精密制造过程、仪器仪表内部及贵重物品储存对空气除湿有重大需求。这些场合的特点是小空间、高精度,而传统除湿技术因设备复杂、热惯性大等弊端在这些场合的应用受到极大限制。电解质膜除湿是一种很有前途的新型除湿技术,具有结构紧凑、简单有效、环境友好等特点,可实现精准、便携、节能的除湿。该技术通过低压直流电场驱动空气湿度转移,与其他除湿方式有本质区别。虽然与质子交换膜（PEM）电化学系统组成上类似,但在系统特性、操作条件、应用背景及耐久性等方面与PEM电化学系统如燃料电池等有显著差异,需要深入研究。但目前对这一除湿过程的研究还处于可行性探索阶段,系统的除湿及电化学特性尚不明确。对于其运行特性及传递过程的了解,特别是明显区别于其他PEM系统的V-I特性及耐久性的相关研究还十分有限,无法指导性能调控。鉴于此,本文的研究工作主要有以下几个方面:（1）搭建了一种带有气体流道的电解质膜除湿系统,验证了其对空气流除湿的可行性。实验表明,在3 V施加电压下,空气流的湿度可从90%RH降低到30%RH以下,系统的稳态除湿性能可达到2 g/（J·m²）、1.1 g/（s·V·m²）;系统的除湿速率随温度、流量、相对湿度等的升高而升高,系统电流密度随电压先升高后下降;探明了电解质膜除湿系统的除湿性能可受操作条件、PEM含水量、以及阴阳极扩散层性能的影响;而性能分析发现,系统PEM内水分子浓度梯度较大会导致其反向扩散传质量占总传质量的45⁵5%,这严重限制了除湿性能的提高。同时,系统总功率中仅有约30%左右用于有效除湿,其余约有35⁴5%用于反应活化能损耗、5¹0%用于阴阳极两侧水分子浓度差而导致的损耗等,这使得该系统的COP（≈0.33）较低。（2）通过对电解质膜除湿过程的V-I特性分析,发现当外加电压高于2.5 V时,该系统的电流密度及除湿效率等性能会出现随施加电压增加不升反降的问题。当施加电压从1.5 V增长到3.5 V时,EIS（电化学阻抗谱）测试表明,除湿组件的欧姆极化电阻可从1.69Ω增加到2.69Ω。分析表明,这意味着PEM的欧姆过电位增加了20倍以上、质子传导率下降了13³8倍。质子传导率的急剧下降是导致系统电流密度随电压升高不升反降的主要原因。进一步的,基于本系统V-I特性、物理化学性质、传递特性建立了快速性能预测模型,对电流密度、PEM质子传导率及除湿速率的计算偏差均在15%以内,可对各工况下的系统性能实现快速预测及在线调控。（3）电解质膜除湿系统超过250小时的耐久性测试表明,在4 V、3 V和2 V施加电压下,系统的电流密度分别下降了67%、39.5%和23%。原位和非原位EIS测试结果表明,在耐久性测试前后,除湿组件的内阻可增加3倍,反应极化电阻可增加2倍。XRD和XPS联合分析表明,除湿过程中阳极侧催化剂IrO₂（二氧化铱）发生了不可逆的溶蚀;IrO₂的溶蚀导致其接触电阻增大和活性衰减,这是系统电流、系统内阻和极化电阻随时间增大的原因。而在高施加电压或在高空气湿度下的除湿过程中,IrO₂更易形成具有挥发性的Ir（III）过渡态氧化物而溶蚀,这导致系统性能衰减更快。（4）对除湿组件关键材料进行改性以调控系统性能。本研究从提高催化剂的导电性、增加比表面积和改变催化剂的晶体结晶度出发,分别研制了ATO（氧化锡锑）-IrO₂、ND-MnO₂-IrO₂、锐钛矿型IrO₂（A-IrO₂）和金红石型IrO₂（R-IrO₂）等四种阳极催化剂材料,以提升系统除湿性能和耐久性。运行实验表明,与A-IrO₂和商业催化剂相比,ATO-IrO₂可使系统除湿性能除湿速率分别提高20%和45%。与A-IrO₂相比,ND-MnO₂-IrO₂的比表面积增加了40%,其除湿速率仅提高了2%⁵%。但是和商业催化剂相比,ND-MnO₂-IrO₂仍然可使系统性能提高20²5%。进一步地在4 V电压下50小时的耐久性实验中,使用ATO-IrO₂的系统的衰减率仅为3%,ND-MnO₂-IrO₂和A-IrO₂系统的衰减率分别为8%和10%。另外,虽然R-IrO₂具有更高IrO₂晶体结晶度,在其系统耐久性实验中性能未发生衰减,但其除湿速率却只有A-IrO₂的35%左右。综合来说,使用具有高电导性的ATO-IrO₂,可使系统的除湿性能和耐久性提升较大。（5）对电解质膜性能进行调控。制备了两种高吸水性PEM膜（N212/SiO₂和Nafion/SiO₂）。可分别使PEM的吸水性提高20⁶1%和40⁹2%。在空气湿度为45%RH的工况下,与Nafion212相比,N212/SiO₂和Nafion/SiO₂的可分别使系统性能提高17%和8%。