TW201010165A - Method for operating indirect internal reforming solid oxide fuel cell system - Google Patents

Description

201010165 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種將重組器設置在燃料電池附近的間接内部 重組式固態氧化物型燃料電池，以及具備該電池的間接内部重組 式固態氧化物型燃料電池系統。 【先前技術】

固態氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells，以下稱 SOFC) ’通常’會受到在重組器中將煤油或都市媒氣等碳氫化合 物燃料（重組原料）重組所產生的含氫氣體（重組氣體）的供給。 在SOFC中’讓該重組氣體與空氣產生化學放電反應，藉此發電。 S0FC通常係在550°C〜1000。(：左右的高溫下運作。 重組，可利用水蒸氣重組、部分氧化重組等各種反應。無論 哪一種都需要在一定的溫度以上。因此，吾人開發出一種間接内 部重組式SOFC ’其在SOFC的附近（可接受SOFC的熱輻射的位 置）設置重組器’利用SOFC的輻射熱對重組器加熱（參照專利 文獻1)。又，在間接内部重組式SOFC中，讓含有可燃成份的陽 極排出氣體（從SOFC的陽極排出的氣體）在間接内部重組式 SOFC的框體（模組容器）内燃燒，以該燃燒熱作為熱源對重组^ 加熱（參照專利文獻2)。 另外’不限於SOFC ’燃料電池也會進行負載追隨運轉。亦即， 因應家庭電力需求而改變發電輸出値。因此，亦有文獻檢討抑制 燃料電池的輸出以對應所要求之電力値的方法（參照專利; 以及4)。 專利文獻3記載一種燃料電池發電系統，包含：燃料處理 置，其重組重組用原料產生以氫為主要成份的燃料氣體；燃^ 池，其用該燃料氣體發電；發電量測量機構，其測量燃料電 發電;S，以及控制部，其在增大該發電量時，因應發電量、刻、田的 構所測量到的發電量控制發電量增大速度。該技術之目的^夏機 提供一種能夠提高從低負載運轉切換到高負載運轉時或啟動 3 201010165 二換時間或啟動時間的燃料電池’以及利用該燃 暫機値或暫定電 關實效電力値是否充分壓値之後’判斷相 地對應的情況下，按昭，在沒有充分適當 減少暫定電流値或暫定電鉉方式’適當地增大或 摇供一锸揪姐2电璺値以控制發電。該技術之目的在於 内溫度維持固定的加熱機構，因此不會無謂 ❹ 供給量以及魏難電充分適料控制燃料氣體 [專利文獻1]日本特開2002-358997號公報 [專利文獻2]曰本特開2004-319420號公報 [專利文獻3]曰本特開2003_223911號公報 [專利文獻4]日本特開2005-285433號公報 【發明内容】 [發明所欲解決的問題] 而增大發電輸出値的情況下，若瞬間大幅增 會發生在燃燒區域燃燒的燃燒量減少、在燃燒區n:: It ° 因應用電家庭嗯^ 〇 練持重組燃料所需要的溫度，未重組_^?能因此 侵入電池内部，對電池造成不良影響。 ·、、、了叶』犯因此 對於這個問題，即使在增大發電輸出値同時增大 ，增大重組量作為對應處理方法，例如在以吸熱反“主=二 自,ΐ重組的情況下’在燃燒區域中增大；燒量ϊΐί 窃>皿度回设之前’也有可能發生該重組量的増大使 的下降暫時加速’讓本來麟維持的重組器溫度低於水 況。另外在使用以放熱反應駐的部分氧化重纟蝴情 201010165 讓重邮局部處_奴_升高。 出値維持-定增大，況之外’讓發電輸 組器的溫度下轉的；也可能因為某些相，導致重 SOFC的内部或重免發生未重組燦料流入 dclnn Λ垔、器局"卩處所溫度明顯提高的情況。 鑪·^ #之目的在於提供—種間接内部重組式S0FC㈣ήν重 r二題其之能技:穩手r當地維持重組器的溫度。 的運轉方法 提供-種間接畴重组式_、氧化物型燃料電池系統 ❹ 冰，μ 重組式固‘餘錄魏料電池纽的運轉方 儿人=、^先匕3.重組器，具備重組觸媒層，此重組器利用碳盘 ^物=料製造$組氣體；職氧化物魏料電池，其使用 ίϊ=得之重組氣體進行發電；以及燃燒區域，其讓該固ΐ氧 化?^燃料電池所排出之陽極排出氣舰燒；該重組器配置^ 接文该燃燒區域所產生之鎌熱的位置上；該方法的特徵為包 言：控制步驟，其改__氧化物賴料電池的發電輸出値， 藉此控制該重組觸媒層的溫度。 2)/一種間接内部重組式固態氧化物型燃料電池系統的運轉方 ❹法，該系統包含：重組器，具備重組觸媒層，此重組器利用碳氫 化合物燃料製造重組氣體；固態氧化物型燃料電池，其使用該重 組器所製得之重組氣體進行發電；以及燃燒區域，其讓該固態氧 化物型燃料電池所排出之陽極排出氣體燃燒；該重組器配置在可 接受該燃燒區域所產生之燃燒熱的位置上；該方法的特徵為包 含：升溫步驟’在將該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値預先 設定為既定値的情況下，當該重組觸媒層的溫度低於重組所必要 之下限溫度時，使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値低於該 既定値，藉此讓該重組觸媒層的溫度上升。 3) —種間接内部重組式固態氧化物型燃料電池系統的運轉方 法’該系統包含：重組器，具備重組觸媒層，此重組器利用碳氫 r 5 201010165 化合物燃料製造重組氣體；固態氧化物型燃料電池，其使用該重 組器所製得之重組氣體進行發電；以及燃燒區域，其讓該固態氧 化，型燃料電池所排出之陽極排出氣體燃燒；該重組器配置在可 ，受該燃燒區域所產生之燃燒熱的位置上；該方法的特徵為包 含··升溫步驟，在預先設定好讓該固態氧化物型燃料電池的發電 輸出値隨著時間增大的情況下，當該重組觸媒層的溫度低於重組 所必要之下限溫度時，使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値 保持當該重組觸媒層的溫度低於重組所必要之下限溫度時的發電 輸出値’或是使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値低於當該 ^組觸媒層的溫度低於重組所必要之下限溫度時的發電輸出値， 藉此讓該重組觸媒層的溫度上升。 4)如2)或3)所記載的方法，其中更包含：發電輸出値增 =步驟^當讓該重組觸媒層的溫度上升的步驟使該重組觸媒層的 胍度在该下限溫度加上預定餘裕溫度的溫度以上時，讓該固態氧 化物型燃料電池的發電輸出値增大。 [對照先前技術之功效] 本發明提供一種能夠維持重組器的溫度穩定且適當的間接内 部重組式SOFC系統的運轉方法。 【實施方式】 以下，用圖面説明本發明的實施形態，惟本發明並非以此為 限。 〔間接内部重組式SOFC〕 圖1係示意圖，表示可適用本發明的間接内部重組式s〇Fc 系統的一個實施形態。 間，内邛重組式SOFC具備從碳氫化合物燃料製造重組氣體 的重組器2。重組n收容有重_媒層7。\，間接内部重組式 S〇^C ’具備細重組11 2所製得之重組氣體發電的SOTC3，並具 ，讓SOFC排出之陽極排出氣體燃燒馳燒區域4。該等重組器、 OFC以及燃燒區域收容在框體丨内。重㈣配置在可接受燃燒區 201010165 域所產生之燃燒熱的位置上。 鱼翁供應給重組器。此時，亦可因應需要而將含 或水統也供應給重《。纽n所製得之重 應給s°fc的陽極。陽極排*之陽極排*氣體可在燃 燒區域燃燒。 ’有別於間接_重組式sc>fc系統，另設置有外 力尚求站6。在此設置有外部需求電力檢測機構1()，其可檢 JJ SOFC的電力需求値’亦即需求電力。又，在此所謂的外部 意扣相對固態氧化物型燃料電池系統的外部而言。 籲又’在固態氧化物型燃料電池系統η内部可適當設置獅設 備至，收納鼓風機等辅助設備。有別於外部電力需求站，輔助設 備亦存在電力需求’故設置可檢_需求_部需求電力檢測機 構11。在此所謂内部意指固態氧化物型燃料電池系統内部而言。 :在重組器内設置有重組觸媒層溫度檢測機構9，可檢測重組觸 媒層的溫度。該重組觸媒層溫度檢測機構可設置一個或複數個。 •吾人可適當選用能夠檢測重組觸媒層溫度的熱電對等習知感應哭 作為該溫度檢測機構。 ^ 作為控制對象的重組觸媒層溫度，例如，可採用重組觸媒層 的最高溫度。因此，可沿著氣體流通方向在重組觸媒層上設置複 ❹數溫度檢測機構，並將其所測量到的複數溫度之中的最高^度當 作控制對象。 在SOFC内設置有SOFC發電輸出値檢測機構8，可檢測s〇fc 的發電量（發電輸出値）。 所檢測到的需求電力、重組觸媒層溫度以及發電輸出値，都 轉成訊號，傳送到SOFC輸出控制機構5°SOFC輸出控制機構5， 利用該等訊號控制SOFC的發電輸出。SOFC輸出控制機構，可適 富使用控制用電腦、排序器’、反向器等在間接内部重組式S〇fc 或是SOFC系統中用來進行控制的習知控制機構。 本發明’藉由改變SOFC的發電輸出値，控制重組觸媒層的 溫度。如是便能夠穩定且適當地維持重組器的溫度。吾人可^作 201010165 SOFC的掃描電流，以改變發電輸出値。若檢測s〇FC的電壓，便 可算出該電壓與掃描電流的發電輸出値。 為了更具體說明’試舉下列二個實施形態。 〔第一實施形態〕 該形態預先將SOFC的發電輸出値（P)設定為固定値（Pc)。 在該形態中，當重組觸媒層的溫度（T)低於根據燃料種類或空間 速度等重組條件所決定之重組所必要之下限溫度（TL)時，便將 固態氧化物型燃料電池的發電輸出値（P)設定成比該固定値（Pc) 更低，藉此讓重組觸媒層的溫度上升，此為第一實施形態的重組 觸媒層溫度上升步驟。 當該重組觸媒層溫度上升步驟使重組觸媒層的溫度（T)達到 該下限溫度（TL)與預設餘裕溫度（△![，惟ΔΤΜ))相加的溫度 (TL+AT)以上時，便可執行讓s〇FC的發電輸出値增大的步驟。 藉由該步驟’便可讓SOFC的發電輸出値回到該固定値（pc)。 例如’當重組觸媒層溫度（T)低於下限溫度（TL)(在此TL =650°C)時，便讓發電輸出値下降一定數量（在此假設為1〇%) (換句話說讓發電輸出値為〇.9Pc)。之後，若重組觸媒層溫度達 到Τ£+ΔΤ (在此為655。(：。亦即ΔΤ = 5Χ：。）以上，便讓發電輸 出値回復到原來數值（亦即該固定値Pc)。若即使降低1〇%重組 觸媒層溫度也無法達到TL + AT以上的話就更進一步降低發電輸 出値。此操作可不斷重複，直到重組觸媒層溫度回復為止。 〔第二的形態〕 該形態係關於在預先設定好讓SOFC的發電輸出値（p)隨著 時間一起增大的情況下，亦即，當電力需求量比發電輸出値更高 時，讓發電輸出値增大的步驟。在該形態中，當重組觸媒層的溫 度（T)低於重組所必要之下限溫度（tl)時，將固態氧化物型燃 料電池的發電輸出値，保持為重組觸媒層的溫度低於重組所必要 之下限溫度時的發電輸出値（P*)，或比該發電輸出値p*更低的 數値（例如0.9P*)，藉此讓重組觸媒層的溫度上升，此為第二實 施形態的重組觸媒層溫度上升步驟。 201010165 當該重組觸媒層溫度上升步驟，使重組觸媒層的溫度（τ)， 在該下限溫度（TL)與預定餘裕溫度（at)相加的溫度（tL+at) 以上時，再次執行讓S0FC的發電輸出値增大的步驟。亦即，只 要重組觸媒層溫度維持在tl+at，就能夠因應電力需求量增大發 電輸出値。 a 〔碳氫化合物燃料〕

碳氫化合物燃料，作為重組氣體的原料，在S0FC技術領域 中，可從分子中含有碳與氫（含有氧等其他元素也可以）的習知 化合物或是混合物選用適當者，亦可選用碳氫化合物類、酒精類 等分子中含有碳與氫的化合物。例如甲烷、乙燒、丙烧、丁烧、 天然氣體、LPG (液化石油氣）、都市媒氣、石油、石腦油、煤油、 輕油等碳氫化合物燃料’或是曱醇、乙醇等酒精，帽等鍵類。 其中煤油或LPG容易取得’是較佳的選擇。而且能夠獨立儲 藏，對都市媒氣官路尚未普及的地域而言很實用。再者，利用煤 油或^>G的SOFC發電裝置，可用來當做緊急用電源。特別是就 容易處置此點而言，煤油是較佳的選擇。 用來當作重組職的碳氫化合物燃料，必要時可先經過脱硫 再供應給重組H。又，當碳氫化合物燃料為液體時，可經過適當 氣化之後再供應給重組器。 ^ 〔重組器〕 重組器，從碳氫化合物燃料製造出含氫的重缸氣體。 在重組器中’可進行水蒸氣重組、部分氧化重組以及水蒸氣 重組反應伴隨部分氧化反應的自熱式重組盆中任_種 在^組器中，可適當選用具有水蒸氣重組能的水蒸氣重組觸 媒、具有部分氧化重組能的部分氧化重組觸媒，或擁有部分 氧化重組能與水洛氣重組能的自熱式重組觸媒。 重組器的構造可適當習知構造。例如，在可密閉容器内 具備收容重_媒的區域’並具備重組必要流體的導人口以及重 組氣體的排出口。 重組器的材質，可考慮在使用環境中的雖， 材質中⑴ •一· -ί 二. 9 201010165 選用適當材質。 重組器的形狀可為長方體狀或圓管狀等適當形狀。 可將碳氩化合物燃料（可因應需要預先氣化）以及水蒸氣， 甚至因應需要將空氣等的含氧氣體，分別單獨或是適宜混合之 後，供應給重組器（重組觸媒層）。又，重組氣體供應給S0FC：的 陽極。 從重組器製得之重組氣體被供應給SOFC的陽極。另一方面， 空氣專含氧氣體被供應給SOFC的陰極。在發電時，隨著發電， SOFC會放熱，該熱能從s〇FC利用輻射傳熱等方式傳到重組器。 像這樣利用SOFC的放熱對重組器加熱。氣體的配合情況可適當 用配線管路等構件實現之。 〔SOFC〕 SOFC可適當選用習知的S0FC。SQFC，一般係利用氧離子 導電性陶瓷或是質子導電性陶瓷作為電解質。 SOFC可為單電池，惟實際應用上宜將複數單電池排列成堆疊 電池組（在圓筒型的情況下亦可稱成束電池，本說明書所稱堆疊 電池組亦包含成束電池）使用。此時，堆疊電池組可為〖個或複 數個。 SOFC的开>狀，亦不限於立方體形狀的堆疊電池組，可採用 當的形狀。 〔框體〕 、框體（模組容器）可使用能夠收容SOFC、重組器以及燃燒區 域的適當容器。其材料可使用例如不銹鋼等對使用環境具備耐性 的適當材料。在容器内，為了氣體的配合情況等，可設^適當的 連接口0 田 模組容器宜保持氣密性，讓模組容器内部與外界（大氣）不 連通。 ” 〔燃燒區域〕 燃^域1可燃燒從S0FC陽極所排出之陽極排出氣 區域。例如，可在框體内開放陽極出口，並概極出口附近的空 201010165 間當作燃燒區域。例如可麟極㈣纽當作含減體以進行燃 燒。因此’可在框體内開放陰極出口。 為了讓陽極排出氣體燃燒，可適當使用點火器等點火機構。 〔重組器的配置〕 ” 在間接内部重組式SOFC中，重組器配置在可接受S〇FC的 熱能的位置上。因此，雖然可將重組器配置在能夠接受s〇fc的 熱輻射的位置上’然而若從熱能損耗的觀點考量，則宜將重組器 配置在最能夠接收到該熱輻射的位置上。 ' 在本發明中，重組器配置在可接受燃燒區域 燒轨 ，位置上。因此’可將重組器配置在可接受燃燒區域“匕 ^立置上:此時，燃燒區域與重組器之間不宜設置任何遮蔽物。 亦即，燃燒區域與重組器宜未夾遮蔽物而互相對向彼此1外， 管等構件。宜儘魏重組器與燃燒區域配置 〔重組觸媒〕 ★重組11的水蒸氣重組觸媒、部分氧化重_媒、自教 $組用習知的觸媒。部分氧化重組觸媒例如白金系 例如錄系，媒。Ζ促進峨的重組觸媒例如白金系以及姥系二媒 可進行部分氧化重組反應的溫度為例如2⑻。c以上 次 ?备軋重組反應的溫度為例如40(rc以上。 爪 〔重組器的運轉條件〕 =下，分別就水蒸氣重組、自熱式重組、部分 組器中的額定運轉條件進行説明。 更、，且在重 知沾ΐίίΐϊ 在煤油等重組原料中添加水蒸氣。水篆氣重 皿度4()(rc〜l()(Krc，宜為意㈠卿:更= =50C〜8GGC的範圍魄行。導人反應祕的水蒸氣量， 〜5 ”巧言物，，所包含的碳原子莫耳數與水分子莫耳數的比 減來決定’其値宜為1〜1〇，更宜為1.5〜7 备碳氫化合物燃料為液斷，設碳氫化合物燃料在液體狀& 201010165

觸媒層體積為18⑹，時的空間速度 最好是在α2〜^的|^宜為祕〜2Gh_1，更宜狀1〜撤―1， 产触、，τ 可I取侍谷易性，宜使用空氣。添加含氧

Λ 〇.〇5^"^ (LHSV) ^ ^ \Zlm^ 為1.5〜7，最好是2〜5。 川又且 吨氧部;組原料中添加含氧氣體。含氧氣體可用 ί可氣。為了確保進行反應的溫 燃料所包含之碳原J耳^

如赋〜_，宜設定為 MM〜鮮⑽範圍内。當碳氫化合物燁料為液體睥 此時的空間速度（LHSV)宜_ 〇1〜3〇—丨=:為，時’ 反應系統產生煤炭可導人水魏，其數水^ y方止 宜為〇·1〜5，更宜為(U〜3，最好是=財紅八的比而言 〔其他機器〕 一/fT：!重組式S0FC系統的f知構成要件，可因庫需要、商 7置。具體而言例如，將液體氣化的氣化器， 加壓的泵、壓縮機、鼓風機等升壓機構，用來、」體 是用來遮擋，切換流體流動的閥等流量調節機構或;;路： 12 201010165 換機構’ f來進行熱交換、熱回收的熱交換It，凝結氣體的凝結 器，用水蒸氣等從外部對各種機器加熱的加熱/保溫機構，碳i 化合，燃料（重組原料）或燃燒用燃料的儲藏機構，儀器計測用 的空氣或通電系統，控制用的訊號系統，控制裝置，輸出用或動 力用的通電系統’減低燃料中的硫黄成份濃度的脱硫器等。 【產業上利用性】 本發明可應用於間接内部重組式SOFC系統，該系統可應用 於例如定置用或是移動體用的發電裝置或汽電共生系統中。 【圖式簡單說明】 圖1係示意圖，表示可適用本發明的間接内部重組式SOFC 系統的概要。 【主要元件符號說明】 1框體 2重組器 3 SOFC 4燃燒區域 5 SOFC輸出控制機構 6外部電力需求站 7重組觸媒層 8 SOFC發電輸出値檢測機構 9重組觸媒層溫度檢測機構 10外部需求電力檢測機構 11内部需求電力檢測機構 12固態氧化物型燃料電池系統

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Claims (1)

1. 201010165 七、申請專利範圍： 物燃料製造㈣氣‘ 媒層’此重組器糊碳氫化合 所製得之重組氣^衧=氧化物麵料電池’其使用該重組器 型燃料電池所排出之陽“出區域，其讓該固態氧化物 該燃燒燒；該纽11赌在可接受 该方法的特徵為包含： ，以其改變該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値， 藉以控制该重組觸媒層的溫度。 ^系重5式關氧化物型燃料電池，、_運轉方法， 二料ί、1*έ ，具備重組觸媒層，此重組器利用碳氫化合 ίϊί電所排出之陽極翻氣舰燒；該重組器配置在可接受 以燃巧域所產生之燃燒熱的位置上；該方法的特徵為包含： 升溫步驟，在將該固態氧化物型燃料電池的發電輸 設定為既定制纽下，當該重蝴媒層的溫度低於重組所必要 之下限溫度時，使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値 既定値，藉以讓該重組觸媒層的溫度上升。 _、μ 2、一種間接内部重組式固態氧化物型燃料電池系統的運轉方法， 該系統包含：重組器，具備重組觸媒層，此重組器利用碳氫化合 物燃料製造重組氣體；固態氧化物型燃料電池，其使用該重組^ 所製得之重組氣體進行發電；以及燃燒區域，其讓該固態氧化物 型燃料電池所排出之陽極排出氣體燃燒；該重組器配置在可接受 該燃燒區域所產生之燃燒熱的位置上；該方法的特徵為包含： 升溫步驟’在預先設定好讓該固態氧化物型燃料電池的發電 輸出値隨著時間増大的情況下，當該重組觸媒層的溫度低於重組 201010165 所必要之下限溫度時，使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値 保持於當該重組觸媒層的溫度低於重組所必要之下限溫度時的發 電輸出値，或是使該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値低於當 該重組觸媒層的溫度低於重組所必要之下限溫度時的發電輸出 値，藉以讓該重組觸媒層的溫度上升。 4、如申請專利範圍第2或3項之間接内部重組式固態氧化物型燃 料電池系統的運轉方法，其中更包含： 發電輸出値增大步驟’當讓該重組觸媒層的溫度上升的步驟 鲁使該重組觸媒層的溫度在該下限溫度加上預定餘裕溫度所得之溫 度以上時，讓該固態氧化物型燃料電池的發電輸出値增大。 八、圖式：

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