SOFC 與渦輪引擎發電理論分析

屬於高溫燃料電池類的固態氧化物燃料電池(SOFC)，主要優點 為其高效率表現與具有高溫廢氣的特性。一般SOFC 本體之效率約為 45~65%間，若將高溫型的 SOFC 結合 GT 進行發電，其發電效率可 達 70%左右，不過 SOFC 與 GT 兩者的操作特性與性能仍有相當差 異 ， 其 中 用 來 處 理 SOFC 出 口 處 高 溫 殘 餘 燃 料 的 尾 氣 續 燃 器 (Sequential Burner, SeqB)，便是兩者整合的關鍵之一。

由於真實的SOFC 難以取得，因此本計畫將透過自行設計之 GT 測試平台，以一傳統燃燒室來模擬近似於SOFC 出口的高溫氣流條 件，其後則連接另一燃燒室來加入高溫的氫氣，以模擬SOFC/GT 系 統中之SeqB。藉由觀察溫度參數與 GT 的性能變化，之後更將加入 水汽來探討水汽添加與氫氣在高溫下的反應狀況，實驗流程圖如圖 4-39 所示。

水汽添加試驗是為了瞭解大量的水汽加入對於引擎性能的影 響，試驗時將水霧產生裝置的上游壓力維持在一定的壓力(6 kg/cm²、 8 kg/cm²、10 kg/cm²、12 kg/cm²) ，接著在上述各固定水壓下，逐步 加入180、200、220、240slpm 的甲烷。隨著燃料量的提高，GT 轉速 會進一步提高，因此壓縮器壓力會逐步提升。而此時由於水霧噴嘴的 壓差減少，因此會導致水汽流量逐步的降低。以12 kg/cm²的壓力為 例，水汽流量將從110,000 rpm 時的 7.41 g/s 降至 130,000 rpm 的 7.18 g/s。水汽的添加對於 GT 的影響，屬各區段的溫度變化最為明顯。以 圖4-40 為例，該試驗的方式為水壓維持 12 kg/cm²的狀況下，逐步將 甲烷流量由180 slpm 以 20 slpm 的增加量逐步增加至 240 slpm。從圖 中可發現由於水汽的添加，無論是T4-1、T4-2與T5都有顯著的降低，

T 75℃左右。而此部分降低的溫度將列入理論分析

進行考慮，因此會導致所能模擬的 SOFC 出口溫度僅約 625 ~ 650 ℃ 左右。

雖然渦輪入口溫度降低，然而轉速卻不一定隨之降低。圖4-41 顯示出在不同的甲烷流量(180、200、220 與 240slpm)下，隨著水汽添 加量的不同所造成的轉速變化，而為了與SOFC/GT 系統的 S/C 作一 區別，圖中以水汽與甲烷的莫耳數比(steam to methane, S/M)作為分析 的參數。由圖中可看出在不同的甲烷流量下，轉速的變化與S/M 呈 現拋物線的關係。顯示水汽的添加量在不同的甲烷流量時，會有個別 最佳的S/M 可以增加最多的轉速；而且隨著甲烷流量越大，其轉速 增加量越大，同時對於轉速具正面影響的S/M 值範圍越寬。若以實 際的水汽流量來觀察(圖 4-42)，發現水汽量在 5.75 ~ 6.25 kg/s 之間 時，會有最多的轉速提升。Cardu 等人[9]在 2002 年曾探討利用水汽 來取代大部分空氣的GT 模型(GTITWI)，而其結論顯示在越低的溫度 操作下，則其效率會比完全使用空氣的GT 系統要來得高。而本研究 的水汽添加量則介於該模型與基本的GT 系統間，因此引擎效率些微 的提升應該是可以預期的。

而熱損失的減少為另一個造成引擎效率提高的可能原因。由於水 汽的混入，因此造成T_3-2的降低，而較低的 T_3-2相對於同樣表面積的 流道則代表較少的熱傳量。因此在同樣的轉速下，有添加水汽的狀況 可以節約較多的能量，而減少些許的燃料消耗。

而對於水汽添加量與轉速關係會呈現拋物線式的分佈，推測可能 跟管道的大小與配置有關。由於連接流量量測管與Comb A 間的管道 呈現U 字形配置，因此水汽產生裝置所產生的水霧，可能會受到流 道180°迴轉的影響而會有上下分佈不均勻的情形發生。當水汽量過 多，水汽不均勻度超過管道配置所能即時處理(水氣及時蒸發)的程度

時，會造成管道下方積水；進而影響到Comb A 的氣流分配均勻性，

造成燃燒效率略微降低。因此從圖4-41 與圖 4-42 中可以看到當水汽 添加到一定程度，引擎轉速不再隨著水汽增加而上升，反而會呈現下 降的趨勢。尤其是引擎負載較低時，由於主氣流量與溫度皆較低，因 此所能處理的水汽量也會較低。

本計畫利用車用渦輪增壓器與自行設計之燃燒室，組建一套GT 測試系統，用來模擬SOFC/GT 系統中 SOFC 出口至渦輪入口間的運 作條件。計畫中探討大量水汽添加對於GT 性能的影響，而根據理論 分析與實驗結果獲得結論如下：

1. 若能找到 FAR 約略等於所欲模擬的 SOFC/GT 系統的渦輪增壓 器，則藉由搭配燃料控制系統以及兩組燃燒室，即可模擬出近似 於SOFC/GT 系統中 SOFC 出口至渦輪入口間實際的操作條件。

2. 從水汽添加試驗中可以得知，水汽的添加對於 GT 轉速的提升有正 面的幫助。不過受限於管道的容量，此水汽添加量則有一個最佳 值，過多或過少的水汽量都會降低轉速的增加量，甚至會比未添 加水汽時的效率更差。而在轉速越高的情況下，對引擎轉速具正 面幫助的水汽添加量範圍越寬。

4.2 系統開發

4.2.1 氣化合成氣來源選定與成分分析

根據資料蒐集結果，國內具備氣化合成氣產製能力的單位大致可 分為三大類別，分別為政府或財團法人所屬研究單位、學校學術研究 單位以及工業生產單位。產氣類別主要有煤炭氣化、生質能燃料氣 化、厭氧生物發酵產氣、廢棄物裂解等。一般而言，工業界通常利用

煤炭、石油焦等進行氣化產氣，具有較高容量與較穩定之氣化合成氣 產製能力與合成氣組成，但其合成氣產製目的主要為提供商業用途以 及供應自身所需之用，如中油公司所產製之氣化合成氣乃是產製氫氣 以供給用、CO 供應化工廠利用，並無法提供本計畫研究之用（中油 氣化爐為國內唯一商業運轉之氣化系統）。學校單位則具有多元氣化 合成氣產製來源，產氣類別涵蓋煤炭氣化、生質能燃料氣化、厭氧生 物發酵產氣、廢棄物裂解等，但受限於僅止於學術研究之用，產氣容 量較小，且產氣成份亦較不穩定。政府或財團法人所屬研究單位具有 的氣化合成氣產氣規模介於學校與工業界間，且不屬於營利用途，為 較佳的氣化合成氣來源選擇，但仍需針對其產氣成分、產氣容量配合 度、合作便利性等等加以評估。經由對工研院能資所氣化爐、輔英環 工系實驗室級氣化爐以及成大安南校區重質油氣化爐等進行氣化合 成氣產氣組成分析、氣化合成氣產氣供應氣量評估、合作配合度與便 利性評估以及氣化合成氣利用相關設施妥善度與配合度評估，本計畫 已選定工研院能資所位於高雄楠梓的煤炭氣化爐作為合作對象，並建 立雙邊合作協議，工研院能資所將提供本計畫所需之氣化合成氣以及 所需之場地供計畫執行使用。工研院能資所具備之氣化合成氣產製主 要為煤炭氣化，為國內第一座壓力式煤氣化實驗系統，位於高雄市楠 梓區之工研院楠梓院區內。其氣化爐設計為 2 噸煤/天之挾帶床氣化 爐，操作最大爐壓15KG，產氣量 610 m³/h，CO 達 42%，H2達48%。

其氣化爐目前可達設計點之1/4~1/5 進料，爐壓 2~3kg 少量運轉約 70 小時，產氣量約20~30 Nm³/h，合成氣約佔 60%，其中 CO, H2, CH4

約40%，以濕式除酸洗滌塔淨化排氣，淨化後合成氣溫度約 200℃，

產氣成份、容量均可滿足本計畫需求。此外，能資所煤炭氣化爐為能 源局委辦之「多元燃料氣化技術之應用研究」計畫，與本計畫具有相

當之關連性，並具有與本中心合作之強烈意願，可長期提供穩定的氣 化合成氣供本計畫執行使用，而其氣化場亦具備良好的場地設施以及 可提供本計畫執行必要的支援與配合，實為最佳之氣化合成氣來源。

4.2.2 系統評估規劃與設計參數分析

在確定以工研院能資所氣化爐為氣化合成氣來源後，計畫隨即針 對該氣化爐進行初步產氣成份分析。由於其氣化爐尚未達到穩定運轉 與全運轉之故，其合成氣組成成分與產氣量目前尚未達到穩定成份，

依不同壓力有不同之產氣，組成約為 CO:7~8%, H₂:6.6~11.2%，

CO₂:10.1~17.8%，CH₄:0.14~1.1%（如表 4-5 所示），經由濕式除塵除 硫後硫化物無法量測到，極為微量。目前計畫已依據其產氣量、氣化 合成氣組成成分進行質能分析程式撰寫，待完成此部分將有助於後續 氣化合成氣成分組成變化時之即時系統設計修正。