TW201330373A - 使用從製程室排放之廢氣的電力產生裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種使用從製程室排放之廢氣的電力產生裝置。混合器將水分混合至從製程室排放之廢氣內，以調整廢氣之氧分壓。水分供應器將水分供應至混合器。燃料電池包含燃料電極、電解質以及氧電極，且基於從混合器供應至燃料電極的廢氣與供應至氧電極之氧氣之間的氧分壓之差，將廢氣之化學能轉換成電能。

Description

使用從製程室排放之廢氣的電力產生裝置
本發明是關於一種使用從製程室排放之廢氣的電力產生裝置，且更特定言之，是關於一種使用從用以製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者之製程室排放之廢氣作為燃料的燃料電池。
各種化學化合物被用來製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者。特定言之，諸如氫氣、矽烷氣體、甲烷氣體等等的可燃或發火性(pyrophoric)氣體從用以製造此等產物之各種設備作為廢氣排放，所述設備諸如化學氣相沈積(chemical vapor deposition；CVD)設備、退火設備等等。舉例而言，在CVD設備中用於氣相沈積後，從沈積室排放的廢氣被發送至氣體洗滌器(scrubber)。氣體洗滌器使用高溫熱量，使從沈積室排放之廢氣燃燒，且在安全狀態下排放氣體。韓國專利公開案第10-2010-0138906號揭露一種控制減少單元之架構，所述減少單元執行減少從太陽能電池製造系統排放的可燃廢氣之功能。然而，此種廢氣處理裝置僅執行單純移除廢氣之毒性或燒掉包含於廢氣中的可燃氣體之功能，而完全不利用包含於廢氣中的物理能以及化學能。
同時，使用具有高離子導電性之材料作為電解質且使用具有高混合導電性之材料作為電極來製造燃料電池，且燃料電池為利用供應至兩個電極之氣體之間的氧分壓之差 而將化學能轉換成電能的元件。圖1繪示燃料電池之電力產生的原理。因為此燃料電池經由化學反應將燃料之能量轉換成電能，所以燃料電池具有比現有電力產生系統之效率高得多的效率且幾乎不排出污染物，藉此作為下一代電力產生系統而引人注意。出於此原因，有各種類型之燃料電池被提出，且其中一些燃料電池已商業化使用。然而，僅研究了燃料電池之電解質材料、電極材料、物理結構以及類似者，且尚未提議利用在製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者時出現的廢氣來產生電力之方法。
本發明之一些態樣之優點為提供一種能夠使用在製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者時從製程室排放之廢氣來產生電的電力產生裝置。
根據本發明之態樣，提供一種電力產生裝置，其包含：混合器，其將從製程室排放之廢氣與水分混合以調整廢氣之氧分壓；水分供應器，其將水分供應至混合器；以及燃料電池，其包含燃料電極、電解質以及氧電極，且基於從混合器供應至燃料電極的廢氣與供應至氧電極之氧氣之間的氧分壓之差而將廢氣之化學能轉換成電能。
根據本發明之態樣，藉由使用在製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者時從製程室所排放之可燃以及毒性廢氣來產生電，可利用已丟棄之化學能作為新能源。藉由使用在製造太陽能電池期間所排放之廢氣來產生電，可縮減在製造太陽能電池時所消耗之總能量，且因此 縮短回收時間。另外，可縮減處理廢氣的洗滌器之容量，且因此極大地降低用於製造半導體元件、太陽能電池、扁平面板以及類似者的設備之成本。
在下文中，將參看隨附圖式詳細描述根據本發明之例示性實施例的電力產生裝置。
圖2為說明根據本發明之例示性實施例的電力產生裝置之組態之圖。
參看圖2，根據本發明之例示性實施例的電力產生裝置200包含混合器210、水分供應器200、燃料電池230、清潔器297以及控制單元240。
混合器210包含第一入口212(經由其輸入從製程室290排放之廢氣)、第二入口220(經由其自水分供應器220輸入水分(較佳是水蒸氣或輕霧))，以及出口216(經由其輸出廢氣)。且混合器210具有混合有輸入廢氣與輸入水分的空間。因為從製程室290排放之廢氣不含有水分，所以有必要使廢氣之氧分壓適合於燃料電池230之燃料。一般而言，用於燃料電池中的燃料氣體之氧分壓在800℃下為~10-21 atm，且自燃料電池之效率之觀點看來，較佳地，將氫與水分(H2O)之莫耳比調整至95：5至99：1、更佳地97：3之範圍。若製程室290為沈積室，則將CH4、H2、SiH4、B2H6以及類似者用作製程氣體。因此，從沈積室之出口排放之廢氣含有此等氣體。在此狀況下，因為氧分壓非常低，所以輸入至混合器210之廢氣與水分(較佳是水蒸氣或輕 霧)混合，以使氧分壓適合於燃料電池230之燃料。
可視從製程室290排放的廢氣之量以及用於燃料電池230中的廢氣之量而定來調整混合器210之容量。可將諸如螺桿之攪拌器(未繪示)安裝於混合器210中以便均勻地混合廢氣與水分。廢氣與水分混合之空間較佳是以球體形狀形成。將廢氣自混合器210均勻地供應至燃料電池230之供應調整單元262可安置於第二管道260中，第二管道260連接出口216(從其排放廢氣)與將燃料供應至燃料電池230之燃料供應埠。供應調整單元262受控制單元240控制，且其實例可為由馬達驅動之控制閥。
同時，因為廢氣並不是從製程室290持續地排放，所以第一閥252較佳地安置於連接第一入口212與製程室290之排放埠的第一管道250中。第一閥252之打開以及閉合較佳是與安置於製程室290之排放埠中的閥292連鎖(interlock)。第一閥252之打開以及閉合操作受控制單元240控制。混合器210可包含將廢氣之溫度升高至燃料電池230之操作溫度或接近操作溫度之溫度的加熱器(未繪示)。加熱器可安置於連接製程室290之排放埠與第一入口212的第一管道250中及/或連接混合器210之出口216與將燃料供應至燃料電池230之燃料供應埠的第二管道260中。
水分供應器220使水汽化且將水蒸氣供應至混合器210。自水分供應器220供應之水蒸氣之量與上文所描述相同，且可視從連接至根據本發明之電力產生裝置的製程室 290排放之廢氣之氧分壓而定，適應性地予以調整。可預先實驗量測從製程室290排放之廢氣之氧分壓。在此狀況下，視經實驗量測之氧分壓而定，設定自水分供應器220供應至混合器210的水蒸氣之量。
可基於經由混合器210之出口216而供應至燃料電池230的廢氣之氧分壓之量測結果來調整自水分供應器220供應至混合器210的水蒸氣之量。為此目的，根據本發明之電力產生裝置200可更包含監視單元280，監視單元280量測供應至燃料電池230之廢氣之氧分壓。舉例而言，監視單元280可基於燃料電池230之氧電極與燃料電極之間的電壓而量測供應至燃料電池230之廢氣之氧分壓。以此方式，藉由使用監視單元280，除了供應至燃料電池230之廢氣之氧分壓以外，亦可掌握燃料電池230之錯誤操作。或者，可將氧感測器安置於連接混合器210之出口216與將燃料供應至燃料電池230的燃料供應埠之第二管道260中以量測廢氣之氧分壓。將藉由監視單元280量測之廢氣之氧分壓傳輸至控制單元240。控制單元240基於測得的廢氣氧分壓控制自水分供應器220供應至混合器210的水蒸氣之量。水分供應器220可基於監視單元280之量測結果積極調整供應至混合器210的水蒸氣之量。
同時，因為廢氣並不從製程室290持續地排放，所以有必要使自水分供應器220供應水蒸氣之操作與廢氣之排放時間同步。為此目的，較佳是第三閥272安置於連接水分供應器220與混合器210之第二入口214的第三管道270 中。第三閥272之打開以及閉合較佳與第一閥252之打開以及閉合操作連鎖。第三閥272之打開以及閉合操作亦受控制單元240控制。
燃料電池230將自混合器210供應之廢氣用作燃料氣體，將廢氣之化學能轉換成電能。燃料電池之分類通常視電解質之材料而定。其實例包含金屬氫化物燃料電池(metal hydride fuel cell；MHFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell；MCFC)、直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell；DMFC)、鹼性燃料電池(alkaline fuel cell；AFC)、含磷燃料電池(phosphoric fuel cell；PFC)、固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell；SOFC)以及聚合物交換膜燃料電池(polymer exchange membrane fuel cell；PEMFC)。在此等燃料電池當中，AFC、PAFC、MCFC、SOFC以及PEMFC具有商業適用性。
在AFC中，OH-在鹼性溶液(例如，KOH)中移動以將化學能轉換成電能。然而，AFC對碳的耐受性弱(weak to carbon)。當使用含有碳之製程氣體(例如，CO或CO2)時，K2CO3形成於電極中，使效能降級，而使其難以應用。在PAFC中，H+在磷酸溶液中移動以將化學能轉換成電能。因為PAFC利用氫分壓之差，所以難以選擇適當燃料。PEMFC藉由離子在固體電解質中的移動(歸因於電極間的氫分壓之差)將化學能轉換成電能。PEMFC具有類似於PAFC之問題，且鉑催化劑受數十ppm之CO氣體污染。因此，難以在使用含有碳之製程氣體時使用PEMFC。
SOFC藉由離子在陶瓷電解質中的移動(歸因於電極間的氧分壓之差)將化學能轉換成電能。圖4繪示SOFC中的電力產生之原理。SOFC在500℃至1100℃之溫度範圍內工作，且可以高效率操作且以相對低成本輸出。產生於SOFC中之水經適當控制以幫助重整(reform)燃料，藉此增強燃料電池之輸出。操作溫度可視電解質之厚度以及類型而定降低至500℃，且在燃料電池中引起放熱反應。因此，反應一旦開始，操作溫度可自己維持。當燃料氣體洩漏時，燃料氣體與氧反應，且歸因於其高操作溫度而燃燒，這是相對安全的。然而，因為電解質由陶瓷製成，所以燃料電池對機械衝擊的耐受性較弱，但可使用金屬支撐件來解決此問題。
MCFC藉由離子在熔融碳酸鹽中的移動(歸因於電極間的氧分壓之差)將化學能轉換成電能。圖5繪示MCFC的電力產生之原理。MCFC通常在等於或高於600℃之溫度下工作，但較佳地使MCFC在600℃至650℃之溫度範圍中工作。因為許多種類之氣體可用作燃料且對含碳氣體的耐受性不弱，所以MCFC可合適地將廢氣用作燃料氣體。
如上所述，適合於從製程室排放之廢氣的燃料電池之實例包含SOFC以及MCFC。SOFC以及MCFC具有在不改變燃料電池之結構的情況下從製程室排放之廢氣可用作燃料氣體而無需特定重整之優點。將含有毒性氣體以及可燃氣體之廢氣用作燃料氣體時，此等燃料電池在約600℃之操作溫度下操作，約600℃之操作溫度為足以使廢氣燃 燒之高溫。此外，此等燃料電池具有對廢氣中所含的難以用作燃料之元素之耐受性，以及其針對廢氣之間歇供應穩固之優點。因為其具有氧離子導電性，所以可經由廢氣與氧之反應達成高輸出且使廢氣純化。
AFC以及PEMFC可適用於不含碳之廢氣，且PAFC可適用於適合於燃料氣體之廢氣。然而，包含此等燃料電池之各種燃料電池需要高純度氫以及氧作為燃料，且因此有必要精煉廢氣。在等於或低於100℃之操作溫度下操作之燃料電池中，因為水反作用(react on)於電極之表面，所以需要用於控制水分之特定構件。
下文將適合在製造半導體元件、太陽能電池以及扁平面板時使從製程室290排放之廢氣作為燃料氣體的SOFC描述為燃料電池230之實例。
SOFC 230之電解質之實例包含以氧化鋯為基礎之材料(諸如，YSZ(氧化釔穩定化之氧化鋯)以及鈧穩定化之氧化鋯)、以二氧化鈰為基礎之材料(諸如，摻雜有釓之二氧化鈰以及摻雜有釤之二氧化鈰)以及以鎵酸鑭為基礎之材料(諸如，LSGM：摻雜有Sr以及Mg之LaGaO3)。當將YSZ用作電解質時，合適的操作溫度在800℃至1000℃之範圍中，但在將以二氧化鈰為基礎之材料用作電解質時，操作溫度可降低至約600℃。當將Si注入至以二氧化鈰為基礎之材料內時，膜形成於分子間的邊界而使電解質效能嚴重降級。因此，以二氧化鈰為基礎之材料不允許將從製程室290排放之含Si之廢氣用作燃料氣體。可藉 由使從製程室290排放之含Si之廢氣繞道至洗滌器295來解決此問題。在此狀況下，供繞道之第二閥254安置於連接製程室290之排放埠與混合器210之第一入口212的第一管道250中，且繞道管256之末端連接至第二閥254，且其另一末端連接至洗滌器295。
然而，既然含Si之氣體(諸如，SiH4以及Si2H6)之化學能不被利用，可考慮自氣體僅移除Si且使用H之化學能之方法。參看圖3，根據本發明之電力產生裝置200可更包含氣體精煉器205。氣體精煉器205安置於製程室290與混合器210之間，且用以在執行了使用矽之製程後自從製程室290供應之廢氣移除矽，且接著將廢氣供應至混合器210。亦即，因為藉由氣體精煉器205移除從製程室290供應之廢氣中所含有的Si，所以無須特定提供繞道管256，且因此可簡化電力產生裝置200之結構。除精煉器205以外的部件與上文所描述相同。
可考慮使用Si-Si氣相反應、Si-O氣相反應以及類似者形成粉末之方法經由精煉器205之使用而移除Si。然而，Si-Si氣相反應需要高溫以及含Si之氣體之高分壓。因為含Si之氣體已經歷製程，所以含Si之氣體之分壓低且幾乎不發生Si-Si氣相反應。因為O與H以及與Si反應而消耗燃料，所以Si-O氣相反應不合適。可考慮Si之表面沈積以及Si-O之表面沈積，但此需要高溫且其反應速率低，其並不合適。
因此，可考慮使未反應氣體(Si或C)藉由電漿而反 應而僅將氫供應至燃料電池之方法。在此狀況下，上文所描述之繞道無必要，氫氣之純度升高，且減少了使用廢氣之副作用。使用電漿之此方法可適用上文所提及之MCFC以及SOFC以外的燃料電池。關於用於分解之電漿，可使用RF、DC、LF、VHF以及RPS方法。可供應Ar氣體以幫助分解。Ar氣體幾乎不影響燃料電池之效能。在無洩漏之情況下供應Ar氣體時，氧分壓為~10-6 atm，且因此電力產生是可能的(其為弱性)。
可考慮含Si之氣體(諸如，SiH4以及Si2H6)用作燃料之狀況，或使含Si之氣體繞過燃料電池230(如圖2中所繪示)但Si組分保留於燃料電池中之狀況。因為Si可沈積於燃料電池230上而使燃料電池230之效能降級，所以移除沈積之Si之製程是必要的。為此目的，根據本發明之電力產生裝置200可更包含移除沈積於燃料電池230上的Si之清潔器297。舉例而言，清潔器297可將含氟(F)之氣體供應至燃料電池230以移除沈積於燃料電池230上的Si。藉由熱或電漿來分解含F之氣體以平穩地蝕刻Si。然而，因為燃料電池230之操作溫度高於CVD溫度，所以可在不使用電漿進行分解之情況下分解少量的F以蝕刻Si。當同時發生Si沈積以及Si蝕刻時，可抑制氣體流動通道歸因於Si沈積而阻塞(clog)之現象。當燃料電池之效能降級時，可供應含F之氣體作為Si蝕刻氣體來蝕刻Si，且接著可再使用燃料電池230。清潔器297為根據本發明之電力產生裝置200的選擇性部件。
當將以二氧化鈰為基礎之材料用作SOFC 230之電解質時，其可在低溫下以高輸出產生電力。然而，以二氧化鈰為基礎之電解質在等於或高於1000℃之高溫下或在低氧分壓下還原(reduce)而產生氧空隙(oxygen void)，且因此電解質之導電性可能提昇。因此，有必要在二氧化鈰為基礎之材料被用作電解質時首先適當調整氧分壓。當間歇地供應廢氣時，燃料電池230暴露於氧化學勢(oxygen potential)循環。可藉由使用可將SOFC 230之操作溫度降低至約600℃之電解質(諸如，以二氧化鈰為基礎之材料)且將金屬支撐件用於SOFC 230來解決此等問題。金屬支撐件可安置於SOFC 230之燃料電極以及氧電極中之一者或兩者中，且金屬支撐件自身可充當燃料電極以及氧電極。藉由以此方式使用金屬支撐件，燃料電池針對諸如溫度之變化、氧分壓之變化以及燃料氣體之間歇供應之情形是穩定的，且抗機械應力、化學應力以及熱應力。圖6繪示使用支撐件的SOFC 230之結構之實例。
如上所述，當燃料電池使用廢氣產生電力時，出現諸如Si沈積之問題。特定言之，在以二氧化鈰為基礎之電解質中，Si滲入(infiltrate)分子之間的界面而使電解質之效能降級。因為廢氣不含氧且因此具有低氧分壓，所以其體積在以二氧化鈰為基礎之電解質還原時變化，且可將應力施加至電解質而破壞電解質。然而，不同於以二氧化鈰為基礎之材料，以氧化鋯為基礎之材料即使在低分壓下也幾乎不還原，且沒有在還原時關於快速變化之任何問題。 以二氧化鈰為基礎之材料有Si位於粒子之間的界面處而使電解質之效能降級的問題。然而，在以氧化鋯為基礎之材料中，Si位於界面之間的頂點(vertex)處且因此影響較小。因此，為了解決以二氧化鈰為基礎之材料使用廢氣來產生電力時可能發生的問題，電解質710可具有由以二氧化鈰為基礎之材料形成之第一層712以及由以氧化鋯為基礎之材料形成之第二層714堆疊之結構。在此狀況下，可使用具有複雜結構之電解質710，其中由以二氧化鈰為基礎之材料形成之第一層712與燃料電池之氧電極700接觸，且由以氧化鋯為基礎之材料形成之第二層714與燃料電極720接觸。
藉由使用具有此複雜結構之電解質710，可解決關於以二氧化鈰為基礎之材料之還原的問題以及關於電解質的問題兩者。另外，藉由使用圖7中所繪示之電解質結構，可將含Si之廢氣直接用作燃料，且因此氣體精煉器205以及清潔器297無必要。在此狀況下，氣體精煉器205以及清潔器297可用以移除保留於廢氣中的Si以及沈積於燃料電池230上的Si。參看圖8，可看出，隨著以氧化鋯為基礎之材料之厚度增加，具有複雜結構的電解質710之電阻亦增加。亦即，從燃料電池(在所述燃料電池中，使以二氧化鈰為基礎之材料的厚度恆定，並使在二氧化鈰為基礎之材料與燃料電極之間的以氧化鋯為基礎之材料的厚度變化)之效能之測試結果可看出，當以氧化鋯為基礎之材料(YSZ)具有330 nm之厚度時，電阻小。可看出，在以氧 化鋯為基礎之材料(YSZ)之厚度相對增加至440 nm時電阻相對增加，且在以氧化鋯為基礎之材料(YSZ)之厚度以μm為單位增加時，電阻進一步增加。因此，較佳地將以氧化鋯為基礎之材料之厚度設定為小。
可將由以二氧化鈰為基礎之材料形成的第一層712與由以氧化鋯為基礎之材料形成的第二層714之厚度比設定至1：1至5：1之範圍。由以氧化鋯為基礎之材料形成的第二層714之厚度應小於由以二氧化鈰為基礎之材料形成的第一層712之厚度。因此，由以氧化鋯為基礎之材料形成的第二層714之厚度之上限較佳等於由以二氧化鈰為基礎之材料形成的第一層712之厚度。考慮到整層電解質710之厚度之上限以及其效率，幾乎不使由以氧化鋯為基礎之材料形成的第二層714之厚度小於由以二氧化鈰為基礎之材料形成的第一層712之厚度的1/5。另一方面，為了基於由以二氧化鈰為基礎之材料形成的電解質層達成化學穩定性以及高輸出，由以氧化鋯為基礎之材料形成的第二層714之厚度較佳地為由以二氧化鈰為基礎之材料形成的第一層712之厚度的1/3。因此，可防止以二氧化鈰為基礎之材料的還原且執行Si擴散障壁功能，藉此減少對燃料電池之效能之影響。另一方面，主要用於SOFC中的以鎳為基礎之電極(諸如，Ni-YSZ以及Ni-GDC)對用於製造半導體元件、太陽能電池以及LCD面板之製程中的各種氣氛的耐受性弱。舉例而言，常用於氣相沈積製程中的甲烷氣體(CH4)中所含之碳經由催化劑反應而沈積於以鎳為基 礎之電極上。在SF6之狀況下，在以鎳為基礎之電極中發生硫中毒現象，且催化劑特性消失。然而，可藉由使用諸如LST(La0.2Sr0.8TiO3-δ)之陶瓷電極來解決此等問題。
SOFC 230可按扁平面板形狀以及管形狀之兩個形狀形成。然而，當將廢氣用作燃料氣體時，未反應廢氣可保留，且廢氣中可能含有毒性氣體。因此，應將穿過SOFC 230之廢氣供應至洗滌器295。因此，管形狀更適合於本發明。
圖9為說明管形SOFC 230之實例之圖，且圖10繪示圖9中所繪示的管形SOFC 230之橫截面圖以及縱向剖視圖。參看圖9以及圖10，管形SOFC 230包含燃料電極610、電解質620、氧電極630、外殼640以及加熱單元650。燃料電極610按具有通孔615之管形狀形成，廢氣在其中心處穿過通孔615，且電解質620以及氧電極630亦按管形狀形成。因此，形成於燃料電極610中之通孔615之末端充當燃料供應埠，且連接至混合器210之出口216之第二管道260氣密地耦接至通孔615之此末端。將廢氣供應至洗滌器295之第四管道617氣密地耦接至通孔615之形成於燃料電極610中的另一末端。
電解質620之內部圓周表面以及外部圓周表面分別與燃料電極610以及氧電極630之外部圓周表面接觸。外殼640形成與氧電極之外部圓周表面分隔預定距離的空氣流動通道且覆蓋整個SOFC 230以將SOFC 230與外部屏蔽。外殼640由具有高導熱性之材料形成以便將加熱單元650之熱量無損失地傳輸至SOFC 230。外殼640具有氣密結構 以便不使供應至SOFC 230的廢氣洩漏至外部，將氧氣或空氣供應至氧電極630的供應管安置於外殼640之上部側上，且排出未反應之空氣以及水的排出管安置於其下部側上。多個供應管以及多個排出管可安置於外殼640之上部側以及下部側。加熱單元650經安置以覆蓋整個外殼640且均勻地加熱整個SOFC 230。可將加熱線圈用作加熱單元650。用由絕緣材料形成之塗層來覆蓋加熱單元650以防止熱量洩漏至外部。另一方面，當根據本發明之電力產生裝置安裝於洗滌器295中，且洗滌器295中維持約600℃之加熱溫度時，可省略加熱單元650。
圖11為說明多個圖9中所繪示之管形SOFC串聯連接以獲得較高電壓之實例之圖。
參看圖11，三個管形SOFC 710、720以及730相互連接，且經由第一管形SOFC 710之第一燃料流動通道712而供應的廢氣經由第二燃料流動通道714從第一管形SOFC 710排出，且接著立刻流至第二管形SOFC 720中。經由第二管形SOFC 720之第二燃料流動通道714而供應的廢氣經由第三燃料流動通道716從第二管形SOFC 720排出，且接著立刻流至第三管形SOFC 730中。在將廢氣自製程室290傳輸至洗滌器295前使用形成單一流動通道之燃料流動通道進行電力產生。空氣流動通道722、724以及726安置於管形SOFC 710、720以及730之上部側上，且排出流動通道732、734以及736安置於其下部側上。可用單一外殼將三個管形SOFC 710、720以及730與外部屏 蔽。由於此堆疊結構，可以小的安裝空間來獲得高電壓。實際上由SOFC產生之能量大體為每1 cm2數百mW。當SOFC之表面積為1 m2時，可產生數千瓦特之能量。此電力產生容量足夠用作製程室290之輔助電源。
在以上描述中，諸如「第一」以及「第二」之術語用以描述各種部件，但部件不應限於所述術語。亦即，諸如「第一」以及「第二」之術語僅用以將部件相互區分。舉例而言，在不脫離本發明之範疇的情況下，「第一部件」可被稱作「第二部件」，且「第二部件」可被類似地稱作「第一部件」。術語「及/或」具有包含多項之組合或多項中任一者之意義。
隨附圖式中所呈現之部件獨立地繪示以表示根據本發明之電力產生裝置中之不同功能，此並不意謂各別部件是藉由獨立硬體或軟體部件來建構。亦即，出於方便解釋之目的，將部件繪示並描述為獨立部件，可組合至少兩個部件以形成單一部件或可將單一部件劃分成多個部件以執行單一功能。組合或劃分部件之實施例屬於本發明之範疇(只要其不脫離本發明之概念即可)。
一些部件可能不為執行基本功能之基本部件，而可能為用於僅僅改良效能之選擇性部件。本發明亦可藉由對於實施本發明而言是必要之部件來實施，而不需藉由僅改良效能之選擇性部件來實施，且除了用以僅改良效能之選擇性部件以外，僅包含基本部件之結構亦屬於本發明之範疇。
當陳述一部件「連結」或「連接」至另一部件時，其 意謂部件直接連結或連接至另一部件，且又一部件可插入於其間。另一方面，當陳述一部件「直接連結」或「直接連接」至另一部件時，其意謂又一部件不插入於其間。
此描述中所使用之術語意欲僅僅描述特定實施例，但不意欲限制本發明。單數之表述包含複數之表述，只要該表述能被清楚閱讀。諸如「包含」以及「具有」之術語意欲指示在描述中使用之特徵、數目、步驟、操作、部件、組件或其組合是存在的，且應理解，不排除一或多個其他特徵、數目、步驟、操作、部件、組件或其組合之存在或添加的可能性。
雖然上文繪示並描述本發明之例示性實施例，但熟習此項技術者應理解，本發明不限於例示性實施例，而是可在不脫離在隨附申請專利範圍中所描述的本發明之概念以及範疇之情況下按各種形式修改。
200‧‧‧電力產生裝置
205‧‧‧氣體精煉器
210‧‧‧混合器
212‧‧‧第一入口
214‧‧‧第二入口
216‧‧‧出口
220‧‧‧水分供應器
230‧‧‧燃料電池
240‧‧‧控制單元
250‧‧‧第一管道
252‧‧‧第一閥
254‧‧‧第二閥
256‧‧‧繞道管
260‧‧‧第二管道
262‧‧‧供應調整單元
270‧‧‧第三管道
272‧‧‧第三閥
280‧‧‧監視單元
290‧‧‧製程室
292‧‧‧閥
295‧‧‧洗滌器
297‧‧‧清潔器
610‧‧‧燃料電極
620‧‧‧電解質
630‧‧‧氧電極
640‧‧‧外殼
650‧‧‧加熱單元
700‧‧‧氧電極
710‧‧‧電解質/第一管形氧化物燃料電池(SOFC)
712‧‧‧第一層/第一燃料流動通道
714‧‧‧第二層/第二燃料流動通道
716‧‧‧第三燃料流動通道
720‧‧‧燃料電極/第二管形氧化物燃料電池(SOFC)
722‧‧‧空氣流動通道
724‧‧‧空氣流動通道
726‧‧‧空氣流動通道
730‧‧‧第三管形氧化物燃料電池(SOFC)
732‧‧‧排出流動通道
734‧‧‧排出流動通道
736‧‧‧排出流動通道
圖1為說明燃料電池中的電力產生之原理之圖。
圖2為說明根據本發明之例示性實施例的電力產生裝置之組態之圖。
圖3為說明根據本發明之另一例示性實施例的電力產生裝置之組態之圖。
圖4為說明SOFC之電力產生之原理之圖。
圖5為說明熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)之電力產生之原理之圖。
圖6為說明使用支撐件(support)的固態氧化物燃料 電池(SOFC)之實例之圖。
圖7為說明根據本發明的燃料電池之結構之圖。
圖8為說明圖7之燃料電池的效能相對於其電解質之厚度的曲線圖。
圖9為說明管形SOFC之實例之圖。
圖10為繪示圖9中所繪示之管形SOFC之橫截面圖以及縱向剖視圖之圖。
圖11為說明串聯連接以獲得高電壓的管形SOFC之實例之圖。
200‧‧‧電力產生裝置
210‧‧‧混合器
212‧‧‧第一入口
214‧‧‧第二入口
216‧‧‧出口
220‧‧‧水分供應器
230‧‧‧燃料電池
240‧‧‧控制單元
250‧‧‧第一管道
252‧‧‧第一閥
254‧‧‧第二閥
256‧‧‧繞道管
260‧‧‧第二管道
262‧‧‧供應調整單元
270‧‧‧第三管道
272‧‧‧第三閥
280‧‧‧監視單元
290‧‧‧製程室
292‧‧‧閥
295‧‧‧洗滌器
297‧‧‧清潔器

Claims (21)

  1. 一種電力產生裝置，包括：混合器，將從製程室排放之廢氣與水分混合以調整所述廢氣之氧分壓；水分供應器，將所述水分供應至所述混合器；以及燃料電池，其包含燃料電極、電解質以及氧電極，且基於從所述混合器供應至所述燃料電極之所述廢氣與供應至所述氧電極之氧氣之間的氧分壓之差，將所述廢氣之化學能轉換成電能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，更包括第一閥，所述第一閥安置於連接所述製程室之排放埠與所述混合器的管道中，且所述第一閥藉由與安置於所述製程室之所述排放埠中的排放閥之打開以及閉合操作連鎖而打開以及閉合。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電力產生裝置，更包括：繞道管，安置於連接所述製程室之所述排放埠與所述混合器的管道與洗滌器之間，且使所述廢氣繞道至精煉所述廢氣之所述洗滌器；以及第二閥，其安置於所述繞道管中，且經打開以及閉合以將在執行使用含有矽之源氣體的製程後從所述製程室排放的所述廢氣供應至所述洗滌器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其中所述水分供應器調整水分之量，使得所述混合器中之所述 廢氣與所述水分之莫耳比在95：5至99：1之範圍中，且接著將所述經過調整之水分供應至所述混合器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其更包括監視單元，所述監視單元量測自所述混合器供應至所述燃料電池的所述廢氣之氧分壓，其中所述水分供應器基於由所述監視單元量測的所述廢氣之所述氧分壓調整水分之量，使得所述混合器中之所述廢氣與所述水分之莫耳比在95：5至99：1之範圍中，且接著將所述經過調整之水分供應至所述混合器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其更包括第三閥，所述第三閥安置於連接所述水分供應器與所述混合器的管道中，且藉由與安置於所述製程室之排放埠中的排放閥之打開以及閉合操作連鎖而打開以及閉合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其更包括供應調整單元，所述供應調整單元安置於連接所述廢氣從所述混合器排放所經由出口與將燃料供應至所述燃料電池之燃料供應埠的管道中，且其將恆定量之廢氣自所述混合器供應至所述燃料電池。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其中所述燃料電池為固態氧化物燃料電池。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電力產生裝置，其中所述燃料電池之所述燃料電極以及所述氧電極中之至少一者包含LST(La0.2Sr0.8TiO3-δ)。
  10. 如申請專利範圍第8或9項所述之電力產生裝 置，其中所述燃料電池之所述電解質由CeO2形成。
  11. 如申請專利範圍第1、8以及9項中任一項所述之電力產生裝置，其中所述燃料電池包含燃料電極、電解質、氧電極以及外殼，且其中所述燃料電池之所述燃料電極、所述電解質以及所述氧電極按圓柱形狀形成，所述圓柱形狀具有形成於其中心處之通孔，自所述混合器供應之所述廢氣穿過形成於所述燃料電極之所述中心處之所述通孔，所述電解質之內部圓周表面以及外部圓周表面經安置以分別與所述燃料電極之外部圓周表面以及所述氧電極之內部圓周表面接觸，且所述外殼形成與所述氧電極之外部圓周表面分隔預定距離的空氣流動通道且將所述整個燃料電池與外部屏蔽。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電力產生裝置，其更包括加熱單元，所述加熱單元安置於所述外殼之外部圓周表面上且將所述燃料電池之溫度升高至預定操作溫度。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電力產生裝置，其中多個所述燃料電池相互連接，在相鄰的所述燃料電池中的第一燃料電池之所述氧電極電連接至第二燃料電池之所述燃料電極，所述第一燃料電池之所述氧電極與所述第二燃料電池之所述氧電極電絕緣，且形成於所述第一燃料電池之所述燃料電極中的所述通孔與形成於所述第二燃料電池之所述燃料電極中的所述通孔形成被所述廢氣穿過之單一流動通道。
  14. 如申請專利範圍第1、8以及9項中任一項所述之 電力產生裝置，其中所述燃料電池安置於精煉所述廢氣之洗滌器中。
  15. 如申請專利範圍第1、8以及9項中任一項所述之電力產生裝置，其中所述廢氣包含CH4、H2、SiH4以及B2H6中之至少一者。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其中金屬支撐件附接至所述燃料電池之所述燃料電極以及所述氧電極中之一者。
  17. 如申請專利範圍第1或2項所述之電力產生裝置，更包括氣體精煉器，所述氣體精煉器安置於所述製程室與所述混合器之間，且自在執行了使用含有矽之源氣體的製程後從所述製程室供應的所述廢氣移除矽，且接著將移除矽之廢氣供應至所述混合器。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電力產生裝置，其中所述氣體精煉器產生電漿，使矽從含矽之化合物中分離。
  19. 如申請專利範圍第1或2項所述之電力產生裝置，更包括清潔器，所述清潔器將含氟之氣體供應至所述燃料電池，以移除沈積於所述燃料電池上之矽。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之電力產生裝置，其中所述電解質包含由以二氧化鈰為基礎之材料形成之第一層以及由以氧化鋯為基礎之材料形成之第二層，所述第一層與所述燃料電池之所述氧電極接觸，且所述第二層與所述燃料電池之所述燃料電極接觸。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電力產生裝置，其 中所述第一層與所述第二層之厚度比在1：1至5：1之範圍中。
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