TWI506846B - 緻密型固態氧化物燃料電池發電系統 - Google Patents

緻密型固態氧化物燃料電池發電系統 Download PDF

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Description

緻密型固態氧化物燃料電池發電系統
本發明是有關於一種緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，尤指一種可將燃燒器產生之尾氣熱能進入SOFC電池堆進行加熱，並以燃燒器之熱輻射、熱傳導及陰陽極氣體之熱對流同時對SOFC電池堆進行加熱，使其達到操作溫度時而可輸出電力，進而不需任何電熱裝置，而具有結構簡單、操作靈活、增加系統效率、減少汙染物之排放且設備及操作成本較低之功效者。
按，人類科技的進步固然帶動經濟成長，但大量石化能源之消耗，使得自然環境的復原能力無法負荷，造成公害污染、資源銳減，甚而危及人類世代的永續發展，其中最受世人矚目的就是全球溫室效應日益嚴重，以及石油、天然氣及煤等能源日益枯竭等棘手問題。
未來如何減少二氧化碳等溫室氣體排放，已成為一項艱鉅的課題。因此，欲解決以上所面臨的問題，新能源及相關技術的開發迫在眉睫，環顧現階段各種新型發電技術中，風力發電受環境特性的限制，太陽能光電轉換效率亟待加強，利用海洋潮汐及溫差發電的技術尚未成熟，利用地熱資源發電的資源有限，因此這些技 術均不適於在國內大規模的使用。
而燃料電池因具有低汙染、低噪音、高效率及適用範圍廣諸多優點，近年來已成世界各國爭相研究與推動之對象。燃料電池不像傳統電池一般只能充當電能的儲存單位，也不是如內燃機一般藉由燃料燃燒產生熱而作功，而是利用電化學的原理，將燃料中的化學能轉化為電能並釋放出熱能的裝置。而各種燃料電池中其所使用之燃料主要為氫。固態氧化物燃料電池使用固態物質之電解質，因只涉及固、氣二相間之反應，而無電解質之管理問題，故電極設計較其它燃料電池簡化，而且其操作溫度高之特性，使其能具有高效率之優點，而伴隨產生之優質熱能，可藉由Gas-Turbine而再次發電，因此固態氧化物燃料電池較諸其它之燃料電池是有其優勢存在。
由於氫無法單獨存在於大自然，因此，氫能源發展系統中之產氫工程即顯得相當重要，所產生之氫氣可供各種燃料電池使用，而為了能產生含有豐富氫氣所需之原料，包括甲烷、甲醇、乙醇、天然氣、液化石油氣與汽油等等，可經由高溫重組而產生氫氣，因此，乃藉由一重組器在高溫環境下將燃料重組為富氫氣體，而重組器依其重組方式需要不同之熱能，如以電熱方式供應熱能則電熱設備將使系統更形龐大且更為耗能。因此在燃料電池發電系統中，一般皆以燃燒器回收在電池堆進行電化學反應後之殘餘燃料，進行燃燒反應以提高其高溫尾氣之熱能，並以其熱能供重組器進行燃料重組反應，以提升系統之整體效率。而現階段固態氧化物燃料電池之操作溫度大都在800℃以上，因此，其陰陽極所需之入口溫度均需在700℃以上，而陽極氣體經燃料重組後其溫 度皆已達700℃以上符合需求，而陰極空氣則需藉由數個熱交換器方能將空氣由常溫加熱至700℃以上。
而固態氧化物燃料電池發電系統由於其電池堆牽涉到金屬與陶瓷之接合，故其在升溫過程中稍有不慎即可能因為升溫速度過快或陰陽極氣體入口溫差太大而造成電池堆之毀損，故一般習用之固態氧化物燃料電池發電系統皆以電熱方式，進行系統之升溫及陰陽極氣體入口再加熱，但此又會造成系統結構更為龐大、複雜、昂貴及熱散失大等問題。
然，由於固態氧化物燃料電池發電系統乃利用富氫氣體進行電化學反應以產生電能，而未進行電化學反應之殘餘燃料將導入燃燒器進行燃燒反應，以提升尾氣之熱能，並以其熱能供重組器進行燃料重組反應，以提升系統之整體效率。然而，一般而言，重組器之操作溫度皆在700℃以上，而燃燒器與重組器如為獨立之設計，燃燒器勢必以管線與重組器連接，而在高溫之下其保溫工程為一不易克服之難題，因此為克服熱散失，燃燒器之操作溫度有時需達1000℃以上，方能提供足夠之能量供重組器進行燃料重組。如此，不僅系統之熱散失大，無法提升系統效率，且燃燒器長期在極高溫度下之操作，使其燒毀機率增加，更增加系統運作之風險。而SOFC所需之陰極空氣則需藉由數個熱交換器方能將空氣由常溫加熱至700℃以上。因此，如固態氧化物燃料電池發電系統所需之燃燒器、重組器與熱交換器如未能進行整合，則銜接管線將更為複雜，不僅施工不易且系統將無法緻密簡潔，致系統將顯繁雜龐大，更使系統無法降低其熱散失以提升其整體效率。因此，應用於固態氧化物燃料電池發電系統之燃燒器、重組器與熱 交換器，如為一整合式設計，不僅能降低系統之熱散失，以提升系統效率，且更能降低燃燒器之操作溫度，減少其燒毀機率以降低系統運作之風險。
應用於固態氧化物燃料電池發電系統之燃燒器、重組器與熱交換器整合式之設計，應同時具備良好之熱能管理、燃燒室能避免氫氣回火及具備一駐焰機構，使燃料處於貧油區時，火焰不易熄火使系統依然能正常運作。
而固態氧化物燃料電池發電系統由於其電池堆牽涉到金屬與陶瓷之接合，故其在升溫過程中稍有不慎即可能因為升溫速度過快或陰陽極氣體入口溫差太大而造成電池堆之毀損，故一般習用之固態氧化物燃料電池發電系統皆以電熱方式，進行系統之升溫及陰陽極氣體入口再加熱，但此又會造成系統結構更為龐大、複雜、昂貴及熱散失大等問題。專利WO 2013/114776 A1雖然將燃燒器、重組器與熱交換器進行一整合式之設計，然而由於其陰陽極氣體進入電池堆並無一緩衝裝置及陰陽極氣體溫度熱交換之功能，因此有可能因為升溫速度過快或陰陽極氣體入口溫差太大而造成電池堆之毀損。而本發明專利則除了將將燃燒器、重組器與熱交換器進行一整合式之設計，且在其陰陽極氣體進入電池堆之前再設計一氣流分配盤，其功能不僅有效分配進入電池堆陰陽極之氣流，且能緩衝陰陽極氣體進入電池堆之溫度及進行陰陽極氣體之熱交換，以避免在進行系統升溫時因溫升速度過快或陰陽極氣體入口溫差太大而造成電池堆之毀損。
為解決習用之種種缺失，本案之發明人特潛心研究，開發出一種「緻密型固態氧化物燃料電池發電系統」，以有效改善習用之缺 點。
本發明之主要目的係在於，可將燃燒器產生之尾氣熱能進入SOFC電池堆進行加熱，並以燃燒器之熱輻射、熱傳導及陰陽極氣體之熱對流同時對SOFC電池堆進行加熱，使其達到操作溫度時而可輸出電力，進而不需任何電熱裝置，而具有結構簡單、操作靈活、增加系統效率、減少汙染物之排放且設備及操作成本較低之功效。
為達上述之目的，本發明係一種緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其包含有：一具有燃燒器、點火器、重組器、陰極空氣預熱器及陰極熱空氣出口單元之熱工元件整合裝置；一與重組器、陰極空氣預熱器及陰極熱空氣出口單元連通之氣流分配單元；一與氣流分配單元連通之SOFC電池堆；一與燃燒器連通之熱能回收熱交換器；以及一包覆熱工元件整合裝置、氣流分配盤及SOFC電池堆之絕熱保溫爐。
於本發明之一實施例中，該燃燒器係包含，有其一燃料噴注機構、一與燃料噴注機構連通之天然氣(Natural Gas,N.G.)入口一與N.G.入口連通之燃料電池陽極殘餘燃料入口、一與燃料噴注機構連通之氧化劑入口、一設於燃料噴注機構之上之多孔性介質體、一連通多孔性介質體之燃燒後高溫尾氣出口、一設於多孔性介質體上方之高溫尾氣導流板、一設於燃料噴注機構外緣之高溫尾氣導引通道、一設於燃料噴注機構外緣之高溫尾氣導流葉片、一與高溫尾氣導流葉片連通之高溫尾氣出口。
於本發明之一實施例中，該點火器係包含有一N.G.及空氣入口。
於本發明之一實施例中，該重組器係包含有一進行燃料重組之燃料入口、一用於預熱之燃料預熱管、一進行燃料分配之燃料分配環、一進行燃料分配擴散之燃料分配擴散板、一進行燃料重組之燃料重組器、一燃料重組器出口、一重組氣體出口、一SOFC陽極氣體出口及一SOFC陽極氣體管線出口。
於本發明之一實施例中，該陰極空氣預熱器係包含有一陰極空氣入口、數個空氣導流板及陰極空氣預熱後出口。
於本發明之一實施例中，該陰極熱空氣出口單元係包含有一陰極熱空氣入口、數個陰極熱空氣導流板及陰極熱空氣降溫後出口。
於本發明之一實施例中，該氣流分配單元係由多數氣流分配盤層疊而成，而各氣流分配盤係分別包含有一氣流分配盤陽極氣體入口、一陽極氣體入口導流道、一陽極氣體入口導流孔、一陽極氣體入口分配渠道、二電池堆陽極氣體入口、一電池堆陽極氣體出口、一陽極氣體出口導流孔、一陽極氣體出口導流道、一氣流分配盤陽極氣體出口、一氣流分配盤陰極氣體入口、一陰極氣體入口導流道、一陰極氣體入口導流孔、一陰極氣體分配渠道、二電池堆陰極氣體入口、一電池堆陰極氣體出口、一陰極氣體出口導流道、一陰極氣體出口導流孔及一氣流分配盤陰極氣體出口。
於本發明之一實施例中，該絕熱保溫爐為低熱傳導係數之保溫材料製成。
10‧‧‧熱工元件整合裝置
100‧‧‧燃燒器
101‧‧‧N.G.入口
101a‧‧‧燃料電池陽極殘餘燃料入口
102‧‧‧氧化劑入口
102a‧‧‧燃料電池陰極殘餘空氣入口
103‧‧‧燃料噴注機構
103a‧‧‧燃料噴注口
104‧‧‧多孔性介質體
105‧‧‧燃燒後高溫尾氣出口
106‧‧‧高溫尾氣導流板
107‧‧‧高溫尾氣導引通道
108‧‧‧高溫尾氣導流葉片
109‧‧‧高溫尾氣出口
200‧‧‧點火器
201‧‧‧點火器N.G.及空氣入口
300‧‧‧重組器
301‧‧‧燃料入口
302‧‧‧燃料預熱管
303‧‧‧燃料分配環
303a‧‧‧燃料分配環出口
304‧‧‧燃料分配擴散板
304a‧‧‧燃料分配擴散孔
305‧‧‧燃料重組器
306‧‧‧燃料重組器出口
307‧‧‧重組氣體出口
308‧‧‧SOFC陽極氣體出口
309‧‧‧SOFC陽極氣體管線出口
400‧‧‧陰極空氣預熱器
401‧‧‧陰極新鮮空氣入口
402‧‧‧空氣導流板
403‧‧‧陰極空氣預熱後出口
500‧‧‧陰極熱空氣出口單元
501‧‧‧陰極熱空氣入口
502‧‧‧陰極熱空氣導流板
503‧‧‧陰極熱空氣降溫後出口
60‧‧‧氣流分配單元
600‧‧‧氣流分配盤
601a‧‧‧氣流分配盤陽極氣體入口
601b‧‧‧陽極氣體入口導流道
601c‧‧‧陽極氣體入口導流孔
601d‧‧‧陽極氣體入口分配渠道
601e‧‧‧電池堆陽極氣體入口
601f‧‧‧電池堆陽極氣體出口
601g‧‧‧陽極氣體出口導流孔
601h‧‧‧陽極氣體出口導流道
601i‧‧‧氣流分配盤陽極氣體出口
602a‧‧‧氣流分配盤陰極氣體入口
602b‧‧‧陰極氣體入口導流道
602c‧‧‧陰極氣體入口導流孔
602d‧‧‧陰極氣體分配渠道
602e‧‧‧電池堆陰極氣體入口
602f‧‧‧電池堆陰極氣體出口
602g‧‧‧陰極氣體出口導流道
602h‧‧‧陰極氣體出口導流孔
602i‧‧‧氣流分配盤陰極氣體出口
700‧‧‧SOFC電池堆
800‧‧‧熱能回收熱交換器
900‧‧‧絕熱保溫爐
第1圖，係本發明之基本架構示意圖。
第2圖，係本發明熱工元件整合裝置之示意圖。
第3圖，係本發明之燃料噴注機構示意圖。
第4圖，係本發明之燃料分配環示意圖。
第5圖，係本發明之燃料分配擴散板示意圖。
第6圖，係本發明之氣流分配單元示意圖。
第7圖，係本發明氣流分配單元之展開狀態示意圖。
請參閱『第1圖~第7圖』所示，係分別為本發明之基本架構示意圖、本發明熱工元件整合裝置之示意圖、本發明之燃料噴注機構示意圖、本發明之燃料分配環示意圖、本發明之燃料分配擴散板示意圖、本發明之氣流分配單元示意圖及本發明氣流分配單元之展開狀態示意圖。如圖所示：本發明係一種緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其包含有一熱工元件整合裝置10、一氣流分配單元60、一SOFC電池堆700、一熱能回收熱交換器800以及一絕熱保溫爐900所構成，可產生富氫之重組氣體並加熱陰極之空氣，再分別進入氣流分配單元60進行氣流之分配及陰陽極氣體溫度之熱交換，然後再進入SOFC電池堆700之陰陽極，並進行電化學反應以產生電能，最後，尾氣之出口可由熱能回收熱交換器800以回收其熱能，以充分利用SOFC電池堆700之餘熱，而發電系統為低熱傳導係數製作之絕熱保溫爐900所包覆，以降低系統之熱散失提升系統之整體效率(如第1圖所示)。
上述所提之熱工元件整合裝置10(如第1及第2圖所示)，其包含有一燃燒器100、一啟動燃燒器100之點火器200、一包覆於燃燒器100外側之重組器300、一包覆於重組器300外側之陰極空氣 預熱器400、及一包覆於陰極空氣預熱器400外側之陰極熱空氣出口單元500；其中該燃燒器100係包含，有其一燃料噴注機構103、一與燃料噴注機構103連通之天然氣(Natural Gas,N.G.)入口101、一與N.G.入口101連通之燃料電池陽極殘餘燃料入口101a、一與燃料噴注機構103連通之氧化劑入口102、一設於燃料噴注機構103之上之多孔性介質體104、一連通多孔性介質體104之燃燒後高溫尾氣出口105、一設於高溫尾氣出口105後之高溫尾氣導流板106、一設於燃料噴注機構103外緣之高溫尾氣導引通道107、一設於燃料噴注機構103外緣之高溫尾氣導流葉片108、一與高溫尾氣導流葉片108連通之高溫尾氣出口109，而該燃料噴注機構103(如第3圖所示)燃料經由燃料噴注口103a，噴注燃料在多孔性介質體104，與來自來自氧化劑入口102或陰極殘餘空氣入口102a之空氣進行燃燒反應；該點火器200係包含有一N.G.及空氣入口201；該重組器300係包含有一進行燃料重組之燃料入口301、一用於預熱之燃料預熱管302、一進行燃料分配之燃料分配環303、一進行燃料分配擴散之燃料分配擴散板304、一進行燃料重組之燃料重組器305、數個燃料重組器出口306、一重組氣體出口307、一SOFC陽極氣體出口308及一SOFC陽極氣體管線出口309，該燃料分配環303(如第2及第4圖所示)燃料經由預熱後經由燃料分配環出口303a進行燃料分配，使燃料能平均分配進入燃料分配擴散板304，而燃料分配擴散板304(如第2及第5圖所示)燃料經由燃料分配環出口303a進行燃料分配，使燃料能平均分配進入燃料分配擴散板304後，再經由擴散孔304a進入燃料重組器305進行燃料重組反應；該陰極空氣預熱器400係包含有一陰極空氣入口401、數個空氣導流板402及陰極空氣預熱後出口403；而 該陰極熱空氣出口單元500係包含有一陰極熱空氣入口501、數個陰極熱空氣導流板502及陰極熱空氣降溫後出口503。然該熱工元件整合裝置10將燃燒器100、重組器300、陰極空氣預熱器400及陰極熱空氣出口單元500整合為一單一元件，燃燒器100為於最內層，第二層為重組器300，第三層為陰極空氣預熱器400，最外層則為陰極熱空氣出口單元500，而由於各組件間無管線銜接，因此，更易於與SOFC電池堆700組裝成固態氧化物燃料電池發電系統，且能使系統更為緻密簡潔，有效減少系統體積進而降低系統熱散失以提升系統之整體效率，而重組器300將燃燒器100包覆其內，同時吸收燃燒器100燃燒後產生之高溫氣流、及燃燒器100之傳導與輻射之熱能，不僅可降低表面溫度，且重組器300與燃燒器100之間無管線連接，因此能有效降低熱散失，同時可降低燃燒器之操作溫度以降低系統運作時之風險，而該陰極空氣預熱器400則用以加熱SOFC電池堆700陰極端所需之空氣，新鮮空氣進入陰極空氣預熱器400時，可同時吸收來自燃燒器100高溫尾氣及陰極出口之高溫熱空氣之熱能，以預熱至SOFC電池堆700陰極所需之入口溫度；然後，再與陽極之富氫氣體在SOFC電池堆700內進行電化學反應，陰極空氣在SOFC電池堆700內將再吸收熱能進而使溫度再提升，然後，再進入陰極熱空氣出口單元500，並提供部份熱能供陰極空氣預熱器400以預熱新鮮空氣，並達降溫之目的；然後，降溫後之陰極出口空氣再進入燃燒器100內，與來自陽極之殘餘燃料在多孔性介質體104進行燃燒反應，由於該熱工元件整合裝置10之燃燒器100為一非預混型設計之多孔性介質燃燒器，不僅能避免氫氣回火，且當燃料處於貧油區時，火焰亦不易熄火，使系統能穩定的運作。
該氣流分配單元60(如第6及第7圖所示)，係與重組器300、陰極空氣預熱器400及陰極熱空氣出口單元500連通，其中該氣流分配單元60係由多數氣流分配盤600層疊而成，而各氣流分配盤600係分別包含有一氣流分配盤陽極氣體入口601a、一陽極氣體入口導流道601b、一陽極氣體入口導流孔601c、一陽極氣體入口分配渠道601d、二電池堆陽極氣體入口601e、一電池堆陽極氣體出口601f、一陽極氣體出口導流孔601g、一陽極氣體出口導流道601h、一氣流分配盤陽極氣體出口601i、一氣流分配盤陰極氣體入口602a、一陰極氣體入口導流道602b、一陰極氣體入口導流孔602c、一陰極氣體分配渠道602d、二電池堆陰極氣體入口602e、一電池堆陰極氣體出口602f、一陰極氣體出口導流道602g、一陰極氣體出口導流孔602h及一氣流分配盤陰極氣體出口602i。而氣流分配單元60不僅減少氣流進出之歧管，有效分配進入SOFC電池堆700陰陽極之氣流，且能緩衝陰陽極氣體進入SOFC電池堆700之溫度及進行陰陽極氣體之熱交換，以避免在進行系統升溫時因溫升速度過快或陰陽極氣體入口溫差太大而造成SOFC電池堆700之毀損。
該SOFC電池堆700，係與氣流分配單元60連通，而該SOFC電池堆700則使陽極之重組氣體及陰極之空氣在此進行電化學反應而產生電能並釋放出熱能
該熱能回收熱交換器800係與燃燒器100連通，可回收尾氣熱能之熱交換器則用以回收系統尾氣之熱能，以提升系統之整體效率。
該絕熱保溫爐900係包覆熱工元件整合裝置10、氣流分配單元60及SOFC電池堆700，而該絕熱保溫爐900為低熱傳導係數之保溫材 料製成，可包覆SOFC發電系統以減少系統之熱散失以提升系統之整體效率。
本發明之實施方式分為二階段，第一階段為系統升溫過程，其目的為以陽極稀釋氣體及陰極空氣之高溫氣流進行系統升溫，使SOFC電池堆700達到可輸出最大電力之環境溫度。第二階段為將陽極之稀釋氣體轉換至富氫之重組氣體並進行電力拉載過程。
首先以點火裝置200進行燃燒器之點火，再通N.G.以進入N.G.入口101，再經由燃料噴注機構103，與來自氧化劑入口102之空氣在多孔性介質體104進行混合燃燒，使燃燒器之燃燒區域發生在多孔性介質體104，經由燃燒後產生之高溫尾氣首先經由高溫尾氣之出口105，再進入高溫尾氣之導流板106，在此區域以提供熱能供燃料重組器305之稀釋氣體進行加溫；然後，高溫尾氣再經由高溫尾氣導引通道107，以穿越燃料分配擴散區之燃料分配擴散板304及燃料分配環303，再進入燃料預熱區之高溫尾氣導流葉片108，以提供熱能供稀釋氣體進行預熱，高溫尾氣最後可再經由高溫尾氣出口109排至熱能回收熱交換器800以吸收其餘熱，使燃燒後之燃氣能充分利用其熱能。而在稀釋氣體進入燃燒重組器進行升溫時，首先，稀釋氣體(通常為H2及N2)經由燃料入口301進入燃料預熱管302，以吸收高溫尾氣之熱能進行稀釋氣體之預熱，然後，再進入燃料分配環303，使稀釋氣體能均勻由燃料分配環噴出，然後，再經由燃料分配擴散板304進行稀釋氣體均勻擴散，然後，稀釋氣體再進入燃料重組器305，稀釋氣體在此吸收高溫尾氣之大量熱能，以提升其溫度；最後，高溫之稀釋氣體經由燃料重組器出口306及重組氣體出口307，然後進入電池堆之 陽極，依序為進入氣流分配盤600之陽極氣體入口601a，陽極氣體入口導流道601b、陽極氣體入口導流孔601c、陽極氣體入口分配渠道601d、電池堆陽極氣體入口601e、電池堆陽極氣體出口601f、陽極氣體出口導流孔601g、陽極氣體出口導流道601h及氣流分配盤陽極氣體出口601i，此時陽極稀釋氣體只進行電池堆之加熱並未進行電化學反應，然後稀釋氣體再經SOFC電池堆700陽極氣體出口308進入陰極空氣預熱器400，再經SOFC電池堆700陽極氣體管線出口309，導回至陽極殘餘燃料入口101a，經由燃料噴注機構103進入燃燒器進行燃燒反應，此時，需經由N.G.入口101添加適當之N.G.以維持燃燒器多孔性介質之溫度。
而SOFC電池堆700陰極端所需之空氣，首先經由陰極新鮮空氣入口401，進入陰極空氣預熱器400，再經由空氣導流板402，逐步吸收來自燃燒器高溫尾氣之熱能，以提升其溫度；然後，高溫之陰極空氣再經由陰極空氣預熱後出口403，然後進入電池堆之陰極，依序為進入氣流分配盤600之氣流分配盤陰極氣體入口602a、陰極氣體入口導流道602b、陰極氣體入口導流孔602c、陰極氣體分配渠道602d、電池堆陰極氣體入口602e、電池堆陰極氣體出口602f、陰極氣體出口導流道602g、陰極氣體出口導流孔602h及氣流分配盤陰極氣體出口602i，此時陰極氣體只進行電池堆之加熱，然後，再經由陰極熱空氣入口501，進入陰極熱空氣出口單元500，並經由陰極熱空氣導流板502導流後接出口503，與燃料電池陰極殘餘空氣入口102a銜接，再進入燃燒器內，與來自陽極之稀釋氣體在多孔性介質燃燒單元進行燃燒反應，此時，需經由氧化劑入口102添加適度之空氣以控制燃燒器多孔性介質體之溫 度。
在以陽極稀釋氣體及陰極空氣之高溫氣流，進行系統升溫且使SOFC電池堆700達到可輸出電力之環境溫度時，即進入第二階段將陽極之稀釋氣體逐漸轉換至富氫之重組氣體。其轉換過程乃將陽極之稀釋氣體逐漸減少，而富氫之重組氣體逐步增加之方式進行之，至陽極之稀釋氣體完全由富氫之重組氣體取代後，即可進行SOFC電池堆700之電力拉載。而轉換過程得以冷卻空氣或添加燃料之方式來控制進入SOFC電池堆700陰陽極氣體之溫度，以維持SOFC電池堆700之環境溫度。
富氫之重組氣體之產生乃藉由燃料進入熱工元件整合裝置10之重組器300以進行燃料重組反應而得。
首先，燃料(通常為N.G.、空氣及水，依欲重組燃料及重組方法而變)經由燃料入口301進入燃料預熱管302，以吸收高溫尾氣之熱能進行燃料預熱，然後，再進入燃料分配環303，使燃料能均勻由燃料分配環噴出，然後，再經由燃料分配擴散板304進行燃料均勻擴散，然後，燃料再進入燃料重組器305，燃料在此經由觸媒吸收高溫尾氣之大量熱能，以進行燃料重組反應而產生富氫氣體；最後，產生之重組氣體經由燃料重組器出口306及重組氣體出口307，然後進入SOFC電池堆700之陽極，依序為進入氣流分配盤600之陽極氣體入口601a、陽極氣體入口導流道601b、陽極氣體入口導流孔601c、陽極氣體入口分配渠道601d、電池堆陽極氣體入口601e、電池堆陽極氣體出口601f、陽極氣體出口導流孔601g、陽極氣體出口導流道601h及氣流分配盤陽極氣體出口601i，在此過程中富氫之重組氣體與陰極之氧化劑進行電化學反應並 產生電能，而未反應之殘餘富氫氣體再經SOFC電池堆700陽極氣體出口308進入陰極空氣預熱器400，以提供部份熱能供陰極空氣預熱，然後，再經SOFC陽極氣體管線出口309，導回至陽極殘餘燃料入口101a，經由燃料噴注機構103進入燃燒器100進行燃燒反應，而在陽極由稀釋氣體逐漸轉換至富氫之重組氣體之過程，陰極空氣無需進行任何改變。
綜上所述，本發明緻密型固態氧化物燃料電池發電系統可有效改善習用之種種缺點，可將燃燒器產生之尾氣熱能進入SOFC電池堆進行加熱，並以燃燒器之熱輻射、熱傳導及陰陽極氣體之熱對流同時對SOFC電池堆進行加熱，使其達到操作溫度時而可輸出電力，進而不需任何電熱裝置，而具有結構簡單、操作靈活、增加系統效率、減少汙染物之排放且設備及操作成本較低之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，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。
10‧‧‧熱工元件整合裝置
100‧‧‧燃燒器
200‧‧‧點火器
300‧‧‧重組器
400‧‧‧陰極空氣預熱器
500‧‧‧陰極熱空氣出口單元
60‧‧‧氣流分配單元
700‧‧‧SOFC電池堆
800‧‧‧熱能回收熱交換器
900‧‧‧絕熱保溫爐

Claims (8)

  1. 一種緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，包括有：一熱工元件整合裝置，其包含有一燃燒器、一啟動燃燒器之點火器、一包覆於燃燒器外側之重組器、一包覆於重組器外側之陰極空氣預熱器、及一包覆於陰極空氣預熱器外側之陰極熱空氣出口單元；一氣流分配單元，係與重組器、陰極空氣預熱器及陰極熱空氣出口單元連通；一SOFC電池堆，係與氣流分配單元連通；一熱能回收熱交換器，係與燃燒器連通；以及一絕熱保溫爐，係包覆熱工元件整合裝置、氣流分配盤及SOFC電池堆。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其中，該燃燒器係包含，有其一燃料噴注機構、一與燃料噴注機構連通之天然氣(Natural Gas,N.G.)入口、一與N.G.入口連通之燃料電池陽極殘餘燃料入口、一與燃料噴注機構連通之氧化劑入口、一設於燃料噴注機構之上之多孔性介質體、一連通多孔性介質體之燃燒後高溫尾氣出口、一設於多孔性介質體上方之高溫尾氣導流板、一設於燃料噴注機構外緣之高溫尾氣導引通道、一設於燃料噴注機構外緣之高溫尾氣導流葉片、一與高溫尾氣導流葉片連通之高溫尾氣出口。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系 統，其中，該點火器係包含有一天然氣(Natural Gas,N.G.)及空氣入口。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其中，該重組器係包含有一進行燃料重組之燃料入口、一用於預熱之燃料預熱管、一進行燃料分配之燃料分配環、一進行燃料分配擴散之燃料分配擴散板、一進行燃料重組之燃料重組器、一燃料重組器出口、一重組氣體出口、一SOFC陽極氣體出口及一SOFC陽極氣體管線出口。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其中，該陰極空氣預熱器係包含有一陰極空氣入口、數個空氣導流板及陰極空氣預熱後出口。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其中，該陰極熱空氣出口單元係包含有一陰極熱空氣入口、數個陰極熱空氣導流板及陰極熱空氣降溫後出口。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系統，其中，該氣流分配單元係由多數氣流分配盤層疊而成，而各氣流分配盤係分別包含有一氣流分配盤陽極氣體入口、一陽極氣體入口導流道、一陽極氣體入口導流孔、一陽極氣體入口分配渠道、二電池堆陽極氣體入口、一電池堆陽極氣體出口、一陽極氣體出口導流孔、一陽極氣體出口導流道、一氣流分配盤陽極氣體出口、一氣流分配盤陰極氣體入口、一陰極氣體入口導流道、一陰極氣體入口導流孔、一陰極氣體分配渠道、二電池堆陰極氣體入口、一電池堆陰極氣體出口、一陰極氣體出口導流道、一陰極氣體出口導流孔及一氣流分配盤陰極氣體出口。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之緻密型固態氧化物燃料電池發電系 統，其中，該絕熱保溫爐為低熱傳導係數之保溫材料製成。
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