依據京都議定書對二氧化碳減量的要求以及高價能源時代的來臨，迫 使世界各國開始著眼於再生能源的利用以加速二氧化碳的循環，達到二氧 化碳減量的目的；再者，能源轉換及保存供高效率的能源運用亦獲得重 視，以解決新能源尚未完全開發前，地球未來可能面臨的能源短缺問題。
結合氣化技術、氣渦輪引擎與觸媒燃燒技術運用於分散式發電系統，可供 煤、生質能燃料、低級化石燃料與石化廢棄物（廢棄物能源再利用）等高 效率、低污染的燃燒以進行氣渦輪發電，為潔淨以及多方能源開發利用提 供了一個可行的方案。此種分散式發電系統可適用於一般家庭、小型工廠 與大型超市，降低集中式能源電力供應的風險，兼容並蓄地考量環保、能 源效率問題。
一般而言，固態及液態燃料直接進行燃燒相較於氣態燃料燃燒具有 高度污染與整體效率的低落的缺點，已漸不為接受，新的燃燒概念主張將 燃料先行氣化再燃燒以提高整體效率並降低污染。氣化技術的發展已經有 一段時間，且已有成功的商業運轉實績。以目前存量最大、碳循環再生周 期最短以及石化廢棄物再生等固態燃料，如煤、生質能燃料、低級（固體 與液體）化石燃料與廢塑膠裂解等燃料之氣化而言，由於其氣化產氣（氣 化合成氣）主要產物為H2、CO、CO2、CH4、N2、H2S 以及少量的不純物，
包括焦油、氮氧化物以及氯化氫等等，氣化合成氣中含有大量的高度污染 物，如氮氧化物、硫化物、塵粒等，直接燃燒將會造成高度污染，需要於 氣化過程中進行除硫、除塵等淨化程序，以獲得潔淨之氣態燃料；絕大部 分的氣化合成氣具有較多的惰性氣體與水氣成分，熱值偏低易導致燃燒不 穩定而不利於傳統燃燒器上的操作，需要藉由駐焰器產生迴流區以穩駐火
焰，或以觸媒燃燒的方式，藉由觸媒表面氧化反應加速化學反應速率來穩 駐低熱值燃燒，其中觸媒穩駐燃燒技術可提供氣渦輪引擎較低的污染與較 佳的效率輸出【1,2】。隨著世界性環保意識明顯的高漲趨勢以及對能源匱 乏的預期心理，淨潔氣化發電技術逐漸受到重視，不僅是對石油依賴程度 較高的日本及歐洲國家，即使美國也都積極投入。結合氣化合成氣淨化技 術與觸媒燃燒技術的新氣渦輪發電技術可有效降低污染、提高效率，且適 用於多元燃料使用來源，期可獲得潔淨且可永續經營的動力來源。此外，
淨化後的氣化合成氣成分中含有大量的一氧化碳、氫氣與少部分的甲烷與 二氧化碳，亦可進ㄧ步藉由轉化與分離技術，擷取出高價氣體，並將其他 的氣體做最合宜的運用，如搭配燃料電池使用或將之儲存利用（利用奈米 碳管和其他奈米金屬材料），使氣化合成氣獲得更高的利用價值與使用效 率。
利用觸媒燃燒技術運用於氣渦輪引擎上，將淨化後的氣化合成氣燃 燒推動動力渦輪直接產生動力，為氣化合成氣運用最直接的方式。觸媒燃 燒可藉由觸媒表面活性物質改變化學反應路徑，加速化學反應，促使貧油 與低熱值燃料穩駐燃燒，且具有極低的污染與極高的燃燒效率【2,3】，運 用於氣渦輪引擎上被視為最具發展潛力的新一代氣渦輪引擎技術，於美國 與日本等先進國家均獲得相當之重視，並加緊這方面的研究工作【4,5】。
雖然觸媒燃燒技術有著上述於氣渦輪引擎運用上的優勢，卻不見實用化商 品問世，其運用目前僅見於實驗室設計測試。實用化運用觸媒燃燒室於氣 渦輪引擎主要受限於觸媒床本身之耐溫程度與對反應物之催化活性，一般 觸媒床均不耐高溫，大約在1000℃以下，溫度太高易使其擔體（support）
燒結或觸媒揮發，失去活性區，影響觸媒性能，但是燃燒室出口溫度高低 卻直接影響引擎整體的熱效率（thermal efficiency），同時觸媒的溫度阻抗 不佳，也使得觸媒本體容易因為溫度變化而產生碎裂的情形，造成了觸媒
於氣渦輪引擎上運用的限制。由於觸媒催化作用通常需要超過一定的活化 能方可啟動，使得一般燃料的點燃溫度都相當高，甚至對於特定燃料會有 毒化問題，需要有特殊的預熱系統或熱再生器（regenerator）輔助啟動與 維持反應，如此也使得觸媒燃燒氣渦輪引擎的冷啟動與操作相當困難，加 以觸媒燃燒室需先預混燃料與空氣，除了造成操作上安全的顧慮，整個渦 輪引擎也將因為燃料空氣混合裝置與觸媒同時存在而造成更大的壓力損 失，影響引擎效率。此外，傳統觸媒燃燒室面臨壓力變化時有兩大難題需 要克服。首先，觸媒燃燒室之觸媒表面催化作用會因為處於高壓環境下而 致使其觸媒氧化反應能力嚴重衰退，促使觸媒的反應溫度下降。燃燒室壓 力愈大觸媒表面反應愈差，使得觸媒燃燒室溫度隨著壓力增加而降低，壓 力增加會使氣體密度上升，單位體積內燃料的分子數增加，分子之間的碰 撞頻率變高，卻也讓燃料分子欲吸附在觸媒壁面之障礙增加，使燃料分子 要吸附在觸媒表面的速率減少，因此導致觸媒反應下降；然而，從觸媒壁 面反應後之產物脫附來看，壓力的增加也會導致觸媒表面反應後之產物脫 離壁面之速率下降，使觸媒壁面可吸附反應物的面積減少，導致觸媒反應 下降【6】；再者，傳統觸媒燃燒室之設計主要是以蜂巢式觸媒直接取代傳 統渦輪燃燒室，此設計由於是直通式設計，觸媒燃燒室以直通的方式與前 段之燃料空氣混合段直接連結，不似傳統渦輪燃燒室為微小燃料噴嘴噴注 的方式注入燃燒室燃燒。因此，當燃燒室逐漸建壓時，壓力也會回朔至上 游燃料空氣混合段，使得傳統觸媒氣渦輪引擎於建立循環時面臨極度不穩 定的震盪【7,8】，實用化的操控面臨嚴酷的挑戰。
依據以往對小型觸媒氣渦輪引擎的研究經驗，受限於觸媒溫度限制 以及小型渦輪增壓器性能，觸媒氣渦輪引擎之效率大約僅可達 12%
【9,10】，但倘若將溫度提升300 度（由目前觸媒最高承受溫度 900℃提升 至 1200℃），渦輪增壓器壓縮比提升至 5，則觸媒氣渦輪引擎效率可望提
升至36%以上。換言之，提高引擎效率之途徑有增加渦輪進氣溫度以及提 升渦輪增壓器壓縮比兩種，此兩種途徑分別為新型態觸媒開發以及高效能 氣渦輪機開發。為了使觸媒得以於承受更高溫度且可於低溫點燃以符實用 所需，高活性、耐高溫觸媒為當前燃燒用觸媒發展的一大重點。然而，目 前已發展的耐高溫觸媒雖可承受較高的溫度卻無法提供相對低的點火溫 度，觸媒燃燒需要更高的外加能量方可啟動並維持反應持續進行，無法滿 足高效率氣渦輪動力系統之需求。因此，本計畫除利用奈米技術持續開發 耐高溫低點火溫度之燃燒用觸媒外，更引入了新的奈米觸媒駐焰器設計概 念，利用奈米觸媒的優點，搭配藉由流場分析設計出的低壓力損失駐焰器 (flame stabilizer)以穩駐低當量比(fuel-air equivalence ratio)以及低熱值燃燒 下之低溫燃燒火焰。此設計捨棄傳統僅利用觸媒燃燒室於蜂巢式觸媒內穩 駐燃燒的設計，利用極小段的觸媒進行少量反應提供熱源，而使主要燃燒 區穩駐於觸媒床出口或更下游之奈米觸媒駐焰器上，也就是說，觸媒成為 一駐焰機構，而非單純提供能量完全轉化用之燃燒室。此設計除可避免高 溫區於觸媒內產生，免除觸媒床不耐溫的缺點，對燃料空氣預混的要求也 不如傳統氣渦輪觸媒燃燒室的嚴苛。由於觸媒燃燒室長度大幅縮短，亦大 幅減低壓降的問題。若搭配奈米觸媒駐焰器與二次燃料噴注之傳統燃燒室 燃料噴注系統運用之設計，將可解決壓力回朔導致之操控不易問題。高活 性奈米觸媒塗佈之駐焰器可藉由觸媒穩駐火焰的特性增強傳統駐焰器的 效能，使駐焰器可朝向低壓力損失之外形進行設計，免除傳統駐焰器以迴 流區穩駐火焰卻造成壓降，犧牲效率的缺失。此外，利用奈米觸媒高活性、
低溫點燃的活性，也可免除高壓環境觸媒效能降低以及低溫啟動的問題，
使得氣渦輪引擎系統可於更高的壓縮比下運轉且可捨棄熱再生器，有效提 高渦輪引擎效率並簡化渦輪引擎系統。再者，利用奈米觸媒與傳統觸媒相 異的獨特特性，運用於氣化合成氣燃料，如煤碳氣化、氣化生質能燃料與
氣化石化廢棄物、重質油氣化等燃料上，將可避免產生觸媒毒化現象，有 效降低氣化過程純化與潔淨燃料的手續，大幅降低氣化能源運用之成本。
如此，運用奈米觸媒駐焰器所設計之燃燒室將可同時擁有傳統燃燒室與觸 媒燃燒室的優點，且免除其個別的缺點與問題，將是氣渦輪引擎燃燒室設 計的一大進展。此設計於氣化合成氣之運用上可搭配本計畫之氣化合成氣 轉化、分離技術，將氣化合成氣轉化、分離產出之氫氣送入觸媒燃燒室提 供低溫燃燒提供下游奈米觸媒駐焰器穩駐燃燒所需的啟動熱源，再利用二 次燃料噴注與搭配奈米觸媒駐焰器於觸媒床出口下游處進行渦輪機所需 之充分燃燒，達到高效率之動力輸出。此外，此奈米駐焰器氣渦輪引擎系
如此，運用奈米觸媒駐焰器所設計之燃燒室將可同時擁有傳統燃燒室與觸 媒燃燒室的優點，且免除其個別的缺點與問題，將是氣渦輪引擎燃燒室設 計的一大進展。此設計於氣化合成氣之運用上可搭配本計畫之氣化合成氣 轉化、分離技術，將氣化合成氣轉化、分離產出之氫氣送入觸媒燃燒室提 供低溫燃燒提供下游奈米觸媒駐焰器穩駐燃燒所需的啟動熱源，再利用二 次燃料噴注與搭配奈米觸媒駐焰器於觸媒床出口下游處進行渦輪機所需 之充分燃燒，達到高效率之動力輸出。此外，此奈米駐焰器氣渦輪引擎系