TWI450439B - 應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器 - Google Patents

Description

應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器

本發明係有關於一種應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，尤指涉及一種可配置於燃料電池系統中作為系統啟動暖機時之熱量來源，或燃燒燃料電池堆尾氣中之殘餘燃料，特別係指利用特殊之燃料噴注機構而具有寬廣之操作區域及低污染排放之燃燒裝置。

按，燃料電池因具備低污染及高能源轉換效率之特性，成為近年來極受矚目之能源供應技術，其依電解質種類與操作溫度不同，可區分為數種形式之燃料電池。其中，固態氧化物燃料電池由於具有高能量效率與循環系統能利用未反應之燃料及高溫廢熱等特性，因此成為眾多燃料電池中研究發展之重要對象。

關於該固態氧化物燃料電池之操作原理，燃料與氧化劑(空氣或氧氣)在進入該固態氧化物燃料電池陰極與陽極之前，必須先被預熱至接近該固態氧化物燃料電池其電池堆約600~1000℃之操作溫度，而燃料之選用，除了一般燃料電池常用之氫氣之外，亦可使用重組器，將碳氫燃料轉換為富含氫氣之氣體後再提供該固態氧化物燃料電池使用。

在一般燃料電池之操作中，由於電化學反應中之濃度極化效應限制，因此電池堆中之燃料並不會被完全地以電化學之方式反應。其燃料利用率在固態氧化物燃料電池中常見者為60%~85%。因此在電池堆之出口，相當於有15~40%不等之燃料 未經過電化學反應消耗即被排出。而針對這些燃料之處置，常見之方法係在電池堆後端設置一燃燒器將其燃燒，而其釋放之熱能則藉由熱交換器進行回收，以作為電池堆之陰/陽極入口氣體預熱之能量來源。

該燃燒器在燃料電池中應用時需面對之操作環境主要可區分為三個階段，分別為系統升溫暖機階段、系統穩態操作階段及系統降溫停機階段。針對上述三個階段中，燃燒器所需面對之問題分別為： 該系統升溫暖機階段，由於高溫燃料電池堆係由金屬與陶瓷等不同材料堆疊而成，因此過高之升溫速率會導致各個元件之間因熱膨脹係數不一致而破裂。所以高溫型燃料電池之升溫速率一般都很緩慢，典型者為1℃/min。由於燃燒器一經啟動，其溫度在數秒內即可達到數百度以上，再加上燃料電池堆、燃燒器以及熱交換器係屬於串聯之配置，因此若無特殊之調控機制，則急遽之溫升將導致損壞電池堆。故在較佳之配置上，燃燒器之熱量輸出應具有寬廣之降載比(Turn Down Ratio)，在實際之應用上則以大於10為佳，例如可操作範圍為1~10仟瓦(kW)。此外，隨著系統逐步升溫，電池堆之出口排氣溫度亦逐步升高，此亦代表進入燃燒器之氣流溫度也逐步提高，因此為避免燃燒器溫度過高或是為維持燃燒器出口溫度恆定之目的，注入燃燒器之燃料量勢必得大幅地減少。由於電池堆出口氣體之溫度在系統暖機後可達600~1000℃，因此燃料之當量比(Equivalent Ratio,ψ)需進一步地降低。例如以控制燃燒器出口溫度於1000℃為例，在包含冷卻空氣流下其當量比甚至需要低於0.25； 該系統穩態操作階段，燃料電池在進行發電時，常見之操作方式為注入全負載時所需要之燃料，並以逐步增加燃料利用率之方式來達到全負載發電之目標。由於燃料利用率係以逐步增加之方式為之，因此當燃料利用率為0%時，則代表所有之燃料未在燃料電池內部進行電化學反應即進入燃燒器中，此時即為燃燒器之最大負載，並且，因為電池堆出口之氣流溫度本身亦處於高溫狀態，約與電池堆溫度相等，如750℃，因此在這一階段燃燒器會處於過載之狀態，所以需要加入冷卻氣流或是降低燃燒器入口氣流溫度之方式來維持燃燒器出口溫度之穩定；以及 該系統降溫停機階段，由於系統降溫仍須維持緩慢之降溫速率，因此在系統降溫階段，燃燒器之操作條件與系統升溫時相同，僅有步驟相反。

為配合上述高溫燃料電池之操作與出口氣體條件，同時兼顧完全燃燒與低污染排放之要求。因此燃燒器需要有高降載比以及寬廣之當量比操作範圍。基於傳統採用自由火焰形式(Free Flame)之燃燒器不易達成上述之要求，因此習知常見之技術為採用觸媒式燃燒器或多孔性介質燃燒器。由於該多孔性介質燃燒器之製程相較於該觸媒式燃燒器簡單，因此其發展潛力亦較具優勢。

有關多孔性介質燃燒器之原理與裝置之相關專利係可參考EP0657011A1、DE1303596B、ES2129659T3、US6997701B2、US4746286與US2006035190A1等專利。上述皆顯示習用之多孔性介質燃燒器，其操作原理係將燃料與空氣先行混合，接著再通過多層孔隙度不同之多孔性介質，其通常 係採用兩層以上堆疊方式之多孔性介質體，將位於前段之多孔性介質體採用孔隙度較小者，使燃燒反應無法在其間生成，而位於後段之多孔性介質，則採用具有較大孔隙度之多孔性介質，因此燃燒反應可在此區域間維持，並且於多孔性介質中產生無火焰型態之過焓(Excess Enthalpy)燃燒。其中該多孔性介質常見之材質係包括有三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、碳-碳化矽(C/SiC)、氧化鋯(ZrO₂ )與超合金材質，如鐵鉻鋁(Fe-Cr-Al)合金，且其形式可為纖維狀、球體堆積床或多孔性塊體。在高溫燃料電池之應用中，由於燃燒器入口氣流溫度高達600℃以上，而且其燃料中又以氫氣(H₂ )氣體為主要之燃料成分，因此若將燃料與空氣在此高溫下混合，則必然會因為達到H₂ 之574℃之燃點而產生回火(Flash Back)之情形。如此不但燃燒器操作時之安全性堪虞，並且於回火時之自由火焰燃燒形式，亦將導致燃燒器燃燒不完全而排放一氧化碳(CO)與碳氫化合物(HC)等污染物。

有鑑於此，若在高溫燃料電池系統中使用多孔性介質燃燒器，利用上述習用之技術架構，則必須將進入燃燒器之氣體先行冷卻，惟此不但增加系統元件之複雜度，更加限制燃燒器之應用範圍。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可針對高溫燃料電池系統使用之多孔性介質燃燒器裝置。

本發明之次要目的係在於，提供一種可配置於燃料電池系統中，作為系統啟動暖機時之熱量來源，或燃燒燃料電池堆尾氣中之殘餘燃料，達到提升系統熱回收量以增進系統效率，並減少廢氣中之污染排放者。

本發明之另一目的係在於，提供一種可適應燃料電池系統在不同運轉條件下所衍生之不同氣流條件，為具有寬廣之操作區域及低污染排放之燃燒裝置。

本發明之再一目的係在於，提供一種利用特殊之燃料噴注機構，使在高溫燃料電池系統中之應用可更加便利者。

為達以上之目的，本發明係一種應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，係至少包括一用以引導一氧化劑進入之氧化劑入口、一用以引導一燃料進入並進行直接噴注之燃料噴注機構、一與該氧化劑入口相接並具有一緩衝區之緩衝區腔體、一與該緩衝區腔體相接並具有複數個孔洞之氣流整流盤、一設置於該整流區後端並具有一燃燒區及至少一塊位於該燃燒區中之多孔性介質體之燃燒區腔體、一銜接於該燃燒區後端之尾氣排放口、及一設置於該燃燒區腔體上之點火裝置口所構成。

請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明零組件之立體剖視示意圖及本發明燃料噴注機構之立體剖視示意圖。。如圖所示：本發明係一種應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，可配置於燃料電池系統中，作為系統啟動暖機時之熱量來源，或燃燒燃料電池堆尾氣中之殘餘燃料。該多孔性介質燃燒器係至少包括一氧化劑入口1、一燃料噴注機構2、 一緩衝區腔體3、一氣流整流盤4、一燃燒區腔體5、一尾氣排放口6及一點火裝置口7所構成，可適應該燃料電池系統在不同運轉條件下，包含系統啟動、穩態運轉、動態負載變化以及停機時所衍生之不同氣流條件，藉由提升系統熱回收量以增進系統效率，並減少廢氣中之污染排放。

上述氧化劑入口1係用以引導一氧化劑進入，提供可燃燒燃料之含氧氣體，並可為燃料電池堆陰極側出口之高溫含氧氣體、一般常溫或高溫空氣、亦或上述燃料電池堆高溫出口氣體經冷卻氣流混入降溫之氣體。

該燃料噴注機構2係用以引導一燃料透過一燃料入口21進入，提供燃燒反應之可燃燃料，並可為燃料電池陽極側出口之尾氣、或該尾氣混合天然氣、氫氣、甲烷與丙烷之額外可供燃燒反應之燃料。

該緩衝區腔體3係與該氧化劑入口1相接並具有一緩衝區31，用以接收經由該氧化劑入口1流入該緩衝區31之氧化劑，提供透過該多孔性介質燃燒器徑向進入之氧化劑一個初步擴張之空間，俾利後續氣流進行整流用。

該氣流整流盤4係與該緩衝區腔體3相接，係在金屬材料上鑽製出複數孔洞之多孔性質者，具有複數個孔洞，用以使通過之氣流進行初步之整流用，其中該氣流整流盤4後端另銜接有一整流區41，可於該整流區41中進一步填充陶瓷球體或多孔性介質體作為整流之用，俾利該氧化劑得以更加均勻地分佈於該多孔性介質燃燒器內部空間中，其中，該氣流整流盤4係為金屬材料上鑽製出複數孔洞之多孔性質者。

該燃燒區腔體5係設置於該整流區41後端，並具有一燃 燒區51、及單塊或複數塊位於該燃燒區51中且孔隙度皆為單一尺寸之多孔性介質體52a~52c。

該尾氣排放口6係銜接於該燃燒區51後端，用以將上述燃燒反應後之尾氣排放至該燃料電池系統之其他元件中。

該點火裝置口7係設置於該燃燒區腔體5上，用以提供一點火裝置點火爆發用。

當本發明於運用時，於一較佳實施例中，該氧化劑係經由該氧化劑入口1流入由該緩衝區腔體3所形成之緩衝區31，再通過後端之氣流整流盤4進行初步之整流，並進一步由後方之整流區41中所填充之陶瓷球體或多孔性介質體(圖中未示)進行更加均勻之整流。繼之，通過該整流區41之氧化劑氣體係以均勻分佈之方式依序進入該多孔性介質體52a~52c。其中，本發明所採用之多孔性介質體52a~52c與習用之多孔性介質燃燒器材質無異，可為三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、碳-碳化矽(C/SiC)、氧化鋯(ZrO₂ )或超合金，如鐵鉻鋁(Fe-Cr-Al)合金等材質者，惟本發明主要之不同乃在於孔隙度之安排。該多孔性介質體52a~52c之孔隙度皆為單一尺寸，且於本實施例較佳之配置上，該多孔性介質體52a~52c之總長度係為100毫米(mm)，並可進一步視不同之氣流條件加以調整增減，該多孔性介質體52a~52c並區分為加工較為經濟之三塊者。於另一較佳之實施例中，則可直接將其合併為單一塊之多孔性介質體。

該燃料係由該燃料入口21進入該燃料噴注機構2，並將該燃料經由各燃料噴注孔23a~23c直接噴注至該多孔性介質體52a之中。該燃料噴注機構2可參閱第2圖所示，係 由該管狀之燃料入口21、複數個燃料噴注管分支22、及位於各燃料噴注管分支22上之燃料噴注孔23a~23c構成，並具有一平整之燃料噴注管端面24。該燃料噴注管分支22係用以使該燃料可均勻分佈於與該多孔性介質燃燒器軸向平行之截面中，且其分支數目於本實施例較佳之配置中係為6組，並可進一步視該多孔性介質燃燒器截面積之不同加以調整增減。而位於該些燃料噴注管分支22上之燃料噴注孔23a~23c，其孔徑大小係由各燃料噴注管分支22中心向外以輻射方向依序增加，可作為輔助各燃料噴注管分支22用以增加該燃料在與該多孔性介質燃燒器軸向平行之截面中之均勻性。其中，該燃料噴注管端面24係為一平整面，可與該多孔性介質體52a之端面直接接觸，藉以確保該些燃料噴注孔23a~23c與該多孔性介質體52a之端面之間無間隙之產生，俾利該燃料可直接注入該多孔性介質體52a中從而避免自然火焰(Free Flame)之生成；再者，利用該些燃料噴注管分支21之構造，能使該氧化劑之通過可在該燃料噴注管端面24產生迴流區，俾利該燃料與該氧化劑之進一步混合而更有利於該燃料流量較低時之穩定燃燒。

最後，經由該整流區41流入該多孔性介質體52a之氧化劑，與經由該些燃料噴注孔23a~23c直接注入該多孔性介質體52a之燃料，會於該多孔性介質體52a~52c之前段進行混合，並在該多孔性介質體52a~52c之中段開始進行燃燒反應，反應後之尾氣則經由該尾氣排放口7排放至該燃料電池系統之其他元件中。其中，本發明之點火裝置口6係可採用傳統之火星塞配置於其中，藉以提供該多孔性介質燃燒器 啟動時之點火能量。

藉此，基於上述混合之過程係在該多孔性介質體52a~52c中發生，因此在高溫下混合過程中不會有自然火焰之生成，同時也不會有習用多孔性介質燃燒器產生回火(Flash Back)之問題，故本發明係為具有可操作於高熱值燃料至低熱值燃料之寬廣操作區域及低污染排放之燃燒裝置，可在高溫燃料電池系統中之應用更加便利。

綜上所述，本發明係一種應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，可有效改善習用之種種缺點，可配置於燃料電池系統中，作為系統啟動暖機時之熱量來源，或燃燒燃料電池堆尾氣中之殘餘燃料，以適應該燃料電池系統在不同運轉條件下所衍生之不同氣流條件，達到提升系統熱回收量以增進系統效率，並減少廢氣中之污染排放，進而使本發明之產生能更進步、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。

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，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內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內。

1‧‧‧氧化劑入口

2‧‧‧燃料噴注機構

21‧‧‧燃料入口

22‧‧‧燃料噴注管分支

23a~23c‧‧‧燃料噴注孔

24‧‧‧燃料噴注管端面

3‧‧‧緩衝區腔體

31‧‧‧緩衝區

4‧‧‧氣流整流盤

41‧‧‧整流區

5‧‧‧燃燒區腔體

51‧‧‧燃燒區

52a~52c‧‧‧多孔性介質體

6‧‧‧尾氣排放口

7‧‧‧點火裝置口

第1圖，係本發明零組件之立體剖視示意圖。

第2圖，係本發明燃料噴注機構之立體剖視示意圖。

1‧‧‧氧化劑入口

2‧‧‧燃料噴注機構

21‧‧‧燃料入口

3‧‧‧緩衝區腔體

31‧‧‧緩衝區

4‧‧‧氣流整流盤

41‧‧‧整流區

5‧‧‧燃燒區腔體

51‧‧‧燃燒區

52a~52c‧‧‧多孔性介質體

6‧‧‧尾氣排放口

7‧‧‧點火裝置口

Claims (12)

1. 一種應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，係配置於燃料電池系統中，作為系統啟動暖機時之熱量來源，或燃燒燃料電池堆尾氣中之殘餘燃料，藉以適應該燃料電池系統在不同運轉條件下所衍生之不同氣流條件，其包括：一氧化劑入口，係用以引導一氧化劑進入，提供可燃燒燃料之含氧氣體；一燃料噴注機構，係由一管狀之燃料入口、複數個燃料噴注管分支、及位於各燃料噴注管分支上之燃料噴注孔構成，並具有一平整之燃料噴注管端面，用以引導一燃料透過該燃料入口進入，並將該燃料經由各燃料噴注孔進行直接噴注，其中該燃料噴注孔之孔徑大小係由各燃料噴注管分支中心向外以輻射方向依序增加；一緩衝區腔體，係與該氧化劑入口相接並具有一緩衝區，用以接收經由該氧化劑入口流入該緩衝區之氧化劑，提供透過該多孔性介質燃燒器徑向進入之氧化劑一個初步擴張之空間，俾利後續氣流進行整流用；一氣流整流盤，係與該緩衝區腔體相接並具有複數個孔洞，用以使通過之氣流進行初步之整流用，其中該氣流整流盤後端另銜接有一整流區，係俾利該氧化劑得以更加均勻地分佈於該多孔性介質燃燒器內部空間中；一燃燒區腔體，係設置於該整流區後端，並具有一燃燒區、及至少一塊位於該燃燒區中且孔隙度皆為單一尺寸之多孔性介質體，用以將經由該整流區流入該多孔性介質體之氧化劑，與經由該些燃料噴注孔直接注入該多孔性介質體之燃 料，於該多孔性介質體之前段進行混合，並在該多孔性介質體之中段進行燃燒反應；一尾氣排放口，係銜接於該燃燒區後端，用以將上述燃燒反應後之尾氣排放至該燃料電池系統之其他元件中；一點火裝置口，係設置於該燃燒區腔體上，用以提供一點火裝置點火爆發用；以及其中，該燃料噴注管端面係與該多孔性介質體之端面直接接觸，藉以該些燃料噴注孔與該多孔性介質體之端面之間無間隙之產生，俾利該燃料可直接注入該多孔性介質體中從而避免自然火焰之生成；同時，藉以該些燃料噴注管分支使該氧化劑之通過可在該燃料噴注管端面產生迴流區，俾利該燃料與該氧化劑之進一步混合而有利於該燃料流量較低時之穩定燃燒，為其特徵者。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該氧化劑係為燃料電池堆陰極側出口之高溫含氧氣體、一般常溫或高溫空氣、亦或上述燃料電池堆高溫出口氣體經冷卻氣流混入降溫之氣體。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該氣流整流盤係為金屬材料上鑽製出複數孔洞之多孔性質者。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該整流區中係可進一步填充陶瓷球體或多孔性介質體作為整流之用。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該多孔性介質體係為三氧化二鋁 (Al₂ O₃ )、碳-碳化矽(C/SiC)、氧化鋯(ZrO₂ )或鐵鉻鋁(Fe-Cr-Al)合金之材質者。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該多孔性介質體之總長度係為100毫米(mm)，並可視氣流條件加以調整。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該多孔性介質體係區分為三塊。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該多孔性介質體係合併為單塊。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該燃料係為燃料電池陽極側出口之尾氣、或該尾氣混合天然氣、氫氣、甲烷與丙烷之額外可供燃燒反應之燃料。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該些燃料噴注管分支之分支數目係為6組，並可視該多孔性介質燃燒器截面積加以調整。
11. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該點火裝置係為火星塞，係配置於該點火裝置口中，用以提供該多孔性介質燃燒器啟動時之點火能量。
12. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於高溫燃料電池之多孔性介質燃燒器，其中，該些燃料噴注管分支與其上之燃料噴注孔，係用以使該燃料可均勻分佈於與該多孔性介質燃燒器軸向平行之截面中。