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Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 318967 A7 .: B7 五、發明説明（1 ) 本發明有關一種在離峰電廠操作期間_，於電廠操作中轉 換及貯存能量之範疇。本發明尤其有關一種用於在氫氣形 式下、將電能轉換成化學能之電化學電池.，諸如於電解模式 下操作之高溫固體氧化物電解質燃料電池，其將氧化鐵轉 化成金屬，，藉而形成壓縮貯存之化學能，，而所貯存之化學 能稍後可於電化學燃料中.，經由氫再轉化成電能，諸如於 燃料電池模式下操作之高溫、.固體氧化物電解質燃料電 池。 本發明更特別有關一種於離峰電廠操作期間：藉下述操 作以化學位能形式轉換並儲存電能之裝置及方法，：於使用 外源電能操作之電化學電解電池中，，將H20(蒸汽）電解成 山及02 ;使所產生之H2通經熱偶聯於熱源之氧化鐵（FeO)貯 存反應器床，其中氧化鐵（FeO)還原或鐵金屬（Fe)，而形成 長期之儲存化學位能；隨後，當需要電能時，使H20(蒸 汽）通經儲存反應器床，其中鐵金屬（Fe)氧化成FeO，且化 孥位能以H2形式復原；隨後於電化學燃料電池中氧化所復 原之H2，而產生傳輸用之電能。 基本負載電廠（諸如核能廠及燃燒熱能廠）較佳係於固定 負載下操作。就高效率之電能產生而言，基本上不期望尖 峰電能需求，但需符合每日及季節常規。尖峰電能需求基 本上以增加設備成本，及一般較高之燃料成本的形式，而使 能量產生設施較爲不利。，爲在尖峰需求時間内具有额外電 能容量，通常在離峰期間高於所需容量·因此需要能量儲 存系統。 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（2ί〇Χ297公釐） '(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -3 A7 * B7 五、發明説明（2 ) 因而，，低能量需求期間之基本負載電廠#劣於最佳條件 下操作，，而此期間存有過高之發電容量。，此情況下：極需 要有效且低成本地貯存電能，，已有人就此能量貯存設施提 出許多計量。#例如，已使用"泵水’’及”壓縮空氣"能量貯存 系統。此類系統於離峰時間内以位能形式儲存能量，而於 擊 尖峰能量需求時間内；則使該能量回復成能基。該實際計 畫視地勢及地質而定且需要有效間隔，因此，該能量儲存 設施之位置不足以充分變通至可廣泛應用。 然而電化學能量儲存系統具有明顯超越其他系統之優 點。、電化學能量貯存系統極爲小型，.因爲化學能可儲存於 小型體積内。是故，其結構可模組化。亦可能係儲存電能 之最有能量效率之方法，因爲避免將電能轉化成機械能， 再恢復成電能。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 I 1 ^-- _ . 乂請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在一般介於600°C至1200°C間之溫度下，經設計以將化學 能轉化成直流電能之高溫固體氧化物電解質燃料電池及多 電池發電機及其結構係已知者，例如美國專利説明書 4,395,468 (Isenberg)及 4,490,444 (Isenberg)所揭示。已知此類 高溫固體氧化物電解質燃料電池係於兩模式下操作，即電 化學能產生模式，其係使用諸如由重組烴、煤等所衍生之 氫或一氧化碳等氣體燃料，轉化成直流電能，而於電化學 能使用模式中，使用蒸汽及一氧化碳，其經電解個別轉化 成諸如氫或一氧化碳等可氧化燃料。此種高溫固體氧化物 電解質燃料電池於燃料電池類型中極爲獨特，因爲該固體 氧化物電解質燃料電池係於約600°C至1200°C溫度範圍内操 本紙張尺度通用中國國家標单（CNS ) A4規格（210X297公釐Γ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 318S67 A7 B7 五、發明説明（3 ) 作之固體狀態裝置。，此種溫度標準下，，熱能係高至足以在 電極不使用貴金屬解媒下進行電解：而熱力學定律預測且 由實驗確認，、電解所需之電能較低溫電化學電池低，。例 如，.在350°C下操作之鈉-硫電池已經研究，.以用於儲存離 峰電能。、 藉電解製造燃料，、諸如氫燃料氣體.，係電化學能量轉換 及儲存系統之基本需求。，然而；經由蒸汽電解而以氫燃料 氣體形式貯存之能量需要龐大之氣體貯存設施.，而限制此 類能量轉換及貯存系統之設置。，因此：需將龐大之氫能載 體轉換成不龐大且可儲存於小型配備中之其他能量載體形 式。在適當需求時間下：此位能可再轉化成氫L作爲燃料 電池發電機之燃料，.而產生電能.。 需要的是以化學能形式儲存電能之有效緊湊方法.，該化 學能相當緊密且可無限地貯存：而於隨後再轉化成電能傳 輸用之電能。 本發明之優點及目的係由在雙模式下操作之高溫固體氧 化物電解質燃料電池衍生能量貯存及轉換系統，.即1.用於 儲存電能之電解模式及2.用於恢復電能之燃料電池模式，， 其係使用鐵金屬及氧化鐵（Fe/FeO)床充作能量儲存媒質.。 本發明另一個目的係提供一種能量轉換及貯存系統，其 » 係於高溫固體氧化物電解質電解電池中，藉電解H2(蒸汽） 產生H2，而以化學能形式儲存電能，隨後於貯存反應器床 » * 中，，藉H2還原FeO，，而以Fe金屬形式貯存該化學能，.之後 於儲存反_應器床中，、藉H20(蒸汽）與Fe反應產生出氣體： Φ 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公董） 請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -a 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 而將儲存之化學能轉換成電能，而後使用所產生之h2氣體 於該高溫固體氧化物電解質燃料電池發電機中充作燃料.， 以產生恢復電能。 本發明之此類及其他目的可藉一種以化學能形式儲存電 能且由所儲存之化學能復原電能之方法達成，其係操作雙 模式電化學電池，一個能量儲存模式及一個能量復原模 式，罠特徵爲在能量儲存模式中之步驟有i (A)在電導線上 提供外來電能，且至少一個電化學電池之陰極上提供 H20(蒸汽）氣體，該電池係以在陽極及陰極間使用固體氧 化物電解質之電解電池形式操作，該電解電池係於介於 600°C及1000°C間之溫度下操作，以於陰極產生H2氣體.，而 於陽極產生〇2氣體.；（B)所產生之氏氣體沿著電解電池之陰 極，，通入在介於600°C及800°C間之溫度下操作之含有氧化 鐵之能量儲存反應器内.，而於能量儲存反應器内產生鐵金 屬及H20(蒸汽）；（C)使能量儲存反應器内所產生之H20(蒸 汽）再循'環至欲電解之電解電池之陰極；及，（D)重複步驟 (A)至（C)，.直至氧化鐵實質完全轉化成鐵金屬，而以化學 能形式儲存電能i且，.更進一步之特徵係於能量復原模式 中，步驟有：（E)將H20(蒸汽）氣體提供至在介於600°C及 800 °C間之溫度下操作之含有鐵金屬之能量儲存反應器 内，以於能量儲存反應器内產生氧化鐵及H2氣體；（卩)使H2 氣體通至至少一個以燃料電池形式操作之電化學電池之燃 料陽極，並於在介於600°C及1200Ό間之溫度下操作之至少 一個電化_學電池的空氣陰極提供02氣體或空氣，以沿外來 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（？10X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 'va f ! 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 318367 A7 A7 B7 五、發明説明（5 ) 導線傳導電能，、並於燃料陽極產生H20(蒸汽）.；（G)所產生 之H20(蒸汽）在燃料電池之燃料陽極上，再循環至能量儲 存床；（H)重複步驟（E)至（G)，.直至鐵金屬（Fe)實質完全轉化 成氧化鐵及H2氣體，、而由儲存之化學能復原成電能；及（I) 回收所產生之電能.。 本發明亦有關一種可於雙模式下操作之電化學能量轉換 及儲存装置，一個能量復原模式及一個能量儲存模式.，其 特徵爲：（A)—電化學電池槽，.該電池槽含有至少一個電化 學電池束，該電池束含有多個平行、.軸向伸長：相互聯結 之電化學電池，.各電池係包括多孔性外部電極.、多孔性内 部電極、及介於兩電極間之氣密性固體氧化物電解質.；（B) 聯結於電池槽之燃燒槽（C)至少一個燃燒廢氣通道.，其係 由燃燒槽聯結至大氣；.（D)至少一個聯結於電池槽之能量儲 存槽，該能量儲存槽係含有能量儲存操作模式之氧化鐵.， 或能量復原操作模式之鐵金屬；（E)至少一個再循環氣體通 道，*其係由電池槽中多孔性外部電極之外面聯結至能量儲 存槽；（F)蒸汽入口，.其係聯結於電池槽中多孔性外部電極 之外面；_ (G)氧化劑入口 .，其係聯結於電池槽中多孔性内部 電極之内面.；及（H)由電池槽内之電池束聯結至外來電路之 電導線，.其中該裝置可於能量儲存模式下操作.，其係由外 來電路經導線而於電化學電池上提供直流電能.，並經蒸汽 入口而於多孔性外部電極上提供蒸汽，.且提供氧化鐵狀態 下之能量儲存槽，·且其中該裝置可於能量復原模式下操 作，、其係_提供於鐵狀態下之能量儲存槽，.且經蒸汽入口將 _____Q______ 本紙張尺度適用中國國家標芈（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,va A7 __:_B7_ 五、發明説明（6 ) 蒸汽送至能量儲存槽.，而經氧入口將氧化劑送至多孔性外 部電極，.經由導線，·由電化學電池將直流電能回收.，以送 至外來電路.。 有數種氧化鐵組合物.，諸如FeO、Fe203、Fe304 .。爲簡化 計，.吾人僅稱FeO，.因其與鐵（Fe)係處於化學平衡。，然而.， 本發明之計畫不排除其他鐵氧化物之調配物，。 附圖中顯示某些目前較佳之具體實例.。應瞭解本發明不 限於實施例所揭示之具體實例，.而可在本發明申請專利範 圍内變化。附圖中： 圖1係本發明於能量儲存模式下操作之電能儲存及轉換 系統的示意圖.， 圖2係本發明於能量復原模式下操作之電能儲存及轉換 系統之示意圖*， 圖3，本發明之最佳闡釋.，係可在能量儲存模式及能量 復原模式下操作之本發明例示電能儲存及轉換系統之剖面 _，且. 圖4係本發明電能儲存及轉換系‘統於充電及放電時之電 池電壓特性的圖，。 經濟部中央標準局員工消f合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明所用之"電解陰極”及"燃料陽極"意指與儲如 H20(蒸汽）、· H2氣體：或燃料（諸如天然氣）等氫種類接觸 之電極。.本發明所用之”電解陽極"及"氧化劑陰極”意指與 諸如02或空氣等氧種類接觸之電極。.本發明所用之"用過" 意指根據所述之電化學方程式部分反應或耗盡.。本發明所 /ij之"燃轉廢氣"意指氫或燃料與氧化劑或空氣之經燃燒混 -9- 本纸張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） 318967 A7 B7 經濟部中央標率局員工消費合作社印裝 五、發明説明（7 ) 合物。.本發明所用之"氧化鐵"包括數種氧化鐵組合物，，諸 如FeO、Fe203、及Fe304。.爲簡便計，.吾人僅稱FeO，.因其 與鐵（Fe)係化學平衡。.然而：本發明之計畫不排除其他鐵 氧化物的形成，。 現在參照圖1 .，顯示於能量儲存模式下操作之電化學電 解電池裝置1，.其含有至少一個軸向延伸之管狀電化學電 解電池10，.諸如高溫固體氧化物電解質電解電池.。應認知 可串聯且/或並聯多個電解電池，，如技藝已知並使用者.。 亦應認知前述較佳管狀結構之描述僅用於例示，而絕不構 成限制。，可使用具其他結構之電解電池，，例如平板狀結 構。，各管狀電解電池10具有外部多孔電極或電解陰極12、 内部多孔電極或電解陽極16、.及介於電極間之氣密性固體 氧化物電極14，如技藝界所熟知者.。另外應認知陽極與陰 « 極之位置可相反.。 電解電池10係於高於約600°C至1200°C之高溫下操作.，一 般係於約650°C至1200°C溫度範圍内，較佳約800°C至約1000 °C。，該電池溫度係藉歐姆電阻損失或較佳藉其他熱能源之 熱交換而保持。較佳結構係以電解電池系統爲主·，溫度約 Λ 800°C至1000°C之能量儲存模式中，.輸入Η20(蒸汽）軸向經 過電解電池10之外面，，電廠所製造電能之直流電（在供應 至電解電池之前藉習用法由AC轉換成DC)藉電導線18通經 外部負載電路（未示），·而抵達電解陰極12。，操作期間.，水 (蒸汽）分子送至電解陰極12，通經該多孔陰極.，於固體氧 化物電解質14/陰極12界面上進行電化學反應，.由電解電池 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2i〇X297公釐 -. 1 m ...... —1 -I I Is - - - ί .^之〆-—1 n^i 1-- .....1 ·1 ^1« - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 B7 五、發明説明（8 ) 10陰極處產生氫氣 '氧離子通經該固體電解質14 .，隨後於 固體氧化物電解質14/陽極16界面上電化學地氧化，於電解 電池陽極上產生氧氣：其係以能量儲存副產物之形式排至 大氣中或若可能則回收.。 電解電池中之電化學反應係依據式⑵.、⑶及⑷.。 陰極： 2H20 + 4e' "~202· + 2H2 ⑵ 陽極： 202" " 4e' + 〇2 ⑶ 總反應： 2H20 ^ 2H2 + 〇2 ⑷ 蒸汽電解期間所產生之氫氣（H2)離開電解電池10 ,，通經至 少一個在約600°C至800°C溫度下操作之含有氧化鐵（FeO)致 密物之鐵/氧化鐵（Fe/FeO)儲存反應器床20/而產生鐵金屬 (Fe)致密物及水（蒸汽）。_應明瞭可使用多個聯結之儲存反 應器床。.能量儲存反應以式⑸表示/
FeO + H2^ Fe + H20 (5). 所產生之水蒸汽逐次再循環，，且通至電解電池10之陰極 12，.直至實質所有FeO皆還原成Fe。.因爲陰極氣體再循環.， 故經能量儲存模式：將大量FeO實質完全還原成Fe :需要 極少量之氳/蒸汽.。當所有Fe/FeO床20中之所有FeO皆還原 成Fe時，.耗盡能量儲存容量： 因爲電解電池10之陽極16及陰極12隔間彼此並非絕對密 _______^__ (度適用中國國家榇準（；：奶〉八4規格（210><297公鮝） Ι^ϋ· ^^^1 m I — 1 In . m ] nn (n nn ^ —r (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 18967 A7 _ B7 五、發明説明（9 ) 封，•某些H2可能經由兩個多孔性障壁板22及24逸失至陰極 面16，、而使整體系統能量損失.。此種配置中：用過之陽極 及陰極氣體與陽極和陰極隔間係經由高溫多孔性陶瓷纖維 板，諸如多孔氧化鋁板（未示）彼此隔離。.電化學電池及陽 極和陰極間缺乏剛性密封物.，使個別管狀電池在大型電池 束内熱膨脹及收縮，.並降低電池裝置内之應力.。然而，，在 洩露配置中，預測會損失某些H2氣體。爲降低H2氣體損 失，.可在介於障壁板22及24間之隔間内注射補充蒸汽，，使 迅之輸送減至最少.，而防止能量儲存模式期間之H2損失.。 結果，.排出部分補充蒸汽.，電解期間所產生之02及經障壁 22及24流動所玫之任何H2損失.，係於燃燒區26内以氧再次 _ 氧化，、並排放於大氣中.。能量儲存操作期間I，任何來自燃 燒區之廢氣流皆係能量損失流，而應減至最小。位於低溫 • * 區内之吹風器28影響陰極再循環，。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 I- HI __ I I...... I—- - - -I I > 士 ί/ν II « _- n - - : (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 參照圖2 :顯示於能量復原模式下操作之電化學燃料電 池裝置2，、其含有軸向延伸管狀電化學燃料電池30、，諸如 高溫固體氧化物電解質燃料電池。能量復原模式中‘，以Fe 形式儲存之化學能係轉化成直流電（DC)電能：最後則變成 交流電（AC)電能。 所示之電化學燃料電池裝置2含有至少一個軸向延伸管 狀電化學燃料電池30，諸如高溫固體氧化物電解質燃料電 池。.應確認可串聯及/或並聯多個燃料電池30 :如技藝界已 知並使用者：亦應確認前述較佳管狀結構之描述僅供例 示，.而應多不限制。可使用其他燃料電池結構.，例如平板 ______ -C3> 本紙張尺ϋ逋用中國國家標率（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _ B7 五、發明説明（10 ) 型結構。各管狀燃料電池30具有外部多孔性電極或燃料陽 極32、.内部多孔性電極或氧化劑陰極36 .、及介於該電極間 之氣密性固體氧化物電解質34，如技藝界所熟知者.。亦應 確認陽極和陰極之位置可相反.。 而且，•本發明能量儲存及轉換系統中.，應確認電化學電 解電池裝置1及電化學燃料電池裝置2可係同一者.；可於兩 個可逆模式下操作：一個係電解或能量儲存模式.，而一個 係燃料電池或能量復原模式： 燃料電池30亦可在約600°C至1200°C溫度範圍内之高溫下 操作。.該燃料電池反應係放熱。.較佳結構係以能量復原模 式之燃料電池系統爲主，.其中輸入之H20(蒸汽）通經至少 一個在Fe狀態下之Fe/FeO儲存反應器床40應認知可使用 多個儲存反應器床。.亦應認知至少一個儲存反應器床20及 40可係同一者，.可於兩個可逆模式下操作.，一個還原或能 量儲存模式及一個氧化或能量復原模式.。在Fe/FeO儲存反 應器床40中，，能量復原反應係式⑸之逆反應，其中H20(蒸 * 汽）與Fe於約600°C至800°C溫度下反應：產生FeO及H2氣 體' 能量釋放反應以式⑹表示。
Fe + H20 ^ FeO + Π2 (6) 諸如空氣或〇2之氧化劑係由外部來源經由氣體進料管t， 通經燃料電池30之内部：而送達内部氧化劑陰極36之上 面，，所產_生之H2氣體循環，、並送至電化學燃料電池30之外 -13 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格U10X297公釐〉 ^ ^^1- f—^^1 Bn— HV9 ^^^1· , n^i 1^1 nm n^— 一 J (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 __^_ B7_ 五、發明説明（11 ) 部燃料陽極32之上面，•其中H2氣體係藉使所產生之氧離子 於固體氧化物電解質34/陰極36界面移動.，而於陽極32/固 體氧化物電解質34界面上電化學氧化，.以產生H20(蒸汽） 並釋出電子。其經外來負載電路38送達陰極，而產生直流 電能流動，及可回收之熱能 DC電能最後可藉習用法轉化 成AC電能以輸送電能。 電化學燃料電池中之電化學反應係依據式⑺：⑻及⑼。 陰極： 〇2 + 4e- — 202- (7) 陽極: 2H2 +202' ^ 2H20 +4e' (8) 總反應： 2H2 + 〇2 — 2H20 (9) 電化學燃料電池操作期間，.在外部燃料陽極32上所產生 之H20(.蒸汽）係於Fe/FeO儲存反應器床40上逐次再循環.，直 至實質所有Fe皆氧化：並轉化回復成FeO，.所產生之氏以 燃料氣體形式送至燃枓電池\以產生電能.。 燃料電池模式操作期間，.應排除過量熱：故應使用過量 氧化劑、，空氣或〇2冷卻燃料電池。.而且·，因爲介於燃料電 池30之陽極32及陰極36隔間之間的兩個多孔流動障壁42及 44的密封不完全，.故會損失某些來自再循環氣體之水蒸汽 及某些氫，.該二者會洩漏至燃燒區46内，而使用廢氣形式 之過量氧化劑燃燒並排放。.可在介於障壁42及44間之隔間 内注入補充蒸汽；以補充在能量復原模式期間之Η2Ό及H2 損失。.氧北劑廢氣之熱能可回收以產生補充蒸汽，，以明顯 -14 - 本纸張尺度诮用中国國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐1 ~~~ I—I. ΙΞ· I - - I - - I - ..... ----- -I - - - -I ------ —^^1 - 0¾ 、va (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 318967 . A7 __^_ B7_ 五、發明説明（12 ) 之熱量形式儲存，，用以補足系統熱損失，或用於其他目 的。，位於低溫區之吹風器48影響陽極再循環·。 電化學電池裝置1及2在能量儲存模式期間之内部電極或 電解陽極16及在能量恢復模式期間之氧化劑陰極36可包括 鈣鈦礦族多孔：經添補陶瓷，.即經添補之亞鉻酸鑭.、亞錳 酸鑭等、。固體氧化物電解質14及34可包含實質氣密性氧離 子導電材料：即經氧化釔或氧化航安定化之氧化锆.。能量 儲存模式期間之外部電極或電解陰極12 .，及能量復原模式 期間之燃料陽極32可包含多孔性鎳-氧化鋁金屬陶瓷材 料。.内部電極所用之多孔性經氧化鈣安定化之氧化锆擔體 可選擇性地使用.。亦可選擇性地使用由經添補之亞鉻酸鑭 所製之使相鄰電化學.電池電聯之實質氣密性聯結（未 示）。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 參照圖3，.顯示電化學能量轉換及儲存電池（ECAS)裝置 50，.諸如高溫固體氧化物電解質燃料電池發電機裝置.。裝 置50可於兩模式下操作，.一個能量儲存模式及一個能量復 原模式。.所示之ECAS裝置50含有兩個電化學電池束52及 54、各電池束皆含有多個平行軸向延伸管狀電化學電池 56。.各電池皆具有多孔外部電極58(即，，電解陰極或燃料陽 極）、.多孔内部電極62(即，，電解陽極或空氣陰極）、.及介於 該電極間之氣密性固體氧化物電解質60。固體氧化物電解 質係一種氧化物之固體溶液.，其係針對離子性導電性相對 於電子導性之高比例 '相對於陽離子導電性之高氧離.、及 在陽極及_陰極隔間中之充作氣體之障壁之氣密性選擇，，而 -15 - 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2I0XW7公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（13 ) 使之不致產生直接反應，。 如已知者，.電化學電池56之結構可包括、：約1.0-2.0 mm厚 之經氧化鈣安定化之氧化锆的還擇性内部多孔擔體管（未 示）；一般圍繞該經約0.05 mm-5.0 mm厚之添補之妈鈥礦氧 化物之擔體管之内部多孔電解陽極或空氣陰極62 :例如包 含添補物 Sr、Ca ' Co、Ni、Fe、Sn、Ba、Cr、Ce 等之
LaMn03、CaMn03、LaNi03、LaCo03、LaCr03 等·，環繞内部 電極外緣之大部分的約0.001 mm-0.1 mm厚之經氧化紅或氧 化銃安定化之氧化锆之氣密性固體氧化物電解質60 ;約 0.001-0.5 mm厚之包含添補物 Ca、Sr、Ba、Mn、Mg、Ti、
Fe、Co及Ni之經添補LaCr03之氣密性聯結材料（未示）.，其 係位於在相鄰電池間用於電聯之固體氧化物電解質之不連 續部分中的内部電極的特定徑向部分，；約0.1 mm厚之鎳-氧 化錯或鈷-氧化锆金屬陶瓷之外部電解陰極或燃料陽極 58，其係實質包圍該固體氧化物電解質且於聯結區内不連 續，、以避免外部電極與該聯結物及内部電極兩者間之直接 電聯；約0.1 mm厚度之鎳-氧化锆或銘-氧化結金屬陶竞之 非必要頂層（未示）係位於該聯結物上；.及約1 mm厚之非必 要導電性鎳纖維毯，其位於該聯物上，，而形成電化學電 » 池。 鋼製外部金屬罩殼64通常環繞整體ECAS裝置50。諸如
Inconel之耐高溫金屬之内部罩殼64通常包圍多個槽.，包括 電池槽70、燃燒/廢氣槽80、及Fe/FeO能量儲存床反應槽 、 » 88。、諸如^[氐密度氧化鋁之熱絕緣物66係被包容於外部罩殼 -16- 本紙乐尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4» ( 210X297/i^l (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-& Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（14 ) 内。、諸如空氣或02之管狀氣體氧化劑入口 68 ,，及氣體蒸汽 入口 78貫穿外部罩殼及熱絕緣物。.亦可在電導線（未示）上 提供通道丨 含有電池束52及54之電池槽70在氣體分配板72及多孔障 壁74及76 (諸如陶瓷纖維板等）之間延伸.。電化學電池56在 分配板72及多孔障壁74及76間延伸，而於燃燒/廢氣槽9-中 具有開口端86 '而電池槽70中之密閉端係位於接近分配板 72之電池之底部口貫穿介於多孔障壁74及76間之隔間者係 補充蒸汽入口 78，.用以注射補充蒸汽.，而於電解操作期間 於能量儲存模式下輸送所產生之H2 .，而於燃料電池操作期 間於能量復厚模式下所產生之H20 實質上不經由該多孔 障壁散失至燃燒/廢氣槽80中：並於廢氣通道82中以熱燃燒 廢氣形式排出= 該多孔障壁下方係氫氣（電解模式）或蒸汽（燃料電池模 式）再循環通道84。，再循環通道84聯結於至少一個Fe/FeO能 量儲存床反應器槽88，，含有氧化鐵/鐵金屬致密物或丸粒90 之充填床。Fe/FeO能量儲存床槽88可係管狀、環狀.、平面 等。.能量儲存床尺寸可大幅變化、，且由ECAS裝置尺寸及其 他操作條件決定、。例如，、較小之床可更輕易地熱積合於該 裝置中，.但能量儲存容量較小。_ Fe/FeO丸粒可係各種形 狀，辑如不規則塊狀、球型、、扁圓球體、，環狀（"Raschig環 ”）、，貨車輪狀等、。Fe/FeO丸粒亦可包含在高溫陶瓷基質（諸 如氧化鋁擔體材料）中之經浸潰氧化鐵/鐵金屬：或較佳純 固體Fe/Fe_0。、25 MV電化學裝置使用108-240 m3活性床體積較 ^ 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規病 ( 2ΐυχ297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __^_B7_五、發明説明（15 ) 佳。Fe/FeO丸粒之實際體積約32 m3。、丸粒大小，、形狀.、強 度、，孔隙度、.及充填密度、，.就大小、.結構：熱及壓力降特 性而言，皆係有效操作之重要參數，，且可藉操作分析法測 定。Fe/FeO能量儲存槽88係偶聯於位於低溫區之再循環吹 風器92，以使氣體在再循環通道84内再循環.，至氣體進料 % 入口，，而抵達電化學電池56。. 實例中，，ECAS裝置50在電解或能量儲存模式下操作期 間，·在離峰時間内由電廠製造之過量AC電能.，藉技藝界習 知之方法轉化成DC，.而送經電導線94，.而抵達在高於350 °C且約600°C至1000°C之溫度下操作之電化學電池56。·新鮮 (經預熱）水蒸汽（蒸汽）經入口 78，·通過外部電解陰極58軸 部，.而電化學還原成H2氣體及氧離子，。所產生之氫氣由電 池槽70通入再循環通道84内。.其間，，氧離子通經固體氧化 物電解質60，.並於内部陽極62上電化學氧化.，產生02.，其 於電池開口端以副產物形式排放.，進入燃燒/廢氣槽80内， 並排至大氣中或若可能則回收.。補充蒸汽經由入口 78注入 介於多孔障壁74及76間之隔間内，，藉於燃燒槽内以排放之 氧再氧化，，而防止H2氣體損失·。 再循環通道84内之Η2氣體通經含有FeO之Fe/FeO能量儲存 床88，.並於約600°C至800°C之溫度下反應形成Fe及H20 (蒸 汽）。，H20蒸汽藉再循環通道84内之吹風器92再循環至電池 槽70内。.該蒸汽再循環且逐次電解，，直至FeO實質完全還 原成Fe，，而Fe實質完全充電。.所有之FeO床88皆還原成Fe (僅有一忠，圖3所示）時、耗盡能量儲存容量。，將大量FeO -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(210X297公楚) - . - 11 —II —II - ! 士 穴(H - ! --- H m· ^1« (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ___B7_ 五、發明説明（16 ) 還原成Fe僅需少量之注射新鮮蒸汽.，因爲蒸汽再循環至電 解電池之外部陰極。，因此：在能量儲存模式中.，由電廠所 產生之過量電能係以化學能形式儲存.，非龐大之氫氣形 式，，而是鐵（Fe)金屬丸粒形式，其提供小型且可復原之能 量儲存配備/ 當由電廠電力傳輸需要電能時.，ECAS裝置係於能量復原 模式下操作。.燃料電池或能量復原模式操作期間.，以鐵金 屬形式儲存之化學能經氳氧化轉化.，鐵（Fe)於燃料電池内 經輸入蒸汽氧化，.而由能量儲存床釋放DC電能，，並藉習用 電力傳輸法轉化成AC電能，。新鮮（經預熱）之水蒸汽（蒸汽） 經入口 78進料、，藉再循環吹風器92吸入再循環通道84 t， 隨後送入溫度約600°C至800°C之原先係Fe狀態之Fe/FeO能量 儲存床88上，.將；Fe氧化成FeO且產生H2氣體。.所產生之氏氣 體通過電化學電池之外部燃料陽極58，.其沿外部軸向與氧 離子電化學反應，.產生直流電.、熱及H20，其再經通道84 循環至床88。· 氧化劑，.諸如空氣或〇2，一般過量供給，以冷卻及/或傳 畢 熱，.係經入口 68進料，在流經氧化劑歧管及導管時部分預
I 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ----^-----坤衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 熱，.其沿溫度約100°C之電化學電池56之内部向下延伸.。氧 化劑卸入電化學電池之密閉端（底部）内，.並反向：且於沿 電化學電池活性長度内部之内部空氣陰極62上電化學反 應，.在接近電池開口端86時，於氧氣中耗盡。耗盡或用過 ' · 之氧化劑經開口電池端卸入燃燒/廢氣槽80内.，再通經多孔 障壁74及J76之某些耗盡或用過氫燃燒形成經燃燒之熱廢 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（C'WS ) A.4規格（210X297公釐） A7 B7 318967 五、發明説明（Π ) ....... --HI m - I - - - -1 - 士又 I— I —I I— II - ^1« (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 氣，.其於進入大氣之前，，通過與電化學裝置之其他零件熱 聯通之廢氣槽82内。、該電化學反應所形成之氧離子變成固 體氧化物電解質結晶結構之一部分，.並經固體氧化物電解 質移動到達外部燃料陽極58，，其中由Fe/FeO能量儲存反應 器88所提供之H2氣體則向燃料陽極軸縱向行進：電化學氧 化，.釋放電子.，其經外部負載電路流至空氣陰極 < 而產生 直流電電能。.在電化學反應期間，.於燃料陽極58上所產生 之H20 (蒸汽）一再於再循環通道84内再循環至Fe/FeO床88.， 直至:Fe實質完全氧化成FeO ·，因而Fe實質完全放電；將大量 Fe氧化成FeO僅需少量注射之新鮮蒸汽，.因所製之蒸汽再 循環。.因爲能量復原模式係放熱，.故需過量空氣以冷卻電 池。·此外：因多孔性障壁之密封不完全.，故由再循環氣體 蒸汽損失某些水蒸氣及耗盡之氣.，並於燃燒槽内與過量空 氣燃料。·補充蒸汽經入口 78注入介於多孔障壁74及76間之 隔間内，·使H20及H2損失減至最少.。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 參照圖4 ’、此圖顯不充電（電解式）及放電（燃料電池 式）時能f轉換及儲存電池電壓特性，。充電/放電循緣之能 量效率視充電及放電期間之電流密度而定各操作點下之 表面積係功率當量（瓦特）ΐ能量當量係藉乘以時間因數 (小時）而得。，瓦特X小時（輸入）/瓦特X小時（輸出）之比例 表示電池能量效率.，其亦需考慮額外損失，_諸如氣體（蒸 汽）損失I、熱損失及吹風器所致輔助電損失，、對照組等.。 本發明系統可用以取代習用能量儲存應用4。該系統具有充 作天然氣揉作燃料電池電廠之附加能力，.其提供電化學能 -20- 氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐） ' A7 B7 五、發明説明（18 ) 儲存之優點。 螫 已就前述變化及實例揭示了本發明，.就習此技藝者且前 應已明瞭其他變化及實例。.本發明不限於所詳述之變化及 實例，4故需參照申請專利範圍，.而非前述較佳實例之討 論，.以兹評估本發明精神及範轉的排他權利.° ^^1- 1· ml m —^ϋ m - tj ml n - _ m^i TV (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -21 * 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

  1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 〇18S67 is8 C8 ， D8 六、申請專利範圍 l. 一種以化學能形式儲存電能且由所儲存之化學能復原電 能之方法，其係以兩種模式操作電化學電池，一個能量 儲存模式及一個能量復原模式，其特徵爲下列步驟： I. 在能量儲存模式中， (a) 在電導線上供應外來電能，且於至少一個電化學電 池之陰極上供應H20 (蒸汽）氣體，該電池係以在陽極及 陰極間使用固體氧化物電解質之電解電池形式操作，該 電解電池係在介於600°C及1200°C間之溫度下操作，以 於陰極產生H2氣體，而於陽極產生02氣體； (b) 使所產生之H2氣體沿著電解電池之陰極，通入在 600°C及800°C間之溫度下操作之含有氧化鐵之能量儲存 反應器内，而於能量儲存反應器内產生鐵金屬及H20(蒸 汽）； (c) 使能量儲存反應器内所產生之H20(蒸汽）再循環至 欲被電解之電解電池之陰極；及， .(d)重複步驟（a)至（c)，直至氧化鐵實質上完全轉化成鐵 金屬，而以化學能形式儲存電能； II. 於能量復原模式中， (e)將H20(蒸汽）氣體供應至介於600°C及800°C間之溫 度下操作之含有鐵金屬之能量儲存反應器内，以於能量 儲存反應器内產生氧化鐵及H2氣體； ⑴使H2氣體通至至少一個以燃料電池形式操作之電化 學電池之燃料陽極，並在介於600°C及1200°C間之溫度 下操作之至少一個電化學電池的空氣陰極供應02氣體或 空氣，_以沿外部導線傳導電能，並於燃料陽極產生 -22 1 紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 h2o(蒸汽）； (g) 所產生之H20(蒸汽）在燃料電池之燃料陽極上，再 循環至該能'量儲存床； (h) 重複步驟（e)至（g)，直至鐵金屬（Fe)實質上完全轉化 成氧化鐵及H2氣體，而由儲存之化學能復原成電能；及 ⑴回收所產生之電能。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵爲該熱能係由 外源供應，而電能係由電廠供應。 3. 根據申請專利範圍第1項之方法，其特徵爲該電解電池 陽極及該燃料陰極係包含亞錳酸鑭，該固體氧化物電解 質係包含經氧化釔或氧化銃安定化之氧化锆，而該電解 電池陰極及燃料電池陽極係包含鎳-氧化結金屬陶瓷。 4. 根據申請專利範園第1項之方法，其特徵爲步驟（a)中所 產生之02氣體係以可用之副產物形式回收。 5. —種可於雙模式下操作之電化學能量轉換及儲存裝置， 一個能量復原模式及一個能量儲存模式，其特徵爲： 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ^^^1 I I - n^i K - - i ml In y-J R -vs (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) (A) —電化學電池槽，該電池槽含有至少一個電化學 電池束，該電池束含有多個平行、軸向伸長、相互聯結 之電化學電池，各電池係包括多孔性外部電極、多孔性 内部電極、及介於兩電極間之氣密性固體氧化物電解 質； (B) 聯結於電池槽之燃奠禮； (C) 至少一個燃燒廢氣通道，其係由燃燒槽聯結至大 氣； _ -23- 本紙張凡度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 318967 ιι : D8 六、申請專利範圍 (D) 至少一個聯結於電池槽之能量儲存槽，該能量儲 存槽係含有能量儲存操作模式之氧化鐵，或能量復原操 作模式之鐵金屬； (E) 至少一個再循環氣體通道，其係由電池槽中多孔性 外部電極之外側聯結至能量儲存槽； (F) 蒸汽入口，其係聯結於電池槽中多孔性外部電極之 外側； (G) 氧化劑入口，其係聯結於電池槽中多孔性内部電 極之内側；及 (H) 由電池槽内之電池束聯結至外部電路之電導線， 其中該裝置可於能量儲存模式下操作，其係由外部電 路經導線而於電化學電池上供應直流電能，並經蒸汽入 口而於多孔性外部電極上供應蒸汽，且提供在氧化鐵狀 態下之能量儲存槽， 且其中該裝置可於能量復原模式下操作，其係提供於 鐵狀態下之能量儲存槽，且經蒸汽入口將蒸汽供應至能 量儲存槽，而經氧入口將氧化劑送至多孔性内部電極， 並經由導線，由電化學電池將直流電能回收，以送至外 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 部電路。 6. 根據申請專利範園第5項之裝置，其特徵爲該電化學電 池係管狀，且該陽極係界定該管之内壁，該陰極係界定 該管之外壁，而該固體氧化物電解質則介於陽極及陰極 夕間。 7. 根據申請專利範圍第5項之裝置，其特徵爲該電化學電 _____-24- •紙張尺度適用中国國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐)’ A8 B8 C8 - D8 六、申請專利範圍 池之内部電極係包含亞錳酸鑭，該固體氧化物電解質係 包含經氧化釔及氧化銃安定化之氧化锆，而該外部電極 則包含鎳-氧化锆金屬陶瓷。 8.根據申請專利範圍第5項之裝置，其特徵爲該電化學電 池係於600°C及1200°C間之溫度下操作。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 -25 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐）
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