TW201411924A - 以氧取代空氣之燃料電池發電系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種燃料電池發電系統，其包括變壓吸附式氧氣製備裝置、電解裝置與燃料電池裝置。變壓吸附式氧氣製備裝置具有氧氣儲存單元，用以產生氧氣，且氧氣儲存單元用以儲存氧氣。電解裝置具有氫氣儲存單元，用以產生氫氣，且氫氣儲存單元用以儲存氫氣。燃料電池裝置連接變壓吸附式氧氣製備裝置與電解裝置，用以將變壓吸附式氧氣製備裝置產生之氧氣以及電解裝置產生的氫氣進行反應，藉此產生電力。

Description

以氧取代空氣之燃料電池發電系統
本發明有關於燃料電池，特別是有關於燃料電池發電系統。
燃料電池是一種高效率、潔淨的電源。燃料電池可以將酒精、天然氣、氫氣等燃料的化學能以氧化還原的方式直接轉換為電能，其高效率的能量轉換以及相對低的環境污染，成為眾所矚目的新興發電方法。燃料電池中的氫燃料電池分別以氫以及氧為燃料和氧化劑，並且只產生副產品-水。氫燃料電池通常具有質子交換膜(proton exchange membrane)，故稱為質子交換膜燃料電池。
請參照圖1，圖1是傳統的質子交換膜燃料電池之示意圖。質子交換膜燃料電池1包括陽極11、陰極12與質子交換膜14。負載13連接陽極11與陰極12以構成迴路。氫氣(H2)在陽極11可以產生氧化反應以產生電子，所產生的電子(e)可經過負載13並被傳送至陰極12。陰極12則利用空氣中的氧氣與由迴路所接收到的電子而進行還原反應。雖然燃料電池已被廣泛地使用，然而，製作新式燃料電池與相關的發電系統仍是本領域人員研發的課題。
本發明實施例提供一種燃料電池發電系統，利用變壓吸附式氧氣製備裝置所產生的純氧來代替空氣，並利用純氧作為燃料電池裝置進行發電所需的氧氣來源，藉此 提升發電效率。
本發明實施例提供一種燃料電池發電系統，其包括變壓吸附式氧氣製備裝置、電解裝置與燃料電池裝置。變壓吸附式氧氣製備裝置具有氧氣儲存單元，用以產生氧氣，且氧氣儲存單元用以儲存氧氣。電解裝置具有氫氣儲存單元，用以產生氫氣，且氫氣儲存單元用以儲存氫氣。燃料電池裝置連接變壓吸附式氧氣製備裝置與電解裝置，用以將變壓吸附式氧氣製備裝置產生之氧氣以及電解裝置產生的氫氣進行反應，藉此產生電力。
本發明實施例提供一種燃料電池發電系統，其包括變壓吸附式氧氣製備裝置、氫氣儲存單元、氧氣儲存單元與燃料電池裝置。變壓吸附式氧氣製備裝置用以產生氧氣。燃料電池裝置連接變壓吸附式氧氣製備裝置、氫氣儲存單元與氧氣儲存單元。燃料電池裝置操作在第一模式或第二模式。當燃料電池裝置操作在第一模式時，燃料電池裝置接收電源之電力以將水電解，藉此產生氫氣並儲存至氫氣儲存單元，藉此產生氧氣並儲存至氧氣儲存單元。當燃料電池裝置操作在第二模式時，燃料電池裝置將來自變壓吸附式氧氣製備裝置或氧氣儲存單元之氧氣與氫氣儲存單元儲存之氫氣反應而產生電力。
綜上所述，本發明實施例所提供的燃料電池發電系統利用變壓吸附式氧氣置備裝置產生的氧氣(純氧)來替代空氣，以有效地提升燃料電池的輸出功率。同時，燃料電池所提升的輸出功率是大於利用變壓吸附式製氧所消耗的功率，如此可以提升燃料電池發電系統的整體發電效率。
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。
〔燃料電池發電系統的實施例〕
本發明利用變壓吸附式氧氣製備裝置所產生的純氧來代替空氣，並利用純氧作為燃料電池裝置進行發電所需的氧氣來源。在本實施例的以下敘述中可知，利用純氧作為燃料電池裝置進行發電所需的氧氣來源可以提升發電的效率，且變壓吸附式氧氣製備裝置製造純氧所消耗的電力少於燃料電池裝置所提升的電力輸出功率，使得本發明實施例的燃料電池發電系統的整體發電效率可以提升。
請參照圖2，圖2是本發明實施例之燃料電池發電系統的功能方塊圖。圖2所示的燃料電池發電系統2僅用以說明本發明的發明概念，在後續的實施例說明與圖式中將進一步揭示燃料電池發電系統細部元件。燃料電池發電系統2包括變壓吸附式氧氣製備裝置22、電解裝置23與燃料電池裝置21。變壓吸附式氧氣製備裝置22可以具有氧氣儲存單元(未圖示)，變壓吸附式氧氣製備裝置22用以產生氧氣，且氧氣儲存單元可用以儲存氧氣。電解裝置23可以具有氫氣儲存單元(未圖示)，電解裝置23用以產生氫氣，且氫氣儲存單元用以儲存氫氣。
燃料電池裝置21連接變壓吸附式氧氣製備裝置22與電解裝置23，用以將變壓吸附式氧氣製備裝置22產生之氧氣以及電解裝置23產生的氫氣進行反應，藉此產生電力。
電解裝置23產生的氫氣的方式可以將水進行電解而產生氫氣。燃料電池裝置21可以利用如圖1的質子交換膜燃料電池1將氫氣和氧氣反應生成電力。使用質子交換膜燃料電池1的優點是可以利用常見的水作為製氫的氫燃料，且可以利用電解水的簡單反應式來完成製氫的程序。但本發明並不限定電解裝置23的實施方式，電解裝置23也可以其他類型實施，例如：電解裝置也可以是鹼性電解、磷酸電解、熔融碳酸鹽電解或固態氧化物電解的其中之一或組合，只要電解裝置23能產生氫氣即可。
另外，變壓吸附式氧氣製備裝置22是使用變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)技術來提取空氣中的氧氣，進而獲得高濃度的氧氣。基本上，變壓吸附技術是一種氣體分離技術，變壓吸附的原理是以吸附劑(常見的型態是多孔的固體物質)的內部表面對氣體分子的物理吸附(通常使用加壓吸附與減壓吸附的循環操作過程)，來達到氣體分離的功效。變壓吸附製氧的其中一種實施方式可以是，以分子篩(例如：沸石分子篩(簡稱ZMS)或鋰分子篩)將空氣(主要是氮氣與氧氣的混合物)中的氮氣吸附，空氣中的氧氣被吸附劑的吸附量相對較少，使得空氣中的氮氣比例大幅減少，氧氣比例大幅提升，藉此製備較高濃度的氧氣。另外，上述吸附劑可以透過大氣脫附解吸或利用真空泵抽真 空，而使吸附劑再生。變壓吸附式氧氣製備裝置22可以是加壓吸附(0.2MPa至0.6MPa)與常壓解吸的方式，裝置成本較少、較簡單，適用於小規模製氧的場合。或是，常壓或略高於常壓(0KPa至50KPa)下吸附與抽真空釋放(抽真空解吸)，設備相對複雜，但效率較高、耗能較低，是用於製氧規模較大的場合。然而，上述舉例僅是用以方便說明變壓吸附製氧的原理，本發明並不因此限定圖2的變壓吸附式氧氣製備裝置22與其他實施例中的變壓吸附式氧氣製備裝置的製氧方式。
請進一步同時參照圖2與圖3A，圖3A是本發明實施例之燃料電池發電系統的細部方塊圖。燃料電池發電系統3包括變壓吸附式氧氣製備裝置32、電解裝置33、燃料電池裝置31與電力儲存裝置34。變壓吸附式氧氣製備裝置32具有變壓吸附式製氧單元321與氧氣儲存單元322。電解裝置33具有質子交換膜電解單元331和氫氣儲存單元332。燃料電池裝置31本身可以是質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池或固態氧化物燃料電池的其中之一或組合。
燃料電池裝置31連接變壓吸附式氧氣製備裝置32與電解裝置33，用以將變壓吸附式氧氣製備裝置32產生之氧氣以及電解裝置33產生的氫氣進行反應，藉此產生電力。電解裝置33的質子交換膜電解單元331用以產生氫氣，且氫氣儲存單元332用以儲存氫氣。變壓吸附式氧氣製備裝置32的變壓吸附式製氧單元321用以產生氧氣，且氧氣儲存單元322用以儲存變壓吸附式 製氧單元321產生的氧氣。
質子交換膜電解單元331將水進行電解反應生成氫氣(H2)與氧氣(O2)，並將氫氣(H2)與氧氣(O2)分別傳送至氫氣儲存單元332與氧氣儲存單元322。傳統上，電解水所產生的氧氣會排放到空氣中，並無法做其他用途，但是本實施例可以保留電解水產生的氧氣，以使後續的反應可以獲得更多的純氧來源。然而，由於變壓吸附是氧氣製備裝置32的變壓吸附式製氧單元321可以由大氣中獲得大量的氧氣來源，因此，本發明並不限定質子交換膜電解單元331將水進行電解反應生成的氧氣是否要儲存起來以供後續的使用。關於燃料電池裝置31利用純氧(O2)與氫氣產生電力的細部特徵，將於下面的段落敘述。
請參照圖3B，圖3B是本發明實施例之燃料電池裝置發電時的電壓與電流密度的關係的曲線圖。當燃料電池裝置31的陰極的氧化劑來源由空氣(含有約20%的氧氣)替換為純氧時，燃料電池裝置31的輸出電流可以明顯地提升，例如：當輸出電壓為0.6伏特時，提供純氧至陰極所產生的輸出電壓會比提供空氣至陰極所產生的輸出電壓增加約63%。當輸出電壓為0.2伏特時，提供純氧至陰極所產生的輸出電壓會比提供空氣至陰極所產生的輸出電壓增加約115%。關於提升發電效率的詳細計算，請參照下面的敘述。
以下計算方式是以變壓吸附式氧氣製備裝置32所產生的氧氣做為燃料電池裝置31反應發電所需的氧氣的全部來源的情況。以利用具有10千瓦特輸出功率的 燃料電池裝置用空氣與氫氣操作1分鐘為例來說明。假設燃料電池裝置是由100個燃料電池單元(cell，面積=416 cm2)串聯構成，且每個燃料電池單元可以產生0.6伏特的電壓。此時，燃料電池裝置的輸出電流(密度)為：10,000 W(瓦特)/100 cells/0.6V=166.67 A=400 mA/cm2×416 cm2。若將陰極所輸入的空氣替換為氧氣，則同樣的燃料電池堆可以產生16.3千瓦的功率(10 kW＊(1+63%))。此時，燃料電池裝置可輸出271.67A的電流(166.67×1.63)。理論上，當每一個電池單元(cell)每分鐘產生1A/cm2的電流密度時，需要消耗3.5毫升(c.c.)的氧氣，即3.5 cc/min.。因此，所述燃料電池裝置操作一分鐘時所需要的氧氣可以如下式計算得到：
亦即，所述燃料電池堆操作一分鐘時所需要的氧氣是0.095立方米(m3)。然而，在實際應用上，提供燃料電池裝置31進行反應所需要的氧氣可以是理論值的兩倍的氧氣量為較佳，因此，實際上的供氧約可以是0.19立方米(m3)(0.095＊2)。依據上述，使用純氧(相對於空氣)進行反應可以多獲得6.3千瓦的功率(16.3kW-10kW=6.3kW)。
另外，變壓吸附式製氧單元321製氧時，每製造一立方米的氧氣(或稱為純氧)需要0.318千瓦的功率，換句話說，為了製造1立方米的氧氣需要多付出0.318千瓦的功率，即0.318 kW/m3。以上述的所需供氧量計算 ，製造0.19立方米(m3)的氧氣需要0.06千瓦的功率(即0.06 kW=0.19m3＊0.318 kW/m3)。發電所產生的電力扣除製氧的電力，可以得到淨增加的總功率為6.24千瓦(6.3 kW-0.06 kW=6.24 kW)。由此可知，使用變壓吸附製氧方式製造純氧供給燃料電池以進行反應是有淨利的。
換句話說，當使用純氧作為燃料電池的陰極在反應時所需的氧分子(氧化劑)來源時，燃料電池的輸出功率不但可以有效地提升，且燃料電池輸出功率的增加扣除變壓吸附製氧所消耗的電力後，仍然獲得多餘的電力。
〔燃料電池發電系統的另一實施例〕
請參照圖4，圖4是本發明另一實施例之可逆燃料電池發電/儲電系統的方塊圖。可逆燃料電池發電/儲電系統4包括變壓吸附式氧氣製備裝置42、氫氣儲存單元43、氧氣儲存單元44與可逆燃料電池/電解裝置41。可逆燃料電池/電解裝置41本身可以是可逆質子交換膜燃料電池、可逆鹼性燃料電池/電解、可逆磷酸燃料電池/電解、可逆熔融碳酸鹽燃料電池/電解或可逆固態氧化物燃料電池/電解的其中之一或組合。
可逆燃料電池/電解裝置41連接變壓吸附式氧氣製備裝置42、氫氣儲存單元43與氧氣儲存單元44。變壓吸附式氧氣製備裝置42用以產生氧氣。可逆燃料電池/電解裝置41可以操作在第一模式(A)或第二模式(B)。當燃料電池裝置41操作在第一模式(A)時(即電解)，燃料電池裝置41接收電源之電力以將水電解，藉此產生氫氣(H2)並儲存至氫氣儲存單元43。當可逆燃料電池/電解 裝置41操作在第二模式(B)時(即燃料電池)，可逆燃料電池/電解裝置41將來自變壓吸附式氧氣製備裝置42或氧氣儲存單元44之氧氣(O2)與氫氣儲存單元43儲存之氫氣(H2)反應而產生電力。
可逆燃料電池/電解裝置41可以連接到外部的電源(未圖示)，例如市電的電網系統或其他類型的電源，以提供電力至電網系統或者從電網系統獲得電力。例如：在可逆燃料電池/電解裝置41是電解的情況下，在外部的電源處於用電離峰狀態時，可逆燃料電池/電解裝置41可以操作在第一模式(A)，並將水電解成氫氣和氧氣，並利用外部的電力轉換成以氫氣的化學能形式儲能，且可逆燃料電池/電解裝置41產生的氧氣可以儲存至氧氣儲存單元44。相對地，在外部的電源處於用電尖峰狀態時，可逆燃料電池/電解裝置41可以操作在第二模式(B)，並利用將氫氣與氧氣進行反應而產生電力，並進一步提供電力至外部的電源(例如：電網系統)。值得一提的是，變壓吸附式氧氣製備裝置42提供的氧氣可以讓可逆燃料電池/電解裝置41在發電時的發電效率有所提升，如前一實施例所述。因此，相較於傳統的燃料電池，本實施例的燃料電池發電系統4在發電時可以明顯地產生更多的電力。
〔實施例的可能功效〕
根據本發明實施例，上述的燃料電池發電系統利用變壓吸附式氧氣置備裝置產生的氧氣(純氧)來替代空氣，以有效地提升燃料電池的輸出功率。同時，燃料電池所提升的輸出功率是大於利用變壓吸附式製氧所消耗的 功率，如此可以提升燃料電池發電系統的發電效率。另外，可逆燃料電池(發電)/電解(儲能)裝置系統也可以操作在兩種模式，以在用電離峰狀態時製備氫氣(與氧氣)，或在用電尖峰狀態時進行發電。
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。
1‧‧‧質子交換膜燃料電池
11‧‧‧陽極
12‧‧‧陰極
13‧‧‧負載
14‧‧‧質子交換膜
2、3‧‧‧燃料電池發電系統
21、31‧‧‧燃料電池裝置
22、32、42‧‧‧變壓吸附式氧氣製備裝置
23、33‧‧‧電解裝置
24、34‧‧‧電力儲存裝置
331‧‧‧質子交換膜電解單元
321‧‧‧變壓吸附式製氧單元
322、44‧‧‧氧氣儲存單元
332、43‧‧‧氫氣儲存單元
4‧‧‧可逆燃料電池(發電)/電解(儲能)裝置系統
41‧‧‧可逆燃料電池/電解裝置
A‧‧‧第一模式
B‧‧‧第二模式
圖1是傳統的質子交換膜燃料電池之示意圖。
圖2是本發明實施例之燃料電池發電系統的功能方塊圖。
圖3A是本發明實施例之燃料電池發電系統的細部方塊圖。
圖3B是本發明實施例之燃料電池裝置發電時的電壓與電流密度的關係的曲線圖。
圖4是本發明另一實施例之燃料電池發電系統的方塊圖。
3‧‧‧燃料電池發電系統
31‧‧‧燃料電池裝置
32‧‧‧變壓吸附式氧氣製備裝置
33‧‧‧電解裝置
34‧‧‧電力儲存裝置
321‧‧‧變壓吸附式製氧單元
322‧‧‧氧氣儲存單元
331‧‧‧質子交換膜電解單元
332‧‧‧氫氣儲存單元

Claims (10)

  1. 一種燃料電池發電系統，包括：一變壓吸附式氧氣製備裝置，具有一氧氣儲存單元，用以產生氧氣，該氧氣儲存單元用以儲存氧氣；一電解裝置，具有一氫氣儲存單元，用以產生氫氣，該氫氣儲存單元用以儲存氫氣；一燃料電池裝置，連接該變壓吸附式氧氣製備裝置以及該電解裝置，用以將該變壓吸附式氧氣製備裝置產生之氧氣以及該電解裝置產生的氫氣進行反應，藉此產生電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池發電系統，其中該電解裝置用以將水電解產生氫氣並儲存於該氫氣儲存單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池發電系統，其中該電解裝置將水電解產生的氧氣用以儲存至該氧氣儲存單元。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池發電系統，其中該電解裝置是質子交換膜電解、鹼性電解、磷酸電解、熔融碳酸鹽電解或固態氧化物電解的其中之一或組合。
  5. 一種燃料電池發電系統，包括：一變壓吸附式氧氣製備裝置，用以產生氧氣；一氫氣儲存單元；一氧氣儲存單元；以及一燃料電池裝置，連接該變壓吸附式氧氣製備裝置、該氫氣儲存單元以及該氧氣儲存單元，其中該燃料電池裝置操作在一第一模式或一第二模式，當該燃料電池裝置操 作在該第一模式時，該燃料電池裝置接收一電源之電力以將一氫燃料電解，藉此產生氫氣並儲存至該氫氣儲存單元，當該燃料電池裝置操作在該第二模式時，該燃料電池裝置將來自該變壓吸附式氧氣製備裝置或該氧氣儲存單元之氧氣與該氫氣儲存單元儲存之氫氣反應而產生電力。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池發電系統，其中該燃料電池裝置包括一(質子交換膜)電解裝置，以水為進料，該電解裝置接收該電源之電力以將水電解，藉此產生氧氣並儲存至該氧氣儲存單元。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池發電系統，其中該變壓吸附式氧氣製備裝置連接該氧氣儲存單元，以使該變壓吸附式氧氣製備裝置產生的氧氣被儲存至該氧氣儲存單元。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池發電系統，其中該燃料電池裝置是質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池或固態氧化物燃料電池的其中之一或組合。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池發電系統，其中該第一模式用以在該電源處於用電離峰狀態時，將該電源之電力轉換成以氫氣的形式儲能。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池發電系統，其中該第二模式用以在該電源處於用電尖峰狀態時，將該氫氣儲存單元產生的氫氣以及來自該變壓吸附式氧氣製備裝置或該氧氣儲存單元的氧氣反應產生電力，並提供電力至該電源。
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