TW385568B - Fuel cell power plant with electrochemical autothermal reformer - Google Patents

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五、發明説明（ A7 B7 抒足部十决標準局,θ.τ.;/ί於合作.社印製 發明之背景 本發明係關于—種供能設備，它利用-種重整器给燃料 電池供應氫，特別是關于一種供能設備，它利用—種電化 學熱自動重整器（EATR)爲燃料電池提供氫燃料。 燃料電池是—種電化學電池，它將—種燃料的化學能直 接轉化爲電能，且轉化過程是連續的。典型的燃料電池的 總反應爲氫與氧化合成水。例如，在2yc和i大氣壓下， H2+l/2(〇2)—H2〇這—反應發生時之自由能的變化⑽）爲 -56.69千卡/莫耳β在賈法尼電池中，此項反應所產生的電 池電壓，其理論値爲!·23伏特 '而典型的實際値則在0.9至 1.1則^的範圍内。目前使用的燃料電池，其主要類型包括 :質子交換隔膜層燃料電池，磷酸燃料電池，域性辦料電 池、，固體氧化物燃料電池，及溶融碳酸鹽燃料電池。有關 這方面的個別技術細節可參見《燃料電池手册》（修訂第三 版），1994年1月，美國能源部化石能源辦公室出版[ ,A Handbook (Revision 3)"published January, 1994 by the U.S. Departmemt of Energy Office of F〇ssii Energy]。此手 册已列入本文之參考文獻中。 燃料電池由于其本身要求用純淨的氨燃料而受到限制。 各種最常見的燃料電池，對于甚至是少量的雜質，都十分 敏感。所謂的”重整器，，乃是這樣一種裝置，叾中的碳氫 化合物燃料混以水汽，在有催化劑的條件下，將這燃料/水 汽混合物轉化爲氫，一氧化碳，二氧化碳，水及雜質。由 于大夕數已知的重整器’對于雜質的存在 現敏感，所 _ -4-本紙張尺度14則， (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂--- 線 五、發明説明（2 A7 B7 行渋部屮次標準局Uc-T.ii'i於合作ii印緊 以，如果有硫這樣的雜質存在，通常是在燃料進入重整器 之前，就必須將其從燃料中除去。大多數的重整器，在其 重整產品中或重整器產品氣體中，只剩下少量的一氧化碳 (C0)，其數量一般約爲百分之—莫耳。爲了將c〇及其他有 潛在危害的各種雜質從重整器的氣體產品中沏底地清除出 去，就需要附加-聲反應機制。但是，這種附加的反應機 制，對于一個以燃料電池爲電源的發電係統來説，將會增 加發電的生產成本和處理成本。 r發明之目標與摘要 因此’本發明（目標在于克服先前技藝中之種種局限性 和缺點。 本發明另.一目择方千媳,, 不在于灰供一種係統，它可以將碳氡化 物燃料經過重整而適用于燃料電池。 本發明通有一個目標是利用一種電化學熱自動重整器， 從竣氫化物燃料中制造出純淨的氫，以便用于燃料電池中 進行發電。 〜 =燃料電池供能設備包括一種電化學熱自動重整 = R)/…爲燃料電池的陽極-側提供氯。·R ，以；δ _加《 個混合_子導體隔膜層 以及一個陽極電源· 將埶自動舌敷r* . 而混合_子導體隔膜層，則是 知熱自動重整區位與陽極 陽極電源區位和炊料W的。在ΕΑΤ" π艮料屯池隔段或部分之間， 循環套，它使f气 ’刼極軋月豆 這兩部分之門1運裁氣體之混合物，循環流動于 于運載'氣體的存在，就保證了陽極氣體 本紙張尺度適 -5- A規袼（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事嘎再填寫本頁) -裝 訂 線 A7 B7 好渋部中*標準局ηί.τ.消於合作社印製 五、發明説明（3 ) 循環套中，氫氣的分壓力得以維持一個較低的壓力，即比 EATR中ATR區位内氫氣的分壓力要低些。目的是對氫氣的 分離產‘生影響，或者説對于使ATR之氫氣朝著陽極電源區 位方向轉移產生影響。在EAtr和燃料電池之間存在著操作 溫度差，這種溫差可以通過熱交換器加以利用，從而使供 能設備内部的加熱和冷卻功能得以有效地發揮作用。 如本發明之具體實施例，一種燃料電池供能設備包括— 種燃料電池和一種電化學熱自動重整器，其中燃料電池又 由以下各部分組成：燃料電池陽極隔段（或部分）和燃料電 池陰極隔段（或部分.），以及電化學熱自動重整器，後者2 由一個熱自動重整器區位，—個混合離子導體隔膜層，^ -個陽極電源區位構成。混合離子導體隔膜層將熱自動重 整器區位與陽極電源區位分隔開，同時還使用—種陽極案 體循環套，以便使氫氣與一運載氣體之混合⑯，能夠在2 整器的陽極電源區位和燃料電池陽極隔段（或部分 環流動。 循 燃料電池供能設備的其他特點尚包括：‘一燃燒裝置^ 在將熱自動重整器排氣區位送出的過量氫氣燃燒掉 料裝置，旨在將碳氫化物燃料輸送到熱自動重整器區<、、”。 以及一控制裝置，旨在對燃料的供科裝置施加控制，^陆 它對燃燒裝置有靈敏的回應。 呼 ==閲讀下文的概述，並結合所附之圖解（圖中凡 1皆用同-數字表示），必將對上述諸點，包括本〈 目標’特點和優點，有清晰的了解。 疋 -6 - 本紙張以Μ Λ丨巾 裝 .訂 ：---線----- (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁)

經Μ部屮夾標準局Θ工消费合作社印^ 附圖之簡要説明 圖1典型質子交換隔膜（PEM)燃料電池之實例；及 圖2如本發明之燃料電池供能設備的原理示意圖。 較佳具體實施方案之詳細説明 參見圖1所示之燃料電池100,它包括1個陽極部分ιι〇和 1個陰極部分130,二者被電解質120分隔開。在陽極部分 110之上，&發生解離，知_供出兩個質子，..同時，在過程中 還釋放出兩個自由電子，這電子經過外部負載14〇之後，到 達陰極部分Π0。如果使用質子交換隔膜層（pEM)式的燃料 電池，則質子將以擴散的方式，-通過電解質12〇，即隔膜層 ，然後到達陰極部分130,繼而與Ο,還有從外部負載14〇 返回的毛子一起生成水。能夠用于本發明之燃料電池尚有 其他幾種類型，這包括磷酸燃料電池，域性燃料電池，固 體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池。在陰極部分13〇 之上，產生的是水，H2〇。〇2的供應，最好是令空氣流經 陰極部分130來實施。 參見圖2所示之一種EATR 200(電化學熱自動重整器）， 它包括1個ATR(熱自動重整器）210，後者籍—隔膜層22〇與 陰極電源區位230相連。該隔膜層220係一種混合離子導體 。這種電化學熱自動重整器，係將電化學分離氫氣的原理 ，與熱自動重整原理串聯在一起的結果 '采用電化學熱自 y動重整器之目的在于能夠使來自EATR熱自動重整區位之氫 ^氣，進行有選擇的移除，從而促進重整反應趨 同 丨i'時，將分離出來的氫氣提供給燃料電池的陰極—側使用。 -7- 本紙張㈣巾 S tS |:彳轉,(C'NS ) ( 210X 297/^^ ) —--- ---------^-------IT------^ (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ____ _ B7 " ....... · _ — 五、發明説明（5 ) — EATR 200和隔膜層220的组合物這—整體，其功能舆作 用，正是題目爲”電化學熱自動重整器"的一項待審的申請 專利案之主題内容（代理人記錄摘要第269-005號）。本文已 將此申請案列入參考文獻中。該隔膜層220可爲陶瓷（如前 揭申請案所述）或爲美國專利第5,215,729所揭示之可滲氫之 金屬或金屬合金。本案已將該專利列入參考文獻中。Eatr 200產生出的氫氣可供燃料電池〗00加料之用。對此，下文 將作進一步的詳細説明。 參見圖2之原理示意圖，其中，EATR 200的進料由（1)和 (4)表示，前者爲碳氫化物燃料流，後者爲空氣流。空氣與 來自鍋爐160之水汽在（33)處相混合，生成空氣/水汽混合 物。此空氣/水汽混合物在進入ATR 210之前，須先在位于 (6)和（7)之間的熱交換器B2内進行加熱。ATR 210之操作溫 度從大約800 F到大約2500 T，而燃料電池陽極部分11〇的 操作溫度卻爲大約70 到大約200 °F，而且視壓力大小而 定。 在EATR 200的陽極電源區位230—側，氫氣的分壓力最 好低一些，而處于EATR 200的ATR 210—側，氫氣的分壓 力則應相對地高些，即二者呈明顯的反差爲較佳。因爲， 在氫氣分壓力存在差別的這種況下，氫氣便可以從ATR 210，通過隔膜層220轉移到陽極電源區位230。沒有能通過 隔膜層220的那部分氫氣，在（9)處離開ATR 210，並與未起 反應的燃料及一氧化竣一道，經（1 〇)進入燃燒室260，然後 又與經（12)進入燃燒室260之空氣相混合，並在燃燒室内燃 本紙張尺度適州中揭家標卑（（、NS ) Λ4規格（210X 297公釐） ---------装-------1T—----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 好湞部中决標羋局nc二消贤合作社印製 五、發明説明（6 燒掉。燃燒後的廢氣經過多元熱交換器A1/A2，B1/B2和 C1/C2之後，便進入冷凝器280在此，水被移險掉。用泵27〇 將冷凝器2 8 0流出之回收水，經（3 2)抽入銅爐16〇。熱量則 由Al，B1和C1傳送到係統的其他各部分。來自B1的熱量， 最好將其用于加熱空氣/永汽冷的混合物（Β2)，即上文所述 介于⑹與⑺之間的Β2。來自ci的熱量，最好供給鶴爐 160(C2)使用。對于來自A1之熱量的利用問題，將在下文 中介绍。 陽極氣體循環套300處在以下兩部分之間，起循環流通氣 體的作用，這兩部分爲：燃料電池1〇〇之陽極隔段或部分 110和EATR 200之陽極電源區位23〇。由氫氣與一種運载氣 體構成的混合物，在（17)處離開陽極部分110,其中氫氣的 刀壓力較低。這是因爲在陽極部分i丨〇的範圍内，由于發電 而耗用了氫氣的緣故。運載氣體最好選用一種惰性氣體， 因局它不會燃料電池陽極部分11〇發生中毒，或者也不會通 過燃料電池之電解質層12〇,或者選用一種不會使燃料;池 100發生中毒的-種蒸氣。運載氣體或運載蒸氣的内典型代 t包括洛氣或惰性氣體，如氬氣或氮氣。熱交換器m/D2 :熱，從陽極氣體循環套之冷側則(D1) ’轉移到陽極氣 二循，套之熱側3GG(D2)。熱交換器（cu)則把來自陽極氣 奴循％套3 0 〇 (冷側的熱量當作—個熱源，移送给係統以外 :部分使用。熱交換器A1/A2,把來自燃燒器26g(ai)之熱 I，傳送給陽極氣體循環套之熱侧300(A2)。 …、 混合氣進入熱交換器m/D2，並在（16)處被加熱。然後， ---------私衣-------II------1^ f請先閱讀背面之注意事碩再填寫本頁，> :打圮部屮夾標準局nJ消费合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（7 ) 混合氣進入熱交換器A1/A2,並在（18)處被進一步加熱，然 後在（19)處才進入EATR 200之陽極電源區位230。混合氣經 過此番加熱之後，其溫度若能接近EATR 200之操作溫度則 視爲較佳。由于運載氣體的存在，才造成（19)處出現氫氣 分壓力，于是在陽極電源區230也同樣有分壓存在，而且比 ATR 210内的氫氣分壓力更低。這一點，對于氫氣能夠從 ATR 210，穿過隔膜層220而進入陽極電源區位230是十分 必要的，因爲這完全是憑借氫氣分壓力梯度或者氫氣濃度 梯度的存在才可能。 EATR 200產生的氫氣與來自燃料電池100的混合氣體， 在（19)處相匯合，然後在（20)處進入熱交換器D1/D2，並經 此將混合氣中之熱量移除。氣體混合物中另外的熱量則通 過熱交換器CU予以除去，目的是使在（22)處進入燃料電池 陽極部分110之混合氣體經此降溫之後，其溫度已接近燃料 電池100之操作溫度。這樣，由EATR 200產生的氫氣，便 經過陽極氣體循環套3 00，被轉送到燃料電池1 0 0，並在這 裡轉化爲電能。 來自（23)處的空氣，在（24)處送料給燃料電池之陰極部 分130。爲使燃料電池100發揮其功能，所需之氧氣由陰極 部分130之空氣提供。陰極空氣作爲陰極部分130之廢料， 經（25)排出，從而將陰極部分130處因燃料電池100的作用 而產生的水蒸汽也同時被除掉。空氣通過陰極部分13 0，也 會對燃料電池100起著一定的冷卻作用。視需要，可將來自 陰極部分130的水，經（30)和泵270，輸送給鍋爐160，以擴 -10- 本紙張尺度適用中國丨翌家標绛（（’NS ) Λ4規格（2IOX 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〇 裝-

，1T 線 A7 B7 if·'. 部 屮 準 .1- 消 合 作 社 印 五、發明説明（8 充其水量，而原先鍋爐的水是由冷凝器供應的。如上所 述’如果ATR 210不是高廢> 丁滞 隹阿壓下運仃，則泵270以選用循環 泵爲較佳。根據需要，亦可在(25)處加裝一冷凝器(圖上未 畫出）。 * 冷卻H (27)進入冷卻器150 ’旨在將燃料電池1〇〇做進 一步冷卻，而冷卻劑則可選用空氣或者某種液體。冷卻劑 經過（28)離開冷卻器150,直接流向冷凝器28〇，在此，冷 卻劑是用于爲冷凝器提供致冷量，因爲，相對于燃燒爐 260排出之廢氣而言，冷卻劑是低溫致冷的。如果用空氣作 冷卻劑，則廢《經過(29)排^如果㈣液體冷卻劑， 則須安裝一個閉路的循環套（圖上未畫出），以便使冷卻劑 可按常規方式重復使用。 由于運載氣體之存在，陽極氣體循環套3〇〇才得以在氫氣 分壓力低，而總壓力高的條件下進行操作。如果沒有污染 物存在的話，如，—氧化碳污染物，則燃料電池陽極部分 110是不會對氫氣分壓力過于敏感的。使用水蒸汽或蒸氣作 爲運載體是較佳的辨法，因爲在陽極氣體循環套300中如果 有水存在，則頗爲有利，即是説，如果水是在陽極氣體循 環套300之冷側（D1和cu)處凝結，同時又是在陽極循環套 300之熱側（D2和A2)處發生汽化的，則是有利的。這樣一 來，EATR的陽極電源區位230處的氫氣分壓力，將會比燃 料電池陽極邵分110處之氫氣分壓力低得多。 只要在ATR 210和陽極電源區位230之間的氫氣分壓力梯 度足夠大的話，EATR 200的功能便可正常發揮。如上所述 11· 本纸张尺度適川中國囤家標準（（'NS ) Λ4規格（2I0X 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 A7 ^ ' '*'**' -- Β7 —— 五、發明説明（9 ) --— ’虱氣分壓力梯度之得以保持，全憑陽極氣體循環套的作 用。另一種替代方案是讓ATR21〇在高壓力下運作。高壓 仏件下須考慮之事項包括：選用一台排液（變'容）泵來代替 泵270 ’並對（4)與之間的空氣流進行壓縮，同時，視需 要，亦可在（9)與（10)之間，施加一個逐漸減小的壓力。在 —個適度的大型係統中，在（9)和（1〇)之間若能安置一台氣 體渴輪機，則可提供所需之逐漸減小塾力的功能。同時， 渦輪機所產生的機械能，可以用來爲設直在（4)和（5)之間 的空氣壓縮機（圖上未晝出）提供動力。 所it由于在ATR 210内的氫氣分壓力，比陽極電 源區位230内的氫氣分壓力，相對地高一些，所以氫氣，才 能夠穿過隔膜層220,從ATR210進入陽極電源區位23〇。如 果陽椏電源區位2 3 0内的氫氣分壓力’高于A T R 2〗〇内之氫 氣刀壓力，則氫氣將朝著相反的方向穿過隔膜層，從陽 極％源區位230進入ATR 21〇。在（14)處對燃燒器26〇排放的 廢料之溫度進行監測時探明這樣的事實。如果對燃料電池 1〇〇的兒旎要求不高，氫就不會被陽極部分110所消耗，所 以陽極氣體循環會300處之氫氣分壓力便會增加。而陽極電 $ 源區打230處氫氣分壓力的瞬時增加，又會造成氫氣經過 | EATR·200朝著相反的方向流動，即從陽極電源區位230， | 往ATR 210流動，直到隔膜層220兩侧之氫氣分壓力完全相 I. 等爲止。由于跨越隔膜層220兩侧之氫氣分壓力已不存在壓 | 力梯度，所以氫氣穿越隔膜層220的轉移也即停止。因此， | 全邵經過重整的氫氣，便經過（9)離開ATR 210，然後進入 -12- 本紙悵尺度適( 21〇x 297^tl----- (請先閎讀背面之注意事哏再填寫本I·} -裝

、1T ---線 A7 五、發明説明（10 ) 燃燒器260，于是造成（14) .^ ()處的溫度有所升高。這種升π ϊθ 象發出了信號：必須诘，Wl、各 里升恤現 貞減> (1)處的燃料供料量。反 對燃料電池100在電能上 ，如果 氨消耗于燃料電池100中，t ，便會導致有較多的 氣量便減少了^二二配並輸送到燃燒器26〇的氫 一 。果&•成燃燒器的溫度下降，這又發出了 信號：必須增加燃料的供料量。爲了能夠增加或減 的供料，尚須裝配龄制哭A e Μ ’、’、种 1d益和反饋循環套等裝置，但考慮到 任何一位通曉專業技藝的人均能勝任此項工作，對此:文 不擬贅述。 對于實施本發明之較佳方案：以及所附之參考圖解，前 文已作介紹。通過實施例可知，本發明之實施，並非僅限 于此類極爲精準之範例，而是允許通曉專業技藝的人士， 對之做出各種不同的 >行之有效的更動和修改，同時，這樣 做並沒有超越本文末尾所列之申請專利範圍爲本發明所規 定的界限和精神。

請 閎 讀 背 之 注· 意 事 項 再 填 |裝 瓦I 訂 線 :«-κ部中次標準而nc工消费合作社印裝 一进 I度 尺 紙 .本 'N Γν /1» 潭 一標

S 13 I楚 公

Claims (1)

1. A8 38S5t>S S D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、 申請專利範圍 1 1 1. 一 種 燃料 電池供能設備’包括： 1 | 一 燃 料 電池； 1 I -— 化 學熱自動重整器；.. 讀 1 1 該 燃 料 電池包括一燃料電池陽極部分和 一 燃 料 池 先 1 I 讀 1 | 陰 極部 分 f 背 φ 1 I 之 1 該 電 化 學熱自·動重整器包括一熱自動重 整 區 位 — 注 意 1 I 混 合 離 子 導_體隔膜層或者一金屬或金屬合 金 隔 膜 層 i 事 項 再 1 及 一 陽 極 電源區位，該隔膜層將該熱自動 重 整. 器 區 位 填 寫 本 1 裝 | 與該 陽 極 電源區位分隔開；以及 頁 ^_✓ 1 I 一 種 陽 極氣體循環套，它提供了循環流 動 裝 置 以 1 I .便 使 第 — 混合物能夠在該燃料電池陽極部 分與 該 重 整 1 1 .器 之 陽 極 電源區位之間循緣流動’而該弟 一 混 合物 則 1 訂 包括 氫 氣和一種運載氣體。. 1 I 2. 如 中 請 專 利範園第1項之燃料電池供能設備 其 中 該 燃 1 1 料 電 池 係 一質子交換隔膜層或者固體聚合 物 解 質 燃 1 1 料 電 池 磷酸燃料電池，城性燃料電池， 固 體 氧 化 物 ! 線 燃 料 電 池 及熔融碳酸鹽燃料電池等其中之一。 1 | 3. 如 中 請 專利範圍第1項之燃料電池供能設備 進 一 步 尚 1 I 包括 1 I 燃 燒 裝 置，旨在將該熱自動重整器區位 出 來 的 過 剩 1 1 氫 氣排 出 並燃燒之；及 1 I 還 有 燃 料供料裝置，旨在將碳氫化合物 燃 料 供 料 給 1 | 該 熱 白 動 重整器區位，它對燃燒裝置有靈敏 的叵 應 0 1 1 4. 如 中 專 利範圍第3項之燃料電池供能設備 進 一 步 尚 ! 1 -14- 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3S5568 i D8 六、申請專利範圍 包括： 空氣供料裝置，旨在將第二混合物供料給該熱自動 重整器區位，而該第二混合物係空氣與水汽的混合物； 水汽生產裝置，旨在製造該水汽，它與該空氣供料 裝置相聯接；以及. 第1熱交換器，它位于該燃料裝置的輸出與該水汽生 產裝置之間。/ 5. 如申請專利範圍第4項之燃料電池供能設備，進一步尚 包括： 升溫裝置，使該第一混合物升溫，即當該第一混合 物在第1條路徑中從該燃料電池陽極部分往該重整器之 除極電源區位循橡流動時^被加熱升溫；及 降溫裝.置，使該第一混合物降溫，即當該第一混合 物在第2條路徑中從該重整器之陽極電源區位往該燃料 電池陽極部分循環流動時，被降溫。 6. 如申請專利範圍第5項之燃料電池供能設備，其中該升 溫裝置及該降溫裝置結合起來，便组成第2熱交換器。 7. 如申請專利範圍第6項之燃料電池供能設備，進一步尚 包括，一第3熱交換器，它位于該燃燒裝置的輸出與該 第1條路徑上的該第一混合物這兩者之間。 8. 如申請專利範圍第7項之燃料電池供能設備，進一步尚 包括，一第4熱交換器，它位于該燃燒裝置的輸出與該 空氣供料裝置内空氣和水汽構成之第1混合物之間。 9. 如申請專利範圍第8項之燃料電池供能設備，進一步尚 -15 - 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 X 29"7公釐） 訂 線 (請先E讀背面之注意事項再填寫本頁) ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 々、申請專利範圍 包括，一第5熱交換器，它位于第2條路徑上的該第一 混合物與該供能設備以外的一點之間。 10. —種燃料電池供能設備，包括： ' 一燃料電池； 一電化學熱自動重整器； 該燃料電池包括，一燃料電池陽極部分和一燃料電 池陰極部分；. 該電化學熱自動重整器包括一熱自動重整區位，一 混合離子·導體.隔膜層或金屬或金_屬合金隔膜層，及一 陽極電源區位；該膜層將該熱自動重整區位與該陽 •極電源區位分隔開； 循環流動裝置，旨在使氳氣與一運載氣體之混合物 ，能夠在該燃料電池部分與該重整器之陽極電源區位 之間循環流動； .燃燒裝置，旨在將該熱自動重整器區位出來的過剩 之氫氣排出並燃燒之； 燃燒供料裝置，旨在將碳氫化合的燃科供料給該熱 自動重整器區位；以及 控制裝置，旨在對該燃料供料裝置進行控制，它對 該燃燒裝置有靈敏的回應。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 X 297公釐） 裝 訂 線 (讀洗«讀嘴面之注意事頰再填寫本頁)