包括燃料排气处理器的燃料电池系统和其操作方法技术方案

本申请涉及一种包括燃料排气处理器的燃料电池系统以及其操作方法。提供一种燃料电池系统和方法，所述系统包括热箱、安置于所述热箱中的燃料电池堆叠、安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器ATO以及与所述热箱流体连接的燃料排气处理器。所述燃料排气处理器包括：第一氢气泵，其被配置用于从所述燃料电池堆叠接收的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出到被提供至所述燃料电池堆叠的第一氢气流；第二氢气泵，其被配置用于从所述第一氢气泵输出的阳极排气提取氢气并将所述氢气输出至所述第一氢气流；以及第三氢气泵，其被配置用于从所述第二氢气泵输出的阳极排气提取氢气并将所述氢气输出至被提供至所述ATO的第二氢气流。气输出至被提供至所述ATO的第二氢气流。气输出至被提供至所述ATO的第二氢气流。

【技术实现步骤摘要】
包括燃料排气处理器的燃料电池系统和其操作方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请是要求2021年11月12日申请的美国临时申请第63/278,485号的权益的非临时申请，所述美国临时申请的内容以全文引用的方式并入本文中。


[0003]本专利技术各方面涉及燃料电池系统和方法，并且更具体地说，涉及包括被配置用于产生纯化的二氧化碳和氢气流的燃料排气处理模块的燃料电池系统。

技术介绍

[0004]燃料电池，例如固体氧化物燃料电池，是可将储存在燃料中的能量高效地转化为电能的电化学装置。高温燃料电池包括固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢气和/或烃类燃料操作。存在多个种类的燃料电池，例如固体氧化物再生型燃料电池，这些燃料电池还允许反向操作，由此能使用电能作为输入将氧化燃料再还原成未氧化的燃料。

技术实现思路

[0005]根据各个实施例，提供一种燃料电池系统，其包含：热箱；安置于所述热箱中的燃料电池堆叠；安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器(ATO)；以及燃料排气处理器，其与所述热箱流体连接并包含：第一氢气泵，其被配置用于从所述燃料电池堆叠接收的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出到被提供至所述燃料电池堆叠的第一氢气流；第二氢气泵，其被配置用于从所述第一氢气泵输出的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出至第一氢气流；和第三氢气泵，其被配置用于从所述第二氢气泵输出的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出到被提供至所述ATO的第二氢气流。
[0006]根据各个实施例，提供一种燃料电池系统，其包含：热箱；安置于所述热箱中的燃料电池堆叠；安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器(ATO)；以及被配置用于从所述燃料电池堆叠接收阳极排气的再循环管道；与所述再循环管道流体连接的分流器；低温变换反应器；氢气分离器，所述氢气分离器包含：第一氢气泵、与所述第一氢气泵流体连接的第二氢气泵和与所述第二氢气泵流体连接的第三氢气泵；供应管道，其将所述分流器的出口与所述氢气分离器流体连接的；第一分离器管道，其将所述分流器与所述低温变换反应器流体连接；第二分离器管道，其将所述低温变换反应器与所述第一氢气泵流体连接；第一回流管道，其将所述分流器的出口与所述燃料电池堆叠流体连接；第二回流管道，其将所述分流器的出口或所述分离器管道与所述ATO流体连接；以及第三回流管道，其将所述分离器管道与所述第二回流管道流体连接。
[0007]根据各个实施例，提供一种燃料电池系统，其包含：热箱；安置于所述热箱中的燃料电池堆叠；安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器(ATO)；以及燃料排气处理器，所述燃料排气处理器与所述热箱流体连接并包含：第一氢气泵，其被配置用于从所述燃料电池堆叠
接收的阳极排气中提取氢气；和第二氢气泵，其被配置用于从所述第一氢气泵输出的阳极排气中提取氢气；其中所述第一氢气泵和所述第二氢气泵将氢气输出至所述热箱的一个或多个组件。
附图说明
[0008]并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本专利技术的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本专利技术的特征。
[0009]图1是根据本公开各个实施例的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的示意图。
[0010]图2是根据本公开各个实施例，可包括在图1的SOFC系统中的燃料排气处理器的示意图。
[0011]图3是根据本公开各个实施例，可包括在图2的燃料排气处理器中的氢泵电池(hydrogen pumping cell)的截面图。
[0012]图4A是根据本公开各个实施例，可包括在图2的燃料排气处理器中的变换反应器的透视图，并且图4B是图4A的变换反应器的截面图。
[0013]图5
‑
8是示出根据本公开各个实施例，流动穿过图1和2的燃料电池系统和燃料排气处理器的流体流动的示意图。
具体实施方式
[0014]将参考附图详细描述各个实施例。适当的时候，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。提到特定实例和实施方案是出于说明性目的，而不意图限制本专利技术或权利要求书的范围。
[0015]在固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，燃料入口流可被加湿以促进燃料重整反应，例如蒸汽重整和水煤气变换反应。另外，在系统启动、关机和电网中断事件期间，可将水添加至燃料入口流中以防止例如催化剂之类系统组分的焦化。常规地，此类加湿是通过在含有波纹管的蒸汽发生器中将水汽化来进行的。水流动穿过波纹管并且被围绕管外流动的阴极同流换热器热交换器排气流加热。然而，利用相对较低温度的阴极同流换热器排气流一般需要相当长的波纹管，以便吸收足够热量以将水汽化。此外，蒸汽发生器相对较大且笨重，这也增加了系统大小、复杂性和制造成本。
[0016]相比之下，本公开的实施例提供水喷射器，其被配置用于将水直接喷射至阳极排气再循环流中，所述阳极排气再循环流提供热以将水汽化成蒸汽和/或将水雾化成小到足以夹带在阳极排气流中的小液滴。阳极排气再循环流再循环到被提供至燃料电池堆叠中的燃料入口流中，使得加湿的燃料被提供至燃料电池堆叠的燃料电池。因此，可省略现有技术蒸汽发生器以减小系统大小、复杂性和成本。另外，实施例系统可使用相对较短的非波纹水管道操作，这可改进系统响应时间并且减小系统大小和成本。
[0017]SOFC系统
[0018]图1是根据本公开各个实施例的SOFC系统10的示意图。参看图1，系统10包括热箱100和安置于热箱中或邻近于热箱的各个组件。热箱100可含有至少一个燃料电池堆叠102，例如含有交替的燃料电池和互连件的固体氧化物燃料电池堆叠。所述堆叠的一个固体氧化物燃料电池含有陶瓷电解质，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、
氧化钪和二氧化铈稳定的氧化锆或氧化钪、氧化钇和二氧化铈稳定的氧化锆；阳极电极，例如镍
‑
YSZ、镍
‑
SSZ或镍掺杂的二氧化铈金属陶瓷；以及阴极电极，例如亚锰酸锶镧(LSM)。互连件可以是金属合金互连件，例如铬
‑
铁合金互连件。堆叠102可呈多个列彼此堆放布置。
[0019]热箱100还可含有阳极同流换热器热交换器110、阴极同流换热器热交换器120、阳极尾气氧化器(ATO)130、阳极排气冷却器热交换器140、涡流发生器172和水喷射器160。系统10还可包括催化部分氧化(CPOx)反应器200、混合器210、CPOx风机204(例如鼓风机)、系统风机208(例如主鼓风机)和阳极再循环风机212，以上可以安置于热箱100的外部。然而，本公开不限于每个组件相对于热箱100的任何特定位置。
[0020]CPOx反应器200通过燃料管道300A从燃料入口300接收燃料入口流。燃料入口300可以是燃料箱或公用天然气管线，其包括用于控制被提供至CPOx反应器200的燃料的量的阀。CPOx风机204可在系统启动期间将空气提供至CPOx反应器200。燃料和/或空气可通过燃料管道300B提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其包含：热箱；安置于所述热箱中的燃料电池堆叠；安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器ATO；以及燃料排气处理器，所述燃料排气处理器与所述热箱流体连接并包含：第一氢气泵，其被配置用于从所述燃料电池堆叠接收的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出到被提供至所述燃料电池堆叠的第一氢气流；第二氢气泵，其被配置用于从所述第一氢气泵输出的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出至所述第一氢气流；和第三氢气泵，其被配置用于从所述第二氢气泵输出的阳极排气中提取氢气并将所述氢气输出到被提供至所述ATO的第二氢气流。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其另外包含二氧化碳储存装置，其被配置用于储存从所述第三氢气泵的阳极出口输出的二氧化碳流。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其另外包含氢气储存装置，其被配置用于储存所述第一氢气流的至少一部分。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：所述第一氢气泵包含氢气泵送电化学电池的第一堆叠；所述第二氢气泵包含氢气泵送电化学电池的第二堆叠；所述第三氢气泵包含氢气泵送电化学电池的第三堆叠；并且所述第一堆叠包含比所述第二堆叠和所述第三堆叠大的数量的电化学电池；并且所述氢气泵送电池各自包含安置于阴极与阳极之间的电解质。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料排气处理器另外包含分流器，所述分流器被配置用于接收从所述燃料电池堆叠输出的阳极排气，将所述阳极排气的第一部分输出至所述燃料电池堆叠并将所述阳极排气的第二部分输出至所述第一氢气泵。6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其另外包含高温变换反应器，所述高温变换反应器被安置于所述热箱中并且被配置用于减少被提供至所述分流器的所述阳极排气中一氧化碳的量，其中所述燃料排气处理器另外包含低温变换反应器，所述低温变换反应器被配置用于进一步减少馈送至所述氢气泵的阳极排气产物中一氧化碳的量。7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述燃料排气处理器另外包含热交换器，所述热交换器被配置用于降低从所述低温变换反应器输出并且被提供至所述第一氢气泵的阳极排气的温度。8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述低温变换反应器包含：第一腔室；第二腔室；安置于所述第一腔室与所述第二腔室之间的冷却管道；被配置用于迫使空气穿过所述冷却管道的风扇；安置于所述第一腔室中的第一催化剂床；安置于所述第二腔室中的第二催化剂床；
与所述第一腔室流体连接的入口；以及与所述第二腔室流体连接的出口。9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述低温变换反应器另外包含：安置于所述第一腔室中的第一筛网；和安置于所述第二腔室中的第二筛网，其中所述第一催化剂床被安置于所述第一筛网上并且所述第二催化剂床被安置于所述第二筛网上。10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中：第一空间形成于所述第一腔室中，在所述第一催化剂床上方；第二空间形成于所述冷却管道周围；第三空间形成于所述第二腔室中，在所述第二筛网下方；并且所述低温反应器被配置成使得阳极排气流动穿过所述入口，进入所述第一空间中，穿过所述第一催化剂床，进入所述第二空间中，穿过所述第二催化剂床，进入所述第三空间中，然后进入所述出口中。11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述低温变换反应器另外包含：温度传感器，其被配置用于检测流动穿过所述低温变换反应器的阳极排气的温度；和控制单元，其被配置用于根据所述温度传感器检测到的温度来控制所述风扇的速度。12.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其另外包含：第一回流管道，其将所述分流器的出口与所述燃料电池堆叠流体连接；第一分离器管道，其将所述分流器的出口与所述低温变换反应器的入口流体连接；第二回流管道，其将所述第一分离器管道或所述分流器的出口与所述ATO流体连接；第二分离器管道，其将所述低温变换反应器的出口与所述第一氢气泵的阳极入口流体连接；第三回流管道，其将所述第二分离器管道与所述第二回流管道流体连接；第一氢气管道，其将所述第一氢气泵的阴极出口与所述第一回流管道流体连接；第二氢气管道，其将所述第二氢气泵的阴极出口与所述第一回流管道流体连接；以及第三氢气管道，其将所述第三氢气泵的阴极出口与所述第二回流管道流体连接。13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其另外包含：第四氢气管道，其将所述第三氢气管道与所述第二回流管道流体连接；和第五氢气管道，其将所述第二氢气管道与所述第二回流管道流体连接。14.一种燃料电池系统，其包含：热箱；安置于所述热箱中...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：博隆能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：