TW202028158A - 具有多孔隙之離子交換膜及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種具有多孔隙之離子交換膜及其製造方法，製造方法包含：A.將一多孔隙材料置入一加熱空間內；B.使該加熱空間內形成真空狀態；C.於該加熱空間內充滿一氫氣及一氧氣；D.點燃該氫氣及該氧氣，使該加熱空間由一室溫昇溫至一工作溫度，該工作溫度係為1400℃至1700℃之間；E.於該加熱空間內充滿一氮氣，使該加熱空間的該工作溫度降溫至該室溫；F.重覆上述步驟B至步驟E的製程至少5次。以及利用上述製造方法所製成之離子交換膜。

Description

具有多孔隙之離子交換膜及其製造方法

本發明係有關於一種可以縮短製造工時，而且提昇離子交換效果及增加發電量的離子交換膜及其製造方法。

目前一般發電裝置的電解槽中均會設置有一離子交換膜〔請參考第八圖所示〕，藉以可供陰極中的陰離子及陽極中的陽離子進行交換反應後，使其產生電能。

習知離子交換膜之構造，如中華民國105年5月11日所公告之發明第I532596號「離子交換膜及其製造方法」專利案，其係揭露：由不織布片、與設於該不織布片其中之一的表面的離子交換樹脂塗覆層所構成，該不織布片在兩面具有纖維直徑為8~30μm的長纖維層，而且作為中間層該長纖維層之間具有由纖維直徑為5μm以下的微細纖維層以纖維彼此熔接方式形成的纖維層構造；其中該離子交換樹脂塗覆層係藉由從形成於剝離薄膜上之離子交換樹脂層進行轉印而形成；該離子交換膜具有0.1MPa以上的破裂強度、以及5Ωcm2以下的電阻值(25℃)；且於25℃之純水中浸泡24小時後的濕潤狀態下，該離子交換樹脂塗覆層的表面粗糙度Ra為10μm以下。

惟該專利前案所製成的離子交換膜，並無法有效控制離子孔隙的尺寸及分佈。由於其主要係以不織布材質所製成，強度較差，無法多次長期使用，因此離子交換的效果不佳，發電效率差。

又有西元2017年2月15日中國大陸所公告之發明第CN104347886號「一種燃料電池陶瓷質子交換膜材料及其應用」專利案，其係揭露：將質量百分比85-95%的燃料電池陶瓷質子交換膜材料與品質百分比5-15%的質子傳導輔助劑在溶劑與成膜助劑輔助下混合、流延成型、乾燥、燒結得到的厚度小於1mm的質子交換膜；其中所述燃料電池陶瓷質子交換膜材料為具有完美的對稱分子結構、具有雙層連續立方體分子結構的氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鈣陶瓷、氧化鈹陶瓷、氧化鋅陶瓷、氧化釔陶瓷、二氧化鈦陶瓷、二氧化釷陶瓷、三氧化鈾陶瓷、氮化矽陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化鈾陶瓷、碳化矽陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化鈾陶瓷、硼化鋯陶瓷、硼化鑭陶瓷、二矽化鉬陶瓷、氟化鎂陶瓷、氟化鈣陶瓷、三氟化鑭陶瓷、硫化鋅陶瓷、硫化鈰陶瓷中的一種；成膜時燃料電池質子交換膜材料和質子傳導輔助劑的用量占總組分的50%，溶劑與成膜助劑占總組分的50%；所述燒結為微波燒結、放電等離子燒結、高溫等靜壓燒結中的一種。

該專利前案利用陶瓷等材料進行燒結以獲得離子交換膜，雖然具有較佳的強度，但由於採用陶瓷材料，則其厚度較厚，厚度無法達到最薄尺寸。而且利用微波燒結，製造時間長，無法縮短製造工時，因此於使用上仍然不盡理想。

爰此，有鑑於目前離子交換膜的構造及製造方法具有上述之缺點。故本發明提供一種具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，包含有：A.將一多孔隙材料置入一加熱空間內；B.使該加熱空間內形成真空狀態；C.於該加熱空間內充滿一氫氣及一氧氣；D.點燃該氫氣及該氧氣，使該加熱空間由一室溫昇溫至一工作溫度，該工作溫度係為1400℃至1700℃之間；E.於該加熱空間內充滿一氮氣，使該加熱空間的該工作溫度降溫至該室溫；F.重覆上述步驟B至步驟E的製程至少5次，以燒結成一離子交換膜。

上述多孔隙材料係為粉末狀的一碳化矽或一藍寶石。

上述加熱空間係為一加熱爐，經由該加熱爐的一通氣口，對於該加熱空間內抽取真空。

經由上述通氣口對於該加熱空間內注入高濃度的該氫氣及該氧氣混合。

上述加熱空間內設置有一點火器，該點火器於通電後產生一熱點，以點燃該氫氣及該氧氣而爆炸燃燒。

經由上述通氣口對於該加熱空間內注入高濃度的氮氣，使該加熱空間內立即降溫。

上述步驟D係於60秒±30秒內由該室溫昇溫至該工作溫度。

上述步驟E係於60秒±30秒內由該工作溫度降溫至該室溫。

本發明亦為一種具有多孔隙之離子交換膜，其係以上述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法所製造而成。

上述離子交換膜具有複數孔隙，該等孔隙之孔徑係為20μm以下，又每一該孔隙之間距係為5μm至6μm。

上述技術特徵具有下列之優點：

1.係可大幅縮短工時，而將多孔隙材料粉末快速製造成為一離子交換膜。

2.所製成之離子交換膜，可以達到極薄的厚度，以及增加其強度。

3.利用離子交換膜上具有微小尺寸的孔隙，可供於進行離子交換反應後產生電能，以提昇離子交換的效果，並增加發電量。

4.利用碳化矽或藍寶石所製造成的離子交換膜，可供多次長期使用，以延長其使用壽命。

請參閱第一圖所示，本發明實施例為一種具有多孔隙之離子交換膜製造方法，包含下列步驟：

A.將一碳化矽或一藍寶石之多孔隙材料(1)的粉末置入一加熱空間(2)內的一模具(D)上〔如第二圖所示〕。該加熱空間(2)係可為一加熱爐，又該加熱空間(2)內設置有一點火器(3)，該點火器(3)係以一鎢材料通電後而產生約900℃之一熱點，以做為無火燃燒之點火使用。

B.使該加熱空間(2)內形成真空狀態〔如第三圖所示〕。經由該加熱爐的一通氣口(21)，可對於該加熱空間(2)內抽取真空，使該加熱空間(2)內形成真空狀態。

C.於該加熱空間(2)內充滿一氫氣及一氧氣〔如第四圖所示〕。經由該通氣口(21)對於該加熱空間(2)內注入高濃度的氫氣及氧氣混合，使該加熱空間(2)內充滿氫氣及氧氣。

D.點燃該氫氣及該氧氣，使該加熱空間(2)由一室溫昇溫至一工作溫度，該工作溫度係為1400℃至1700℃之間〔如第五圖所示〕。利用該點火器(3)通電後可以產生該熱點，使該加熱空間(2)內的該氫氣及該氧氣接觸到該熱點，立即被點燃而爆炸燃燒，並於燃燒後放出高熱，使該加熱空間(2)在60秒±30秒內由該室溫快速昇溫至該工作溫度的1400℃至1700℃之間。

E.於該加熱空間(2)內充滿一氮氣，使該加熱空間(2)的該工作溫度降溫至該室溫〔如第六圖所示〕。經由該通氣口(21)對於該加熱空間(2)內注入高濃度的氮氣，使該加熱空間(2)內充滿氮氣，該加熱空間(2)在60秒±30秒內，則可由該工作溫度的1400℃至1700℃之間，快速降溫至該室溫。由於快速降溫時，不能有水分產生，以利於降溫曲線之形成，藉由正確的降溫曲線，可以使離子交換膜製成後之結晶密度高且分佈平均。

F.重覆上述步驟B至步驟E的製程至少5次，以燒結成一離子交換膜。然後將上述步驟B至步驟E的抽取真空、灌入氫氣及氧氣、點火燃燒後快速昇溫及灌入氮氣後快速降溫的製程重覆至少5次。利用上述快速熱退火(RTA)的製程，即可縮短製造工時，而將粉末狀的該多孔隙材料(1)燒結成膜狀的一離子交換膜，藉以可達到具有極薄的厚度及增加強度等功效。

請參閱第七圖所示，本發明另一實施例係為一種具有多孔隙之離子交換膜(4)，該離子交換膜(4)係依照上述具有多孔隙之離子交換膜製造方法所製造而成。該離子交換膜(4)上具有複數孔隙(41)，該等孔隙(41)之孔徑(A)係為20μm以下，又每一該孔隙(41)之間距(B)係為5μm至6μm。

請參閱第八圖所示，如此，利用該離子交換膜(4)可將其置入於一電解槽(C)中，藉以可供一陰極(C1)中的陰離子及一陽極(C2)中的陽離子，利用該離子交換膜(4)上的該等孔隙(41)進行交換反應後，使其可產生電能。利用該離子交換膜(4)使其離子交換的效果提昇，而且增加發電量，同時可供多次長期使用，以延長使用壽命。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

(1):多孔隙材料 (2):加熱空間 (21):通氣口 (3):點火器 (4):離子交換膜 (41):孔隙 (A):孔徑 (B):間距 (C):電解槽 (C1):陰極 (C2):陽極 (D):模具

[第一圖]係為本發明實施例之製造方法的流程圖。

[第二圖]係為本發明實施例多孔隙材料置入加熱空間之示意圖。

[第三圖]係為本發明實施例於加熱空間內形成真空狀態之示意圖。

[第四圖]係為本發明實施例於加熱空間內充滿氫氣及氧氣之示意圖。

[第五圖]係為本發明實施例於加熱空間內爆炸燃燒後昇溫之示意圖。

[第六圖]係為本發明實施例於加熱空間內充滿氮氣後降溫之示意圖。

[第七圖]係為本發明另一實施例離子交換膜的孔隙分佈之示意圖。

[第八圖]係為本發明另一實施例將離子交換膜置入於電解槽內之使用示意圖。

Claims (10)

1. 一種具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，包含有： A.將一多孔隙材料置入一加熱空間內； B.使該加熱空間內形成真空狀態； C.於該加熱空間內充滿一氫氣及一氧氣； D.點燃該氫氣及該氧氣，使該加熱空間由一室溫昇溫至一工作溫度，該工作溫度係為1400℃至1700℃之間； E.於該加熱空間內充滿一氮氣，使該加熱空間的該工作溫度降溫至該室溫； F.重覆上述步驟B至步驟E的製程至少5次，以燒結成一離子交換膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，該多孔隙材料係為粉末狀的一碳化矽或一藍寶石。
3. 如申請專利範圍第1項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，該加熱空間係為一加熱爐，經由該加熱爐的一通氣口，對於該加熱空間內抽取真空。
4. 如申請專利範圍第3項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，經由該通氣口對於該加熱空間內注入高濃度的該氫氣及該氧氣混合。
5. 如申請專利範圍第4項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，該加熱空間內設置有一點火器，該點火器於通電後產生一熱點，以點燃該氫氣及該氧氣而爆炸燃燒。
6. 如申請專利範圍第5項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，經由該通氣口對於該加熱空間內注入高濃度的氮氣，使該加熱空間內立即降溫。
7. 如申請專利範圍第1項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，該步驟D係於60秒±30秒內由該室溫昇溫至該工作溫度。
8. 如申請專利範圍第1項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法，其中，該步驟E係於60秒±30秒內由該工作溫度降溫至該室溫。
9. 一種具有多孔隙之離子交換膜，其係以申請專利範圍第1項至第8項任一項所述具有多孔隙之離子交換膜的製造方法所製造而成。
10. 如申請專利範圍第9項所述具有多孔隙之離子交換膜，其中，該離子交換膜具有複數孔隙，該等孔隙之孔徑係為20μm以下，又每一該孔隙之間距係為5μm至6μm。

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