TW201916445A - 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統 - Google Patents

氣體燃料重組裝置及其發電整合系統 Download PDF

Info

Publication number
TW201916445A
TW201916445A TW106135182A TW106135182A TW201916445A TW 201916445 A TW201916445 A TW 201916445A TW 106135182 A TW106135182 A TW 106135182A TW 106135182 A TW106135182 A TW 106135182A TW 201916445 A TW201916445 A TW 201916445A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
gas
recombination
combustion
fuel
gas fuel
Prior art date
Application number
TW106135182A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI626784B (zh
Inventor
顏子翔
盧信宏
康文成
Original Assignee
台灣中油股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 台灣中油股份有限公司 filed Critical 台灣中油股份有限公司
Priority to TW106135182A priority Critical patent/TWI626784B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI626784B publication Critical patent/TWI626784B/zh
Publication of TW201916445A publication Critical patent/TW201916445A/zh

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本發明氣體燃料重組裝置包含燃燒機構、重組機構及導熱機構的整合，其中，該燃燒機構採用環繞式傳熱鰭片設計於多孔介質燃燒槽體周邊，並透過導熱機構引導，提供反應所需要之熱能，於重組機構中進行碳氫化合物(如天然氣等碳氫化合物)重組產富含氫氣之化學反應；另可配合預熱盤管，除了能利用燃燒熱有效將進料水吸熱氣化外，其整合空間更可節省重組器所佔體積。

Description

氣體燃料重組裝置及其發電整合系統
本發明係屬燃料重組裝置的設計，用以混合水蒸氣與碳氫化合物進行氫氣重組，特別是在發電整合系統領域上，與燃料電池的結合使用。
重組產氫系統為一個複雜的小型化學工廠，利用碳氫化合物與水為進料，在重組觸媒與高溫條件下完成化學反應，產生富含氫氣的重組氣體，如加上單元反應觸媒選配、反應器設計、反應系統熱管理、反應條件最佳化等參數配合時，將可進一步提高重組氣體產生的效率。
在習知技術中，以往重組器設計主要強調碳氫化合物與水在進觸媒區前需充分混合，且水與氣態碳氫化合物混和前需吸收燃燒產生的熱量以達到水蒸氣狀態，避免反應過程中積碳現象的發生。積碳對觸媒之影響除了阻斷觸媒的活性基，造成觸媒失效以外，嚴重者容易導致觸媒粉化，造成反應器堵塞現象。解決方法可提高水碳比來改善積碳現象，但也會相對提高系統之耗能。
先前文獻中也指出，欲避開易積碳之區間，甲烷單獨存在時 需低於200℃，水蒸氣與甲烷混合氣需大於120℃，因此，大部分實驗選擇使用電熱取代燃燒器的方式以提供重組反應及燃料預熱所需熱量，或是將進料水盤管預熱區單獨設計在獨立於重組反應區之外的區域，確保能完全利用燃燒尾氣將水完全氣化為水蒸氣。
本發明係提出一種發電整合系統的設計，其中，除了氣體燃料重組裝置本體緊緻不佔空間，亦可完成重組反應與進料水預熱的雙重功能，更能實現高效能熱回收與高熱效率的重組產富含氫氣之化學反應連續式生產製程技術。
綜上所敘，前述之氣體燃料重組裝置，其本體結構包含：一燃燒機構、一重組機構以及一導熱機構。
該燃燒機構具有一燃燒槽，用以燃燒一燃料與一助燃氣體，提供一重組反應所需之熱量、一燃料進口，連接該燃燒槽底層，提供該燃料以及一助燃氣體進口，連接該燃燒槽底層，提供該助燃氣體。
該重組機構包覆該燃燒機構，具有一重組槽，置放一觸媒，用以誘發一反應物進行該重組反應，產生一含有氫氣的重組氣體、一反應物進口，連接該重組槽側邊，提供該反應物，其中，該反應物係為一水蒸氣與一碳氫化合物氣體的均勻混合物以及一重組氣體出口，連接該重組槽頂層，排出該重組氣體。
該導熱機構間隔該燃燒機構與該重組機構，具有一導氣槽，連接該燃燒槽頂層，用以導引一燃燒尾氣的方向以及一燃燒尾氣出口，連 接該導氣槽，排出該燃燒尾氣。
在一實施例中，該氣體燃料重組裝置結構更包含：一預熱盤管，其具有一水進口，連接該預熱盤管的一端，提供該水流以及一水蒸氣出口，連接該預熱盤管的另一端與該反應物進口，提供該水蒸氣，其中，該導熱機構係間隔該重組機構與該預熱盤管。
另，本發明所提出一種發電整合系統，其設計包含：一前述之氣體燃料重組裝置，提供一燃燒尾氣與一重組氣體，一熱交換裝置，連接該氣體燃料重組裝置，接收該燃燒尾氣加熱一空氣，提供一高溫空氣以及一燃料電池。
該燃料電池具有：一陽極端，連接該氣體燃料重組裝置，接收該重組氣體參與反應，並排出未反應完之一燃料，導引至該氣體燃料重組裝置以及一陰極端，連接該熱交換裝置與該氣體燃料重組裝置，接收該高溫空氣參與反應，並排出未反應完之一該助燃氣體，導引至該氣體燃料重組裝置。
由此，透過本發明氣體燃料重組裝置與發電整合系統的使用，其本體不僅可完成重組反應與進料水預熱的雙重功能，亦可透過填充多孔材料與加裝散熱鰭片，將燃燒機構內的熱能均勻傳送至重組機構上並加速反應進行，大幅減少需使用之空間；更者，與燃料電池配合時，能提供高效能熱回收與高熱效率的反應環境，實現連續式生產製程技術。
100‧‧‧燃燒機構
101‧‧‧燃燒槽
102‧‧‧燃料進口
103‧‧‧助燃氣體進口
104‧‧‧散熱鰭片
105‧‧‧固定條
106‧‧‧導流錐
200‧‧‧重組機構
201‧‧‧重組槽
202‧‧‧反應物進口
203‧‧‧重組氣體出口
204‧‧‧預混區
205‧‧‧金屬衝孔網
300‧‧‧導熱機構
301‧‧‧導氣槽
302‧‧‧燃燒尾氣出口
303‧‧‧導流板
400‧‧‧預熱盤管
401‧‧‧水進口
800‧‧‧氣體燃料重組裝置
810‧‧‧熱交換裝置
820‧‧‧燃料電池
第1圖係揭示本發明氣體燃料重組裝置的結構圖
第2圖係揭示本發明燃燒槽的結構圖
第3圖係揭示本發明重組機構位置以及重組氣體流動方向圖
第4圖係揭示本發明導熱機構位置以及燃燒尾氣流動方向圖
第5圖係揭示本發明預熱盤管位置以及水流動方向圖
第6圖係揭示本發明氣體燃料重組裝置的加熱溫度分佈圖
第7圖係揭示本發明一實施例中反應物與重組氣體的濃度分佈圖
第8圖係揭示本發明發電整合系統的組合設計圖
藉由所揭露的圖示，下文將詳細揭露具體地實施方式，然而，本發明特徵不因此限縮於這些實施例中。
請參考第1圖所示，第1圖係揭示本發明氣體燃料重組裝置的本體結構，包含：一燃燒機構100、一重組機構200以及一導熱機構300，其中，該重組機構200係包覆該燃燒機構100，且由該導熱機構300間隔該燃燒機構100與該重組機構200，係透過該燃燒機構100加熱，使達到一重組反應熱所需要之溫度，必要時也可增加另一燃料進口，來維持燃燒機構母火穩定燃燒，不受與發電裝置整合後，因變動負載所造成原燃料進口量變化下的影響。而前述之重組反應係滿足下列反應方程式：CxHyOz+(x-z)H2O → xCO+(x-z+0.5y)H2其中，CxHyOz與H2O為該反應物之組合，且CO與H2為該重組氣體之組合，該重組反應需維持溫度大於400℃。
該燃燒機構100係具有一燃燒槽101，用以燃燒一燃料與一助燃氣體，提供一重組反應所需之熱量、一燃料進口102，連接該燃燒槽底層，提供該燃料以及一助燃氣體進口103，連接該燃燒槽底層，提供該助燃氣體。
配合第2圖所示，第2圖係揭示本發明燃燒槽的設計，較佳地，燃燒槽內係填充一碳化矽之多孔材料，如：10PPI的碳化矽(SiC)材料，多孔介質燃燒技術是一種新穎獨特的燃燒方式，除了相對於自由火燄預混燃燒，亦具有燃燒效率高、污染物排放低的優點；且該燃燒機構100除了選擇保溫壁材，更具有複數片狀散熱鰭片104，排列於該燃燒槽101的同心圓壁面，對燃燒所產生之熱能做一有效利用；更者，為保留該導熱機構300空間，係利用固定條105固定間距。
另，配合第3圖所示，第3圖係揭示本發明重組機構的位置以及重組氣體的流動方向，該重組機構200具有一重組槽201，置放一觸媒，用以誘發一反應物進行該重組反應，產生一含有氫氣的重組氣體、一反應物進口202，連接該重組槽201側邊，提供該反應物，其中，該反應物係為一水蒸氣與一碳氫化合物氣體的均勻混合物以及一重組氣體出口203，連接該重組槽201頂層，排出該重組氣體。較佳地，該碳氫化合物氣體係為甲烷，且該觸媒係為鎳基觸媒或一貴金屬觸媒。如虛線箭頭路徑，先由該反應物進口202進料，於預混區204中促使該水蒸氣與該碳氫化合物氣體均勻混合，並引導至該重組槽201，後配合觸媒與溫度作用進行產氫反應，而後經金屬衝孔網205排除觸媒，由該重組氣體出口203排出含有氫氣的重組氣體。
配合第4圖所示，第4圖係揭示本發明導熱機構的位置以及燃燒尾氣的流動方向，該導熱機構300具有一導氣槽301，連接該燃燒槽101頂 層，用以導引一燃燒尾氣的方向以及一燃燒尾氣出口302，連接該導氣槽，排出該燃燒尾氣。如實線箭頭路徑，經燃燒反應後，高溫燃燒尾氣可配合導流錐106引導，由燃燒槽101頂層環壁之槽孔進入導氣槽301，隨著導流板303方向，該燃燒尾氣可環繞該重組機構200周圍流動，提供產氫反應所需要之溫度環境，後經該燃燒尾氣出口302排出該燃燒尾氣。
配合第5圖所示，在一實施例中，該氣體燃料重組裝置結構更包含：一預熱盤管400，其具有一水進口401，連接該預熱盤管400的一端，提供該水流以及一水蒸氣出口402，連接該預熱盤管400的另一端與該反應物進口，提供該水蒸氣，其中，該導熱機構300係間隔該重組機構200與該預熱盤管400。如點線箭頭路徑，水流由該水進口401進入該預熱盤管400後，因該導熱機構300提供之高溫環境，在該預熱盤管400中，會逐步加熱汽化，依循該預熱盤管400方向將水蒸氣導引至前述該反應物進口處後方之預混區204內，則本發明可以將水蒸氣做為產氫反應的其一原料。
請參考第6圖所示，第6圖係揭示本發明氣體燃料重組裝置的本體加熱溫度分佈圖，隨著該燃燒機構100的持續加溫，將誘使該重組機構200由該預混區204至重該組槽201區間達到所需之溫度，而該導熱機構300中，因導引過程完成之熱交換該燃燒尾氣出口302溫度會低於該燃燒機構100溫度。
請參考第7圖所示，第7圖係揭示本發明一實施例中產物重組氣體的濃度分佈圖，在使用天然氣(甲烷92%、乙烷6%、丙烷2%)進料所進行之產氫測試後，隨時間累計，重組氣體經除水後其氫氣(H2)濃度可達72%以上，而殘餘之甲烷濃度為4.9%，一氧化碳(CO)濃度為9.8%，二氧化碳(CO2) 濃度為10.3%，顯示透過本發明氣體燃料重組裝置環境的設計，天然氣可達80%以上重組轉換率，遠遠優於一般實驗環境的使用。
請參考第8圖所示，第8圖係揭示本發明發電整合系統的組合設計，用以連續性供給一燃料電池820發電，係如：固態氧化物燃料電池，所需之氫氣與一高溫空氣，包含：一前敘之氣體燃料重組裝置800、一熱交換裝置810以及該燃料電池820，其中，該氣體燃料重組裝置800分別與熱交換裝置810、燃料電池820連結，提供一燃燒尾氣與一重組氣體；再者，該熱交換裝置810接收該燃燒尾氣後，吸收一空氣並透過該燃燒尾氣溫度加熱，提供一高溫空氣予該燃料電池820。
另，該燃料電池820依其結構分為一陽極端以及一陰極端，該陽極端係接收該重組氣體參與電化學反應，並排出未反應完之一燃料，重新導引至該氣體燃料重組裝置800，而該陰極係接收該高溫空氣參與電化學反應，並排出未反應完之一該助燃氣體，重新導引至該氣體燃料重組裝置800，由此，在以燃料電池進行發電時，除了能持續維持反應溫度，亦可重複利用殘餘燃料，降低電能的生產成本。
雖然上文實施方式中揭露了本發明的具體實施例，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

  1. 一種氣體燃料重組裝置，其結構包含：一燃燒機構，其具有：一燃燒槽，用以燃燒一燃料與一助燃氣體，提供一重組反應所需之熱量；一燃料進口，連接該燃燒槽底層，提供該燃料；以及一助燃氣體進口，連接該燃燒槽底層，提供該助燃氣體；一重組機構，係包覆該燃燒機構，其具有：一重組槽，置放一觸媒，用以誘發一反應物進行該重組反應，產生一含有氫氣的重組氣體；一反應物進口，連接該重組槽側邊，提供該反應物，其中，該反應物係為一水蒸氣與一碳氫化合物氣體的均勻混合物；以及一重組氣體出口，連接該重組槽頂層，排出該重組氣體；以及一導熱機構，間隔該燃燒機構與該重組機構，其具有：一導氣槽，連接該燃燒槽頂層，用以導引一燃燒尾氣的方向；以及一燃燒尾氣出口，連接該導氣槽，排出該燃燒尾氣。
  2. 如申請範圍第1項所敘之氣體燃料重組裝置，其中，該重組反應係滿足下列反應方程式：C xH yO z+(x-z)H 2O → xCO+(x-z+0.5y)H 2其中，C xH yO z與H 2O為該反應物之組合，且CO與H 2為該重組氣體之組合。
  3. 如申請範圍第2項所敘之氣體燃料重組裝置，其中，該碳氫化合物氣體係為甲烷，且該觸媒係為鎳基觸媒或一貴金屬觸媒。
  4. 如申請範圍第3項所敘之氣體燃料重組裝置，其中，該重組反應需維持溫 度大於400℃。
  5. 如申請範圍第1項所敘之氣體燃料重組裝置，在該燃燒機構中，該燃燒槽內係填充一碳化矽之多孔材料。
  6. 如申請範圍第1項所敘之氣體燃料重組裝置，該燃燒機構更具有：複數片狀散熱鰭片，排列於該燃燒槽的同心圓壁面。
  7. 如申請範圍第1項所敘之氣體燃料重組裝置，其結構更包含：一預熱盤管，係盤繞該預混合機構，用以導引一水流的方向，使該水流加熱形成該水蒸氣，其具有：一水進口，連接該預熱盤管的一端，提供該水流；以及一水蒸氣出口，連接該預熱盤管的另一端與該反應物進口，提供該水蒸氣；其中，該導熱機構係間隔該重組機構與該預熱盤管。
  8. 一種發電整合系統，其系統包含：一如申請範圍第1項所敘之氣體燃料重組裝置，提供一燃燒尾氣與一重組氣體；一熱交換裝置，連接該氣體燃料重組裝置，接收該燃燒尾氣加熱一空氣，提供一高溫空氣；一燃料電池，其結構具有：一陽極端，連接該氣體燃料重組裝置，接收該重組氣體參與反應，並排出未反應完之一燃料，導引至該氣體燃料重組裝置；以及一陰極端，連接該熱交換裝置與該氣體燃料重組裝置，接收該高溫空氣參與反應，並排出未反應完之一該助燃氣體，導引至該氣體燃料重組裝置。
TW106135182A 2017-10-13 2017-10-13 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統 TWI626784B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106135182A TWI626784B (zh) 2017-10-13 2017-10-13 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106135182A TWI626784B (zh) 2017-10-13 2017-10-13 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI626784B TWI626784B (zh) 2018-06-11
TW201916445A true TW201916445A (zh) 2019-04-16

Family

ID=63256063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106135182A TWI626784B (zh) 2017-10-13 2017-10-13 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI626784B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI682095B (zh) * 2018-11-05 2020-01-11 財團法人車輛研究測試中心 重組產氫裝置
TWI759922B (zh) 2020-10-23 2022-04-01 財團法人工業技術研究院 具燃燒重組功能之燃燒噴嘴

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWM282872U (en) * 2005-05-10 2005-12-11 Jung-Jia Jiang Flat LED lamp set and combinational lamp set composed of brake light and direction indicator using the same
RU2451800C2 (ru) * 2006-06-13 2012-05-27 МОНСАНТО ТЕКНОЛОДЖИ ЭлЭлСи Способ получения механической или электрической энергии из топлива, содержащего спирт
TW201017967A (en) * 2008-10-30 2010-05-01 Atomic Energy Council Fuel cell system
WO2012094514A1 (en) * 2011-01-06 2012-07-12 Bloom Energy Corporation Sofc hot box components
TWI438957B (zh) * 2011-09-22 2014-05-21 Atomic Energy Council 應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器

Also Published As

Publication number Publication date
TWI626784B (zh) 2018-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6002249B2 (ja) 水素生成のための触媒燃焼式熱統合型改質器
TWI397504B (zh) 用於自氣態烴類製造合成氣體之方法及裝置
CN112265962A (zh) 一种电气协同供热重整反应系统
BRPI0810937B1 (pt) Reformador de vapor alta e termicamente integrado e combinado para a produção de hidrogênio a partir de uma fonte de combustível e uma montagem de reformador de vapor/câmara de combustão para uso em um sistema de processamento de combustível
JP6283269B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2002510272A (ja) 炭化水素を自熱改質する方法及び装置
TW200531339A (en) Reformer
JP2015517175A (ja) 燃料電池のための触媒を支持する置換可能な構造化支持部を含む触媒加熱式燃料処理装置
JP6280431B2 (ja) 燃料電池モジュール
CN102822086A (zh) 氢制造装置以及燃料电池系统
CN104112867B (zh) 一种sofc系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置及发电系统
JP2001155756A (ja) 燃料電池用水蒸気改質反応器
TWI626784B (zh) 氣體燃料重組裝置及其發電整合系統
US10651487B2 (en) Modular apparatus of fuel cell system
CN114843551B (zh) 一种燃料处理器及制氢方法
KR100988470B1 (ko) 수소 제조장치
JP4469335B2 (ja) 水素生成装置及び燃料電池発電システム
KR102315289B1 (ko) 다중 개질 반응기 구성이 가능한 수증기 개질장치
JP6870227B2 (ja) 燃料電池モジュール
KR101237778B1 (ko) 나선형의 개질반응부를 가지는 연료변환장치
JP2015144091A (ja) 燃料電池装置
US8173082B1 (en) JP-8 fuel processor system
JP2008007371A (ja) 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
CN111342090B (zh) 一种高温燃料电池系统
KR101316042B1 (ko) 연료전지용 통합형 개질기 시스템