专利名称：有机气体清除器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有机气体清除器。
背景技术：
在造成室内空气污染的污染源中，有机气体是主要的污染源之一，如甲 醛、苯等。众所周知，有机气体一般为较高毒性的物质，正是因为此类有机 气体对人体健康的危害较大，因而，为了有效清除空气中(尤其是室内空气 中)含有的有机气体，人们提出了多种不同的方法。在这些已知的方法中， 主要包括二大类第一是光催化法，该方法利用紫外线激发光催化剂(如 Ti02)，这种方法的缺点在于需要紫外线的照射，该方法的使用场合受到较 大限制，而且催化效率有限；第二是化学催化方法，该方法采用加入有机气 体清除剂，使有机气体与有机气体清除剂与直接接触并发生反应，从而将有 机气体消除，这种方法的缺点在于有机气体清除剂是不断消耗的，经过一段 时间的使用之后，需要更换新的有机气体清除剂，而且有机气体清除剂本身 还很可能存在环保问题。
由于有机气体有可能在相当长的时间内不断挥发到空气之中，因而，需 要一种便于使用、应用广泛且具有长期效果的有机气体清除器，从而有效地 清除空气中的有机气体。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的清除有机气体的方法中应用场合有限且 不具有长期效果的缺陷，而提供一种能广泛应用于多种场合且具有长期效果 的有机气体清除器。
本发明提供了一种有机气体清除器，其中，所述有机气体清除器包括膜 电极组件和导电元件，所述膜电极组件包括质子交换膜和分别设置在所述质 子交换膜两侧的催化层，所述导电元件的两个触点分别与所述膜电极组件的 外层电连接。
当使用根据本发明提供的有机气体清除器时，仅所述膜电极组件的一侧 的空气中含有有机气体，由于导电元件与膜电极组件实际上形成了电路回 路，因而，整个有机气体清除器成为正在工作的由质子交换膜燃料电池供电 的电路回路，而该燃料电池的燃料正是空气中存在的有机气体。随着电池的 持续工作，空气中的有机气体不断地得以消耗。与现有技术的有机气体清除 器相比，本发明提供的有机气体清除器利用燃料电池的电化学原理清除空气 中存有的有机气体，而不是利用化学催化或光催化等其他原理，而且，本发 明提供的有机气体清除器的生成物仅为二氧化碳和水，因而，该有机气体清 除器适用于多种场合，如居室内、车辆内部等，不会对人体产生任何危害， 而且具有长久有效的清除有机气体的作用。
图1为根据本发明的有机气体清除器的一个实施方式的截面示意图。 图2为根据本发明的有机气体清除器的另一实施方式的示意图。
具体实施例方式
下面参考附图对本发明的实施方式进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的有机气体清除器包括膜电极组件和导电元件
4，膜电极组件包括质子交换膜1和分别设置在质子交换膜1两侧的催化层2， 导电元件4的两个触点分别与膜电极组件的外层电连接。
当使用该有机气体清除器时，在确保有机气体清除器两侧的空气中仅一 侧含有有机气体的前提下，使膜电极组件的最外层通过导电元件4电连接，
这样，整个装置组成一个完整的由质子交换膜燃料电池供电的电路回路，其 中，有机气体为所述燃料电池的燃料。在本说明书中，有机气体指在常温常 压下以气体状态存在的有机物，如苯、甲醛、甲院等，尤其是对人体有害的 有机气体。
在膜电极组件的一侧的空气中含有有机气体，而另一侧中不含有有机气 体，这样，含有有机气体的一侧为负极，不含有有机气体的另一侧为正极。
在负极，空气中含有的有机气体通过催化层2被催化为C02、 H+和e'，反应 方程式为HCHO+H20—C02+4H++4e—，然后，产生的H+通过质子交换 膜1到达正极，而e—通过导电元件4也到达正极，在正极发生的反应为02 +4H++4f—2H20，整个反应为HCHO+02—C02+H20。因而，该有机气 体清除器可以不断地消耗空气中的有机气体，而产物仅为C02和H20，不会 对环境造成污染，同时，也可以随意应用于任意的场合。该有机气体清除器 依靠电化学原理清除有机气体而不需要外界功耗，而且本身基本没有消耗， 因而几乎不需要维护且在较长时间内都可以发挥清除有机气体的功效。
膜电极组件的质子交换膜1和分别设置在质子交换膜1两侧的催化层2 可以通过用于制造质子交换膜燃料电池的通常方法制备，也可以选择传统常 用的现有质子交换膜和催化层，其中，质子交换膜l可以为由含有质子导体 的聚合物制成的聚合物膜，如全氟磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜、聚烯烃磺酸膜、 含苯乙烯磺酸单元的嵌段聚合物膜、含苯乙烯磺酸单元的无规聚合物膜、含 烯烃磺酸单元的嵌段共聚物膜、含烯烃磺酸单元的无规共聚物膜、含苯磺酸 单元的芳香族聚合物膜、聚苯乙烯烷基磺酸膜、含苯乙烯烷基磺酸单元的嵌 段聚合物膜、含苯乙烯烷基磺酸单元的无规聚合物膜、聚烯烃烷基磺酸膜、 含烯烃垸基磺酸单元的嵌段聚合物膜、含烯烃烷基磺酸单元的无规聚合物 膜、含苯垸基磺酸单元的芳香族聚合物膜，或上述聚合物与其他聚合物的共 混膜，以及其他任何允许质子通过的材料制成的聚合物膜。催化层2可由用
于催化上述电化学反应的材料制成，催化层2的催化剂可以为贵金属催化剂 或由该贵金属与其它非贵金属所形成的合金催化剂，包括铂催化剂、钌催 化剂、钯催化剂、金催化剂、铂钌合金催化剂、铂钯合金催化剂、铂金合金 催化剂、铂铁合金催化剂、铂镍合金催化剂、铂铜合金催化剂、碳载铂催化 剂、碳载钌催化剂、碳载钯催化剂、碳载金催化剂、碳载铂钌合金催化剂、 碳载铂钯合金催化剂、碳载铂金合金催化剂、碳载铂铁合金催化剂、碳载铂 镍合金催化剂或碳载铂铜合金催化剂等。
为了对催化层2起到保护作用，防止催化层2由于受到尘土、热等不利
因素而影响催化层2的催化活性，在优选情况下，所述膜电极组件还包括气 体扩散层3，该气体扩散层3分别设置在催化层2的外侧。
气体扩散层3由可导电的多孔材料制成，在允许气体自由流通的同时， 在该材料内还可以存贮气体，从而在该有机气体清除器的正常运行过程中满 足气体的供应。气体扩散层3可以由任何利于气体流通的材料制成，如碳纸、 碳毡、碳布、泡沫镍或不锈钢网等。当膜电极组件包括质子交换膜1、催化 层2以及气体扩散层3的情况下，导电元件4的两个触点分别与气体扩散层 3电连接，从而实现电路的回路。
上述质子交换膜1、催化层2以及气体扩散层3的材料和制作方法可以 根据具体的应用场合加以确定。
导电元件4的作用为形成电路的回路，允许电子流过。因而，导电元件 4可以为任意适用于导电的元件，如导线、电阻、电感、滑动变阻器等，能
实现电子的流动，形成电流即可。
如果膜电极组件的最外层为气体扩散层3，由于气体扩散层3由多孔材 料制成，因而，气体扩散层3的强度有限，为了提高气体扩散层3的强度， 从而提高整个有机气体清除器的强度，在优选情况下，所述有机气体清除器 还包括壳体，该壳体将膜电极组件封装，或者封装膜电极组件与导电元件4，
所述壳体上设置有用于流通气体的孔。
所述壳体可以由任意具有足够强度的材料制成，如铝合金、塑料等。该 壳体具有适于容纳所述有机气体清除器的形状，例如，膜电极组件主要构成
有机气体清除器的基本形状，可以为任意的合适形状，如正方形、长方形、 圆形或椭圆形等,则壳体也可以为正方体、长方体、圆柱或椭圆柱等。
导电组件4可以选择设置在壳体内，也可以设置在壳体之外，可以由设 计人员根据具体的应用场合加以选择确定。所述壳体上设置的孔用于允许气 体自由流通，这样，在所述有机气体清除器的一侧，含有有机气体的空气可 以自由与空气扩散层接触，并通过该侧的催化层将空气中含有的有机气体催 化；在另一侧，不含有有机气体的空气可以自由地与该侧的空气扩散层接触， 从而发生上述电化学反应。
如图1和图2所示，有机气体清除器还包括有固定装置5，所述固定装 置5固定设置在所述膜电极组件的周沿，并将所述膜电极组件两侧的空间隔 断，从而使仅所述膜电极组件的一侧的空间内含有有机气体。
固定装置5用于固定膜电极组件，从而保持整个有机气体清除器位于合 理的工作位置，从而更好的发挥清除有机气体的功效。固定装置5的另一作 用是，将有机气体清除器的膜电极组件两侧的空间隔断，从而保持膜电极组 件两侧的空气中具有不同的成份，具体而言，膜电极组件的一侧含有有机气 体，而另一侧不含有有机气体。
根据有机气体清除器的一个实施方式，如图1所示，固定装置5为镶嵌 在门、窗或墙壁中的框架，所述膜电极组件一侧为室内空间，另一侧为室外 空间。在该实施方式中，膜电极组件通过框架固定，而框架镶嵌在室内的门、 窗或墙壁中，这样，自然地，在有机气体清除器一侧为室内空气(含有有机 气体)，而另一侧为室外空气(不含有机气体)。在该情况下，通过该有机气 体清除器，室内空气中含有的有机气体不断地消耗掉，从而起到净化室内空
气的作用。
当该有机气体清除器设置在窗户或墙壁时，有机气体清除器的一侧必然 朝向室内，为了使该有机气体清除器具有较好的外观，在优选情况下，膜电
极组件朝向室内的侧面为具有装饰图案的形状，从而起到美化作用。例如， 膜电极组件朝向室内的侧面上可以形成有壁画、色板等。因而，在所述有机 气体清除器在给与人们美的享受的同时，还可以悄无声息地发挥着清除室内 有机气体，净化室内空气的作用。
如图2所示为有机气体清除器的另一种实施方式。在该实施方式中，固 定装置5为具有开口 6的容器7，该有机气体清除器的膜电极组件设置在该
容器7的开口 6内，将所述容器7的开口 6密封并使得所述容器7内部留有 空间11，从而使容器7内部的空间11与外部空间隔绝起来。
在该有机气体清除器中，膜电极组件朝向外部空间的一侧发生的反应 为HCHO+H20—C02+4H++4e—，膜电极组件朝向容器7内部的一侧发生 的反应为02 + 4H+ + 4e-—2H20，从而完成电化学反应，不断消耗容器7 外部空间含有的有机气体。
由于在湿度较大的情况下，上述电化学反应更为容易进行，从而使该有 机气体清除器具有更强的清除效果，因而，在优选情况下，在容器7内盛放 有适量的水8，从而保持容器7内空间11的空气具有足够的相对湿度。优选 为90%以上。当该实施方式的有机气体清除器使用一段时间之后，由于容器 7内空间的空气中消耗了部分氧气，容易使该空间的空气内氧气不足，从而 不利于有机气体清除器继续发挥作用，同时，水随着挥发和消耗，也会减少， 不利于保持容器7内部空间的空气具有较高的湿度。
为了克服上述问题，在优选情况下，所述容器7内盛有水8，在容器7 内部空间11的侧壁上设置有孔10，该孔10由盖9可拆卸地密封。
由于孔10的存在，当有机气体清除器正常工作时，可以用盖9将孔10
封住，从而使容器7内部形成相对封闭的空间；而当经过一段时间之后，容 器7内部空间的氧气水平下降且该空间内部空气的湿度水平也下降，此时，
可以将盖9取下，向容器7内部空间通风或通入氧气，并补充水，从而使容 器7内部空间内具有足够的氧气，湿度水平也上升到适宜有机气体清除器发
生电化学反应的水平。
该实施方式的有机气体清除器体积较小，而且具有可移动性，适用于放 置在有限的移动空间中，如车辆内部等。
为了进一步有利于上述电化学反应的进行，在优选情况下，所述有机气 体清除器还包括加湿装置和加热装置。
一般情况下，由于有机气体在负极通过催化层3与水发生反应(HCHO +H20—C02+4H++4e—)，因而，在负极附近空气中含有的水份含量会不断 下降，如果下降到较低的水平，则不利于电化学反应的进行，甚至使电化学 反应停止。因而，在优选情况下，所述有机气体清除器还包括有加湿装置， 用于向该有机气体清除器的至少一侧供应水蒸气，优选向消耗水份较多的负 极供应水蒸气。
该加湿装置可以为加湿器、盛有水的容器或供应水蒸气的管道等，只要 能实现水蒸气的供给即可。加湿装置可以设置在所述有机气体清除器的外 部，也可以设置在所述有机气体清除器壳体内，实现向有机气体清除器的膜 电极组件的一侧供应水份即可。
当温度较低时，如冬天的季节中，为了有利于上述电化学反应的进行， 在优选情况下，所述有机气体清除器还包括有加热装置。该加热装置可以为 电炉或炭炉，以能提高所述有机气体清除器的周围温度即可，优选为提高有 机气体清除器的膜电极组件的温度，从而有利于电化学反应的进行。 一般情 况下，加热装置设置在有机气体清除器的外部，从而可以对该有机气体清除 器的整体进行加热。
按照本发明提供的有机气体清除器，只要通过导电元件4形成电路回路， 且仅所述膜电极组件的一侧的空气中含有有机气体，就会发生电化学反应， 从而不断消耗膜电极组件一侧的空气中的有机气体。
权利要求
1. 一种有机气体清除器，其中，所述有机气体清除器包括膜电极组件和导电元件(4)，所述膜电极组件包括质子交换膜(1)和分别设置在所述质子交换膜(1)两侧的催化层(2)，所述导电元件(4)的两个触点分别与所述膜电极组件的两侧的外层电连接。
2. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述膜电极组件还 包括分别设置在所述催化层(2)外侧的气体扩散层(3)。
3. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述质子交换膜(1) 是由含有质子导体的聚合物制成聚合物膜，该聚合物膜选自全氟磺酸膜、 聚苯乙烯磺酸膜、聚烯烃磺酸膜、含苯乙烯磺酸单元的嵌段聚合物膜、含苯 乙烯磺酸单元的无规聚合物膜、含烯烃磺酸单元的嵌段共聚物膜、含烯烃磺 酸单元的无规共聚物膜、含苯磺酸单元的芳香族聚合物膜、聚苯乙烯烷基磺 酸膜、含苯乙烯烷基磺酸单元的嵌段聚合物膜、含苯乙烯烷基磺酸单元的无 规聚合物膜、聚烯烃烷基磺酸膜、含烯烃烷基磺酸单元的嵌段聚合物膜、含 烯烃烷基磺酸单元的无规聚合物膜、含苯垸基磺酸单元的芳香族聚合物膜， 以及上述聚合物与其他聚合物的共混膜。
4. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述催化层(2)中 的催化剂为贵金属催化剂或者由贵金属与其它非贵金属所形成的合金催化 剂，包括铂催化剂、钌催化剂、钯催化剂、金催化剂、铂钌合金催化剂、 铂钯合金催化剂、铂金合金催化剂、铂铁合金催化剂、铂镍合金催化剂、铂 铜合金催化剂、碳载铂催化剂、碳载钌催化剂、碳载钯催化剂、碳载金催化 剂、碳载铂钌合金催化剂、碳载铂钯合金催化剂、碳载铂金合金催化剂、碳 载铂铁合金催化剂、碳载铂镍合金催化剂、或碳载铂铜合金催化剂。
5. 根据权利要求2所述的有机气体清除器，其中，所述气体扩散层(3) 由可导电的多孔材料制成。
6. 根据权利要求5所述的有机气体清除器，其中，所述气体扩散层G) 为碳纸、碳毡、碳布、泡沫镍或不锈钢网。
7. 根据权利要求l所述的有机气体清除器，其中，所述导电元件(4) 为导线、电阻或滑动变阻器。
8. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述有机气体清除 器还包括壳体，该壳体封装膜电极组件或者封装膜电极组件和导电元件(4)， 所述壳体上设置有用于流通气体的孔。
9. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述有机气体清除 器还包括固定装置(5)，该固定装置(5)固定设置在所述膜电极组件的周 沿并使得所述膜电极组件两侧的空气被隔断。
10. 根据权利要求9所述的有机气体清除器，其中，所述固定装置(5) 为镶嵌在门、窗或墙壁上的框架。
11. 根据权利要求9所述的有机气体清除器，其特征在于，所述固定装 置(5)为具有开口 (6)的容器(7)，所述有机气体清除器的膜电极组件将 所述容器(7)的开口 (6)密封并使得所述容器(7)内部留有空间(11)。
12. 根据权利要求11所述的有机气体清除器，其特征在于，在所述容 器(7)的所述空间(11)内盛有水(8)，在容器(7)的所述空间(11)的 侧壁上设置有由盖(9)封闭的孔(10)。
13. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述有机气体清除器还包括加湿装置，用于向所述膜电极组件的至少一侧供应水蒸气。
14. 根据权利要求1所述的有机气体清除器，其中，所述有机气体清除 器还包括加热装置，用于提高所述膜电极组件的温度。
全文摘要
本发明提供了一种有机气体清除器，其中，所述有机气体清除器包括膜电极组件和导电元件，所述膜电极组件包括质子交换膜和分别设置在所述质子交换膜两侧的催化层，所述导电元件的两个触点分别与所述膜电极组件的两侧的外层电连接。按照本发明提供的有机气体清除器，当空气中存在有有机气体时，由于导电元件与膜电极组件实际上形成了电路回路，因而，整个有机气体清除器成为由质子交换膜燃料电池供电的电路回路，而该燃料电池的燃料正是空气中存在的有机气体。随着电化学反应的持续，空气中的有机气体不断地得以消耗。
文档编号B01D53/72GK101380542SQ200710146329
公开日2009年3月11日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者杨新胜, 王传福, 董俊卿 申请人:比亚迪股份有限公司