电解质膜除湿：热-质-电耦合传递机理及性能调控研究

Accurate humidity control is significant for the electronic operation and heritage protection. Traditional dehumidification methods have several restrictions such as serious condensation, large thermal inertia and complex equipment, etc. Electrolytic dehumidification with polymer electrolyte membrane (PEM) is an innovative, independent humidity control technology, consisting of a five-layer electrolyte and two air channels on both sides and powered by low-voltage electricity. This method has many advantages such as compact, accurate and suitable for miniaturization, etc. Currently, the system performance was unstable, with an obvious attenuation. To solve this bottleneck problem, it is necessary to improve the anode-side catalyst layer, which is a key factor influencing the electrolytic dehumidification performance. But previous research was limited. Therefore, in this project, the coupling mechanism between the dynamic microstructure change inside the anode-side catalyst layer and the heat&mass&proton coupling transfer through the whole element (including 5~6 scales) was investigated, considering the unsteady flow, mass transfer and chemical reactions, to describe this multi-physics process accurately. Then, the interaction between the material characteristics, module structure and system operation will be discussed, to develop novel catalyst materials and optimize the system composition, for enhancing the performance predication and dehumidification efficiency. This research will provide a theoretical basis for the use this new method in the high-precision dehumidification in small space.

小空间、高精度控湿是精密仪器运行、文物保存等的关键，而常规技术存在凝水、热惰性大、设备复杂等问题。电解质膜除湿是一种新型电化学主动除湿方式，具有控湿区间宽、准确快速、适于小型化等优点。而目前系统运行中性能存在明显衰减。导致这一问题的关键在于阳极催化层内非稳态、不均匀的热质传递引发的微观结构变化，而现有研究尚无解决方案。因此，本项目将基于理论及实验研究，阐明除湿过程中催化层微观结构动态变化与其孔隙尺度传热传质的耦合作用，及包含催化层传输特性在内的除湿组件多层结构内整场非稳态热-质-电耦合传递机理，从而准确描述这一包含流动、传热传质及电化学反应的多尺度多物理场过程，并探讨宏观传递性能与材料物化特性、组件结构及运行形式的互动规律。基于这一研究，指明除湿性能调控原理，指导新型催化材料制备，优化系统运行，从而探明实现高效、可控电解质膜除湿的有效途径，为这一除湿方式的应用奠定理论基础。

精密仪器/设备内部、贵重物品储存、关键机械部件保护等特殊狭小空间中有着迫切的除湿需求，对提升仪器可靠性及使用寿命意义重大。常规技术存在凝水、热惰性大、设备复杂等问题。电解质膜除湿是一种低压电驱动的电化学主动除湿方式，具有控湿区间宽、准确快速、适于小型化等优点，还适于与光伏等可再生能源结合。除湿膜电极阳极催化层内微观结构与非稳态、不均匀热质传递的相互作用机制是影响除湿性能的关键。本项目基于理论及实验研究，针对除湿过程中催化层微观结构动态变化与其孔隙尺度传热传质的耦合作用，考虑催化层伴随电化学反应的传输特性，构建了包含“分子-界面-孔隙-多层膜”等多尺度的非稳态热-质-电耦合传递模型（依次包括反应界面分子动力学、催化层孔隙尺度传热传质及多层膜电极热质传递模型等），阐明了催化层材料及结构等微观特征与膜传递过程的相互作用机制，以及对除湿组件整场动态运行性能的影响，模型预测总误差小于10%，显著优于前人黑箱、静态模型。在此基础上，明确了除湿膜组件性能调控原理，开发了高吸水性质子交换膜、一维同轴电解催化剂等关键材料，优化组件设计及装配流程，实现了提升电解质膜除湿系统能效20~45%、长期稳定运行使用寿命3~6倍的效果，部分成果已实现工程应用，有效地推动了实用化进程。项目执行期间，项目负责人获批2021年国家自然科学基金优秀青年基金，以第一/通讯作者发表SCI论文27篇（其中第一标注15篇、第二标注11篇，第三标注1篇），均刊发于本领域知名期刊如Int J Heat Mass Trans（6篇）, Appl Energy, Int J Hydrogen Energ, Nano Energy等上；发表中文期刊5篇（均为第一标注，其中EI论文4篇）；申请发明专利2项（实质审查）、授权美国发明专利2项；并应邀做国内外学术会议特邀报告9次。人才培养方面，培养博士后1人及博士毕业生2人、硕士毕业生5人；培养在读博士生2人、在读硕士生3人等。此外，还担任国际SCI期刊International Journal of Green Energy 编委及Polymers 特邀编辑等，2017-2022年任中国工程热物理学会传热传质分会、工程热力学与能源利用分会首届青年委员会委员等。