TW202335339A - 包含燃料排出物處理器之燃料電池系統及操作彼之方法 - Google Patents

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萊恩 強森
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Abstract

本發明係關於一種燃料電池系統及方法，該系統包含熱箱、安置於該熱箱中之燃料電池堆疊、安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)以及與該熱箱流體連接之燃料排出物處理器。該燃料排出物處理器包含：第一氫氣泵，其經組態用於自該燃料電池堆疊接收之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出到被提供至該燃料電池堆疊之第一氫氣流；第二氫氣泵，其經組態用於自該第一氫氣泵輸出之陽極排出物提取氫氣並將該氫氣輸出至該第一氫氣流；以及第三氫氣泵，其經組態用於自該第二氫氣泵輸出之陽極排出物提取氫氣並將該氫氣輸出到被提供至該ATO的第二氫氣流。

Description

包含燃料排出物處理器之燃料電池系統及操作彼之方法
本發明各態樣係關於燃料電池系統及方法，且更具體言之，關於包含經組態用於產生純化之二氧化碳及氫氣流之燃料排出物處理模組的燃料電池系統。
燃料電池，諸如固體氧化物燃料電池，係可將儲存在燃料中之能量高效地轉化為電能的電化學裝置。高溫燃料電池包含固體氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫氣及/或烴類燃料操作。存在多個種類之燃料電池，諸如固體氧化物再生型燃料電池，此等燃料電池亦允許反向操作，由此能使用電能作為輸入將氧化燃料再還原成未氧化之燃料。
根據各個實施例，提供一種燃料電池系統，其包括：熱箱；安置於該熱箱中之燃料電池堆疊；安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)；以及燃料排出物處理器，其與該熱箱流體連接並包括：第一氫氣泵，其經組態用於自該燃料電池堆疊接收之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至提供至該燃料電池堆疊的第一氫氣流；第二氫氣泵，其經組態用於自該第一氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至第一氫氣流；及第三氫氣泵，其經組態用於自該第二氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至提供至該ATO的第二氫氣流。
根據各個實施例，提供一種燃料電池系統，其包括：熱箱；安置於該熱箱中之燃料電池堆疊；安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)；以及經組態用於自該燃料電池堆疊接收陽極排出物之再循環管道；與該再循環管道流體連接的分流器；低溫轉化反應器；氫氣分離器，該氫氣分離器包括：第一氫氣泵、與該第一氫氣泵流體連接之第二氫氣泵及與該第二氫氣泵流體連接之第三氫氣泵；供應管道，其將該分流器之出口與該氫氣分離器流體連接；第一分離器管道，其將該分流器與該低溫轉化反應器流體連接；第二分離器管道，其將該低溫轉化反應器與該第一氫氣泵流體連接；第一回流管道，其將該分流器之出口與該燃料電池堆疊流體連接；第二回流管道，其將該分流器之出口或該分離器管道與該ATO流體連接；以及第三回流管道，其將該分離器管道與該第二回流管道流體連接。
根據各個實施例，提供一種燃料電池系統，其包括：熱箱；安置於該熱箱中之燃料電池堆疊；安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)；以及燃料排出物處理器，該燃料排出物處理器與該熱箱流體連接並包括：第一氫氣泵，其經組態用於自該燃料電池堆疊接收之陽極排出物中提取氫氣；及第二氫氣泵，其經組態用於自該第一氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣；其中該第一氫氣泵及該第二氫氣泵將氫氣輸出至該熱箱之一或多個組件。
相關申請案的交叉參考
本申請案係主張2021年11月12日申請之美國臨時申請案第63/278,485號之權益的非臨時申請案，該等美國臨時申請案之內容以全文引用的方式併入本文中。
將參考附圖詳細描述各個實施例。適當時，在整個附圖中將使用相同之附圖標記來指代相同或相似的部件。提到特定實例及實施方式係出於說明性目的，而不意圖限制本發明或申請專利範圍之範圍。
在固體氧化物燃料電池(SOFC)系統中，燃料入口流可經加濕以促進燃料重整反應，例如蒸汽重整及水煤氣轉化反應。另外，在系統啟動、關機及電網中斷事件期間，可將水添加至燃料入口流中以防止諸如催化劑之類系統組分的焦化。習知地，此類加濕係藉由在含有波紋管之蒸汽發生器中將水汽化來進行的。水流動穿過波紋管且經圍繞管外流動之陰極復熱器熱交換器排出物流加熱。然而，利用相對較低溫度之陰極復熱器排出物流一般需要相當長的波紋管，以便吸收足夠熱量以將水汽化。此外，蒸汽發生器相對較大且笨重，由此亦增加系統大小、複雜性及製造成本。
相比之下，本發明之實施例提供水噴射器，其經組態用於將水直接噴射至陽極排出物再循環流中，該陽極排出物再循環流提供熱以將水汽化成蒸汽及/或將水霧化成小到足以夾帶在陽極排出物流中的小液滴。陽極排出物再循環流再循環至經提供至燃料電池堆疊中之燃料入口流中，使得加濕之燃料被提供至燃料電池堆疊之燃料電池。因此，可省略先前技術蒸汽發生器以減小系統大小、複雜性及成本。另外，實施例系統可使用相對較短的非波紋水管道操作，由此可改進系統回應時間且減小系統大小及成本。 SOFC 系統
圖1係根據本發明各個實施例之SOFC系統10的示意圖。參看圖1，系統10包含熱箱100及安置於熱箱中或鄰近於熱箱的各個組件。熱箱100可含有至少一個燃料電池堆疊102，諸如含有交替之燃料電池及互連件的固體氧化物燃料電池堆疊。該堆疊之一個固體氧化物燃料電池含有陶瓷電解質，諸如氧化釔穩定之氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩定之氧化鋯(SSZ)、氧化鈧及二氧化鈰穩定之氧化鋯或氧化鈧、氧化釔及二氧化鈰穩定之氧化鋯；陽極電極，諸如鎳-YSZ、鎳-SSZ或鎳摻雜的二氧化鈰金屬陶瓷；以及陰極電極，諸如亞錳酸鍶鑭(LSM)。互連件可以為金屬合金互連件，諸如鉻-鐵合金互連件。堆疊102可呈複數個行彼此堆放佈置。
熱箱100亦可含有陽極復熱器熱交換器110、陰極復熱器熱交換器120、陽極尾氣氧化器(ATO) 130、陽極排出物冷卻器熱交換器140、渦流發生器172及水噴射器160。系統10還可包含催化部分氧化(CPOx)反應器200、混合器210、CPOx風機204 (例如鼓風機)、系統風機208 (例如主鼓風機)及陽極再循環風機212，以上可以安置於熱箱100之外部。然而，本發明不限於每個組件相對於熱箱100之任何特定位置。
CPOx反應器200經由燃料管道300A自燃料入口300接收燃料入口流。燃料入口300可以為燃料箱或公用天然氣管線，其包含用於控制被提供至CPOx反應器200之燃料之量的閥。CPOx風機204可在系統啟動期間將空氣提供至CPOx反應器200。燃料及/或空氣可藉由燃料管道300B提供至混合器210。燃料經由燃料管道300C自混合器210流至陽極復熱器110。燃料在陽極復熱器110中被一部分燃料排出物加熱，且接著，燃料經由燃料管道300D自陽極復熱器110流至SOFC堆疊102。
主鼓風機208可經組態成經由空氣管道302A將空氣流(例如空氣入口流)提供至陽極排出物冷卻器140。空氣經由空氣管道302B自陽極排出物冷卻器140流至陰極復熱器120。空氣在陰極復熱器120中被ATO排出物加熱。空氣經由空氣管道302C自陰極復熱器120流至SOFC堆疊102。
SOFC堆疊102中產生的陽極排出物(例如燃料排出物)經由陽極排出物管道308A提供至陽極復熱器110。陽極排出物可以含有未反應之燃料且在本文中亦可以稱為燃料排出物。陽極排出物可以藉由陽極排出物管道308B自陽極復熱器110提供至轉化反應器180，諸如視情況選用之水煤氣轉化(WGS)反應器。在一些實施例中，WGS反應器之反應可替代地在燃料排出物處理器400之低溫轉化(LTS)反應器中反應。水噴射器160可與陽極排出物管道308B流體連接。陽極排出物可以藉由陽極排出物管道308C自轉化反應器180提供至陽極排出物冷卻器140。陽極排出物加熱陽極排出物冷卻器140中的空氣入口流，且接著可以將其自陽極排出物冷卻器140提供至燃料排出物處理器400。
具體言之，可以藉由第一再循環管道310A將陽極排出物自陽極排出物冷卻器140輸出至燃料排出物處理器400。在一些實施例中，可以藉由視情況選用之第二再循環管道310B將陽極排出物提供至燃料排出物處理器400。具體言之，第二再循環管道310B可以經組態用於將比第一再循環管道310A要熱的陽極排出物提供至燃料排出物處理器400，因為陽極排出物在進入第一再循環管道310A之前在陽極排出物冷卻器140中冷卻。在一些組態中，陽極排出物可流動穿過第一再循環管道310A及第二再循環管道310B。
轉化反應器180可以為將燃料排出物之組分轉化成游離氫氣(H 2)及/或水的任何適合裝置。舉例而言，轉化反應器180可以包括含有催化劑之管子或管道，該催化劑經由水煤氣轉化反應(CO + H 2O ↔ CO 2+ H 2)將燃料排出物流中之一氧化碳(CO)及水蒸氣轉化成二氧化碳及氫氣。因此，轉化反應器180增加陽極排出物中氫氣及二氧化碳之量且減少陽極排出物中一氧化碳之量。舉例而言，轉化反應器180可以將陽極排出物中一氧化碳之量減少至約5體積%或更少，諸如約4體積%或更少，或約3體積%或更少。催化劑可以為任何適合的催化劑，諸如氧化鐵或鉻促進之氧化鐵催化劑。
SOFC堆疊102中產生的陰極排出物經由陰極排出物管道304A流至ATO 130。渦流發生器172可以安置於陰極排出物管道304A中且可以經組態用於使陰極排出物渦旋。ATO燃料管道304A可與渦流發生器172或與陰極排出物管道304A或在渦流發生器172下游的ATO 130流體連接。渦旋的陰極排出物可在ATO 130處(例如ATO噴射器空間處)與自燃料排出物處理器400輸出之氫氣混合。混合物可在ATO 130中氧化以產生ATO排出物。ATO排出物經由陰極排出物管道304B自ATO 130流至陰極復熱器120。排出物自陰極復熱器120流出並經由陰極排出物管道304C流出熱箱100。
水經由水管道306自諸如水槽或水管之類水源206流至水噴射器160。水噴射器160將水直接噴射至陽極排出物管道308C中提供的陽極排出物之第一部分中。來自陽極排出物管道308C中提供的陽極排出物(又稱為再循環之陽極排出物流)之第一部分的熱將水汽化以產生蒸汽。該蒸汽與陽極排出物混合，且將所得混合物提供至陽極排出物冷卻器140。接著，該混合物經傳遞穿過燃料排出物處理器400且被提供至混合器210。混合器210經組態用於混合天然氣(或若CPOx經點燃，則為CPOx流出物)及來自陽極再循環風機212之物流的陽極再循環物。接著，此加濕之燃料混合物可在陽極復熱器110中經陽極排出物加熱，隨後被提供至SOFC堆疊102。系統10還可包含位於陽極復熱器110之內部及/或下游的一或多種燃料重整催化劑112、114及116。重整催化劑在經提供至SOFC堆疊102之前，部分地(例如15%、20%等)重整為加濕之燃料混合物。
系統10可進一步包含經組態用於控制系統10之各個元件的系統控制器225。系統控制器225可包含經組態用於執行所儲存之指令的中央處理單元。舉例而言，系統控制器225可經組態成根據燃料組成資料控制穿過系統10之燃料及/或空氣流。 燃料排出物處理器
圖2係顯示根據本發明各個實施例的燃料排出物處理器400之組件的示意圖。參看圖1及圖2，燃料排出物處理器400可以包含氫氣分離器410、系統控制器425、分流器440、低溫轉化反應器450及熱交換器444。系統控制器425可以為經組態用於執行所儲存之指令的中央處理單元。舉例而言，系統控制器425可以經組態用於控制穿過燃料排出物處理器400的陽極排出物、氫氣及/或二氧化碳流。在一些實施例中，系統控制器425可操作地連接至SOFC系統10之系統控制器225，以使得系統控制器425可以基於SOFC系統10之操作條件來控制燃料排出物處理器。
分流器440可以經組態用於自第一再循環管道310A接收陽極排出物。分流器440可與熱箱100及氫氣分離器410流體連接。舉例而言，第一回流管道406A可將分流器440之出口與熱箱100流體連接，且第一分離器管道401A及第二分離器管道401B可將分流器440之出口與氫氣分離器410流體連接。具體言之，陽極排出物之第一部分可以自分流器440輸出且經由第一分離器管道401A提供至轉化反應器450，且自轉化反應器450輸出之陽極排出物可以藉由第二分離器管道401B供應至氫氣分離器410。陽極排出物之第二部分可以自分流器440之出口輸出至第一回流管道406A。自燃料排出物處理器400輸出之陽極排出物可以藉由陽極再循環風機212移動穿過第一回流管道406A，到達SOFC系統10之混合器210。然而，陽極再循環風機212可以安置於任何其他適合的位置中。
轉化反應器450可以為類似於轉化反應器180之WGS反應器，但可以經組態成在比轉化反應器180低的溫度下操作。因此，轉化反應器180可以稱為高溫轉化反應器，而轉化反應器450可以稱為低溫轉化反應器。轉化反應器450可以經組態用於進一步減少提供至燃料排出物處理器400之陽極排出物的一氧化碳含量。舉例而言，轉化反應器450可以經組態用於將陽極排出物之一氧化碳含量減少至小於約0.3體積%，例如小於約0.2體積%，或小於約0.1體積%。
自轉化反應器450輸出的經純化之陽極排出物(例如低一氧化碳含量之陽極排出物)可以藉由第二分離器管道401B提供至氫氣分離器410。熱交換器444可操作地連接至第二分離器管道401B且可以經組態用於冷卻自其穿過的陽極排出物。舉例而言，熱交換器444可以包含經組態用於將熱傳遞到供應至其之空氣的風扇及/或散熱片。因此，熱交換器444可以經組態用於冷卻陽極排出物，以便防止氫氣分離器410過熱及/或損壞。在一些實施例中，可以省去熱交換器444。舉例而言，若轉化反應器450包含內部冷卻系統，如下文關於圖4A及圖4B所揭示，可以視情況省去熱交換器444。
在各個實施例中，燃料排出物處理器400可與多個SOFC系統10流體連接。舉例而言，燃料排出物處理器400可以經組態用於處理自兩個或更多個燃料電池系統輸出之陽極排出物，且可以經組態用於將富含氫氣之燃料流返回至兩個燃料電池系統。
氫氣分離器410可以包含一或多個氫氣泵，該一或多個氫氣泵可以各自包含電化學氫泵電池420。舉例而言，如圖2中所示，氫氣分離器410可以包含第一氫氣泵414A、第二氫氣泵414B及第三氫氣泵414C，其各自包括堆疊之氫泵電池420。然而，本發明不限於任何特定數目個氫氣泵。舉例而言，在各個實施例中，第一氫氣泵414A與第二氫氣泵414B可以組合成氫泵電池420之單個堆疊。在其他實施例中，第一氫氣泵414A、第二氫氣泵414B及第三氫氣泵414C可以組合成氫泵電池420之單個堆疊。
在一些實施例中，第一氫氣泵414A可以包含數目比第二氫氣泵414B及/或第三氫氣泵414C要大的氫泵電池420。舉例而言，第一氫氣泵414A可以包含第二氫氣泵414B及/或第三氫氣泵414C之兩倍數目個氫泵電池420。
在又其他實施例中，燃料排出物處理器400可以僅輸出單一氫氣流。舉例而言，可以省去第三氫氣泵414C。具體言之，可以使用由ATO 130中之放熱反應產生的熱，藉由使用ATO排出物加熱被提供至陰極復熱器120中之燃料電池堆疊102的空氣來補償由於在陽極復熱器110中發生之吸熱燃料重整反應引起的熱損失。當沒有H 2燃料饋送至ATO 130時，則ATO 130中不存在放熱反應。因此，當在不需要來自ATO 130之熱的情況下，在穩態條件下操作SOFC堆疊時，則可省去供應至ATO 130的燃料流。
第二分離器管道401B可以將陽極排出物提供至第一氫氣泵414A之陽極入口。第一氫氣泵414A之陽極出口可以藉由第一排出物管道402A與第二氫氣泵414B之陽極入口流體連接。第二氫氣泵414B之陽極出口可以藉由第二排出物管道402B與第三氫氣泵414C之陽極入口流體連接。第三氫氣泵414C之陽極出口可藉由二氧化碳儲存管道52與二氧化碳儲存裝置50流體連接。
二氧化碳儲存裝置50可包含二氧化碳處理器及二氧化碳儲罐。處理器可以操作以壓縮及/或冷卻自燃料排出物處理器400接收之二氧化碳流。處理器可以為經組態用於自二氧化碳流移除水之冷凝器及/或乾燥器。二氧化碳流可以呈蒸氣、液體、固體或超臨界二氧化碳形式提供至二氧化碳儲存裝置50。二氧化碳儲存裝置50亦可在壓縮之後將二氧化碳冷凝成液相。
第一氫氣管道404A可與第一氫氣泵414A之陰極出口流體連接，第二氫氣管道404B可與第二氫氣泵414B之陰極出口流體連接，且第三氫氣管道404C可與第三氫氣泵414C之陰極出口流體連接。第一氫氣管道404A可與第一回流管道406A流體連接，且第二氫氣管道404B可與第一氫氣管道404A流體連接。具體言之，第一回流管道406A可以經組態成藉由第一氫氣泵414A、第二氫氣泵414B及或第三氫氣泵414C將自陽極排出物提取之氫氣提供至混合器210，由此使氫氣能夠再循環至SOFC堆疊102。
第三氫氣管道404C可以藉由第二回流管道406B與SOFC系統10流體連接。具體言之，第二回流管道406B可以經組態成藉由第三堆疊414C將自陽極排出物提取之氫氣提供至第二回流管道406B，該第二回流管道可以將氫氣提供至ATO 130。
在一些實施例中，視情況選用之第四氫氣管道404D可將第三氫氣管道404C與第一氫氣管道404A流體連接。視情況選用之第五氫氣管道404E可將第二氫氣管道404B與第三氫氣管道404C流體連接。視情況選用之氫氣儲存管道56可將第一氫氣管道404A與氫氣儲存裝置54流體連接。
氫氣儲存裝置54可以包含例如冷凝器及氫氣儲罐。冷凝器可以為空氣冷卻式或水增強型、空氣冷卻式冷凝器及/或熱交換器，其經組態用於將自燃料排出物處理器400接收之氫氣流冷卻至足以使氫氣流中之水蒸氣冷凝的溫度。氫氣儲存裝置54可進一步包含壓縮至所希望之儲存壓力。超過環境的廣泛範圍之壓力係可行的，但可能設定成符合所允許之管道系統標準的值(例如150 psig、300 psig、600 psig、1500 psig等)。
第一回流管道406A可將分流器440與SOFC系統10之混合器210流體連接。第二回流管道406B可將第一分離器管道401A與ATO 130流體連接，且亦可與第三氫氣管道404C流體連接。在其他實施例中，第二回流管道406B可與分流器440之出口流體連接。第三回流管道406C可將第二分離器管道401B與第二回流管道406B流體連接。
在各個實施例中，燃料排出物處理器400可以包含用於控制流體流動之各種閥。舉例而言，第一分離器管道閥401V1及第二分離器管道閥401V2可以分別經組態用於控制穿過第一分離器管道401A及第二分離器管道401B之陽極排出物流動。第一氫氣管道閥404V1、第二氫氣管道閥404V2、第三氫氣管道閥404V3、第四氫氣管道閥404V4及第五氫氣管道閥404V5可以經組態用於分別控制穿過第一氫氣管道404A、第二氫氣管道404B、第三氫氣管道404C、第四氫氣管道404D及第五氫氣管道404E之氫氣流動。氫氣儲存閥56V，諸如雙向閥可以經組態用於控制自第一氫氣管道404A流至氫氣儲存管道56中之氫氣流動。第二回流管道閥406V2及第三回流管道閥406V3可以經組態用於分別控制穿過第二回流管道406B及第三回流管道406C之陽極排出物流動。
在一些實施例中，燃料排出物處理器400可與多個熱箱100流體連接。舉例而言，分流器440可以自多個再循環管道310A/310B接收陽極排出物，且可以與多個回流管道406A、406B流體連接。舉例而言，再循環管道310A/310B以及第一回流管道406A及第二回流管道406B可以分支並連接至不同熱箱100。 氫泵電池
圖3係根據本發明各個實施例，可包含在燃料排出物處理器400中之氫泵電池420的截面圖。參看圖4，氫泵電池420可以為聚合物電解質(PEM)電池，其包含陽極氣體擴散層(GDL) 422、陰極GDL 424及安置於其間之膜電極組件(MEA)。MEA可包含GDL、陽極426、陰極428及安置於其間之聚合物膜430。氫泵電池420可安置於雙極板432之間。雙極板432可包含用於將反應物遞送到安置於其上之氫泵電池420的通道。雙極板432可以由諸如石墨之類材料形成。
GDL 422、424可以由多孔介質形成，該多孔介質經組態用於分配或移除自相鄰雙極板432接收之反應物。GDL可包括例如用諸如聚四氟乙烯(PTFE)之類疏水性材料處理的碳紙以減少水積累。陽極426可以經組態用於氧化氫氣。陰極428可以經組態用於放出氫氣(亦即，將2H +轉化成H 2)。舉例而言，陽極426及陰極428可包含Pt/C催化劑。在一些實施例中，陰極428可例如具有比陽極426更高或更低的催化劑負載量。在陽極426及/或陰極428處的催化劑類型(例如在陰極及/或陽極側上的抗CO催化劑)及負載量可變化。膜430可以經組態用於傳輸離子。舉例而言，膜430可包含離聚物，例如Nafion。當在陽極426與陰極428之間施加電勢時，在陽極426處產生氫離子，所施加之電勢驅動氫離子穿過膜430，且氫離子再組合以在陰極428處放出氫氣。在一些實施例中，陽極426可以為如2021年3月8日申請之印度臨時申請案號2021-11016645及美國申請案第17/715,353號中所揭示的抗一氧化碳陽極，該等申請案各自以全文引用的方式併入本文中。 具有主動冷卻之轉化反應器
圖4A係根據本發明各個實施例，可包含在圖2之燃料排出物處理器400中之低溫轉化反應器450的透視圖，且圖4B係轉化反應器450之截面圖。參看圖4A及圖4B，轉化反應器450可包含蓋板451、入口452、出口454、第一腔室456、第二腔室458、冷卻管道460、風扇外殼462、至少一個風扇464、第一篩網466、第二篩網468、第一催化劑床470、第二催化劑床472及控制單元474。
蓋板451可覆蓋第一腔室456，且第一腔室456可安置於第二腔室458上方。冷卻管道460可安置於第一腔室456與第二腔室458之間。風扇外殼462及風扇464可連接至冷卻管道460。第一篩網466可安置成鄰近於第一腔室456的底部，且第二篩網468可安置成鄰近於第二腔室458的底部。第一催化劑床470可安置於第一腔室456中且在第一篩網466上，且第二催化劑床472可安置於第二腔室458中且在第二篩網468上。
第一催化劑床470及第二催化劑床472可包含任何適合的WGS反應催化劑，諸如氧化鐵或鉻促進之氧化鐵催化劑。取決於溫度範圍，可使用鋅-銅或鉻鐵合金催化劑或其他已知的催化劑。催化劑可在約200℃至約300℃範圍內的溫度下具有可接受的催化活性。或者，在一些情況下，催化劑可在低至150℃下仍具有活性。在一些實施例中，第一催化劑床470及第二催化劑床472可包含相同催化劑或不同催化劑。在各個實施例中，轉化反應器450可以經組態用於將陽極排出物之一氧化碳含量減小至約0.3%或更低。
在各個實施例中，第一催化劑床470可不完全填滿第一腔室456。具體言之，第一空間S1可形成於第一催化劑床470之上表面與蓋板451之下表面之間。第一篩網466可分離第一催化劑床470與冷卻管道460，且第二催化劑床472之頂表面可與冷卻管道460分隔開，由此在第一腔室456與第二腔室458之間之冷卻管道460周圍形成第二空間S2。類似地，第二篩網468可將第二催化劑床472與第二腔室458之底部分離，由此在第二篩網468下方形成第三空間S3。
入口452可以經組態用於將陽極排出物提供至第一腔室456。具體言之，陽極排出物可被提供至第一空間S1，隨後進入第一催化劑床470。因此，陽極排出物可分散於第一空間S1中且在第一催化劑床470中均勻地分配。接著，陽極排出物可穿過第一篩網466並進入第二空間S2中，其中陽極排出物可分散於冷卻管道460之周圍，隨後進入第二催化劑床472。接著，陰極排出物可流動穿過第二催化劑床472、第二篩網470並進入第三空間S3中，隨後進入出口454。
風扇464可以為經組態用於強制空氣進入風扇外殼462中並穿過冷卻管道460之變速風扇。風扇外殼462可具有三角形截面且可以經組態用於將自相對較大直徑之風扇464輸出的空氣導引至相對較小直徑之冷卻管道460中。流動穿過冷卻管道460之空氣可降低冷卻管道460的溫度，冷卻管道可藉由與陽極排出物相互作用而被加熱。因此，冷卻管道460可以經組態成藉由將熱傳遞至流動穿過其中的空氣來降低陽極排出物之溫度。在一些實施例中，可在風扇外殼462內安置視情況選用之空氣過濾器(未示出)。
在各個實施例中，控制單元474可經組態成基於流動穿過轉化反應器450的陽極排出物之溫度及/或催化劑床470、472之溫度來控制風扇464的速度。具體言之，在轉化反應器450操作期間發生的放熱氧化反應可增加流動穿過其中的陽極排出物之溫度。在穩態操作期間，控制單元474可以經組態成以足以將陽極排出物之溫度維持在所需溫度範圍內，諸如在約200℃至約250℃範圍內之溫度，諸如在約210℃至約240℃範圍內之溫度的速度操作風扇。
具體言之，風扇464之速度可基於穿過轉化反應器450之陽極排出物流動速率進行控制，其中在較高的陽極排出物流動速率下利用較高的風扇速度。在其他實施例中，風扇速度可基於轉化反應器450之溫度及/或流動越過冷卻管道460及/或自轉化反應器450輸出之陽極排出物的溫度進行控制。舉例而言，控制單元474可包含或可操作地連接至經組態用於偵測陽極排出物溫度之溫度感測器，諸如熱電偶。舉例而言，溫度感測器可以經組態用於偵測鄰近於冷卻管道460及/或鄰近於第二催化劑床472之頂部的陽極排出物之溫度。在一些實施例中，例如，轉化反應器450可包含多個溫度感測器，以便提供溫度偵測冗餘。
在一些實施例中，若相對較冷之陽極排出物(例如在系統啟動期間)被提供至轉化反應器450，則可不操作風扇464。然而，在一些實施例中，風扇464可在系統啟動期間操作，以便防止由放熱反應引起之過量熱積累，該放熱反應可因氣體物質吸附至催化劑材料而發生。在一些實施例中，轉化反應器450可視情況包含加熱元件(未示出)，諸如安置於轉化反應器450之外表面上的加熱帶。加熱元件可例如在系統啟動期間使用，以便將轉化反應器450加熱(例如加熱第一催化劑床470及/或第二催化劑床472)至所希望之操作溫度。
在一些實施例中，第一篩網466及/或蓋板451可以為可卸除的，以便於催化劑裝載。舉例而言，蓋板451及第一篩網466可經卸除，催化劑材料可填充於冷卻管道460之間以在第二腔室458中形成第二催化劑床472。第一篩網466可經由定位焊或機械緊固件安裝及緊固，且接著可將催化劑材料填充至第一腔室456中以形成第一催化劑床470。接著，可附接蓋板451。
冷卻管道460可分開在約2 mm至約7 mm範圍內，諸如約3 mm至約5 mm範圍內的間隙，以便允許將催化劑材料裝載至第二腔室458中。在一些實施例中，冷卻管道460可具有三角形間距或矩形間距。在各個實施例中，冷卻管道460可包含熱傳遞結構，諸如外部翅片或類似元件，以增加熱傳遞。在各個實施例中，轉化反應器450可包含單列或冷卻管道460，如圖4A及圖4B中所示。在其他實施例中，轉化反應器450可在第二空間S2中包含多列冷卻管道460。在其他實施例中，轉化反應器450可包含超過兩個催化劑床，及安置於每對催化劑床之間的至少一列冷卻管道。舉例而言，轉化反應器450可包含三個催化劑床及兩列冷卻管道。 包含 燃料排出物處理在內的 SOFC 系統操作方法
圖5係顯示根據本發明各個實施例，在啟動模式期間SOFC系統10之燃料流通的示意圖，其中燃料流動以虛線示出。參看圖1及圖5，在啟動期間，SOFC系統10之各個組件可自環境溫度加熱至操作溫度。因此，SOFC系統可以經組態用於儘可能快地將組件加熱至操作溫度。
具體言之，陽極排出物可經由第二再循環管道310B自熱箱100輸出至燃料排出物處理器400之分流器440。然而，在一些實施例中，可使用第一再循環管道310A提供陽極排出物。分流器440可經由第一回流管道406A將陽極排出物之第一部分輸出回到熱箱100。具體言之，可使用陽極排出物之第一部分維持被提供至SOFC堆疊102之燃料中碳與氧的比率。
分流器440可經由第二回流管道406B將陽極排出物之第二部分輸出至熱箱100。陽極排出物之第一部分可被提供至SOFC堆疊102，且陽極排出物之第二部分可被提供至ATO 130。
具體言之，系統控制器425可關閉第一分離器管道閥401V1及第三回流管道閥406V3，且可打開第二回流管道閥406V2，以便引導陽極排出物之第二部分遠離氫氣分離器410並將其引導回到ATO 130。換言之，在系統啟動期間，可不操作氫氣分離器410。
圖6係顯示根據本發明各個實施例，在低電流穩態模式期間SOFC系統10之燃料流通的示意圖，其中燃料流動以虛線示出。參看圖1及圖6，若對熱箱100及/或其中包含之堆疊102施加相對較低的電流負載，例如小於約25安培之電流負載，則熱箱中產生之熱的量可能不足以進行穩定發電，無需由ATO 130產生另外的熱。因此，系統控制器425可以經組態用於將來自燃料排出物處理器400之陽極排出物提供至ATO 130。
舉例而言，陽極排出物可經由第一再循環管道310A自熱箱100輸出至分流器440。陽極排出物之第一部分可自分流器440輸出並經由第一回流管道406A返回至熱箱100。
陽極排出物之第二部分經由第一分離器管道401A自分流器440輸出至轉化反應器450。自轉化反應器450輸出之陽極排出物可經由第二分離器管道401B提供至視情況選用之熱交換器444，隨後被提供至第三回流管道406C。在替代方案中，陽極排出物可自第二分離器管道401B直接提供至第三回流管道406C。接著，陽極排出物可經由第二回流管道406B提供至用於ATO中的熱箱100。
因此，在低電流模式期間，氫氣分離器410不被提供陽極排出物且不被操作。具體言之，系統控制器425可關閉第二分離器管道閥401V2、第二回流管道閥406V2及第一氫氣管道閥404V1，以隔離氫氣分離器410，且可打開第一分離器管道閥401V1及第三回流管道閥406V3，以將陽極排出物提供至ATO 130。
圖7係顯示根據本發明各個實施例，在高電流穩態模式期間SOFC系統10之燃料流通的示意圖，其中燃料流動以虛線示出。參看圖1、圖2及圖7，若對熱箱100及/或其中所包含之堆疊102施加相對較高的電流負載，例如至少25安培之電流負載，則可在熱箱100中產生之熱的量可足以進行或大致足以進行穩定發電。因此，可使ATO 130之熱輸出及燃料消耗減到最少。
舉例而言，陽極排出物可經由第一再循環管道310A自熱箱100輸出至分流器440。陽極排出物之第一部分可自分流器440輸出並經由第一回流管道406A返回至熱箱100。
陽極排出物之第二部分經由第一分離器管道401A自分流器440輸出至轉化反應器450。轉化反應器450可將陽極排出物之一氧化碳含量自約5體積%減小至小於約0.3體積%。在一些實施例中，一氧化碳含量之此進一步減小可減少及/或防止氫氣分離器410之陽極催化劑失活。
舉例而言，轉化反應器450可在操作期間主動冷卻，由此使陽極排出物在小於約240℃，諸如小於約220℃或小於約200℃之溫度下自轉化反應器450輸出，此可足以防止損壞氫泵電池420的膜。因此，當使用主動冷卻式轉化反應器450時，在一些實施例中可省去熱交換器444。
然而，在其他實施例中，可使用熱交換器444進一步降低自轉化反應器450輸出之陽極排出物的溫度。舉例而言，熱交換器444可將陽極排出物之溫度降低至約100℃或更低，諸如降低到約80℃至約50℃、約75℃至約55℃或至約65℃的溫度。熱交換器444可藉由將熱傳遞至環境空氣來冷卻陽極排出物。
陽極排出物可經由第二分離器管道401B自轉化反應器450及/或熱交換器444輸出至第一氫氣泵414A之陽極入口。具體言之，系統控制器425可關閉第二回流管道閥406V2及第三回流管道閥406V3，且可以打開第一分離器管道閥401V1及第二分離器管道閥401V2，由此僅將陽極排出物之第二部分提供至燃料排出物處理器400。
陽極排出物可分配至第一氫氣泵414A中各氫泵電池420之陽極。可將電力提供至氫泵電池420以將氫氣自陽極排出物分離。放出之氫氣可經由第一氫氣管道404A自第一氫氣泵414A之陰極出口輸出至第一回流管道406A。剩餘之陽極排出物可經由第一排出物管道402A自第一氫氣泵414A之陽極出口輸出至第二氫氣泵414B之陽極入口。
可將電力施加至第二氫氣泵414B之氫泵電池420以將氫氣自流動穿過其中的陽極排出物分離。分離之氫氣可經由第二氫氣管道404B自第二氫氣泵414B之陰極出口輸出至第一氫氣管道404A。剩餘之陽極排出物可經由第二排出物管道402B自第二氫氣泵414B之陽極出口輸出至第三氫氣泵414C之陽極入口。
可將電力施加至第三氫氣泵414C之氫泵電池420以將氫氣自流動穿過其中的陽極排出物分離。分離之氫氣可經由第三氫氣管道404C自第三氫氣泵414C之陰極出口輸出至第二回流管道406B。剩餘之陽極排出物可自第三氫氣泵414C之陽極出口輸出至第三氫氣管道404C。在一些實施例中，剩餘之陽極排出物可包括至少95體積%，諸如至少97體積%或至少98體積%的二氧化碳。因此，純化之二氧化碳流可自燃料排出物處理器400輸出並儲存於二氧化碳儲存裝置50中。儲存之二氧化碳可被提供給二氧化碳消費者，諸如飲料業，以便再循環二氧化碳並提供補充收入。
第一氫氣流(例如富含氫氣之燃料流)，包含自第一氫氣泵414A及第二氫氣泵414B輸出之氫氣，可經由第一氫氣管道404A、第二氫氣管道404B及第一回流管道406A輸出至熱箱100。具體言之，第一氫氣流可被提供至混合器210並再循環以用於燃料電池堆疊102。
在替代方案中，第一氫氣流之全部或一部分可經由氫氣儲存管道56提供至氫氣儲存並儲存於氫氣儲存裝置54中。在一些實施例中，可使用氫氣儲存閥56V控制將多少第一氫氣流儲存於氫氣儲存裝置54中以及多少被提供至SOFC系統10。
第二氫氣流(例如富含氫氣之燃料流)包含經由第三氫氣管道404C自第三氫氣泵414C輸出之氫氣，可經由第三氫氣管道404C及第二回流管道406B提供至熱箱100。具體言之，第二氫氣流可藉由第二回流管道406B提供至ATO 130以進行氧化。
高純度二氧化碳流可經由二氧化碳儲存管道52自氫氣分離器410輸出至二氧化碳儲存裝置50。舉例而言，二氧化碳流可以為至少98體積%的二氧化碳。在一些情況下，二氧化碳流之純度可小於98體積%，諸如超過95體積%，只要該純度與下游使用相容即可。
圖8係顯示根據本發明各個實施例，在替代性穩態模式期間SOFC系統10之燃料流通的示意圖，其中燃料流以虛線示出。替代性高電流穩態模式可與圖7之高電流穩態模式類似。因此，將僅詳細地論述其間的差異。
參看圖1、圖2及圖8，已經確定，藉由將富含氫氣之再循環燃料提供至熱箱100，燃料重整反應可相應地減少，由此減少SOFC系統10內的熱損失。因此，可在穩態操作期間維持燃料電池堆疊操作溫度，而不將燃料提供至ATO 130。
因此，系統控制器425可以經組態用於關閉第三氫氣管道閥404V3並打開第四氫氣管道閥404V4，由此將第三氫氣泵414C所提取之氫氣轉向至第四氫氣管道404D中並經由第一氫氣管道404A提供至第一回流管道406A。換言之，自第三氫氣泵414C輸出之氫氣可被添加到被提供至燃料電池堆疊102的第一氫氣流。換言之，第二氫氣流可不被提供至ATO 130。
在一些實施例中，SOFC系統10可按氫氣生成模式操作以使氫氣提取及/或儲存最大化。具體言之，系統控制器225可以經組態成藉由降低SOFC堆疊102之燃料利用率(例如自SOFC堆疊102引出之電流與自燃料入口300供應至SOFC堆疊102的新鮮燃料之流動速率的比率)來增加燃料排出物處理器400之氫氣提取。
舉例而言，可藉由降低自SOFC堆疊102引出之電流及/或藉由增加送至SOFC堆疊102的新鮮燃料之流動速率來減小燃料利用率，由此使輸出至燃料排出物處理器400的陽極排出物具有較高的氫氣含量。陽極排出物中較高的氫氣含量可增加氫氣分離器410所提取之氫氣的量。因此，氫氣產生模式可包含降低燃料利用率以增加氫氣提取。
在一些實施例中，氫氣產生模式可利用圖7中所示之氫氣流動組態。具體言之，由第三氫氣泵414C產生的氫氣可被提供至ATO。由於相較於第一氫氣泵414A及第二氫氣泵414B提取之氫氣的量，第三氫氣泵414C提取之氫氣的量可相對較低，故氫氣產生及儲存之速率可不會明顯減小。
在各個實施例中，示出三個氫氣泵414A、414B、414C，但該等實施例不受此限制。在一些實施例中，可使用不同數量的氫氣泵。舉例而言，在一些組態中可使用兩個氫氣泵。在兩種氫氣泵組態中，第一氫氣泵及第二氫氣泵將氫氣作為燃料輸出至熱箱之一或多個組件。任何氫氣泵均可經組態用於將氫氣流作為燃料輸送至ATO 130或輸送回熱箱100。不管所用氫氣泵之數量如何，較佳地將氫氣泵之輸出作為燃料提供回到熱箱100，因為此在大多數條件下皆為熱穩定的。若無法實現熱穩定性(例如由低電流SOFC操作引起)，則來自任何氫氣泵之氫氣可穩定地或在週期性持續時間(例如5分鐘中之1分鐘等)內輸出至ATO 130。
提供對所揭示各態樣之前述描述以使得熟習此項技術者能夠製作或使用本發明。熟習此項技術者將容易瞭解對此等態樣之各種修改，且在不脫離本發明之範圍的情況下，本文中所界定之一般原理可適用於其他態樣。因此，本發明不意圖限於本文中所示各態樣，而應符合與本文所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣泛範圍。
10:SOFC系統 50:二氧化碳儲存裝置 52:二氧化碳儲存管道 54:氫氣儲存裝置 56:氫氣儲存管道 56V:氫氣儲存閥 100:熱箱 102:SOFC堆疊 110:陽極復熱器熱交換器 112:燃料重整催化劑 114:燃料重整催化劑 116:燃料重整催化劑 120:陰極復熱器熱交換器 130:陽極尾氣氧化器 140:陽極排出物冷卻器熱交換器 160:水噴射器 172:渦流發生器 180:轉化反應器 200:催化部分氧化(CPOx)反應器 204:CPOx風機 206:水源 208:系統風機 210:混合器 212:陽極再循環風機 225:系統控制器 300:燃料入口 300A:燃料管道 300B:燃料管道 300C:燃料管道 300D:燃料管道 302A:空氣管道 302B:空氣管道 302C:空氣管道 304A:陰極排出物管道 304B:陰極排出物管道 304C:陰極排出物管道 306:水管道 308A:陽極排出物管道 308B:陽極排出物管道 308C:陽極排出物管道 310A:第一再循環管道 310B:第二再循環管道 400:燃料排出物處理器 401A:第一分離器管道 401B:第二分離器管道 401V1:第一分離器管道閥 401V2:第二分離器管道閥 402A:第一排出物管道 402B:第二排出物管道 404A:第一氫氣管道 404B:第二氫氣管道 404C:第三氫氣管道 404D:第四氫氣管道 404E:第五氫氣管道 404V1:第一氫氣管道閥 404V2:第二氫氣管道閥 404V3:第三氫氣管道閥 404V4:第四氫氣管道閥 404V5:第五氫氣管道閥 406A:第一回流管道 406B:第二回流管道 406C:第三回流管道 406V2:第二回流管道閥 406V3:第三回流管道閥 410:氫氣分離器 414A:第一氫氣泵 414B:第二氫氣泵 414C:第三氫氣泵 420:氫泵電池 422:陽極氣體擴散層 424:陰極GDL 425:系統控制器 426:陽極 428:陰極 430:聚合物膜 432:雙極板 440:分流器 444:熱交換器 450:轉化反應器 451:蓋板 452:入口 454:出口 456:第一腔室 458:第二腔室 460:冷卻管道 462:風扇外殼 464:風扇 466:第一篩網 468:第二篩網 470:第一催化劑床 472:第二催化劑床 474:控制單元 S1:第一空間 S2:第二空間 S3:第三空間
併入本文且構成本說明書之一部分的附圖示出本發明之示例實施例，且與上文給出之總體描述及下文給出之詳細描述一起用於解釋本發明之特徵。
圖1係根據本發明各個實施例之固體氧化物燃料電池(SOFC)系統的示意圖。
圖2係根據本發明各個實施例，可包含在圖1之SOFC系統中之燃料排出物處理器的示意圖。
圖3係根據本發明各個實施例，可包含在圖2之燃料排出物處理器中之氫泵電池(hydrogen pumping cell)的截面圖。
圖4A係根據本發明各個實施例，可包含在圖2之燃料排出物處理器中之轉化反應器的透視圖，且圖4B係圖4A之轉化反應器的截面圖。
圖5至圖8係示出根據本發明各個實施例，流動穿過圖1及圖2之燃料電池系統及燃料排出物處理器之流體流動的示意圖。
10:SOFC系統
50:二氧化碳儲存裝置
52:二氧化碳儲存管道
54:氫氣儲存裝置
56:氫氣儲存管道
56V:氫氣儲存閥
100:熱箱
210:混合器
212:陽極再循環風機
310A:第一再循環管道
310B:第二再循環管道
400:燃料排出物處理器
401A:第一分離器管道
401B:第二分離器管道
401V1:第一分離器管道閥
401V2:第二分離器管道閥
402A:第一排出物管道
402B:第二排出物管道
404A:第一氫氣管道
404B:第二氫氣管道
404C:第三氫氣管道
404D:第四氫氣管道
404E:第五氫氣管道
404V1:第一氫氣管道閥
404V2:第二氫氣管道閥
404V3:第三氫氣管道閥
404V4:第四氫氣管道閥
404V5:第五氫氣管道閥
406A:第一回流管道
406B:第二回流管道
406C:第三回流管道
406V2:第二回流管道閥
406V3:第三回流管道閥
410:氫氣分離器
414A:第一氫氣泵
414B:第二氫氣泵
414C:第三氫氣泵
425:系統控制器
440:分流器
444:熱交換器
450:轉化反應器

Claims (22)

  1. 一種燃料電池系統，其包括： 熱箱； 安置於該熱箱中之燃料電池堆疊； 安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)；以及 燃料排出物處理器，其與該熱箱流體連接並包括： 第一氫氣泵，其經組態用於自接收自該燃料電池堆疊之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至經提供至該燃料電池堆疊的第一氫氣流； 第二氫氣泵，其經組態用於自由該第一氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至該第一氫氣流；及 第三氫氣泵，其經組態用於自由該第二氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣並將該氫氣輸出至經提供至該ATO的第二氫氣流。
  2. 如請求項1之燃料電池系統，其進一步包括二氧化碳儲存裝置，其經組態用於儲存自該第三氫氣泵之陽極出口輸出的二氧化碳流。
  3. 如請求項1之燃料電池系統，其進一步包括氫氣儲存裝置，其經組態用於儲存該第一氫氣流之至少一部分。
  4. 如請求項1之燃料電池系統，其中： 該第一氫氣泵包括氫氣泵送電化學電池之第一堆疊； 該第二氫氣泵包括氫氣泵送電化學電池之第二堆疊； 該第三氫氣泵包括氫氣泵送電化學電池之第三堆疊；且 該第一堆疊包括比該第二堆疊及該第三堆疊更大數量的電化學電池；且 該氫氣泵送電池各自包括安置於陰極與陽極之間的電解質。
  5. 如請求項1之燃料電池系統，其中該燃料排出物處理器進一步包括分流器，該分流器經組態用於接收自該燃料電池堆疊輸出的陽極排出物，將該陽極排出物之第一部分輸出至該燃料電池堆疊並將該陽極排出物之第二部分輸出至該第一氫氣泵。
  6. 如請求項5之燃料電池系統，其進一步包括高溫轉化反應器，該高溫轉化反應器係安置於該熱箱中且經組態用於減少被提供至該分流器的該陽極排出物中一氧化碳之量， 其中該燃料排出物處理器進一步包括低溫轉化反應器，該低溫轉化反應器經組態用於進一步減少饋送至該等氫氣泵之陽極排出物產物中一氧化碳的量。
  7. 如請求項6之燃料電池系統，其中該燃料排出物處理器進一步包括熱交換器，該熱交換器經組態用於降低自該低溫轉化反應器輸出且被提供至該第一氫氣泵之陽極排出物的溫度。
  8. 如請求項6之燃料電池系統，其中該低溫轉化反應器包括： 第一腔室； 第二腔室； 安置於該第一腔室與該第二腔室之間的冷卻管道； 經組態用於強制空氣穿過該等冷卻管道的風扇； 安置於該第一腔室中之第一催化劑床； 安置於該第二腔室中之第二催化劑床； 與該第一腔室流體連接之入口；以及 與該第二腔室流體連接之出口。
  9. 如請求項8之燃料電池系統，其中該低溫轉化反應器進一步包括： 安置於該第一腔室中之第一篩網；及 安置於該第二腔室中之第二篩網， 其中該第一催化劑床係安置於該第一篩網上且該第二催化劑床係安置於該第二篩網上。
  10. 如請求項9之燃料電池系統，其中： 於該第一腔室中，在該第一催化劑床上方形成第一空間； 於該等冷卻管道周圍形成第二空間； 於該第二腔室中，在該第二篩網下方形成第三空間；且 該低溫反應器係經組態成使得陽極排出物流動穿過該入口，進入該第一空間中，穿過該第一催化劑床，進入該第二空間中，穿過該第二催化劑床，進入該第三空間中，且接著進入該出口中。
  11. 如請求項8之燃料電池系統，其中該低溫轉化反應器進一步包括： 溫度感測器，其經組態用於偵測流動穿過該低溫轉化反應器之陽極排出物的溫度；及 控制單元，其經組態用於根據由該溫度感測器偵測到的溫度來控制該風扇之速度。
  12. 如請求項6之燃料電池系統，其進一步包括： 第一回流管道，其將該分流器之出口與該燃料電池堆疊流體連接； 第一分離器管道，其將該分流器之出口與該低溫轉化反應器之入口流體連接； 第二回流管道，其將該第一分離器管道或該分流器之出口與該ATO流體連接； 第二分離器管道，其將該低溫轉化反應器之出口與該第一氫氣泵之陽極入口流體連接； 第三回流管道，其將該第二分離器管道與該第二回流管道流體連接； 第一氫氣管道，其將該第一氫氣泵之陰極出口與該第一回流管道流體連接； 第二氫氣管道，其將該第二氫氣泵之陰極出口與該第一回流管道流體連接；以及 第三氫氣管道，其將該第三氫氣泵之陰極出口與該第二回流管道流體連接。
  13. 如請求項12之燃料電池系統，其進一步包括： 第四氫氣管道，其將該第三氫氣管道與該第二回流管道流體連接；及 第五氫氣管道，其將該第二氫氣管道與該第二回流管道流體連接。
  14. 一種燃料電池系統，其包括： 熱箱； 安置於該熱箱中之燃料電池堆疊； 安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)； 再循環管道，其經組態用於自該燃料電池堆疊接收陽極排出物； 分流器，其與該再循環管道流體連接； 低溫轉化反應器； 氫氣分離器，其包括： 第一氫氣泵； 第二氫氣泵，其與該第一氫氣泵流體連接；及 第三氫氣泵，其與該第二氫氣泵流體連接； 供應管道，其將該分流器之出口與該氫氣分離器流體連接； 第一分離器管道，其將該分流器與該低溫轉化反應器流體連接； 第二分離器管道，其將該低溫轉化反應器與該第一氫氣泵流體連接； 第一回流管道，其將該分流器之出口與該燃料電池堆疊流體連接； 第二回流管道，其將該分流器之出口或該分離器管道與該ATO流體連接；以及 第三回流管道，其將該分離器管道與該第二回流管道流體連接。
  15. 一種以啟動模式使用如請求項14之燃料電池系統的方法，該方法包括： 將由該燃料電池堆疊產生的陽極排出物經由該再循環管道提供至該分離器； 將來自該分離器的該陽極排出物之第一部分經由該第一回流管道輸出至該燃料電池堆疊；且 將來自該分離器的該陽極排出物之第二部分經由該第二回流管道輸出至該ATO。
  16. 一種以低電流模式使用如請求項14之燃料電池系統的方法，該方法包括： 將由該燃料電池堆疊產生的陽極排出物經由該再循環管道提供至該分離器； 將來自該分流器之出口的該陽極排出物之第一部分經由該第一回流管道提供至該燃料電池堆疊； 將來自該分流器之出口的該陽極排出物之第二部分經由該第一分離器管道提供至該低溫轉化反應器；且 將來自該低溫轉化反應器之出口的陽極排出物經由該第二分離器管道、該第三回流管道及該第二回流管道提供至該ATO。
  17. 如請求項16之方法，其中： 該將來自該低溫轉化反應器之出口的陽極排出物提供至該ATO進一步包括使用熱交換器冷卻該第二分離器管道中之該陽極排出物；且 該方法進一步包括使用強制空氣主動地冷卻該低溫轉化反應器中之該陽極排出物。
  18. 一種以穩態模式使用如請求項14之燃料電池系統的方法，該方法包括： 將由該燃料電池堆疊產生的陽極排出物經由該再循環管道提供至該分離器； 將來自該分流器之出口的該陽極排出物之第一部分經由該第一回流管道提供至該燃料電池堆疊； 將來自該分流器之出口的該陽極排出物之第二部分經由該第一分離器管道提供至該低溫轉化反應器； 將來自該低溫轉化反應器之出口的陽極排出物經由該第二分離器管道提供至該氫氣分離器； 將藉由該第一氫氣泵及該第二氫氣泵自該陽極排出物提取的第一氫氣(H 2)流經由該第一回流管道提供至該燃料電池堆疊；且 將藉由該第三氫氣泵自該陽極排出物提取的第二氫氣流經由該第二回流管道提供至該ATO。
  19. 如請求項18之方法，其中該陽極排出物係依序提供至該第一氫氣泵、該第二氫氣泵及該第三氫氣泵的陽極。
  20. 如請求項18之方法，其進一步包括： 減小施加至該燃料電池堆疊之電流負載及/或增加新鮮燃料至該燃料電池堆疊的流動速率，以便減小該燃料電池堆疊之燃料利用率並增加該氫氣分離器自該陽極排出物提取的氫氣量；且 將該第一氫氣流儲存於與該第一回流管道流體連接之氫氣儲存裝置中。
  21. 一種燃料電池系統，其包括： 第一熱箱； 安置於該第一熱箱中之第一燃料電池堆疊； 安置於該第一熱箱中之第一陽極尾氣氧化器(ATO)； 第二熱箱； 安置於該第二熱箱中之第二燃料電池堆疊； 安置於該第二熱箱中之第二陽極尾氣氧化器(ATO)；以及 燃料排出物處理器，其經組態用於： 接收來自該第一燃料電池堆疊及該第二燃料電池堆疊之陽極排出物； 將該陽極排出物之第一部分輸出至該第一燃料電池堆疊及該第二燃料電池堆疊； 自該陽極排出物之第二部分提取氫氣以形成第一氫氣流、第二氫氣流及二氧化碳流； 將該第一氫氣流輸出至該第一燃料電池堆疊及該第二燃料電池堆疊； 將該第二氫氣流輸出至該第一ATO及該第二ATO；以及 將該二氧化碳流輸出至二氧化碳儲存裝置。
  22. 一種燃料電池系統，其包括： 熱箱； 安置於該熱箱中之燃料電池堆疊； 安置於該熱箱中之陽極尾氣氧化器(ATO)；以及 燃料排出物處理器，其與該熱箱流體連接並包括： 第一氫氣泵，其經組態用於自接收自該燃料電池堆疊之陽極排出物中提取氫氣；及 第二氫氣泵，其經組態用於自由該第一氫氣泵輸出之陽極排出物中提取氫氣； 其中該第一氫氣泵及該第二氫氣泵將氫氣輸出至該熱箱之一或多個組件。
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