TWI734657B - 燃料電池能源循環利用系統 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池能源循環利用系統，係包括至少一輸入能源、具有至少一電力輸出端及至少一能源輸出端之至少一第一電池、具有至少一電力輸入端及能源輸入端、能源輸出端之至少一第二電池及至少一連結於第一、第二電池及輸入能源間之能源循環控制裝置，其中，輸入能源為含碳氫或氫之能源，並連結至該第一電池的能源輸入口，以使該第一電池之電力輸出端輸出電力及使該能源輸出端至少輸出熱能、水之能源產物，且該第一電池的電力輸出端及熱能、水之能源輸出端分別連結至該第二電池之電力輸入端及能源輸入端，以使該第二電池之能源輸出端至少輸出氫能源給該能源循環控制裝置，並使該能源循環控制裝置控制循環氫輸入給該第一電池的能源輸入端再利用，該能源循環控制裝置並可切換控制該第一、第二電池間分別切換為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式。

Description

燃料電池能源循環利用系統
本發明係關於一種燃料電池能源循環利用系統，特別是一種應用於SOFC電池(固態氧化物燃料電池)與SOEC電池(固態氧化物電解電池)組合，及具有至少一能源循環及切換系統以切換該SOEC電池提供至少一種例如：氫之能源產物循環回饋(FEED BACK)給SOFC電池的能源輸入利用之系統。
按，綠色能源(Green Energy)為本世紀發電電力或能源再利用之焦點，特別是世界各國政府不餘遺力地使綠色能源政策推行及改善空污迫切需求的環保意識抬頭之趨勢影響下，為數最多的電動機車、電動汽車之類的電動車輛推廣與運用數量將逐年增加，因此，綠色能源的循環利用就顯得相當重要，因為除了民生用電外，更必需額外提供如電動車輛充電或儲能所需之電力，但如果因此導致發電電力不足而需再惡性循環仰賴大量的高污染性火力發電或傳統的天然氣發電，將造成綠色能源之美意及效果大打折扣。
然而，目前習知之綠色能源發電模式中，主要是以如核能、水力、風力、太陽能、地熱或潮汐發電等模式為主，但以核能為例，雖然發電容量較大，不需經常添加能源，但核電廠所需要的核廢料儲存處理及核電廠壽終廢廠後所需要的後續核廢處理設備及費用則相當昂貴，並且，一旦有核污染發生，如日本311大地震海嘯所造成之福島核電廠核輻射外洩危機事件，迄今尚未能妥善處理及完全解除危機，因此，核能仍存在相當安全之威脅因素，給人又愛又怕的不確定感，在某些絕對綠色反核之國家，則無法適用及推廣，因而侷限其產業利用價值。
再如上述的水力、風力、太陽能、地熱或潮汐發電等綠色能 源發電模式，則受限於地理位置、氣候、溫度、季節或海底地型影響，並非是可以任意及大量設置，因此，該水力、風力、太陽能、地熱或潮汐發電等綠色能源發電模式所能提供的發電容量，也因而受到相當之限制，而只能作為輔助發電系統，而不能作為主要的發電系統，而使目前的主要發電系統仍然被限縮在火力發電或核能發電的高環境污染及高健康風險的發電模式，並且，該水力、風力、太陽能、地熱或潮汐發電等綠色能源發電模式僅能提供單一電力能源輸出功能，而沒有其他有用的能源產物產出及能源循環利用之加乘效果，並且，該水力、風力、太陽能、地熱或潮汐發電等綠色能源發電模式，必需相對付出龐大的維護成本，例如：水力發電之水庫快速淤積而減縮水庫使用壽命、高聳的風力發電機之維護不易或太陽能板表面需不斷清洗以確保光電轉換率、地熱發電機需嚴控地熱大量瞬間噴出或潮汐發電的機組壽命不長等因素，均是造成上開各項綠色能源發電模式被限制及無法被廣泛利用之問題與缺點。
另外，如考慮要使用新一代的習知固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)作為主要的發電系統，則需不斷提供大量的如天然氣之碳氫能源或氫能源輸入該固態氧化物燃料電池中，使該固態氧化物燃料電池不斷產生電能發電，但該固態氧化物燃料電池發電在於用電離峰低負載容量之時段，即使將該碳氫或氫能源輸入源頭予以切斷，該固態氧化物燃料電池並非立即馬上降載，而是仍然不斷地發電，直至該固態氧化物燃料電池內部之發電化學反應隨著時間趨緩為止，如此，則會造成大量發電電力的無效浪費，並且，如需儲存該多餘電力，則必需再增設更多的儲電設備，耗費更多設備成本及人力，而倘若考慮要提前在離峰時間前，切斷該碳氫或氫能源輸入源頭，以避免上述無謂的多餘電力浪費，則因用戶端電力負載情況並非是每天一成不變，極可能因錯誤估算該固態氧化物燃料電池之碳氫能源或氫能源輸入源頭切斷時間，而造成供電容量不足，而致使局部區域無預警停電或全部地區無預警停電之窘境，致使該固態氧化物燃料電池能源利用效率及實用性因而大打折扣，而不具產業利用之經濟效益，實乃目前固態氧化物燃料電池使用於發電系統所需極待解決之課題。
此外，在相關的先前專利技術文獻方面，如日本國公開公報 公開號：特開2018-174115號「電気化学素子、電気化学
Figure 110101720-A0101-12-0003-85
、電気化学装置、
Figure 110101720-A0101-12-0003-11
、固体酸化物形燃料電池、
Figure 110101720-A0101-12-0003-12
電気化学素子
Figure 110101720-A0101-12-0003-13
製造方法(電化學元件、電化學模組、電化學裝置、能源系統、固態氧化物型燃料電池、及電化學元件之製造方法)」發明專利公開案，則揭示關於習知固態氧化物型燃料電池結構，其內部之電化學機構複雜及成本偏高，藉以提昇該電化學性能，但仍然存有上述習知燃料電池的供電離峰時段輸入能源切斷時機難以掌握之問題與缺點，雖然，上述日本專利前案之申請專利說明書段落〔0031〕揭示：「上記
Figure 110101720-A0101-12-0003-14
特徴構成
Figure 110101720-A0101-12-0003-15
、電気化学装置
Figure 110101720-A0101-12-0003-16
、電気化学装置
Figure 110101720-A0101-12-0003-17
排出
Figure 110101720-A0101-12-0003-18
熱
Figure 110101720-A0101-12-0003-19
再利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-20
排熱利用部
Figure 110101720-A0101-12-0003-21
有
Figure 110101720-A0101-12-0003-22
Figure 110101720-A0101-12-0003-23
、耐久性‧信頼性
Figure 110101720-A0101-12-0003-24
性能
Figure 110101720-A0101-12-0003-25
優
Figure 110101720-A0101-12-0003-26
、
Figure 110101720-A0101-12-0003-27
効率
Figure 110101720-A0101-12-0003-28
優
Figure 110101720-A0101-12-0003-29
Figure 110101720-A0101-12-0003-30
実現
Figure 110101720-A0101-12-0003-31
。
Figure 110101720-A0101-12-0003-32
、電気化学装置
Figure 110101720-A0101-12-0003-33
排出
Figure 110101720-A0101-12-0003-34
未利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-35
燃料
Figure 110101720-A0101-12-0003-36
燃焼熱
Figure 110101720-A0101-12-0003-37
利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-38
発電
Figure 110101720-A0101-12-0003-39
発電
Figure 110101720-A0101-12-0003-40
組
Figure 110101720-A0101-12-0003-41
合
Figure 110101720-A0101-12-0003-42
効率
Figure 110101720-A0101-12-0003-43
優
Figure 110101720-A0101-12-0003-44
実現
Figure 110101720-A0101-12-0003-45
Figure 110101720-A0101-12-0003-46
。(根據前述的特徵構成，因為具有電化學裝置，與再利用由電化學裝置排出的熱之排熱利用部，所以可以實現耐久性/可信賴性及性能優異，而且能源效率也優異的能源系統。此外，與利用由電化學裝置排出的未利用的燃料氣體之燃燒熱而發電的發電系統組合，也可以實現能源效率優異的混成系統。)」及段落〔0098〕揭示：「
Figure 110101720-A0101-12-0003-47
、排熱利用部
Figure 110101720-A0101-12-0003-48
代
Figure 110101720-A0101-12-0003-49
、電気化学
Figure 110101720-A0101-12-0003-50
M
Figure 110101720-A0101-12-0003-51
(燃焼
Figure 110101720-A0101-12-0003-52
)排出
Figure 110101720-A0101-12-0003-53
反応排
Figure 110101720-A0101-12-0003-54
利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-55
反応排
Figure 110101720-A0101-12-0003-56
利用部
Figure 110101720-A0101-12-0003-57
設
Figure 110101720-A0101-12-0003-58
。反応排
Figure 110101720-A0101-12-0003-59
、電気化学素子E
Figure 110101720-A0101-12-0003-60
反応
Figure 110101720-A0101-12-0003-61
用
Figure 110101720-A0101-12-0003-62
残余
Figure 110101720-A0101-12-0003-63
水素
Figure 110101720-A0101-12-0003-64
含
Figure 110101720-A0101-12-0003-65
。反応排
Figure 110101720-A0101-12-0003-66
利用部
Figure 110101720-A0101-12-0003-67
、残余
Figure 110101720-A0101-12-0003-68
水素
Figure 110101720-A0101-12-0003-69
利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-70
、燃焼
Figure 110101720-A0101-12-0003-71
熱利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-72
、燃料電池等
Figure 110101720-A0101-12-0003-73
発電
Figure 110101720-A0101-12-0003-74
行
Figure 110101720-A0101-12-0003-75
、
Figure 110101720-A0101-12-0003-76
有効利用
Figure 110101720-A0101-12-0003-77
。(又，替代排熱利用部，而設置利用由電化學模組M(不燃燒地)排出的反應廢氣之反應廢氣利用部亦可。反應廢氣，含有在電化學元件E未用於反應的殘餘的氫氣。在反應廢氣利用部，利用殘餘的氫氣，進行根據燃燒之熱利用，或是根據燃料電池等地發電，達成能源的有效利用。)」等內容揭示下，可利用該日本專利前案之固態氧化物型燃料電池中之反應殘餘氫燃料氣體再循環利用，但其整體資源的循環利用效果不彰，並且，以結構複雜及昂貴造價的非傳統 特製燃料電池來換取極小部份及低循環利用效率的殘餘氫燃料氣體再循環利用，並不具有產業利用之經濟價值，反而有畫蛇添足及毫無效益累贅結構佔用燃料電池空間之虞。
再者，又如日本國專利公報特許第5738983號「高温燃料電池
Figure 110101720-A0101-12-0004-78
運転
Figure 110101720-A0101-12-0004-79
方法(操作高溫燃料電池堆之方法)」發明專利案，揭示提供了一種通過向燃料電池施加外部電壓來保護發電系統中的高溫SOFC或MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell，熔融碳酸鹽燃料電池)的陽極免於再氧化的方法，從而將燃料電池的電動勢保持在安全範圍內，同樣地，除了存在上開習知的固態氧化物燃料電池於切斷該碳氫能源或氫能源輸入源頭之時機無法有效掌握而造成發電能源浪費或無預警停電之問題，並且，該燃料電池需透過另外施加外部電壓來保護該燃料電池，而必需再耗費額外的能源，除了無法充分有效利用整個燃料電池之能源外，並需再耗費額外的電力資源及花費，而不具產業利用價值。
再如PCT專利公開號第WO2016000957 A1號「AN EFFICIENT AC-DC ELECTRICAL POWER CONVERTING UNIT CONFIGURATION(有效率的AC-DC電力轉換單元配置)」發明專利公開案，則揭示利用單純的同一種習知固態氧化物電解電池堆疊或同一種習知燃料電池堆疊，以將多餘電力經交流對直流或直流對直流轉換器轉換輸出，但此PCT前案仍然存在著如上述習知固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)於多餘電力狀態下，必需另外轉換電源予以輸送至其他直流負載或儲能器之問題與缺點，並且，該PCT前案之直流對直流或交流對直流電源轉換器之轉換過程中，除了必需耗費更多的設備成本，不符產業利用之經濟效益外，另外，該直流對直流或交流對直流電源轉換過程中，亦會產生能源的減損，而使其整體能源利用效率不彰，並且，該PCT前案之習知固態氧化物電解電池堆疊或同一種習知燃料電池堆疊產生之能源利用亦僅限於電能之多餘利用，因而大幅侷限其產業之利用價值及範疇。
除此之外，再如中華民國專利公報公告號第I559610號「固態氧化物電解電池測試裝置」發明專利案、公告號第I708955號「固態氧化物電解電池測試及產氫裝置」發明專利案、美國發明專利第10,494,728號「A PROCESS FOR PRODUCING CO FROM CO2 IN A SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL(一種於固態氧化物電解電池中，由CO2製備CO之方法)」發明專利及日本國特許公開號：特表2019-507718號「SOEC
Figure 110101720-A0101-12-0005-80
最適化
Figure 110101720-A0101-12-0005-81
一酸化炭素製造方法(藉由SOEC而最佳化的一氧化碳生產方法)」發明專利公開案，則分別揭示典型習知的固態氧化物電解電池生產氫、二氧化碳及一氧化碳的方法，但上述之專利前案均需以額外另加電能來轉換產生如氫、二氧化碳及一氧化碳資源，但這些資源只能作為習知氫氣儲存鋼瓶、二氧化碳儲存鋼瓶及一氧化碳儲存鋼瓶之生產填充，並而僅是單向的氫、二氧化碳及一氧化碳資源生產系統，並無法充分有效利用該SOEC電池的所有資源，使該SOEC電池之產業利用性及應用範疇僅能侷限在狹窄的單一能源生產的範疇，而不符產業利用之經濟效益。
本發明之主要目的在於提供一種燃料電池能源循環利用系統，以消除習知技術及上述各專利前案之固態氧化物燃料電池無法有效控制發電離峰時段之碳氫能源或氫能源輸入源頭切斷時間，導致浪費能源或可能造成無預警停電之問題與缺點，並且，也可以消除上述專利前案中的固態氧化物電解電池產生如單一氫、一氧化碳或二氧化碳單一及單向能源生產而無法再作更加寬廣產業利用之問題及缺點。
緣此，本發明之燃料電池能源循環利用系統，係包括：至少一輸入能源，為含碳氫或氫之能源；至少一第一電池，該第一電池具有至少一能源輸入端、電力輸出端及至少一能源輸出端，該能源輸入端連結該輸入能源，以使該電力輸出端輸出產生電力，以及使該能源輸出端產生熱能及水輸出；至少一第二電池，該第二電池具有至少一電力輸入端、能源輸入端及能源輸出端，該電力輸入端及能源輸入端分別連結該第一電池的電力輸出端與能源輸出端，以分別輸入該第一電池輸出之電力、熱能及水，使該第二電池之能源輸出端輸出至少氫之能源；以及至少一能源循環控制裝置，該能源循環控制裝置連結於該第一電池之能源輸入端、電力輸出端、能源輸出端及第二電池之電力輸入端、能源輸入端及 能源輸出端之間，藉以處理及控制該第二電池之能源輸出端輸出之氫能源回饋至該第一電池之能源輸入端，並且，該能源循環控制裝置並能藉以分別切換控制該第一電池及第二電池為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式。
更進一步地，上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為天然氣源所構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一沼氣源所構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一藍氫(Blue Hydrogen)源所構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一綠氫(Green Hydrogen)源所構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為含碳氫之能源，且連結至少一重組器(reformer)，該重組器並分別設有一第一輸出端及第二輸出端，以藉該重組器將該含碳氫之輸入能源分離為氫及二氧化碳，並分別由該第一輸出端及第二輸出端輸出，該重組器之第一輸出端並連結至少一輸入控制閥，該輸入控制閥一端與連結於該第一電池之能源輸入端之能源循環控制裝置一端相連結，以控制該經由重組器之第一輸出端輸出的氫經能源循環控制裝置、第一電池的能源輸入端而輸入該第一電池與否，以及，該第一電池之其中一能源輸出端輸出二氧化碳，該重組器的第二輸出端連結該第一電池之輸出二氧化碳的能源輸出端，以共同輸出二氧化碳。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池為固態氧化物燃料電池所構成，並且該第一電池於固態氧化物燃料電池工作型式。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之電力輸出端並連結至少一微電網。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之能源輸出端輸出二氧化碳。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之各能源輸出端連結至少一溫室(Green House)，以將該能源輸出端所輸出之水及二氧化碳能源輸入該溫室中供利用。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池為固態氧化物燃料電池所構成，並且，該第二電池於固態氧化物電解電池工作型式。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端連結至少一市電電源。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端連結至少一可再生能源(Renewable Energy)。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端所連結之可再生能源為太陽能板發電電源、風力發電電源、水力發電電源、地熱電源或潮汐發電電源之至少一者所構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之能源輸入端連結至少一儲水槽，該儲水槽設有一控制閥，以控制水輸入該能源輸入端。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之一能源輸出端輸出氧，且該能源輸出端連結至少一溫室，以將該能源輸出端所輸出之氧能源輸入該溫室中供利用。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置係包括：至少一第一流向控制器及第二流向控制器，該第一流向控制器及第二流向控制器分別成對並聯連結於該第一電池之能源輸入端及能源輸出端，以及該第二電池的能源輸入端及能源輸出端間，並且，該第一流向控制器及第二流向控制器之流向控制方向互為相反方向，藉以控制該第一電池之能源輸入端、能源輸出端及第二電池之能源輸入端及能源輸出端之輸入或輸出流向；至少一電力方向控制單元，連結於該第一電池之電力輸出端及第二電池之電力輸入端之間，藉以控制電力之流向為第一電池之電力輸出端與第二電 池之電力輸入端間之電力(電流)流向；以及至少一中央控制單元，分別電性連結該第一流向控制器、第二流向控制器及電力方向控制單元，以控制該第一流向控制器、第二流向控制器及電力方向控制單元之能源輸入或輸出流向、電力流向，進而可分別切換控制該第一電池及第二電池為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之第一流向控制器，係包括至少一第一電磁閥及第一單向止逆閥(non-return valve)串接構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之第二流向控制器，係包括至少一第二電磁閥及第二單向止逆閥串接構成。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之至少一對並聯連結於該第二電池之輸出氫的能源輸出端的第一流向控制器及第二流向控制器之一端連結至少一高壓氫氣儲存槽。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之至少一對並聯連結於該第二電池之輸出氫的能源輸出端的第一流向控制器及第二流向控制器之一端所連結之高壓氫氣儲存槽上設有至少一防爆電磁閥。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之該成對並聯的第一流向控制器及第二流向控制器的開啟或關閉邏輯是互為相反，為邏輯中的互斥或閘(Exclusive-OR gate，簡稱XOR gate)關係。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之中央控制單元連結至少一通信界面，該通信界面透過至少一網際網路連結至一遠端控制中心，以使該遠端控制中心得以進行遠端監視及下達控制命令。
上述本發明之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之中央控制單元所連結之通信界面為有線/無線通訊界面所構成。
本發明之燃料電池能源循環利用系統之功效，係在於藉由該 第一電池、第二電池及該能源循環控制裝置連結，以藉由該能源循環控制裝置控制該第一電池的能源輸入端、電力輸出端及能源輸出端，以及，該第二電池的電力輸入端、能源輸入端及能源輸出端之電力流向與能源輸出或輸入流向，使該第一電池及第二電池形成一者為固態氧化物燃料電池型態，另一者為固態氧化物電解電池型態，而使該固態氧化物燃料電池在發電供電過程中，如遇到離峰時段或遇電力調度需降載時，可以藉由該多餘降載電力與熱能輸出至固態氧化物電解電池中，使該如固態氧化電解電池型態之第二電池的能源輸出端可以輸出如氫、氧等多種能源，並且，可藉由該氫之回饋給該如固態氧化物燃料電池型態的第一電池之能源輸入端或另為儲存備用，使該第一電池的能源輸入端所連結之輸入能源得以大幅節省供應量，並且，此回饋給第一電池使用之氫為綠氫型態，可以更進一步達到節能省碳之效果及提昇固態氧化物燃料電池運轉效率，另外，該第一電池及第二電池可隨著能源市場之電力與氫能源間的價格高、低變化與價值比較，予以由該遠端控制中心控制該能源循環控制裝置切換控制該固態氧化電解電池型態之第一電池或第二電池數量，或固態氧化物電解電池型態之第一電池或第二電池之數量，可以有效及靈活調度發電量與氫能源之產出儲存或賣出，藉以提昇本發明之產業利用經效益及應用範疇。
100:燃料電池能源循環利用系統
10:輸入能源
11:重組器
111:輸入控制閥
20:第一電池
21:能源輸入端
22:電力輸出端
221:電力
23:能源輸出端
231:熱能
24:能源輸出端
241:水
25:能源輸出端
251:二氧化碳
30:第二電池
31:電力輸入端
32:能源輸入端
33:能源輸出端
331:氫
34:能源輸出端
341:氧
32’:能源輸入端
41:第一流向控制器
411:第一電磁閥
412:第一單向止逆閥
42:第二流向控制器
421:第二電磁閥
43:電力方向控制單元
44:中央控制單元
441:通信界面
200:微電網
300:溫室
400:高壓氫氣儲存槽
410:防爆電磁閥
500:市電電源
600:可再生能源
700:儲水槽
710:控制閥
800:網際網路
900:遠端控制中心
422:第二單向止逆閥
40:能源循環控制裝置
11A:第一輸出端
11B:第二輸出端
第一圖為本發明第一實施例之燃料電池能源循環利用系統之方塊圖；
第二圖為本發明之燃料電池能源循環利用系統之能源循環控制裝置的第一流向控制器及第二流向控制器的實施例圖；
第三圖為本發明之燃料電池能源循環利用系統之能源循環控制裝置的電路方塊圖；
第四圖為本發明之燃料電池能源循環利用系統之第二實施例圖；
第五圖為本發明之燃料電池能源循環利用系統之第三實施例圖；
第六圖為第五圖之第三實施例中之能源循環控制裝置的電路方塊圖；
第七圖為本發明之燃料電池能源循環利用系統的較佳應用例圖。
首先請參閱如第一圖所示，為本發明之燃料電池能源循環利用系統100之第一實施，其中，該燃料電池能源循環利用系統100係包括至少一輸入能源10，為含碳氫或氫之能源，例如：天然氣源、沼氣源、藍氫、綠氫所構成，在本發明之第一實施例中係以碳氫之天然氣源為例。
至少一第一電池20，為固態氧化物燃料電池型態，其型式不限，在本發明中係列舉義大利商SolidPower公司之BlueGen系列、美商BLOOM ENERGY公司、德國商BOSCH公司或奧地利商AVL公司之固態氧化物燃料電池發電系統所構成為例，並且，該第一電池20具有至少一能源輸入端21、電力輸出端22及至少一能源輸出端23、24及25，該能源輸入端21連結該輸入能源10，以使該電力輸出端22輸出產生電力221，以及使該能源輸出端23、24及25分別產生熱能231、水241及二氧化碳251輸出，該電力輸出端22並連結至少一微電網200，以提供該電力221給該微電網200。
至少一第二電池30，其型式不限，在本發明之第一實施例中係列舉義大利商SolidPower公司之BlueGen系列、美商BLOOM ENERGY公司、德國商BOSCH公司或奧地利商AVL公司之固態氧化物燃料電池發電系統所構成為例，且該第二電池30係以固態氧化物電解電池工作型態，該第二電池30具有至少一電力輸入端31、能源輸入端32、32’及能源輸出端33及34，該電力輸入端31及能源輸入端32、32’分別連結該第一電池20的電力輸出端22與能源輸出端23、24，以分別輸入該第一電池20輸出之電力221與熱能231、水241，使該第二電池30之能源輸出端33、34輸出氫331、氧341，該能源輸出端33輸出之氫331並回饋(FEED BACK)連結至該第一電池20之能源輸入端21，以使該第一電池20的能源輸入端21可以接收來自第二電池30之能源輸出端33輸出的氫331資源回饋與循環利用，以降低該輸入能源10的輸入氫的佔比及負擔容量。
請再參閱第二圖及第三圖所示，至少一能源循環控制裝置40，其型式不限，在本發明係列舉包含至少一第一流向控制器41、第二流 向控制器42、至少一電力方向控制單元43及至少一中央控制單元44構成為例，其中，該第一流向控制器41及第二流向控制器42分別成對並聯連結於該第一電池20之能源輸入端21及能源輸出端23，以及該第二電池的能源輸入端32及能源輸出端33間，並且，該第一流向控制器41及第二流向控制器42之流向控制方向互為相反方向，而該成對並聯的第一流向控制器41及第二流向控制器42的開啟或關閉邏輯互為相反，亦即如同邏輯中的互斥或閘關係，如一者恆為開啟，則另一者恆為關閉。
上述之第一流向控制器41之型式不限，在本發明中係列舉包含至少一第一電磁閥411及第一單向止逆閥412串接構成為例，以及，上述之第二流向控制器42之型式不限，在本發明中係列舉包含至少一第二電磁閥421及第二單向止逆閥422串接構成為例，上述之第一電磁閥411、第一單向止逆閥412、第二電磁閥421及第二單向止逆閥422均係為防爆型閥件所構成。
該電力方向控制單元43，連結於該第一電池20之電力輸出端22及第二電池30之電力輸入端31之間，藉以控制電力之流向為第一電池20之電力輸出端22與第二電池30之電力輸入端31間之電力(電流)流向。
該中央控制單元44分別電性連結該第一流向控制器41之第一電磁閥411、第二流向控制器42之第二電磁閥421及電力方向控制單元43，以分別控制該第一流向控制器41、第二流向控制器42及電力方向控制單元43之能源輸入或輸出流向、電力流向，進而可切換控制該第一電池20及第二電池30間分別互換為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式，例如：該原先之固態氧化物電解電池工作模式之第二電池30，如經由該中央控制單元44分別控制該原先連結於該電力輸入端31之電力方向控制單元43之電力流向由原先輸入電力(電流)流向改變成輸出電力流向，同時原先連結於該能源輸入端32，且原先為開啟狀態的第一流向控制器41予以關閉，並將原先為關閉狀態之第二流向控制器42予以開啟，以變成輸出流向；原先連結該能源輸出端33之原先為開啟狀態之第二流向控制器42予以關閉，並將原先為關閉狀態的第一流向控制器41予以開啟，以 變成輸入流向，使該輸入能源10之氫能源可以反向輸入至該第二電池30的能源輸出端33，使該第二電池30切換變成如同第一電池20之固態氧化物燃料電池工作之型式，而使該電力輸入端31變成輸出發電電力，而並聯該第一電池20的電力輸出端22輸出電力221供電給該微電網200，同理，該第一電池20亦可由該中央控制單元44依上述之第一流向控制器41、第二流向控制器42、電力方向控制單元43之反向流向及電力流向控制操作，而切換成固態氧化物電解電池工作型式，其詳細之切換與互換工作模式時機及其操作程序，容後陳明。
請再配合第四圖所示，為本發明之燃料電池能源循環利用系統100的第二實施例，其中，顯示該輸入能源10為含碳氫能源之型式，例如：天然氣或沼氣，且該輸入能源10連結至少一重組器11，該重組器11並分別設有一第一輸出端11A及第二輸出端11B，以藉該重組器11將該上述如天然氣或沼氣等含碳氫之輸入能源10分離為氫331及二氧化碳251，並分別由該第一輸出端11A及第二輸出端11B輸出，該重組器11之第一輸出端11A並連結至少一輸入控制閥111，該輸入控制閥111一端與連結於該第一電池20之能源輸入端21之並聯的第一流向控制器41及第二流向控制器42一端相連結，以控制該經由重組器11之第一輸出端11A的氫331經第一流向控制器41、能源輸入端21輸入第一電池10與否，並且，該重組器11的第二輸出端11B連結該第一電池20之能源輸出端25連結，以共同輸出二氧化碳251，此外，該第一電池20之能源輸出端23、24及25、第二電池30之能源輸出端34連結至少一溫室300，以將該能源輸出端23、24及25、重組器11之第二輸出端11B、第二電池30之能源輸出端34所分別輸出之熱能23、水241、二氧化碳251、氧341等多項能源輸入該溫室300中供利用，並且，該能源循環控制裝置40之至少一對並聯連結於該第二電池30之輸出氫331的能源輸出端33的第一流向控制器41及第二流向控制器42之一端連結至少一高壓氫氣儲存槽400，高壓氫氣儲存槽400上設有至少一防爆電磁閥410，以控制該暫存之氫331輸出，該防爆電磁閥410同樣受該能源循環控制裝置40之中央控制單元44連結控制，以在適當時機釋放暫存氫331能源，回饋給如第一電池10之能源輸入端21中，藉以使該氫331能 源得以暫存及回饋循環利用。
請再參閱五圖及第六圖所示，為本發明之燃料電池能源循環利用系統100的第三實施例，其中，顯示該第二電池30之電力輸入端32連結至少一市電電源500及至少一可再生能源600，以在於該輸入能源10之價格較該市電電源500或綠色電源600之電價成本昂貴時，可由該市電電源500或該可再生能源600投入該第二電池30之電力輸入端32，以使該第二電池30之能源輸出端33產生較低成本之藍氫或綠氫之氫331能源，同樣地，當該第一電池10依據上述之能源循環控制裝置40操作控制切換成固態氧化物電解電池工作型式，同樣可以達成上述之使該第一電池20之能源輸入端21產生較低成本之藍氫或綠氫之氫能源之功效，另外，該第二電池30之能源輸入端32’連結至少一儲水槽700，該儲水槽700設有一控制閥710，以控制水241輸入該能源輸入端32’，以在於上述之第一電池20切換為固態氧化物電解電池工作型式時，可由該儲水槽700提供第一電池20及第二電池30所需之水241輸入，以使該第一電池20及第二電池30均可於該固態氧化物電解電池工作型式，以產生綠氫之氫331資源；或者，當第二電池30切換為固態氧化物燃料電池工作型式時，即該第一電池20及第二電池30均為固態氧化物燃料電池工作型式時，該儲水槽700則可提供第一電池20之能源輸出端24及第二電池30之能源輸入端32’輸出之水241可以儲存於該儲水槽700供循環使用，該控制閥710亦可由該該能源循環控制裝置40之中央控制單元44控制，以及，該能源循環控制裝置40之中央控制單元44連結至少一通信界面441(如第六圖所示)，該通信界面441透過至少一網際網路800連結至一遠端控制中心900，以使該遠端控制中心900得以進行遠端監視及下達控制命令，該通信界面441之型式不限，在本發明中係列舉為一有線/無線通訊界面所構成為例，以透過有線或無線方式與該網際網路800連結。
請再參閱第七圖所示，為本發明之燃料電池能源循環利用系統100的較佳應用例，顯示複數個第一電池20及第二電池30的連結應用狀態，其中，顯示該第一電池20之電力輸出端22、第二電池30的電力輸入端31間之電力221，以及該第二電池30之能源輸出端33之氫331能源與 第一電池20的能源輸入端21間的聯結應用示意，其中，本發明中係列舉在此應用例圖的燃料電池能源循環利用系統100前面的二個第一電池20及一個第二電池30的應用情形作為說明實際應用的例子，但並不限於此第一電池20及一個第二電池30數量組合，其中，該第一電池20及一個第二電池30之額定發電或額定耗電容量均為10仟瓦(KW)，並以該每一個第一電池20的運轉效能在60%、第二電池30運轉效能在80%為例，則該第一電池20之電力輸出端22產生23.6度電(仟瓦‧小時，KWH)電力221，則需要輸入1公斤(Kg)的氫331；而該第二電池30之能源輸出端33產生1公斤的氫331，則需要輸入50~55度電力221輸入，因此，當該市場上之電力221價格與氫331之價格相當時，則可採取上開以二個第一電池20加上一個第二電池30來分別皆以100%滿載運轉發電及生產綠氫能能源反饋循環利用；但當該市場上之電力221價格高於該氫331之價格時，則此時透過上述之能源循環控制裝置40之中央控制單元44控制該第二電池30之電力輸入端31之電力方向控制單元43及能源輸出端33上之成對的第一流向控制器41及第二流向控制器42，使該電力輸入端31之電力221流向切換為輸出與能源輸出端33的氫331流向為輸入之狀態，進一步讓該第二電池30切換為固態氧化物燃料電池工作模式，使該第二電池30之能源輸出端33可以反向輸入氫331，而讓該電力輸入端31輸出電力221，而與原先兩個滿載工作於固態氧化物燃料電池工作模式的第一電池20形成並聯發電，一同生產該電力221，而該電力221可以視為綠能電力，可獲得較高的價格，進而增益本發明之產業利用之經濟效益。
此外，當該市場上之氫331之價格高於電力221之價格時，同理，可透過上述之能源循環控制裝置40之中央控制單元44分別控制該二個第一電池20之電力輸出端22之電力方向控制單元43及能源輸入端21上之成對的第一流向控制器41及第二流向控制器42，使該電力輸出端21之電力221流向切換為輸入與能源輸入端21的氫331流向為輸出之狀態，進一步讓該兩個第一電池20切換為固態氧化物電解電池工作模式，使該兩個第一電池20之電力輸出端22輸入電力221，而使該能源輸入端21可以反向輸出氫331，而與原先滿載工作於固態氧化物電解電池工作模式的第二 電池30形成並聯生產氫331，也就是環保的綠氫資源，而該綠氫資源之氫331可以獲得更好的市場價格，易言之，可以進一步提昇本發明之產業利用價值及應用範疇。
上述第七圖所示之本發明之燃料電池能源循環利用系統100的較佳應用例中之能源循環控制裝置40的第一流向控制器41、第二流向控制器42、電力方向控制單元43之控制，均可以透過如第六圖所示之中央控制單元44所連結之遠端控制中心900予以作遠端監視及控制，易言之，可以透過最少的人力及設備成本，來跨區域或跨地域遠端監視與遙控該多個如上述本發明之燃料電池能源循環利用系統100的綠色電力能源分散式發電廠或綠氫生產廠，進一步，本發明之燃料電池能源循環利用系統100也可以應用於如潛水艇之水下電力引擎推進系統、醫院、旅館、辦公大樓之供電或供暖系統、電動車輛之區域充電站或加氫氣站、社區小型分散式發電廠等需要綠色電力及綠氫能源循環利用之應用場合。
除此之外，上述第七圖所示之本發明之燃料電池能源循環利用系統100的較佳應用例中之能源循環控制裝置40，可以由該遠端控制中心900依據如第五圖所示的市電電源500、可再生能源600的季節性發電特性及負載供電需求予以調整控制切換該第一電池20及第二電池30二者處於皆為固態氧化物燃料電池或固態氧化物電解電池之工作型式與數量，例如：在夏季，用戶之電力需求量該市電電源500、可再生能源600不足以應付接近滿載之供電容量需求時，此時電力價格較為昂貴，且高過於輸入能源10之價格，則將由該遠端控制中心900自遠端下達控制命令給該能源循環控制裝置40將大部份數量的第一電池20及第二電池30均控制切換成固態氧化物燃料電池工作型式，全力產生電力221，並將電力賣給如市電電源500所在之電力公司，即將電力221並聯投入該微電網200中供電，如有剩餘電力221供電容量，則依該市電電源500所在之電力公司之電力調度投入鄰近電網，如此可達到本發明之最佳發電經濟效益利用及產業利用價值；另外，當進入冬季時，由於用戶之電力需求量下降，此電力價格較為便宜，低於該輸入能源10之價格，即該如天然氣或氫331之輸入能源10價格高於該電力221價格即該電力221變得較便宜時，此時，則再藉由該遠端控制中心900 自遠端下達控制命令給該能源循環控制裝置40將大部份數量的第一電池20及第二電池30均控制切換成固態氧化物電解電池工作型式，全力產生如氫331的能源，並經由該高壓氫氣儲存槽400加以儲存，並可對外販售以賺取更高的利潤，進一步更可提高本發明於能源循環利用與產業利用之經濟效益。
同理，上述之藉由該遠端控制中心900自遠端下達控制命令給該能源循環控制裝置40將該第一電池20及第二電池30均控制切換成固態氧化物電解電池或固態氧化物電解電池工作型式之方式，也可以適用於該用戶端，如微電網200之用戶，於每天的用電尖峰時間與離峰時間用電的短時間電力221及如氫331之輸入能源10之調度與調節控制，藉此更可精確達到使每日的電力221與如氫331之輸入能源10間之高經濟性能源循環利用控制與調配。
在以上第一圖~第七圖中所示本發明之燃料電池能源循環利用系統100，其中所揭示的相關說明及圖式，係僅為便於闡明本發明的技術內容及技術手段，所揭示較佳實施例之一隅，並不而限制其範疇，並且，舉凡針對本發明之細部結構修飾或元件之等效替代修飾，皆不脫本發明之創作精神及範疇，其範圍將由以下的申請專利範圍來界定之。
100:燃料電池能源循環利用系統
10:輸入能源
20:第一電池
21:能源輸入端
22:電力輸出端
221:電力
23:能源輸出端
231:熱能
24:能源輸出端
241:水
25:能源輸出端
251:二氧化碳
30:第二電池
31:電力輸入端
32:能源輸入端
33:能源輸出端
331:氫
34:能源輸出端
341:氧
32’:能源輸出端
41:第一流向控制器
42:第二流向控制器
43:電力方向控制單元
200:微電網

Claims (24)

  1. 一種燃料電池能源循環利用系統，係包括：
    至少一輸入能源，為含碳氫或氫之能源；
    至少一第一電池，該第一電池具有至少一能源輸入端、電力輸出端及至少一 能源輸出端，該能源輸入端連結該輸入能源，以使該電力輸出端輸出產生電力，以及使該能源輸出端產生熱能及水輸出；
    至少一第二電池，該第二電池具有至少一電力輸入端、能源輸入端及能源輸出端，該電力輸入端及能源輸入端分別連結該第一電池的電力輸出端與能源輸出端，以分別輸入該第一電池輸出之電力、熱能及水，使該第二電池之能源輸出端輸出至少氫之能源；以及
    至少一能源循環控制裝置，該能源循環控制裝置連結於該第一電池之電力輸出端、能源輸出端及第二電池之電力輸入端、能源輸入端及能源輸出端之間，藉以處理及控制該第二電池之能源輸出端輸出之氫能源回饋至該第一電池之能源輸入端，並且，該能源循環控制裝置並能藉以分別切換控制該第一電池及第二電池為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為天然氣源所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一沼氣源所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一藍氫(Blue Hydrogen)源所構成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為一綠氫(Green Hydrogen)源所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該輸入能源為含碳氫之能源，且連結至少一重組器(reformer)，該重組器並分別設有一第一輸出端及第二輸出端，以藉該重組器將該含碳氫之輸入能源分離為氫及二氧化碳，並分別由該第一輸出端及第二輸出端輸出，該 重組器之第一輸出端並連結至少一輸入控制閥，該輸入控制閥一端與連結於該第一電池之能源輸入端之能源循環控制裝置一端相連結，以控制該經由重組器之第一輸出端輸出的氫經能源循環控制裝置、第一電池的能源輸入端而輸入該第一電池與否，以及，該第一電池之其中一能源輸出端輸出二氧化碳，該重組器的第二輸出端連結該第一電池之輸出二氧化碳的能源輸出端，以共同輸出二氧化碳。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池為固態氧化物燃料電池所構成，並且該第一電池於固態氧化物燃料電池工作型式。
  8. 如申請專利範圍1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之電力輸出端並連結至少一微電網。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之能源輸出端輸出二氧化碳。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第一電池之各能源輸出端連結至少一溫室(Green House)，以將該能源輸出端所輸出之熱能、水及二氧化碳能源輸入該溫室。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池為固態氧化物燃料電池所構成，並且，該第二電池於固態氧化物電解電池工作型式。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端連結至少一市電電源。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端連結至少一可再生能源(Renewable Energy)。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之電力輸入端所連結之可再生能源為太陽能板發電電源、風力發電電源、水力發電電源、地熱電源或潮汐發電電源之至少一者所構成。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之能源輸入端連結至少一儲水槽，該儲水槽設有一控制閥，以控制水輸入該第二電池之能源輸入端。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該第二電池之能源輸出端輸出氧，且該能源輸出端連結至少一溫室，以將該能源輸出端所輸出之氧能源輸入該溫室。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置係包括：
    至少一第一流向控制器及第二流向控制器，該第一流向控制器及第二流向控制器分別成對並聯連結於該第一電池之能源輸入端及能源輸出端，以及該第二電池的能源輸入端及能源輸出端間，並且，該第一流向控制器及第二流向控制器之流向控制方向互為相反方向，藉以控制該第一電池之能源輸入端、能源輸出端及第二電池之能源輸入端及能源輸出端之輸入或輸出流向；
    至少一電力方向控制單元，連結於該第一電池之電力輸出端及第二電池之電力輸入端之間，藉以控制電力之流向為第一電池之電力輸出端與第二電池之電力輸入端間之電力流向；以及
    至少一中央控制單元，分別電性連結該第一流向控制器、第二流向控制器及電力方向控制單元，以控制該第一流向控制器、第二流向控制器及電力方向控制單元之能源輸入或輸出流向、電力流向，進而可分別切換控制該第一電池及第二電池為固態氧化物電解電池或固態氧化物燃料電池工作之型式。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之第一流向控制器，係包括至少一第一電磁閥及第一單向止逆閥(non-return valve)串接構成。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之第二流向控制器，係包括至少一第二電磁閥及第二單向止逆閥串接構成。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之至少一對並聯連結於該第二電池之輸出氫的能源輸出端的第一流向控制器及第二流向控制器之一端連結至少一高壓氫氣儲存槽。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之至少一對並聯連結於該第二電池之輸出氫的能源輸出端的第一流向控制器及第二流向控制器之一端所連結之高壓氫氣儲存槽上設有至少一防爆電磁閥。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之該成對並聯的第一流向控制器及第二流向控制器的開啟或關閉邏輯是互為相反，為邏輯中的互斥或閘(Exclusive-OR gate，簡稱XOR gate)關係。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之中央控制單元連結至少一通信界面，該通信界面透過至少一網際網路連結至一遠端控制中心，以使該遠端控制中心得以進行遠端監視及下達控制命令。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之燃料電池能源循環利用系統，其中，該能源循環控制裝置之中央控制單元所連結之通信界面為有線/無線通訊界面所構成。
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