CN102844097A - 用于基于膜的工艺的膜堆叠物以及用于生产由此的膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及膜堆叠物和用于基于膜的工艺的装置以及因此的方法。膜堆叠物包括：形成隔室的许多膜(78)；以及流体供应和排出装置(80)，其用于将流体供应和排出隔室，使得流体基本上在膜堆叠物的膜的平面上被供应和排出。优选地，流体供应和排出装置设置在膜堆叠物的相对侧上。此外，本发明涉及形成膜(78)的方法。

Description

用于基于膜的工艺的膜堆叠物以及用于生产由此的膜的方法
本发明涉及用于基于膜的工艺的膜堆叠物。基于膜的工艺包括电渗析(ED)、反向电渗析(RED)和其他膜工艺，例如燃料电池，包括生物燃料电池和微生物燃料电池以及氧化还原液流电池。
已知的基于膜的工艺比如电渗析和反向电渗析使用包括交替地放置的许多阳离子和阴离子交换膜的膜堆叠物。在电渗析工艺的情形中，在膜堆叠物的不同侧上的阳极和阴极之间施加电压。正离子倾向于朝向阴极运动，且负离子倾向于向阳极运动，使得结果是交替的浓电解质溶液和稀电解质溶液。在反向电渗析工艺中，上述工艺被颠倒以便产生电能。用于进行这样的电渗析工艺的装置描述在NL 1031148中。在基于膜的工艺比如ED和RED中，电解质溶液流过膜堆叠物的相邻的膜之间形成的电解质隔室。在现有的膜堆叠物中，该流动经历高的水力阻力连同大的无效区域，这是由于膜堆叠物中不有助于工艺效率的隔离物、湍流促进器和/或导向装置等的存在。
本发明的目的是提供用于基于膜的工艺的膜堆叠物，其中这些工艺可以更有效地被操作。
该目的利用在基于膜的工艺中使用的根据本发明的膜堆叠物来实现，该膜堆叠物包括：
-许多膜，其形成隔室；和
-流体供应和排出装置，其用于将流体供应和排出隔室，使得流体基本上在膜堆叠物的膜的平面上被供应和排出。
应理解，本文采用的短语或术语是为了描述的目的而不是限制的目的。因此，表述“膜”意图界定和覆盖阳离子交换膜(CEM)、阴离子交换膜(AEM)和多孔基材。
根据本发明的膜堆叠物可以用于进行电渗析工艺。这样的工艺可以用于从盐水或微咸水生产饮用水以及其他目的。在该工艺中，膜的堆叠物放置在阳极和阴极之间。如果具有盐水或微咸水的供应流被泵送通过在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间形成的隔室，那么只要不在阳极和阴极之间施加电压，就不会发生离子在隔室之间的受控位移。然而，如果在阳极和阴极之间施加电压，那么正离子倾向于朝向阴极运动，而负离子将倾向于朝向阳极运动。然而，原则上，负离子不能穿过阳离子交换膜(CEM)，且正离子不能穿过阴离子交换膜(AEM)。技术人员应理解，负离子和正离子分别穿过CEM或AEM实际上是通过使用选择性膜材料来阻止的。使用商购膜，100％选择性几乎是不可能的。由此的结果是最初相同的供应流变成交替的浓电解质溶液和稀电解质溶液。
如已经提及的，上述电渗析工艺可以被颠倒以便产生电能。同样地，在这样的工艺中，可以使用根据本发明的膜堆叠物。在反向电渗析或“蓝色能量(Blue Energy)”中，膜的堆叠物也被放置在阳极和阴极之间。然而，在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间形成的隔室现在被交替的浓电解质溶液和稀电解质溶液例如盐水和淡水填充或装载。阴离子交换膜和阳离子交换膜的单元被称为渗析电池，阴离子交换膜和阳离子交换膜中的一个隔开浓电解质溶液和稀电解质溶液，而另一个阻挡另一侧上的其中一种电解质溶液。
由于浓电解质溶液和稀电解质溶液之间的浓度差，离子将倾向于从高浓度向低浓度运动以使浓度相等。然而，原则上，阴离子不能穿过阳离子交换膜且仅允许穿过阴离子交换膜。原则上，阳离子仅可以穿过阳离子交换膜。如前所述的，技术人员应理解，阴离子和阳离子分别穿过CEM或AEM实际上是通过使用选择性膜材料来阻止的。使用商购膜，100％选择性几乎是不可能的。
由于这限制了阳离子和阴离子的自由运动，所以阳离子和阴离子的净传输将以相反方向发生。以相反方向的该离子传输的先决条件是维持溶液的电中性。这在渗析电池中发生，这是因为，在阳离子进入或离开的瞬间，阴离子离开或进入。然而，在放置电极的外部部件或隔室中，这是不可能的。在这些电极隔室中，通过氧化和还原反应维持电中性，例如，水的氧化离解在阳极发生，且还原离解在阴极发生。此时形成酸或碱。还可能的是，电解质例如Cl-参与氧化或还原反应。通过电连接阳极和阴极，电子可以从阳极行进到阴极，由此产生电流。
作为一个实例，在阳极隔室和阴极隔室中发生的反应可以如下表示：
阳极反应：
(1)H2O-＞1/2O2+2H++2e-(-1.23V)
(2)2Cl-1-＞Cl2(g)+2e-(-1.36V)
阴极反应：
(3)2H2O+2e--＞H2(g)+2OH-(-0.83V)
应理解，取决于氧化还原对和/或根据本发明使用的电解质溶液，将包括其他阳极和阴极反应。
流体供应和排出装置将液体或气体形式的流体供应至膜堆叠物和将液体或气体形式的流体从膜堆叠物排出。电解质溶液涉及包括液体和气体两者的流体。例如，对于RED-工艺，流体包括两种电解质溶液。在供应两种流体的情况下，这可以包括两种液体、两种气体、或一种气体和一种液体。
不详细讨论阴极隔室和阳极隔室，因为这些隔室的配置对于技术人员来说是已知的。
当根据本发明的膜堆叠物用于燃料电池中时，堆叠物的配置可以包括仅一种类型的膜，比如CEM、AEM或双极性膜，或形成隔室的多孔基材材料。
在包括电渗析(ED)和反向电渗析(RED)的利用根据本发明的膜堆叠物的其他应用中，使用交替地放置的阳离子交换膜和阴离子交换膜、或阳离子交换膜和多孔的基材材料，由此形成电解质隔室。在优选的实施方式中，阳离子和阴离子交换膜被提供用于例如RED工艺。在可选择的实施方式中，阴离子交换膜由多孔基材代替，例如由聚烯烃制成的非编织物。
提供供应和排出装置使得流体(比如电解质溶液)从膜堆叠物的侧部被提供，使膜堆叠物上的总流动阻力和/或内部泄漏最少。优选地，从膜堆叠物的侧部提供流体涉及基本上在到此的膜的平面中提供流体。这最小化了流动阻力，因为使弯曲的数量最少。此外，可以更有效地使用膜表面。这均改进基于膜的工艺的性能，比如电渗析和反向电渗析工艺。根据本发明，流体从膜堆叠物的侧部被供应和排出。在一个实施方式，在这样的侧部上，室(chamber)、空位(room)或空间(space)被设置用于分配膜堆叠物的膜上的流体。该室、空位或空间是流体供应和排出装置的一部分，且设置有用于将流体供应至室、空位或空间或将流体从室、空位或空间排出的开口。该供应或排出开口可以不同方向定位，这取决于例如可用于工艺操作的空间。例如，该开口可以向着膜的堆叠物或在另一个配置中与膜的堆叠物平行或与其中的通道垂直。应理解，用于这些供应和排出装置的许多配置是可能的。
在常规的膜堆叠物中，流体比如电解质溶液通过歧管从膜堆叠物的顶侧或底侧提供。这要求在膜中设置孔用于供应溶液。为了能够在膜的平面上沿着(电解质)隔室中的膜流动，歧管将流提供至所谓的头部，用于在膜上分配流。在这些常规配置中，流在进入(电解质)隔室之前沿着相对曲折的路径而行。
通过提供根据本发明的供应和排出装置，不需要通道和/或分配通道，例如所谓的头部。这导致膜的表面与根据本发明的膜堆叠物一起被有效地和高效地使用。
根据本发明的膜堆叠物的另外的优点是减少流体比如电解质溶液的泄漏。该减少通过从膜堆叠物的侧部提供流体使得不需要单独的分布通道或分布系统例如所谓的头部来实现。
此外，作为另外的优点，通过在膜堆叠物的侧部上设置供应和排出装置来显著地减少膜的堆叠物的结垢。当用最少数量的弯曲和转变来更有效地引导或传送流体的流动时，实现该减少。这减少了对清洁操作的需要，由此改进基于膜的工艺的总效率。另外的优点是减少(电)泄漏，包括(离子)短路电流，这是因为改进在供应和排出装置和(电解质)隔室之间的转变处的阻力。
优选地，用于提供一种类型的流体比如电解质溶液的流体供应和排出装置设置在膜堆叠物的相对侧上。这实现了该流体比如电解质溶液从膜堆叠物的一侧上进入至膜堆叠物的另一相对侧上离开的相对直的向前流动。膜堆叠物的第一侧上的供应和排出装置将流体提供至在优选地膜的全部堆叠物的所有相关联的隔室上的膜的一侧。在流体流已经穿过膜的堆叠物之后，其在供应和排出装置的离开侧上的膜的堆叠物的相对侧上离开膜的堆叠物。这实现了膜堆叠物的有效配置，使得可以有效地进行基于膜的工艺比如ED和RED。
在根据本发明的优选的实施方式中，第二流体供应和排出装置设置在膜堆叠物的不同侧上，以从膜堆叠物的不同侧将第二流体提供至室或隔室。实际上，这提供了第二流体比如电解质溶液，且流动方向基本上垂直于第一流体的流动方向。这样的逆流配置是有效的和高效的。
例如在使用第一流体供应和排出装置和第二流体供应和排出装置的RED工艺中，隔室在交替地放置在膜的堆叠物中的阴离子交换膜或基材材料和阳离子交换膜之间形成。相邻的隔室装载有浓电解质溶液和稀电解质溶液，例如，诸如盐水和淡水。由于在低渗透电解质溶液和高渗透电解质溶液之间的这些浓度差，离子将倾向于从高渗透溶液运动至低渗透溶液以使其浓度均匀。该运动通过膜来调节，原因是阴离子仅穿过阴离子交换膜，而阳离子仅穿过阳离子交换膜。通过阳离子和阴离子以相反方向的净传输，进行基于膜的工艺。优选地，在根据本发明的膜堆叠物中，流体流过隔室的方向配置成使得相邻的隔室中的流具有基本上定向成与相邻的隔室中的流动方向相比的垂直方向的流动方向。实际上，这实现了根据本发明的膜堆叠物的逆流配置。这实现了这样的配置，其中第一供应和排出装置设置在膜的堆叠物的相对侧上并与堆叠物的另一侧上的第二供应和排出装置组合。这实现了相应的流在膜的堆叠物上的有效分配，且最小化流动阻力。这改进了基于膜的工艺的总效率。
在根据本发明的优选的实施方式中，流体供应和排出装置包括用于分配膜上的流体的分配室。
通过提供具有分配室的供应和排出装置，不需要在膜本身中/上的分布通道。这避免使用膜的所谓的头部。这通过增加可以用于工艺的堆叠物的面积来改进膜的效应。此外，流体比如电解质溶液的分配通过在供应和排出装置中设置分配室来改进。流体在膜之间的不同隔室上均匀地分配。此外，由流在隔室上的分配造成的阻力被最小化。提供通道可以包括使用所谓的隔离物。
在根据本发明的优选的实施方式中，膜中的至少一些包括允许流体流动的通道。
通过提供具有构成用于流体比如电解质溶液的流动的适当通道的轮廓的膜，实现了紧凑的膜堆叠物。这减小了膜堆叠物的总尺寸，或对于相似尺寸的膜堆叠物，增加了膜堆叠物的性能。此外，提供带轮廓的膜使得在膜之间使用所谓的隔离物成为不必要。这实现了膜堆叠物的更紧凑配置。此外，这有助于减少水力阻力和/或结垢。并且，可以通过省去隔离物来实现成本节约。
优选地，通道设置有在0.1-50mm和更优选地1-10mm的范围内的宽度。通道优选地设置有在10-2000μm和更优选地50-200μm的范围内的深度。实验和/或计算指示上述尺寸导致在使用根据本发明的膜堆叠物的基于膜的工艺的流动行为和总性能之间的权衡的最佳配置。
在根据本发明的优选的实施方式中，膜设置有不带轮廓的区域(unprofiled area)以减少(离子)短路电流以及其他，优选地在1-100mm的范围内。
通过提供一部分的表面没有轮廓，即，没有通道的膜，减少(离子)短路电流。然而，选择这种不带轮廓的区域太大会减小膜的有效表面积。实验已经表明，不带轮廓的区域通常在5-100mm的范围内。例如，当海水用作具有约30g/l NaCl的流体且不带轮廓的区域是约10mm，且膜的其他部分中的通道具有0.2mm的深度和1mm的宽度时，每通道的横向阻力是约12500Ω。垂直于通道的阻力是约50Ωmm2。
在根据本发明的优选的实施方式中，堆叠物中的相邻的膜以基本上垂直的方式被定位，形成隔室和/或通道。
例如，在RED-工艺中，膜堆叠物通过将膜放在彼此之上来制造。阴离子交换膜位于每一个阳离子交换膜上，第二阳离子交换膜放在阴离子交换膜上。优选地，不同膜的通道的方向垂直于相邻的膜的通道。提供用于将电解质溶液供应至通道的孔可以被省略，因为供应和排出装置设置在堆叠物的侧部。
此外，在根据本发明的优选的实施方式中，通道被设置在于膜的基部层上设置的顶部层中。
膜包括在基部层上的顶部层，其中至少基部层具有合适的膜性质。例如，顶部层可以由非传导材料比如聚乙烯或聚丙烯、非选择性离子传导材料比如多孔的(可透气的)聚乙烯、或包括热塑性材料例如聚乙烯的层、和离子交换材料或树脂颗粒制成。相比于常规的膜堆叠物，膜堆叠物的相对直的向前设计是更坚固的，对结垢较不敏感的和更易于清洁的(CIP)。
根据本发明的膜堆叠物把以下作为另外的优点，即膜可以根据所谓的(压花)卷对卷原理在单个制造线上以高效的和成本节省的方式来生产。
优选地，膜通过进行挤压工艺，任选地进行所述压花工艺来生产以便在同一制造线中产生通道。
可选择地，顶部层通过将聚合物溶液、弹性体例如硅酮、和/或热塑性材料例如聚乙烯或聚丙烯的涂料放在基部层上来提供。涂料可以使用挤压、圆网辊筒印花、丝网印刷、凹版印刷、狭缝式涂覆等来放在基部层上。应理解，所使用的方法取决于涂料材料以及其他。例如，流动通道的所需轮廓可以使用模切或吻切(kiss-cutting)来实现。通过所谓的(旋转的)吻切，仅该顶部层被切割或修剪以产生具有适当尺寸的所需通道。根据本发明的膜堆叠物使得能够使用被有效地和高效地制造的膜。
在根据本发明的优选的实施方式中，膜堆叠物包括长度和宽度，且长度大于宽度。
通过提供相比于用于其他流体或电解质溶液的长度，在宽度方向上具有较小尺寸的用于高渗透溶液例如盐水的供应和排出装置，流体在通道中的(横向)电阻增加，且供应部件和现有供应和排出装置部件的阻力减小。这降低了所谓的(离子)短路电流的效应。短路电流或离子短路电流由在隔室之间运动且没有穿过膜的离子引起。例如，在离子在隔室之间传递的情况下，这可以在供应和排出装置中发生。
在根据本发明的另外优选的实施方式中，膜堆叠物的侧部处的流体供应和排出装置之间的距离在0.1-50mm，优选地0.1-5mm的范围内。
提供在供应和排出装置与膜堆叠物之间的最小距离减少来自供应至(电解质)隔室的流体的泄漏或短路电流。在供应和排出装置与膜堆叠物之间的实际距离取决于溶液的传导和流量。优选地，该距离由密封装置确定或实现。这些密封装置防止溶液离开膜堆叠物。可选择地，该距离由供应和排出装置中的分配室的深度来确定。
在根据本发明的另外优选的实施方式中，在膜的流体进入侧部和/或离开侧部上设置另外的边缘。
该另外的边缘的优点是抵抗(离子)短路电流。该边缘的另外的优点是当从使用例如(旋转)模切(吻切)或切割标绘器在顶部层或层压层中设置的通道除去材料时，该边缘有助于制造根据本发明的带轮廓的膜，导致所需的膜轮廓。
优选地，流体供应和排出装置设置有一个或多个保护屏障。保护屏障可以包括流动屏障，例如密封件。该保护或离子电流屏障还减小(离子)短路电流的影响。
在根据本发明的另外优选的实施方式中，多孔基材包括例如(纳米-微米)多孔箔或片，且箔或片能够传输离子。
提供纳米-微米多孔箔或片导致相对便宜的和可容易得到的用于膜堆叠物的多孔基材。常规的阴离子交换膜由相对昂贵的材料制成。优选地，该(纳米-微米)多孔箔包括非编织物材料，例如由聚烯烃制成的非编织物。因为相比于阳离子比如Na+，阴离子比如Cl-示出更高的迁移率，所以在(纳米-微米)多孔箔基材/膜处的两种溶液之间的界面处建立所谓的液体接界电势，还称为扩散电势。
本发明还涉及装置和使用装置来进行基于膜的工艺的方法。根据本发明的装置包括：
-至少一个阳极隔室，其设置有阳极；
-与至少一个阳极隔室隔开的至少一个阴极隔室，其设置有阴极；和
-如上所述的膜堆叠物。
该装置和方法各自提供了与如参考膜堆叠物所述的那些相同的效应和优点。
此外，本发明还涉及用于提供在如上所述的堆叠物中使用的均相膜或异相膜的方法，其中具有通道的顶部层设置在膜的基部层上，该方法包括以下步骤：
-提供具有顶部层的基部层；和
-冲孔或模切(吻切)顶部层，使得通道被提供用于允许流体流动。
使用包括以上步骤的许多可选择的工艺来提供根据本发明的膜是可能的。这些工艺包括(i)平挤薄膜挤塑和任选地包括串联压花(in-lineembossing)，(ii)平挤薄膜挤塑，其包括挤压，使得直接产生膜的所需轮廓，和(iii)挤压涂覆，其中热塑性涂层设置在基材层或基部层上，在该步骤之后，使用例如压花步骤来提供具有通道的轮廓。这些工艺和其任选的(子)步骤将在下面更详细地和关于所阐明的实施方式来讨论。
例如，顶部层可以通过用聚合物溶液、弹性体例如硅酮或包含热塑性材料例如聚乙烯或聚丙烯的挤压涂料涂覆基部层来提供。顶部层还可以通过用层压层层压基部层来提供。通道优选地通过冲孔、吻切或使用例如切削刀来设置在该涂层或层压层中。这使得能够在例如卷对卷工艺中制造(异相)膜。该工艺的优点是在例如包括压花辊的一条制造线中制造膜的可能性。例如，如上所述的膜堆叠物的设计允许用于生产设置有轮廓例如通道的膜的方法，该方法包括使用(旋转)吻切和/或其他工艺处理顶部层，其原理是技术人员已知的。这使得能够相对容易和相对便宜地制造膜。这有助于膜工艺的总效率和有效性。
使用如上指出的挤压工艺制造的(异相)膜可以包括编织物或非编织物(多孔)基材。在挤压工艺中，基部层和顶部层两者可以在同一制造线中生产。顶部层可以具有与基部层相同的材料。可选择地，顶部层可以由其他(热塑性)材料例如聚乙烯或聚丙烯制成，任选地包括填料材料比如TiO2或CaCO3。
本发明的另外的优点、特征和细节基于其优选的实施方式来阐明，其中参考了附图，在附图中：
-图1示出RED工艺的示意图；
-图2A和图2B示出根据本发明的膜堆叠物的透视图；
-图3A-3C示出图2的供应和排出装置的不同的实施方式；
-图4A和图4B示出了呈图2中的堆叠物形式的膜的视图；和
-图5是用于例如(生物)燃料电池的膜的实施方式。
在基于膜的工艺比如反向电渗析工艺2(图1)中，许多阴离子交换膜8和阳离子交换膜10放置在阳极4和阴极6之间。(电解质)隔室在阴离子交换膜8和阳离子交换膜10之间形成，其中在所阐明的实施方式中，海水12的流和河水14的流交替地流过相邻的隔室。由于在海水12的流和河水14的流中的离子浓度的差异，海水12中的离子倾向于运动至河水14以使浓度相等。为了方便，图1中仅钠离子和氯离子被示出为正离子和负离子。
因为阴离子交换膜8主要允许阴离子穿过，且阳离子交换膜10主要允许阳离子穿过，所以阴离子和阳离子的传输将在相反的方向发生。阴离子(Cl-)以阳极4的方向运动，且阳离子(Na+)以阴极6的方向运动。为了维持电中性，在放置阳极4的隔室中发生氧化反应，并在放置阴极6的隔室中发生还原反应。据此在连接阳极4和阴极6的电路16中产生电子流动。在该电路16中，电功通过在此处借助于电灯泡符号化表示的电气设备18来进行。
图1中用阴影示出的是渗析电池20，渗析电池20由阴离子交换膜8和阳离子交换膜10的一对膜以及大量的具有高离子浓度的溶液例如海水和具有低离子浓度的溶液例如河水组成。可以增加渗析电池20的数量(N)，以增加在阳极4和阴极6之间的电势差，由此形成膜堆叠物。
膜的堆叠物22(图2A和图2B)包含包括电极隔室的顶部层或顶部板24和也包括电极隔室的底部层26。堆叠物22放置在两个层24、26之间。通过供应板28从堆叠物22的第一侧提供溶液，供应板28在使用中通过密封件30连接于堆叠物22。在堆叠物22的第二侧上，第二板32设置有密封件34。第一溶液通过板28被供应至堆叠物22并通过(排出)板32(用箭头指出)离开堆叠物22。在堆叠物22的第三侧上，设置了具有密封件38的供应板36。在堆叠物22的第四侧上，设置了具有密封件42的第四板40。堆叠物22以及供应和排出装置28、32、36、40界定根据本发明的膜堆叠物。在所阐明的实施方式中，板28、32、36、40包括用于电解质溶液的两个开口43。开口43的数量取决于堆叠物的尺寸以及其他。在所阐明的实施方式中，板28、32、36、40被定向成基本上垂直于膜8、10。
在所阐明的实施方式中，第二溶液通过板36被供应至堆叠物22并通过(排出)板40(用虚线箭头指出)离开堆叠物22。
供应板或供应层44(图3A)具有入口46，溶液经由入口46进入板44。应理解，板44还可以用于排出流体且设置有出口46。溶液从入口46进入设置在堆叠物22的侧部和板44之间的溶液隔室48。供应板44的目的是促使电解质流过适当的膜。
在所阐明的实施方式中，在板44和堆叠物22之间，设置有具有0.1-50mm的厚度的密封件50。密封件50确定分配隔室48的宽度。为了改进流在堆叠物22的电解质隔室上的分配，设置了可选择的供应板52(图3B)。板52包括入口54和分配隔室56。分配室56的宽度由板52确定。在板52的出口侧上，设置了具有开口60的非传导的例如塑性的冲孔板58。在板52和堆叠物22的侧部之间设置密封件62。除了密封件62之外，还设置许多电阻器64以防止或减少由溶液在膜之间、在板52和堆叠物22的侧部之间交换造成的短路电流。在所阐明的实施方式中，供应板52设置有入口54，入口54具有朝向膜堆叠物的开口。在可选择的实施方式63(图3C)中，还根据本发明，例如，入口54设置在供应板52的上侧上。应理解，更多的入口54可以设置在板52中。入口54的开口在该实施方式中定向成与膜的堆叠物平行，或换句话说，与通道的方向垂直。为了使板52内部的压力分布均匀和促进在膜上的均匀流量分配，应理解，开口60可以因此被按尺寸制造。应注意，还在该实施方式中，流体流在膜堆叠物的膜的平面上进入膜堆叠物。
膜66(图4A和图4B)包括由壁70分隔开的通道68。在膜66的侧部上设置边缘区域72以防止泄漏和(离子)短路电流。因为区域72，当膜被堆叠且获得根据本发明的堆叠物时产生隔开的电解质隔室/通道。膜66设置成具有宽度B和长度L。边缘区域或不带轮廓的区域72的宽度由X表示。宽度X与减少(离子)短路电流相关联。这些电流随增加的X而减少。然而，这减小了有效膜表面积。
在所阐明的实施方式中，膜66包括具有合适的膜性质的离子交换材料的基部材料或基部层74以及设置在基部材料74之上的顶部层或层压层76。膜66的总厚度是D，且层压层的厚度是d。通道68的宽度是K且壁70的宽度是W。基部层的厚度用t表示。在下面的表中呈现膜66的所阐明的实施方式的以下典型的值。
  d   10-2000μm，优选地50-200μm
  W   50-2000μm，优选地100-200μm
  K   0.1-50mm，优选地1-10mm
  X   1-100mm，优选地10-50mm
  D   1-3000μm，优选地100-300μm
  t   1-2500μm，优选地10-300μm
在基于膜的工艺比如RED工艺中，第一溶液经由供应和排出装置28被提供至膜堆叠物22。供应和排出装置28将该第一溶液提供至渗析电池20的第一组电解质隔室。溶液通过板32离开堆叠物22。第二溶液通过供应板36提供至渗析电池20的第二组电解质隔室，使得堆叠物22设置有交替的具有高离子浓度的溶液例如海水的电解质隔室和具有低离子浓度的溶液例如河水的隔室。在RED工艺的情况下，通过使离子在由膜66分隔开的隔室之间运动来产生能量。
堆叠物22通过将膜66放在彼此之上来制造。阴离子交换膜位于每一个阳离子交换膜上，第二阳离子交换膜放在阴离子交换膜上。优选地，不同膜66的通道68的方向垂直于相邻的膜66。提供用于将电解质溶液供应至通道68的孔可以被省略，因为供应和排出装置28、32、36、40设置在堆叠物22的侧部上。
对于制造膜66(图4B)，顶部层76通过用聚合物溶液、弹性体例如硅酮、热塑性材料例如聚乙烯和/或聚丙烯涂覆基部层74来产生，使得顶部层设置在基部层74上。在所需的位置处，除去层压层76的材料以产生通道。
可选择地，基部材料或基部层74在挤压工艺中以技术人员已知的方式设置有顶部层76。在所需的位置处，除去层压层76的材料以产生通道。
涉及挤压工艺的制造根据本发明的(异相)膜可以包括：平挤薄膜挤塑，优选地包括用于提供所需通道的串联压花辊；或采用直接提供所需的带轮廓的膜的挤压工艺的平挤薄膜挤塑；或挤压涂覆，其中膜层从包含离子交换树脂颗粒和热塑性材料例如聚乙烯的热熔体设置在编织物或优选地非编织物上。取决于使用的设备，轮廓可以同时设置在膜材料的两侧上和/或在包括相同或不同材料的多于一层上。
虽然膜可以由一种(非均质)材料制造，但可选择地，基部层74设置在(多孔)基材例如编织物或非编织物上。接着，顶部层设置在基部层上，且顶部层包括热塑性材料例如聚乙烯，和离子交换材料和/或树脂颗粒，或(纳米-微米)多孔聚乙烯(“可透气的”)膜，或非传导的热塑性材料层例如聚乙烯层等。
可选择地，使用以上处理方法，所需的轮廓可以应用到现有的均相膜或异相膜。
在包括涂覆步骤的生产方法中，基部材料74优选地设置在辊子上且在下一个步骤中通过挤涂机设置有具有优选地10-2000μm的涂层厚度的涂层。层压材料对基部材料的粘附应使得通道68的材料可以例如使用吻切来除去。任选地，在基部材料74的0.5-5mm的另外的边缘处，层压层76被局部除去，使得为了实现通道68的被除去的层压材料可以相对容易地例如使用吻切来从基部材料74除去。作为另外的优点，该另外的边缘减少在供应和排出装置与堆叠物22之间的短路电流。任选地，在除去用于实现通道68的材料之后，层压层76对基部材料74的粘附可以通过例如使用热定型辊(hot fusing roller)或超声焊接加热来改进。顶部(涂覆)层可以从与基部层相同的材料提供。可选择地，设置具有不同材料或组合物的顶部层。用于顶部层的可能的材料或组合物包括弹性体、功能(离子传导)聚合物、包含热塑性材料的离子传导层，例如聚乙烯和离子交换材料和/或树脂颗粒。
基部层和/或顶部层的组合物包含离子交换材料和/或树脂颗粒和热塑性粘合剂，例如聚乙烯。任选地，可以加入SiO2、TiO2、CaCO3或类似物的填料材料和其他添加剂，且混合物可以被挤压成箔，所谓的平挤薄膜挤塑，或涂覆在多孔基部材料例如非编织物上，所谓的挤压涂覆。使用填料材料的优点是成本降低，因为离子交换材料和/或树脂是相对昂贵的。此外，TiO2可以帮助减少例如(生物)结垢。
此外，可以例如通过层压和冲孔或吻切如上所述的通道68的所需轮廓而在基部材料74上设置由例如聚烯烃诸如聚乙烯比如LDPE或聚丙烯、其混合物或聚酯制成的编织物或优选地非编织物。
作为非传导热塑性材料例如聚乙烯和/或聚丙烯、层压顶部层的替代物，可以使用(纳米-微米)多孔层比如所谓的可透气的(聚乙烯)膜、包含CaCO3的膜来提供具有一些多孔性的箔或层。作为CaCO3的替代物，可以使用TiO2(1-70％wt)，TiO2是更稳定的且还可以帮助减少(生物)结垢。可选择地，离子传导层通过混合热塑性材料例如聚乙烯和/或聚丙烯、产生离子传导层的具有阳离子交换材料和/或阴离子交换材料的材料和/或树脂颗粒来提供。
作为在已经将层压层76涂覆在基部材料74上之后(旋转)吻切层压层76以提供通道的替代方案，可以将具有通道68的所需轮廓直接层压或沉积在基部材料74上。换句话说，当使用穿孔的“挤压冲模”时，层被直接地涂覆在基部层或材料74上，使得在层压/沉积步骤中直接提供所需的通道。所谓的带轮廓的膜的该直接生产可以包括平挤薄膜挤塑工艺，该工艺包括在膜中提供轮廓的压花步骤，或所谓的热熔冲模挤压，其中挤压喷嘴/冲模形状与所需的膜轮廓一致。提供具有带轮廓的顶部层的基部层的可选择的处理步骤包括例如(旋转)丝网印刷、凹版印刷、压花辊涂覆、狭缝式涂覆。可选择地，可以在直接提供所需轮廓的编织/非编织基材上提供包括上述溶液的适当的聚合物溶液。这可以包括处理步骤比如铸刀、冲模、旋转丝网印刷、凹版印刷、压花辊。接着，涂层以取决于所使用的聚合物的方式固化。
此外，制造膜可以使用平挤薄膜挤塑或挤压涂覆工艺连同使用在一条制造线中的压花辊在压花步骤中提供轮廓来实现，例如。另外任选的或可选择的处理步骤与如上所述的相似。
应理解，以上步骤可以组合和/或(子)步骤可以互换。
可选择的膜78(图5)在膜的两侧上设置有通道80。通过通道80的流动方向用箭头指出。膜78与(生物)燃料电池相关联，例如，但还可以用于ED和RED。在(生物)燃料电池中，流可以是液体或气体或其组合。然而，膜78与利用一种类型的膜的应用最相关联，比如，如上所述的(生物)燃料电池。与根据本发明的其他实施方式有关的上述特征中的一些或全部可以关于可选择的膜78来提供。如所阐明的膜78的优点是膜的堆叠物的固有的逆流配置。
本发明决不限于其上述优选的实施方式。所寻求的权利由以下权利要求界定，在以下权利要求的范围内，可以设想许多修改。根据本发明的膜堆叠物还可以应用到电镀工业的膜工艺中，例如在酸的再生中。用于生产膜的根据本发明的方法还可以用现有的膜开始进行并提供具有所需轮廓的该膜。

Claims (20)

1.用于基于膜的工艺的膜堆叠物，包括：
-许多膜，其形成隔室；和
-流体供应和排出装置，其用于将流体供应和排出所述隔室，使得所述流体基本上在所述膜堆叠物的所述膜的平面上被供应和排出。
2.根据权利要求1所述的膜堆叠物，其中所述流体供应和排出装置设置在所述膜堆叠物的相对侧上。
3.根据权利要求1或2所述的膜堆叠物，其中第二流体供应和排出装置设置在所述膜堆叠物的不同侧上以从所述膜堆叠物的不同侧将第二流体提供至隔室。
4.根据权利要求1、2或3所述的膜堆叠物，其中所述流体供应和排出装置包括用于分配所述膜上的所述流体的分配室。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的膜堆叠物，其中所述膜中的至少一些包括允许流体流动的通道。
6.根据权利要求5所述的膜堆叠物，其中所述膜中或所述膜上的所述通道被提供为具有在0.1-50mm，优选地1-10mm的范围内的宽度。
7.根据权利要求5或6所述的膜堆叠物，其中所述膜中或所述膜上的所述通道被提供为具有在10-2000μm，优选地50-200μm的范围内的深度。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的膜堆叠物，其中至少许多膜设置有优选地在1-100mm的范围内的不带轮廓的区域。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的膜堆叠物，其中相邻的膜以基本上垂直的方式被定位，形成隔室和/或通道。
10.根据权利要求5、6或7所述的膜堆叠物，其中所述膜中或所述膜上的所述通道被设置在于所述膜的基部层上设置的层压层或顶部层中。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的膜堆叠物，其中所述膜堆叠物包括长度和宽度，且所述长度大于所述宽度。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的膜堆叠物，其中所述流体供应和排出装置与所述膜堆叠物的侧部之间的距离在0.1-50mm，优选地0.1-5mm的范围内。
13.根据权利要求12所述的膜堆叠物，其中所述距离由密封装置确定。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的膜堆叠物，其中在所述膜的流体进入侧部和/或离开侧部上设置另外的边缘。
15.根据权利要求14所述的膜堆叠物，其中所述流体供应和排出装置设置有用于使离子短路电流最少的一个或多个保护屏障。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的膜堆叠物，其中所述多孔的基材包括(纳米-微米)多孔箔或片。
17.用于进行基于膜的工艺的装置，包括：
-至少一个阳极隔室，其设置有阳极；
-与所述至少一个阳极隔室隔开的至少一个阴极隔室，其设置有阴极；和
-根据权利要求1-16中的一项或多项所述的膜堆叠物。
18.使用根据权利要求17所述的装置来进行基于膜的工艺的方法。
19.用于提供在根据权利要求1-16中任一项所述的膜堆叠物中使用的膜的方法，其中具有通道的层压层或顶部层设置在所述膜的基部层上，所述方法包括以下步骤中的一个或多个：
-提供具有顶部层的基部层；和
-冲孔或模切/吻切所述顶部层，使得通道被提供用于允许流体流动。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述基部层和具有通道的所述顶部层在一个制造步骤中被提供。
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