TWI658639B - 燃料電池系統的模組化設備 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池系統的模組化設備包括啟動燃燒器、重組器、後燃器以及熱交換器。啟動燃燒器、重組器、後燃器與熱交換器均設置於一腔體內。重組器環繞啟動燃燒器，後燃器則位於啟動燃燒器上方並環繞重組器。熱交換器則環繞所述後燃器與所述重組器。

Description

燃料電池系統的模組化設備

本發明是有關於一種燃料電池（Fuel cell）技術，且特別是有關於一種燃料電池系統的模組化設備。

燃料電池是繼水力、火力、核能發電技術後的第四類新型發電技術，主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。最常見的燃料為氫，其他燃料來源來自於任何的能分解出氫氣的碳氫化合物，例如天然氣、醇和甲烷等。由於不受卡諾迴圈的限制，燃料電池的理論效率達80 %以上，實際效率可達50%~60 %。

固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一種利用固態陶瓷材料做為電解質的燃料電池技術。整個系統的運轉溫度介在800℃~1000℃之間，屬於高溫型燃料電池，因此具有很好的燃料選擇的靈活性，可選擇的燃料包括甲烷、天然氣、城市煤氣、生物質、柴油以及其它碳氫化合物。當碳氫化合物燃料送入系統時，會先對其進料進行重組處理，產生氫氣、一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣的重整混合氣，其中的氫氣與陰極側的氧氣發生電化學反應產生電能。因此具有高效率、適用燃料多樣化與不需使用貴金屬做催化劑等優點，同時運轉時的高溫也可應用於增加發電效率或熱源供應，具有極高的餘熱價值。

然而，由於固態氧化物燃料電池系統運轉溫度極高，在高溫環境條件下需倚賴電子式氣體加熱器來供應，但加熱器屬於高耗能裝置，因此以此種方式來提供電池運轉熱源會降低系統效率。其次，因固態氧化物燃料電池系統複雜，組件間連接許多管路，容易造成管路的熱損降低系統效率。再者，系統運轉時產生的高溫餘熱若無有效再利用，會平白增加耗能而不利於環保。

本發明提供一種燃料電池系統的模組化設備，可使設備內部溫度分佈均勻，並能有效控制重組器與熱交換器之熱源，進而確保電堆(stack)溫度，可減少電堆熱循環(Thermal cycle)次數，達到系統簡化、安全、穩定與高效率之功效。

本發明的燃料電池系統的模組化設備係設於腔體內，所述燃料電池系統的模組化設備包括啟動燃燒器、重組器、後燃器以及熱交換器。啟動燃燒器、重組器、後燃器與熱交換器均設置於腔體內。重組器環繞啟動燃燒器，後燃器則設置於啟動燃燒器上方並環繞重組器。至於熱交換器則環繞所述後燃器與所述重組器。

基於上述，本發明藉由模組化設計，使啟動燃燒器、重組器、後燃器與熱交換器均設置於單一腔體內，因此無需使用高耗能的組件與裝置，即可達到降低熱損失、有效利用高溫餘熱與即時控溫等功效。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本發明，但是本發明仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。

圖1是依照本發明的一實施例的一種燃料電池系統的模組化設備的示意圖。

請參照圖1，本實施例的燃料電池系統的模組化設備係設於腔體100內，所述燃料電池系統的模組化設備包括啟動燃燒器102、重組器104、後燃器106以及熱交換器108，且於圖1所示的所有組件皆為示意圖，其詳細構造將於下文記載。上述啟動燃燒器102、重組器104、後燃器106與熱交換器108均設置於單一腔體100內，且重組器104環繞啟動燃燒器102，而後燃器106是位於啟動燃燒器102之上並環繞重組器104。也就是說，後燃器106是環繞著重組器104的上部，用以提供熱交換與蒸氣產生之預熱。至於熱交換器108則環繞後燃器106與重組器104，且於圖1中是以數個圓代表盤管式結構的剖面。

在圖1中，啟動燃燒器102為內小外大之圓錐狀結構，但本發明並不限於此，啟動燃燒器102也可為直筒狀結構。由於燃燒時需送入燃料與空氣，因此在啟動燃燒器102底部可設有內外管形式的輸入管路，如送入燃料的內管102a與送入空氣的外管102b。圍繞啟動燃燒器102的重組器104是用來提供電堆110陽極所需之反應燃料(如氫氣)，所以會有供給燃料的管路104a與供給室溫水的管路104b，而經由重組器104的重組氣可由重組氣排放管104c輸出。後燃器106的作用是回收電堆110陽極與陰極高溫尾氣混合後再燃燒產生熱源，提供重組器104的熱量來源，所以後燃器106是環繞著重組器104，且有與電堆110陽極與陰極高溫尾氣相連的管路106a。至於熱交換器108則是盤管式結構，沿腔體100的內圍環繞，且熱交換器108具有冷空氣進入口108a以及熱空氣輸出口108b，以便利用啟動燃燒器102或後燃器106所產生之高溫熱氣，使冷空氣轉變為熱空氣，輸出供電堆110陰極作為反應燃料。

以下將針對燃料電池系統的模組化設備內部的各個組件作詳細描述，但本發明並不限於此。

圖2是依照本發明的實施例的一種啟動燃燒器的立體示意圖。

請參照圖2，啟動燃燒器102為系統常溫啟動時，用以提供重組器（未繪示）與熱交換器（未繪示）之預熱熱量來源。啟動燃燒器102可包括燃燒室200、第一燃料輸入管202、第一空氣輸入管204以及第一尾氣排放管206。第一空氣輸入管204設於燃燒室200的底部，第一燃料輸入管202位於第一空氣輸入管204內，且第一尾氣排放管206設於燃燒室200的上部。

在本實施例中，啟動燃燒器102還可包括氣體分散蓋208，裝設在第一空氣輸入管204的尾部，主要提供氣體可均勻向四周分散之功能。因此，當空氣經由第一空氣輸入管204送入燃燒室200時會通過氣體分散蓋208，導致空氣之進氣方向垂直或接近垂直於第一燃料輸入管202的延伸方向，進氣後空氣會沿圓錐狀結構的燃燒室200內壁環繞前進向上，因此會形成一道渦旋導引氣流，將前述分散後之燃料一同引導至燃燒室200進行燃燒反應，而使用過之高溫氣體最後則經由第一尾氣排放管206集中排放。由於燃燒室200舉例為內小外大之圓錐狀結構，因此能增加流體運動進而提升熱傳效能。此外，可藉由調控燃料與空氣之進料比例，依據使用需求來調整燃燒後供給的熱量。

圖3是依照本發明的實施例的一種重組器的立體示意圖。

請參照圖3，重組器104包括蒸氣產生室300、水輸入管302、重組器燃料混合室304、蒸氣輸入管306、重組氣混合室308、重組室310、第二燃料輸入管312以及重組氣排放管314，其中數個重組室310連接重組器燃料混合室304與重組氣混合室308。重組室310結構可為底盤狀多直管式(或單螺旋管式)，各重組室310內填充有重組觸媒，能藉由啟動燃燒器（圖2）或後燃器（未繪示）所產生之熱量，經由管壁熱傳給內部流動之燃料與高溫蒸氣，而進行重組反應產生富氫重組氣。

至於蒸氣產生室300是設置於啟動燃燒器（圖2）上方與重組氣混合室308下方，水輸入管302則自底部延伸連結至蒸氣產生室300，且水輸入管302的結構還可選擇為底盤狀多直管式(或單螺旋管式)，使啟動燃燒器（圖2）或後燃器（未繪示）所產生之熱量，經由水輸入管302管壁熱傳給內部流動之室溫水進行預熱與蒸氣的產生。至於重組器燃料混合室304是類似環狀的腔室，以便圍繞啟動燃燒器（圖2）的底部。為達到更佳之預熱與蒸氣產生效果，蒸氣產生室300例如圓槽狀結構，功能為混合預熱水，因此室溫水經由水輸入管302流入蒸氣產生室300後，會產生蒸氣並經由蒸氣輸入管306流入重組器燃料混合室304，而與連接重組器燃料混合室304的第二燃料輸入管312送入的燃料互相混合，用以供應燃料與高溫蒸氣至上述重組室310。最後，重組室310內產生之重組氣將匯流至重組氣混合區308(例如圓槽狀結構)，並統一集中至重組氣排放管314流出至電堆陽極側入口（未繪示）。

圖4A是依照本發明的實施例的一種後燃器的立體示意圖。

請參照圖4A，後燃器106是用以回收電堆陽極與陰極（未繪示）高溫尾氣混合再燃燒產生熱源，提供作為重組器104(含蒸氣產生器)與熱交換器（未繪示）之高溫段區間之熱量來源。後燃器106包括混合燃燒室400、燃料分散室402、第三燃料輸入管404、第二空氣輸入管406以及第二尾氣排放管408。燃料分散室402設置於混合燃燒室400內並具有多個燃料輸出孔410，使得高溫燃料（如電堆陽極與陰極的高溫尾氣）沿第三燃料輸入管404進入燃料分散室402(如一環狀結構)的頂面後，從設置於環狀結構的四周之燃料輸出孔410均勻向四周分散，以提升燃燒效率。第二空氣輸入管406連接混合燃燒室400的側面。第二尾氣排放管408連接至混合燃燒室400的底面。

在本實施例中，後燃器106還可包括調節燃料輸入管412，與第三燃料輸入管404相連通。而且，為達到後燃器106具有溫度調節之功能，調節燃料輸入管412可與用來輸入調節用空氣的第二空氣輸入管406設置於燃料分散室402之對向側，藉由這兩個流路之進料配比，調整空燃比達到熱量調整之目的。

當空氣如俯視圖4B所示，由混合燃燒室400側邊的第二空氣輸入管406導入，會沿混合燃燒室400的內壁環繞前進，形成一道渦旋導引氣流，引導沿第三燃料輸入管404進入燃料分散室402而經分散後之高溫燃料414進入混合燃燒室400進行燃燒反應產生高溫熱量，提供其他組件預熱。

在一實施例中，上述圖4A的後燃器106之第二尾氣排放管408可與上述圖2之啟動燃燒器102的第一尾氣排放管206相連通，用以集中排放尾氣。

圖5是依照本發明的實施例的一種熱交換器的立體示意圖。

請參照圖5，熱交換器108是用以利用啟動燃燒器（圖2）或後燃器（圖4A）所產生之高溫熱氣，藉由管材作為熱傳導介質，形成如同熱交換器功能，提供作為蒸氣產生或空氣預熱之用途。因此熱交換器108可為盤管式結構，以環繞後燃器（圖4A）與啟動燃燒器（圖2）以外的重組器（圖3），熱交換器108具有冷空氣進入口108a以及熱空氣輸出口108b。冷空氣進入口108a可設於腔體（圖1的100）的底部、熱空氣輸出口108b可設於腔體（圖1的100）的頂部。

以下列舉實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。

表1為本發明與習知設備所進行之模擬比較，結果顯示如下。

表1

溫度(°C)	重組器出口	熱交換器	後燃器出口
熱空氣輸出口
習知設備	686	533	756
本發明	985	820	1006
熱損失降低率	43%	35%	33%

從表1可得到本發明的設計不受環境與外接管路之影響，故明顯降低熱損失，有效利用高溫廢熱提供系統之燃料電池的周邊組件(BOP)熱源。

〈模擬實驗例〉

模擬一個高度為40 cm、半徑為10 cm的圓柱空間，並且模擬一個如圖2的啟動燃燒器，其高度為35 cm、底部圓柱高5 cm、直徑為4 cm、圓錐角度為10度。

〈模擬比較例〉

模擬如模擬實驗例的圓柱空間，並且模擬一個圓柱型的啟動燃燒器，其高度為35 cm、半徑為5 cm。

將啟動燃燒器與重組器間之熱流場域簡化為上述模擬的圓柱空間，熱能通過外壁面與重組器進行熱交換。熱傳優化評估指標：提高場域之平均溫度。

結果模擬實驗例得到圓錐狀結構的啟動燃燒器比模擬比較例的圓柱型結構還提高6.05%的場域之平均溫度，且那塞特數(Nusselt number)提高7.83%，具有優異的熱傳效果。

綜上所述，本發明整合重組器、啟動燃燒器、後燃器與熱交換器於同一腔體內，此結構設計具有啟動燃燒器以及後燃器，所以可使腔體內部溫度分佈均勻，並可藉由分開的空氣輸入管控制空燃比，以調整設備內之溫度。而且本發明無需使用高耗能的組件與裝置，即可達到降低熱損失、有效利用高溫餘熱與即時控溫等功效，因此能達到系統簡化、安全、穩定與高效率之目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧腔體

102‧‧‧啟動燃燒器

102a‧‧‧內管

102b‧‧‧外管

104‧‧‧重組器

104a、104b、106a‧‧‧管路

104c‧‧‧重組氣排放管

106‧‧‧後燃器

108‧‧‧熱交換器

108a‧‧‧冷空氣進入口

108b‧‧‧熱空氣輸出口

110‧‧‧電堆

200‧‧‧燃燒室

202‧‧‧第一燃料輸入管

204‧‧‧第一空氣輸入管

206‧‧‧第一尾氣排放管

208‧‧‧氣體分散蓋

300‧‧‧蒸氣產生室

302‧‧‧水輸入管

304‧‧‧重組器燃料混合室

306‧‧‧蒸氣輸入管

308‧‧‧重組氣混合室

310‧‧‧重組室

312‧‧‧第二燃料輸入管

314‧‧‧重組氣排放管

400‧‧‧混合燃燒室

402‧‧‧燃料分散室

404‧‧‧第三燃料輸入管

406‧‧‧第二空氣輸入管

408‧‧‧第二尾氣排放管

410‧‧‧燃料輸出孔

412‧‧‧調節燃料輸入管

414‧‧‧高溫燃料

圖1是依照本發明的一實施例的一種燃料電池系統的模組化設備的示意圖。 圖2是依照本發明的實施例的一種啟動燃燒器的立體示意圖。 圖3是依照本發明的實施例的一種重組器的立體示意圖。 圖4A是依照本發明的實施例的一種後燃器的立體示意圖。 圖4B是圖4A之後燃器中的燃料分散室的俯視圖。 圖5是依照本發明的實施例的一種熱交換器的立體示意圖。

Claims (9)

1. 一種燃料電池系統的模組化設備，包括：啟動燃燒器，包括：燃燒室；第一空氣輸入管，設置於該燃燒室的底部；第一燃料輸入管，設置於該第一空氣輸入管內；第一尾氣排放管，設置於該燃燒室的上部；以及一氣體分散蓋，裝設在該第一空氣輸入管的尾部，使空氣之進氣方向垂直或接近垂直於該第一燃料輸入管的延伸方向；重組器，環繞該啟動燃燒器；後燃器，設置於該啟動燃燒器上方並環繞該重組器；以及熱交換器，環繞該後燃器與該重組器，其中該啟動燃燒器、該重組器、該後燃器與該熱交換器均設置於一腔體內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該燃燒室為圓錐狀結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該重組器包括：蒸氣產生室，設置於該啟動燃燒器上方；水輸入管，自該啟動燃燒器的底部延伸連結至該蒸氣產生室；重組器燃料混合室，圍繞於該啟動燃燒器的該底部；蒸氣輸入管，連接該蒸氣產生室與該重組器燃料混合室；重組氣混合室，設置於該蒸氣產生室上方；至少一重組室，連接該重組器燃料混合室與該重組氣混合室，且於該至少一重組室內具有觸媒；第二燃料輸入管，連接該重組器燃料混合室；以及重組氣排放管，連接該重組氣混合室。
4. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該後燃器包括：混合燃燒室；燃料分散室，設置於該混合燃燒室內並具有多數個燃料輸出孔；第三燃料輸入管，連接該燃料分散室的頂面；第二空氣輸入管，連接該混合燃燒室的側面；以及第二尾氣排放管，連接至該混合燃燒室的底面。
5. 如申請專利範圍第4項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該燃料分散室為環狀結構，且該些燃料輸出孔設置於該環狀結構的四周。
6. 如申請專利範圍第4項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該後燃器更包括調節燃料輸入管，與該第三燃料輸入管相連通。
7. 如申請專利範圍第4項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該第二尾氣排放管與該第一尾氣排放管相連通。
8. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該熱交換器為盤管式結構，沿該腔體的內圍環繞，且該熱交換器具有冷空氣進入口以及熱空氣輸出口。
9. 如申請專利範圍第8項所述的燃料電池系統的模組化設備，其中該冷空氣進入口設於該腔體的底部，且該熱空氣輸出口設於該腔體的頂部。