CN116445948A - 伴随蒸汽生成的电解器系统和其操作方法 - Google Patents

伴随蒸汽生成的电解器系统和其操作方法 Download PDF

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CN116445948A CN202211413919.4A CN202211413919A CN116445948A CN 116445948 A CN116445948 A CN 116445948A CN 202211413919 A CN202211413919 A CN 202211413919A CN 116445948 A CN116445948 A CN 116445948A
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Abstract

本申请涉及一种伴随蒸汽生成的电解器系统和其操作方法。一种电解器系统和一种燃料电池系统，它们包括经配置以压缩由所述系统生成的氢气流的氢气鼓风机。所述电解器系统包括：经配置以生成蒸汽的蒸汽生成器；经配置以使用从所述蒸汽生成器接收的所述蒸汽生成氢气流的固体氧化物电解池堆叠；经配置以对由所述堆叠生成的所述氢气流加压的氢气鼓风机；以及经配置以压缩经加压的氢气流的氢气处理器。

Description

伴随蒸汽生成的电解器系统和其操作方法
技术领域
本发明涉及包括固体氧化物电解池(solid oxide electrolyzer cell；SOEC)的电解器系统和其操作方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell；SOFC)可以作为电解器操作以便产生氢气和氧气，其被称为固体氧化物电解池(SOEC)。在SOFC模式中，将氧离子从阴极侧(空气)输送到阳极侧(燃料)，并且驱动力是跨电解质的氧气的分压的化学梯度。在SOEC模式中，将正电位施加到所述电解池的空气侧，并且现在将氧离子从燃料侧输送到空气侧。由于阴极和阳极在SOFC与SOEC之间反转(即，SOFC阴极是SOEC阳极，并且SOFC阳极是SOEC阴极)，因此从现在开始，SOFC阴极(SOEC阳极)将被称为空气电极，而SOFC阳极(SOEC阴极)将被称为燃料电极。在SOEC模式期间，使燃料流中的水还原(H2O+2e→O2-+H2)以形成H2气体和O2-离子，将O2-离子输送通过固体电解质，并且接着在空气侧上氧化(O2-到O2)以产生分子氧。由于以空气和湿燃料(氢气、重整天然气)操作的SOFC的开路电压是约.9到1V(取决于含水量)，因此在SOEC模式中施加于空气侧电极的正电压使电解池电压升高到1.1到1.3V的典型操作电压。
发明内容
在各个实施例中，提供电解器系统，其包含：经配置以生成蒸汽的蒸汽生成器；经配置以使用由蒸汽生成器生成的蒸汽生成氢气流的固体氧化物电解池堆叠；经配置以对由所述堆叠生成的氢气流加压的氢气鼓风机；以及经配置以压缩经加压的氢气流的氢气处理器。
在各个实施例中，提供了燃料电池系统，其包含：热箱；安置于热箱中并且经配置以生成电力的固体氧化物燃料电池堆叠；安置于热箱中的阳极尾气氧化器(anode tailgas oxidizer；ATO)；经配置以分离从所述堆叠接收的阳极排气流并输出二氧化碳流和氢气流的燃料排气处理器；经配置以对氢气流加压的氢气鼓风机；经配置以压缩经加压的氢气流的氢气处理器；以及经配置以压缩二氧化碳流的二氧化碳处理器。
附图说明
并入本文中并构成本说明书的一部分的附图绘示了本发明的示范性实施例，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阐明本发明的特点。
图1A是固体氧化物电解池(SOEC)堆叠的透视图，而图1B是图1A的所述堆叠的一部分的侧视横截面图。
图2A和2B是显示根据本公开的各个实施例的电解器系统中的工艺流程的工艺流程图的示意图。
图3是显示根据本公开的各个实施例的替代性电解器系统201中的工艺流程的示意图。
图4是根据本公开的各个实施例的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的示意图。
图5是显示根据本公开的各个实施例的图4的燃料电池系统的燃料处理器中的工艺流程的示意图。
具体实施方式
将参考附图详细描述各个实施例。在可能的情况下，在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。提及特定实例和实施方案是出于说明性目的，而非旨在限制本发明或权利要求书的范围。
在本文中，范围可以表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表示此类范围时，实例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”或“基本上”表示为近似值时，应当理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可以包括+/-1％ X的值。应当进一步理解，每个范围的端点在与另一端点相关以及独立于另一端点的情况下都是有效的。
所属领域的技术人员将显而易见，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开作出各种修改和改变。由于所属领域的技术人员可以进行并有本公开的精神和主旨的所公开的实施例的修改组合、子组合和改变，因此本公开应当被解释为包括在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有事物。
本文中，“固体氧化物电池”可以指固体氧化物电解池和/或固体氧化物燃料电池。
SOEC系统
图1A是固体氧化物电池堆叠100的透视图，而图1B是图1A的堆叠100的一部分的侧视横截面图。参看图1A和1B，堆叠100包括多个固体电池1，所述固体电池可以是固体氧化物燃料电池或固体氧化物电解池。固体氧化物电池1通过互连件10分隔开，所述互连件也可以被称为气流分隔板或双极板。每个固体氧化物电池1包括空气电极3、固体氧化物电解质5和燃料电极7。堆叠100还包括内部燃料立管通道22。
每个互连件10电连接堆叠100中的相邻固体氧化物电池1。特别地，互连件10可以将一个固体氧化物电池1的燃料电极7与相邻固体氧化物电池1的空气电极3电连接。图1B显示下部固体氧化物电池1位于两个互连件10之间。
每个互连件10包括至少部分界定燃料通道8的肋材(统称为层9)。互连件10可以作为气体-燃料分隔件操作，所述分隔件将流到堆叠100中的一个固体氧化物电池1的燃料电极7的燃料例如烃燃料与流到堆叠100中的相邻固体氧化物电池1的空气电极3的氧化剂例如空气分隔开。在堆叠100的任一端处，可以存在用于分别将空气或燃料提供到端电极的空气端板或燃料端板(未示出)。
图2A和2B是显示根据本公开的各个实施例的电解器系统200的工艺流程的示意图。参看图1A、1B、2A和2B，系统200可以包括电解池(SOEC)堆叠100，所述堆叠包括多个固体氧化物电解池(SOEC)，其可以如关于图1A和1B所描述进行配置。系统200还可以包括蒸汽生成器104、蒸汽同流换热器108、蒸汽加热器110、空气同流换热器112和空气加热器114。系统200还可以包括任选的水预热器102和任选的混合器106。
系统200可以包括用于容纳各种组件例如堆叠100、蒸汽同流换热器108、蒸汽加热器110、空气同流换热器112和/或空气加热器114的热箱250。在一些实施例中，热箱250可以包括多个堆叠100。水预热器102和蒸汽生成器104可位于热箱250外部，如图2A和2B中所示。或者，水预热器102和/或蒸汽生成器104可以位于热箱250内部。
在操作期间，可以向堆叠100提供蒸汽以及来自外部电源的电流或电压。特别地，可以将蒸汽提供到堆叠100的电解池1的燃料电极7，并且电源可以在燃料电极7与空气电极3之间施加电压，以便电化学分离水分子并生成氢气(例如，H2)和氧气(例如，O2)。也可以将空气提供到空气电极3，以便从空气电极3吹扫氧气。因此，堆叠100可以输出氢气流和富氧排气流，例如富氧空气流(“氧气排气流”)。
为了生成蒸汽，可以从水源50将水提供到系统200。水可以是去离子(DI)水，所述DI水尽可能实际地经去离子(例如，<0.1μS/cm)，以便在汽化期间防止结垢和/或将结垢减到最少。在一些实施例中，水源50可以包括去离子床。在各个实施例中，系统200可以包括水流控制装置(未示出)，例如质量流控制器、正排量泵、控制阀/水流量计等等，以便向系统200提供期望的水流速率。
如果系统200包括水预热器102，那么可以从水源50将水提供到水预热器102。水预热器102可以是经配置以使用从氧气排气流回收的热对水进行加热的热交换器。对水进行预热可以减少每个单位的所生成氢气的系统200的总电力消耗。特别地，水预热器102可以从氧气排气流回收热，所述热无法通过空气同流换热器112回收，如下文所讨论。可以在高于80℃的温度，例如高于100℃的温度，例如约110℃到120℃的温度下从水预热器102输出氧气排气流。
可以将从水预热器102或水源50输出的水提供到蒸汽生成器104。水的一部分可以在水预热器中汽化。蒸汽生成器104可以经配置以加热未在水预热器中汽化的水以将水转换为蒸汽。举例来说，蒸汽生成器104可以包括用于将水汽化并生成蒸汽的加热元件。举例来说，蒸汽生成器104可以包括AC或DC电阻加热元件或感应加热元件。
蒸汽生成器104可以包括可以或可以不以机械方式分隔开的多个区域/元件。举例来说，蒸汽生成器104可以包括用于将水加热到沸点或接近沸点的预热锅炉。蒸汽生成器104还可以包括经配置以将预沸的水转换为蒸汽的汽化器。蒸汽生成器104还可以包括用于提供相对少的蒸汽清扫以在整体汽化之前从水除去溶解的空气的除气器。蒸汽生成器104还可以包括经配置以进一步升高在汽化器中生成的蒸汽的温度的任选的过热器。蒸汽生成器104可以包括位于加热元件的下游和/或过热器的上游的除雾垫。除雾垫可以经配置以使从蒸汽生成器104输出和/或提供到过热器的蒸汽中液态水的夹带减到最少。
如果蒸汽产物被过热，那么由于到环境条件的热损失，从蒸汽生成器104下游进行冷凝将是不大可能的。避免冷凝是优选的，这是因为冷凝水更可能形成少量水，这可能会造成相对于时间的递送的质量流速率显著地改变。避免过量的过热以便限制系统200的总电力消耗也可以为有益的。举例来说，可以使蒸汽过热在约10℃到约100℃范围内的量。
从蒸汽生成器104的排出可以对长期操作有益，这是因为水在去离子化之后将可能含有某一量的矿化。典型的液体排出可以为约1％。排出可以是连续的，或可以是间歇的，例如10×稳态流量，每分钟持续6秒，5×稳态流量，每5分钟持续1分钟，等等。对水排放流的需求可以通过将排出物泵送到热氧排气中来消除。
可以将从蒸汽生成器104输出的蒸汽提供到蒸汽同流换热器108。然而，如果系统200包括任选的混合器106，那么可以将蒸汽在提供到蒸汽同流换热器108之前提供到混合器106。特别地，蒸汽可以包括少量溶解的空气和/或氧气。因此，混合器106可以经配置以将蒸汽与氢气混合，以便在堆叠100中并且特别地在燃料电极7处维持还原环境。
混合器106可以经配置以将蒸汽与从氢气储存装置52接收的氢气和/或与从堆叠100输出的氢气流的一部分混合。可以设定氢气添加速率以提供超过与溶解于蒸汽中的氧气量反应所需的氢气量的氢气量。氢气添加速率可以固定或设定为恒定的水与氢气比。然而，如果使用完全除氧的水形成蒸汽，那么可以任选地省去混合器106和/或氢气添加。
在一些实施例中，可以在系统启动期间和/或在稳态操作期间通过外部氢气源提供氢气。举例来说，在启动期间，可以从氢气储存装置提供氢气，并且在稳态期间，可以从氢气储存装置52和/或通过将由堆叠100生成的氢气流(即，氢气排气流)的一部分分流到混合器106来提供氢气。特别地，系统200可以包括经配置以在稳态操作期间将所生成的氢气流的一部分选择性分流到混合器106的氢气分流器116，例如分离器、泵、鼓风机和/或阀。
蒸汽同流换热器108可以是经配置以从输出自堆叠100的氢气流回收热的热交换器。因此，蒸汽同流换热器108可以经配置以提高系统200的效率。可以在蒸汽同流换热器108中将蒸汽加热到至少700℃，例如720℃到780℃。
可以将从蒸汽同流换热器108输出的蒸汽提供到位于蒸汽同流换热器108的下游的蒸汽加热器110，如图2A中所示。蒸汽加热器110可以包括加热元件，例如电阻或感应加热元件。蒸汽加热器110可以经配置以将蒸汽加热到高于堆叠100的操作温度的温度。举例来说，取决于堆叠100的健康度、堆叠100的水利用率和流到堆叠100的空气流速率，蒸汽加热器110可以将蒸汽加热到在约900℃到约1200℃，例如920℃到980℃范围内的温度。因此，可以向堆叠100提供处于允许高效氢气生成的温度下的蒸汽或蒸汽-氢气混合物。也可以通过辐射(即，通过辐射热传递)将热直接从蒸汽加热器输送到所述堆叠。
在图2B中示出的一个替代实施例中，蒸汽同流换热器108可以位于蒸汽加热器110的下游，以使得离开蒸汽加热器110的蒸汽进入蒸汽同流换热器108，而不是反过来。在另一替代实施例中，蒸汽加热器110可以包括经配置以使用从高温流体，例如被加热到约1200℃或更高温度的流体提取的热来对蒸汽进行加热的热交换器。可以从太阳能聚光器场或发电厂，例如核反应堆发电厂提供这一流体。或者，如果流体是高温蒸汽，例如从核反应堆发电厂提供的蒸汽，那么可以将所述蒸汽提供到堆叠100的燃料电极7。在这种情况下，水源50可以包含高温蒸汽源，并且可以省去水预热器102、蒸汽生成器104、蒸汽同流换热器108和/或蒸汽加热器110中的一或多个。
在一些实施例中，蒸汽加热器110可以包括多个具有独立功率电平的蒸汽加热器区(垂直地或沿圆周或以以上两种方式进行划分)，以便在一些实施例中增强热均匀性。
在一些实施例中，蒸汽同流换热器108和蒸汽加热器110的操作可以合并成单个组件。举例来说，蒸汽同流换热器108可以包括电压源，所述电压源经配置以对蒸汽同流换热器108的热交换翅片施加电压，以使得热交换翅片作为电阻加热元件操作并将蒸汽加热到足够高以提供到堆叠100的温度，例如在约900℃到约1200℃范围内的温度。可以将从蒸汽加热器110输出的高温蒸汽(或任选的蒸汽/氢气混合物)提供到堆叠100的燃料电极7。
可以将从堆叠100输出的氧气排气提供到空气同流换热器112。可以通过空气鼓风机118向空气同流换热器112提供环境空气。空气同流换热器112可以经配置以使用从氧气排气提取的热来对空气进行加热。在一些实施例中，可以过滤环境空气以除去污染物，之后提供到空气同流换热器112或空气鼓风机118。
可以将从空气同流换热器112输出的空气提供到空气加热器114。空气加热器可以包括经配置以将空气加热到超过堆叠100的操作温度的温度的电阻或感应加热元件。举例来说，取决于堆叠100的健康度、堆叠100的水利用率和流到堆叠100的空气流速率，空气加热器114可以将空气加热到在约900℃到约1200℃，例如920℃到980℃范围内的温度。因此，可以向堆叠100提供处于允许高效氢气生成的温度下的空气。也可以通过辐射将热直接从空气加热器输送到所述堆叠。
从空气同流换热器输出的温度越高，空气加热器114需要的功率越低。空气同流换热器112的任一侧上增加的压降可以与增加的空气鼓风机118功率抵消。增加的压降可以有助于圆周质量流均匀性，从而产生更均匀的热传递环境，以及更高的从空气同流换热器112输出的空气入口流的温度。
在替代实施例中，空气加热器114可以包括经配置以使用从高温流体，例如被加热到约1200℃或更高温度的流体提取的热来对空气进行加热的热交换器。可以从例如太阳能聚光器场或核反应堆提供这一流体。
在一些实施例中，空气加热器114可以包括多个具有独立功率电平的空气加热器区(垂直地或沿圆周或以以上两种方式进行划分)，以便增强热均匀性。在一些实施例中，空气加热器114可以安置于空气同流换热器112下方或堆叠100与蒸汽同流换热器108之间。空气加热器114可以包括挡板，所述挡板在沿着挡板的不同高度处具有不同大小的狭缝，以允许空气在沿着空气加热器114的所有高度处在温度和高度两个方面都近似均匀地离开空气加热器114。将来自空气加热器114的空气提供到堆叠100的空气电极3。
在一些实施例中，空气同流换热器112和空气加热器114可以合并成单个组件。举例来说，空气同流换热器112可以包括电压源，所述电压源经配置以对空气同流换热器112合并组件中所包括的热交换器的热交换翅片施加电压，以使得所述翅片作为电阻加热元件操作并将空气加热到足够高以提供到堆叠100的温度，例如在约900℃到约1200℃范围内的温度。
根据各个实施例，系统200可以包括安置于热箱250外部的任选的空气预热器54。特别地，空气预热器54可以经配置以对通过空气鼓风机118提供到热箱250的空气进行预热。在一些实施例中，空气预热器54可以使用电来进行操作。在其它实施例中，空气预热器54可以使用烃燃料，例如天然气等等来进行操作。举例来说，如果向系统200提供来自电源的电力，所述电力是间歇的或提供不充分量的电力而无法操作电热器，例如太阳能或风力生成系统，那么空气预热器54可以利用烃电源(例如，气体加热器)。或者，可以省去空气预热器54。
因为空气预热器54位于热箱250的外部，因此空气预热器54可以有利地提供服务而无需接入热箱250的内部和/或中断堆叠100和/或位于热箱250内部的其它组件的操作。在一些实施例中，如果空气预热器54将空气加热到高于堆叠温度，那么空气预热器54可以允许省去空气加热器114。然而，在其它实施例中，系统200可以包括空气预热器54和空气加热器114。
在系统启动期间，空气预热器54可以经配置以将提供到热箱的空气加热到足以将热箱250的内部温度和/或堆叠100的温度升高到接近其操作温度的温度的温度。在系统启动期间，提供到空气同流换热器112的预热空气还可以操作以对通过空气同流换热器112提供到水预热器102的堆叠排气进行预热。由于最初可以在相对低的温度下输出堆叠氧气排气，因此空气预热器54可以用于间接地对从水源50提供到热箱250的水进行预热。
在稳态操作期间，空气预热器54还可以经配置以将空气加热到足以将热箱250维持在稳态操作温度例如750℃到950℃下的温度。举例来说，与系统启动期间相比，稳态操作期间的空气预热器54的热输出可以更低。
在一些实施例中，系统200可以在热中性配置中操作，其中向堆叠100中的每个电解池1提供热中性电压。特别地，提供到每个电解池1的电流可以变化以使得通过I2R加热生成的热平衡了(吸热)反应热。因此，可以在稳态热中性操作期间最少化或消除蒸汽加热器110和/或空气加热器114的使用。
来自堆叠100的氢气流(即，氢气排气流)可以是含有氢气和水的温热流。可以在120℃到150℃的温度下从蒸汽同流换热器108输出氢气流。可以通过输出管道502使蒸汽同流换热器108与氢气处理器500流体连接。在一些实施例中，可以使氢气处理器500与氢气储存装置或罐504连接。
氢气处理器500可以包括氢气泵、冷凝器或其组合。氢气泵可以是电化学氢气泵和/或可以经配置以在高温下操作。举例来说，氢气泵可以经配置以在约120℃到约150℃的温度下操作，以便从氢气流中除去约70％到约90％的氢气。举例来说，压缩器可以是液环压缩器或隔膜压缩器。在一些实施例中，冷凝器可以是经配置以将氢气流冷却到足以使氢气流中的水蒸气冷凝的温度的空气冷却或水增强型、空气冷却型冷凝器和/或热交换器。举例来说，氢气处理器500可以经配置以将氢气流压缩到期望压力，例如约2500到约8000psig。压缩可以包括多个阶段，伴随阶段间冷却和除水。
在各个实施例中，氢气处理器500可以包括可以相对于氢气流的流向串联和/或并联安置的一系列电化学氢气泵以便压缩氢气流。来自压缩的最终产物仍可以含有痕量的水。因此，氢气处理器500可以包括脱水装置，例如变温吸附反应器或变压吸附反应器，以在必要时除去这种残余的水。最终产物可以是高压(例如约2500到约8000psig)纯化的氢气。所述产物也可以含有某些氮气，所述氮气可以是溶解于水中的空气。可以在电化学压缩期间自动地除去氮气。
来自氢气处理器500的剩余的未泵送的流出物可以是完全汽化的富水流。可以将这一富水流馈送到鼓风机以用于再循环到混合器106或流同流换热器108中，从而消除对蒸汽生成器104中的水汽化的需要。所述系统可以经配置以对残余的水进行再纯化(例如，在DI床中)，并且将从经压缩的氢气流移除的残余的水提供到水预热器。电化学压缩可以在电学上比传统压缩更有效。
多个堆叠100的氢气流可以就地合并成单个流。可以使用例如可以为氢气处理器500的一部分的空气冷却器或由现场冷却水塔冷却的热交换器尽可能实际地冷却这一合并流。可以将从氢气处理器500输出的氢气提供到氢气罐504以供储存或使用，以便用作燃料电池发电系统中的燃料。
可以通过将氢气泵压力增加到例如在约20-50psig范围内的压力来将进入氢气流的蒸汽损失减到最小。这种分离可以在电解器模块层级、系统层级、印模层级或位点层级处进行。
水冷凝和氢气流压缩可能会消耗大量电力。在一些实施例中，可以减少或停止流到堆叠100的空气流，以使得堆叠100输出纯的或几乎纯的氧气作为堆叠排气。另外，电解池1的空气侧和燃料侧可以在范围为约20psig到约50psig的相等压力下操作。在一些实施例中，提供到堆叠100的空气可以在约100slm或更低的压力下提供。
高压操作可以允许消除与氢气流压缩的第一阶段相关的电力和设备，由于因较高压力带来的较高露点而可以减小初始冷凝器级的大小，和/或由于与较高压力相关的较高密度而可以减小流动通道所需的物理空间。
如上文所指出，系统200可以经配置以与可以由第三方在现场提供的多种不同的氢气处理器500一起操作。因此，可能难以使从系统200输出的氢气流的流动和/或生产速率与特定氢气处理器500的通量匹配。特别地，所述变化可以在输出管道502内诱导正和/或负压力波动。举例来说，如果氢气处理器500的通量过高(例如，氢气处理器500在氢气流上拉动过硬)，那么可以在系统200内诱导负压，或如果通量过低，那么可以在系统200内诱导正压。
所述压力波动可能会在系统200内造成问题。举例来说，过度负压力可能会导致空气泄漏到系统200中，或可能会导致跨堆叠100的电解质的高压变化，这可能会增加电解质损坏，例如破裂的风险。过高压力还可能会导致跨电解质的压力变化并增加电解质损坏的风险。
因此，所述系统可以包括第一输出管道502A、第二输出管道502B和氢气鼓风机510。第一输出管道502A可以使燃料电池堆叠100与氢气鼓风机510的入口流体连接。第二输出管道502B可以使氢气鼓风机510的出口与氢气处理器500流体连接。氢气鼓风机510可以经配置以增加从热箱250输出的氢气流的压力。举例来说，氢气鼓风机510可以经配置以将氢气流的压力增加约2到约15磅/平方英寸表压(psig)，例如约5到约10psig。氢气鼓风机510还可以操作以将热箱250的组件例如堆叠100与通过操作氢气处理器500诱导的压力波动分隔。
在一些实施例中，氢气鼓风机510可以经配置以接收由单个电解器系统250或堆叠100生成的氢气流，如图2A中所示。在其它实施例中，氢气鼓风机510可以经配置以接收由多个电解器系统250和/或多个堆叠100生成的氢气流。
在各个实施例中，系统200可以包括任选的分水装置530，所述分水装置经配置以从氢气流除去冷凝水，以便减少和/或防止液态水在氢气鼓风机510中积聚。
在一些实施例中，氢气分流器116可以用于将氢气流分流，以使得可以馈送氢气以替换系统200中的大部分或全部蒸汽。接着，可以关闭氢气分流器116以维持堆叠100中的还原气氛，而无任何额外的氢气消耗。流到堆叠100的空气流可以显著减少或消除。在一些实施例中，可以存在最小空气流以保持空气加热器114免于过热。
在一些实施例中，可以将冷凝水再循环到水源50中的工艺馈料(馈送到DI床)中。添加到混合器106中的蒸汽的氢气可以在压缩系列的第一阶段或任何中间阶段期间产生，并且可以在必要时经除湿。氢气储存装置52可以包括用于通过混合器106提供到堆叠100的氢气的低压/中压储存罐。
根据各个实施例，系统200可以包括经配置以控制系统200的操作的控制器125，例如中央处理单元。举例来说，控制器125可以有线或无线地连接到系统200的各个元件以控制所述元件。
在一些实施例中，控制器125可以经配置以基于氢气流的流速和/或由氢气处理器500生成的入口压力来控制氢气鼓风机510的速度。
在一些实施例中，控制器125可以经配置以控制系统200，以使得系统200可以在不生成氢气流的备用模式中进行操作。在备用模式期间，与堆叠100相连(即，与其成热传递关系定位)的电加热器可以在将电解池1保持在期望备用温度下所需的最小功率电平下运行。期望备用温度可以不同于期望生产操作温度，并且可能会受到返回到期望操作温度所需的可接受时间的影响。
从备用模式恢复到稳态操作可以允许在比标准稳态操作温度低的温度下起始氢气生成。在较低温度下，电池电阻可以更高，这可以提供额外的加热以将堆叠100升高到稳态操作温度。水/蒸汽馈料可以显著地减少或消除。向混合器106中的蒸汽添加氢气也可以显著地减少或消除。
根据各个实施例，控制器125可以经配置以基于各种站点范围控制参数控制系统200的操作。举例来说，控制器125可以经配置以基于以下中的任一个控制氢气产生：每个SOEC堆叠的操作限制；功率可用性；瞬时平均功率成本，包括所有层次下的需量电费的影响；瞬时边际功率成本，包括所有层次下的需量电费的影响；瞬时功率可再生含量；可用氢气储存容量；可供使用的所储存能量(例如，热储存或电储存)；氢气产生计划(例如，每天、每周或每月计划等)；氢气产生收益牵连因素(例如，销售价格、生产水平的调整、不履行的惩罚等)；维护计划；现场所有热箱的相对健康；压缩/冷凝系列机械状态；水/蒸汽/氢气馈料可用性；天气条件和/或预报；任何其它已知的外部约束，瞬时的或某一生产计划周期内的(例如，仅允许每月如此多的水，或每月如此高的毫瓦-小时)；和/或从备用模式开始产生氢气的最少可接受时间(如果预测备用会持续多个小时，那么可能需要允许冷却电池低于操作温度)。
图3是显示根据本公开的各个实施例的替代性电解器系统201中的工艺流程的示意图。电解器系统201可以类似于电解器系统200，因此仅详细讨论其间的差异。
参看图3，电解器系统201可以包括安置于热箱250内部的空气预热器154。空气预热器154可以是经配置以使用从输出自蒸汽同流换热器108的氢气流提取的热来对从空气鼓风机118提供的空气进行预热的热交换器。接着，可以将预热的空气提供到空气同流换热器112。因此，位于热箱250内部的内部空气预热器154替代位于热箱250外部的外部空气预热器54(示出图2A和2B中)。在这个实施例中，不需要额外的电或额外的气体加热器来将热提供到空气预热器154。空气预热器也是有益的，这是因为到氢气分流器116的氢气/蒸汽流基本上较冷，从而允许氢气分隔器由更便宜的材料制成。
在一些实施例中，可以周期性地或连续地从蒸汽生成器104排放少量液态水(例如，约0.5％到约2％的进水)。特别地，所排放的液态水可以包括可能在使水汽化以生成蒸汽时在蒸汽生成器104中积聚的水垢和/或其它矿物杂质。因此，不期望将这种所排放的液态水从水源50再循环到水入口流中。可以将这种液态排放物与从水预热器102输出到排气管道的热氧气排气流混合。热氧气排气流可以具有高于100℃，例如110℃到130℃，例如120℃的温度。因此，可以通过热氧气排气流蒸发液态水排放物，以使得不需要从系统201排放液态水。系统201可以任选地包括经配置以泵送和调节从蒸汽生成器104输出到从水预热器102输出的氧气排气的液态水排放物的泵124。任选地，除泵124之外还可以添加比例电磁阀以另外调节液态水排放物的流量。
SOFC系统
图4是根据本公开的各个实施例的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统300的示意图。参看图4，系统300包括热箱350和安置于其中或邻近于其的各个组件。热箱350可以含有至少一个燃料电池堆叠302，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302可以呈多个列彼此堆放布置。
热箱350还可以含有阳极同流换热器310、阴极同流换热器320、阳极尾气氧化器(ATO)330、阳极排气冷却器340、涡流生成器372和水喷射器360。系统300还可以包括催化部分氧化(CPOx)反应器312、混合器316、CPOx鼓风机314(例如，空气鼓风机)、主空气鼓风机342(例如，系统鼓风机)和阳极再循环鼓风机318，以上可以安置于热箱350的外部。然而，本公开不限于每个组件相对于热箱350的任何特定位置。
CPOx反应器312通过燃料管道301A从燃料入口30接收燃料入口流。燃料入口30可以是包括用于控制提供到CPOx反应器312的燃料的量的阀门的燃料罐或多效用天然气管线。CPOx鼓风机314可以在系统启动期间将空气提供到CPOx反应器202。可以通过燃料管道301B将燃料和/或空气提供到混合器316。燃料通过燃料管道301C从混合器316流到阳极同流换热器310。在阳极同流换热器310中通过燃料排气的一部分对燃料进行加热，并且接着燃料通过燃料管道301D从阳极同流换热器310流到堆叠302。
主空气鼓风机342可以经配置以通过空气管道302A将空气流(例如，空气入口流)提供到阳极排气冷却器340。空气通过空气管道302B从阳极排气冷却器340流到阴极同流换热器320。在阴极同流换热器320中通过ATO排气对空气进行加热。空气通过空气管道302C从阴极同流换热器320流到堆叠302。
通过阳极排气管道306A将在堆叠302中生成的阳极排气(例如，燃料排气)提供到阳极同流换热器310。阳极排气可以含有未反应的燃料并且在本文中也可以被称为燃料排气。可以通过阳极排气管道306B将阳极排气从阳极同流换热器310提供到变换反应器380，例如水煤气变换(water gas shift；WGS)反应器。可以使水喷射器360与阳极排气管道306B流体连接。可以通过阳极排气管道306C将阳极排气从变换反应器380提供到阳极排气冷却器340。阳极排气加热阳极排气冷却器340中的空气入口流，并且接着可以将其从阳极排气冷却器340提供到燃料排气处理器400。
特别地，可以通过第一再循环管道308A将阳极排气从阳极排气冷却器340输出到燃料排气处理器400。在一些实施例中，可以通过任选的第二再循环管道308B将阳极排气提供到燃料排气处理器400。特别地，第二再循环管道308B可以经配置以将比第一再循环管道308A更热的阳极排气提供到燃料排气处理器400，这是因为阳极排气在进入第一再循环管道308A之前在阳极排气冷却器340中冷却。
变换反应器380可以是将燃料排气的组分转换成游离氢(H2)和/或水的任何适合的装置。举例来说，变换反应器380可以包含含有催化剂的套管或管道，所述催化剂通过水煤气变换反应将燃料排气流中的一氧化碳(CO)和水蒸气转换成二氧化碳和氢气。因此，变换反应器380增加阳极排气中的氢气和二氧化碳的量并且减少阳极排气中的一氧化碳的量。举例来说，变换反应器380可以将阳极排气中的一氧化碳的量减少到约5体积％或更小，例如约4体积％或更小，或约3体积％或更小。催化剂可以是任何适合的催化剂，例如氧化铁或铬促进的氧化铁催化剂。
在堆叠302中生成的阴极排气通过阴极排气管道304A流到ATO 330。涡流生成器372可以安置于阴极排气管道304A中并且可以经配置以使阴极排气涡旋。可以将涡旋的阴极排气在提供到ATO 330之前与从燃料排气处理器400输出的氢气混合。可以在ATO 330中氧化混合物以生成ATO排气。ATO排气通过阴极排气管道304B从ATO 330流到阴极同流换热器320。排气通过阴极排气管道304C从阴极同流换热器320流动并流出热箱350。
水通过水管道从水源50例如水罐或水管流到水喷射器360。水喷射器360将水直接喷射到阳极排气管道306C中提供的阳极排气的第一部分中。来自排气管道306C中提供的阳极排气的第一部分(也被称为再循环阳极排气流)的热使水汽化以生成蒸汽。将蒸汽与阳极排气混合，并且将所得混合物提供到阳极排气冷却器340。接着，通过燃料排气处理器400投送混合物并且将其提供到混合器316。混合器316经配置以将蒸汽和阳极排气的第一部分与新鲜燃料(即，燃料入口流)混合。接着，可以将这一含湿气的燃料混合物在提供到堆叠302之前在阳极同流换热器310中通过阳极排气加热。系统300还可以包括位于阳极同流换热器310的内部和/或下游的一或多种燃料重整催化剂。在将含湿气的燃料混合物提供到堆叠302之前，(多种)重整催化剂对所述含湿气的燃料混合物进行重整。
系统300可以进一步经配置包括以控制系统300的各个元件的系统控制器325。系统控制器325可以包括经配置以执行所存储的指令的中央处理单元。举例来说，系统控制器325可以经配置以根据燃料组成数据来控制通过系统300的燃料和/或空气流。
燃料排气处理器
图5是显示根据本公开的各个实施例的燃料排气处理器400的组件的示意图。参看图4和5，燃料排气处理器400可以包括氢气分隔器410、系统控制器425、分离器440、低温变换反应器450和热交换器444。系统控制器425可以是经配置以执行所存储的指令的中央处理单元。举例来说，系统控制器425可以经配置以控制通过燃料排气处理器400的阳极排气、氢气和/或二氧化碳流。在一些实施例中，系统控制器425可操作地连接到SOFC系统300的系统控制器325，以使得系统控制器425可以基于SOFC系统300的操作条件来控制燃料排气处理器。
分离器440可以经配置以从第一再循环管道308A接收阳极排气。分离器440可以与热箱350和氢气分隔器410流体连接。举例来说，第一返回管道406A可以使分离器440的出口与热箱350流体连接，并且第一分隔管道401A和第二分隔管道401B可以使分离器440的出口与氢气分隔器410流体连接。特别地，可以从分离器440输出阳极排气的第一部分并且通过第一分隔管道401A提供到变换反应器450，并且可以通过第二分隔管道401B将从变换反应器450输出的阳极排气供应到氢气分隔器410。可以将阳极排气的第二部分从分离器440的出口输出到第一返回管道406A。可以通过阳极再循环鼓风机318移动从燃料排气处理器400输出的阳极排气通过第一返回管道406A到达SOFC系统300的混合器316。然而，阳极再循环鼓风机318可以安置于任何其它适合的位置中。
变换反应器450可以是类似于变换反应器380的WGS反应器，但可以经配置以在比变换反应器380低的温度下进行操作。因此，变换反应器380可以被称为高温变换反应器，而变换450可以被称为低温变换反应器。变换反应器450可以经配置以进一步减少提供到燃料排气处理器400的阳极排气的一氧化碳含量。举例来说，变换反应器450可以经配置以将阳极排气的一氧化碳含量减少到小于约0.3体积％，例如小于约0.2体积％，或小于约0.1体积％。
可以通过第二分隔管道401B将从变换反应器450输出的经纯化阳极排气(例如，低一氧化碳含量的阳极排气)提供到氢气分隔器410。热交换器444可操作地连接到第二分隔管道401B并且可以经配置以冷却穿过其的阳极排气。举例来说，热交换器444可以包括经配置以将热传递到供应到其的空气的风扇和/或冷却翅片。因此，热交换器444可以经配置以冷却阳极排气，以便防止氢气分隔器410过热和/或损坏。在一些实施例中，可以省去热交换器444。举例来说，如果变换反应器450包括内部冷却系统，如下文关于图4所公开，那么可以任选地省去热交换器444。
在各个实施例中，燃料排气处理器400可以与多个燃料电池系统10流体连接。举例来说，燃料排气处理器400可以经配置以处理从两个或更多个燃料电池系统输出的阳极排气，并且可以经配置以使富氢气燃料流返回到两个燃料电池系统。
氢气分隔器410可以包括一或多个氢气泵，所述氢气泵可以各自包括电化学氢气泵送单元420。举例来说，如图2中所示，氢气分隔器410可以包括第一氢气泵414A、第二氢气泵414B和第三氢气泵414C，以上各自包含堆叠的氢气泵送单元420。然而，本公开不限于任何特定数目个氢气泵。举例来说，在各个实施例中，第一氢气泵414A和第二氢气泵414B可以合并成单个堆叠的氢气泵送单元420。在其它实施例中，第一、第二和第三氢气泵414A、414B、414C可以合并成单个堆叠的氢气泵送单元420。
在一些实施例中，第一氢气泵414A可以包括比第二和/或第三氢气泵414B、414C更大数目个氢气泵送单元420。举例来说，第一氢气泵414A可以包括第二氢气泵414B和/或第三氢气泵414C的两倍数目个氢气泵送单元420。
在又其它实施例中，燃料排气处理器400可以仅输出单个氢气流。举例来说，可以省去第三氢气泵414C。特别地，可以使用通过ATO 330中的放热反应生成的热来补偿因通过使用ATO排气对提供到阴极同流换热器320中的燃料电池堆叠302的空气进行加热而在阳极同流换热器310中发生的吸热燃料重整反应所致的热损失。
第二分隔管道401B可以将阳极排气提供到第一氢气泵414A的阳极入口。第一氢气泵414A的阳极出口可以通过第一排气管道402A与第二氢气泵414B的阳极入口流体连接。第二氢气泵414B的阳极出口可以通过第二排气管道402B与第三氢气泵414C的阳极入口流体连接。第三氢气泵414C的阳极出口可以通过第三输出管道502C和第四输出管道502D与二氧化碳处理器520流体连接。
二氧化碳处理器520可以与二氧化碳储存装置或罐524流体连接。二氧化碳处理器520可以操作以压缩和/或冷却从燃料排气处理器400接收的二氧化碳流。处理器可以是经配置以从二氧化碳流除去水的冷凝器和/或干燥器。可以将二氧化碳流以蒸气、液体、固体或超临界二氧化碳的形式提供到二氧化碳处理器520。
可以使第一氢气管道404A与第一堆叠410A的阴极出口流体连接，可以使第二氢气管道404B与第二堆叠410B的阴极出口流体连接，并且可以使第三氢气管道404C与第三堆叠410C的阴极出口流体连接。可以使第一氢气管道与第一返回管道406A流体连接，并且可以使第二氢气管道404B与第一氢气管道404A流体连接。特别地，第一返回管道406A可以经配置以通过第一氢气泵114A、第二氢气泵414B和/或第三氢气泵414C将从阳极排气提取的氢气提供到混合器316，以使得可以使氢气再循环到堆叠302。
可以通过第二返回管道406B使第三氢气管道404C与燃料电池系统300流体连接。特别地，第二返回管道406B可以经配置以通过第三堆叠114C将从阳极排气提取的氢气提供到第二返回管道406B，所述第二返回管道可以将氢气提供到ATO 330。
在一些实施例中，任选的第四氢气管道404D可以使第三氢气管道404C与第一氢气管道404A流体连接。任选的第五氢气管道404E可以使第二氢气管道404B与第三氢气管道404C流体连接。第一输出管道502A和第二输出管道502B可以使第一氢气管道404A与氢气处理器500流体连接。
氢气处理器500可以包括例如冷凝器和/或压缩器，并且可以与氢气储存罐504流体连接。冷凝器可以是经配置以将从燃料排气处理器400接收的氢气流冷却到足以使氢气流中的水蒸气冷凝的温度的空气冷却或水增强型、空气冷却型冷凝器和/或热交换器。压缩器还可以经配置以压缩氢气，并且氢气罐504可以经配置以储存经压缩的氢气。
第一返回管道406A可以使分离器440与燃料电池系统300的混合器316流体连接。第二返回管道406B可以使第一分隔管道401A与ATO 330流体连接，并且还可以与第三氢气管道404C流体连接。在其它实施例中，第二返回管道406B可以与分离器440的出口流体连接。第三返回管道406C可以使第二分隔管道401B与第二返回管道406B流体连接。
在各个实施例中，燃料排气处理器400可以包括各种用于控制流体流动的阀门。举例来说，第一分隔管道阀401V1和第二分隔管道阀401V2可以分别经配置以控制穿过第一和第二分隔管道401A、401B的阳极排气流。第一氢气管道阀404V1、第二氢气管道阀404V2、第三氢气管道阀404V3、第四氢气管道阀404V4和第五氢气管道阀404V5可以经配置以分别控制穿过第一、第二、第三、第四和第五氢气管道404A、404B、404C、404D、404E的氢气流。氢气储存阀503例如双向阀可以经配置以控制从第一氢气管道404A流到输出管道502中的氢气流。第二返回管道阀406V2和第三返回管道阀406V3可以经配置以分别控制穿过第二和第三返回管道406B、406C的阳极排气流。
在一些实施例中，燃料排气处理器400可以与多个热箱100流体连接。举例来说，分离器440可以从多个再循环管道308A/308B接收阳极排气，并且可以与多个返回管道406A、406B流体连接。举例来说，再循环管道308A/308B和返回管道406A、406B可以分支并连接到不同热箱100。
系统300可以经配置以与可以由第三方在现场提供的各种不同的氢气处理器500和/或二氧化碳处理器520一起操作。因此，可能难以使从燃料排气处理器410输出的氢气和/或二氧化碳流的流动和/或生产速率与特定二氧化碳处理器520的通量匹配。特别地，所述变化可以诱导正和/或负压力波动。举例来说，如果氢气处理器500的通量过高(例如，氢气处理器500在氢气流上拉动过硬)，那么可以在系统300内诱导负压，或如果通量过低，那么可以在系统300内诱导正压。
所述压力波动可能会在系统300内造成问题。举例来说，过度负压力可能会导致空气泄漏到系统300中，或可能会导致跨系统300的电解质的高压变化，这可能会增加电解质损坏，例如破裂的风险。过高压力还可能会导致跨电解质的压力变化并增加电解质损坏的风险。
因此，系统300可以包括与第一和第二输出管道502A、502B流体连接的氢气鼓风机510。第一输出管道502A可以使燃料排气处理器400的氢气出口与氢气鼓风机510的入口流体连接。第二输出管道502B可以使氢气鼓风机510的出口与氢气处理器500流体连接。氢气鼓风机510可以经配置以增加氢气流的压力。举例来说，氢气鼓风机510可以经配置以将氢气流的压力增加约2到约15磅/平方英寸表压(psig)，例如约5到约10psig。氢气鼓风机510还可以操作以将系统300的组件例如燃料排气处理器400和/或堆叠302与由氢气处理器500诱导的压力波动分隔。
系统300还可以包括与第三和第四输出管道502C、502D流体连接的二氧化碳鼓风机512。第三出口管道502C可以使燃料排气处理器400的二氧化碳出口和二氧化碳鼓风机512的入口流体连接。第二二氧化碳管道502B可以使二氧化碳鼓风机512的出口与二氧化碳处理器520流体连接。二氧化碳鼓风机512可以经配置以增加二氧化碳流的压力。举例来说，二氧化碳鼓风机512可以经配置以将二氧化碳流的压力增加约2到约15磅/平方英寸表压(psig)，例如约5到约10psig。二氧化碳鼓风机512还可以操作以将系统300的分隔组件的组件例如燃料排气处理器400和/或堆叠302与由二氧化碳处理器520诱导的压力波动分隔。
在各个实施例中，系统300可以包括任选的分水装置530，所述分水装置经配置以从氢气流除去冷凝水，以便减少和/或防止液态水在氢气鼓风机510中积聚。在其它实施例中，系统300可以包括任选的分水装置532，所述分水装置经配置以从二氧化碳流除去冷凝水，以便减少和/或防止液态水在二氧化碳鼓风机512中积聚。
提供对所公开的方面的前述描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将容易明白对这些方面的各种修改，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可以应用于其它方面。因此，本发明并不既定限于本文所示的方面，而应符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最广泛范围。

Claims (20)

1.一种电解器系统，其包含：
经配置以生成蒸汽的蒸汽生成器；
经配置以使用由所述蒸汽生成器生成的所述蒸汽生成氢气流的固体氧化物电解池堆叠；
经配置以对由所述堆叠生成的所述氢气流加压的氢气鼓风机；以及
经配置以压缩经加压的氢气流的氢气处理器。
2.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包含控制器，所述控制器经配置以控制所述氢气鼓风机的操作，以使得所述经加压的氢气流的压力在约2磅/平方英寸表压psig到约15psig范围内。
3.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包含：
容纳所述堆叠的热箱；
将所述热箱的氢气出口与所述氢气鼓风机流体连接的第一输出管道；以及
将所述氢气鼓风机的出口与所述氢气处理器的入口流体连接的第二输出管道。
4.根据权利要求3所述的电解器系统，其中所述氢气鼓风机经配置以防止由所述氢气处理器生成的压力波动传输到所述堆叠。
5.根据权利要求3所述的电解器系统，其进一步包含与所述氢气处理器的出口流体连接的氢气罐。
6.根据权利要求3所述的电解器系统，其中氢气泵从多个热箱接收氢气流。
7.根据权利要求3所述的电解器系统，其进一步包含：
经配置以将氢气与从所述蒸汽生成器输出的蒸汽混合的混合器；以及
经配置以将氢气从所述第一输出管道分流到所述混合器的氢气分流器，其中所述混合器的出口与所述堆叠的入口流体连接。
8.根据权利要求7所述的电解器系统，其中所述混合器安置于所述热箱外部。
9.根据权利要求3所述的电解器系统，其进一步包含经配置以从所述第一输出管道除去冷凝水的分水装置。
10.根据权利要求1所述的电解器系统，其进一步包含：
经配置以使用提取自从所述堆叠输出的氧气排气的热对提供到所述蒸汽生成器的水进行预热的水预热器；
经配置以通过将经预热的水汽化而生成蒸汽的汽化器；以及
经配置以将所述蒸汽的温度升高约10℃到约100℃的过热器。
11.一种燃料电池系统，其包含：
热箱；
安置于所述热箱中并且经配置以生成电力的固体氧化物燃料电池堆叠；
安置于所述热箱中的阳极尾气氧化器ATO；
经配置以分离从所述堆叠接收的阳极排气流并输出二氧化碳流和氢气流的燃料排气处理器；
经配置以对所述氢气流加压的氢气鼓风机；
经配置以压缩经加压的氢气流的氢气处理器；以及
经配置以压缩所述二氧化碳流的二氧化碳处理器。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其进一步包含控制器，所述控制器经配置以控制所述氢气鼓风机的操作，以使得所述经加压的氢气流的压力在约2磅/平方英寸表压psig到约15psig范围内。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其进一步包含
将所述燃料排气处理器的氢气出口与所述氢气鼓风机流体连接的第一输出管道；以及
将所述氢气鼓风机的出口与所述氢气处理器的入口流体连接的第二输出管道。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述氢气鼓风机经配置以防止由所述氢气处理器生成的压力波动传输到所述燃料排气处理器。
15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其进一步包含与所述氢气处理器的出口流体连接的氢气罐。
16.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其进一步包含经配置以在将所述二氧化碳流提供到所述二氧化碳处理器之前对所述二氧化碳流加压的二氧化碳鼓风机。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其进一步包含
将所述燃料排气处理器的二氧化碳出口与所述二氧化碳鼓风机流体连接的第三输出管道；以及
将所述二氧化碳鼓风机的出口与所述二氧化碳处理器的入口流体连接的第四输出管道。
18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述二氧化碳鼓风机经配置以防止由所述二氧化碳处理器生成的压力波动传输到所述燃料排气处理器。
19.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其进一步包含与所述二氧化碳处理器的出口流体连接的二氧化碳罐。
20.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料排气处理器包含：
经配置以从接收自所述堆叠的所述阳极排气流中提取氢气并向提供到所述燃料排气处理器的第一氢气流输出所述氢气的第一氢气泵；
经配置以从输出自所述第一氢气泵的阳极排气中提取氢气并向所述第一氢气流输出所述氢气的第二氢气泵；以及
经配置以从输出自所述第二氢气泵的阳极排气中提取氢气并向提供到所述ATO的第二氢气流输出所述氢气的第三氢气泵。
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