濕度控制裝置的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】濕度控制裝置
[0001 ] 領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及濕度控制裝置，它采用膜電極組件(MEA)，通過(guò)電解作用對(duì)封閉殼體進(jìn) 行濕度控制。這種封閉殼體可包括但不限于照明殼體例如汽車(chē)頭燈、汽車(chē)電子控制單元、緊 湊光伏陣列、攝像機(jī)如監(jiān)控?cái)z像頭、條形碼掃描儀、電池組、電源控制單元、儲(chǔ)液罐、充電站、 電信設(shè)備、變壓器單元、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。
[0003] 背景
[0004] 已知將使用膜電極組件(MEA)的濕度控制裝置用作減濕元件。構(gòu)造 MEA，從而將聚 合物電解質(zhì)膜(PEM)夾在兩電極（即陽(yáng)極和陰極)之間。當(dāng)對(duì)MEA施加電壓時(shí)，在陽(yáng)極側(cè)將水 分子電解成氫離子(H +)和氧離子(02_)，該陽(yáng)極側(cè)朝向封閉殼體的內(nèi)側(cè)。PEM用作氫離子交換 膜，并使氫離子朝向陰極側(cè)移動(dòng)，該陰極側(cè)可朝向周?chē)h(huán)境。在陰極側(cè)，氫離子與空氣中的 氧反應(yīng)來(lái)形成水分子。因此，通過(guò)從MEA的陽(yáng)極側(cè)使水分移動(dòng)進(jìn)入在陰極側(cè)的環(huán)境中來(lái)對(duì)封 閉殼體進(jìn)行減濕。
[0005] 與使用MEA作為減濕元件相關(guān)的挑戰(zhàn)之一是在對(duì)封閉殼體進(jìn)行減濕以后，在陰極 側(cè)(例如，在封閉殼體外側(cè))產(chǎn)生的水趨于透過(guò)PEM逆向擴(kuò)散進(jìn)入封閉殼體，這種現(xiàn)象稱(chēng)作逆 擴(kuò)散。需要再次從封閉殼體除去逆向擴(kuò)散進(jìn)入封閉殼體的水，這增加了操作MEA所需的電 流。結(jié)果，逆向擴(kuò)散降低了 MEA的總減濕效率。
[0006] 使用MEA的減濕裝置是市售的。一個(gè)示例是Rosahl系列減濕裝置(威斯特賽德國(guó)際 (Westside International)，英國(guó)牛津郡）。這些裝置通常使用Naf ion? 115(Ε· I ·杜邦內(nèi) 穆?tīng)柟荆éァ?I .DuPont de Nemours and Company),特拉華州威名頓市(Wilmington))作為 PEM13Nafioi^ 115是磺化四氟乙烯基含氟聚合物，其包括用結(jié)合到四氟乙烯主鏈上的磺化 基團(tuán)封端的全氟乙烯基醚基團(tuán)。然而，因?yàn)槟嫦驍U(kuò)散，使用N_a.f i o.n_? 115作為PEM的減濕元 件的總體減濕效率是有限的。更厚的膜材料可在一定程度上降低逆向擴(kuò)散。然而，使用更厚 的膜顯著增加減濕元件的材料成本。
[0007] 概述
[0008] -種實(shí)施方式涉及濕度控制裝置，其構(gòu)造用于控制封閉殼體的濕度。該濕度控制 裝置包括膜電極組件，該膜電極組件包括陽(yáng)極和陰極以及設(shè)置在陽(yáng)極和陰極之間的至少第 一質(zhì)子交換膜。該質(zhì)子交換膜包括聚合物材料，該聚合物材料包括樹(shù)脂，該樹(shù)脂包括具有 TFE聚合物鏈和至少一種共聚單體的官能TFE共聚物，該共聚單體具有側(cè)接到聚合物鏈上的 傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)，其中所述具有側(cè)接到聚合物鏈上的傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)的至少一種共聚 單體的含量是官能TFE共聚物的至少約0.01摩爾％，且不大于約7摩爾％。該裝置還包括分 別互連到陽(yáng)極和陰極并構(gòu)造成對(duì)膜電極組件施加電壓的第一和第二導(dǎo)電端子。
[0009] 在一種特征中，所述具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)的至少一種共聚單 體是全氟磺?；蚁┗?PSVE)。在另一種特征中，聚合物材料的當(dāng)量重量(EW)是至少約 1500,例如至少約2400。
[0010] 在另一種特征中，通過(guò)下述步驟來(lái)制造聚合物材料:將精細(xì)粉末樹(shù)脂擠出成帶狀 體，對(duì)帶狀體進(jìn)行壓延（calendaring)，以及將壓延的帶狀體熱處理到大于聚四氟乙稀 (PTFE)的晶體熔融溫度的溫度來(lái)形成非多孔帶狀體。在另一種特征中，通過(guò)下述步驟來(lái)制 造聚合物材料：將樹(shù)脂膨脹成微觀結(jié)構(gòu)表征為由原纖互連的節(jié)點(diǎn)的多孔官能四氟乙烯 (TFE)共聚物材料，且進(jìn)一步致密化該多孔材料，在大于PTFE的晶體熔融溫度的溫度下對(duì)該 材料進(jìn)行熱處理來(lái)形成非多孔結(jié)構(gòu)。
[0011] 可將濕度控制裝置構(gòu)造成沿封閉殼體的孔設(shè)置，從而對(duì)由該封閉殼體限定的封閉 的空間之內(nèi)的氣態(tài)封閉體積進(jìn)行減濕。在另一種特征中，DC電壓源可操作地連接到第一和 第二導(dǎo)電端子。又在另一種特征中，質(zhì)子交換膜的厚度不大于約200微米。又在另一種特征 中，所述具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)的至少一種共聚單體的含量不大于官能 TFE共聚物的約7摩爾％。在其它特征中，質(zhì)子交換膜的格瑞指數(shù)(Gurley number)是至少約 1000秒。
[0012] 在另一種實(shí)施方式中，提供一種設(shè)備，其包括限定封閉空間的封閉殼體以及可操 作地附連到該封閉殼體的濕度控制裝置。該濕度控制裝置包括陽(yáng)極和陰極以及設(shè)置在陽(yáng)極 和陰極之間的至少第一質(zhì)子交換膜。該質(zhì)子交換膜包括聚合物材料，該聚合物材料包括樹(shù) 月旨，該樹(shù)脂包括具有TFE的聚合物鏈和至少一種共聚單體的官能TFE共聚物，所述共聚單體 具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)，其中所述具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的官 能團(tuán)的至少一種共聚單體存在的含量是官能TFE共聚物的至少約0.01摩爾％，且不大于約7 摩爾％。第一和第二導(dǎo)電端子互連到陽(yáng)極和陰極，且將DC電壓源可操作地連接到第一和第 二導(dǎo)電端子。
[0013] 在其它特征中，將濕度控制裝置附連到封閉殼體，從而陽(yáng)極與封閉空間流體連通， 例如用于對(duì)封閉殼體進(jìn)行減濕。在另一種特征中，所述具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的 官能團(tuán)的至少一種共聚單體是PSVE。
[0014] 在另一種特征中，聚合物材料的當(dāng)量重量是至少約1500,例如至少約2400。又在另 一種特征中，質(zhì)子交換膜的厚度不大于約200微米。
[0015] 又在另一種特征中，所述具有側(cè)接到聚合物鏈的傳導(dǎo)質(zhì)子的官能團(tuán)的至少一種共 聚單體的含量可不大于官能TFE共聚物的約5摩爾％。在另一種特征中，質(zhì)子交換膜的格瑞 指數(shù)是至少約1000秒。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1顯示了濕度控制裝置的示意圖。
[0017] 圖2顯示了設(shè)備的示意圖，該設(shè)備包括可操作地附連到封閉殼體的減濕裝置，用于 對(duì)封閉空間進(jìn)行減濕。
[0018] 具體描述
[0019] 在封閉殼體之內(nèi)的較高相對(duì)濕度可影響密封在封閉殼體之內(nèi)的組件的工作特征 和/或可用的壽命。因此，這種封閉殼體可裝配濕度控制裝置(例如減濕裝置），其使用膜電 極組件(MEA)作為減濕元件。這種封閉殼體可包括例如含敏感組件的照明和電子封閉殼體， 該敏感元件可受到封閉殼體之內(nèi)不充分的濕度控制的影響。
[0020] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的濕度控制裝置104的橫截面示意圖。濕度 控制裝置104利用膜電極組件(MEA) 108作為濕度控制元件。MEA 108包括陽(yáng)極112和陰極 116,它們通過(guò)質(zhì)子交換膜(PEM) 120隔開(kāi)。濕度控制裝置104還包括導(dǎo)電端子124a和124b，其 可操作地連接到陽(yáng)極112和陰極116。將電壓源128(例如，DC電壓源)可操作地連接到導(dǎo)電端 子124a和124b，并構(gòu)造成對(duì)陽(yáng)極112和陰極116施加電壓。
[0021] 當(dāng)對(duì)陽(yáng)極112和陰極116施加電壓時(shí)，根據(jù)化學(xué)式1將鄰近陽(yáng)極112的水還原成質(zhì)子 和氧氣：
[0022] H2〇-2H++l/2〇2+2e- (1)
[0023]質(zhì)子(H+)選擇性地通過(guò)TOM 120傳輸?shù)疥帢O116,它們?cè)谀抢锔鶕?jù)化學(xué)式2與（例 如，在環(huán)境空氣中的)〇2反應(yīng)來(lái)形成水：
[0024] 2H++l/202+2e^H20 (2)
[0025] 因此，從裝置104的陽(yáng)極側(cè)除去水，并在裝置104的陰極側(cè)上形成水。結(jié)果，在陽(yáng)極 側(cè)的相對(duì)濕度降低(減濕），且在陰極側(cè)的相對(duì)濕度增加(即，加濕）。
[0026] 電極（即陽(yáng)極112和陰極116)可包括導(dǎo)電材料，例如顆粒碳和聚合物粘合劑。導(dǎo)電 材料常常包括分散在其上的催化材料，該催化材料選定來(lái)在電極處催化所需的反應(yīng)。例如， 陰極116可包括分散在顆粒碳上的鉑(Pt)催化劑，從而催化質(zhì)子(H +)的氧化來(lái)形成水。陽(yáng)極 112可包括用于水的還原的催化劑，例如Pt金屬和銥化合物(例如，氧化銥）的混合物?？捎?作電極的催化劑的其它金屬或金屬化合物是本技術(shù)領(lǐng)域所公知的?？墒褂帽炯夹g(shù)領(lǐng)域所公 知的方法來(lái)制備電極，例如如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,054,230(卡托(Kato))和美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,723,464 (田端(Tabata)等)所述的方法。
[0027] 在圖1中通過(guò)箭頭A來(lái)顯示在陰極116上形成的水穿過(guò)PEM 120和陽(yáng)極112進(jìn)行逆向 擴(kuò)散的現(xiàn)象。當(dāng)外部條件(例如，鄰近陰極116)是環(huán)境的且沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)流來(lái)將從陰極116移 動(dòng)除去水分時(shí)，可存在這種逆向擴(kuò)散。這種逆向擴(kuò)散因需要更多的能量在陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)化學(xué)式1 而降低了 MEA 108的總體效率。本發(fā)明的PEM材料優(yōu)選地利用官能四氟乙烯(TFE)共聚物，當(dāng) 與市售的PEM材料如Naf i on?l 15相比時(shí)，其改善裝置的總體效率(例如，減濕效率）。
[0028]在一種實(shí)施方式中，PEM 120包括官能TFE共聚物。官能TFE共聚物包括側(cè)接到聚合 物鏈的官能團(tuán)。官能TFE共聚物可通過(guò)使TFE與至少一種官能共聚單體(即，具有至少一種官 能團(tuán)的共聚單體)進(jìn)行共聚來(lái)形成。官能共聚單體可優(yōu)選地包括傳導(dǎo)質(zhì)子的基團(tuán)，例如膦酸 基團(tuán)和磺酸基團(tuán)。在一種【具體實(shí)施方式】中，官能共聚單體包括含氟乙烯基醚，例如全氟磺酰 基乙烯基醚(PSVE)。
[0029] 根據(jù)本文所述的實(shí)施方式，與常規(guī)的裝置相比，共聚單體可以較低的量存在于共 聚物中。在一種具體的特征中，共聚物中共聚單體的含量可為至少約0