TWI297555B - - Google Patents

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1297555 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 t本發明是有關於一種燃料電池熱工模擬裝置，尤 A ^種可取代固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel 、 U’ S0FC)，進行所需元件的初期系統整合測試，而 達到節省測試成本之功效者。 、 【先前4支彳标】 在旎源價格持續飆漲的今日，解決能源問題已是 各國持續關注的焦點。其中提高能源的使用效率是最 能立竿見影的方式。燃料電池主要利用氮氣與氧氣的 電化學反應產生電力，其發電效率無論在小功率的π 產品應用，或是百萬瓦級的電廠，都具有凌駕現今所 有么電技術的潛力。而在所有的燃料電池分類中，固 態氧化物燃料電池為其中效率最高者，然而其具有s 鲁㈣作條件以及高溫排氣之特點，因此其技術門^ 是所有燃料電池種類中最高者。由於其操作溫度達 6〇o-io〇(rc ’因此與其搭配之次系統，如重組器 氣續燃器與熱交換器等，在進行熱工系統整合時，對 於各元件的性能參數掌握則是整合成功的先決條件， 其設計規格必須能承受高溫運作的條件，所以固 化物燃料電池各系統的整合，除了有賴於整廠匹配八 析外，實際的實驗更是重要。 刀 1297555 按 般目前習用之固態氧化物燃料電池完整系 統配置，如第6圖所示，其係由一固態氧化物燃料電 池时8 ; -與固態氧化物燃料電池8連接之空氣用熱交 換器80; -與固態氧化物燃料電池8連接之尾氣續姆 器81，該尾氣續燃器81係具啟動燃料Η〗；一將空氣 83壓縮以提供啟動用氣源821予空氣用熱交換器 與尾氣續燃器81之空塵機82; 一與空氣 換哭 1 ^p —可藉由水泵浦86供應蒸 水源之水槽85，·—分別與固態氧化物辦 枓電池8、空氣用熱交換器8〇及尾氣續燃器81連接 =合：用熱交換 87 ,且該混合氣用熱交換器87 係搭配有一重組器871 •一 連接之燃料/蒸汽混合器88，而該燃料/ ……88係連接有以燃料泵浦 之燃料用預熱器881。 、人，、計⑽3 且態氧化物燃料電池8的成本高昂，而 度不兩，本體極為脆弱，無法承受太劇列的 變動稍微劇烈= 2 = 1只要操作條件 廿X%人田认、 即有可此造成尚額的損失，因此 並不適&料初期的系祕合測試。 【發明内容】 元及模 本發明之主要目的係在於，可藉由預熱單 乜97555 擬燃燒單元配合蒸汽鍋爐、空壓機、多數供氣單元、 混合器及重組器，用以測試尾氣續燃器、熱交換器及 其他元件；藉此，可取代固態氧化物燃料電池，進行 所需元件的初期系統整合測試，而達到節省測試時所 產生之成本。 為達上述之目的，本發明係一種燃料電池熱工模 擬裝置，係包含至少一可預熱所通過之氣體之預熱單 凡；至少一設置於預熱單元一端之模擬燃燒單元，可 供燃燒部分燃料以提高氣體溫度，並生成所需之氣體 成分；且可於預熱單元及模擬燃燒單元配合蒸汽鍋 爐、空壓機、多數供氣單元、混合器及重組器，用以 測試尾氣續燃器、熱交換器及其他元件。 【實施方式】 印參閱『第1圖』所示，係本發明之第一實施例 基本架構示意圖。如圖所示：本發明係一種燃料電池 熱工模擬裝置，該熱工模擬裝置i包括至少一預熱單 元11及至少一模擬燃燒單元12，可取代固態氧^物 燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)，進行所需元 件的初期系統整合測試，而達到節省測試時所產生之 成本。 上#上述所提之預熱單元U可預熱所通過之氣體，使 -亥氣體達到額定之溫度（伽〜⑼代）以補充模擬燃燒 ^97555 早疋12所缺少之熱量，且該預熱單元n係可為電熱 方式進行氣體之預熱，並於該預熱單元u上係設置有 多數進氣管111。 - 該模擬燃燒單元12係設置於上述預熱單元u之 、 :端，可供燃燒部分燃料以提高氣體溫度，且生成所 需之氣體成分，並可用以模擬尾氣續燃器、熱交換器 及其他疋件之出口成分。如是，藉由上述之結構構成 鲁全新之燃料電池熱工模擬裝置。 一明參閱『第2圖』所示，係本發明之第二實施例 不意圖。如圖所示：當本發明於運用時，係可利用熱 工杈擬裝置1之預熱單元u及模擬燃燒單元12，配 口瘵汽鍋爐2、空壓機3、供氣單元4及混合器5進行 為熱父換之待測物6測試。 上述所知1之預熱單元11可預熱所通過之氣體，使 •，氣體達到額定之溫度（400〜600。〇以補充模擬燃燒 單元12所缺少之熱量。 該模擬燃燒單元12係設置於上述預熱單元n之 :端，可供燃燒部分燃料以提高氣體溫度，並生成所 需之氣體成分，且可用以模擬熱交換器之出口成分。 該蒸汽鍋爐2係與上述預熱單元11連接，可提供 熱工模擬裝置1所需之蒸汽，用以模擬熱交換器出口 處的含水量，而該蒸汽鍋爐2與預熱單元π之間係具 8 1297555 有一流量控制閥（mass flow controller, MFC)21。 該空壓機3係與上述預熱單元丨丨及模擬燃燒單元 12連接，可提供所需之壓縮空氣，而該空壓機3與預 熱單元11之間係具有一流量控制閥31。 該供氣單元4係與上述模擬燃燒單元12連接，而 戎供氣單元4係為可提供曱烷（CH；4)或天然氣之供氣鋼 瓶。 該混合器5之一端連接上述供氣單元4與空壓機 3 ’另一端則連接上述模擬燃燒單元12，可供將多種 氣體加以混合，而該混合器5與該空壓機3及該供氣 單元4之間係分別具有一流量控制閥32、41。 s亥待測物6係與上述模擬燃燒單元12連接。 本實施例之待測物6係為熱交換器。如圖所示， 該待測物6係配置於模擬燃燒單元12下游，用以回收 模擬燃燒單元12出口的熱能，因此，只要能以模擬燃 k單元12模擬出尾氣續燃器的出口條件即可測試待 測物6(熱交換器）之性能。由於尾氣續燃器之出口成分 為曱烷與空氣的燃燒產物（該空氣為過量狀態），而且 其酿度係比完全以燃燒方式所得者為高（此係s〇FC系 統特性），因此以模擬燃燒單元12模擬尾氣續燃器出 口狀態時，其不足的溫度須由預熱單元u加以補足。 μ參閱『第3圖』所示，係本發明之第三實施例

1297555 =裝本發明於運用•，係可利用熱

Cl、蒸汽鋼爐2、供氣單元4及空壓機3進: 馮除尾乳績燃器以外的 延仃 熱交換器等。 彳“件之待測物6測試，如 該氣ft之職單元U可職料社氣體，使 ==額定之溫度_〜6，c)以補充二 早7G 12所缺少之熱量。 〜 一山a擬燃境單元12係設置於上述預熱單元u之 ^:可供燃燒部分燃料以提高氣體溫度，並生成所 :之讀成分’且可用以模擬除尾氣續燃器以外的所 有兀件（如熱交換器）之出口成分。 該重組器7係與上述模擬燃燒單元12連接，可 碳氫燃料重組成富含有氫氣之氣體。 ㈣鋼爐2係與上述重組器7連接，可提供重組 器7所需之蒸汽’而該蒸汽鍋爐2與重組器7之間係 具有一流量控制閥22。 該供氣單元4係與上述重組器7連接，而該供氣 單元4係為可提供甲烷或天然氣之供氣鋼瓶，且該供 氣單兀4與重組器7之間係具有一流量控制閥48。 該空壓機3係與上述預熱單元11連接，可提供所 需之壓縮空氣，而該空壓機3與預熱單元丨丨之間係具 1297555 有一流量控制閥33。 該待测物6係盥上计、伊 待測物6射為熱域器__燒單元12連接，且該 僅二!Γ係可視為第二實施例之延伸狀態， 來供應（其間已肖人“，、枓與蒸a，改由重組器7 測試除了尸二 的燃料與蒸汽)，因此，可以 八除了尾軋績燃器以外所有之元件。 請參閱『第4 H % - 咅 囷』所不，係本發明之第四實施例

置二第—所：本發明可利用一第-熱工模擬裝 -笛勒—預熱單元Ua與第—模擬燃燒單si2a及 1一熱工模擬裝置lb之第二預熱單元m與第二模 ;燃燒^，配合空壓機3、第-供氣單元V 哭，t =早7° 4b及第二供氣單元4c進行為尾氣續燃 為之第一待測物6a的測試。 上述所提之第-預熱單元lla及第二預熱單元 lib可預熱所通過之氣體，使該氣體達到額定之溫度 (400〜6〇〇°C)以補充第一模擬燃燒單it 12a及第二模擬 燃燒單元12b缺少之熱量。 s亥第一模擬燃燒單元12a係設置於上述第一預熱 單元Ha之一端，可供燃燒部分燃料以提高氣體溫 度，並生成所需之氣體成分，且可用以模擬固態氧化 物燃料電池陰極之出口氣體成分。 1297555 。。一孩第—拉擬燃燒單元i2b係設置於上述第二預熱 皁元 lib之_ ^ _ 、 、 编’可供燃燒部分燃料以提高氣體溫 二生成所而之氣體成分，且可用以模擬固態氧化 物燃料電池陽極之出口氣體成分。 "亥空壓機3係與上述第一預熱單元11a連接，可 提供所需之壓縮空氣，而該空壓機3與第-預熱單元 Ha之間係具一流量控制閥3u。 名第一供氣單元4a係與上述第一模擬燃燒單元 12a連接，该第一供氣單元牦係為可提供甲烷或氫氣 (H=)之供氣鋼瓶，且該第一供氣單元牝與第一模擬燃 燒單元12a之間係具有一流量控制閥41&。 該第二供氣單元4b係與上述第二模擬燃燒單元 12b連接，而該第二供氣單元仆係為可提供氫氣及氧 氣（〇2)之供氣鋼瓶42b、43b，且各供氣鋼瓶42b、43b 與第二模擬燃燒單元12b之間係分別具有一流量控制 閥 421b、43lb 〇 該第三供氣單元4c係與上述第二預熱單元Ub連 接，而該第三供氣單元4c係為可提供曱烷、氫氣、一 氧化碳（C0)及二氧化碳（C〇2)之供氣鋼瓶44c、45c、 46c、47c，且各供氣鋼瓶44c、45c、46c、47c與第二 預熱單元lib之間係分別具有一流量控制閥44le、 451c 、 461c 、 471c 〇 12 1297555 該第一待測物6a係與上述第一模擬燃燒單元12a 及第二預熱單元lib連接。 一般固態氧化物燃料電池陰極出口處為高溫之空 氣，其成分與一般空氣相較下，因透過固態電解質至 陽極反應後，其含氧量將會較少，故本實施例透過第 一熱工模擬裝置1 a加以模擬時，係藉由添加適量的燃 料至第一模擬燃燒單元12a中，燃燒空氣中部分氧氣 加以消耗掉，用以模擬固態氧化物燃料電池陰極出口 處的氧氣含量(雖然會伴隨產生。(^與h2〇,但其量微 小，對於尾氣續燃器的影響甚微），同時亦可提升氣流 的整體溫度，降低第一預熱單元Ua所需的功率。至 於固態氧化物燃料電池陽極出口處的成分，則可能包 δ有H2、CH4、CO、C02與H20(絕大部分為h2〇、其 人為Hz與c〇2)，而該處係由第二熱工模擬裝置lb加 以模擬’藉由在第二模擬燃燒單元1中燃燒與 〇2 ’不但可以產生所需要的Η"成分，更可減少第二 ^貝熱單元1 lb所需的功率。而其他的燃料成分則透過 第三供氣單元4c之流量控制閥441c、451c、461c、471c 將=送進第二預熱單元Ub中，使其與來自第二模擬 燃燒單元12b出口的成分混合，以獲得固態氧化物燃 料電池陽極的出口狀態。 …請進一步參閱『第5圖』所示，係本發明之第五 實施例示意圖。如圖所示：本發明係可進一步於該第 13 ㊈ 1297555 -模擬燃燒單元12a後端設置二相互連接之待測物， 而該待測物係包含為尾氣續燃器之第一待測物以及 為熱父換态之第二待測物6b，如此，可同時進行第一 待測物6a及第二待測物6b等二待測物之測試。 綜上所述，本發明燃料電池熱工模擬裝置可有效 改善習用之種種缺點，可藉由預熱單元及模擬燃燒單 元配合蒸汽鍋爐、空壓機、多數供氣單元、混合器及 重組器之相互搭配，用以測試尾氣續燃器、熱交換器 及/、他元件，藉此，可取代固態氧化物燃料電池，進 /亍所品元件的初期系統整合測試，而達到節省測試時 所產生之成本，進而使本發明之産生能更進步、更實 用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之 要件’爰依法提出專利申請。 一惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已， 當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明 申印專利範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變 化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 1297555 【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明之第一實施例基本架構示意圖。 第2圖，係本發明之第二實施例示意圖。 .第3圖，係本發明之第三實施例示意圖。 第4圖，係本發明之第四實施例示意圖。 第5圖，係本發明之第五實施例示意圖。 第6圖，係習用之配置狀態示意圖。

I 【主要元件符號說明】 (本發明部分） 熱工模擬裝置1 第一熱工模擬裝置la 第二熱工模擬裝置lb 預熱單元11 第一預熱單元11a > 第二預熱單元lib 進氣管in 模擬燃燒單元12 第一模擬燃燒單元12a 第二模擬燃燒單元12b 蒸汽鍋爐2 流量控制閥21、22 空壓機3 15 1297555 流量控制閥31、31a 流量控制閥32、33 供氣單元4 第一供氣單元4a 第二供氣單元4b 第三供氣單元4c 流量控制閥41、41a 供氣鋼瓶42b、43b 流量控制閥421b、431b 供氣鋼瓶 44c、45c、46c、47c 流量控制閥 441c、451c、461c、471c 流量控制閥48 混合器5 待測物6 第一待測物6a 第二待測物6b 重組器7 (習用部分） 固態氧化物燃料電池8 空氣用熱交換器80 尾氣續燃器81 啟動燃料811 空壓機82 啟動用氣源821 16 1297555 空氣83 蒸汽產生器84 水槽85 水泵浦86 混合氣用熱交換器87 * 重組器871 燃料/蒸汽混合器88 燃料用預熱器881 > 燃料泵浦882 燃料883

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Claims (1)

1. 必7555 十、申請專利範圍： r.—種燃料電池熱工模擬裝置，該熱工模擬裝置至少 包括有： 之氣體； 至少-預熱單元’該預熱單元可預熱所通過 以及 至少:模擬燃燒單元，該模擬燃燒單元係設置於上述 預熱單兀之-端，可供燃燒部分燃料以提高氣體溫度 ’並生成所需之氣體成分。 依申請專利範圍帛i項所述之燃料電池熱工模擬裝 置’其中，該預熱單元係可為電熱方式進行氣體之 預熱。 依申明專利範圍第1項所述之燃料電池熱工模擬裝 置，其中，該預熱單元上係設置有多數進氣管。 4· 一種燃料電池熱工模擬裝置，該熱工模擬裝置至少 包括有： 一預熱單元，該預熱單元可預熱所通過之氣體； 模擬燃燒單元，该模擬燃燒單元係設置於上述預熱 單疋之一端，可供燃燒部分燃料以提高氣體溫度，並 生成所需之氣體成分； 一蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐係與上述預熱單元連接，可 提供所需之蒸汽； 18 1297555 -空壓機，該空壓機係與上述該預熱單元及該模擬燃 燒單元連接，可提供所需之壓縮空氣； 一供氣單元，該供氣單元係與上述模擬燃燒單元連接 ， . -混合器’減合器之-端係與上述該供4單元與該 空壓機連接，另一端則與該模擬燃燒單元連接，以將 多種氣體加以混合；以及 • —待_ ’該待測物係與上述模擬燃燒單元連接。 5.依申請專利第4項所述之燃料電池熱工模擬裝 ，，其中，該供氣單元係$可提供甲燒（CH4)或天然 氣之供氣鋼瓶。 6·依申sf專利範圍第4項所述之燃料電池熱工模擬裝 置，其中，該待測物係可為一熱交換器。

   7·依申^專利範圍第4項所述之燃料電池熱工模擬装 置八中，δ亥条汽鍋爐與該預熱單元之間、該空壓 機f 5亥，？單元之間、該空壓機與該混合器之間、 ^亥供氣單元與該混合器之間係分別具有—流量控 4項所述之燃料電池熱工模擬裝 8·依申請專利範圍第 置，其中， 19 1297555 該，合器係可為-重組器，該重組器之—端係與該供 氣單元及該蒸汽鍋爐連接，該重組器之另一端係與該 連接板擬燃燒單元連接’且該重組器可將氣體組成含 有氫氣之氣體； 該蒸Ά鍋爐係與上述重組器連接，可提供所需之蒸汽 該供氣單元係與上述重組器連接，且該供氣單元係為 可提供曱烷之供氣鋼瓶。 9·依申晴專利範圍帛8項所述之燃料電池熱工模擬裝 置，該蒸汽鍋爐與該重組器之間及該供氣單元與該 重組器之間係分別具有一流量控制閥。 10· 一種燃料電池熱工模擬裝置，該熱工模擬裝置至少 包括有·· 一第一預熱單元，該第一 氣體； 預熱單元可預熱所通過之 第二預熱單元’該第二軸單元可預熱所通過之

   模擬燃燒單元係設置 可供燃燒部分燃料以 20 1297555 第一模擬燃燒單元，該第二模擬燃燒單元係設置 述第二預熱單元之一端，可供燃燒部分燃料以 提高氣體溫度，並生成所需之氣體成分； 一空壓機，該空壓機係與上述第一預熱單元連接， 可提供所需之壓縮空氣； 一第一供氣單元，該第一供氣單元係與上述第一模 擬燃燒單元連接； 、 一第二供氣單元，該第二供氣單元係與上述第二模 擬燃燒單元連接； 、 弟二供氣單元，該第三供氣單元係與上述第二預 熱單元連接；以及 一待測物，該待測物係與上述該第一模擬燃燒單元 及δ亥第一預熱單元連接。 11·依申請專利範圍第10項所述之燃料電池熱工模擬 裝置’其中’該第一供氣單元係為可提供甲烷或氫 氣（¾)之供氣鋼瓶。 12.依申請專利範圍第1〇項所述之燃料電池熱工模擬 裝置’其中’該第二供氣單元係為可提供氳氣及氧 氣（〇2)之供氣鋼瓶。 13·依申請專利範圍第10項所述之燃料電池熱工模擬 裝置’其中，該第三供氣單元係為可提供曱烷、氫 氣、一氧化碳（CO)及二氧化碳（co2)之供氣鋼瓶。

   21 1297555 14· =申請專利範圍第ι〇項所述之燃料電池熱工模擬 虞置，其申，該待測物係可為一尾氣續燃器。 • ^申明專利範圍第1 〇項所述之燃料電池熱工模擬 4置，其中，該待測物係可為相互連接之一尾氣續 燃器及一熱交換器。 1 6· p申明專利範圍第1〇項所述之燃料電池熱工模擬 裝置，其中，該空壓機與該第一預熱單元之間、該 第一供氣單元與該第一模擬燃燒單元之間、該第二 供氣，兀之各供氣鋼瓶與第二模擬燃燒單元之間、 及口亥第二供氣單兀之各供氣鋼瓶與該 單元之間係分別具有一流量控制閥。 擬“

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