台湾专利TW201315008A 應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器

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专利摘要:
一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其係由一天然氣入口、一燃料電池陽極殘餘燃料入口、一氧化劑入口、一燃料噴注機構、一多孔性介質燃燒器、一高溫尾氣排放口、數個高溫尾氣導流板、一高溫尾氣導引通道、一高溫尾氣導流葉片、一高溫尾氣出口、一點火裝置、一燃料入口、一燃料預熱管、一燃料分配環、一燃料分配擴散板、數個燃料重組器、數個燃料重組器出口及一重組氣體出口所構成。本發明之特點為重組器將燃燒器包覆其內，同時吸收燃燒器燃燒後產生之高溫氣流、及燃燒器之傳導與輻射之熱能，不僅可降低表面溫度且重組器與燃燒器之間無管線連接，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。而本發明之燃燒器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，使系統能穩定地運作。
公开号:TW201315008A
申请号:TW100134070
申请日:2011-09-22
公开日:2013-04-01
发明作者:Wen-Tang Hong；Cheng-Nan Huang；Yu-Ching Tsai；Hsueh-I Tan；Shih-Kun Lo；Ming-Dar Lin；Chen-Po Lai；Yung-Neng Cheng；Ruey-Yi Lee
申请人:Atomic Energy Council；
IPC主号:B01J8-00

专利说明:
應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器
本發明係有關於一種燃燒重組器，尤指涉及一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器。
人類科技之進步固然帶動經濟成長，但大量石化能源之消耗，使得自然環境之復原能力無法負荷，造成公害污染、資源銳減，甚而危及人類世代之永續發展，其中最受世人矚目的即為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。因此未來如何減少二氧化碳等溫室氣體排放，已成為一項艱鉅之課題。
據此，欲解決以上所面臨之問題，新能源及相關技術之開發已迫在眉睫，環顧現階段各種新型發電技術，其中，風力發電受環境特性之限制，太陽能光電轉換效率亟待加強，利用海洋潮汐及溫差發電之技術尚未成熟，以及利用地熱資源發電之資源有限等；因此，該些技術均不適於在國內大規模之使用。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之儲存單位，也不是如內燃機一般藉由燃料燃燒產生熱而作功，而係利用電化學之原理，將燃料中之化學能轉化為電能並釋放出熱能之裝置。而各種燃料電池中其所使用之燃料主要為氫。
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，其所產生之氫氣可供各種燃料電池使用。舉凡甲烷、甲醇、乙醇、天然氣、液化石油氣與汽油等等，皆為能產生含有豐富氫氣所需之原料，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。
由於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800℃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，亦使其燒毀機率提升，更增加系統運作之風險。因此，如欲應用於燃料電池發電系統之燃燒器與重組器，應為一整合式設計，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。
燃燒器與重組器整合式之設計應同時具備良好之熱能管理，且燃燒室應能避免氫氣回火，同時更需具備一駐焰機構，可當燃料處於貧油區時，能讓火焰不易熄火而使系統依然能正常運作。依美國專利US 7,156,886 B2號所述，雖為一燃燒器與重組器整合式之設計，然而其設計乃係將燃燒器與重組器直接堆疊而成，其燃燒器位於重組器之下方，以其燃燒後之尾氣提供熱能供重組器進行燃料重組，惟其燃燒器及重組器之熱散失依然極大，以熱能管理之角度視之，尚有一很大改善之空間。另外，依美國專利US 2010/0136378 A1號所述，其燃燒室雖能避免氫氣回火，然而由於該燃燒室缺少一駐焰機構，當燃料處於貧油區時，則容易使火焰熄火進而導致系統無法運作。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低之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器。
本發明之次要目的係在於，提供一種能避免氫氣回火，且當燃料處於貧油區時，火焰亦不易熄火，使系統能穩定運作之燃燒重組器。
為達以上之目的，本發明係一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其至少係由一天然氣入口、一燃料電池陽極殘餘燃料入口、一氧化劑入口、一燃料噴注機構、一多孔性介質燃燒器、一高溫尾氣排放口、數個高溫尾氣導流板、一高溫尾氣導引通道、一高溫尾氣導流葉片、一高溫尾氣出口、一點火裝置、一燃料入口、一燃料預熱管、一燃料分配環、一燃料分配擴散板、數個燃料重組器、數個燃料重組器出口及一重組氣體出口所構成。
經由燃燒重組器產生富氫氣體可直接供固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)進行電化學反應以產生電能，或經去除一氧化碳及降溫後可供質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)進行電化學反應以產生電能。
請參閱『第1圖～第4圖』所示，係分別本發明之組件剖視示意圖、本發明燃料噴注機構之結構示意圖、本發明燃料分配環之結構示意圖及本發明應用於燃料電池發電系統之使用態樣示意圖。如圖所示：本發明係一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其至少係由一天然氣入口101、一燃料電池陽極殘餘燃料入口1011、一氧化劑入口102、一燃料噴注機構103、一多孔性介質燃燒器104、一高溫尾氣排放口105、數個高溫尾氣導流板106、一高溫尾氣導引通道107、一高溫尾氣導流葉片108、一高溫尾氣出口109、一點火裝置201、一燃料入口301、一燃料預熱管302、一燃料分配環303、一燃料分配擴散板304、數個燃料重組器305、數個燃料重組器出口306及一重組氣體出口307所構成。
上述所提之天然氣入口101係用以引導一天然氣進入。
上述所提之燃料電池陽極殘餘燃料入口1011係與該天然氣入口101連通，用以引導一未反應之殘餘富氫氣體進入。
上述所提之氧化劑入口102係用以引導一氧化劑進入，提供可燃燒天然氣或燃料之含氧氣體。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。
上述所提之燃料噴注機構103，如第2圖所示，係設置於一燃燒區腔體100內，與該天然氣入口101及該燃料電池陽極殘餘燃料入口1011連接，該燃料噴注機構103係由一燃料管口1031、複數個燃料噴注管分支1032、及位於各燃料噴注管分支1032上之燃料噴注孔1033構成，用以引導天然氣或燃料透過該燃料管口1031進入，並將該天然氣或該燃料經由各燃料噴注孔1033進行直接噴注，將燃料噴注在該多孔性介質燃燒器104，與來自該氧化劑入口102之空氣進行燃燒反應。
上述所提之多孔性介質燃燒器104係設置於該燃燒區腔體100內，並位於該燃料噴注機構103之上，用以將經由該氧化劑入口102流入之氧化劑，與經由該燃料噴注機構103注入之燃料進行混合燃燒。
上述所提之高溫尾氣排放口105係銜接於該燃燒區腔體100上端，用以將燃燒後產生之高溫尾氣進行排放。
上述所提之高溫尾氣導流板106係環設於該高溫尾氣排放口105及該燃燒區腔體100之外圍，用以導引自該高溫尾氣排放口105排放之高溫尾氣，俾以提供熱能供該燃料重組器305之觸媒進行燃料重組反應。
上述所提之高溫尾氣導引通道107係貫穿一承載板3051，用以提供自該些高溫尾氣導流板106導引之高溫尾氣經由該承載板3051穿越該燃料分配擴散板304並避開該燃料分配環303。
上述所提之高溫尾氣導流葉片108係環設於該燃燒區腔體100外圍，且位於該燃料分配環303之下，為一燃料預熱區，係將經由該高溫尾氣導引通道107進入之高溫尾氣，用以提供熱能供燃料進行預熱。
上述所提之高溫尾氣出口109係用以提供該高溫尾氣經由該燃料預熱區排出並加以收集。
上述所提之點火裝置201係設置於該多孔性介質燃燒器104之上，用以點火爆發提供燃燒重組器啟動時之點火能量。
上述所提之燃料入口301係用以引導一欲進行燃料重組之燃料進入。其中，該燃料係可為天然氣、空氣及水，可依欲重組燃料及重組方法而變。
上述所提之燃料預熱管302係環設於該燃燒區腔體100外圍，用以吸收高溫尾氣之熱能進行燃料預熱。
上述所提之燃料分配環303，如第3圖所示，係環設於該燃燒區腔體100外圍，且位於該燃料預熱管302之上，具有數個燃料分配孔3031，用以將經由預熱後之燃料能均勻由該些燃料分配孔3031噴出進行燃料分配，使燃料能平均分配進入該燃料分配擴散板304後再進入該燃料重組器305進行燃料重組反應。
上述所提之燃料分配擴散板304係環設於該燃燒區腔體100外圍，且位於該燃料分配環303之上，具有數個燃料分配擴散孔3041，用以將經由噴出後之燃料能均勻由該些燃料分配擴散孔3041進行燃料均勻擴散。其中，該燃料分配環303與該燃料分配擴散板304係構成一燃料分配擴散區。
上述所提之燃料重組器305係環設於該燃燒區腔體100外圍，且位於該燃料分配擴散板304之上，並承接在該承載板3051上，用以進行燃料重組反應而產生富氫氣體。
上述所提之燃料重組器出口306係設置於每一燃料重組器305之上端，用以將重組產生之富氫氣體輸出。
上述所提之重組氣體出口307係設置於該些燃料重組器出口306之上端，用以將該富氫氣體導出至一燃料電池堆，俾以進行電化學反應並產生電能。
當進行產氫運用時，本發明一較佳實施例係先以該點火裝置201進行燃燒重組器之點火，再通入天然氣經由該燃料噴注機構103及空氣經由該氧化劑入口102在該多孔性介質燃燒器104進行混合燃燒，使燃燒重組器之燃燒區域發生在該多孔性介質燃燒器104。經由燃燒後產生之高溫尾氣首先經由該高溫尾氣排放口105，再進入該高溫尾氣導流板106，在此區域以提供熱能供該燃料重組器305之觸媒進行燃料重組反應；然後，高溫尾氣再經由該高溫尾氣導引通道107，以穿越該燃料分配擴散區之燃料分配擴散板304及燃料分配環303，再進入該燃料預熱區之高溫尾氣導流葉片108，以提供熱能供燃料進行預熱，高溫尾氣最後可再經由該高溫尾氣出口109排至一熱交換器401(如第4圖所示)以吸收其餘熱，使燃燒後之燃氣能充分利用其熱能。而在燃料進入燃燒重組器進行燃料重組反應時，首先，燃料經由該燃料入口301進入該燃料預熱管302，以吸收高溫尾氣之熱能進行燃料預熱，然後，再進入該燃料分配環303，使燃料能均勻由該燃料分配環303噴出，繼之，再經由該燃料分配擴散板304進行燃料均勻擴散，接著，燃料再進入該燃料重組器305，使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該重組氣體出口307進入一燃料電池堆501，以進行電化學反應並產生電能，而未反應之殘餘富氫氣體再導回至該陽極殘餘燃料入口1011，經由該燃料噴注機構103進入燃燒重組器進行燃燒反應，同時，原本經由該天然氣入口101添加之天然氣可逐漸減少，至最後系統穩定運作時，則可不用添加任何天然氣。
如第4圖所示，經由燃燒重組器產生富氫氣體可直接供固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)進行電化學反應以產生電能，或經去除一氧化碳及降溫後可供質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)進行電化學反應以產生電能。而經由燃料電池進行電化學反應後之殘餘燃料，可再導入燃燒重組器之燃料噴注單元進行燃料之回收再利用，以增加系統效率及減少汙染物之排放。藉此，本發明具有結構簡單、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低，明顯具有較大規模經濟優勢等優點。
請參閱『第5圖』所示，係本發明進行實驗測試時之溫度分佈示意圖。如圖所示：燃燒區之溫度分佈非常均勻，其溫度梯度僅在30℃以內，可証實本發明之實用性。
本發明之特點為重組器係將燃燒器包覆其內，同時吸收燃燒器燃燒後產生之高溫氣流、及燃燒器之傳導與輻射之熱能，不僅可降低表面溫度且重組器與燃燒器之間無管線連接，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。而本發明之燃燒器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，使系統能穩定地運作。
綜上所述，本發明係一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，可有效改善習用之種種缺點，係具有結構簡單、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低，明顯具有較大規模經濟優勢等優點，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。
100．．．燃燒區腔體
101．．．天然氣入口
1011．．．燃料電池陽極殘餘燃料入口
102．．．氧化劑入口
103．．．燃料噴注機構
1031．．．燃料管口
1032．．．燃料噴注管分支
1033．．．燃料噴注孔
104．．．多孔性介質燃燒器
105．．．高溫尾氣排放口
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
201．．．點火裝置
301．．．燃料入口
302．．．燃料預熱管
303．．．燃料分配環
3031．．．燃料分配孔
304．．．燃料分配擴散板
3041．．．燃料分配擴散孔
305．．．燃料重組器
3051．．．承載板
306．．．燃料重組器出口
307．．．重組氣體出口
401．．．熱交換器
501．．．燃料電池堆
第1圖，係本發明之組件剖視示意圖。
第2圖，係本發明燃料噴注機構之結構示意圖。
第3圖，係本發明燃料分配環之結構示意圖。
第4圖，係本發明應用於燃料電池發電系統之使用態樣示意圖。
第5圖，係本發明進行實驗測試時之溫度分佈示意圖。
100．．．燃燒區腔體
101．．．天然氣入口
1011．．．燃料電池陽極殘餘燃料入口
102．．．氧化劑入口
103．．．燃料噴注機構
104．．．多孔性介質燃燒器
105．．．高溫尾氣排放口
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
201．．．點火裝置
301．．．燃料入口
302．．．燃料預熱管
303．．．燃料分配環
304．．．燃料分配擴散板
3041．．．燃料分配擴散孔
305．．．燃料重組器
3051．．．承載板
306．．．燃料重組器出口
307．．．重組氣體出口

权利要求:
Claims (6)
[1] 一種應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，係包括：一天然氣入口，係用以引導一天然氣進入；一燃料電池陽極殘餘燃料入口，其與該天然氣入口連通，用以引導一未反應之殘餘富氫氣體進入；一氧化劑入口，係用以引導一氧化劑進入，提供可燃燒天然氣或燃料之含氧氣體；一燃料噴注機構，係設置於一燃燒區腔體內，與該天然氣入口及該燃料電池陽極殘餘燃料入口連接，該燃料噴注機構係由一燃料管口、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，用以引導天然氣或燃料透過該燃料管口進入，並將該天然氣或該燃料經由各燃料噴注孔進行直接噴注；一多孔性介質燃燒器，係設置於該燃燒區腔體內，並位於該燃料噴注機構之上，用以將經由該氧化劑入口流入之氧化劑，與經由該燃料噴注機構注入之燃料進行混合燃燒；一燃料入口，係用以引導一欲進行燃料重組之燃料進入；一燃料預熱管，係環設於該燃燒區腔體外圍，用以吸收高溫尾氣之熱能進行燃料預熱；一燃料分配環，係環設於該燃燒區腔體外圍，且位於該燃料預熱管之上，具有數個燃料分配孔，用以將經由預熱後之燃料能均勻由該些燃料分配孔噴出進行燃料均勻分配；一燃料分配擴散板，係環設於該燃燒區腔體外圍，且位於該燃料分配環之上，具有數個燃料分配擴散孔，用以將經由噴出後之燃料能均勻由該些燃料分配擴散孔進行燃料均勻擴散；數個燃料重組器，係環設於該燃燒區腔體外圍，且位於該燃料分配擴散板之上，並承接在一承載板上，用以進行燃料重組反應而產生富氫氣體；一點火裝置，係設置於該多孔性介質燃燒器之上，用以點火爆發提供燃燒重組器啟動時之點火能量；一高溫尾氣排放口，係銜接於該燃燒區腔體上端，用以將燃燒後產生之高溫尾氣進行排放；數個高溫尾氣導流板，係環設於該高溫尾氣排放口及該燃燒區腔體之外圍，用以導引自該高溫尾氣排放口排放之高溫尾氣，俾以提供熱能供該燃料重組器之觸媒進行燃料重組反應；一高溫尾氣導引通道，係貫穿該承載板，用以提供自該些高溫尾氣導流板導引之高溫尾氣由該承載板穿越該燃料分配擴散板並避開該燃料分配環；一高溫尾氣導流葉片，係環設於該燃燒區腔體外圍，且位於該燃料分配環之下，為一燃料預熱區，係將經由該高溫尾氣導引通道進入之高溫尾氣，用以提供熱能供燃料進行預熱；一高溫尾氣出口，係用以提供該高溫尾氣經由該燃料預熱區排出並加以收集；數個燃料重組器出口，係設置於每一燃料重組器之上端，用以將重組產生之富氫氣體輸出；以及一重組氣體出口，係設置於該些燃料重組器出口之上端，用以將該富氫氣體導出至一燃料電池堆，俾以進行電化學反應並產生電能。
[2] 依申請專利範圍第1項所述之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其中，該燃料分配環與該燃料分配擴散板係構成一燃料分配擴散區。
[3] 依申請專利範圍第1項所述之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其中，該高溫尾氣出口係可連接一熱交換器收集該高溫尾氣。
[4] 依申請專利範圍第1項所述之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，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。
[5] 依申請專利範圍第1項所述之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其中，該燃料為經重組可供產生氫氣之燃料，可依使用者欲重組燃料及重組方式而調整者。
[6] 依申請專利範圍第5項所述之應用於燃料電池發電系統之燃燒重組器，其中，該燃料係可為天然氣、空氣及水。

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引用文献:

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优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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