一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置的制作方法

本实用新型涉及可主动/被动式的除湿装置，特别涉及一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置。

背景技术：

现代社会中人在建筑物内的时间长达70％以上，室内空气除湿方式不仅严重影响室内空气品质及人员健康，亦对建筑能耗有极大影响。近年来空调除湿能耗接近我国社会总能耗的一至两成，并随城镇化的进程而持续上升。而目前广泛采用的常规除湿方式，如冷却法、溶液除湿法及转轮法等，都存在着很多问题。冷却法是采用表冷器冷却到露点使水蒸气凝结，除湿能力有限，能源浪费高；溶液除湿法虽除湿能力较强，但再干燥过程复杂，设备装置多，且可能出现溶液二次污染空气导致风道、家具腐蚀及危害人体健康的严重后果；而转轮除湿虽可在较低温度下使用且能达到较低的湿度，但占地面积过大、性能易衰减等限制了实际应用。室内除湿问题在我国高湿度地区，如港澳、两广、两湖、江西等地区，尤其值得关注。

电解质膜除湿作为一种新颖的独立湿度调控技术，通过在电解质膜两侧施加直流电压，使得阳极侧空气水蒸气发生电解反应而湿度降低。该除湿技术采用单一电能，无需再生装置，有较宽的可操作温度和低露点除湿性能，无腐蚀和有害物质等二次污染，非常适合与光伏或风力发电等可再生能源有机结合。专利97101826.X公布了一种针对精密仪器仪表的电解质膜除湿装置，但其缺点是只能进行主动除湿，且采用了平板式电极限制了系统性能，实施方式也比较简单。

因此，开发更高效的电解质膜除湿装置，对解决现有电解质膜除湿装置的不足，推进其工业化进程具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置。该装置可通过传导质子或水分子进行主动/被动的湿度控制，结构简单，形状可变，可低露点除湿，非常适合小型化，无二次污染，节能静音，适应各种环境变化需求。

一种一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置，核心除湿单元从一侧至另一侧，依次包括阳极气道、筛网式阳极电极、两性离子交换膜、筛网式阴极电极和阴极气道；

由阳极气道至两性离子交换膜的方向，所述筛网式阳极电极依次包括阳极金属筛网结构扩散层和阳极催化层；

由阴极气道至两性离子交换膜的方向，所述筛网式阴极电极依次包括阴极金属筛网结构扩散层和阴极催化层；

所述阳极气道和阴极气道均设置有进气口和出气口；所述阳极气道和阴极气道的进气口外均装有变频风机；

所述阳极气道内安装有第一风阀和第一流量传感器，所述阳极气道的进气口处和出气口处分别设置有第一温湿度传感器和第二温湿度传感器；

所述阴极气道内安装有第二风阀和第二流量传感器，所述阴极气道的进气口处和出气口处分别设置有第三温湿度传感器和第四温湿度传感器；

所述筛网式阳极电极与筛网式阴极电极分别外接可调节直流电源的正极和负极，所述可调节直流电源接有数字型万用表；

所有的温湿度传感器、所有的流量传感器以及数字型万用表均连接于计算机。

进一步的，所述两性离子交换膜为同时具备选择性交换阳离子及阴离子能力的高性能电解质膜，包括双极膜或两性膜。

进一步地，所述两性离子交换膜通过包括共混法、共聚法或辐射接枝法制备得到。

进一步地，所述阳极金属筛网结构扩散层和阴极金属筛网结构扩散层的材料均为多孔金属筛网，厚度为0.8mm-2mm，材质采用包括钛、钛合金或不锈钢；

更进一步地，所述多孔金属筛网上有耐腐蚀导电涂层以及具有支撑两性离子交换膜所需的刚性；所述多孔金属筛网使阳极侧空气中的水蒸汽易于接近两性离子交换膜并发生电解反应，同时易于使阴极侧还原反应生成的水迅速脱除，使装置结构简单紧凑，形状可变，可适应于不同空间。

进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层采用包括筛网印刷法、转印法或喷射法，将催化剂微粒分别紧密附着于阳极金属筛网结构扩散层的近阳极气道侧的表面和阴极金属筛网结构扩散层的近阴极气道侧的表面制备得到。

更进一步地，所述催化剂微粒包括碳载催化剂微粒或重金属催化剂微粒。

进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层在与两性离子交换膜连接的界面上均有紧密接触的接触点；当施加电压时，阳极气道内的空气通过阳极金属筛网结构扩散层接近接触点，空气中的水蒸汽在两性离子交换膜的近阳极侧发生电解反应；阴极气道内的空气通过阴极金属筛网结构扩散层接近接触点，在两性离子交换膜的近阴极侧发生氧气与质子反应生成水的还原反应。

更进一步地，所述核心除湿单元在有施加电压时，阳极气道中流通空气内的水蒸气在两性离子交换膜阳极侧发生电解反应而进行主动除湿，阳极侧发生式(1)反应：

2H₂O→4H⁺+O₂+4e^-，(1)；

式(1)产生的氢离子(H⁺)通过两性离子交换膜到达阴极侧，电子(e^-)通过直流电源的电路到达阴极侧，发生式(2)反应消耗氧并产生水：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O，(2)；

式(2)产生的水分子由阴极气道内流通的空气带走。通过式(1)和式(2)的反应，使得阳极气道内的空气湿度降低而进行主动除湿。

更进一步地，所述核心除湿单元在无电压施加时，阳极气道中流通空气内的水蒸气凭借空气湿度差导致的压力差，高湿度侧的水蒸气渗透过两性离子交换膜进入低湿度侧而被阴极气道流通空气带走，使得阳极气道内的空气湿度降低而进行被动除湿。

核心除湿单元在施加电压与不施加电压条件下可进行主动或被动工作，使装置可适应不同环境需求，能耗降低。

进一步地，所述阳极气道和阴极气道均由绝缘不透气材料构成。

进一步地，阳极气道内的空气和阴极气道内的空气的流动方式互为包括顺流、逆流或错流。

进一步地，所述核心除湿单元在主动除湿过程中，需除湿的空气从阳极气道流过，环境空气从阴极气道流过；温湿度传感器将阳极气道和阴极气道内空气的温湿度转换成电信号采集进计算机，计算机将得到的数据与设定值比较，通过控制算法生成控制信号并送给控制输出电路，控制输出电路将控制信号分别送达包括可调直流电源及变频风机的执行机构，执行结构根据控制命令，完成相应的调节控制动作。

更进一步地，所述可调节直流电源根据控制输出电路的命令，可实现正极和负极对调，电压也即时调节。

更进一步地，所述可调节直流电源的电压在1.29～10V范围可调。

进一步地，所述核心除湿单元为一个以上，多个核心除湿单元的组合方式包括串联式、并联式、复叠式、组合式或多级式，且各核心除湿单元中的两性离子交换膜以并联或串联的方式与可调节直流电源相连接。

多种方式的组合，有利于装置适应多种空间及除湿要求。

进一步地，所述核心除湿单元以单个或多个的形式与包括溶液除湿装置、轮转除湿装置或冷却除湿装置组合使用，组合方式包括串联或并联；与溶液除湿装置的组合中，溶液除湿的填料方式包括平板填料、规则填料或随机填料；

与其他除湿装置的多种组合，有利于装置适应多种空间及除湿要求。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型装置可简单、快速的进行湿度调控，通过控制电压的施加与否，实现主动/被动式除湿；可通过调整电压大小以控制除湿效果；还可调节电压正负实现空气加湿，适应不同环境要求；

(2)本实用新型装置主动除湿过程具有较宽的可操作温度和低露点除湿的优越操作性能，可在低温(0℃甚至以下)低湿(<5％)情况下正常运行；

(3)本实用新型装置主动除湿所需能源为单一电能，电压较低，可采用可再生能源包括太阳能或风能产生的电能，节能环保；而被动除湿过程无需耗能；

(4)本实用新型装置核心除湿单元采用的电极材料为多孔金属筛网结构，具有支撑两性离子交换膜所需的刚性，且使空气易于接近离子交换膜阳极发生电解反应并使阴极反应生成的水可迅速脱除；使装置结构简单紧凑，形状可变，可适应于不同空间；

(5)本实用新型装置的可多个核心除湿单元实现多种组合，空气在气道内的气流方式多样，装置还可与其他除湿装置进行组合，使本实用新型装置适应多种空间及除湿要求；

(6)本实用新型装置安全性高，无需额外冷水、溶液等介质；不具有腐蚀和有害物质产生，无二次污染，使得工作环境卫生清洁；无附加驱动装置，运作过程无噪音产生。

附图说明

图1为实施例一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置的核心除湿单元示意图；

图2a和图2b为实施例一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置分别在施加电压与不施加电压情况下的工作原理示意图；

图3为实施例一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置采用多个核心除湿单元并联组合的示意图；

图4为实施例一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置采用多个核心除湿单元串联组合的示意图；

图5为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与溶液除湿装置并联组合除湿的示意图；

图6为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与溶液除湿装置串联组合除湿的示意图；

图7为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与轮转除湿装置并联组合除湿的示意图；

图8为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与轮转除湿装置串联组合除湿的示意图；

图9为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与冷却除湿装置并联组合除湿的示意图；

图10为实施例多个一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置与冷却除湿装置串联组合除湿的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例及附图，对本实用新型技术方案进行清楚、完整的描述，但本实用新型不限于此。

本实施例一种一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置的核心除湿单元示意图如图1所示，核心除湿单元从一侧至另一侧，依次包括阳极气道6、筛网式阳极电极、两性离子交换膜1、筛网式阴极电极和阴极气道7；

两性离子交换膜1为同时具备选择性交换阳离子及水分子能力的高性能电解质膜，包括双极膜或两性膜；两性离子交换膜1通过包括共混法、共聚法或辐射接枝法制备得到；辐射接枝法以聚偏氟乙烯(PVDF)为基膜进行制备；共聚法在二氟二苯酮上引入磺酸根及在双酚芴上引入季铵基团，再将两种单体进行共聚制备两性离子交换膜；

由阳极气道6至两性离子交换膜1的方向，筛网式阳极电极依次包括阳极金属筛网结构扩散层2和阳极催化层4；由阴极气道7至两性离子交换膜1的方向，筛网式阴极电极依次包括阴极金属筛网结构扩散层3和阴极催化层5；

阳极金属筛网结构扩散层2和阴极金属筛网结构扩散层3均为多孔金属筛网，厚度为0.8mm-2mm，材质采用包括钛、钛合金或不锈钢；多孔金属筛网上有耐腐蚀导电涂层以及具有支撑两性离子交换膜1所需的刚性；多孔金属筛网使阳极侧空气中的水蒸汽易于接近两性离子交换膜1并发生电解反应，同时易于使阴极侧还原反应生成的水迅速脱除；

阳极催化层4和阴极催化层5为采用包括筛网印刷法、转印法或喷射法，将催化剂微粒分别紧密附着于阳极金属筛网结构扩散层2的近阳极气道6侧的表面和阴极金属筛网结构扩散层3的近阴极气道7侧的表面制备得到；阳极催化层4和阴极催化层5在与两性离子交换膜1连接的界面上均有紧密接触的接触点，当施加电压时，阳极气道6内的空气通过阳极金属筛网结构扩散层2接近接触点，空气中的水蒸汽在两性离子交换膜1的近阳极侧发生电解反应；阴极气道7内的空气通过阴极金属筛网结构扩散层3接近接触点，在两性离子交换膜1的近阴极侧发生氧气与质子反应生成水的还原反应；

筛网式阳极电极与筛网式阴极电极分别外接可调节直流电源17的正极和负极，可调节直流电源17接有数字型万用表16；可调节直流电源17根据控制输出电路的命令，可实现正极和负极对调，电压也即时调节；可调节直流电源17的电压在1.29～10V范围可调；

阳极气道6和阴极气道7均设置有进气口和出气口；阳极气道6内安装有第一风阀8和第一流量传感器14，阳极气道6的进气口处和出气口处分别设置有第一温湿度传感器12和第二温湿度传感器10；阴极气道7内安装有第二风阀9和第二流量传感器15，阴极气道7的进气口处和出气口处分别设置有第三温湿度传感器11和第四温湿度传感器13；

阳极气道6和阴极气道7的进气口外均装有变频风机；阳极气道6和阴极气道7为绝缘不透气材料构成；阳极气道6内的空气和阴极气道7内的空气的流动方式互为包括顺流、逆流或错流；

温湿度传感器(10、11、12、13)、流量传感器(14、15)、数字型万用表16均连接于计算机；

核心除湿单元在有施加电压时，阳极气道6中流通空气内的水蒸气在两性离子交换膜1阳极侧发生电解反应而进行主动除湿；核心除湿单元在无电压施加情况下，阳极气道6中流通空气内的水蒸气凭借空气湿度差导致的压力差，高湿度侧的水蒸气渗透过两性离子交换膜1进入低湿度侧而进行被动除湿；

主动除湿过程中，核心除湿单元中需除湿的空气从阳极气道6流过，环境空气从阴极气道7流过；温湿度传感器(10、11、12、13)将阳极气道6和阴极气道7内空气的温湿度转换成电信号采集进计算机，计算机将得到的数据与设定值比较，通过控制算法生成控制信号并送给控制输出电路，控制输出电路将控制信号分别送达包括可调直流电源1及变频风机的执行机构，执行结构根据控制命令，完成相应的调节控制动作；

核心除湿单元为一个以上，多个核心除湿单元的组合方式包括串联式、并联式、复叠式、组合式或多级式，且各核心除湿单元中的两性离子交换膜1以并联或串联的方式与可调节直流电源17相连接；

该装置可以单个或多个的形式与包括溶液除湿装置、轮转除湿装置或冷却除湿装置组合使用，组合方式包括串联或并联。

实施例1

图2a和图2b所示为本实施例所述装置分别在有电压施加与无电压施加情况下的工作原理示意图。

如图2a所示，当对核心除湿单元在有施加电压时，可使阳极气道6中流通空气内的水蒸气在两性离子交换膜1阳极侧发生电解反应，如式(1)：2H₂O→4H⁺+O₂+4e^-，(1)；通过式(1)的反应，使得阳极气道6内的空气湿度降低；此时，式(1)产生的氢离子(H⁺)通过两性离子交换膜(1)到达阴极侧，电子(e^-)通过直流电源的电路到达阴极侧，发生式(2)反应消耗氧并产生水：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O，(2)；式(2)反应消耗氧并产生水；如此，实现将阳极气道内流过的空气中的水蒸气电解，式(2)产生的水分子由阴极气道7内流通的空气带走。通过式(1)和式(2)的反应，使得阳极气道6内的空气湿度降低而进行主动除湿。

如图2b所示，当无电压施加时，可使阳极气道6中流通空气内的水蒸气凭借空气湿度差导致的压力差，高湿度侧的水蒸气渗透过两性离子交换膜1进入低湿度侧而被阴极气道7流通空气带走，使得阳极气道6内的空气湿度降低而进行被动除湿。

实施例2

图3和图4分别为采用多个核心除湿单元并通过并联和串联的形式进行组合的示意图。

如图3所示为采用多个核心除湿单元并联组合的示意图，除湿过程中，首先打开变频风机及第一风阀8和第二风阀9，使得需要除湿的空气以并联的形式分别流过第二个核心除湿单元18至第n个核心除湿单元19的阳极气道6后再汇集成一股，再送入室内，而环境空气进入阴极气道7；工作时，由温湿度传感器感知气道内的湿度并换成电信号采集进计算机，计算机将湿度信号与所要求的设定温湿度比较，判断需进行主动/被动除湿，通过控制算法生成一系列控制信号(包括直流电源、电压及变频风机频率)并送给控制输出电路；

主动除湿情况下，打开可调节直流电源17，在核心除湿单元的两侧施加电压，阳极气道6内电解水反应，阳极气道6内的空气湿度降低，阴极气道7内空气湿度升高；

被动除湿工况下，关闭可调节直流电源17，凭借水蒸气压力差，湿度较高一侧的空气湿度降低，湿度较低一侧的空气湿度升高；气道内的湿度持续由温湿度传感器采集进计算机，通过反复调整，直至达到设定参数；

核心除湿单元的数目、除湿空气及吹扫空气的风量、直流电源电压等由工况及除湿要求决定。

如图4所示为采用多个核心除湿单元串联组合的示意图，不同于并联组合方式，除湿过程中，需要除湿的空气以串联的形式依次流过多个核心除湿单元的阳极气道6，再送入室内，而环境空气进入阴极气道7。

实施例3

图5和图6为多个除湿装置与溶液除湿装置20分别通过并联与串联进行组合除湿的示意图。

如图5所示为多个装置与溶液除湿装置20通过并联进行组合除湿的示意图，除湿过程中，首先打开变频风机及第一风阀8和第二风阀9，使得需要除湿的空气以并联的形式分别流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，同时进入溶液除湿装置20与溶液接触后再汇集成一股，再送入室内，而环境空气进入阴极气道7；气道内的湿度持续由温湿度传感器采集进计算机，通过反复调整，直至达到设定参数；电化学除湿单元的数目、除湿空气及吹扫空气的风量、直流电源电压等由工况及除湿要求决定。

如图6所示为多个除湿装置与溶液除湿装置20通过串联进行组合除湿的示意图，与并联组合方式不同在于，需要除湿的空气以串联的形式依次流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，并且紧接着进入溶液除湿装置35与溶液接触后再送入室内，而环境空气进入阴极气道7。

实施例4

图7和图8为多个除湿装置与轮转除湿装置21分别通过并联与串联进行组合除湿的示意图。

如图7所示为多个除湿装置与轮转除湿装置21通过并联进行组合除湿的示意图，除湿过程中，首先打开变频风机及第一风阀8和第二风阀9，使得需要除湿的空气以并联的形式分别流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，并且进入除湿转轮装置21的除湿侧后再汇集成一股送入室内，而环境空气进入阴极气道7以及除湿转轮装置21的再生侧；气道内的湿度持续由温湿度传感器采集进计算机，通过反复调整，直至达到设定参数；电化学除湿单元的数目、除湿空气及吹扫空气的风量、直流电源电压等由工况及除湿要求决定。

如图8所示为多个除湿装置与轮转除湿装置21通过串联进行组合除湿的示意图，与并联组合方式不同在于，除湿过程中，需要除湿的空气以串联的形式分别流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，并且进入除湿转轮装置21的除湿侧后再汇集成一股送入室内，而环境空气进入阴极气道7以及除湿转轮装置21的再生侧。

实施例5

图9和图10为多个除湿装置与冷却除湿装置22分别通过并联与串联进行组合除湿的示意图。

如图9所示为多个除湿装置与冷却除湿装置22通过并联进行组合除湿的示意图，除湿过程中，首先打开变频风机及第一风阀8和第二风阀9，使得需要除湿的空气以并联的形式分别流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，并且进入冷却除湿装置与冷却盘管接触后再汇集成一股送入室内，而环境空气进入阴极气道7；气道内的湿度持续由温湿度传感器采集进计算机，通过反复调整，直至达到设定参数；电化学除湿单元的数目、除湿空气及吹扫空气的风量、直流电源电压等由工况及除湿要求决定。

如图10所示为多个除湿装置与冷却除湿装置22通过串联进行组合除湿的示意图，与并联组合方式不同在于，除湿过程中，需要除湿的空气以串联的形式分别流过多个除湿装置的核心除湿单元的阳极气道6，并且进入冷却除湿装置与冷却盘管接触后再汇集成一股送入室内，而环境空气进入阴极气道7。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。