TWI549350B - 高溫燃料電池系統及其運轉方法 - Google Patents

Description

高溫燃料電池系統及其運轉方法

本發明為一種高溫燃料電池系統及其運轉方法，係指一種包含高溫下運作之燃料電池之供電系統及其運轉方法。

由於現今主要利用燃燒石化燃料來產生熱能，進而轉為電能（如火力發電）或機械能（如汽車引擎）以供運用，石化燃料燃燒後所產生的廢氣使得溫室效應日益嚴重，因此，發展出低污染且高效率的能源產生技術，為科技發展的重點之一。而燃料電池由於其為利用氫和氧結合為水的過程中，直接將化學能轉換成電能，所產生的廢氣為水蒸氣而不會對環境造成污染，亦無需經過熱能而可直接轉換為電能，故屬於潔淨且高效率的綠色能源之一。

燃料電池依其電解質及反應溫度可區分為多種，固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）為其中一種，其工作溫度約在500°C至900°C之間，其陽極採用金屬陶瓷材料，目前常用為氧化鎳（NiO）作為陽極材料，金屬陶瓷材料在高溫下容易氧化，但在陽極通入帶有氫氣的合成氣後，氫氣會保護金屬陶瓷材料使其不受氧化。

現有技術的高溫燃料電池系統，主要係由燃料重組器與高溫燃料電池所組成，高溫燃料電池之陰極端通入空氣，陽極端與燃料重組器相接，透過燃料重組器將所通入的石化燃料（如天然氣等）重組得到具有富氫合成氣體後，通入高溫燃料電池之陽極端，以供高溫燃料電池反應用，由於高溫燃料電池之工作溫度約在500°C至900°C之間，在到達工作溫度前需經過一段升溫過程，由外部提供熱源加以升溫，而現有技術的高溫燃料電池系統，係配合高溫燃料電池之工作溫度，採用高溫啟動型重組器，其亦到達500°C後，才會進行重組反應以產生富氫合成氣體，故在升溫過程中，金屬陶瓷材料缺乏氫氣的保護，而仍會因氧化而毀損。

有鑑於此，本發明係改變高溫燃料電池系統的設計，以使陽極的金屬陶瓷材料在升溫過程中仍能獲得保護，而不被氧化。

為達到上述之發明目的，本發明所採用的技術手段為設計一種高溫燃料電池系統，係包括： 一低溫啟動型燃料重組器，其中具有重組反應觸媒，該重組反應觸媒在到達一第一溫度時開始反應產生氫氣，該燃料重組器具有一燃料入口及一合成氣出口； 一高溫燃料電池，其在到達一第二溫度時開始反應產生電能，其中該第二溫度高於該第一溫度，該燃料電池具有一陽極入口、一陰極入口、一陽極出口、及一陰極出口，該陽極入口處設有金屬陶瓷材料，該第一溫度低於該金屬陶瓷材料之氧化溫度，該燃料電池之陽極入口與該燃料重組器之合成氣出口相接； 一熱交換器，其具有一氣體入口及一氣體出口，該氣體出口與該燃料電池之陰極入口相接。

前述之高溫燃料電池的運轉方法，係包括以下步驟： 通入燃料於一低溫啟動型燃料重組器中，當溫度到達一第一溫度時開始反應產生氫氣； 將所產生的氫氣通入一高溫燃料電池的陽極入口中，並由該高溫燃料電池之陰極入口通入空氣，當溫度到達一第二溫度時開始反應產生電能，其中該高溫燃料電池之陽極入口設有金屬陶瓷材料，該第一溫度低於該第二溫度，該第一溫度低於該金屬陶瓷材料之氧化溫度。

本發明的優點在於，利用燃料重組器低溫即可開始產氫的特點，使得在升溫過程中，尚未達到該金屬陶瓷材料之氧化溫度前，即有氫氣產出而可對該金屬陶瓷材料形成保護，以避免該金屬陶瓷材料在升溫過程中因氧化而破壞。

進一步而言，可設置尾燃器於燃料電池出口處，以收集反應殘留的氣體以及尾熱，進行燃燒反應後再將熱能供應給燃料重組器及熱交換器，以對燃料及空氣進行預熱，則藉由內部熱流即可維持系統溫度，無需以外部裝置持續加溫，故可減少能量損耗進而提高系統效率。

以下配合圖式及本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

請參閱圖所示，本發明之高溫燃料電池系統包含有一高溫燃料電池10、一燃料重組器20、一熱交換器30、及一尾燃器40。

前述之高溫燃料電池10為工作溫度在500°C以上陽極使用氧化鎳為電極之燃料電池，例如固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC），如為固態氧化物燃料電池，則其工作溫度在500°C至900°C之間，較佳工作溫度在650°C至850°C之間，高溫燃料電池10的內部結構及其內部反應為所屬技術領域之通常知識，在此不加以贅述。高溫燃料電池10具有一陽極入口11、一陰極入口12、一陽極出口13、及一陰極出口14，該陽極入口11處設有金屬陶瓷材料，在較佳實施例中，該金屬陶瓷材料為氧化鎳。

前述之燃料重組器20之合成氣出口212與高溫燃料電池10之陽極入口11相連接，該燃料重組器20為低溫啟動型重組器，其在該燃料電池10之金屬陶瓷材料到達氧化溫度之前就可以開始反應產生氫氣，在較佳實施例中，至少250°C時可開始反應產生氫氣，此時，在較佳實施例中，燃料重組器20內部採用蒸汽重組（Steam Reforming, SR）反應，其使用釕-a（Ru-a）或釕-鎳（Ru-Ni）等釕（Ru）系列觸媒，其主要產氫的反應式為：（1）CH ₄+H ₂O→CO+3H ₂；（2）CO+H ₂O→CO ₂+H ₂。

燃料重組器20中具有相鄰的一反應腔室21及一導熱腔室22，前述之重組反應用的觸媒設於該反應腔室21中，前述之合成氣出口212與該反應腔室21相連通，由反應腔室21之燃料入口211處通入燃料後進行重組反應，導熱腔室22則可於導熱入口221處通入熱流來使反應腔室21升溫，尾熱則由熱源出口222處排出。較佳實施例中，請參閱圖2所示，導熱腔室22旁可連接一燃燒器23，燃燒器23於通入燃料與空氣後於其中進行燃燒放熱反應，以提供所需的熱流，更可將燃料重組器20之合成氣出口212進行分流後與燃燒器23連接，以將重組後的富氫合成氣部分導入燃燒器23中，提高燃燒反應的效率，在導熱腔室22已到達所需的溫度後，則燃燒器23可關閉；在另一較佳實施例中，燃料重組器20外部可設有電熱絲24，以提供反應腔室21所需的溫度，在導熱腔室22已到達所需的溫度後，則電熱絲24可關閉；又一另一較佳實施例中，請參閱圖3所示，導熱腔室22旁可連接一觸媒燃燒器25，觸媒燃燒器25於通入燃料與空氣後於其中進行燃燒放熱反應，以提供所需的熱流，利用燃燒式觸媒降低其燃燒反應的活化能，進而降低燃燒反應溫度，燃燒式觸媒可為鈀/氧化鋁（Pd/Al ₂O ₃）等鈀（Pd）系列觸媒或氧化鐵（FeO） 等鐵（Fe）系列觸媒，在導熱腔室22已到達所需的溫度後，則觸媒燃燒器25可關閉。

再者，請參閱圖4所示，在反應腔室21的燃料入口211處可連接一輔助重組器26，輔助重組器26中先將燃料進行部分重組反應，輔助重組器26中所進行的重組反應為放熱反應，重組後的合成氣再通入燃料重組器20之反應腔室21中，此時由於輔助重組器26中所進行的重組反應為放熱反應，故通入反應腔室21中的合成氣已帶有一定溫度，則可作為反應腔室21的升溫來源之一。在較佳實施例中，輔助重組器26可為部分氧化（catalytic partial oxidation, CPOX）重組器，其主要反應式為：（1）CH ₄+1/2O ₂→CO+2H ₂；（2）CH ₄+2O ₂→CO ₂+2H ₂O；（3）CO+H ₂O→CO ₂+H ₂，其採用銥（Ir）、鈀（Pd）、銠（Rh）、釕（Ru）等金屬作為觸媒。

請參閱圖1所示，前述之熱交換器30具有相鄰的一氣體腔室31及一導熱腔室32，氣體腔室31之氣體出口312與高溫燃料電池10之陰極入口12相連接，氣體腔室31之氣體入口311通入外界空氣後，經過熱交換器30加熱，再通入高溫燃料電池10中進行反應。

請參閱圖1及圖5所示，前述之尾燃器40之殘氣入口410、411與高溫燃料電池10之陽極出口13及陰極出口14相連接，以將高溫燃料電池10中陽極與陰極反應後剩餘的合成氣及空氣均在尾燃器40中再進行燃燒反應，其所產生的熱流將導入熱交換器30和燃料重組器20中以提供其所需之熱能。尾燃器40之殘氣出口42可單獨與熱交換器30之導熱腔室32的導熱入口322連接後，再由熱交換器30之導熱腔室32的導熱出口321與燃料重組器20之導熱腔室22的導熱入口221連接（如圖1所示）；或尾燃器40之殘氣出口42分別與熱交換器30及燃料重組器20之導熱腔室32、22的導熱入口322、221連接（如圖5所示）。

請參閱圖1所示，本發明之燃料電池系統啟動時，係將燃料（如富氫燃料、天然氣、丙烷、丁烷等）通入燃料重組器20之反應腔室21中，並將空氣通入熱交換器30之氣體腔室31中，由於剛啟動時，系統溫度尚未達到燃料電池10及燃料重組器20的工作溫度，故此時通入的燃料及空氣進入燃料重組器20及燃料電池10中並不會產生反應，而會通過燃料重組器20熱交換器30，再通過燃料電池10後直接進入尾燃器40，則燃料與空氣於尾燃器40中進行燃燒反應，燃燒後的熱流進入熱交換器30及燃料重組器20之導熱腔室32、22，以使燃料重組器20之反應腔室21、熱交換器30之氣體腔室31逐漸增溫。若如圖2或圖3所示，燃料重組器20旁設有燃燒器23、電熱絲24或觸媒燃燒器25，則於剛啟動時可透過燃燒器23、電熱絲24或觸媒燃燒器25加速燃料重組器20的反應腔室21升溫，但於達到一定溫度時（如達到燃料重組器20之工作溫度時）可關閉燃燒器23、電熱絲24或觸媒燃燒器25。

在增溫過程中，由於燃料重組器20之工作溫度較低，故會先達到燃料重組器20之工作溫度。當到達燃料重組器20的工作溫度（如300°C）時，燃料於反應腔室21中進行反應而產出富氫合成氣，再通入燃料電池10中，此時雖未達到燃料電池10之工作溫度，但富氫合成氣已可先對燃料電池10之陽極入口11的金屬陶瓷材料形成保護作用，而避免其在後續升溫過程中毀損，而在尚未到達燃料電池10的工作溫度前，富氫合成氣在通過燃料電池10後同樣進入尾燃器40與空氣進行燃燒反應而繼續形成熱流，以提升燃料重組器20之反應腔室21、熱交換器30之氣體腔室31的溫度。

當通過燃料重組器20之反應腔室21的燃料以及通過熱交換器30之氣體腔室31的空氣均到達燃料電池10的工作溫度（如500°C）時，則此時燃料電池10利用所通入的燃料及空氣開始進行化學反應而產生電能，當燃料電池10開始反應後，反應殘餘的燃料及空氣帶有燃料電池10反應後的尾熱，仍會持續流入尾燃器40中進行燃燒反應，反應後的熱流除帶有燃燒反應所產生的熱能之外，亦帶有燃料電池10反應後的尾熱，則熱流進入燃料重組器20及熱交換器30之導熱腔室22、32，以維持燃料重組器20之反應腔室21、熱交換器30之氣體腔室31中的溫度。

因此，利用本發明之高溫燃料電池系統及其運轉方法，可在尚未到達金屬陶瓷材料破壞溫度前，即利用低溫啟動型的燃料重組器開始產生富氫合成氣，以在後續升溫過程中持續對金屬陶瓷材料形成保護，並同時利用尾熱循環以及尾燃器40的作用，使得本發明之系統透過內部熱流而能維持溫度，無需在系統運作過程中持續以外部裝置加溫，避免損耗多餘的能量來供熱，而能進一步提昇系統效率。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10燃料電池                                     11陽極入口 12陰極入口                                     13陽極出口 14陰極出口                                     20燃料重組器 21反應腔室                                     211燃料入口 212合成氣出口                                22導熱腔室 221導熱入口                                   222熱源出口 23燃燒器                                         24電熱絲 25觸媒燃燒器                                  26輔助重組器 30熱交換器                                     31氣體腔室 311氣體入口                                   312氣體出口 32導熱腔室                                     321導熱出口 322導熱入口                                   40尾燃器 410、411殘氣入口                          42殘氣出口

圖1為本發明之系統方塊示意圖。 圖2為本發明部分元件之方塊示意圖。 圖3為本發明另一實施例之部分元件方塊示意圖。 圖4為本發明又一實施例之部分元件方塊示意圖。 圖5為本發明之另一實施例的系統方塊示意圖。

10燃料電池                                     11陽極入口 12陰極入口                                     13陽極出口 14陰極出口                                     20燃料重組器 21反應腔室                                     211燃料入口 212合成氣出口                                22導熱腔室 221導熱入口                                   222熱源出口 30熱交換器                                     31氣體腔室 311氣體入口                                   312氣體出口 32導熱腔室                                     321導熱出口 322導熱入口                                   40尾燃器 410、411殘氣入口                          42殘氣出口

Claims (17)

1. 一種高溫燃料電池系統，係包括：一低溫啟動型燃料重組器，其包含有相鄰的一反應腔室及一導熱腔室，該反應腔室中具有重組反應觸媒，該重組反應觸媒在到達一第一溫度時開始反應產生氫氣，該燃料重組器具有一燃料入口及一合成氣出口，該燃料入口及該合成氣出口分別設於該反應腔室，導熱腔室具有一導熱入口；一固態氧化物燃料電池，其在到達一第二溫度時開始反應產生電能，其中該第二溫度高於該第一溫度，該燃料電池具有一陽極燃料入口、一陰極燃料入口、一陽極燃料出口、及一陰極燃料出口，該燃料電池陽極使用金屬陶瓷材料，該第一溫度低於該金屬陶瓷材料之氧化溫度，該燃料電池之陽極燃料入口與該燃料重組器之合成氣出口相接；一熱交換器，其包含有相鄰的一氣體腔室及一導熱腔室，該熱交換器具有一氣體入口及一氣體出口，該氣體入口及該氣體出口分別設於該氣體腔室，該氣體出口與該燃料電池之陰極燃料入口相接，導熱腔室具有一導熱入口；一尾燃器，其入口處與該燃料電池之陽極出口及陰極出口相接，而其出口處與該燃料重組器與該熱交換器之導熱腔室相通。
2. 如請求項1所述之高溫燃料電池系統，其中該尾燃器之出口處與該熱交換器之導熱腔室的導熱入口相接，該熱交換器之導熱腔室具有一導熱出口，該熱交換器之導熱腔室的導熱出口與該燃料重組器之導熱腔室的導熱入口相接。
3. 如請求項1所述之高溫燃料電池系統，其中該尾燃器之出口處分別與該熱交換器之導熱腔室的導熱入口以及該燃料重組器之導熱腔室的導熱入口相接。
4. 如請求項1至3中任一項所述之高溫燃料電池系統，其中該燃料重組器中進行蒸汽重組反應。
5. 如請求項4所述之高溫燃料電池系統，其中該重組反應觸媒為釕系列觸媒。
6. 如請求項5所述之高溫燃料電池系統，其中該重組反應觸媒為釕-a或釕-鎳。
7. 如請求項1至3中任一項所述之高溫燃料電池系統，其中該燃料重組器之導熱腔室與一燃燒器相連接。
8. 如請求項1至3中任一項所述之高溫燃料電池系統，其中該燃料重組器之導熱腔室與一觸媒燃燒器相連接，該觸媒燃燒器中設有燃燒式觸媒。
9. 如請求項8所述之高溫燃料電池系統，其中該燃燒式觸媒為鈀系列觸媒或鐵系列觸媒。
10. 如請求項9所述之高溫燃料電池系統，其中該燃燒式觸媒為鈀/氧化鋁或氧化鐵。
11. 如請求項1至3中任一項所述之高溫燃料電池系統，其中在該燃料重組器之反應腔室的燃料入口處連接一輔助重組器，該輔助重組器中具有輔助重組反應觸媒進行放熱重組反應，該燃料重組器中進行吸熱重組反應。
12. 如請求項11所述之高溫燃料電池系統，其中該輔助重組器中進行部分氧化重組反應。
13. 如請求項1至3中任一項所述之高溫燃料電池系統，其中該金屬陶瓷材料為氧化鎳。
14. 如請求項13所述之高溫燃料電池系統，其中該第一溫度為250°C，該第二溫度為500℃。
15. 一種高溫燃料電池系統的運轉方法，係包括以下步驟： 通入燃料於一低溫啟動型燃料重組器中，當溫度到達一第一溫度時開始反應產生氫氣；將所產生的氫氣通入一固態氧化物燃料電池的陽極燃料入口中，並由該高溫燃料電池之陰極燃料入口通入空氣，當溫度到達一第二溫度時開始反應產生電能，其中該高溫燃料電池之陽極電極使用金屬陶瓷材料，該第一溫度低於該第二溫度，該第一溫度低於該金屬陶瓷材料之氧化溫度。
16. 如請求項15所述之高溫燃料電池系統的運轉方法，其中將空氣通入該燃料電池的陰極燃料入口之前，先通入一熱交換器以將空氣預熱後再通入該燃料電池中，且該燃料電池之陽極出口及陰極出口連接有一尾燃器，該尾燃器接收來自該燃料電池之氣體及尾熱後加以燃燒，並將該尾燃器所產生的熱能先供應給該熱交換器，再供應給該燃料重組器。
17. 如請求項15所述之高溫燃料電池系統的運轉方法，其中將空氣通入該燃料電池的陰極燃料入口之前，先通入一熱交換器以將空氣預熱後再通入該燃料電池中，且該燃料電池之陽極出口及陰極出口連接有一尾燃器，該尾燃器接收來自該燃料電池之氣體及尾熱後加以燃燒，並將該尾燃器所產生的熱能同時供應給該熱交換器及該燃料重組器。