CN105233666B - 控制废气排放的电化学双电池板及装置 - Google Patents

Abstract

一种控制废气排放的电化学双电池板及装置，用以净化一富氧燃烧废气，该电化学双电池板包括一由金属或合金组成而呈现一还原性的基板、一固态氧化物层、一阴极层以及一边缘层，该边缘层和该固态氧化物层共同覆盖并密封该基板，且分别具有一第一致密微结构和一第二致密微结构，该阴极层完全覆盖该固态氧化物层，且由一多孔性材质组成并具有一氧化性环境，该氧化性环境与该还原性令该基板与该阴极层之间产生一电动势，藉此驱动促进该富氧燃烧废气中的硫氧化物及氮氧化物进行一分解反应而形成硫蒸气、氧气及氮气。

Description

控制废气排放的电化学双电池板及装置

技术领域

本发明涉及一种电化学双电池板及装置，尤其涉及一种控制废气排放的电化学双电池板及装置。

背景技术

导致空气污染的废气通常包含氮氧化物(Nitrogen Oxides，NO_x)、硫氧化物(Sulfur Oxides，SO_x)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(Hydrocarbons，HCs)、粒状物(Particulate Matter，PM)等，其中，已有研究显示，包括如汽机车、工厂、发电厂所排放废气中的硫氧化物(SO_x)，会对人体健康造成重大的影响，也因此，长期来，众多产业界与学界均持续发展能有效去除废气中的硫氧化物的技术。

而如机动车辆，虽然机动车辆排放标准不断提高，但由于车辆数量不断增加，车辆排放废气所带来的空气污染问题，仍然与日俱增。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(NO_x)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(Hydrocarbons，HCs)、粒状物(Particulate Matter，PM)等有害污染物，该些物质不仅会形成光化学烟雾(Photochemical Smog)，更会引致酸雨，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，而与碳氢化合物经紫外线照射后发生反应形成有毒的光化学烟雾，具有特殊气味、刺激眼睛、伤害植物，并使大气能见度降低，且氮氧化物与空气中的水反应形成硝酸及亚硝酸，其为酸雨的成分；碳氢化合物在低浓度时即会刺激呼吸系统，若浓度提高，则会对中枢神经系统的运作机能产生影响；而粒状物亦会危害人体的健康，甚至于引起癌症的发生。

因此，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EURO 6)，针对氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物和粒状物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。

如美国发明专利公告第US 5,401,372号的「Electrochemical catalyticreduction cell for the reduction of NOx in an O2-containing exhaust emission」揭露一种单独去除氮氧化物的装置，为利用电化学触媒还原反应，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。然而，上述的该装置须额外加上电源供应，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达成同时去除废气中多种有害气体的目标。

故于美国发明专利公告第US 9,028,764号的「Electro-catalytic honeycombfor exhaust emissions control」，其揭露一种控制废气排放的电触媒蜂巢，可用以净化废气中的氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物和粒状物，其中该氮氧化物被分解成氮气与氧气，该一氧化碳、该碳氢化合物及该粒状物被氧化成二氧化碳和水。因此，该电触媒蜂巢在不需耗费额外能源及还原性气体之下，即可净化多种污染物。然而，该电触媒蜂巢的制造成本较高，且于处理含尘量高的废气时易被尘粒阻塞。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决现有用于控制废气排放的电触媒蜂巢的制造成本高且于处理含尘量高的废气时易被尘粒阻塞的缺点。

为达上述目的，本发明提供一种控制废气排放的电化学双电池板，用以净化一富氧燃烧废气，其包括有：

一由金属或合金组成而呈现一还原性的基板，该基板具有一外表面，该外表面包括一顶面、一相对该顶面的底面以及一连接于该顶面与该底面之间的侧边；

一覆盖该顶面及该底面的固态氧化物层，该固态氧化物层具有一第一致密微结构；

一覆盖该侧边的边缘层，该边缘层具有一第二致密微结构，并和该固态氧化物层共同密封该基板的该外表面；以及

一覆盖该固态氧化物层的阴极层，该阴极层由一多孔性材质组成，并与该富氧燃烧废气接触而具有一氧化性环境；

其中，该还原性与该氧化性环境令该基板与该阴极层之间产生一电动势，使该阴极层形成一对应该基板的该顶面的第一反应侧以及一对应该基板的该底面的第二反应侧，藉该电动势驱动促进该富氧燃烧废气中的硫氧化物及氮氧化物于该第一反应侧与该第二反应侧进行一分解反应而形成硫蒸气、氧气及氮气。

为达上述目的，本发明进一步提供一种控制废气排放的电化学装置，用以净化一富氧燃烧废气，包括有：

多个该控制废气排放的电化学双电池板；以及

一架体，该架体包含一供该富氧燃烧废气流入的输入端、一供该富氧燃烧废气流出的输出端以及一设于该输入端与该输出端之间的容置空间；

其中，该控制废气排放的电化学双电池板是相隔地设置于该容置空间内而于彼此间形成至少一供该富氧燃烧废气流经并与该第一反应侧与该第二反应侧接触的通道。

由于本发明控制废气排放的电化学双电池板是以该基板为结构基础，依序于该基板上覆着该固态氧化物层、该阴极层以及该边缘层，即完成制作，故具有工艺简便的优点，该基板除了具有承载该固态氧化物层以及该阴极层的功能外，藉由其所呈现的该还原性，使该基板兼具阳极的特性；且该基板仅为一板状的材料，毋须如现有的电触媒蜂巢装置需要蜂巢状结构以致制造较为困难而成本较高，因此，本发明更具有成本便宜的优点；此外，于该电化学装置中，由于该控制废气排放的电化学双电池板是相隔地设置于该容置空间内而于彼此间形成一供该富氧燃烧废气流经的通道，该通道可较不易被尘粒阻塞，因此，该电化学双电池板的电化学装置尚具有处理含尘量高的废气的特点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1，为本发明第一实施例的立体外观示意图；

图2，为本发明第一实施例中，图1的A-A结构剖视示意图；

图3，为本发明第二实施例的结构剖视示意图；

图4，为本发明第三实施例的立体外观示意图；

图5，为本发明第三实施例中，图4的B-B结构剖视示意图；

图6，为本发明第四实施例的立体外观示意图；

图7，为本发明第五实施例的立体外观示意图。

具体实施方式

涉及本发明的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：

本发明为一种控制废气排放的电化学双电池板，用以净化一富氧燃烧废气，本发明所指的富氧燃烧废气是指包含硫氧化物(Sulfur Oxide)、氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(Hydrocarbons，HCs)或粒状物(Particulate Matter，PM)的废气，包括但不限于汽机车所排放的废气、工厂运作所产生的废气以及发电厂所排放的废气或沼气环境等。为方便理解本发明的技术，以下是以发电厂所排放的富氧燃烧废气作为说明。

如图1与图2所示，分别为本发明第一实施例的立体外观示意图以及图1的A-A结构剖视示意图，本发明提供的一控制废气排放的电化学双电池板10是用于净化一富氧燃烧废气20，该控制废气排放的电化学双电池板10包括一基板11、一固态氧化物层12、一边缘层13以及一阴极层14，该基板11具有一外表面111，该外表面111包括一顶面112、一相对该顶面112的底面113以及一连接于该顶面112与该底面113之间的侧边114，该基板11的材质可为金属或合金而呈现一还原性，于本实施例中，该顶面112与该底面113是平行一水平方向延伸而使该基板11形成一平板状。于本发明中，该基板11除了具有承载该固态氧化物层12以及该阴极层14的功能外，藉由其所呈现的该还原性，使该基板11兼具阳极的特性。

该固态氧化物层12覆盖该顶面112与该底面113，该固态氧化物层12具有一第一致密微结构，该边缘层13覆盖该侧边114，该边缘层13具有一第二致密微结构，并和该固态氧化物层12共同密封该基板11的该外表面111，藉此维持该基板11的该还原性。该固态氧化物层12的材质可为萤石结构金属氧化物或钙钛矿结构金属氧化物，例如：萤石结构的氧化钇稳定化氧化锆、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-dopedLanthanum Gallate，LSGM)、掺杂镓酸镧。该边缘层13的材质可为玻璃或陶瓷。

该阴极层14是覆盖该固态氧化物层12，该阴极层14与该富氧燃烧废气20接触而具有一氧化性环境，该阴极层14由一多孔性材质组成而具有大量的孔洞，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氧化物、镧锶锰氧化物、镧锶钴氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合、镧锶锰氧化物及氧化钆掺杂氧化铈的组合。

在本发明中，该基板11的该还原性与该阴极层14的该氧化性环境令该基板11与该阴极层14之间产生一电动势，使该阴极层14形成与该富氧燃烧废气20接触的一第一反应侧141以及一第二反应侧142，该第一反应侧141是对应该基板11的该顶面112，而该第二反应侧142是对应该基板11的该底面113。如此一来，该电动势将驱动促进该富氧燃烧废气20中的硫氧化物及氮氧化物于该第一反应侧141与该第二反应侧142进行一分解反应而形成硫蒸气、氧气及氮气，以达到控制废气的功效。补充说明，本发明控制废气排放的电化学双电池板所指的电化学双电池，乃是该基板11上下侧各和该固态氧化物层12以及该阴极层14形成各一组电化学电池，而有两组电化学电池。另外，涉及本发明实际使用时的化学反应与过程，将详述如后。

请参阅图3，为本发明第二实施例的结构剖视示意图，于第二实施例中，该控制废气排放的电化学双电池板10还可包含一界面层15以及一粉末层16，该界面层15设置于该固态氧化物层12与该阴极层14之间，以促进该固态氧化物层12与该阴极层14连接，该界面层15的材质可为萤石结构金属氧化物或钙钛矿结构金属氧化物，例如萤石结构的氧化钆掺杂氧化铈。该粉末层16设置于该基板11的该外表面111与该固态氧化物层12之间，且为一呈现一还原性的材料，利用该粉末层充分地接触该基板11与该固态氧化物层12，得更有效地增进该基板11与该固态氧化物层12之间的一交互作用(interaction)，即将该基板11的该还原性作用(interacting)至该固态氧化物层12，增进该基板11和该固态氧化物层12之间的还原性接触，且本身亦可增加阳极侧(即该顶面112和该底面113)的还原性，故可增进该电动势的产生。

请继续参阅图4与图5，分别为本发明第三实施例的立体外观示意图以及图4的B-B结构剖视示意图，于第三实施例中，该顶面112是沿一水平方向分别形成多个上凹陷部1121及多个与该上凹陷部1121相邻的上凸出部1122，且该底面113沿该水平方向分别形成多个下凹陷部1131及多个与该下凹陷部1131相邻的下凸出部1132，如此一来，与前述的第一实施例和第二实施例相较，在该控制废气排放的电化学双电池板10具有相同的长度与宽度的条件下，第三实施例将因该基板11呈波浪状的设计，而该阴极层14的该第一反应侧141与该第二反应侧142具有更大的面积，故处理该富氧燃烧废气20的效率将更高。

请继续参阅图6，为本发明第四实施例的立体外观示意图，此实施例是一控制废气排放的电化学装置，该控制废气排放的电化学装置包括多个该控制废气排放的电化学双电池板10以及一架体30，该架体30包含一供该富氧燃烧废气20流入的输入端31、一供该富氧燃烧废气20流出的输出端32以及一设于该输入端31与该输出端32之间的容置空间33，该控制废气排放的电化学双电池板10是相隔地设置于该容置空间33内，且该控制废气排放的电化学双电池板10彼此间形成至少一通道34，该通道34供该富氧燃烧废气20自该输入端31流经该控制废气排放的电化学双电池板10而与该第一反应侧141与该第二反应侧142接触并由该输出端32离开。在此实施例中，该控制废气排放的电化学双电池板10的摆设方向是将该第一反应侧141与该第二反应侧142的平面方向平行于该富氧燃烧废气20的流动方向，藉此使该富氧燃烧废气20与该第一反应侧141和该第二反应侧142之间能有最大的接触面积。根据本发明第四实施例的设计，该富氧燃烧废气20是可通过多个该第一反应侧141和该第二反应侧142的表面，而更有效地进行废气净化。

此外，请再参阅图7，为本发明第五实施例的立体外观示意图，本发明亦可将由波浪状设计的该基板11制成的该电化学双电池板10和由平板状设计的该基板11制成的该电化学双电池板10搭配使用，并彼此交错设置，该电化学双电池板10之间将形成多个流道。于本实施例中，该富氧燃烧废气20进入该电化学装置的方向如图7所示，和图6的第四实施例相较，在相同的体积条件下，第五实施例中该富氧燃烧废气20与该阴极层14的接触面积将较第四实施例更大，故效率将更佳。

以下是针对该控制废气排放的电化学双电池板10和该控制废气排放的电化学装置用于处理该富氧燃烧废气20时的化学反应与原理做进一步说明，以下仅以使用该控制废气排放的电化学双电池板10举例说明，熟悉本领域技艺者当可理解亦可应用于前述的该控制废气排放的电化学装置。承上所述，该富氧燃烧废气20包含有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物及粒状物成分，本发明对于该富氧燃烧废气20的净化反应，主要包括氮氧化物的去除；一氧化碳、碳氢化合物、粒状物的去除；以及硫氧化物的去除三个部分进行。

在氮氧化物去除方面，氮氧化物主要为一氧化氮(NO)与二氧化氮(NO₂)，一氧化氮可于该阴极层14的该第一反应侧141与该第二反应侧142发生分解反应而产生氮气与氧气，其反应式为下式(a)：

2NO→N₂+O₂ (a)

二氧化氮可于该阴极层14的该第一反应侧141与该第二反应侧142发生分解反应而产生一氧化氮，其反应式为下式(b)：

2NO₂→2NO+O₂ (b)

反应(b)所产生的一氧化氮可再于该阴极层14的该第一反应侧141与该第二反应侧142发生分解反应而产生氮气(N₂)与氧气(O₂)。

藉由该基板11的该还原性以及该阴极层14的该氧化性环境于该基板11与该阴极层14产生不同的平衡氧分压(Equilibrium Oxygen Partial Pressure)，可促使该基板11与该阴极层14之间产生电动势(Electromotive Force，emf)，而驱动促进该富氧燃烧废气中的氮氧化物于该阴极层14进行分解反应而形成氮气与氧气，该电动势的产生为依据下列原理：

emf＝[(RT)/(4F)]·ln[(P_O2|Cathode)/(P_O2|Anode)] (c)

其中，R为气体常数(Gas Constant)，T为绝对温度，F为法拉第常数(FaradicConstant)，P_O2为平衡氧分压。由于该金属或合金所形成的该基板11，其为还原性物质，将导致一具有相当低的平衡氧分压的环境产生于阳极侧，因而产生一较大的电动势。不同的还原性化合物于阳极侧将会导致不同的平衡氧分压，而会产生不同的电动势；阴极侧不同的氧浓度也对应不同的平衡氧分压值，也会产生不同的电动势，即位于阴极侧的该富氧燃烧废气20中的含氧量越高则电动势越大，而电动势越大则氮氧化物被促进分解的反应速率越大。

在去除该燃烧废气中一氧化碳、碳氢化合物和粒状物的反应方面，因该富氧燃烧废气20为富氧状态，其可藉该阴极层14催化氧化形成无害气体，其中该富氧燃烧废气20中的一氧化碳可氧化为二氧化碳，碳氢化合物和粒状物(含碳(C)物质)可氧化为二氧化碳和水，其反应式分别如下式(d)至(f)：

2CO+O₂→2CO₂ (d)

HCs+O₂→H₂O+CO₂ (e)

C+O₂→CO₂ (f)

因此，本发明可通过电动势驱动促进分解反应进行氮氧化物的去除，并可通过氧化反应去除一氧化碳、碳氢化合物和粒状物，而有效除去该富氧燃烧废气20中的有害成分。

涉及去除硫氧化物，是可将该富氧燃烧废气20先冷却至一低于200℃的第一温度后，通过该控制废气排放的电化学双电池板10，该控制废气排放的电化学双电池板10中的该基板11的该还原性与该富氧燃烧废气20的一含氧环境令该基板11及该阴极层14之间产生一电动势，以驱动促进该富氧燃烧废气20中的硫氧化物于该阴极层14进行一分解反应而分解为硫蒸气与氧气，之后，再冷却离开该控制废气排放的电化学双电池板10后的该硫蒸气，令该硫蒸气得转换为固态硫晶体并被收集。上述方法是根据以下化学反应：

SO₃→SO₂+O₂ (g)

2SO₂→S_2(g)+2O₂ (h)

4S_2(g)→S_8(g) (i)

该富氧燃烧废气20的硫氧化物(SO_x)主要为二氧化硫(SO₂)以及微量的三氧化硫(SO₃)，当该富氧燃烧废气20的三氧化硫(SO3)接触该阴极层14时，将于该阴极层14发生反应式(g)，而产生二氧化硫(SO₂)与氧气(O₂)，对于该硫氧化物(SO_x)之中的二氧化硫(SO₂)或是由三氧化硫(SO₃)分解得到的二氧化硫(SO₂)而言，其将于该阴极层14发生反应式(h)，而产生硫蒸气(S₂)以及氧气(O₂)。硫蒸气(S₂)于该控制废气排放的电化学双电池板10中可进一步结合为硫蒸气(S₈)，在本发明的200℃以下反应条件可充分如此结合，如反应式(i)所示。其中，该分解反应即为反应式(g)与反应式(h)。当该硫蒸气(S₈)离开该控制废气排放的电化学双电池板10后，冷却该硫蒸气(S₈)使其凝集结晶为固态硫晶体并被收集，如此一来，即完成硫氧化物的去除，并可进行固态硫晶体的收集。

综上所述，本发明控制废气排放的电化学双电池板是以该基板为结构基础，依序于该基板上覆着该固态氧化物层、该阴极层以及该边缘层，即完成制作，故具有工艺简便的优点，该基板除了具有承载该固态氧化物层以及该阴极层的功能外，藉由其所呈现的该还原性，使该基板兼具阳极的特性；且该基板仅为一板状的材料，毋须如现有的电触媒蜂巢装置需要蜂巢状结构以致制造较为困难而成本较高，因此，本发明更具有成本便宜的优点；此外，由于本发明控制废气排放的电化学双电池板是可相隔地设置于该容置空间内而于彼此间形成一供该富氧燃烧废气流经的通道，该通道可较不易被尘粒阻塞，因此，该电化学双电池板的电化学装置尚具有处理含尘量高的废气的特点。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制废气排放的电化学双电池板，用以净化一富氧燃烧废气，其特征在于，包括有：

一由金属或合金组成而呈现一还原性的基板，该基板具有一外表面，该外表面包括一顶面、一相对该顶面的底面以及一连接于该顶面与该底面之间的侧边，其中该顶面与该底面平行一水平方向延伸而使该基板形成一平板状；

一覆盖该顶面及该底面的固态氧化物层，该固态氧化物层具有一第一致密微结构；

一覆盖该侧边的边缘层，该边缘层具有一第二致密微结构，并和该固态氧化物层共同密封该基板的该外表面；以及

一覆盖该固态氧化物层的阴极层，该阴极层由一多孔性材质组成，并与该富氧燃烧废气接触而具有一氧化性环境；

其中，该氧化性环境与该还原性令该基板与该阴极层之间产生一电动势，使该阴极层形成一对应该基板的该顶面的第一反应侧以及一对应该基板的该底面的第二反应侧，藉该电动势驱动促进该富氧燃烧废气中的硫氧化物及氮氧化物于该第一反应侧与该第二反应侧进行一分解反应而形成硫蒸气、氧气及氮气。

2.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，该固态氧化物层的材质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。

3.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，该边缘层的材质为玻璃或陶瓷。

4.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，该阴极层的材质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。

5.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，更包含一设置于该阴极层与该固态氧化物层之间以促进该阴极层与该固态氧化物层连接的界面层。

6.根据权利要求5所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，该界面层的材质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。

7.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，该顶面是沿一水平方向分别形成多个上凹陷部及多个与该上凹陷部相邻的上凸出部，且该底面沿该水平方向分别形成多个下凹陷部及多个与该下凹陷部相邻的下凸出部。

8.根据权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板，其特征在于，更包括一设置于该基板的该外表面与该固态氧化物层之间以增进该基板与该固态氧化物层的一交互作用的粉末层，该粉末层由金属或合金组成。

9.一种控制废气排放的电化学装置，用以净化一富氧燃烧废气，其特征在于，包括有：

多个如权利要求1所述的控制废气排放的电化学双电池板；以及

一架体，该架体包含一供该富氧燃烧废气流入的输入端、一供该富氧燃烧废气流出的输出端以及一设于该输入端与该输出端之间的容置空间；

其中，该控制废气排放的电化学双电池板是相隔地设置于该容置空间内而于彼此间形成至少一供该富氧燃烧废气流经并与该第一反应侧与该第二反应侧接触的通道。