專利名稱：控制廢氣排放的電觸媒管的制作方法
控制廢氣排放的電觸媒管技術領域
本發明有關一種電觸媒管，尤指一種控制廢氣排放并有效還原氮氧化物、一氧化碳、碳氫化合物以及粒狀物的電觸媒管。
背景技術：
清新與潔凈的空氣是人類生活的基本要件之一，呼吸干凈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，來自于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巨。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，但由于車輛數量不斷增加，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為將不同形式燃料經由汽缸內燃而釋放出熱能，并產生傳輸動力；惟在燃燒過程中，產生的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，這些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后發生反應形成有毒的光化學煙霧，具有特殊氣味、刺激眼睛、傷害植物，并使大氣能見度降低，且氮氧化物與空氣中的水反應形成硝酸及亞硝酸，其為酸雨的成分；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；而粒狀物亦會危害人體的健康，甚至于引起癌癥的發生。
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，藉以控制并減少有害氣體的排放，同時鼓勵業者制造、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 號的 “Electrochemical catalytic reductioncell 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，為利用電化學觸媒還原反應，配合五氧化二釩(vanadiumpentaoxide, V2O5)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，致使該裝置中的一電化學電池運作，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。
故于美國發明專利申請第13037693 的 “ELECTROCHEMICAL-CATALYTIC CONVERTERFOR EXHAUSTEMISSION 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塊，其中的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。
不過由于上述的電化學觸媒轉化器需要一負責產生電動勢的還原氣循環系統來進行還原氣的封閉式循環，增加制造上的生產成本，且該轉化器不易堆疊出夠小體積的裝置以利于汽車使用；因此，其仍有改善的必要。發明內容
本發明的主要目的，在于解決現有凈化氣體的電化學觸媒轉化器，具有制造成本高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，用以凈化一富氧燃燒廢氣，該電觸媒管包含有一管體、一陽極層以及一陰極層，該管體由一固態氧化物層組成，該固態氧化物層為一致密微結構，并包括一具有一還原性環境于內的密封腔體、一位于該密封腔體內的內壁面及一位于該密封腔體外的外壁面；該陽極層與該陰極層分別設置在該固態氧化物層的該內壁面以及該外壁面。
其中，該陽極層由一第一多孔性材質組成，該陰極層由一第二多孔性材質組成，以凈化具有一氧化性環境的該富氧燃燒廢氣。
據此，該還原性環境與該氧化性環境令該陽極層及該陰極層之間產生一電動勢，驅動促進該富氧燃燒廢氣中的氮氧化物于該陰極層進行分解反應而形成氮氣與氧氣，進行一凈化該富氧燃燒廢氣中氮氧化物的觸媒分解反應。該氧化性環境則促使該富氧燃燒廢氣中一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物的觸媒氧化反應。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該陽極層具有多個附著一碳物種的孔洞。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該密封腔體內含有一材料，該材料為選自一碳物種、一還原性氣體、一惰性氣體及其組合所組成的群組。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該密封腔體具有一低于一大氣壓的壓力。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該固態氧化物層的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。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該陽極層的材質選自由鎳及螢石結構金屬氧化物組成的陶金、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。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該陰極層的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。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該陰極層還包含一氧化觸媒層，該氧化觸媒層附著于該陰極層上。
所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其中，該氧化觸媒層的材質選自由金屬、合金、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。
在本發明中，該電觸媒管可堆疊成一蜂巢狀結構，而形成一先進的電觸媒轉換器，該蜂巢狀結構具有非常精簡的尺寸，與其它堆疊結構相較之下，使用最少量的材料。因此， 本發明與現有的電化學觸媒轉換器相比，具有更精簡的結構與較低的制造成本。
圖1，為本發明第一實施例的外觀立體示意圖2，為本發明第一實施例的局部剖面示意圖3，為本發明第一實施例的組合示意圖4，為本發明第二實施例的外觀立體示意圖。
具體實施方式
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，用以凈化一富氧燃燒廢氣，該富氧燃燒廢氣可包含氮氧化物(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I包含有一管體、一陽極層20以及一陰極層30。該管體由一固態氧化物層10組成，在此實施例中，該固態氧化物層10可以具有氧離子傳導性，且該固態氧化物層10的結構為一致密微結構，其材質可為螢石結構金屬氧化物(fluorite metal oxides)或隹丐欽礦結構金屬氧化物(perovskite metal oxides);例如:螢石結構的氧化乾穩定化氧化錯(yttria-stabilized zirconia, YSZ)、穩定化氧化錯、螢石結構的氧化禮摻雜氧化鋪(gadolinia-doped ceria,⑶C)、摻雜氧化鋪、I丐鈦礦結構的銀及續慘雜嫁酸鑭(strontium/magnesium-doped lanthanum gal late, LSGM)、慘雜嫁酸鑭。
該固態氧化物層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設置于該內壁面12上，在此實施例中，該陽極層20由一第一多孔性材質組成，而具有大量的孔洞，該陽極層的材質可為金屬、合金，或金屬氧化物，例如:螢石結構金屬氧化物、鈣鈦礦結構金屬氧化物、加金屬的螢石結構金屬氧化物或加金屬的鈣鈦礦結構金屬氧化物，或其組合，例如:鎳及氧化乾穩定化氧化錯組合而成的陶金(N1-YSZ cermet);而該陰極層30設置于該外壁面13上，在此實施例中，該陰極層30由一第二多孔性材質組成，而具有大量的孔洞，例如可為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或加金屬的螢石結構金屬氧化物，例如:鈣鈦礦結構的鑭鍶鈷銅氧化物、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、加銀的鑭鍶鈷銅氧化物、加銀的鑭鍶錳銅氧化物、加銀的鑭鍶鈷銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合、加銀的鑭鍶錳銅氧化物及氧化釓摻雜氧化鈰的組合。
該固態氧化物層10還包括一密封腔體11，該密封腔體11受該內壁面12的圍繞，具有一還原性環境。在此實施例中，該陽極層20為由一金屬氧化物制成，該金屬氧化物于制成該陽極層20時，先經過一使用一還原性氣體的處理而還原為金屬，例如由氧化鎳還原為鎳；或者，亦可將該金屬氧化物還原為一缺氧的金屬氧化物(oxygen-deficient metaloxide)，以形成該還原性環境于該密封腔體11之中。
或者，在另一實施例中，可令該密封腔體11內含有一碳物種，例如碳粉；或者是含有一還原性氣體，例如氫氣、一氧化碳及碳氫化合物的氣體，以于該密封腔體11內形成該還原性環境；或者，可令該密封腔體11內含有一惰性氣體，例如氬氣、氦氣。除此之外，可使得該密封腔體11內呈真空(并搭配將該碳物種添加于該密封腔體11內)或是具有一小于一大氣壓力的壓力(并搭配將上述氣體添加于該密封腔體11內)，據此，而可以減少該固態氧化物層10于廢氣處理操作上因熱脹冷縮所可能產生的結構傷害。于其他實施方式中，于該固態氧化物層10封閉形成該密封腔體11之前，先將一氧化碳或碳氫化合物添加于該密封腔體11內，如甲烷、乙烷、丙稀或丙烷等，以形成附著于該陽極層20的孔洞的碳物種，以增進電動勢的產生；同樣的，該碳物種、該還原性氣體或該惰性氣體也于該固態氧化物層10未封閉形成該密封腔體11前事先導入。
在此實施例中，該電觸媒管I還包含一氧化觸媒層40，以促使不易于陰極層30氧化的該富氧燃燒廢氣的一成分氧化，該氧化觸媒層40與該陰極層30連接，并附著于該陰極層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、鉬及氧化釓摻雜氧化鈰等。
接續將說明本發明凈化廢氣的作用過程，首先將該電觸媒管I放置于一廢氣環境中，該廢氣為該富氧燃燒廢氣并具有一氧化性環境，或加入二次空氣使其進一步富氧。該電觸媒管I的工作溫度為由常溫至800° C。該富氧燃燒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，本發明對于該富氧燃燒廢氣的凈化反應方面，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)，一氧化氮可于陰極層30發生分解反應而產生氮氣與氧氣，其反應式為下式(I)。
2N0 — N2+02 (I)
二氧化氮可于陰極層30發生分解反應而產生一氧化氮，其反應式為下式(2)。
2N02 — 2N0+02 (2)
其一氧化氮可再于陰極層30發生分解反應而產生氮氣與氧氣。
藉由該密封腔體11的該還原性環境以及該陰極層30的該氧化性環境于該陽極層20與該陰極層30產生不同的氧分壓，可促使該陰極層30及該陽極層20之間產生電動勢(electromotive force, emf),而驅動促進該富氧燃燒廢氣中的氮氧化物于該陰極層30進行分解反應而形成氮氣與氧氣，該電動勢的產生為依據下列原理:
emf = [(RT)/(4F)].In [(P02lcathode)/(P021 驗)](3)
其中，R為氣體常數(gas constant)，T為絕對溫度，F為法拉第常數(Faradicconstant)，P02為氧分壓。由于該密封腔體11內為真空或是含有該惰性氣體，亦可導致該陽極層20與該陰極層30之間對應不同的氧分壓，該金屬、該合金或是該缺氧的金屬氧化物所形成的該陽極層20，或是由附著有該碳物種的該陽極層20，其為還原性化合物，將導致一具有相當低的氧分壓的環境于陽極(Anode)側，因而產生一較大的電動勢。不同的還原性氣體以及不同的還原性化合物于陽極側將會導致不同的氧分壓，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，即陰極側該富氧燃燒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的氮氧化物經電化學促進(electrochemical promotion)分解形成氮氣的能力越大,據此,雖然該富氧燃燒廢氣為在一氧化性環境能產生一電動勢，再添加該二次空氣進入該富氧燃燒廢氣能導致一更大的電動勢。而在一定溫度范圍內，分解反應速率會隨工作溫度越低而越大，而在常溫的分解反應和在較高溫度的一樣有效。
在去除該富氧燃燒廢氣中一氧化碳、碳氫化合物和粒狀物的反應方面，因該富氧燃燒廢氣為富氧狀態，或加入二次空氣使其進一步富氧，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，其中該富氧燃燒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):
2C0+02 — 2C02 (4)
HCs+02 — H2CHCO2 (5)
C+02 — CO2 (6)
據此，通過電化學促進分解反應和觸媒氧化反應，可有效除去該富氧燃燒廢氣中的有害成分。
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，可依一廢氣的凈化需求將多個電觸媒管I間隔堆疊，使相鄰的電觸媒管I之間形成一可供該廢氣通過的氣體流道2，以使該廢氣與該電觸媒管I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凈化的效果。在該蜂巢單體3中，一半的管道(channel)為兩頭密封，此即為電觸媒管1，而各自相鄰電觸媒管I的另一半的管道則為兩頭開通，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I的橫截面形成圓形，但并不以此為限，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，由于本發明藉由分別于該密封腔體(陽極側)與該陰極側之間形成不同的氧分壓，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，該密封腔體具有為真空或小于I大氣壓的氣壓，避免因熱脹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凈化的效果，例如設置于車輛引擎排氣管中，消除引擎排放的該富氧燃燒廢氣中的有害物質，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，祈鈞局早日賜準專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的范圍。即凡依本發明申請范圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋范圍內。
權利要求
1.一種控制廢氣排放的電觸媒管，用以凈化一富氧燃燒廢氣，該電觸媒管的特征在于，包含有: 一管體，由一固態氧化物層組成，該固態氧化物層為一致密微結構，并包括一具有一還原性環境于內的密封腔體、一位于該密封腔體內的內壁面及一位于該密封腔體外的外壁面；以及 一陽極層與一陰極層，分別設置在該固態氧化物層的該內壁面以及該外壁面，該陽極層由一第一多孔性材質組成，該陰極層由一第二多孔性材質組成，以凈化具有一氧化性環境的該富氧燃燒廢氣； 其中，該還原性環境與該氧化性環境令該陽極層及該陰極層之間產生一電動勢，驅動促進該富氧燃燒廢氣中的氮氧化物于該陰極層進行一分解反應而形成氮氣與氧氣。
2.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該陽極層具有多個附著一碳物種的孔洞。
3.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該密封腔體內含有一材料，該材料為選自一碳物種、一還原性氣體、一惰性氣體及其組合所組成的群組。
4.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該密封腔體具有一低于一大氣壓的壓力。
5.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該固態氧化物層的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。
6.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該陽極層的材質選自由鎳及螢石結構金屬氧化物組成的陶金、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。
7.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該陰極層的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。
8.根據權利要求1所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該陰極層還包含一氧化觸媒層，該氧化觸媒層附著于該陰極層上。
9.根據權利要求8所述的控制廢氣排放的電觸媒管，其特征在于，該氧化觸媒層的材質選自由金屬、合金、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。
全文摘要
本發明有關于一種控制廢氣排放的電觸媒管，用以凈化一富氧燃燒廢氣，該電觸媒管包含有一管體、一陽極層以及一陰極層。該管體由一固態氧化物層組成，該固態氧化物層并包括一密封腔體、一位于該密封腔體內的內壁面及一位于該密封腔體外的外壁面；該陽極層與該陰極層分別設置在該固態氧化物層的該內壁面以及該外壁面。該密封腔體具有一還原性環境，該密封腔體的該還原性環境與該富氧燃燒廢氣所處的一氧化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富氧燃燒廢氣進行一凈化該富氧燃燒廢氣中氮氧化物的觸媒分解反應。據此，本發明與現有的電化學觸媒轉換器相比，具有更精簡的體積結構與較低的制造成本。
文檔編號B01D53/94GK103100303SQ201210394360
公開日2013年5月15日 申請日期2012年10月17日 優先權日2011年11月9日
發明者黃大仁 申請人:黃大仁