CN103861453B - 废气净化反应器的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种废气净化反应器的制造方法，该废气净化反应器可为一废气净化反应管或是一废气净化反应蜂巢，该废气净化反应管的制造方法为将一管体于一外壁面以及一内壁面分别披覆一阴极层以及一阳极层，并于该管体的一内部通道形成一封闭的还原性环境而制成；该废气净化反应蜂巢的制造方法为将一蜂巢体于一第一管道的一第一内壁面以及一第二管道的一第二内壁面分别披覆一阴极层以及一阳极层，并于该第二管道内形成一封闭的还原性环境而制成。据此，本发明以该阴极层做为一净化一废气的反应侧，不需额外设置一还原气系统，而缩减体积及降低生产成本。

Description

废气净化反应器的制造方法

技术领域

本发明有关一种电触媒转化器，尤指一种废气净化反应管以及废气净化反应蜂巢的制造方法。

背景技术

清新与洁净的空气是人類生活的基本要件之一，呼吸干净无污染的空气能确保人类稳定健康地生存。科技的卓越提升，虽带动经济的迅速发展，然而，来自于交通工具及各式林立工厂的废气排放，却也导致空气遭受污染，而对人类生活的空气质量影响甚巨。其中，重工厂和机动车辆为众多污染物质的主要來源。

以机动车辆为例，虽然机动车辆排放标准不断提高，但由于车辆數量不断增加，车辆排放废气所带來的空气污染问题，于是与日俱增。一般来说，机动车辆引擎的运转为将不同形式燃料经由汽缸内燃而释放出热能，并产生传输动力；惟在燃烧过程中，产生的废气通常包含氮氧化物、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HCs)、微粒污染物(PT)、黑烟(smoke)、非甲烷碳氢化合物(NMHC)及甲烷(CH4)等有害污染物，该等物质不仅会形成光化烟雾（photochemical smog），更会破坏臭氧、加剧温室效应的恶化及引致酸雨等，进而破坏生态环境，危害人体健康。

其中，一氧化碳来自引擎的不完全燃烧，其与血红素结合成一氧化碳血红素（COHb）的能力为血红素与氧结合成氧合血红素(HbO2)的300倍，故空气中一氧化碳浓度过高时，将影响血红素输送氧气的功能；氮氧化物则来自氮气与氧气的化合，主要以一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)的形式排出，同样易与血红素结合，而影响人类的呼吸、循环机能；此外，低浓度的碳氢化合物会刺激呼吸系统，若浓度提高，则会对中枢神经系统的运作机能产生影响。

因此，不管我国或是欧盟、日本、美国等先进国家，均已订定益趋严格的废气排放标准(如美规BIN5以及欧规EURO6)，针对氮氧化物(NOx)、一氧化 碳(CO)、碳氢化合物(HCs)等废气的排放订定标准，藉以控制并减少有害气体的排放，同时鼓励业者制造、研发、引进使用最新污染防制技术的产品。

常用富氧燃烧废气排放控制技术中，并无任何单一装置或转化器可同时对氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HCs)进行转化。以富氧燃烧机动车辆排气系统的触媒转化器来说，其大多仅能针对一氧化碳与碳氢化合物进行催化，而对于氮氧化物，则必须仰赖其它辅助的装置或系统，对其进行转化。例如：现今柴油车辆的排气管除安装氧化触媒转化器用以催化一氧化碳和碳氢化合物外，多数须再另行搭配废气再循环系统(exhaust gas recirculation,EGR)或是以汽缸喷水等方式去除氮氧化物，较新者则以加装选择性触媒还原(selective catalytic reduction,SCR)系统来还原氮氧化物。

选择性触媒还原系统乃利用氨气(NH3)或尿素水(urea,CO(NH2)2)作为反应物，尿素水经喷嘴注入排气管中会分解成氨气，遂再与氮氧化物进行反应，使其转变为氮气(N2)和水(H2O)。然而，具毒性的氨气除储藏不易有外漏风险外，其反应不完全时会造成二次污染；再者，该选择性触媒还原系统的体积庞大，且多数须搭配精密传感器辅助控制。

此外，美国专利第5401372号的「Electrochemical catalytic reduction cell for the reduction ofNOx in an O2-containing exhaust emission」揭露一种单独去除氮氧化物的装置，为利用电触媒还原反应，配合五氧化二钒(vanadium pentaoxide，V2O5)触媒催化辅助氮氧化物转化为氮气；该装置须于一密封性的炉腔内反应，且须外加电源供应，致使该装置中的一电化学电池运作，如此不仅耗费能源且无法满足同时去除废气中有害气体的目标。

故于美国发明专利申请第13037693的「ELECTROCHEMICAL-CATALYTIC CONVERTER FOR EXHAUST EMISSION CONTROL」揭露一种去除废气中氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HCs)以及粒状物(PM)的电触媒转化器，该电触媒转化器包含一电池模块，其中的氮氧化物经电化学促进分解形成氮气与氧气，一氧化碳、碳氢化合物和粒状物则经氧化触媒催化形成二氧化碳和水，而达到同时去除多种有害气体的效果。

不过由于上述的电触媒转化器需要负责产生电动势的还原气系统，不仅额外增加制造上的生产成本，且循环的还原气体在加热单元的加热下，容易因热 胀冷缩的关系造成阳极部的结构损坏；同时，该转化器不易堆栈出够小体积的装置以利于汽车使用；因此，其仍有改善的必要。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决现有技术的电触媒转化器需额外设置产生电动势的还原气系统，产生制造成本增加、结构容易损坏以及体积无法有效缩小的问题。

为达上述目的，本发明提供一种废气净化反应器的制造方法，该废气净化反应器可为一废气净化反应管或是一废气净化反应蜂巢。

该废气净化反应管的制造方法包含以下步骤：

提供一由一固态氧化物制成的管体，该管体包含一内部通道、一围绕该内部通道的内壁面以及一远离该内壁面的外壁面；

于该外壁面上披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该外壁面上的一阴极层；

于该内壁面上披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该内壁面上的一阳极层；以及

对该内部通道提供一还原性环境并封闭该管体，以密封该还原性环境而得到该废气净化反应管，其中，该阴极层表面做为一净化一废气的反应侧。

而该废气净化反应蜂巢的制造方法包含以下步骤：

提供一由一固态氧化物制成的蜂巢体，该蜂巢体包含多个通道以及一位于该通道之间的间隔墙；

定义该通道包括多个供废气通过的第一管道以及多个待封闭的第二管道，该第一管道与该第二管道相邻；

于该第一管道的一第一内壁面披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该第一内壁面上的一阴极层；

于该第二管道的一第二内壁面披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该第二内壁面上的一阳极层，使该间隔墙位于该阳极层与该阴极层之间；以及

对该第二管道提供一还原性环境并封闭该第二管道，以密封该还原性环境而得到该废气净化反应蜂巢，其中，暴露于该第一管道的该阴极层表面做为一 净化一废气的反应侧。

如此一来，本发明藉由制备该废气净化反应管以及制备该废气净化反应蜂巢，至少具有下列优点：

1.本发明不需额外设置还原气系统，即可以该阴极层对一废气进行净化，减少生产的成本，并避免结构容易损坏的问题。

2.本发明由于不需设置该还原气系统，而得以有效缩小整体体积同时达成净化的效果，可设置于车辆引擎排气管中，消除引擎排放的富氧燃烧废气中的有害物质，减少空气污染。

附图说明

图1A至图1D，为本发明第一实施例的制造流程示意图。

图2A至图2D，为本发明第二实施例的制造流程示意图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下：

本发明提供一种废气净化反应器的制造方法，该废气净化反应器可为一废气净化反应管或是一废气净化反应蜂巢，以下将藉由一第一实施例以及一第二实施例分别说明该废气净化反应管以及该废气净化反应蜂巢的制造方法。

请参阅『图1A』至『图1D』所示，为本发明第一实施例的制造流程示意图，该废气净化反应管的制造方法，包含以下步骤：

步骤1：如『图1A』，提供一由一固态氧化物制成的管体10，该固态氧化物可为萤石结构金属氧化物、钙钛矿结构金属氧化物等，例如：萤石结构的氧化钇稳定化氧化锆(yttria-stabilized zirconia，YSZ)、稳定化氧化锆、萤石结构的氧化钆掺杂氧化铈(gadolinia-doped ceria，GDC)、掺杂氧化铈、钙钛矿结构的锶及镁掺杂镓酸镧(strontium/magnesium-doped lanthanum gallate，LSGM)、掺杂镓酸镧，在此为选用由氧化锆形成的该管体10，该管体10包含一内部通道11、一第一通口14、一第二通口15、一内壁面12以及一外壁面13，该内部通道11位于该第一通口14与该第二通口15之间而连通该第一通口14与该第二通口15，该内壁面12围绕该内部通道11，而该外壁面13远离该内壁面12。

步骤2：如『图1B』，于该外壁面13上披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该外壁面13上的一阴极层20；该阴极材料可为钙钛矿结构金属氧化物、萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物或加金属的萤石结构金属氧化物，例如：钙钛矿结构的镧锶钴铜氧化物、镧锶锰铜氧化物、镧锶钴铜氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合、镧锶锰铜氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合、加银的镧锶钴铜氧化物、加银的镧锶锰铜氧化物、加银的镧锶钴铜氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合、加银的镧锶锰铜氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合，而该第一烧结作业的目的在于使该阴极材料产生脱脂及烧结，而得到该阴极层20，所使用的升温、降温程序及次数可依该阴极材料的选择而进行调整。

在此实施例中，以该阴极生胚层含有为镧锶锰铜氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合的该阴极材料为举例说明，先将该第一通口14以及该第二通口15以一胶带封闭，再将萤石结构的氧化钆掺杂氧化铈以浸渍的方式涂布于该外壁面13上，之后取下该胶带，并于一烘箱中以50°C进行干燥6小时，接着以每分钟5°C的升温速率进行热处理，从室温升至600°C，持温2小时，再升至900°C，持温2小时，再升至1200°C，持温4小时，再以同样的速率及持温时间降回室温，接续，同样再以封闭该第一通口14及该第二通口15和浸渍的方式，于同一面上涂布镧锶锰铜氧化物，并于该烘箱中以50°C进行干燥6小时，接着以每分钟5°C的升温速率进行热处理，从室温升至300°C，持温2小时，再升至600°C，持温2小时，再升至900°C，持温4小时，再以同样的速率及持温时间降回室温，而形成该阴极层20。

步骤3：如『图1C』，于该内壁面12上披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该内壁面12上的一阳极层30；该阳极材料可为萤石结构金属氧化物(fluorite metal oxides)、钙钛矿结构金属氧化物、萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物或加金属的萤石结构金属氧化物，例如：镍及氧化钇稳定化氧化锆金属陶瓷(Ni-YSZ cermet)。

在此实施例中，以该阳极生胚层含有为氧化镍及氧化钇稳定化氧化锆金属陶瓷的该阳极材料为举例说明，为先将以该阳极材料制成的浆料沿着该内壁面12倒入，并使多余的浆料自然滑落并风干，接着进行该第二烧结作业，于该 烘箱中以50°C进行干燥6小时，接着以每分钟5°C的升温速率进行热处理，从室温升至300°C，持温2小时，再升至600°C，持温2小时，再升至900°C，持温4小时，再以同样的速率及持温时间降回室温，该第二烧结作业的目的与该第一烧结作业相同，在此则不再赘述，唯特别的地方在于，由于为选用氧化镍及氧化钇稳定化氧化锆金属陶瓷为该阳极材料，尚需将该氧化镍还原为镍，因此将该阳极生胚层连同该管体10置入一石英管中并通入氢气，以每分钟5°C的升温进行一热处理，并在400°C持温8小时，在不破坏该阴极层20的状态下，令该阳极生胚层由氧化镍及氧化钇稳定化氧化锆金属陶瓷还原成镍及氧化钇稳定化氧化锆金属陶瓷，至此形成该阳极层30。

步骤4：如『图1D』，对该内部通道11提供一还原性环境111并封闭该管体10，以密封该还原性环境111而得到该废气净化反应管；在此实施例中，为将一还原物112填入该内部通道11之中，而该还原物112可为一还原性氛围，可为还原性固体，例如石墨粉、碳黑，或还原性液体，例如氨水，或还原性气体，例如甲烷、氢气等，再以一胶体113将该还原物112封闭于该内部通道11内，以形成该还原性环境111，该胶体113在此为使用一陶瓷胶，其可耐高温，且热膨胀系数与该管体10相似，常见的该胶体113主成分为氧化铝、氧化硅，至此完成该废气净化反应管的制作，使该阴极层20表面暴露于外界而作为一净化一废气40的反应侧，该还原性环境111促使该阳极层30及该阴极层20之间产生一电动势，供驱动促进该阴极层20与该废气40进行一净化该废气40中氮氧化物的触媒分解反应。尚需补充说明的是，于该内部通道11中亦可不填入该还原物112，而直接以该胶体113密封该内部通道11，并令该内部通道11的气压小于1大气压，如形成真空状态，而同样可形成该还原性环境111。

请参阅『图2A』至『图2D』所示，为本发明第二实施例的制造流程示意图，在第二实施例中，该废气净化反应蜂巢的制造方法，包含以下步骤：

步骤A：如『图2A』，提供一由一固态氧化物制成的蜂巢体50，该蜂巢体50包含多个通道51以及一位于该通道51之间的间隔墙52，该通道51为受该间隔墙52相隔而相邻排列，在此以该通道51的截面为呈方形举例说明，但不以此为限制，亦可呈圆形或六边形等，而形成紧密堆积的结构。

步骤B：定义该通道51包括多个供一废气80(示于图2D)通过的第一管道 511以及多个待封闭的第二管道513，该第一管道511与该第二管道513相邻，在此为以该第一管道511与该第二管道513之间，形成相邻并交错的排列为一较佳的设置方式，但不以此为限制。

步骤C：如『图2B』，于该第一管道511的一第一内壁面512披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该第一内壁面512上的一阴极层60；在第二实施例的步骤C之中，与第一实施例的步骤2相较之下，步骤C的特征在于为以一硅胶垫片将该第二管道513先封闭，而于该第一内壁面512上进行该阴极生胚层的披覆，至于对该阴极材料所使用的涂布方式以及进行的该第一烧结制程，则与上述步骤2相同，在此不再行描述，据此得到该阴极层60。

步骤D：如『图2C』，于该第二管道513的一第二内壁面514披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该第二内壁面514上的一阳极层70，使该间隔墙52位于该阳极层70与该阴极层60之间；同理，在第二实施例的步骤D中，与第一实施例的步骤3相较之下，步骤D的特征在于将封闭该第二管道513的该硅胶垫片取下，改以封闭该第一管道511，而得以浸渍的方式涂布该阳极材料于该第二内壁面514上，之后再将该硅胶垫片从该第一管道511取下，再利用与步骤3相同的该第二烧结制程与还原程序，将该阳极生胚层于该第二内壁面514上形成该阳极层70。

步骤E：如『图2D』，对该第二管道513提供一还原性环境515并封闭该第二管道513，以密封该还原性环境515而得到该废气净化反应蜂巢，同样的，步骤E与步骤4相较之下，形成该还原性环境515、一还原物516及一胶体517的方式相同，唯步骤E的特征在于，该还原性环境515为形成于该第二管道513之中，该废气净化反应蜂巢的该第一管道511为供该废气80流通，该第二管道513与该第一管道511之间隔有该间隔墙52，因此，从该第二管道513经该间隔墙52至该第一管道511，依序形成该还原性环境515、该阳极层70、为固态氧化物的该间隔墙52以及该阴极层60的层状结构，而以暴露于该第一管道511的该阴极层60表面做为一净化该废气80的反应侧，进行一净化该废气80中氮氧化物的触媒分解反应。

综上所述，由于本发明藉由制备该废气净化反应管以及制备该废气净化反 应蜂巢，使得本发明不需额外设置还原气系统，即可以该阴极层对一废气进行净化，减少生产的成本，并避免结构容易损坏的问题，再者，由于本发明不需设置该还原气系统，而得以有效缩小整体体积同时达成净化的效果，可设置于车辆引擎排气管中，消除引擎排放的该富氧燃烧废气中的有害物质，减少空气污染，因此本发明极具进步性及符合申请发明专利的要件，爰依法提出申请，祈钧局早日赐准专利，实感德便。

以上已将本发明做一详细说明，惟以上所述者，仅为本发明的一较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明权利要求保护范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。

Claims (14)

1.一种废气净化反应管的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

提供一由一固态氧化物制成的管体，该管体包含一内部通道、一围绕该内部通道的内壁面以及一远离该内壁面的外壁面；

于该外壁面上披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该外壁面上的一阴极层；

于该内壁面上披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该内壁面上的一阳极层；以及

对该内部通道提供一还原性环境并封闭该管体，以密封该还原性环境而得到该废气净化反应管，其中，该阴极层表面做为一净化一废气的反应侧。

2.根据权利要求1所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该还原性环境的形成方法包含以下步骤：

于该内部通道填入一还原物；以及

以一胶体封闭该管体令该还原物位于该内部通道而形成该还原性环境。

3.根据权利要求2所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该还原物为一还原性氛围，该还原性氛围为选自还原性固体、还原性液体及还原性气体所组成的群组。

4.根据权利要求1所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该还原性环境的形成方法包含以下步骤：

于该内部通道形成一小于一大气压的气压；以及

以一胶体封闭该管体，于该内部通道形成该还原性环境。

5.根据权利要求1所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该固态氧化物选自由萤石结构金属氧化物、钙钛矿结构金属氧化物及其组合所组成的群组。

6.根据权利要求1所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该阴极材料选自由钙钛矿结构金属氧化物、萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物、加金属的萤石结构金属氧化物及其组合所组成的群组。

7.根据权利要求1所述的废气净化反应管的制造方法，其特征在于该阳极材料选自由金属及萤石结构金属氧化物组成的陶金、钙钛矿结构金属氧化物、 萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物、加金属的萤石结构金属氧化物及其组合所组成的群组。

8.一种废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

提供一由一固态氧化物制成的蜂巢体，该蜂巢体包含多个通道以及一位于该通道之间的间隔墙；

定义该通道包括多个供废气通过的第一管道以及多个待封闭的第二管道，该第一管道与该第二管道相邻；

于该第一管道的一第一内壁面披覆一含有一阴极材料的阴极生胚层，并进行一第一烧结制程，令该阴极生胚层形成位于该第一内壁面上的一阴极层；

于该第二管道的一第二内壁面披覆一含有一阳极材料的阳极生胚层，并进行一第二烧结制程，令该阳极生胚层形成位于该第二内壁面上的一阳极层，使该间隔墙位于该阳极层与该阴极层之间；以及

对该第二管道提供一还原性环境并封闭该第二管道，以密封该还原性环境而得到该废气净化反应蜂巢，其中，暴露于该第一管道的该阴极层表面做为一净化一废气的反应侧。

9.根据权利要求8所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该还原性环境的形成方法包含以下步骤：

于该第二管道填入一还原物；以及

以一胶体封闭该第二管道令该还原物位于该第二管道而形成该还原性环境。

10.根据权利要求9所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该还原物为一还原性氛围，该还原性氛围为选自还原性固体、还原性液体及还原性气体所组成的群组。

11.根据权利要求8所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该还原性环境的形成方法包含以下步骤：

于该第二管道形成一小于一大气压的气压；以及

以一胶体封闭该第二管道，于该第二管道形成该还原性环境。

12.根据权利要求8所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该固态氧化物选自由萤石结构金属氧化物、钙钛矿结构金属氧化物及其组合所组成的群组。

13.根据权利要求8所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该阴极材料选自由钙钛矿结构金属氧化物、萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物、加金属的萤石结构金属氧化物及其组合所组成的群组。

14.根据权利要求8所述的废气净化反应蜂巢的制造方法，其特征在于该阳极材料选自由金属及萤石结构金属氧化物组成的陶金、钙钛矿结构金属氧化物、萤石结构金属氧化物、加金属的钙钛矿结构金属氧化物、加金属的萤石结构金属氧化物及其组合所组成的群组。