TWM454870U - 多層排列之廢氣淨化反應器 - Google Patents

Description

多層排列之廢氣淨化反應器

本新型有關一種電觸媒轉化器，尤指一種多層排列之廢氣淨化反應器。

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，重工廠和機動車輛為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，於是與日俱增。一般來說，機動車輛引擎的運轉為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、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HCs)、微粒污染物(PT)、黑煙(smoke)、非甲烷碳氫化合物(NMHC)及甲烷(CH₄)等有害污染物，該等物質不僅會形成光化煙霧(pho tochemical 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，同樣易與血紅素結合，而影響人類的呼吸、循環機能；此外，低濃度的碳氫化合物會刺激呼吸系統，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(NO_x)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HCs)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。

習用富氧燃燒廢氣排放控制技術中，並無任何單一裝置或轉化器可同時對氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HCs)進行轉化。以富氧燃燒機動車輛排氣系統的觸媒轉化器來說，其大多僅能針對一氧化碳與碳氫化合物進行催化，而對於氮氧化物，則必須仰賴其他輔助的裝置或系統，對其進行轉化。例如：現今柴油車輛的排氣管除安裝氧化觸媒轉化器用以催化一氧化碳和碳氫化合物外，多數須再另行搭配廢氣再循環系統(exhaust gas recirculation,EGR)或是以汽缸噴水等方式去除氮氧化物，較新者則以加裝選擇性觸 媒還原(selective catalytic reduction,SCR)系統來還原氮氧化物。

選擇性觸媒還原系統乃利用氨氣(NH₃)或尿素水(urea,CO(NH₂)₂)作為反應物，尿素水經噴嘴注入排氣管中會分解成氨氣，遂再與氮氧化物進行反應，使其轉變為氮氣(N₂)和水(H₂O)。然而，具毒性之氨氣除儲藏不易有外漏風險外，其反應不完全時會造成二次汙染；再者，該選擇性觸媒還原系統的體積龐大，且多數須搭配精密感測器輔助控制。

此外，美國專利第5401372號之「Electrochemical catalytic reduction cell for the reduction of NO_x in an O₂-containing exhaust emission」揭露一種單獨去除氮氧化物的裝置，為利用電觸媒還原反應，配合五氧化二釩(vanadium pentaoxide，V₂O₅)觸媒催化輔助氮氧化物轉化為氮氣；該裝置須於一密封性的爐腔內反應，且須外加電源供應，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滿足同時去除廢氣中有害氣體的目標。

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(NO_x)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HCs)以及粒狀物(PM)的電觸媒轉化器，該電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，容易因熱脹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。

本新型的主要目的，在於解決習知的電觸媒轉化器需額外設置產生電動勢的還原氣系統，產生製造成本增加、結構容易損壞以及體積無法有效縮小的問題。

為達上述目的，本新型提供一種多層排列之廢氣淨化反應器，包含有一架體、一前過濾板、一後過濾板以及複數個電觸媒轉化單元。該架體包含一供一廢氣流入的輸入端以及一供該廢氣流出的輸出端；該前過濾板設置於該架體並靠近該輸入端之一側，該後過濾板設置於該架體並靠近該輸出端之一側，該前過濾板與該後過濾板各包含複數個過濾區域以及複數個鏤空的流通區域，且該前過濾板與該後過濾板彼此相隔形成錯位；該電觸媒轉化單元設置於該過濾區域，各包括一第一側部、一第二側部以及一形成於該第一側部與該第二側部之間的還原性環境，該第一側部與該第二側部各包含一陰極層、一陽極層以及一設於該陰極層與該陽極層之間的固態氧化物層，該第一側部之該陽極層面對該第二側部之該陽極層並藉該還原性環境彼此相隔。

其中，該輸入端與該前過濾板與該後過濾板之流通區域和該輸出端構成一供該廢氣流通的流道，該電觸媒轉化單元之該陰極層表面暴露於該流道而做為一淨化該廢氣的反應側。

如此一來，本新型藉由上述技術方案，而至少具有下列優點：

1.本新型不需額外設置還原氣系統，即可以該電觸媒轉化單元的該陰極層對該廢氣進行淨化，減少生產的成本，並避免結構容易損壞的問題。

2.本新型由於不需設置該還原氣系統，而得以有效縮小整體體積，並且將該電觸媒轉化單元結合該前過濾板、該後過濾板以及該架體設置，以多層排列的結構增加與該廢氣的反應面積，進一步提升淨化的效能。

10‧‧‧電觸媒轉化單元

11‧‧‧第一側部

111‧‧‧陰極層

112‧‧‧陽極層

113‧‧‧固態氧化物層

12‧‧‧第二側部

121‧‧‧陰極層

122‧‧‧陽極層

123‧‧‧固態氧化物層

13‧‧‧還原性環境

131‧‧‧還原物

132‧‧‧膠體

133‧‧‧容置空間

20‧‧‧前過濾板

21‧‧‧過濾區域

22‧‧‧流通區域

30‧‧‧後過濾板

31‧‧‧過濾區域

32‧‧‧流通區域

40‧‧‧架體

41‧‧‧輸入端

42‧‧‧輸出端

43‧‧‧管狀外殼

44‧‧‧固定件

45‧‧‧流道

50‧‧‧廢氣

圖1A，為本新型一實施例的外觀立體示意圖。

圖1B，為本新型一實施例的剖面示意圖。

圖2A，為本新型電觸媒轉化單元的外觀立體示意圖。

圖2B，為本新型電觸媒轉化單元的剖面示意圖。

有關本新型的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請搭配參閱『圖1A』及『圖1B』所示，為本新型一實施例的 外觀立體及剖面示意圖，如圖所示：本新型為一種多層排列之廢氣淨化反應器，包含有一架體40、一前過濾板20、一後過濾板30以及複數個電觸媒轉化單元10。該架體40在此包含一管狀外殼43、複數固定件44、一輸入端41以及一輸出端42，在此該輸入端41及該輸出端42分別形成該管狀外殼43供一廢氣50流入的一入口以及流出的一出口，該固定件44設置於該管狀外殼43的內壁朝內側隆起，並且兩兩相對成一組沿著該管狀外殼43的一軸向排列。

該前過濾板20設置於該架體40並靠近該輸入端41之一側，該後過濾板30設置於該架體40並靠近該輸出端42之一側，在此該前過濾板20及該後過濾板30皆設置於該管狀外殼43的內側，該前過濾板20卡合於靠近該入口的該固定件44，該後過濾板30卡合於靠近該出口的該固定件44而與該前過濾板20相隔並且形成錯位，該前過濾板20與該後過濾板30各包含複數個過濾區域21、31以及複數個鏤空的流通區域22、32，該過濾區域21、31與該流通區域22、32為相鄰且交錯的分佈於該前過濾板20及該後過濾板30上，在此實施例中，該前過濾板20與該後過濾板30皆為圓形，但不以此為限制，亦可為其他形狀，其上各分佈有交錯排列的該過濾區域21、31以及該流通區域22、32，藉由將該前過濾板20相對該後過濾板30旋轉90°，使得該前過濾板20的該過濾區域21與該後過濾板30的該過濾區域31於前後方向形成位置對應上的錯位。

請搭配參閱『圖2A』及『圖2B』所示，為本新型電觸媒轉化 單元的外觀立體及剖面示意圖，該電觸媒轉化單元10設置於該過濾區域21、31，各包括一第一側部11、一第二側部12以及一形成於該第一側部11與該第二側部12之間的還原性環境13，該第一側部11與該第二側部12各包含一陰極層111、121、一陽極層112、122以及一設於該陰極層111、121與該陽極層112、122之間的固態氧化物層113、123，該第一側部11之該陽極層112面對該第二側部12之該陽極層122並藉該還原性環境13彼此相隔，在此實施例中，該陰極層111、121的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；該陽極層112、122的材質可為可為螢石結構金屬氧化物(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)；而該固態氧化物層113、123的材質可為可為螢石結構金屬氧化物、鈣鈦礦結構金屬氧化物等，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。

該還原性環境13位於該第一側部11的該陽極層112與該第二側部12的該陽極層122之間，在此實施例中，該還原性環境13包含一容置空間133、一還原物131以及一膠體132，該容置空間133間隔該第一側部11的該陽極層112與該第二側部12的該陽極層122，該還原物131充填於該容置空間133之中，可為一還原性固體粉末，例如：石墨粉、碳黑等，該膠體132連接於該第一側部11的該陽極層112與該第二側部12的該陽極層122之間，而將該還原物131封閉於該容置空間133內，該膠體132在此為使用一陶瓷膠，其可耐高溫，且熱膨脹係數與該固態氧化物層113相似，常見的該膠體132主成分為氧化鋁、氧化矽，尚需補充說明的是，於該容置空間133中亦可不填入該還原物131，而直接以該膠體132密封該容置空間133，並令該容置空間133的氣壓小於1大氣壓，如形成真空狀態，而形成該還原性環境13。

本新型於使用時，由該輸入端41與該前過濾板20與該後過濾板30之流通區域22、32和該輸出端42構成一供該廢氣50流通的流道45，該電觸媒轉化單元10之該陰極層111、121表面暴露於該流道45而做為一淨化該廢氣50的反應側，該還原性環境13促使該陽極層112、122及該陰極層111、121之間產生一電動勢，供驅動促進該陰極層111、121與該廢氣50進行一 淨化該廢氣50中氮氧化物的觸媒分解反應，並藉由該前過濾板20以及該後過濾板30以錯位的方式間隔排列，以增加該廢氣50於該流道45流動時與該電觸媒轉化單元10接觸的機會，提升該廢氣淨化反應器的淨化能力，再者，在此實施例中，僅以該架體40中設置該前過濾板20以及該後過濾板30為舉例說明，於實務操作上，該架體40中還可設置結構與該前過濾板20或該後過濾板30相同的一第一過濾板、一第二過濾板及一第三過濾板等等，並同樣的以錯位的方式間隔排列，以增加該廢氣淨化反應器的淨化能力。。

綜上所述，由於本新型藉由將該電觸媒轉化單元設置於該前過濾板以及該後過濾板之中與該架體結合，以形成該廢氣淨化反應器，使該廢氣淨化反應器直接以該電觸媒轉化單元的該陰極層於該流道與該廢氣接觸，而進行該廢氣的淨化，如此不需額外設置還原氣系統，不僅減少生產的成本，並避免結構容易損壞的問題，再者，還得以有效縮小整體體積，藉由多層排列的結構增加與該廢氣的反應面積，進一步提升淨化的效能，因此本新型極具進步性及符合申請新型專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本新型做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本新型的一較佳實施例而已，當不能限定本新型實施的範圍。即凡依本新型申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本新型的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧電觸媒轉化單元

20‧‧‧前過濾板

21‧‧‧過濾區域

22‧‧‧流通區域

30‧‧‧後過濾板

31‧‧‧過濾區域

32‧‧‧流通區域

40‧‧‧架體

41‧‧‧輸入端

42‧‧‧輸出端

43‧‧‧管狀外殼

44‧‧‧固定件

45‧‧‧流道

50‧‧‧廢氣

Claims (11)

1. 一種多層排列之廢氣淨化反應器，包含有：一架體，該架體包含一供一廢氣流入的輸入端以及一供該廢氣流出的輸出端；一設置於該架體並靠近該輸入端之一側的前過濾板及一設置於該架體並靠近該輸出端之一側的後過濾板，該前過濾板與該後過濾板各包含複數個過濾區域以及複數個鏤空的流通區域，且該前過濾板與該後過濾板彼此相隔形成錯位；以及複數個設置於該過濾區域的電觸媒轉化單元，該電觸媒轉化單元各包括一第一側部、一第二側部以及一形成於該第一側部與該第二側部之間的還原性環境，該第一側部與該第二側部各包含一陰極層、一陽極層以及一設於該陰極層與該陽極層之間的固態氧化物層，該第一側部之該陽極層面對該第二側部之該陽極層並藉該還原性環境彼此相隔；其中，該輸入端與該前過濾板與該後過濾板之流通區域和該輸出端構成一供該廢氣流通的流道，該電觸媒轉化單元之該陰極層表面暴露於該流道而做為一淨化該廢氣的反應側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該還原性環境包含一容置空間以及一位於該容置空間內的還原物。
3. 如申請專利範圍第2項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該還原性環境更包含一連接於第一側部的該陽極層與該 第二側部的該陽極層之間並封閉該還原物於該容置空間內的膠體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該還原性環境包含一具有一氣壓小於1大氣壓力的容置空間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該還原性環境更包含一連接於第一側部的該陽極層與該第二側部的該陽極層之間並封閉該容置空間的膠體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該前過濾板的該過濾區域相對該後過濾板的該過濾區域為錯位設置。
7. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該前過濾板的該過濾區域與該流通區域為交錯排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該後過濾板的該過濾區域與該流通區域為交錯排列。
9. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該陰極層的材質為選自由鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬的鈣鈦礦結構金屬氧化物、加金屬的螢石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項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該陽極層的材質為選自由金屬及螢石結構金屬氧化物組成之陶金、鈣鈦礦結構金屬氧化物、螢石結構金屬氧化物、加金屬的鈣鈦礦結構金屬氧化物、加金屬的螢石結構金屬氧化物及其組合所組成的群組。
11. 如申請專利範圍第1項所述的多層排列之廢氣淨化反應器，其中該固態氧化物層的材質為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。