TWI422422B - 控制廢氣排放的電觸媒管 - Google Patents

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Description

控制廢氣排放的電觸媒管
本發明有關一種電觸媒轉化器，尤指一種控制廢氣排放的電觸媒轉化器。
清新與潔淨的空氣是人類生活的基本要件之一，呼吸乾淨無污染的空氣能確保人類穩定健康地生存。科技的卓越提升，雖帶動經濟的迅速發展，然而，來自於交通工具及各式林立工廠的廢氣排放，卻也導致空氣遭受污染，而對人類生活的空氣品質影響甚鉅。其中，重工廠和機動車輛係眾多污染物質的主要來源。
以機動車輛為例，雖然機動車輛排放標準不斷提高，但由於車輛數量不斷增加，車輛排放廢氣所帶來的空氣污染問題，仍然與日俱增。一般來說，機動車輛引擎的運轉係將不同形式燃料經由汽缸內燃而釋放出熱能，並產生傳輸動力；惟在燃燒過程中，產生之廢氣通常包含氮氧化物(NOx )、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(hydrocarbons，HCs)、粒狀物(particulate matter，PM)等有害污染物，該等物質不僅會形成光化學煙霧（photochemical smog），更會破壞臭氧、加劇溫室效應的惡化及引致酸雨等，進而破壞生態環境，危害人體健康。
其中，一氧化碳來自引擎的不完全燃燒，其與血紅素結合成一氧化碳血紅素（COHb）的能力為血紅素與氧結合成氧合血紅素(HbO2 )的300倍，故空氣中一氧化碳濃度過高時，將影響血紅素輸送氧氣的功能；氮氧化物則來自氮氣與氧氣的化合，主要以一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2 )的形式排出，而與碳氫化合物經紫外線照射後發生反應形成有毒之光化學煙霧，具有特殊氣味、刺激眼睛、傷害植物，並使大氣能見度降低，且氮氧化物與空氣中的水反應形成硝酸及亞硝酸，係為酸雨之成分；碳氫化合物在低濃度時即會刺激呼吸系統，若濃度提高，則會對中樞神經系統的運作機能產生影響。
因此，不管我國或是歐盟、日本、美國等先進國家，均已訂定益趨嚴格的廢氣排放標準(如美規BIN5以及歐規EURO 6)，針對氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物等廢氣的排放訂定標準，藉以控制並減少有害氣體的排放，同時鼓勵業者製造、研發、引進使用最新污染防制技術的產品。
如美國發明專利公告第5401372號之「Electrochemical catalytic reduction cell for the reduction of NOx in an O2 -containing exhaust emission」揭露一種單獨去除氮氧化物的裝置，係利用電化學觸媒還原反應，配合五氧化二釩(vanadium pentaoxide，V2 O5 )觸媒催化輔助氮氧化物轉化為氮氣。然而，上述的該裝置須額外加上電源供應，致使該裝置中之一電化學電池運作，如此不僅耗費能源且無法達成同時去除廢氣中多種有害氣體的目標。
故於美國發明專利申請第13037693之「ELECTROCHEMICAL-CATALYTIC CONVERTER FOR EXHAUST EMISSION CONTROL」揭露一種去除廢氣中氮氧化物(NOx )、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HCs)以及粒狀物(PM)的電化學觸媒轉化器，該電化學觸媒轉化器包含一電池模組，其中之氮氧化物經電化學促進分解形成氮氣與氧氣，一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物則經氧化觸媒催化形成二氧化碳和水，而達到同時去除多種有害氣體的效果。
不過由於上述的電化學觸媒轉化器需要負責產生電動勢的還原氣系統，不僅額外增加製造上的生產成本，且循環的還原氣體在加熱單元的加熱下，容易因熱漲冷縮的關係造成陽極部的結構損壞；同時，該轉化器不易堆疊出夠小體積的裝置以利於汽車使用；因此，其仍有改善之必要。
本發明的主要目的，在於解決習知淨化氣體的電化學觸媒轉化器，具有製造成本高、容易因還原氣體的熱漲冷縮造成結構損壞及體積不夠小的問題。
為達上述目的，本發明提供一種控制廢氣排放的電觸媒管，用以淨化一廢氣，該電觸媒管包含有一管體、一陽極層以及一陰極層。該管體由一固態電解質層組成，該固態電解質層包括一密封空間、一位於該密封空間內的內壁面及一位於該密封空間外的外壁面，該密封空間具有一小於1大氣壓(1 atm)之氣壓的還原性環境；該陽極層與該陰極層分別設置在該固態電解質層的該內壁面以及該外壁面。
據此，在該密封空間的該還原性環境促使該陽極層及該陰極層之間產生一電動勢，供驅動促進該陰極層與該廢氣進行一淨化該廢氣中氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物的觸媒分解反應。
如此一來，本發明藉由在該密封空間的該還原性環境產生該電動勢以驅動促進該觸媒分解反應，不僅結構簡單、降低生產成本，再者，該還原性環境具有小於1大氣壓的氣壓，避免因熱漲冷縮造成結構損壞的問題，進一步延長該電觸媒管的使用壽命。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：
請參閱『圖1』及『圖2』所示，分別為本發明第一實施例的外觀立體及局部剖面示意圖，本發明為一種控制廢氣排放的電觸媒管1，用以淨化一廢氣，該廢氣可為氮氧化物(NOx )、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(hydrocarbons，HCs)及粒狀物(particulate matter，PM)，該電觸媒管1包含有一管體、一陽極層20以及一陰極層30。該管體由一固態電解質層10組成，且該固態電解質層10之微結構為緻密結構，其材質可為螢石結構金屬氧化物(fluorite metal oxides)或鈣鈦礦結構金屬氧化物(perovskite metal oxides)；例如：螢石結構的氧化釔穩定化氧化鋯(yttria-stabilized zirconia，YSZ)、穩定化氧化鋯、螢石結構的氧化釓摻雜氧化鈰(gadolinia-doped ceria，GDC)、摻雜氧化鈰、鈣鈦礦結構的鍶及鎂摻雜鎵酸鑭(strontium/magnesium-doped lanthanum gallate，LSGM)、摻雜鎵酸鑭。
該固態電解質層10包括一內壁面12及一相對該內壁面12的外壁面13。該陽極層20設置於該內壁面12上，在此實施例中，該陽極層20為多孔性材質，可為鎳及螢石結構金屬氧化物金屬陶瓷(cermet of nickel and fluorite metal oxides)、鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬之鈣鈦礦結構金屬氧化物或加金屬之螢石結構金屬氧化物，例如：鎳及氧化釔穩定化氧化鋯金屬陶瓷(Ni-YSZ cermet)、鎳及氧化釓摻雜氧化鈰金屬陶瓷(Ni-GDC cermet)；而該陰極層30設置於該外壁面13上，在此實施例中，該陰極層30為多孔性之材質，可為鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬之鈣鈦礦結構金屬氧化物或加金屬之螢石結構金屬氧化物，例如：鈣鈦礦結構之鑭鍶鈷銅氧化物、鑭鍶錳銅氧化物、鑭鍶鈷銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合、鑭鍶錳銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合、加銀之鑭鍶鈷銅氧化物、加銀之鑭鍶錳銅氧化物、加銀之鑭鍶鈷銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合、加銀之鑭鍶錳銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合。
該固態電解質層10還包括一密封空間11，該密封空間11受該內壁面12的圍繞，具有一還原性環境，該還原性環境之氣壓小於1大氣壓(1 atm)，在此實施例中，該還原性環境的氣壓約為二分之一至三分之一大氣壓，並含有一碳物種，或者是含有一還原性氣體，如一氧化碳及碳氫化合物的氣體；該碳物種可於該固態電解質層10未封閉形成該密封空間11前，通入碳氫化合物，如甲烷、乙烷、丙稀或丙烷等而形成，並附著於該陽極層20上，以增進電動勢的產生；同樣的，該還原性氣體也可於該固態電解質層10未封閉形成該密封空間11前事先導入。
在此實施例中，該電觸媒管1更包含一氧化觸媒層40，以促使不易於陰極層30氧化之廢氣成分的氧化，該氧化觸媒層40與該陰極層30連接，並附著於該陰極層30上，該氧化觸媒層40的材質可為金屬、合金、金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、鈣鈦礦結構金屬氧化物，例如：銀、鈀、鉑及氧化釓摻雜氧化鈰等。
接續將說明本發明淨化廢氣的作用過程，首先將該電觸媒管1放置於一廢氣環境中，該廢氣為富氧狀態，或加入二次空氣使其富氧，該電觸媒管1可藉由一加熱器(圖未示)的加熱使處於200°C至600°C 的工作溫度，該廢氣主要包含氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物及粒狀物成分，本發明對於廢氣的淨化反應方面，主要可分為氮氧化物的去除及一氧化碳、碳氫化合物、粒狀物的去除兩個部分進行。
在氮氧化物去除方面，氮氧化物主要為一氧化氮(NO)與二氧化氮(NO2 )，一氧化氮可於陰極層30發生分解反應而產生氮氣與氧氣，其反應式為下式(1)。
2NO → N2 + O2 (1)
二氧化氮可於陰極層30發生分解反應而產生一氧化氮，其反應式為下式(2)。
2NO2 → 2NO + O2 (2)
其一氧化氮可再於陰極層30發生分解反應而產生氮氣與氧氣。
藉由在該密封空間11的該還原性環境及貼附於該陽極層20的該碳物種，可促使該陰極層30及該陽極層20之間產生電動勢(electromotive force，emf)，該電動勢的產生係依據下列原理：
emf=[(RT)/(4F)]‧ln[(PO2|Cathode )/(PO2|Anode )] (3)
其中，R係為氣體常數(gas constant)，T係為絕對溫度，F係為法拉第常數(Faradic constant)，PO2 係為氧分壓。陽極(Anode)側不同種類的還原性氣體及還原性物種對應不同的氧分壓值，而會產生不同的電動勢；陰極(Cathode)側不同的氧濃度也對應不同的氧分壓值，也會產生不同的電動勢，即陰極側廢氣中的含氧量越高則電動勢越大，而電動勢越大則本發明之氮氧化物經電化學促進(electrochemical promotion)分解形成氮氣之能力越大。在一定溫度範圍內，分解反應速率會隨工作溫度越低而越大，但溫度過低則分解反應速率會隨工作溫度越低而越小，故有一最佳工作溫度。
在去除廢氣中一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物的反應方面，因該廢氣為富氧狀態，或加入二次空氣使其富氧，其可藉該陰極層30及該氧化觸媒層40催化氧化形成無害氣體，其中廢氣中的一氧化碳可氧化為二氧化碳；碳氫化合物和粒狀物(含碳(C)物質)可氧化為二氧化碳和水，其反應式分別如下式(4)至(6)：
2CO + O2 → 2CO2 (4)
HCs + O2 → H2 O + CO2 (5)
C + O2 → CO2 (6)
據此，透過電化學促進分解反應和觸媒氧化反應，可有效除去廢氣中的有害成分。
請參閱『圖3』所示，為本發明第一實施例的組合示意圖，在此實施例中，主要為使用上，可依廢氣的淨化需求將複數個電觸媒管1間隔堆疊，使相鄰的電觸媒管1之間形成一可供廢氣通過的氣體流道2，以使該廢氣與該電觸媒管1的陰極層30接觸，如此堆疊形成一蜂巢(honeycomb)結構的單體(monolith)觸媒，即蜂巢單體3，得以使用最小的體積達成淨化的效果。在該蜂巢單體3中，一半的管道(channel)係兩頭密封，此即為電觸媒管1，而各自相鄰電觸媒管1的另一半的管道則係兩頭開通，此即為氣體流道2。
請參閱『圖4』所示，為本發明第二實施例的外觀立體示意圖，在此實施例中，為使該電觸媒管1的橫截面形成圓形，但並不以此為限，該橫截面還可為四邊形、五邊形、六邊形等，可依使用及堆疊的需求與形式而變化。
綜上所述，由於本發明藉由該密封空間的還原性環境及附著於該陽極層的該碳物種，而產生該電動勢以促進該觸媒分解反應，不僅結構簡單，降低生產成本，再者，該還原性環境具有小於1大氣壓的氣壓，如小於二分之一的大氧壓，避免因熱漲冷縮造成結構損壞的問題，進一步延長該電觸媒管的使用壽命。另外，該電觸媒管還可依使用需求堆疊形成該蜂巢單體，得以使用最小的體積達成淨化的效果，例如設置於車輛引擎排氣管中，消除引擎排放之廢氣中的有害物質，減少空氣污染。因此，本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
1‧‧‧電觸媒管
2‧‧‧氣體流道
3‧‧‧蜂巢單體
10‧‧‧固態電解質層
11‧‧‧密封空間
12‧‧‧內壁面
13‧‧‧外壁面
20‧‧‧陽極層
30‧‧‧陰極層
40‧‧‧氧化觸媒層
圖1，為本發明第一實施例的外觀立體示意圖。
圖2，為本發明第一實施例的局部剖面示意圖。
圖3，為本發明第一實施例的組合示意圖。
圖4，為本發明第二實施例的外觀立體示意圖。
1‧‧‧電觸媒管
10‧‧‧固態電解質層
11‧‧‧密封空間
20‧‧‧陽極層
30‧‧‧陰極層
40‧‧‧氧化觸媒層

Claims (12)

  1. 一種控制廢氣排放的電觸媒管，用以淨化一廢氣，該電觸媒管包含有：一管體，由一固態電解質層組成，該固態電解質層包括一密封空間、一位於該密封空間內的內壁面及一位於該密封空間外的外壁面，該密封空間具有一小於1大氣壓之氣壓的還原性環境；以及一陽極層與一陰極層，分別設置在該固態電解質層的該內壁面以及該外壁面；其中，該還原性環境係促使該陽極層及該陰極層之間產生一電動勢，該廢氣中之氮氧化物則於該陰極層進行分解反應而形成氮氣與氧氣，該廢氣中之一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物則於該陰極層進行氧化反應而形成二氧化碳和水，藉以淨化該廢氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陽極層為多孔性材質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陰極層為多孔性材質。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該還原性環境含有選自一氧化碳、碳氫化合物所組成之群組的一氣體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陽極層附著有一碳物種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該電觸媒管具有一介於200°C至600°C之間的工作溫度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陽極層之材質選自由鎳及螢石結構金屬氧化物金屬陶瓷、鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬之鈣鈦礦結構金屬氧化物、加金屬之螢石結構金屬氧化物及其組合所組成之群組。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陰極層之材質選自由鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬之鈣鈦礦結構金屬氧化物、加金屬之螢石結構金屬氧化物及其組合所組成之群組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該固態電解質層之材質選自由螢石結構金屬氧化物、鈣鈦礦結構金屬氧化物及其組合所組成的群組。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該陰極層更包含一氧化觸媒層，該氧化觸媒層附著於該陰極層上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該氧化觸媒層之材質選自由金屬、合金、金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、鈣鈦礦結構金屬氧化物及其組合所組成的群組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中該還原性環境具有小於二分之一大氧壓的氣壓。
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