TWI453987B - 具儲能與釋能的氧氣感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明有關於氧氣感測，特別是有關於用於污染物移除、電力產出、電力儲存及特用化學品製造之具儲能與釋能的氧氣感測裝置。
請參照圖1，圖1A是傳統的汽車內部之燃料轉換機制的示意圖。傳統的汽車內部之燃料轉換機制需要發電機10、內燃機11、渦輪機12、氧氣感測裝置13與觸媒轉換器14。內燃機12將氣體(通常是空氣)與燃料(通常是碳氫化合物)燃燒產生氣體形式的二氧化碳、一氧化碳、水與一氧化氮等，且將前述氣體傳送至渦輪機12，渦輪機12配合發電機10用來發電。氧氣感測裝置13可以感測渦輪機12所排出的氧氣含量，並產生控制信號A/F，藉此調整傳送至內燃機11的氣體與燃料的比例。觸媒轉化器14可以將渦輪機12所排出的氣體中的一氧化氮與一氧化碳轉換成二氧化氮與二氧化碳，以使汽車所排出的廢氣符合環保標準。
請參照圖1B，圖1B是傳統的氧氣感測裝置的示意圖。傳統的氧氣感測裝置13包括氧氣感測單元130與電壓計131。氧氣感測單元130由觸媒導電層132、氧離子導體133與導電觸媒層134所構成。氧離子導體層133介於導電觸媒層132與導電觸媒層134之間。導電觸媒層132接收由渦輪機12傳來的氣體，此氣體的含氧濃度是未知的。導電觸媒層134接收大氣中的空氣，大氣的含氧量約為穩定的0.21大氣壓(atm)。導電觸媒層132與導電觸媒層134之間會有一個電壓差，此電壓差由電壓計131測量。當渦輪機12傳來的氣體的含氧量少時，電壓計131可以量測到一個較高的電壓差。相反地，當渦輪機12傳來的氣體的含氧量多時，電壓計131可以量測到一個較低的電壓差。氧氣感測裝置13可以藉此產生控制信號A/F用以調整傳送至內燃機11的空氣(Air)與燃料(Fuel)的比例(A/F)，如此內燃機11中所進行的燃燒反應可以被調整。
然而，傳統的氧氣感測裝置13僅具單一功能，氧氣感測裝置13的應用可能會有所受限。
本發明實施例提供一種具儲能與釋能的氧氣感測裝置，用以進行觸媒反應、氧氣感測、發電、電解儲能與電解製造合成氣等化學反應。
本發明實施例提供一種氧氣感測裝置，其包括氧氣感測單元、氣體儲存單元與控制單元。氧氣感測單元包括氧離子導體、第一導電觸媒層與第二導電觸媒層。氧離子導體置於第一導電觸媒層與第二導電觸媒層之間。控制單元包括電壓計、電力輸出電路與判斷電路。電壓計用以感測氧氣感測單元感測氧氣時所產生的電壓。判斷電路用以透過至少一個開關控制電源、電壓計或電力輸出電路的導通狀態，判斷電路控制氣體儲存單元儲存氧氣感測單元產生的氣體或提供氣體至氧氣感測單元。其中，電源提供電力至氧氣感測單元之導電觸媒層，以進行觸媒反應並產生碳氫化合物，用以儲存至氣體儲存單元。氧氣感測單元將氣體儲存單元儲存的碳氫化合物與氧氣反應，藉此產生電力至電力輸出電路。氧氣感測單元更可利用電源的電力產生氫氣以儲能或製造合成氣。
綜上所述，本發明實施例所提供的氧氣感測裝置可以依據使用上的需要來進行觸媒反應、氧氣感測、發電、電解儲能與電解製造一氧化碳。藉此，達到減少廢氣排放、廢氣發電、善用電力的效果，或是製造做為工業合成氣(一氧化碳與氫氣)。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
本發明實施例提供的氧氣感測裝置可以進行觸媒反應、氧氣感測、發電、電解儲能與電解製造合成氣。氧氣感測裝置可安裝於汽車上，且依據使用上的需要，氧氣感測裝置可以進行上述的其中一種功能。
請參照圖2，圖2是本發明實施例之氧氣感測裝置的示意圖。氧氣感測裝置2包括氧氣感測單元21、氣體儲存單元22與控制單元23。氧氣感測單元21包括氧離子導體212、導電觸媒層211與導電觸媒層213。控制單元23包括電源24、電壓計29、電力輸出電路25、判斷電路26與開關27、28。電力輸出電路25包括開關251與電阻R。
氧離子導體置212於導電觸媒層211與導電觸媒層213之間。氣體儲存單元22連接至氧氣感測單元21的導電觸媒層211與導電觸媒層213。氧氣感測單元21電性連接控制單元23。控制單元的電源24、電壓計29與電力輸出電路25彼此並聯，且電性連接至導電觸媒層211與導電觸媒層213。電力輸出電路25的開關251與輸出電阻R串聯。開關27與開關28分別串聯至電壓計29與電源24。判斷電路26電性連接至開關251、27、28與氣體儲存單元22。
氧氣感測單元21的氧離子導體212可以是氧化鋯(ZrO2
)、氧化鈰(CeO2
)等金屬氧化物。導電觸媒層211(213)可以包括金屬觸媒、氧化物觸媒或金屬氧化物觸媒。金屬觸媒例如是鉑(Pt)、銠(Rh)、鈀(Pd)。鉑(Pt)與銠(Rh)是用以使氮氧化物(NOx)轉變成氮氣(N2
)與氧氣(O2
)的觸媒。鈀(Pd)是使一氧化碳(CO)轉變成二氧化碳(CO2
)的觸媒。氧化物觸媒可以是鑭鍶鈷系鈣鈦礦，例如鑭銫錳氧(LaSrMnO)可與氮氧化物(NOx)、甲烷(CH4
)或一氧化碳(CO)進行反應。金屬氧化物觸媒可以是氧化鋯(ZrO2
)、氧化鈰(CeO2
)等金屬氧化物。導電觸媒層211(213)通常可以導體或在高表面積載體(氧化鋁、沸石)表面上塗佈上述的金屬觸媒、氧化物觸媒或金屬氧化物觸媒來完成。
氣體儲存單元22可以接收渦輪機所傳送的廢氣(由內燃機燃燒產生)。氣體儲存單元22受控於判斷電路26而將氣體儲存單元22所儲存的氣體傳送至氧氣感測單元21或將氧氣感測單元21所產生的氣體儲存。氣體儲存單元22可以具有至少一個雙向的閥門(未圖示)，用以使氣體在氣體儲存單元22與氧氣感測單元21之間流通。有關於上述氣體儲存單元22的閥門是本領域具有通常知識者可輕易了解的，不再贅述。
電力輸出電路25包括開關251與電阻，電力輸出電路25具有輸出端a、b。用電設備(未圖示)可以連接輸出端a、b以獲得電力。開關251受控於判斷電路26，當開關251導通時，電力輸出電路25與用電設備可以形成迴路。電力輸出電路25的電阻R是用以調整輸出功率的輸出電阻。
判斷電路26用以控制氧氣感測裝置2要執行的功能，判斷電路26可以連結外部的操作介面(未圖示)。使用者可以透過操作介面下達命令(或控制信號)至氧氣感測裝置2的判斷電路26，判斷電路26依據命令(或控制信號)判斷氧氣感測裝置2要執行何種功能。依據氧氣感測裝置2要執行的功能，判斷電路26控制開關251、27、28的導通狀態。判斷電路26透過開關251、27、28分別控制電力輸出電路25、電壓計29與電源24。判斷電路26也可控制氣體儲存單元22儲存氧氣感測單元21產生的氣體或使氣體儲存單元22提供氣體至氧氣感測單元21。在實施時，判斷電路26可以利用微控制器(Micro Controller Unit，MCU)實現，但本發明並不因此限定。
請同時參照圖3A與圖3B，圖3A是本發明實施例之氧氣感測單元進行電化學觸媒反應的示意圖。圖3B是本發明實施例之氧氣感測裝置進行電化學觸媒反應的操作示意圖。氧氣感測裝置2進行電化學觸媒反應時，氧氣感測單元21的導電觸媒層211可以對汽車上的渦輪機(未圖示)所排出的包括氮氧化物(NOx)與一氧化碳(CO)的廢氣進行觸媒反應。渦輪機(未圖示)所排出的廢氣可以先被傳送至氣體儲存單元22，控制單元23的判斷電路26再使氣體儲存單元22所儲存的廢氣傳送至導電觸媒層211，例如：判斷電路26可以控制氣體儲存單元22的連接導電觸媒層211的閥門(未圖示)打開，以使上述廢氣被傳送至導電觸媒層211。判斷電路26使開關28導通，則電源24可提供電力(電子e-
)至氧氣感測單元21之導電觸媒層211，以進行觸媒反應並產生碳氫化合物(HC)，用以儲存至氣體儲存單元。例如：導電觸媒層211包括鉑(Pt)、銠(Rh)、鈀(Pd)時，透過鉑(Pt)與銠(Rh)的觸媒可使廢氣中的氮氧化物(NOx)進行下面的反應式(1)：
2NOx+2e-
→O2-
+N2
。
依據反應式(1)，氮氧化物(NOx)轉變成氮氣(N2
)。另外，反應式(1)所產生的氧離子(O2-
)可經由氧離子導體212被傳送至導電觸媒層213，導電觸媒層213將氧離子(O2-
)轉變成氧氣(O2
)並將多餘的電子(e-
)傳送至電源24。另一方面，觸媒導體層211的觸媒鈀(Pd)可使廢氣中的一氧化碳(CO)進行下面的反應式(2)：
CO+O2-
→CO2
+2e-
。
氧離子導體212可以提供反應式(2)所需的氧離子(O2-
)，且反應式(2)生成的電子(e-
)由導電觸媒層211被傳送至電源24。值得一提的是，開關28被導通時，開關27與開關251為不導通。
請同時參照圖2與圖4，圖4是本發明實施例之氧氣感測單元進行氧氣感測的示意圖。控制單元23的判斷電路26使開關27導通以使電壓計29可以量測氧氣感測單元21的導電觸媒層211與導電觸媒層213之間的電壓差。此時，開關28與開關251為不導通。氧氣感測單元21的導電觸媒層211接收來自於汽車渦輪機(未圖示)所排放的廢氣，此廢氣可以包括二氧化碳(CO2)、水(H2
O)、氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)與一氧化碳(CO)。氧氣感測裝置2感測氧氣時的化學反應方式與圖1B的傳統的氧氣感測裝置1相同，不再贅述。值得一提的是，導電觸媒層213是直接接收來自於大氣的空氣，並不接收氣體儲存單元22的氣體。導電觸媒層211接收汽車的內燃機所產生的廢氣(並透過渦輪機12傳送)的方式是氣體儲存單元22接收渦輪機12先排出的廢氣，判斷電路26再控制氣體儲存單元22傳送上述廢氣至導電觸媒層211。
請同時參照圖5A與圖5B，圖5A是本發明實施例之氧氣感測單元將碳氫化合物與氧氣產生反應的示意圖，圖5B是本發明實施例之氧氣感測裝置的電力輸出電路輸出電力的示意圖。當氧氣感測裝置2用以輸出電力時，可以利用氧氣感測單元21對氣體儲存單元22所儲存的碳氫化合物(HC)進行電化學觸媒反應，藉此產生電流。而此電流可以透過電力輸出單元25輸出至外部的用電設備(未圖示)。氧氣感測單元21的導電觸媒層211接收來自氣體儲存單元的碳氫化合物(HC)並進行下面的反應式(3)：
HC+O2-
→CO2
+H2
O+2e-
。
碳氫化合物(HC)與來自氧離子導體212的氧離子(O2-
)反應生成二氧化碳(CO2
)、水(H2
O)與電子(2e-
)。氧離子導體212的氧離子(O2-
)的補充是藉由導電觸媒層213將大氣中的氧氣分解成氧離子(O2-
)，氧離子(O2-
)可經由氧離子導體212被傳遞至導電觸媒層211。判斷電路26控制開關251導通以形成導通的迴路後，反應式(3)所產生的電子(2e-
)可以產生電流，使得連接於電力輸出電路25的輸出端點a、b的用電設備(未圖示)可以獲得電力。簡單地說，氧氣感測單元21可將氣體儲存單元22儲存的碳氫化合物(HC)與氧氣反應，藉此產生電力至電力輸出電路25。
請同時參照圖2與圖6，圖6是本發明實施例之氧氣感測單元產生氫氣與一氧化碳的示意圖。當控制單元23的電源24的電力過剩時，可利用氧氣感測單元21將電力以氫氣(H2
)的方式儲存。另一方面，利用氧氣感測裝置2將汽車內燃機的廢氣中的二氧化碳(CO2
)與水(H2
O)可以製造一氧化碳(CO)和氫氣(H2
)時，一氧化碳(CO)和氫氣(H2
)是可做為化學工業具價值之上游原料，一氧化碳(CO)和氫氣(H2
)可以用以製造甲醇、甲烷等化學品。控制單元23的判斷電路26使開關28導通，開關27與開關251不導通，且判斷電路26使氣體儲存單元22所儲存的廢氣傳送至氧氣感測單元21的導電觸媒層211。因為電源24的供電，導電觸媒層211利用廢氣中的水(H2
O)與來自電源24的電子(e-)生成氫氣(H2
)，其反應式(4)如下：
H2
O+2e-
→H2
+O2-
。
氧離子導體212再將氧離子(O2-
)傳遞至導電觸媒層213，導電觸媒層213將氧離子(O2-
)轉變成氧氣(O2
)並將多餘的電子(e-
)傳送至電源24。上述反應式(4)即是將電源24的電力轉化成氫氣(H2
)的形式儲存，氫氣(H2
)是可替代石化燃料之綠色能源。另一方面，若要同時製造作為化學工業的上游原料的一氧化碳(CO)與氫氣(H2
)，導電觸媒層211可以利用廢氣中的二氧化碳(CO2
)與水(H2
O)進行下面的反應式(5)：
CO2
+H2
O+2e-
→CO+H2
+O2-
。
簡單地說，氧氣感測單元21更可利用電源24的電力產生氫氣(H2
)以儲能或製造一氧化碳(CO)。
請參照圖7A至圖7D，圖7A至圖7D是本發明實施例之氧氣感測單元的剖面圖。氧氣感測單元21的實施方式可以是如圖7A～7C的平板狀，氧離子導體212、導電觸媒層213或導電觸媒層211三者中較厚者用以對氧氣感測單元21做結構支撐。氧氣感測單元21的實施方式可以是如圖7D所示，導電觸媒層213可以錐狀或管狀等形式包覆於氧離子導體212與導電觸媒層211的外部，但整體而言，氧離子導體212仍是介於導電觸媒層211與導電觸媒層之間213。簡言之，導電觸媒層211與導電層觸媒213的形狀並不因此限定，只要氧離子導體212可以保持介於導電觸媒層211與導電觸媒層213之間即可。氧離子導體212因為介於導電觸媒層211與導電觸媒層213之間而可以達到傳遞氧離子(O2-
)的功能。另一方面，在氧離子導體212與導電觸媒層211或導電觸媒層213可以不接觸，且氧離子導體212與導電觸媒層211或導電觸媒層213之間保持一間隙，此間隙通常會造成大氣中的空氣流入並充滿此間隙，但此間隙的存在仍使氧氣感測單元21能夠進行上述的反應式。
根據本發明實施例，上述的氧氣感測裝置可以依據使用上的需要來進行電化學觸媒反應、氧氣感測、發電、電解儲能與電解製造一氧化碳。藉此，達到減少廢氣排放、廢氣發電、善用電力的效果，或是製造做為工業合成氣的一氧化碳與氫氣。使用者可以依照需要，並透過控制判斷電路來使氧氣感測單元進行所需的化學反應。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
10．．．發電機
11．．．內燃機
12．．．渦輪機
13．．．氧氣感測裝置
14．．．觸媒轉換器
131、29．．．電壓計
132、134、211、213．．．導電觸媒層
133、212．．．氧離子導體
2．．．氧氣感測裝置
130、21．．．氧氣感測單元
22．．．氣體儲存單元
23．．．控制單元
24．．．電源
25．．．電力輸出電路
251、27、28．．．開關
26．．．判斷電路
R．．．電阻
圖1A是傳統的汽車內部之燃料轉換機制的示意圖。
圖1B是傳統的氧氣感測裝置的示意圖。
圖2是本發明實施例之氧氣感測裝置的示意圖。
圖3A是本發明實施例之氧氣感測單元進行電化學觸媒反應的示意圖。
圖3B是本發明實施例之氧氣感測裝置進行電化學觸媒反應的操作示意圖。
圖4是本發明實施例之氧氣感測單元進行氧氣感測的示意圖。
圖5A是本發明實施例之氧氣感測單元將碳氫化合物與氧氣產生反應的示意圖。
圖5B是本發明實施例之氧氣感測裝置的電力輸出電路輸出電力的示意圖。
圖6是本發明實施例之氧氣感測單元產生氫氣與一氧化碳的示意圖。
圖7A至圖7D是本發明實施例之氧氣感測單元的剖面圖。
2．．．氧氣感測裝置
21．．．氧氣感測單元
211、213．．．導電觸媒層
212．．．氧離子導體
22．．．氣體儲存單元
23．．．控制單元
24．．．電源
25．．．電力輸出電路
26．．．判斷電路
251、27、28．．．開關
29．．．電壓計
R．．．電阻
Claims (11)
- 一種氧氣感測裝置，其包括：一氧氣感測單元，包括：一第一導電觸媒層；一第二導電觸媒層；以及一氧離子導體，置於該第一導電觸媒層與該第二導電觸媒層之間；一氣體儲存單元，用以儲存該氧氣感測單元所產生的氣體或提供氣體至該氧氣感測單元；以及一控制單元，電性連接該氧氣感測單元，該控制單元包括；一電壓計，用以感測該氧氣感測單元感測氧氣時所產生的在該第一導電觸媒層與該第二導電層之間電壓；一電力輸出電路，用以輸出電力，其中，該氧氣感測單元將該氣體儲存單元儲存的碳氫化合物與氧氣產生反應，藉此產生電力至該電力輸出電路；以及一判斷電路，用以透過至少一開關控制一電源、該電壓計或該電力輸出電路的導通狀態，該判斷電路控制該氣體儲存單元儲存該氧氣感測單元產生的氣體或提供氣體至該氧氣感測單元，其中該電源用以提供電力至該氧氣感測單元之該第一導電觸媒層，以進行觸媒反應並產生碳氫化合物；其中，該氧氣感測單元將該控制單元之該電源的電力用以產生氫氣或製造一氧化碳。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧氣感測裝置，其中該判斷電路設定該電源是否提供電力至該氧氣感測單元之該第一導電觸媒層以及該第二導電觸媒層。
- 如申請專利範圍第2項所述之氧氣感測裝置，其中當該電源提供電力至該氧氣感測單元之該第一導電觸媒層時，該第一導電觸媒層提供電子用於與氮氧化物反應而生成氮氣，該第一導電觸媒層接收來自該氧離子導體的氧分子用於與一氧化碳反應而生成二氧化碳。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧氣感測裝置，其中該判斷電路設定該電壓計是否感測該氧氣感測單元感測氧氣時所產生的在該第一導電觸媒層與該第二導電觸媒層之間電壓。
- 如申請專利範圍第4項所述之氧氣感測裝置，其中當該判斷電路使該氣體儲存單元提供氧氣至該氧氣感測單元之該第一導電觸媒層時，該電壓計感測在該第一導電觸媒層與該第二導電觸媒層之間電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧氣感測裝置，其中該判斷電路設定該氣體儲存單元儲存的碳氫化合物是否被導通至該氧氣感測單元，以與氧氣產生反應，藉此產生電力至該電力輸出電路。
- 如申請專利範圍第6項所述之氧氣感測裝置，其中當該氧氣感測單元接收來自於該氣體儲存單元的碳氫化合物時，該氧氣感測單元之該第一導電觸媒層將該碳氫化合物與來自氧離子導體的氧離子進行反應而生成二氧化碳與電子，藉此該第一導電觸媒層以及該第二導電觸媒層之間產生一電壓差用以提供電力至該電力輸出單元。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧氣感測裝置，其中該判斷電路設定該氧氣感測單元是否將該控制單元之該電源的電力產生用以儲能的氫氣。
- 如申請專利範圍第8項所述之氧氣感測裝置，其中當該判斷電路使該電源的電力提供至該氧氣感測單元時，該氧氣感測單元將該電源提供之電力所產生的電子與水分子進行反應而產生氫氣。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧氣感測裝置，其中該判斷電路設定該氧氣感測單元是否將該控制單元之該電源的電力用以產生一氧化碳。
- 如申請專利範圍第10項所述之氧氣感測裝置，其中當該判斷電路判斷要將該控制單元之該電源的電力用以產生一氧化碳時，該判斷電路控制該電源提供電力至該氧氣感測單元，該氧氣感測單元利用電力將該氣體儲存單元所儲存的二氧化碳與水分子反應而生成一氧化碳與氫氣。
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