的作用下通过固体聚合物质子交换膜迁移到阴极，并在阴极放电形成氢分子，由于只是通过水电解来除湿的，所以工作环境卫生，并且工作过程中静态无噪音，另外气态水分子捕集电解装置的寿命长、使用过程中不需要维护；(2)气态水分子捕集电解装置通过直流电供电，电压范围为1.5～5.5V，所以其功耗小，除湿成本低；(3)可实现低极限除湿，只要空气中有水分子，本发明的装置就可持续不断地工作除湿；(4)气态水分子捕集电解装置捕集电解装置结构简单，易于实现自动化控制，实现除湿器的智能化。
附图说明
图1为本发明实施例中气态水分子捕集电解装置的结构示意图；
图2为本发明实施例8中的气态水分子捕集电解装置在测试箱中的电化学除湿曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
如图1所示，一种气态水分子捕集电解装置，包括依次层叠设置的阴极集流框1、氢气扩散层2、氢气催化层、固体聚合物质子交换膜3、水分子捕集及催化氧化层、阳极网4以及阳极集流框5，所述阳极集流框5选用镀铂金属钛，形状为方形；所述阳极网4选用80目的扁平钛网；所述水分子捕集及催化氧化层通过将纳米铱析氧催化剂混以具有质子交换功能的粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜3的单侧而形成，纳米铱与粘接剂的质量比为1∶0.2；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米铱的担载量为0.5mg/cm2；所述氢气扩散层2为碳纸，所述氢气催化层通过将纳米铂黑析氢催化剂混以具有质子交换功能的粘接剂涂覆于碳纸的单侧而形成，所述纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.2，碳纸上纳米铂黑的担载量为0.1mg/cm2，所述碳纸的孔隙率为76％，厚度为0.2mm；所述阴极集流框1为导电性能良好的不锈钢，形状为方形。
装配时，首先将阳极网4、水分子捕集及催化氧化层、固体聚合物质子交换膜3、氢气催化层、氢气扩散层2依次叠放，在120℃的条件下热压1min形成一体化构件。然后将阳极集流框5、阴极集流框1和形成的一体化构件，按照阳极集流框5-一体化构件-阴极集流框1的顺序，构建气态水电解槽，其中，一体化构件有阳极网4的一侧靠近阳极集流框5，为将低电解槽的内阻，须让阳极集流框5、一体化构件和阴极集流框1紧密接触。
为了验证本实施例中的气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，将本实施例中的气态水分子捕集电解装置安装在一个密封性良好的立方型测试箱上，使得阴极集流框1侧朝向测试箱外部的大气，阳极集流框5侧朝向测试箱的内部空间。将气态水分子捕集电解装置的有效工作面积尺寸定为35mm×35mm，测试箱的体积为50L，内部装有湿度传感器以实时显示内部湿度的变化，通过外电路对上述装置供给直流电，阳极集流框5接正极，阴极集流框1接负极，供给的电压为1.5V。随着时间的延长，测试箱内的湿度逐渐降低，在10h内，湿度从90％降到了55％，在整个除湿过程中，气态水分子捕集电解装置装置静态无噪音且无需人工维护，其平均功耗为0.5瓦。
实施例2
实施例2与实施例1不同的是，纳米铱与粘接剂的质量比为1∶0.5；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米铱的担载量为4mg/cm2，纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.5，碳纸上纳米铂黑的担载量为3mg/cm2，将实施例2的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了48％，其平均功耗0.55瓦。
实施例3
实施例3与实施例1不同的是，纳米铱与粘接剂的质量比为1∶0.8；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米铱的担载量为8mg/cm2，纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.8，碳纸上纳米铂黑的担载量为6mg/cm2，将实施例3的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了43％，其平均功耗0.6瓦。
实施例4
实施例4与实施例1不同的是，纳米铱与粘接剂的质量比为1∶0.25；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米铱的担载量为2mg/cm2，纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.5，碳纸上纳米铂黑的担载量为0.5mg/cm2，将实施例4的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了48％，其平均功耗不足0.75瓦。
实施例5
一种气态水分子捕集电解装置，包括依次层叠设置的阴极集流框1、氢气扩散层2、氢气催化层、固体聚合物质子交换膜3、水分子捕集及催化氧化层、阳极网4以及阳极集流框5，所述阳极集流框5选用镀铱金属钛，形状为方形；所述阳极网4选用150目的拉丝钛网；所述水分子捕集及催化氧化层通过将纳米二氧化钌析氧催化剂混以粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜3的单侧而形成，纳米二氧化钌与粘接剂的质量比为1∶0.5；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米二氧化钌的担载量为3mg/cm2；所述氢气扩散层2为碳布，所述氢气催化层通过将纳米铂黑析氢催化剂混以粘接剂涂覆于碳布的单侧而形成，所述纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.5，碳布上纳米铂黑的担载量为1mg/cm2，所述碳布的孔隙率为50％，厚度为0.5mm，所述粘接剂具有质子传导功能；所述阴极集流框1为导电性能良好的金属钛，形状为方形。
装配时，首先将阳极网4、水分子捕集及催化氧化层、固体聚合物质子交换膜3、氢气催化层、氢气扩散层2依次叠放，在160℃，2.5Mpa的条件下热压3min形成一体化构件。按照阳极集流框5-一体化构件-阴极集流框1的顺序，构建气态水电解槽，其中，一体化构件有阳极网4的一侧靠近阳极集流框5，为将低电解槽的内阻，须让阳极集流框5、一体化构件和阴极集流框1紧密接触。
为了验证本实施例中的气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，将本实施例中的气态水分子捕集电解装置安装在一个密封性良好的立方型测试箱上，使得阴极集流框1侧朝向测试箱外部的大气，阳极集流框5侧朝向测试箱的内部空间。将气态水分子捕集电解装置的有效工作面积尺寸定为35mm×35mm，测试箱的体积为50L，内部装有湿度传感器以实时显示内部湿度的变化，通过外电路对上述装置供给直流电，阳极集流框5接正极，阴极集流框1接负极，供给的电压为2.0V。随着时间的延长，测试箱内的湿度逐渐降低，在10h内，湿度从90％降到了52％，其平均功耗为0.7瓦。
实施例6
实施例6与实施例5不同的是，通过外电路对气态水分子捕集电解装置供给的直流电压为5.5V，将实施例6的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了34％，其平均功耗为1.95瓦。
实施例7
一种气态水分子捕集电解装置，包括依次层叠设置的阴极集流框1、氢气扩散层2、氢气催化层、固体聚合物质子交换膜3、水分子捕集及催化氧化层、阳极网4以及阳极集流框5，所述阳极集流框5选用镀铂金属钛，形状为方形；所述阳极网4选用为200目的菱形镀钌钛网；所述水分子捕集及催化氧化层通过将纳米铱析氧催化剂混以粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜3的单侧而形成，纳米铱与粘接剂的质量比为1∶0.7；固体聚合物质子交换膜3单位面积上纳米铱的担载量为5mg/cm2；所述氢气扩散层2为不锈钢金属毡，所述氢气催化层通过将纳米铂黑析氢催化剂混以粘接剂涂覆于不锈钢金属毡的单侧而形成，所述纳米铂黑与粘接剂的质量比为1∶0.6，不锈钢金属毡上纳米铂黑的担载量为3mg/cm2，所述不锈钢金属毡的孔隙率为60％，厚度为1mm，所述粘接剂具有质子传导功能；所述阴极集流框1为导电性能良好的不锈钢，形状为方形。
装配时，首先将阳极网4、水分子捕集及催化氧化层、固体聚合物质子交换膜3、氢气催化层、氢气扩散层2依次叠放，在120℃，1Mpa的条件下热压5min形成一体化构件。然后将阳极集流框5、阴极集流框1和形成的一体化构件，按照阳极集流框5-一体化构件-阴极集流框1的顺序，构建气态水电解槽。
为了验证本实施例中的气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，将本实施例中的气态水分子捕集电解装置安装在一个密封性良好的立方型测试箱上，供给的电压为4.5V。随着时间的延长，测试箱内的湿度逐渐降低，在10h内，湿度从90％降到了35％，其平均功耗为1.2瓦。
实施例8
实施例8与实施例7不同的是，所述析氧催化剂为纳米铱，所述析氢催化剂为钠米金，将实施例8的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，记录的测试箱内湿度随时间的变化关系如图2所示，从图2可以看出，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了38.5％，其平均功耗为1.58瓦。
实施例9
实施例9与实施例8不同的是，所述析氧催化剂为纳米二氧化钌，将实施例9的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了39％，其平均功耗为1.4瓦。
实施例10
实施例10与实施例7不同的是，所述析氧催化剂为纳米铱和纳米二氧化钌按照质量比为1:2的配比混合得到的复合析氧催化剂，所述析氢催化剂为纳米铂黑与纳米金按照1:1的配比混合得到的复合析氢催化剂，将实施例10的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了30％，其平均功耗为1.13瓦。
实施例11
实施例11与实施例7不同的是，所述析氧催化剂为纳米铱和纳米二氧化钌按照质量比为1:3.5的配比混合得到的复合析氧催化剂，所述析氢催化剂为纳米铂黑与纳米金按照1:1.5的配比混合得到的复合析氢催化剂，将实施例10的气态水分子捕集电解装置应用于电化学除湿时，在10h内，测试箱内的湿度从90％降到了31％，其平均功耗为1.33瓦。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明的实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气态水分子捕集电解装置，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极集流框(1)、氢气扩散层(2)、固体聚合物质子交换膜(3)、阳极网(4)以及阳极集流框(5)；
所述氢气扩散层(2)与固体聚合物质子交换膜(3)相对的表面上设有氢气催化层，所述氢气催化层通过将析氢催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于氢气扩散层(2)表面而形成，所述固体聚合物质子交换膜(3)与阳极网(4)相对的表面上还设有水分子捕集及催化氧化层，所述水分子捕集及催化氧化层通过将析氧催化剂混以具有质子传导功能的粘接剂涂覆于固体聚合物质子交换膜(3)表面而形成。
2.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述氢气扩散层(2)为碳纸、碳布、金属毡中任意一种，所述氢气扩散层(2)孔隙率为40-90％，厚度为0.1-2mm，所述氢气扩散层(2)单位面积上的析氢催化剂的担载量为0.1-6mg/cm2。
3.根据权利要求2所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述氢气催化层中析氢催化剂与粘接剂的质量比为1:0.2-0.8。
4.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述固体聚合物质子交换膜(3)单位面积上的析氧催化剂的担载量为0.5-8mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述水分子捕集及催化氧化层中析氧催化剂与粘接剂的质量比为1:0.2-0.8。
6.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述阳极集流框(5)和阳极网(4)的材质为金属钛、钛合金、镀有贵金属或其氧化物涂层的金属钛中的一种，所述贵金属为金、铂、铱、钯、钌、铑、锇中的一种；所述阳极网(4)为拉丝网、扁平网、菱形网的一种，所述阳极网(4)的目数为40-300目。
7.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述阴极集流框(1)的材质为导电性能良好的铂、金、钛、不锈钢、铝或其合金中的一种。
8.根据权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置，其特征在于，所述析氧催化剂为纳米铱和纳米二氧化钌按照质量比为1:2-3.5的配比混合得到的复合析氧催化剂，所述析氢催化剂为纳米铂黑与纳米金按照1:1-1.5的配比混合得到的复合析氢催化剂。
9.一种制备权利要求1所述的气态水分子捕集电解装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将阳极网(4)、水分子捕集及催化氧化层、固体聚合物质子交换膜(3)、氢气催化层及氢气扩散层(2)依次叠放，在120～180℃，1～5Mpa的条件下热压2～5min形成一体化构件；
S2：将S1步骤得到的一体化构件有阳极网(4)的一侧与阳极集流框(5)紧密接触、另一侧与阴极集流框(1)紧密接触即可形成气态水分子捕集电解装置。
10.一种如权利要求1所述气态水分子捕集电解装置在电化学除湿中的应用，其特征在于，安装时使所述气态水分子捕集电解装置的阳极集流框(5)朝向需要除湿的设备或空间内部，所述阴极集流框(1)朝向外部的大气，所述阳极集流框(5)接正极，阴极集流框(1)接负极，供给的直流电压范围为1.5～5.5V。
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