CN111470880A - 具有多孔隙的离子交换膜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多孔隙的离子交换膜及其制造方法，该制造方法包含以下步骤：A.将一多孔隙材料置入一加热空间内；B.使该加热空间内形成真空状态；C.于该加热空间内充满氢气及氧气；D.点燃该氢气及该氧气，使该加热空间由室温升温至工作温度，该工作温度为1400℃至1700℃之间；E.于该加热空间内充满氮气，使该加热空间的该工作温度降温至该室温；F.重复上述步骤B至步骤E的制程至少5次。以及利用上述制造方法所制成的离子交换膜。

Description

具有多孔隙的离子交换膜及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种可以缩短制造工时，而且提升离子交换效果及增加发电量的离子交换膜及其制造方法。
背景技术
目前一般发电装置的电解槽中均会设置有一离子交换膜〔请参考第八图所示〕，藉以可供阴极中的阴离子及阳极中的阳离子进行交换反应后，使其产生电能。
现有离子交换膜的构造，如2016年5月11日所公告的发明第I532596号「离子交换膜及其制造方法」中国台湾专利申请，其揭露了：由不织布片、与设于该不织布片其中之一的表面的离子交换树脂涂覆层所构成，该不织布片在两面具有纤维直径为8～30μm的长纤维层，而且作为中间层该长纤维层之间具有由纤维直径为5μm以下的微细纤维层以纤维彼此熔接方式形成的纤维层构造；其中该离子交换树脂涂覆层是藉由从形成于剥离薄膜上的离子交换树脂层进行转印而形成；该离子交换膜具有0.1MPa以上的破裂强度、以及5Ωcm2以下的电阻值(25℃)；且于25℃的纯水中浸泡24小时后的湿润状态下，该离子交换树脂涂覆层的表面粗糙度Ra为10μm以下。
然而，该专利申请所制成的离子交换膜，并无法有效控制离子孔隙的尺寸及分布。由于其主要是以不织布材质所制成，强度较差，无法多次长期使用，因此离子交换的效果不佳，发电效率差。
又有2017年2月15日所公告的发明第CN104347886号「一种燃料电池陶瓷质子交换膜材料及其应用」的中国专利申请，其揭露了：将质量百分比85-95％的燃料电池陶瓷质子交换膜材料与质量百分比5-15％的质子传导辅助剂在溶剂与成膜助剂辅助下混合、流延成型、干燥、烧结得到的厚度小于1mm的质子交换膜；其中所述燃料电池陶瓷质子交换膜材料为具有完美的对称分子结构、具有双层连续立方体分子结构的氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锌陶瓷、氧化钇陶瓷、二氧化钛陶瓷、二氧化钍陶瓷、三氧化铀陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化铀陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化铀陶瓷、硼化锆陶瓷、硼化镧陶瓷、二硅化钼陶瓷、氟化镁陶瓷、氟化钙陶瓷、三氟化镧陶瓷、硫化锌陶瓷、硫化铈陶瓷中的一种；成膜时燃料电池质子交换膜材料和质子传导辅助剂的用量占总组分的50％，溶剂与成膜助剂占总组分的50％；所述烧结为微波烧结、放电等离子烧结、高温等静压烧结中的一种。
该专利申请利用陶瓷等材料进行烧结以获得离子交换膜，虽然具有较佳的强度，但由于采用陶瓷材料，则其厚度较厚，厚度无法达到最薄尺寸。而且利用微波烧结，制造时间长，无法缩短制造工时，因此于使用上仍然不尽理想。
发明内容
因此，有鉴于目前离子交换膜的构造及制造方法具有上述的缺点。故本发明提供一种具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，包含以下步骤：A.将一多孔隙材料置入一加热空间内；B.使该加热空间内形成真空状态；C.于该加热空间内充满氢气及氧气；D.点燃该氢气及该氧气，使该加热空间由室温升温至工作温度，该工作温度为1400℃至1700℃之间；E.于该加热空间内充满氮气，使该加热空间的该工作温度降温至该室温；F.重复上述步骤B至步骤E的制程至少5次，以烧结成一离子交换膜。
上述多孔隙材料为粉末状的碳化硅或蓝宝石。
上述加热空间为一加热炉，经由该加热炉的一通气口，对于该加热空间内抽取真空。
经由上述通气口对于该加热空间内注入高浓度的该氢气及该氧气混合。
上述加热空间内设置有一点火器，该点火器于通电后产生一热点，以点燃该氢气及该氧气而爆炸燃烧。
经由上述通气口对于该加热空间内注入高浓度的氮气，使该加热空间内立即降温。
上述步骤D是于60秒±30秒内由该室温升温至该工作温度。
上述步骤E是于60秒±30秒内由该工作温度降温至该室温。
本发明亦为一种具有多孔隙的离子交换膜，其是以上述具有多孔隙的离子交换膜的制造方法所制造而成。
上述离子交换膜具有复数孔隙，所述孔隙的孔径为20μm以下，且每一所述孔隙的间距为5μm至6μm。
上述技术特征具有下列的优点：
1.可大幅缩短工时，而将多孔隙材料粉末快速制造成为一离子交换膜。
2.所制成的离子交换膜，可以达到极薄的厚度，以及增加其强度。
3.利用离子交换膜上具有微小尺寸的孔隙，可供于进行离子交换反应后产生电能，以提升离子交换的效果，并增加发电量。
4.利用碳化硅或蓝宝石所制造成的离子交换膜，可供多次长期使用，以延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的制造方法的流程图。
图2为本发明实施例多孔隙材料置入加热空间的示意图。
图3为本发明实施例于加热空间内形成真空状态的示意图。
图4为本发明实施例于加热空间内充满氢气及氧气的示意图。
图5为本发明实施例于加热空间内爆炸燃烧后升温的示意图。
图6为本发明实施例于加热空间内充满氮气后降温的示意图。
图7为本发明另一实施例离子交换膜的孔隙分布的示意图。
图8为本发明另一实施例将离子交换膜置入于电解槽内的使用示意图。
符号说明：
1 多孔隙材料
2 加热空间
21 通气口
3 点火器
4 离子交换膜
41 孔隙
A 孔径
B 间距
C 电解槽
C1 阴极
C2 阳极
D 模具
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明实施例为一种具有多孔隙的离子交换膜制造方法，包含下列步骤：
A.将碳化硅或蓝宝石的多孔隙材料1的粉末置入一加热空间2内的一模具D上〔如图2所示〕。该加热空间2可为一加热炉，又该加热空间2内设置有一点火器3，该点火器3是以一钨材料通电后而产生约900℃的一热点，以做为无火燃烧的点火使用。
B.使该加热空间2内形成真空状态〔如图3所示〕。经由该加热炉的一通气口21，可对于该加热空间2内抽取真空，使该加热空间2内形成真空状态。
C.于该加热空间2内充满氢气及氧气〔如图4所示〕。经由该通气口21对于该加热空间2内注入高浓度的氢气及氧气混合，使该加热空间2内充满氢气及氧气。
D.点燃该氢气及该氧气，使该加热空间2由室温升温至工作温度，该工作温度为1400℃至1700℃之间〔如图5所示〕。利用该点火器3通电后可以产生该热点，使该加热空间2内的该氢气及该氧气接触到该热点，立即被点燃而爆炸燃烧，并于燃烧后放出高热，使该加热空间2在60秒±30秒内由该室温快速升温至该工作温度的1400℃至1700℃之间。
E.于该加热空间2内充满氮气，使该加热空间2的该工作温度降温至该室温〔如图6所示〕。经由该通气口21对于该加热空间2内注入高浓度的氮气，使该加热空间2内充满氮气，该加热空间2在60秒±30秒内，则可由该工作温度的1400℃至1700℃之间，快速降温至该室温。由于快速降温时，不能有水分产生，以利于降温曲线的形成，藉由正确的降温曲线，可以使离子交换膜制成后的结晶密度高且分布平均。
F.重复上述步骤B至步骤E的制程至少5次，以烧结成一离子交换膜。然后将上述步骤B至步骤E的抽取真空、灌入氢气及氧气、点火燃烧后快速升温及灌入氮气后快速降温的制程重复至少5次。利用上述快速热退火(RTA)的制程，即可缩短制造工时，而将粉末状的该多孔隙材料1烧结成膜状的一离子交换膜，藉以可达到具有极薄的厚度及增加强度等功效。
请参阅图7所示，本发明另一实施例为一种具有多孔隙的离子交换膜4，该离子交换膜4是依照上述具有多孔隙的离子交换膜制造方法所制造而成。该离子交换膜4上具有复数孔隙41，这些孔隙41的孔径A为20μm以下，且每一所述孔隙41的间距B为5μm至6μm。
请参阅图8所示，如此，利用该离子交换膜4可将其置入于一电解槽C中，藉以可供一阴极C1中的阴离子及一阳极C2中的阳离子，利用该离子交换膜4上的这些孔隙41进行交换反应后，使其可产生电能。利用该离子交换膜4使其离子交换的效果提升，而且增加发电量，同时可供多次长期使用，以延长使用寿命。
综合上述实施例的说明，当可充分了解本发明的操作、使用及本发明产生的功效，惟以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：包含以下步骤：
A.将一多孔隙材料置入一加热空间内；
B.使所述加热空间内形成真空状态；
C.于所述加热空间内充满氢气及氧气；
D.点燃所述氢气及所述氧气，使所述加热空间由室温升温至工作温度，所述工作温度为1400℃至1700℃之间；
E.于所述加热空间内充满氮气，使所述加热空间的所述工作温度降温至所述室温；
F.重复上述步骤B至步骤E的制程至少5次，以烧结成一离子交换膜。
2.如权利要求1所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：所述多孔隙材料为粉末状的碳化硅或蓝宝石。
3.如权利要求1所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：所述加热空间为一加热炉，经由所述加热炉的一通气口，对于所述加热空间内抽取真空。
4.如权利要求3所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：经由所述通气口对于所述加热空间内注入高浓度的所述氢气及所述氧气混合。
5.如权利要求4所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：所述加热空间内设置有一点火器，所述点火器于通电后产生一热点，以点燃所述氢气及所述氧气而爆炸燃烧。
6.如权利要求5所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：经由所述通气口对于所述加热空间内注入高浓度的氮气，使所述加热空间内立即降温。
7.如权利要求1所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：所述步骤D是于60秒±30秒内由所述室温升温至所述工作温度。
8.如权利要求1所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法，其特征在于：所述步骤E是于60秒±30秒内由所述工作温度降温至所述室温。
9.一种具有多孔隙的离子交换膜，其是以权利要求1至8任一项所述的具有多孔隙的离子交换膜的制造方法所制造而成。
10.如权利要求9所述的具有多孔隙的离子交换膜，其特征在于：所述离子交换膜具有复数孔隙，所述孔隙的孔径为20μm以下，且每一所述孔隙的间距为5μm至6μm。
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