TWI227952B - Device and method for increasing mass transport at liquid-solid diffusion boundary layer - Google Patents

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1227952 玖、發明說明： π明T瑨茉交互參照 本申請案主張2002年5月2日申靖 口甲明 < 吴國臨時專利申請 序號第60/377,257號標題為“拇 ^ 勹曰進履-固擴散界面層之質量 傳輸之裝置及方法，，之優先權，盆 >、円奋係元整地合併於本案 以供參考。 衣 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種裝置及方法，i從 灸其係用以增進流體容器中 固體及流體界面之化學及電化學程序之質量傳輸。 【先前技術】 * 許多製程係依賴流體容器之固體與流體界面之化學或電 化學反應。實例為電化學機器加工及固態觸媒反應。介於 流體與固體界面間之化學反應速率係受到界面處之反應物 或產物4質Y傳輸速率支配。藉菲克定律（Ficks, ^灼測定 之質量傳輸速率係與化學物質之濃度成正比，且擴散係數 與擴散界面層厚度成反比。由於擴散界面層係受到固體表 面附近之流體速度測定，較高的流體速率增進質量傳輸速 率且進而增進反應速率。因此，流體之攪拌或循環作用經 常用於流體與表面間之化學程序中，俾降低界面層且進而 /条低質量或能量傳輸速率。 隨著流體體積增加，強攪拌作用對於使大容積流體循環 通過固體界面是必要的。由於擴散界面層主要受到固體表 面附近之流體速度測定，大部分自固體及流體界面離開之 流體流對於擴散界面層有微不足道的影響。用以循環流體 之大百分比能量是浪費的。針對大流體速率之需求亦增進 85239 1227952 此化學反應器系統之設計複雜性。再者，士、人κ 由於均勻的擴散 界面對於某些—塗覆應用而言是具關鍵性的 ^， 1的例如電鍍程 序9故精巧的設備設計造成高資本費用。 *他用以提供質*或能量傳輸速率以促進流體與表面間 之反應之手段包含振動、衝擊噴射流動或噴淋。然而，此 等方法通常不實際或不可能（由於受到其他特殊程序限制 之緣故）。 就程序一致性而言，提供均句的質量或能量傳輸速率通 過固體界面是有利的。膜狀物係通常於電鍍中用以分離陽 極及陰極隔間，但此等膜狀物通常不是妨礙就是加速主體 流體中之離子傳遞，因而使得陽極或陰極處之質量傳遞= 到未受控的界面層（倘若未使用上述之其他方法）。確切地， 揭示於美國專利第5,096,550及6，126,798號之電鍍系統未考 慮此界面處之流體流動控制。揭示於美國專利第5,616,246 號之陽極袋亦未考慮此問題。其他文獻（例如日本專利Jp 4052296及歐洲專利EP471577)亦未適當地考慮固-液界面 層之控制。 有必要控喇固體及流體界面處之流體流動，以及增進固 體界面處之質量或能量傳輸速率，而不需使大容積之流體 循環。 【發明内容】 本發明係關於一種控制基板與流體間之界面處流體流動 之裝置’其係利用膜狀物以於基板上產生薄流體膜。該裝 置亦可用以控制基板與流體間之質量傳遞。裝置較佳係用 85239 1227952 以增進固-液擴散界面層處自基板至流體之質量傳輸。可使 用該裝置及該方法以增進流體容器中固體及液體界面之化 學程序的質量傳輸速率。裝置包含一個與基板或工作片表 面緊密接觸之膜狀物，俾使程序容器分成二室，以致於在 工作片處之流速係自主要容器流而分開地控制。於工作片 處之擴散界面層係受到自工作片室或通過工作片中之孔取 出之流體速率控制及減至最小。 本發明之一具體例係為具有多孔膜狀物（用以與固體工 作片或基板相合）之裝置。多孔膜狀物經安排以便自其他程 序流體或自部分較大程序流體流分開工作片。受裝置分離 之流體流形成隔間’並且於多孔膜狀物與工作片或基板間 產生間隙。裝置亦可具有與隔間外部之隔間以流體相通之 孔或導管。流經膜狀物之流體係藉通過流體孔或導管取出 流體而控制，此造成流體沿著基板或工作片流動。膜狀物 與基板間之流體流係於膜狀物與基板間之間隙產生薄流體 層。 本發明之一具體例係為包含一個鄰近或覆蓋基板之膜狀 物。該裝置具有一個亦受到多孔膜狀物覆蓋之孔。通過多 孔膜狀物之流體流造成薄流體層流動於基板與多孔膜狀物 間且通過裝置孔。藉著與基板之質量及/或能量傳遞，基板 與膜狀物間之流體流修飾了流體狀態。膜狀物可具撓性或 結合至具撓性之膜狀物，以致於當基板改變形狀時，膜狀 物可保持鄰近基板。基板可為電極、化學藥劑、熱交換器 元件、冷卻器、觸媒或此等之組合。裝置可進一步包含供 85239 1227952 支持基板用之底座。底座可進一步具有與基板中之孔以流 體相通之孔；i座孔亦受到多孔膜狀物覆蓋或包圍。 本發明之一具體例包含一個密封多孔膜狀物之撓性盤旋 形構件。盤旋形構件與底座形成防漏密封件，並且於流體 流動及基板形狀改變期間使多孔薄膜保持鄰近基板。本發 明之另一具體例包含使用介於基板與多孔膜狀物間之鬆排 水層以使多孔膜狀物保持鄰近基板表面且控制與基板接觸 之流體流厚度。 本發明之一具體例係為一種增進工作片之液-固擴散界 面層（至少有一個與液體接觸之表面）之質量或能量傳輸之 方法。該方法包含在工作表面提供液體流且控制工作片處 之液-固擴散界面層（藉著使表面液體流與其他液體流分 離）。藉著以引起表面流體流動之方式自工作片表面連續移 走液體，可控制介於膜狀物與工作片表面間之分離的表面 液體流高度。 該方法亦可包含修飾與基板接觸之流體狀態。該方法包 含藉著使流體源流經基板與膜狀物間之多孔膜狀物以便在 基板上形成-薄流體膜。膜狀物與基板間之流體流使多孔膜 狀物保持或維持鄰近基板。流於基板與膜狀物間之流體狀 態係受到流體與基板間之質量或能量傳遞而修飾。基板可 為電極、化學藥劑、熱交換元件、觸媒或其組合。於流過 基板後’流體流經裝置中之孔（可為外罩及/或基板中之 孔）’其中此等孔係使主體流體源受到多孔膜狀物分離；孔 及基板係受到多孔膜狀物包圍或覆蓋。 85239 1227952 【實施方式】 万；本木組成物及方法說明前，應瞭解本發 於如所述之特殊分子、組成物、方法或規範，因為 改變。亦應瞭解說明書中所用之術語僅係為了描述特殊I 體或具體例，且非意欲用以限制本發明之範圍， 限於如附申請專利範圍。 、又 亦必須 >王意此中及如附申請專利範圍所用之單數形 “a”、“an”及“the”包含複數形式（除非本文中另外指明）。除 非另外定義，H所有此巾使用之技術及科學術語具有與 熟習本技藝暸解常用者相同意義。雖然類似或相當於此中 所述者之任一種方法或材料可用以實施或測試本發明之具 體例，但此刻將說明較佳的方法、裝置及材料。此中提到 之所有公開文獻合併於本案以供參考。憑藉著先前的發 明’不應認為係承認本發明沒資格早於該公開文獻。 圖1A為本發明一具體實施例之裝置示意圖。斷面圖顯示 具支座30且與多孔膜狀物12 (以虛線或不連續線表示）相合 之基捉或工作片14a，該多孔膜狀物12緊鄰且覆蓋基板或工 作片14a，藉以產生受到界面層流體流22界定之隔間。多孔 膜狀物覆蓋或包圍基板及一或多個基板孔38及底座孔20， 並且引導或造成膜狀物流體流28流動為介於基板14a與多 孔膜狀物12間之薄界面層流體膜22。 界面層流體流22係於流體容器或底座10内之多孔膜狀物 12與基板14a間流動。膜狀物12上方之流體源16可為流動的 或靜止的，且可為導管中之流體、再循環流體流動系統中 85239 -10 - 1227952 之流體或來自大流體源之流體。流經相合的多孔膜狀物12 之膜狀物流體流28係受到自底座孔20及基板孔38處取出之 流體18的速率控制。可使用襯塾、融合墊或黏著劑使膜狀 物固定於支座30與基板14a間36。於膜狀物流體流28通過膜 狀物12後，其沿著工作片14a之表面流動，俾產生薄流體膜 或界面層流22 (係保持於其平均厚度或高度32，實質上使多 孔膜狀物12保持鄰近基板14a)。流體22之狀態係相對於其 為流體源16時之狀態或於流經膜狀物28前改變；質量或能 量可傳遞於流體22與基板14a間。膜狀物可固定於支座3〇與 基板14a間之基板。 於沿著基板表面之流體流22之前，固體基板14a (可為電 極、化學藥劑、熱交換器、觸媒或此等之組合）具有初厚度 34a或形狀。圖⑺係為基板14b於形狀或厚度34b改變後（由 於薄流體膜22與基板i4a間質量傳遞之緣故）之示意圖。界 面層流體流22實質上使多孔膜狀物12與基板丨仆間保持相 當一致的厚度或高度32。膜狀物可具撓性，以致於當基板 改變形狀時，多孔膜狀物可保持鄰近基板表面。基板形狀 之改變已於谓1A及圖1B中理想地描述。根據本發明之^體 例，基板的形狀可保持不變（例如針對基板為熱交換哭者= 基板1何為或變相形、凸狀，且基板表面可為心變為凹 坑或凹槽，然而，多孔膜狀物12充分地具撓性，俾當基板 =¾:形狀時可與基板表面相合。於流體22流動期間，多孔 膜狀物係以平均分離高度32鄰近基板14&。 m ^ ^ 不又基板14a 筆放貝葺，然而，基板亦可得到質量及增加高度（藉由自流 85239 -11 - 1227952 體移除污染物且將其沉積於基板上而產生）；圖式係為了說 明之目的且非惫欲限制本發明之範圍。 圖2A說明一具體實施例，其中使得至少一連接點26與基 板14a連接。連接點較佳為連接至適合的電源供應器之電連 接點（針對熱交換或電化學程序），但連接點2 6亦可針對基板 14a提供散熱槽。當基板由片狀物或錠塊構成時，鉑絲網或 其他惰性件及導電或導熱絲網（未顯示）可放置於固態片狀 物下方（此係由熟習本技藝之人士已知），俾提供與基板片之 電或熱連接。圖2A亦顯示位於多孔膜狀物12與基板14a間之 多孔排水層24。排水層提供對於膜狀物12之支持，且針對 沿著基板之界面層流體22亦提供額外的通道。排水層24較 佳係製自 TYVEK⑧（售自 DuPont de Nemours of Delaware)或 其他纖維的聚乙烯、聚丙烯或其他化學上可相容的材料。 鬆排水層（例如TYVEK®)較佳經親水化以使其具親水性。圖 2A示意地顯示膜狀物12保持距基板14a為平均分離間隔32 (藉鬆排水層材料24及薄流體膜22)。圖2A顯示介於基板i4a 與膜狀物12間（插入鬆排水層24)之流體流動層22厚度32。基 板14a具初厚度34a。圖2B說明於基板厚度藉質量傳遞減少 至厚度34b後之鬆排水層24及膜狀物12 (與基板14b相合且 保持流體流動層22為平均厚度32)。 圖3為工作片54及相合的膜狀物52產生間隔或間隙之示 章斷面圖，其係藉流體容器或外罩50内之膜狀物52與基板 54間之界面層流體流62說明。膜狀物係連結至具充足膜狀 物之硬環、平板或杯狀物（含流體容器50)，俾使膜狀物與固 85239 -12- 1227952 態片狀物54表面相合（當其形狀改變時）。藉包含（但不限於） 3、超t波結合或黏著之方法，膜狀物可在76處連 器5G°流體容器或底座50可為再循環流體系統之一 1或其可為單—流體穿透裝置之—部分。流體源56可為 力的或靜止的。於圖3中，進入及通過膜狀物52之膜狀物 *也* 68產生胰狀物或界面層流體62 (保持於工作片或基 板54m外部）。界面層流體係經 料上之多孔或多孔口環70’通過通道72,以及通過= Μ 60取it{(藉不意〈流線58表示）。連接點⑽如所示地連 接至工作片54。 圖4為工作片104及與撓性盤旋形構件128連接之多孔膜 狀物102之示意斷面圖。撓性盤旋形構件128係連接至連結 環126 (連接至外罩或工作片支架⑽）。多孔膜狀物⑽則結 合至盤旋形構件128,俾於基板1〇4與多孔膜狀物1〇2間形成 隔間或間隙（藉外罩100間之界面層流體流112形成）。膜狀物 102、撓性盤旋形構件128及連結環126較佳係由類似的材料 組成且一起融合，但可交替機械地夾住以產生一體成型的 密封件。連結環126可融合至外罩100或機械地連結，俾容 弄隔間開放以取代工作片1〇4。部分膜狀物流體流118係自 流體源106流入膜狀物且通過基板1〇4表面，俾產生具多孔 排水層114之邊界層流體112。流體112之能量或化學狀態係 藉基板104修飾，且藉通過多孔、單開口或多孔口環12〇 (位 於安裝工作片104之侧下方或其上）而離開外罩丨〇〇。該流體 可沿著通道122流動，且以流體108自外罩丄〇〇底部之流體孔 85239 -13- 1227952 110取出。視需要選用之連接點1 i6係如所示地連接至工作 片1 04 ’俾供基板散熱或供電連接；連接點係與外罩1 〇〇底 部形成流體密封之密封塾（未顯示）。 圖5為工作片144及相合的多孔膜狀物142連接至具撓性 或硬膜或底座140以形成可自主要流體源146分開之間隔或 間隙之示意斷面圖。相合的膜狀物142可為熱塑性地密封或 機械地於166處夾住撓性或硬膜或膜狀物14〇。來自主要流 體源146，其一部分為以與自底座中之孔13〇及基板144中之 孔1 68取出之流體相同速率流經膜狀物142之膜狀物流體流 1 5 8 (此可以示意流線148表示）。基板144與膜狀物142間之 界面層流體流152當流體通過基板144時造成流體152狀態 受到質量或能量交換而修飾。亦顯示連接點1 56與基板之連 接。圖5B顯示一裝置，其中膜狀物142與基板144間之流體 流15 2係通過複數個開放導管或孔（例如延伸通過底座之底 座孔130a、13 0b、130c)及複數個延伸通過基板或工作片144 之開口或孔168a、168b、168c。孔可經由連接於孔之導管（未 顯示）連接至外部流體環路。圖5C顯示具開口 154之導管150 (連接至底座140之孔130)及供調節流體流148及流體流152 通過基板144之裝置160。該裝置可連接至外部流體環路（未 顯示）。 圖6為本發明一具體實施例之示意圖。部分來自流體源 18 6之膜狀物流體流198流經多孔膜狀物182。流體係沿著基 板184表面產生界面層流體流202。多孔膜狀物182同時包園 基板184及裝置底座180中之孔190a及190b。裝置底座180中 85239 -14- 1227952 之孔190a及190b容許流體202與基板接觸，以便離開底座 180。離開裝亶之流體188可用以進一步處理，包含但不限 於污染物移除、膜狀物沉積或溫度調節（未顯示）。圖中顯示 二連接點196a及196b，其可提供針對電源供應器之墊連接 及針對基板之熱散。墊連接可用以加熱或冷卻基板184及流 體202。界面層流體流202使多孔膜狀物182保持以平均分離 高度鄰近基板184且造成流體202狀態之修飾。 圖6中所示之裝置包含密封於多孔膜狀物182之撓性盤旋 形構件208。盤旋形構件208與底座1 80形成流體密封之密封 件206，並且·使多孔膜狀物182保持距離基板184平均分離高 度，以致於在流體流202流動及基板184形狀改變期間與基 板184鄰近或相合。撓性構件208可為具波紋或盤旋形狀之 分開的多孔或無孔膜狀物；撓性構件208可於206處連接至 固定環或外罩。 於根據本發明之一具體例中，膜狀物係於206處直接結合 至固定環或外罩（未顯示）。足夠膜狀物之存在使得隨著基板 改變形狀或大小時，膜狀物得以與基板相合且鄰近基板。 鬆排水層亦可連同膜狀物直接於206處連接至固定環或外 罩（未顯示）。 圖7為本發明一具體實施例之示意圖。裝置包含鄰近且包 圍基板224之多孔膜狀物222及一個在基板224中受到多孔 膜狀物包圍之孔248。可藉由定位環242使多孔膜狀物222受 到基板224固定於236處。多孔膜狀物222係引導膜狀物流體 流238自部分流體源226流動為介於基板224與多孔膜狀物 85239 -15- 1227952 222間之薄界面層流體膜232，且流過基板孔248。介於基板 224與多孔膜狀物222間之流體流232修飾了流體膜232之狀 態且實質上使多孔膜狀物保持以平均分離高度鄰近基板 224。經修飾之流體228可經由基板孔248離開，該基板孔具 有視需要選用供銜接以連接流體環路之導管（未顯示）之構 件 230。 圖9說明本發明用於燃料電池中之示意圖。燃料電池包含 二電極（例如陰極278及陽極284)、一燃料源266 (例如甲醇 或氫）及一氧化劑268。多孔膜狀物276與陽極284表面相 合，並且可藉泵280保留多孔膜狀物276與陽極284間之界面 層流體流282及提供流體源274。 本發明關於一種裝置，俾用以增進介於工作片與流體間 之流體-固體擴散界面層之質量或能量傳輸。該裝置包含一 個與固態工作片或基板相合之多孔膜狀物。膜狀物經配置 於工作片周圍且覆蓋或包圍固態工作片及裝置（可包含外 罩或工作片）中之孔。流體（可為較大流體流之一部分）係通 過多孔膜狀物且流於多孔膜狀物與工作片間。沿著工作片 流動之側向流體流出現於膜狀物與基板間，且產生間隙或 隔間（係填充流體且受膜狀物與固態工作片表面間之容積 界定）。質量及/或能量交換出現於固體基板與間隙間，因而 修飾流體之化學或能量狀態。舉例來說，質量傳遞可包含 (但不限於）藉使用膜狀物以傳遞離子至基板或自基板傳遞 雜子，俾於基板與膜狀物間產生薄流體層。能量傳遞可包 含（但不限於）藉使用膜狀物以傳遞熱能至基板或自基板傳 85239 -16- 1227952 遞熱能，俾於基板與膜狀物間產生薄流體層。通過膜狀物 及介於基板與瘼狀物間之流體流可經由基板或底座中之孔 或連接至此孔之導管控制。孔或導管係與隔間及隔間外部 以流體相通。 由於局部流體速度、經裝置孔取出之流體速率、膜狀物 孔大小及基板外形之緣故，流於多孔膜狀物與基板間之薄 流體膜之厚度或高度可改變通過基板及膜狀物之高度。多 孔膜狀物可自然地接觸基板，多孔膜狀物較佳藉流體膜或 界面層流體流而自基板分離。多孔膜狀物與基板間之薄流 體膜厚度、間距或高度將具平均值，薄膜間距較佳改變量 係小於膜狀物與基板間平均間距之約5〇%。薄流體膜可為 (但不限於）小於約2,〇〇〇微米之平均高度，較佳小於約 微米。膜狀物經保持為實質上鄰近固態工作片係表示多孔 膜狀物及/或鬆排水層係與固體基板或工作片表面分開薄 膜之高度（包含但不限於任一種上述之變化）。 裝置之多孔膜狀物可為聚合材料，包含（但不限於）聚乙 烯、聚丙缔、聚四氟乙缔（PTFE)、聚（四氟乙婦_共_全氟（烷 基乙晞基町（PFA)或聚亞乙縣敦（pVDF)。本發明係關於 -種可在固體表面與多孔薄膜（與固體表面相合或圍繞固 體表面）界面產生均勾薄擴散界面層（因而形成分開的流體 ，間)之裝置。偏若多孔膜狀物具親水性（藉纟面修飾薄膜而 得）或製自親水性聚合物（例如聚观、聚芳基職或聚鍵⑹是 有利的。具此等性質之材料可確保均勻的流體通過膜狀物 (倘若氣體包陷於多孔膜狀物與基板間之隔間卜 85239 -17- 1227952 多孔膜狀物之孔大小可在0·005微米至約50微米之範圍 内，較佳為約0· 5至約20微米。多孔膜狀物之孔大小可用以 控制流體流經膜狀物以及造成多孔膜狀物與基板間之薄流 體膜之厚度。膜狀物亦可充當過濾媒介物。膜狀物之厚度 可在約1至500微米之範圍内，較佳為約5至約5〇微米。膜狀 物應與流體及固體基板可化學或熱相容，並且應具有可提 · 供強度予膜狀物（當與基板相合時）之厚度。可藉多孔膜狀物 4孔大小以及膜狀物中之孔數及分布修飾通過膜狀物之壓 力降。膜狀物可為具親水性或疏水性的；經由塗覆塗料至 膜狀物或藉膜狀物基板之化學修飾作用，可修飾膜狀物之 表面能量。 多孔膜狀物較佳具充分撓性以便當其形狀改變時與固體 片狀物表面相合且保持實質上相鄰。膜狀物應保持完整 的，且於使用期間保持固定通過膜狀物之流速。膜狀物可 固疋於％狀物或外罩上，俾使膜狀物與固體工作片表面相 合。如圖7所示’可較位環使膜狀物敎至基板。膜狀物 可連接至具有足夠膜狀物材料之硬環、平板或杯狀物，俾_ 田其形狀改a寺與固體片狀物表面相合。膜狀物可連接於 基板與環狀物間。膜狀物可連接至撓性盤旋形構件，俾當· 其形狀改變時使撓性構件及膜狀物與基板表面相合。盤旋 形構件係於結構及官能上類似音響揚聲器之周圍部分（連 接揚聲器錐狀物至籃狀物）。盤旋形構件可藉膜塑或熱膜塑 而自撓性塑膠材料形成。盤旋形構件可由薄固態塑料、薄 多孔發泡物、織造塑料式非純 2竹及非織造塑科。聚乙晞之薄固態塑 85239 1227952 膜為較佳具體例，以致於可達到熔焊效果。盤旋形構件較 佳可由與膜狀杨相同或類似材料製得，以致於其可炫合在 —起0 撓性構件可為具波紋或盤旋形狀之分開的多孔或無孔薄 膜’且撓性構件係連接至固定環或外罩及模狀物。膜狀物 可用作盤旋形構件且直接地連接至固定環或外罩；可使用 過量薄狀物以便當其改變形狀時提供基板之覆蓋物。連接 至盤旋形構件之多孔膜狀物容許基板與多孔膜狀物間之隔 間或間隙形成(其中界面層流體流係存在於固體基板及多 孔膜狀物間）。多孔膜狀物、撓性盤旋形構件及視需要選用 之連接環較佳為類似的聚合材料組成且熔合在一起，但應 交替地機械夾住以產生整合的密封物。連接環可熔合至工 作片支架或機械地連接以便容許開放隔間以取代工作片。 裝置包含鄰近及包圍或覆蓋固體基板之多孔膜狀物以及 系二夕孔膜狀之裝置外孔。膜狀物與固體基板表面相合，且 當流體流動於固體與多孔膜狀物間時保持與其鄰近，俾於 期間產生隔間。流體流經多孔膜狀物，介於膜狀物與固體 基板間’且接著通過裝置中之孔（可為基板中、外罩中或兩 者中之孔）。膜狀物較佳對液體具多孔性，以致於液體可流 經膜狀物。通過裝置孔之流體離開裝置，且流體可連接至 流體環路。流於基板與膜狀物間之薄流體層狀態係藉著與 基板接觸而修飾。於本發明之實施中，膜狀物係於流體流 動及形狀改變期間保持實質上鄰近基板。邊界層係為基板 表面處之流速函數。此可藉通過多孔膜狀物之流體流及膜 85239 -19- 1227952 狀物與基㈣之距離（亦可藉鬆排水層保持）而控制 面層厚度對於給定程序之效果係取決於程序材料（液體及 固體基板）極其濃度（基於f量傳遞速率）。材料結構影= 界層。使用具良好側向流動能力之親水性膜狀物、更= 的Μ狀物、薄支持層可增進流體流動速率，因而降低邊界 層。 -| 裝置可於固體表面與膜狀物間進一步包含鬆排水層。排 水層較佳比基板表面處之邊界層（具流體流，而無多孔膜狀 物存在）為薄。排水層可製自織造材料、網狀材料、澆鑄材 料、毛線或其他纖維絲網材料。有效的排水材料包含（但不 限於）。化學上可相容的聚合物，例如聚乙晞、聚丙缔、聚 四氟乙缔、石英或玻璃材料。鬆排水層較佳為TYVEK(g)(售 自 DuPont de Nemours of Delaware)，且 TYVEK⑧較佳具親水 性。 〃 用於本發明許多具體例之親水性多孔膜狀物及/或鬆排 水層較佳使用美國專利第4,778,6〇1及4,828,772號中揭示之 預製的超高分子量聚乙烯（UMWpE)多孔膜狀物（其内容完 整地合併於本案以供參考）。此等膜狀物或鬆排水層可使其 表面知飾，以便使其具親水性。可利用美國專利第Μ 號（其内容芫整地合併於本案以供參考）中揭示之交聯的親 水性聚合物使膜狀物或鬆排水層具親水性。經親水化之膜 狀物可連接至環狀物或外罩以及類似的親水性紡絲熔合高 被度聚乙烯鬆排水層。可使用聚四氟乙烯膜狀物及其他全 氣化聚合物’且亦可藉美國專利第5,629,〇84及5,928,729號 85239 -20 - 1227952 (其内容完整地合併於本案 物使其具親水性。 以供參考）中所述之方法及組成 精由經裝置孔取出介於膜狀物與基板間之流體或藉由自 工作片隔間取出流體，通過多孔膜狀物自主體流體源引入 新鮮溶液。視情況，可使用膜狀物與固體表面間由多孔材 料（例如非織造、熔吹或紡絲結合之HDPE、聚乙晞、ectfe) 組成之排水層以便沿著固體表面提供_致的流體通道。當 流體受迫流動於膜狀物與固體表面間時，其可產生與基Z 表面相合之薄擴散邊界層。因而可獲致高化學或電化學反 應速率。流體源可為靜止的或流動的，且可包含氣體、液 體或超臨界流體。 a / 於本發明中，固體基板或固體工作片可為電極、化學藥 劑、熱交換元件、觸媒或其組合。裝置可進一步包含供支 持基板用之底座。基板或工作片可為固體整塊材料（例如於 熱X換器或電極之例子中）。基板亦可由較小的片狀錠塊製 成，其係經固走、相合或一起定位，以便形成可受底座支 持之基板。基板可由粉末（經壓榨或一起燒結以形成熔塊之 基板或工作片）製成。多孔膜狀物係與固體表面相合或鄰 近’且容許流體流於膜狀物與固體間。基板之組成物可包 含（但不限於）銅、鎳、許多不銹鋼、碳、貴重金屬（如鉑）、 塗覆材料（例如碳化矽）及陶t;(例如氧化鋁）。 可製造一或多個連接點、或一或多個供基板散熱之連接 點。電連接點（例如通過化學上惰性材料，例如鈦）可與基板 一起形成於DC電源供應器或交流電流電源供應器。連接點 85239 -21 - 1227952 係透過外罩密封，俾避免流體流經連接點。當基板由導電 片狀物或錠塊組成時，可放置銷絲網或其他導電絲網與固 體片接觸，俾提供與片狀物之電接觸（此係為熟習本技藝之 人士已知），以便提供與片狀物之電或熱連接。 通過多孔薄膜且與基板接觸之流體可為氣體、液體或超 臨界流體。流體可含有懸浮材料（假若膜狀物具充分多孔性） 以便防止膜狀物受到懸浮材料阻塞或塞住。水溶液（包含但 不限於具故、驗或溶解鹽者）、有機炫劑（例如乙二醇、酷酸、 光阻）亦可用於本發明之裝置及方法。 於裝置中·，膜狀物係自基板及孔分開主體流體源。孔可 位於基板中、底座中或兩者中；可係受到如圖1-7中所示之 膜狀物覆蓋。孔使得已與基板交換質量或能量之流體離開 裝置。孔可連接至流體流控制或計量裝置、處理工具之流 體流環路、冑管，4連接至其他流體容器。練可如圖ia 所示具有單孔，其可如圖5B所示具有複數個孔，或者基板 可為具有複數個孔（未顯示）之經燒結的材料^於多孔基板之 例子中，可藉基板中之孔大小（例如如圖3中所示）控制通過 基板之流體-。於裝置中，基板可具有一或多個供流體流動 之孔（如圖6所示）；於此例巾，基板可為固體。當底座及基 板或工作片具有孔或導管時，其可彼此地以流體相通，以 致於可自多孔膜狀物與基板間移走流體，藉以㈣多孔薄 膜鄰近基板且修飾流體狀態。可將底座與基板間之孔及/或 導管排成一列。 針對表面、大小或形狀隨著時間改變(例如藉著在電化學 85239 -22- 1227952 程序中腐蚀工作片）之固體或自流體鍍出污染物之電極，可 使用鬆散、具撓性或移動的多孔膜狀物，以便當其形狀改 變時（由於電鍍、溶解或腐蝕）使多孔膜狀物與固體表面相 合。 更特別地，本發明係使用多孔膜狀物以自固體工作片移 除大量流體，俾產生大體上分開的流體隔間（其中流體孔係 與流體流環路以流體相通）。導管可連接至孔，以便提供與 流體流環路之物理連接。導管可經焊接、刻螺紋或包含與 裝置孔之0刺p八形連接點。孔可直接地連接至閥或其他流體 控制裝置，例如（但不限於）泵、流體流量計或銳孔流量計。 控制流體流經流體導管可調節通過膜狀物之流體流。膜狀 物上游之正壓或流體導管下游之負壓產生通過膜狀物之流 體流。可於多孔膜狀物與固體表面間使用分開的鬆排水層 (例如非常多孔之非織造膜狀），俾控制膜狀物與基板間之距 離且防止流體阻塞（由於膜狀物與基板之物理接觸）。增進通 過膜狀物之流體流動增進了流速且降低界面層厚度。 於本發明中，流體狀態係藉基板與流動的流體間之質量 或能量傳遞而修飾。基板可為電極、化學藥劑、熱交換器、 觸媒或此等之組合。本發明之應用包含電化學電池之固體 電極，其中電化學反應係在液體及固體界面發生，例如但 不限於電鍍電池、電解電池、具再循環流體之電池、燃料 電池。其亦可適用至電拋光、電化學機器加工或化學拋光 程序。基板可為熱交換裝置，例如電阻加熱器或Peltier冷 卻器，另外，基板可為電極（例如陽極或陰極）。可藉著使流 85239 -23- 1227952 體源流過孔以修飾與基板接觸之流體狀態（其中基板及孔 係受到多孔膜狀物包圍）。通過膜狀物之流動的流體係於膜 狀物與基板間形成薄流體膜，其係藉流體與基板間之質量 或能量傳遞而修飾流體狀態。多孔膜狀物保持鄰近基板， 甚土倘右基板之形狀或大小改變時亦同。 衣置之外罩或底座可具有一或多個供流體流動（受基板 修飾）之孔。可有單一或複數個延伸通過工作片之孔。亦可 有單一或複數個開口之導管（位於工作片下方或一側）。底座 孔或基板孔可視情況連接至導管（作為流體流動系統之一 #刀）。配件可包含烊接、刻螺紋、壓縮或喇队形的配件。 裝置可進步包含供支持基板用之底座。底座可具有與基 板孔以机相通之底座孔；底座孔係受到多孔膜狀物包 圍。外罩可為可拆卸之部件。舉例來說，圖钟所示之側壁 可具撓性及移動，俾使膜狀物得以保持鄰近基板。 藉著在工作片表面提供液體流及控制工作片表面之液_ 固擴散界面層，藉使用膜狀物自其他液體流分離工作片表 :液體流，可達到增進具有至少—個與液體接觸表面之固 片固擴散界面層處之f量傳輸。可藉著引起流 万式連續地自該工作片表面移走液體而控制沿著 工作片表面之分離的表面液體流高度。

I W \思介ygr厚度。可 層（例如受到本發明膜狀 覆蓋基板之膜狀物厚度為 85239 -24- 1227952 具厚度約20-40微米之0.2微米UPE膜狀物。舉例來說，已知 電化學電池中之限制電流係為流體中給定之主體離子濃度 之流體界面層厚度之函數。可經由關係式iL二[(nFDi (表面 離子濃度•主體離子濃度））/(邊界層厚度）]測定限制電流密 度；其中η為令人感興趣之離子電荷數，例如針對陽離子 Μ+η (即針對Cu+2或Ni2+，n=2)，F為法拉第常數，Di為離子 之擴散係數。M+n之表面離子濃度可取為標準溶液中之離子 濃度。 如圖8A中所示，於固體基板處之流體邊界層平均厚度（不 具膜狀物250、具膜狀物252以及具排水層及膜狀物254)每 一者係以通過膜狀物之液體流速之函數提供。圖顯示針對 覆蓋膜狀物252或膜狀物與排水層254相較於針對不具膜狀 物250之固體基板之減少的邊界層厚度。 本發明係提供如圖8B中所示之改良的電極操作。圖8B係 顯示具有鄰近電極之撓性多孔膜狀物2 5 6之具電極電池隨 時間之電阻變化百分率與不具鄰近電極之撓性多孔膜狀物 25 8之具電極電池隨時間通過之電阻變化百分率。電池電阻 係為每一系統中之電極安定性的指標。具鄰近電極之撓性 多孔膜狀物冬電極相較於不具膜狀物之電池具有遠更低的 電池電阻隨時間變化率。圖中顯示本發明之多孔膜狀物及 裝置控制之薄流體膜以及基板與多孔膜狀物間質量傳遞。 實例2 質量傳遞係為燃料電池中之限制因素。為了使質量傳遞 速率達到最大，陽極-陰極間隙需保持小，且離子交換材料 85239 -25- 1227952 通常用於電解質區域。離子交換膜狀物有離子傳輸速率及 溫度限制，且it常受到氧氣而惡化。 可使用具有燃料源266、氧化劑源268及鄰近陽極284表面 之相合的膜狀物276以控制流體邊界層282且如實例9所示 使質量傳遞達到最大。為了實現燃料電池中之相合膜狀 物，可使用泵280建立電解液再循環。電解液再循環將提供 電解液泥274，其係通過膜狀物276且將流體282掃過陽極 284表面。就其他應用而言，介於膜狀物與電極間之薄底水 層可用以改良流體速率及均勻性（未顯示）。再者，為了實施 此一 /谷液，處理·電極表面是必要的，俾使其不易降低“淹沒，， 陽極媒介物之機會，因而減少燃料（可能為氣態氫）傳遞至電 極（可為液態磷酸或過氧化j甲）。 本發明降低供改良固-液界面之質量或能量傳遞所需之 裝置大小及複雜性。此大大地簡化化學反應器系統之複雜 性、降低針對此等裝置之資本#用且得以在基板·流體界面 形成均勻的擴散界面層（此對於某些塗覆應用 作及電鍵程序是具關鍵㈣）。 十％池‘ 雖然本發明已參照其某些較佳具體例詳細地說明， 他^是可m因此’如附中請專利範圍之精神及範圍 不應受制於說明書，且較佳變化係包含於本說明書内。 【圖式簡單說明】 “、、以上現明、如附申請專利範圍及附圖，當可明白本 發明具體例之部分、並仙μ 他毖樣、特徵、優勢及優點，並中·· 圖1Α為根據本發明一 个貧月具骨豆實施例^意圖，其係說明膜 85239 -26 - 1227952 狀物覆蓋或包圍基板中之孔及基座中之孔； 圖1B為圖1A中裝置之示意圖，其係說明基板形狀改變後 之多孔膜狀物對基板之關係； 圖2A為根據本發明一具體實施例之示意圖9其係說明多 孔膜狀物包圍基板中之孔及基座中之孔及介於基板與多孔 膜狀物間之鬆排水層； 圖2B為圖2A中基板之示意圖，其係說明基板形狀改變後 之多孔膜狀物與鬆排水層對基板之關係； 圖3為基板之示意圖，其係說明多孔膜狀物覆蓋或包圍基 板及孔； 圖4為基板之示意圖，其係說明多孔膜狀物包圍基板且連 接至密封多孔膜狀物及裝置孔之撓性盤旋形構件； 圖5 A為具有一個供受到多孔膜狀物包圍之供流體流動之 孔之基板及底座之示意圖；圖5B為具有複數個供流體流動 之孔之示意圖且圖5C為具有一個孔之基板及底座之示意圖 (其中孔係連接至導管及流體流控制裝置）； 圖6為具有複數個連接點、一個具有孔之底座及一個連接 至撓性盤旋形構件（包圍或覆蓋底座中之孔）之基板示意圖； 圖7為包®具有一個孔之基板之多孔膜狀物示意圖； 圖8 A為根據本發明基板與多孔膜狀物間之流體層厚度； 8B為顯示本發明使用本案多孔膜狀物隨時間之安定性·， 圖9為具有電極及本發明膜狀物之燃料電池示意圖。 【圖式代表符號說明】 10 ， 50 ， 140 ， 180 流體容器或底座 85239 -27- 1227952 12， 14a 16， 18， 20， 22， 24， 26， 28， 30 32 34a 34b 36， 38， 60， 70， 72， 100 110 128 154 160 206 52 ， 102 ， 142 ^ 182 ， 222 $ 276 14b ， 54 ， 104 ， 144 ， 184 ， 224 56 ， 106 ， 146 ， 186 ， 226 ， 274 108 ， 148 ， 188 ， 198 ， 228 130 ， 130a ， 130b ， 130c ， 190a ， 62 ， 112 ， 152 ， 202 ， 232 ， 282 114 66 ， 116 ， 156 ， 196a ， 196b 68 ， 108 ， 238 支座 厚度或高度 初厚度 厚度 166，236 膜狀物固定處 168 ， 168a ， 168b ， 168c ， 248 150 流體導管 120 多孔口環 122 - 通道 工作片支架或外罩 流體孔 ，208 盤旋形構件 開口 裝置 密封件 膜狀物 基板或工作片 流體源 取出之流體 190b，248底座孔 界面層流體流 排水層 連接點 膜狀物流體流 基板孔 85239 -28 - 1227952 230 242 250 252 254 256 258 266 268 274 278 280 284 供銜接導管之構件 定位環 不具膜狀物 具膜狀物 具排水層及膜狀物 具有鄰近電極之撓性多孔膜狀物 不具鄰近電極之撓性多孔膜狀物 燃料源 氧化劑 電解液流 陰極 泵 陽極 85239 -29-

Claims (1)

1227952 拾、申請專利範園： \ ’ 一種控制基板與流體間之界面處流體流動之裝置，其包 含： 一多孔膜狀物，其係鄰近且覆蓋基板；及 一基板孔，其係受到該多孔膜狀物覆蓋，該多孔膜狀 物引導流體源流動於該基板與該多孔膜狀物間且通過該 基板孔，流經該基板與該膜狀物間之該流體流修飾流體 狀態且實質上使該多孔膜狀物保持鄰近該基板。 .如申請專利範圍第1項之裝置，其尚包含一供支持該基板 Φ 用之底座，該底座具有受到該多孔膜狀物覆蓋之底座 孔’違底座孔係與介於該基板與該膜狀物間之流體以流 體相通。 3 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其尚於該基板與該多孔膜· 狀物間包含一鬆排水層。 •如申請專利範圍第1項之裝置，其中該多孔膜狀物是親水 性的。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基板係電極、化學 · 藥劑、加熱器、冷卻器、觸媒或此等之組合。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中介於該多孔膜狀物與 孩基板間之流體流係受到與介於該多孔膜狀物與該基板 間之流體以流體相通之流量計、泵、閥或銳孔流量計控 制。 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其尚於該基板與電源供應 器間包含至少一個電連接點。 85239 1227952 •如申請專利範圍第2項之裝置，其包含密封於該多孔膜狀 物之撓性盤旋形構件，該撓性盤旋形構件係與該底座形 成密封流體之密封件，該多孔膜狀物與該撓性盤旋形構 件係於流體流動期間使該多孔膜狀物鄰近該基板。 9· 一種用以修飾鄰近基板之流體狀態之裝置，該裝置包含： 一多孔膜狀物，其係鄰近且覆蓋該基板，該多孔膜狀 物，其係引導流體源流動於該基板與該多孔膜狀物間， 因而修飾流體狀態，及該流體流實質上使該多孔膜狀物 保持鄰近該基板；及 ® 一供支持該基板用之底座，該底座具有與介於該基板 與该膜狀物間之流體以流體相通之底座孔，該底座孔係 受到該多孔膜狀物覆蓋。 10.如申請專利範圍第9項之裝置，其包含密封於該多孔膜狀， 物 < 撓性盤旋形構件，該撓性盤旋形構件係與該底座形 成密封流體之密封件，該多孔膜狀物與該撓性盤旋形構 件係於泥體流動期間使該多孔膜狀物鄰近該基板。 11·如申請專利範圍第9項之裝置，其中該膜狀物是親水性鲁 白勺。 12. 如申請專利範圍第9項之裝置，其尚於該基板與該多孔膜 狀物間包含一鬆排水層。 13. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該基板係電極、化學 藥劑、加熱器、冷卻器、觸媒或此等之組合。 14. 一種修飾與基板接觸之流體狀態之方法，該方法包含： 使流體源流經裝置中之孔，該裝置包含多孔膜狀物及 85239 - 2- 1227952 固體基板，該孔及基板係受到該膜狀物覆蓋；流經該孔 之流體係以保持沉體流鄰近該基板之方式流於該基板與 該膜狀物間；及 藉由流體與遠基板間之質量或能量傳遞修飾流體狀 態。 15·如申請專利範圍第14項之方法，其中該固體基板係電 極、化學藥劑、熱交換器、觸媒或此等之組合。 1 6. —種增進暴露於液體環境之固體工作片之液-固擴散界面 層處質量傳輸之裝置，該裝置包含·· 一多孔聚合型膜狀物，其係連接至外罩且用以與該固 體工作片相合，且經安裝以自部分程序液體源分開該工 作片，俾於該膜狀物與該固體工作片間形成隔間且產生 間隙；及 導官，其係與自隔間外之隔間以流體相通，因而通 k 4膜狀物之液體流係藉著自流體管線取出液體而受到 控制，且沿著該工作片之側向流體係受到介 1 與該固體工作片表面間之間隙產生。 ^物 17. 18. 19. 20. 如申請專利範圍第16項之裝置，其尚於該固體工作片表 面與該膜狀物間包含一鬆排水層。 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該多孔聚合型膜狀 物係為聚乙缔、聚丙烯、PTFE、PFA或pvdf。 =申請專利範園第16項之裝置，其中該工作片係為電極。 :申請專利範圍第16項之裝置’其中該多孔聚合型膜狀 係充分地具撓性，俾當該固體工作片改變形狀時得以 85239 -3- 1227952 與該固體工作片表面相合。 2“中請專利第16項之裝置’其中該多孔聚合型膜狀 物係固定於環形物或外罩，俾使該膜狀物得以與該固體 工作片表面相合。 22.如申請專利範圍第21項之裝置，其中該多孔聚合型膜狀 ㈣結合至具有充纽狀物之硬環、平板或杯狀物，俾 t孩㈣工作片改變形狀時得以使該膜狀物與該固體工 作片表面相合。

认如申請專利範圍第21項之裝置，其中該多孔聚合型膜狀 物係結合至撓性構件’俾當該固體工作片改變形狀時得 以使該膜狀物與該固體工作片表面相合，且 孩撓性構件係為具有盤旋形之薄膜且該撓性構件係結 合至該外罩。 24·如申請專利範圍第則之裝置，其中該多孔聚合型膜狀 物係結合至可拆卸的外罩上’且該可拆卸的外罩係為盤 旋形膜。

25·如申叫專利範圍第21項之裝置，其中該導管係為延伸通 過孩工作片之單一或複數開口導管。 26·如申請專利範園第㈣之裝置，其中該多孔聚合型膜狀 物是親水性的。 27.:申請專利範園第18項之裝置，其中該流體係用以塗覆 基板。 28. 一種增進具有 液-固擴散界面 至少一個與液體接觸表面之固體工作片之 層處質量傳輸之方法，該方法包含： 85239 -4- 1227952 表4工作片之該表面上提供一表面液體流· 猎著自一流體源分離該表面液體流且限制沿著該工作 表面之刀離的表面液體流南度以控制工作片表面之今 液-固擴散界面層；及 《以 、在4工作片表面引起〉虎體流之方式連續地自該工作 片表面移走液體。 29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中該工作片係為電極。 30. 如申請專利範圍第28項之方法，其中該工作片係連接至 電源供應器。 3 1 ·如申請專利範圍第28項之方法，其尚包含以液體塗覆基 板之動作。