[发明专利]一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆

说明书

本发明公开了一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆，本发明电池堆架构设计，可以降低高温运作过程的能量损失，提升系统整体空间利用率与能量转换率。具体包括内置型燃料气体重组器的设计、阳极端柱型架构设计、嵌合电池单元的空间设计、阴阳极电化学气体的导入与排出设计、柱型架构上集电网的安装设计，以及电流传输、电池堆串联方式与排列设计。

技术领域

本发明涉及新能源装置工程领域，具体涉及一种纽扣型燃料电池集成燃料重组器之SOFC电池堆。

背景技术

燃料电池发展至今已有约120年的历史，算是相当成熟的能源科技技术。公元1899年，对电化学、热力学、固态化学及光化学有所贡献的德国化学家Nernst 最早提出了固态氧化物燃料电池的概念。随后发展至1960年代，燃料电池克服材料限制，并研发出可产品化的电池系统之后，又再历经30年，直到1991年，德国西门子公司就已发展出SOFC产品雏型。此后燃料电池发展速度逐渐加快。2010年，美国Bloom Energy的ES-5000即为全球商用化的首款产品，并获得多家知名企业采用，在市场上引发广泛的注意，使得SOFC技术成为市场的焦点。2011年日本家用热电共生型燃料电池(Ene-Farm)的SOFC机型相应而生，同时将该机型纳入补助范围之中，让SOFC走入小型定置型的燃料电池市场。韩国政府由于提出再生能源占比条例（Renewable Portfolio Standard; RPS），规定发电量大于500MW的电力公司从2012年起必须至少有2%的电力来自于再生能源，到2022年将增加至10%。因此，许多用电大户以及民营电厂除了采用高发电效率的MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) 熔融碳酸盐燃料电池以外，也开始采购发电效率急起直追的SOFC机型。2014年，日本与欧盟更大幅提升对于燃料电池的补助。METI (Ministry of Economy, Trade and Industry) 日本经产省于此时推出氢能与燃料电池战略地图，2015年NEDO (The New Energy and IndustrialTechnology Development Organization) 新能源产业技术综合开发机构进而推出氢能白皮书之后，2016年正式以「氢能社会」作为整体规划与愿景。

一般SOFC电池单元为平板式，以双极板串联成电池堆，如图9所示。平板式SOFC电池单元尺寸一般为方形10 cm x 10 cm x 400 μm。其中，方形的热应力耐受度较圆形差，若用于交通工具上，必须能承受多次升温降温的过程，因此圆形纽扣电池应较具优势。双极板上需刻画气体流道，增加零组件的制造成本；此外还需要电镀一层薄阴极层才能较稳定将电池与双极板接合；每组双极板与电池单元的组合都要进行一层一层的气密胶封装，制程工艺门槛高。电池堆中的电池单元为串联组装，因此其中若有一片毁损，则整组电池堆都无法运作；此外，图9为700瓦功率电池堆，体积约4536 cm³，依比例换算成1 kW与本发明设计对比，推估体积约6480 cm³，与本案设计之最小体积5200 cm³相近，所以本创新架构设计可以让电池堆具备更高机械强度、更好的效能输出，且不会造成电堆体积大幅上升。

一般SOFC系统重组器是独立单元，若要变更SOFC的系统规模，重组器就要一并调整，如图10所示。而本创新架构将燃料重组器与电池堆整合成一个装置，变更SOFC的系统规模，只是提高电池堆的数量，不用再额外考虑重组器的转换效能。此外，燃料气体在进入重组器进行转换的同时，也将气体预热成SOFC运转所需温度，降低气体进入电池电极造成温度落差，影响运作效能。此外，重组气也需要一定温度才能发挥催化转化效果，整合后，SOFC的反应热省去热交换装置，直接利用热源，提高总体能量利用率。

发明内容