針對狹小空間的電解質膜獨立除濕技術.pdf

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1、基于電解質膜的精密除濕技術基于電解質膜的精密除濕技術及及室內環境技術團隊研究簡介室內環境技術團隊研究簡介傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，化學與化工學院，華南理工大學建筑能耗建筑能耗20-40%用用于除濕于除濕潮濕引發潮濕引發超超1/4的設的設備故障備故障除濕的重要性除濕的重要性2研究背景：除濕在生產和生活中有重大需求 大灣區大灣區近一成近一成總能耗總能耗用于室內、工業生產用于室內、工業生產及物品儲存中的除濕；及物品儲存中的除濕；精密儀器設備、電池精密儀器設備、電池等電子產品生產車間等電子產品生產車間濕度要求極為嚴格；濕度要求極為嚴格；冰箱高濕度損害所儲冰箱高濕度損害所儲存的物品或引發細菌存

2、的物品或引發細菌滋生；藥品、疫苗低滋生；藥品、疫苗低溫儲存應避免高濕及溫儲存應避免高濕及凝水；凝水；催化劑（催化劑（IrO2,RuO2）H+水分子水分子電解水蒸氣電解水蒸氣,無需冷熱源，無需冷熱源，緊湊可靠、小巧靈敏，是狹小緊湊可靠、小巧靈敏，是狹小空間除濕的新方向空間除濕的新方向*運行電壓：運行電壓：3V*常規尺寸：常規尺寸：331cm3電解質膜除濕電解質膜除濕或或H2催化劑（催化劑（IrO2,RuO2）H+水分子水分子研究背景還適合于光伏等可再生能源還適合于光伏等可再生能源結合結合，實現無外加能源供應實現無外加能源供應的獨立除濕的獨立除濕，應用前景廣泛應用前景廣泛。太陽能溶液除濕及中空纖維

3、太陽能溶液除濕及中空纖維膜除濕也有豐富的研究基礎膜除濕也有豐富的研究基礎及經驗及經驗。2021/5/154研究背景基礎理論多層膜結構熱-質-電耦合傳遞理論模型除濕組件CFD模擬及不可逆傳遞分析除濕老化行為及在線性能預測建模微介觀 nm-m組件尺度mm系統尺度m電解質膜除濕理論建模與仿真建立了可考慮微介觀電化學反應微介觀電化學反應、多層膜多孔介質傳熱傳質多層膜多孔介質傳熱傳質及真真實膜電極三維結構實膜電極三維結構的電解質膜除濕理論仿真模型電解質膜除濕理論仿真模型，并針對工程應用開發了無需迭代的電化學快速預測模型電化學快速預測模型電解質膜除濕：組件電解質膜除濕：組件CFD模擬及不可逆傳遞分析模擬及

4、不可逆傳遞分析建立了建立了考慮真實空氣流道考慮真實空氣流道、集流層結集流層結構的除濕膜組件構的除濕膜組件CFD數值模型；數值模型；3-D非穩態有限元建模及數值求解；非穩態有限元建模及數值求解；闡明流動闡明流動、傳熱傳質傳熱傳質、活化極化及歐活化極化及歐姆熱等內部不可逆傳遞過程；姆熱等內部不可逆傳遞過程；分析了多種工況下的分析了多種工況下的穩態運行穩態運行及及動動態啟動態啟動特性；特性；明確了操作條件及結構設計的影響；明確了操作條件及結構設計的影響；不可逆損失集中在不可逆損失集中在陽極側陽極側，其中活其中活化局部熵產最劇烈化局部熵產最劇烈（催化層催化層），特特別是啟動階段；別是啟動階段；除濕膜電

5、極內的水分含量分布除濕膜電極內的水分含量分布除濕膜電極內的除濕膜電極內的溫度溫度分布分布6 電化學零維模型，實現在線預測電化學零維模型，實現在線預測基于極化曲線的半經驗模型建立電解除濕的老化模型，并采用非線性擬合及遺傳算法獲取模型參數；解耦傳遞過程與電化學互動規律，即解耦傳遞過程與電化學互動規律，即時預測除濕量及電流密度；并以除濕時預測除濕量及電流密度；并以除濕運行電流作為評價指標，實現老化趨運行電流作為評價指標，實現老化趨勢預測及壽命評估。勢預測及壽命評估。全工況預測精度與理論模型誤差在全工況預測精度與理論模型誤差在10%以內以內caTacohmln()-ln()RTRTURHRHUZFZF

6、=+GcmcaacGcm(ln()-ln()/()RTRTiURHRHZFZF=+2H OrereremovelaAaA,outaA,ine db dwmAA*()2MiAiACmmmmmnDeNeNx=+=+活化過電勢等不可逆傳遞除濕量計算電阻等模型參數3wCwA0.01042.1A0wC0.0w0590.767.2 1 (for 1,0t20%，耐久性提升耐久性提升58倍倍。指導雙極板設計及催化劑噴涂指導雙極板設計及催化劑噴涂，降低不可逆傳遞損失降低不可逆傳遞損失。夾具PEM2021/5/1514電解質膜除濕：裝置開發及性能調控電解質膜除濕：裝置開發及性能調控高吸水高吸水PEMPEM膜膜一

7、維復合載體催化劑一維復合載體催化劑太陽輻射強度對系統除濕速率的影響 光伏驅動電解質膜除濕光伏驅動電解質膜除濕削峰填谷，緩解電壓及組件溫度頻繁波動導致的不可恢復老化，使用壽命可提升30%；適于精密儀器、機房等間斷性除濕需求，節能效果達50%以上。穩壓前穩壓前穩壓后穩壓后穩壓后除濕量穩壓后除濕量電解質膜除濕：裝置開發及性能調控電解質膜除濕：裝置開發及性能調控16室內環境技術團隊室內環境技術團隊基于膜技術基于膜技術、界面技術界面技術、傳熱傳質學傳熱傳質學、室內環境技術等室內環境技術等的多學科交叉的多學科交叉，二十年來專注于膜式熱質傳遞研究二十年來專注于膜式熱質傳遞研究。發發表表SCI論文論文250多

8、篇多篇，獲授權國家發明專利獲授權國家發明專利20多項多項、國外國外專利專利3項項，并積極與國內外企業進行產學研結合并積極與國內外企業進行產學研結合。張立志張立志 教授教授（團隊負責人、國家（團隊負責人、國家杰青、教育部重點實杰青、教育部重點實驗室主任）驗室主任）綦戎輝綦戎輝教授教授蔡容容蔡容容副教授副教授董傳帥董傳帥副教授副教授成果一：膜式除濕機理及性能調控 瓶頸問題：瓶頸問題：膜內傳質能力弱，組件膜內傳質能力弱，組件(交換器交換器)效率低效率低現有模型現有模型不能不能揭示膜結構和物化性質的影響揭示膜結構和物化性質的影響 研究思路：研究思路：從介觀層面揭示了膜結構和親水性的影響機理從介觀層面揭

9、示了膜結構和親水性的影響機理明晰了膜組件參數影響規律，首次得出效率解析解明晰了膜組件參數影響規律，首次得出效率解析解復合膜內部斷面結構m尺度宏觀黑箱模型宏觀黑箱模型De=f(總,d平均,)膜組件（膜交換器）宏觀尺度精度提高精度提高成果二：膜式海水淡化機理及技術開發 研究思路：研究思路：瓶頸問題：瓶頸問題：現有傳熱傳質理論不適用于“軟物質”膜傳遞現有傳熱傳質理論不適用于“軟物質”膜傳遞。膜式海水淡化運行機理不清，余熱驅動效果不佳膜式海水淡化運行機理不清，余熱驅動效果不佳流道三維湍流(3D low Re k-)模型多尺度、多物理場的軟物質傳熱傳質理論建模多尺度、多物理場的軟物質傳熱傳質理論建模傳熱

10、傳質粗?；肿觿恿W模擬成果二：膜式海水淡化機理及技術開發開發了開發了柴油機柴油機余熱驅動海水淡化系統余熱驅動海水淡化系統并并實現了實現了示范運行示范運行額定工況下，余熱利用率余熱利用率71%，淡水產量淡水產量41L/h，尾氣PM顆粒凈化率顆粒凈化率達74.52%中空纖維膜組件抗有機污染膜檸檬酸根與Ca2+形成絡合物近海漁船示范運行成果三：室內環境材料及裝置研發調控理論依據，調控理論依據，發明高效透濕膜，使得傳質系發明高效透濕膜，使得傳質系數提高數提高倍倍復合支撐復合支撐液膜液膜開發了高強度、低厚度、管徑可調控開發了高強度、低厚度、管徑可調控的中空纖維膜，優化組件結構，推進實的中空纖維膜，優化

11、組件結構，推進實際應用際應用套管內冷型中空纖維膜快裝式中空纖維膜組件成品成果三：室內環境材料及裝置研發開發了親水開發了親水 超疏水雙極膜，提高耐久性超疏水雙極膜，提高耐久性倍以上倍以上開發了親疏水可逆轉換的吸附凝膠，開發了親疏水可逆轉換的吸附凝膠，實現微濕度利用實現微濕度利用基體二級超疏水膜表面成果三：室內環境材料及裝置研發圖1 室溫86%RH下的48h吸濕曲線圖2 35下加熱22h的解吸曲線圖3 PNIPAM-檸檬酸鈉-CaCl2凝膠吸濕后（左）和解吸后（右）圖片圖4 所制備的轉輪5.開發了低溫再生的轉輪用吸濕材料23綦戎輝（綦戎輝（13104861046）感謝感謝各位專家各位專家敬請敬請批評批評指正指正