本發明涉及等溫除濕富氧電化學裝置，具體涉及水電解裝置的結構和膜電極組成。
背景技術：
采用水電解裝置可獲得高純的氫氣、氧氣，其原理為膜兩側設有電極催化層，而得到電解質膜-電極結構體，其兩側與擴散層緊密接觸構成膜電極，膜電極兩側配設有流場板，起到導電體、氣液傳輸的作用。流場板兩端施加電壓，并且向陽極側供電體供給水后，在膜電極陽極側，水進行分解而生成氫離子和氧氣，氫離子透過質子交換膜到達陰極側，與電子結合生成氫氣。所有氣、液流均通過擴散層進入流場后，經流道導流下排出。
技術實現要素：
本發明目的在于提供一種具有較高的空氣中水電解效率、良好工作壽命的等溫除濕富氧裝置。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種等溫除濕富氧裝置，其包括具有膜電極的水電解池和供電部件，所述膜電極包括陽極、陰極、以及置于陽極和陰極之間的電解質膜，供電部件對陽極和陰極施加電壓使膜電極發生水電解反應,實現氧濃度、濕度調節，且無氫氣析出；
所述陽極催化劑為負載型催化劑和/或非負載型催化劑，其以Ir黑、IrO2中的一種或二種以上為活性成份；其中添加或不添加助劑Ru和Sn中的一種或二種以上，助劑為催化劑中活性成份摩爾含量的0-90％，較優為0.5-60％，更優為2-40％，最優為5-20％；
所述陰極催化劑為非負載型催化劑Pt黑和/或負載型Pt催化劑；
所述陽極和/或陰極中還添加有作為吸水劑SiO2、TiO2中的一種或二種以上，以增加催化層中的水含量，其添加量為0.001mg/cm2～1mg/cm2，較優為0.005mg/cm2～0.45mg/cm2，更優為0.01mg/cm2～0.4mg/cm2，最優為0.02mg/cm2～0.3mg/cm2。
所述隔膜為下述中的一種：Nafion膜、或以PTFE或聚砜為骨架的Nafion的質量含量1-90％的增強膜、或短側鏈全氟磺酸膜(如Asahi KASEI的SF-720X)、聚醚醚酮PEEK膜、聚醚砜PES膜、聚苯乙烯PS膜、聚酰亞胺PI膜、聚酰胺-酰亞胺PAI膜、聚醚亞胺PEI膜、或聚苯乙烯磺酸PSSA膜。
陽極負載型催化劑和陰極負載型Pt催化劑中載體選自：活性炭、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2以及沸石中的一種或二種以上，負載型催化劑中載體質量含量為10-80％，較優為50-80％，更優為65-80％，最優為70-80％。
所述陽極中陽極催化劑的擔載量0.01mg/cm2～20mg/cm2，優選4-6mg/cm2；陽極的其余組成物質為質子導體，陽極催化劑與質子導體質量比5：1-1：10，優選3：1-1：2；
所述陰極中陰極催化劑的擔載量0.01mg/cm2～10mg/cm2，優選4-6mg/cm2；陰極的其余組成物質為質子導體，陰極催化劑與質子導體質量比5：1-1：5，優選3：1-1：1；
質子導體為Nafion、聚醚醚酮peek、聚醚砜peS、聚苯乙烯ps、聚酰亞胺pi、聚酰胺-酰亞胺pai、聚醚亞胺PEi或聚苯乙烯磺酸pssa中的一種或二種以上。
于膜電極的陽極遠離電解質膜一側設置耐氧化、具有吸濕功能的陽極擴散層，陽極擴散層中以耐氧化、具吸濕作用的金屬氧化物SnO2、TiO2、SiO2中的一種或二種以上，其擔載量0.01mg/cm2～10mg/cm2，較優為0.5mg/cm2～8mg/cm2，更優為1mg/cm2～5mg/cm2，最優為2mg/cm2～3mg/cm2；其余組成物質為基材，基材為泡沫鎳、燒結鈦、活性碳、碳紙、石墨、碳氈中的一種或二種以上，優選泡沫鎳、燒結鈦中的一種或二種以上。
于膜電極的陰極遠離電解質膜一側設置具有憎水功能陰極擴散層；其物質組成為Nafion和PTFE，擔載量0.01mg/cm2～10mg/cm2，其中PTFE為Nafion質量的1-60％，較優為5-50％，更優為15-40％，最優為20-30％。
所述供電部件以使氫的發生電位達到-0.2～-0.7Vvs.RHE的方式控制膜電極發生水電解反應，實現陰陽極氧氣與濕度調節，無氫氣析出。
陽極催化劑粒徑0.1-20nm，優選2-6nm；比表面積為10～100m2/g；
所述陰極催化劑粒徑0.1-20nm，優選2-6nm；比表面積為10-200m2/g。一種等溫(不通過溫度變化，而通過電化學反應，不降低環境溫度)除濕富氧裝置，具有所述水電解裝置，具有通過電解質膜將陽極側和陰極側隔離的電解池，陽極以吸濕方式將空氣中的水汽富集，通過電化學方法，水在電與陽極電催化劑作用下解離出氧和質子，質子與另一側空氣中的氧再反應為水，在電解質隔膜兩側實現水與氧氣的分別富集，整個反應不依賴溫度變化，無氫氣析出，安全性好。
所述除濕富氧裝置用于房間空氣除濕、富氧，或冰箱除濕。
帶有吸濕膜的膜電極，該電化學裝置具有除濕/富氧、加濕/脫氧功能。本發明具有如下優點：
1.等溫除濕/富氧裝置:以吸濕方式將空氣中的水汽富集，通過電化學方法(水在電與電催化劑(Ir基，Ir-Ru,Ir-Sn,)作用下解離出氧和質子，質子與另一側空氣中的氧再反應為水)，在電解質隔膜兩側實現水與氧氣的分別富集，整個反應無氫氣析出，且不依賴溫度變化；用途：(1).房間空氣除濕、富氧，(2).冰箱除濕。
2.吸濕催化層：以SiO2，TiO2等保水劑增加催化層中的水含量
3.無碳陰極抗氧化催化劑：采用無碳催化劑載體(TiO2)，提高在氫氧反應中催化劑的抗氧化能力。
具體實施方式
實施例1
膜電極采用如下過程制備獲得：
以異丙醇(也可為乙醇、乙二醇或丙三醇)為溶劑配制10wt％(可為1-10wt％)的Nafion溶液；
將Pt黑(粒徑在此為2nm，可為0.1nm～20nm)和Ir黑(粒徑在此為1nm，可為0.1nm～20nm)分別加入到上述溶液中超聲分散1小時，再分別加入TiO2(TiO2與Pt黑和Ir黑質量比分別為1：4)，分別形成催化劑與Nafion質量比為1∶10的陰、陽極催化層前驅體漿料；
將上述催化層前驅體漿料分別噴涂到Nafion膜的兩側，溶劑揮發完畢后得到催化劑覆膜電極；TiO2擔量分別為0.1mgcm-2，Pt和Ir的擔量分別為0.4mgcm-2；
以乙醇(也可為乙二醇、異丙醇或丙三醇)為溶劑配制10wt％的Nafion(含量可為1wt％～10wt％)和5wt％的PTFE溶液，形成均勻陰極微孔層前驅體漿料；
將上述陰極微孔層前驅體漿料采用刮涂的方法制備到陰極擴散層上，于110℃(可為110℃-190℃)的氮氣中熱處理10min(可為1-10min)，冷卻后得到陰極氣體擴散層；
將SnO2和Nafion以質量比為1∶10置于以乙醇為溶劑配制5wt％的Nafion溶液(含量可為1wt％～10wt％)中，超聲分散0.5小時，形成均勻陽極微孔層前驅體漿料；
將上述陽極微孔層前驅體漿料采用浸漬的方法浸到燒結鈦基材孔道內，于190℃(可為110℃-190℃)的氮氣中焙燒1min(可為1-10min)，冷卻后得到陽極氣體擴散層，然后將其與上述陽極催化層140℃(可為130℃-160℃)熱壓2min(可為1-5min)，SnO2擔載量0.2mg/cm2，SnO2靠近陽極催化層側；即得到膜電極。
將該膜電極組裝成電解池，運行條件如下：
電解池通過面積10cm2電解質膜將陽極側和陰極側隔離成二個分別為500cm3的密閉腔室，二個腔室中為相對濕度80％的空氣，于陽極和陰極上施加以使氫的發生電位達到-0.5Vvs.RHE的方式控制膜電極發生水電解反應，陽極以吸濕方式將空氣中的水汽富集，通過電化學方法，水在電與陽極電催化劑作用下解離出氧和質子，質子與另一側空氣中的氧再反應為水，在電解質隔膜兩側實現水與氧氣的分別富集，整個反應不依賴溫度變化。60分鐘后陰極側腔室中氧體積濃度為18％，陽極側腔室中氧體積濃度為24％。
實施例2
與實施例1不同之處在于：
下表中其余條件同上述例1所述，不同之處在于：陽極和陰極上使氫的發生電位達到Vvs.RHE：-0.4,陽極催化劑粒徑4nm，陰極催化劑粒徑3nm；Nafion膜，陰極催化劑和陽極催化劑的擔載量分別為5mg/cm2，陽極擴散層為燒結鈦；陰極擴散層物質組成為Nafion和PTFE，擔載量0.2mg/cm2，其中PTFE為Nafion質量的30％。
表1：實施例2中不同條件下的除濕富氧性能
由上表可以看出：無氫氣析出，兩腔的氧濃度隨吸水劑擔載量增加反應后差距越大，但超過0.5mg/cm2后效果變差；
在陽極添加助劑、在陽極和/或陰極中添加吸水劑時增氧、除濕效果較好，
且當助劑為催化劑中活性成份摩爾含量為5-20％、吸水劑0.02mg/cm2～0.3mg/cm2時效果最佳；
實施例3
下表中其余條件同上述例1所述，不同之處在于：陽極和陰極上使氫的發生電位達到Vvs.RHE：-0.4,含活性成份摩爾含量15％Ru的Ir黑陽極催化劑粒徑4nm，Pt黑陰極催化劑粒徑3nm；Nafion膜，陰極催化劑和陽極催化劑的擔載量分別為5mg/cm2，陰極和陽極催化劑層吸水劑擔載量分別為TiO20.1mg/cm2；
表2：實施例3中不同條件下的除濕富氧性能
由上表可以看出：在陽極擴散層基材燒結鈦、泡沫鎳時增氧、除濕效果較好，且當吸濕作用的、陰極擴散層中PTFE為Nafion質量15-40％或20-30％時效果最佳；
由于在陰極催化劑層和陽極催化劑層中加入了吸水劑、在陽極擴散層中加入量具吸濕作用的金屬氧化物，膜電極的導電性降低，為增加其反應速度，可加大電解電壓，但為了提高能量的轉化效率，控制氫的發生電位達到-0.2～-0.7Vvs.RHE，較優-0.3～-0.4Vvs.RHE，通常可選擇上述發明內容部分的較優值、更優值或最優值與之匹配；
同時，陰極催化劑和陽極催化劑分別可采用負載型催化劑，載體選自：活性炭、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2以及沸石中的一種或二種以上，負載型催化劑中載體質量含量為10-80％，較優為50-80％，更優為65-80％，最優為70-80％。其可增加反應的活性位點，增加反應速率，但在一定時間后，應用效果與上述二個表格中數值相當。