TW202337064A - 具改良燃料利用率的燃料電池系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池系統包括：至少一個熱箱，其包括燃料電池堆且產生陽極排氣產物；至少一個氫氣泵；至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之陽極排氣產物出口連接至該至少一個氫氣泵之入口；經壓縮氫氣產物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之經壓縮氫氣產物出口；及至少一個流出物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之未泵送流出物出口。額外實施例包括燃料電池系統，其中將該陽極排氣產物流提供給至少一個二氧化碳泵以產生經壓縮二氧化碳產物及未泵送流出物，該未泵送流出物可再循環至該燃料電池系統之該至少一個熱箱。在各種實施例中，燃料電池系統可使用或再捕獲提供給該燃料電池系統之輸入燃料的基本上所有氫含量及幾乎所有碳含量。

Description

具改良燃料利用率的燃料電池系統及方法
本發明之各態樣係關於燃料電池系統及操作燃料電池系統之方法。
例如固體氧化物燃料電池等燃料電池係可將儲存在燃料中之能量高效地轉換為電能之電化學裝置。高溫燃料電池包括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。存在各種燃料電池，例如固體氧化物再生型燃料電池，其亦允許反轉操作，使得氧化燃料可使用電能作為輸入還原成未氧化燃料。
一種實施例燃料電池系統包括：至少一個熱箱，其包括燃料電池堆且產生陽極排氣產物；至少一個氫氣泵；至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之陽極排氣產物出口連接至該至少一個氫氣泵之入口；經壓縮氫氣產物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之經壓縮氫氣產物出口；及至少一個流出物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之未泵送流出物出口。
另一實施例燃料電池系統包括：至少一個熱箱，其包括燃料電池堆且產生陽極排氣產物；至少一個二氧化碳泵；至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之陽極排氣產物出口連接至該至少一個二氧化碳泵之入口；經壓縮二氧化碳產物管道，其連接至該至少一個二氧化碳泵之經壓縮二氧化碳產物出口；及至少一個流出物管道，其連接至該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物出口。
另一實施例包括一種操作燃料電池系統之方法，該方法包括：向該燃料電池系統之至少一個熱箱提供燃料入口流；自該燃料電池系統之該至少一個熱箱產生陽極排氣產物流；將該陽極排氣產物流提供給至少一個氫氣泵；在該至少一個氫氣泵中產生經壓縮氫氣產物及未泵送流出物；及將該經壓縮氫氣產物之至少一部分再循環至該燃料電池系統之該至少一個熱箱。
另一實施例包括一種操作燃料電池系統之方法，該方法包括：向該燃料電池系統之至少一個熱箱提供燃料入口流；自該燃料電池系統之該至少一個熱箱產生陽極排氣產物流；將該陽極排氣產物流提供給至少一個二氧化碳泵；在該至少一個二氧化碳泵中產生經壓縮二氧化碳產物及未泵送流出物；及將來自該二氧化碳泵之該未泵送流出物之至少一部分再循環至該燃料電池系統之該至少一個熱箱。
參考附圖詳細描述各個實施例。在可能的情況下，將在整個圖式中使用相同的附圖標記來指代相同或相似部分。提及特定實例及實施方式係出於說明性目的，而非旨在限制本發明或申請專利範圍之範圍。
圖1為根據本發明之各種實施例之燃料電池系統10 (例如固體氧化物燃料電池(SOFC)系統)之熱箱100的示意圖。熱箱100可含有燃料電池堆102，例如固體氧化物燃料電池堆(其中堆疊的一個固體氧化物燃料電池含有陶瓷電解質，例如氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩定氧化鋯(SSZ)；陽極，例如鎳-YSZ或Ni-SSZ金屬陶瓷；以及陰極電極，例如亞錳酸鍶鑭(LSM))。堆疊102可呈多個列彼此堆放配置。
熱箱100亦可含有陽極回流換熱器110、陰極回流換熱器120、陽極尾氣氧化器(ATO) 130、陽極排氣冷卻器140、渦流發生器550及蒸汽發生器160。燃料電池系統10可進一步包括額外組件，例如系統鼓風機208 (例如，空氣鼓風機)、水源206、閥門511及/或流體管道300D、302A、304C、306及308G，以及可位於熱箱102之外部或部分外部之燃料電池系統10的其他組件。然而，本發明不限於各組件相對於熱箱102之任何特定位置。
燃料流可進入熱箱102且經由燃料管道300D流向陽極回流換熱器110。燃料流可包括烴燃料(例如天然氣)、燃料電池系統10之再循環陽極排氣及視情況再循環氫氣產物之混合物，如下文進一步詳細描述。燃料流可在陽極回流換熱器110中加熱且可經由燃料管道300E自陽極回流換熱器110流向堆疊102。
系統鼓風機208可經組態以用於經由空氣管道302A將空氣流(例如，進氣口流)提供至陽極排氣冷卻器140。空氣經由空氣管道302B自陽極排氣冷卻器140流向陰極回流換熱器。空氣經由空氣管道302C自陰極回流換熱器120流向堆疊102。
經由陽極排氣管道308A將堆疊102中產生之陽極排氣提供給陽極回流換熱器110。陽極排氣可含有未反應之燃料且在本文中亦可被稱作燃料排氣。位於陽極回流換熱器110內之陽極排氣可將熱傳送給流動穿過陽極回流換熱器110之傳入燃料流至堆疊102。陽極排氣可自陽極回流換熱器110提供至陽極排氣管道308B。陽極排氣可流動穿過陽極排氣管道308B至陽極排氣冷卻器140。來自陽極排氣冷卻器140之陽極排氣可藉由陽極排氣管道308C離開熱箱100。陽極再循環鼓風機(圖1中未示出)與陽極排氣管道308C流體連通可經組態以移動陽極排氣通過陽極排氣管道308C，如下文進一步詳細論述。在一些實施例中，分離器511可經組態以選擇性地將自陽極排氣管道308C排出之陽極排氣之一部分提供至陽極排氣管道308D。分離器511可以係(例如)電腦控制或操作員控制閥或任何其他合適之流體分離裝置，例如，在流體管道中含有開口或縫隙之無源分離器。陽極排氣管道308D可例如在SOFC系統10之啟動或其他瞬時操作狀態期間，選擇性地將自陽極排氣冷卻器140離開之部分陽極排氣通過陽極排氣管道308D重新定向至ATO 130。
在圖1中展示之實施例中，熱箱100中之所有陽極排氣在其經由陽極排氣管道308C離開熱箱100之前穿過陽極排氣冷卻器140。在其他實施例中，如下文中進一步詳細描述，陽極排氣之至少一部分可在其穿過陽極排氣冷卻器140之前離開熱箱100。舉例而言，一部分陽極排氣流可經由陽極排氣管道(圖1中未示出)離開熱箱100，該陽極排氣管道可以位於陽極回流換熱器110與陽極排氣冷卻器140之間。
堆疊102中生成之陰極排氣經由排氣管道304A流至ATO 130。渦流發生器550可安置於排氣管道304A中且可經組態以使陰極排氣渦旋。陽極排氣管道308D可在渦流發生器550之下游以流體方式連接至陰極排氣管道304A或ATO 130。渦旋陰極排氣可與來自陽極排氣管道308D之陽極排氣混合，隨後提供給ATO 130。混合物可在ATO 130中氧化以產生ATO排氣。ATO排氣自ATO 130經由排氣管道304B流動至陰極回流換熱器120。ATO排氣自陰極回流換熱器流動且通過排氣管道304C流出熱箱100。
水經由水管道306自例如水箱或水管等水源206流至蒸汽發生器160。蒸汽發生器160將水噴射至陽極排氣管道308B中。自陽極回流換熱器110提供給排氣管道308B之來自陽極排氣的熱使水汽化以產生蒸汽。蒸汽與陽極排氣混合以提供加濕之陽極排氣流，該加濕之陽極排氣流自陽極排氣管道308B流經陽極排氣冷卻器140且流入陽極排氣管道308C中。
系統10可進一步包括經組態以控制系統10之各種元件之系統控制器225。控制器225可包括經組態以執行所儲存指令之中央處理單元。舉例而言，控制器225可經組態以根據燃料組成資料控制穿過系統10之燃料及/或空氣流。系統10亦可包括一或多種燃料重整催化劑112、114及116。
在操作期間，堆疊102使用所提供之燃料及空氣來產生電力，且產生陽極排氣(亦即，燃料排氣)及陰極排氣(亦即，空氣排氣)。陽極排氣可含有氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、一些未反應之烴燃料(諸如甲烷)及其他反應副產物及雜質。
圖2為根據本發明之實施例之燃料電池系統10之組件的示意圖。燃料電池系統10可包括至少一個熱箱100，例如上文參考圖1所描述之熱箱100。舉例而言，燃料電池系統10可包括n個熱箱100，其中n為1與100之間之整數，例如2至10，例如4至8。圖2所示之燃料電池系統10包括兩個熱箱100，但根據各種實施例之燃料電池系統可包括更多或更少數目個熱箱100。
圖2示意性地示出根據本發明之實施例的貫穿燃料電池系統10之燃料及陽極排氣之流動。參看圖2，系統10可以耦接至燃料源400，該燃料源可以向燃料電池系統10提供合適之燃料。燃料源400可包括可能位於與系統10相同的位置上的一或多個燃料儲存容器(例如，燃料箱或類似容器)。替代地，燃料源400可自遠端源(例如，在燃氣公用管線上)將燃料提供至系統10。自燃料源400提供給燃料電池系統10之燃料可包括任何合適之烴燃料，包括(但不限於)甲烷、含有甲烷與氫氣及其他氣體之天然氣、丙烷或其他生物氣，或碳燃料(例如一氧化碳)、含氧碳氣體(例如甲醇)或含有其他碳氣體與含氫氣體(例如水蒸氣、H 2氣體或其混合物)之混合物。舉例而言，混合物可包含來源於煤炭或天然氣重整之合成氣。
在一些實施例中，來自燃料源400之燃料可在被提供給燃料電池系統10之熱箱100之前經歷一或多個預處理步驟。舉例而言，耦接至燃料源400之燃料入口管道300A可將燃料提供給一或多個預處理單元402，例如一或多個脫硫器，以自燃料流中移除硫及/或其他不合需要之雜質。經預處理之燃料接著可流動穿過燃料管道300B至熱箱100中之每一個。
在一些實施例中，各熱箱100可另外包括催化部分氧化(CPOx)反應器200、混合器210、CPOx鼓風機204(例如，空氣鼓風機)及陽極再循環鼓風機212，其可安置於熱箱100外部。然而，本發明不限於各組件相對於熱箱100之任何特定位置。
再次參看圖2，與相應熱箱100相關聯之各CPOx反應器200可接收穿過燃料管道300B之入口燃料流。CPOx鼓風機204可將空氣提供至CPOx反應器204。來自CPOx反應器200之燃料及/或空氣可通過燃料管道300C提供至混合器210。混合器210可經組態以混合燃料流與來自熱箱100之再循環陽極排氣。然後可經由燃料管道300D將新製燃料與再循環陽極排氣之此混合物提供至熱箱100，如上文參考圖1所描述。
來自各熱箱100之陽極排氣(亦即，燃料排氣)可經由陽極排氣管道308C離開熱箱100，如上文參考圖1所論述。分離器511 (參見圖1)可經由陽極排氣管道308D選擇性地將位於陽極排氣管道308C中之陽極排氣之一部分重新定向至熱箱100中。如先前所論述，在啟動或其他瞬時操作情況期間，可以將被重新定向經由陽極排氣管道308D之陽極排氣的一部分提供至熱箱100之ATO 130。
在圖2中展示之實施例中，位於陽極排氣管道308C中之剩餘陽極排氣可提供至分離器403。分離器403可以係(例如)電腦控制或操作員控制閥或任何其他合適之流體分離裝置，例如，在流體管道中含有開口或縫隙之無源分離器。陽極排氣之第一部分可經由陽極排氣管道308E自分離器403提供至陽極再循環鼓風機212。陽極再循環鼓風機212可為任何適合之流體(例如，氣體)鼓風機、泵、壓縮器等。陽極排氣之第一部分可藉由陽極排氣管道308F自陽極再循環鼓風機212提供至混合器210。如上文所論述，再循環陽極排氣可在經由燃料管道300D再進入熱箱100之前與混合器210中之新製燃料混合。如本文所使用，經由陽極排氣管道308C離開熱箱100且由陽極再循環鼓風機212再循環以與混合器210中之新製燃料混合且經由燃料管道300D再次進入熱箱100之陽極排氣之部分可被稱為「陽極再循環」，並且在熱箱100之出口處的陽極排氣管道308C與在熱箱100之入口處的燃料管道300D之間再循環之陽極之流體路徑可被稱為「陽極再循環迴路」。
陽極排氣之第二部分可經由陽極排氣管道308G自分離器403提供至歧管104。歧管104可藉由相應陽極排氣管道308G連接至系統10之多個熱箱100，在一些實施例中包括連接至系統10之所有熱箱100。替代地，系統10可包括多個歧管104，其中各歧管104可連接至系統10之熱箱100之子集。在各種實施例中，來自系統10之多個熱箱100之陽極排氣流可在歧管104中組合。
再次參看圖2，在一些實施例中，熱箱100中之每一個可包括與歧管104流體連接視情況選用之額外陽極排氣管道308H。在一些實施例中，視情況選用之額外陽極排氣管道308H可提供熱箱100與歧管104之間的直接流體路徑。在一些實施例中，視情況選用之陽極排氣管道308H內的陽極排氣可在陽極排氣冷卻器104之上游離開熱箱100 (參見圖1)。舉例而言，熱箱100可在位於圖1中所示之熱箱100中之陽極回流換熱器110與陽極排氣冷卻器140之間的陽極流體管道308B內包括分離器(例如，閥、無源分離器等)。分離器可將陽極排氣流的一部分自陽極排氣管道308B分流至視情況選用之陽極排氣管道308H，使得陽極排氣流之此部分可直接提供至圖2中所示之歧管104。如上文所描述，陽極排氣流之其餘部分可繼續穿過陽極排氣冷卻器140且進入陽極排氣管道308C中。
因此，在一些實施例中，提供至歧管104之陽極排氣可包括陽極排氣之第一部分，其在陽極排氣冷卻器140之出口處離開熱箱100且流動穿過陽極排氣管道308C、分離器511及/或403，及陽極排氣管道308G至歧管104；以及陽極排氣之第二部分，其在陽極排氣冷卻器140之上游離開熱箱100且流動穿過陽極排氣管道308H至歧管104。因此，陽極排氣之第二部分可繞過陽極排氣冷卻器140，且因此可具有比流動穿過陽極排氣冷卻器140之陽極排氣之第一部分更高的溫度。
在一些實施例中，在歧管104中接收之陽極排氣之混合物可為可變的，使得在特定時間期間，自一或多個熱箱100提供給歧管104之陽極排氣的較大部分(包括所有之陽極排氣)可為經由陽極排氣管道308G提供的陽極排氣之第一部分(亦即，已通過熱箱100之陽極排氣冷卻器140之陽極排氣)，且在其他時間，自一或多個熱箱100提供給歧管104之陽極排氣的較大部分(包括所有的陽極排氣)可為經由陽極排氣管道308H提供的陽極排氣之第二部分(亦即，已繞過熱箱100之陽極排氣冷卻器140之陽極排氣)。如上文參考圖1所描述之系統控制器225可用於控制自熱箱100中之各者提供給歧管104之陽極排氣的第一及第二部分的混合物。
在一些實施例中，經由陽極排氣管道308G (亦即，已通過熱箱100之陽極排氣冷卻器140之陽極排氣)提供至歧管104之陽極排氣之第一部分可具有在約100℃與180℃之間的溫度，且經由陽極排氣管道308H (亦即，繞過熱箱100之陽極排氣冷卻器140之陽極排氣)提供至歧管104之陽極排氣之第二部分可具有在約300℃與500℃之間的溫度。
因此，藉由提供陽極排氣流，該陽極排氣流包括通過熱箱100之陽極排氣冷卻器140之陽極排氣的低溫第一部分與繞過陽極排氣冷卻器140之陽極排氣之低溫第二部分的混合物，歧管104中之陽極排氣的溫度可控制地變化。在一些實施例中，歧管104中之陽極排氣的溫度可受到控制以包括比以下進一步詳細描述之後續H 2回收及/或CO 2分離過程所需之更多的熱。提供含有過量熱之陽極排氣流可提供以下優點：如在一或多個後續過程中需要冷卻陽極排氣時，消耗之寄生功率比為此等相同過程加熱陽極排氣所需之功率要少。
再次參看圖2，來自多個熱箱100之組合陽極排氣流可經由陽極排氣管道308I自歧管104提供至陽極排氣調節單元404。陽極排氣調節單元404可經組態以修改陽極排氣流之溫度以使得陽極排氣流適合於引入位於陽極排氣調節單元404之下游的水煤氣變換(WGS)反應器405。陽極排氣調節單元404可包括一或多個熱傳遞裝置，例如一或多個熱交換器及/或冷凝器。其他合適之熱傳遞裝置在本發明之預期範圍內。在一些實施例中，在陽極排氣流之溫度大於WGS反應器之操作溫度範圍的情況下，一或多個熱傳遞裝置可由冷卻介質(例如冷卻水及/或空氣)冷卻，以便降低流動穿過陽極排氣調節單元404之陽極排氣流之溫度。在其他實施例中，在陽極排氣流之溫度低於WGS反應器405之操作溫度範圍的情況下，一或多個熱傳遞裝置可將熱傳遞至陽極排氣流以便提高流動穿過陽極排氣調節單元404之陽極排氣流之溫度。針對陽極排氣流之熱傳遞可藉由與具有比陽極排氣流更高溫度的流體介質(例如燃燒氣體)進行熱交換，或藉由使用加熱器(例如電加熱器)直接加熱陽極排氣流來實現。在各種實施例中，離開陽極排氣調節單元404之陽極排氣之溫度可在約150℃與300℃之間，例如約200℃與250℃之間。
再次參看圖2，陽極排氣流可經由陽極排氣管道308J自陽極排氣調節單元404提供至WGS反應器405。WGS反應器405可經組態以使用水煤氣變換反應將陽極排氣中之CO及H 2O轉化成CO 2及H 2。在各種實施例中，WGS反應器405可為低溫WGS反應器405，且可具有約200℃與250℃之間的標稱操作溫度。在水煤氣變換反應之後，陽極排氣流可主要包括H 2O、CO 2及H 2，以及較小量之CO、N 2及其他雜質。
陽極排氣流可隨後經由陽極排氣管道308K自WGS反應器405提供至冷凝器406。冷凝器406可藉由冷卻介質(例如冷卻水及/或空氣)冷卻以將水蒸氣冷凝為液態水，且將陽極排氣流之溫度降低至低於100℃，例如在50℃與80℃之間(例如，約70℃)。液態水可經由水排出管道407自冷凝器406移除，且管道407中之液態水可視情況經純化及/或再使用。在各個實施例中，水淘汰器可整合至冷凝器406之設計中或作為單獨組件包括在冷凝器406之下游。部分脫水陽極排氣流可經由陽極排氣管道308L自冷凝器406提供至至少一個氫氣泵408。
在各種實施例中，提供至至少一個氫氣泵408之部分氫化陽極排氣流可包括至少約40%莫耳分數之H 2O，例如50-60% (例如約56%)莫耳分數之H 2O，至少約20%莫耳分數之CO 2，例如25-35% (例如約29%)莫耳分數之CO 2，至少約10%莫耳分數之H 2，例如10-20 (例如約14%)莫耳分數之H 2，小於1%莫耳分數之CO，及小於1%莫耳分數之N 2。取決於至少一個氫氣泵408對CO的耐受性，在一些實施例中，陽極排氣流中CO的莫耳分數可在0.5%與1%之間。這可使得WGS反應器405的相對較高溫度操作，且可使WGS反應器405具有更大的熱操作窗口。
至少一個氫氣泵408可包括一或多個電化學氫氣泵。至少一個電化學氫氣泵408可包括氫氣泵及分離器，該氫氣泵及分離器在跨越聚合物膜施加電流或電壓時以電化學方式泵送純氫氣以通過膜。在各個實施例中，至少一個電化學氫氣泵408可包括高壓氫氣分離及壓縮系統，其可自Skyre公司以名稱「H2RENEW TM」獲得及/或描述於美國專利第10,756,361號及/或第10,648,089號中。至少一個氫氣泵408可包括串聯及/或並聯連接的多個泵(例如多個分離膜堆疊)，以實現氫氣之較高的整體回收分數及/或較高的輸送量。在一些實施例中，在提供至至少一個氫氣泵408之脫水陽極排氣流中，至少一個氫氣泵408可耐受至少約0.5%莫耳分數之CO，包括至多約1%莫耳分數之CO。
在一個實施例中，至少一個氫氣泵408可回收脫水陽極排氣流中之超過80%的氫氣且經由經壓縮氫氣產物管道410輸出超過99%的純經壓縮氫氣產物。舉例而言，經壓縮氫氣產物可為至少99.99%純(亦即，乾燥)氫氣，其可經加壓至1 psig至10,000 psig，如15 psig至2,000 psig，例如15 psig至150 psig之壓力。在各種實施例中，由至少一個氫氣泵408產生之經壓縮氫氣產物可適合於在無額外機械壓縮或乾燥的情況下使用或儲存。
再次參看圖2，可將經壓縮氫氣產物管道410中之經壓縮氫氣產物提供至分離器411。分離器411可以係(例如)電腦控制或操作員控制閥或任何其他合適之流體分離裝置，例如，在流體管道中含有開口或縫隙之無源分離器。經壓縮氫氣產物之第一部分可自分離器403提供至氫氣再循環管道412A以供在燃料電池系統10中進一步使用。經壓縮氫氣產物之第二部分可自分離器403提供至氫氣儲存管道413以用於儲存及/或分配或出售經壓縮氫氣產物。在一些實施例中，氫氣儲存管道413可將經壓縮氫氣產物直接提供至連接至氫氣儲存管道413之一或多個氫氣儲存容器414。替代地，一或多個壓縮器(圖2中未示出)可耦接至氫氣儲存管道，且可經組態以進一步將經壓縮氫氣產物壓縮至適合於儲存在一或多個氫氣儲存容器414中的壓力。
在各種實施例中，氫氣再循環管道412A可用於將經壓縮氫氣產物提供至燃料電池系統10中之一或多個位置。在一些實施例中，氫氣再循環管道412A可將經壓縮氫氣產物之至少一部分提供至燃料源400，該燃料源可為例如天然氣供應。
或者或另外，在一些實施例中，經壓縮氫氣產物之至少一部分可提供至用於燃料電池系統10之入口燃料流。在一些實施例中，經壓縮氫氣產物可在燃料電池系統10之一或多個預處理單元402(例如，脫硫器)之下游提供至入口燃料。在圖2中展示之一個實施例中，分離器415可將來自氫氣再循環管道412A之經壓縮氫氣產物之至少一部分引導至氫氣再循環管道412B，其可將經壓縮氫氣產物之至少一部分提供至燃料入口管道300A。
或者或另外，在一些實施例中，經壓縮氫氣產物之至少一部分可提供至熱箱100中之一或多個的陽極再循環迴路。在各種實施例中，可將經壓縮氫氣產物提供至燃料電池系統10之所有熱箱100之陽極再循環迴路。在圖2所示之一個實施例中，一或多個分離器416可將來自氫氣再循環管道412A之經壓縮氫氣產物之至少一部分引導至一或多個氫氣再循環管道412C。陽極再循環管道412C中之各者可以流體方式連接至相應熱箱100之陽極再循環迴路。提供至熱箱100之陽極再循環迴路之經壓縮氫氣產物可與陽極再循環迴路中之陽極再循環及新製燃料兩者混合，且可經由燃料管道300D進入熱箱100。
在一些實施例中，亦可將經壓縮氫氣產物之至少一部分提供至燃料電池系統10之一或多個熱箱100的ATO 130。在實施例中，經壓縮氫氣產物可在熱箱100之啟動期間或其他瞬時情況期間提供至ATO 130，且可用於熱箱100之熱管理。在圖2所示之實施例中，一或多個氫氣再循環管道412D可以選擇性地將經壓縮氫氣產物的一部分重新定向至一或多個相應熱箱100之ATO 130。在一些實施例中，氫氣再循環管道412D可以流體方式耦接至陽極排氣管道308D以用於將經壓縮氫氣產物引導至相應ATO 130。藉由將氫氣提供至ATO 130，熱箱100之溫度維持在接近恆定溫度，或維持為儘可能接近恆定或實際之溫度。考慮到其他變化(例如環境溫度變化、有目的的氣流變化等)，不存在預定的對ATO 130之進料流的流量控制。在一些組態中，比例電磁管閥可用於將流量控制在+/- 3-5%。其他組態可實現對流量之進一步控制(例如，+/-0.5%)，但此等其他組態為昂貴的。
在實施例中，經壓縮氫氣產物可足夠純(亦即，乾燥)，使得其可再循環以供在燃料電池系統10中使用而不需要任何額外處理或調節。另外，在一些實施例中，可將乾燥經壓縮氫氣產物提供至燃料電池系統10之各種組件/位置，而不需要對載運經壓縮氫氣產物之管道412A、412B、412C、412D進行追蹤及絕緣以避免水冷凝。乾燥經壓縮氫氣產物亦可不在燃料電池系統10之非所需位置中產生冷凝，例如在脫硫罐中產生冷凝。
在經壓縮氫氣產物對於燃料電池系統10或其組件中使用不夠乾燥的情況下，可視情況使用冷藏冷凝器，以在經壓縮氫氣產物用於燃料電池系統10中之前進一步降低經壓縮氫氣產物之水含量。
在各種實施例中，系統控制器225 (參見圖1)可控制提供至燃料電池系統10中之各種位置及/或提供至一或多個氫氣儲存容器414之經壓縮氫氣產物的量。在一個非限制性實例中，在燃料電池系統10之穩態操作期間，所有或幾乎所有經壓縮氫氣產物可提供至燃料電池系統10之熱箱100。可將對於燃料電池系統10之操作不需要的任何過量經壓縮氫氣產物提供至一或多個氫氣儲存容器414。將大部分經壓縮氫氣產物再循環至燃料電池系統10一個優點，由於更多之氫氣產物作為燃料被再循環，滿足燃料電池系統10之精確及高燃料利用率目標的需求可能會減少。在提供相對大量的再循環氫氣產物的情況下，較低的每次利用率仍可支援燃料電池系統10之高總體燃料利用率。另外，藉由按需要降低燃料電池系統10之燃料利用率，可以增加提供至一或多個氫氣儲存容器414之氫氣產物的量。
再次參看圖2，來自至少一個氫氣泵408之未泵送流出物可主要含有水(例如水蒸氣及/或液態水)及二氧化碳。未泵送流出物亦可含有少量未自陽極排氣中分離之氫氣，以及較小量的一氧化碳、氮氣及其他雜質。舉例而言，未泵送流出物可含有小於10%莫耳分數之H 2，諸如0-5%莫耳分數之H 2、0-1%莫耳分數之CO及0-1%莫耳分數之氮。液態水可視情況經由水排出管道417自至少一個氫氣泵408移除，且管道417中之液態水可視情況經純化及/或再使用。來自至少一個氫氣泵408之未泵送氣態流出物可自至少一個氫氣泵408提供至流出物管道418。
在一些實施例中，來自至少一個氫氣泵之流出物可視情況自流出物管道418饋送至鼓風機419，該鼓風機可為任何適合之流體(例如，氣體)鼓風機、泵、壓縮器等。鼓風機419可以自至少一個氫氣泵408「拉出」未泵送流出物。鼓風機419可進一步壓縮流出物，例如，壓縮至2-15 psig之間的壓力。未泵送流出物之壓縮熱可以升高未泵送流出物之溫度。這可以將流出物預熱以用於後續催化或熱反應，其經組態以氧化流出物中之殘餘H 2及CO中之一些或全部。流出物之壓縮亦可使壓縮與隨後可以進行的CO 2壓縮、脫水及/或液化過程分離。在存在視情況選用之鼓風機419之實施例中，來自鼓風機419之經壓縮流出物可以提供至流出物管道420。在一些情況下，調整具有高壓縮比之大型壓縮器(亦即，改變壓縮器速度)可能係困難的。舉例而言，壓縮器速度之較小改變可自管線中拉出過多或過少氣體，從而導致上游之壓力干擾。然而，小型鼓風機具有較低增益，且速度之較小調整對流速及入口壓力之改變較小。在一些情況下，鼓風機下游之小儲存容量可用於向系統提供一些電容以用於壓力控制。舉例而言，下游儲存容量可以係一分鐘之滯留時間的數量級。
在各種實施例中，來自鼓風機419之經壓縮流出物可視情況經由流出物管道420提供至氧化反應器421。氧化反應器421可為經組態以在後續CO 2處理步驟之前減少或消除來自流出物之殘餘H 2及CO含量之催化或熱氧化反應器。氧氣源422可耦接至氧化反應器421且可提供氧氣用於氧化反應。在一些實施例中，氧氣源422可包括鼓風機。或者或另外，氧氣源422可為氧氣產生器或氧氣儲存裝置，可提供經純化氧氣以用於氧化反應。在存在視情況選用之氧化反應器421之實施例中，可以將來自氧化反應器421之流出物提供至流出物管道423，該流出物可以基本上完全由H 2O及CO 2組成。
在一些實施例中，系統10可視情況包括二氧化碳處理裝置424，其可操作地連接至含有來自至少一個氫氣泵408之流出物產物之流出物管道418、420及/或423。二氧化碳處理裝置424可操作以壓縮及/或冷卻自至少一個氫氣泵408接收之流出物流，該流出物流可視情況由鼓風機419壓縮及/或在氧化反應器421中經歷氧化反應。視情況選用之二氧化碳處理裝置424可為經組態以自流出物流移除水的冷凝器及/或乾燥器。在一些實施例中，視情況選用之二氧化碳處理裝置424亦可將流出物流轉化成液化CO 2產物。自流出物流移除之水可視情況經由水排出管道425自二氧化碳處理裝置424移除以用於視情況純化及/或再使用。可包括經純化或純CO 2之流出物流之剩餘部分可經由管道426提供至一或多個CO 2儲存容器427以用於CO 2之儲存及/或封存，或可用於化學過程、飲料碳酸化等。在一些實施例中，一或多個CO 2儲存容器可包括經組態以將CO 2轉化成乾冰以供儲存之一或多個低溫儲存裝置。
圖3示意性地說明根據本發明之另一個實施例之燃料電池系統20。圖3之燃料電池系統20可類似於上文參考圖2所描述之燃料電池系統10。因此，為簡潔起見省略對類似組件的重複論述。圖3之燃料電池系統20可不同於圖2之燃料電池系統10，其中較低壓力及較高壓力氫氣泵可用於回收氫氣產物。
確切地說，參看圖3，位於陽極排氣管道308L中之分離器450 (例如，閥、無源分離器等)可以將部分水合之陽極排氣流的一部分引導至陽極排氣管道451。陽極排氣管道308L中之部分水合陽極排氣流之剩餘部分可提供至至少一個低壓氫氣泵452。至少一個低壓氫氣泵452可經組態以將與陽極排氣流分離之氫氣泵送至相對較低之壓力(例如1-150 psig)。在各種實施例中，至少一個低壓氫氣泵452可以將氫氣泵送至適合於在燃料電池系統20中使用的壓力。來自至少一個低壓氫氣泵452之經壓縮氫氣產物可以提供至氫氣再循環管道412A以用於如上文參考圖2所描述之燃料電池系統20中進一步使用。來自至少一個低壓氫氣泵452之剩餘流出物可提供至流出物管道418，且可繼續進行至視情況選用之鼓風機419、視情況選用之氧化反應器421及視情況選用之二氧化碳處理裝置424以用於分離CO 2，如上文參考圖2所描述。來自流出物之液態水可視情況經由水排出管道453回收。
再次參看圖3，位於陽極排氣管道451內的部分水合陽極排氣流之部分可提供至至少一個高壓氫氣泵454。至少一個高壓氫氣泵454可經組態以將與陽極排氣流分離之氫氣泵送至相對較高之壓力(例如，200至10,000 psig)。在各種實施例中，至少一個高壓氫氣泵452可以將氫氣泵送至適合於氫氣儲存及/或商業出售經純化氫氣產物之目的的壓力。來自至少一個高壓氫氣泵454之經壓縮氫氣產物可以經由氫氣產物管道456提供至一或多個氫氣儲存容器414。來自至少一個高壓氫氣泵454之剩餘氣體流出物可提供至流出物管道457，且來自流出物之液態水可視情況經由水排出管道453回收。在一些實施例中，流出物管道457可將來自至少一個高壓氫氣泵454之流出物提供至視情況選用之鼓風機419、視情況選用之氧化反應器421及視情況選用之二氧化碳處理裝置424以用於分離CO 2，如上文參考圖2所描述。
一般而言，意圖用於儲存及/或商業出售之氫氣產物可能需要比在燃料電池系統20中再循環使用之氫氣產物更高的加壓程度。在各種實施例中，藉由提供可平行處理陽極排氣流之至少一個低壓氫氣泵452及至少一個高壓氫氣泵454，可針對不同用途最佳化自燃料電池系統20之陽極排氣中回收的經壓縮氫氣產物。在一些實施例中，可在至少一個低壓氫氣泵452及/或至少一個高壓氫氣泵454之上游提供一或多個緩衝罐(未在圖3中示出)以減緩向相應氫氣泵452、454饋送之平行陽極排氣流的流動速率的波動。
因此，圖1至圖3中所示之燃料電池系統10、20可使用或再捕獲提供至燃料電池系統10、20之輸入燃料之基本上所有的氫含量及基本上所有的碳含量。這可為燃料電池系統10、20提供增加之燃料利用率。
圖4示意性地說明根據本發明之另一個實施例之燃料電池系統30。圖4之燃料電池系統30可類似於上文參考圖2及3所描述之燃料電池系統10及20。因此，為簡潔起見省略對類似組件的重複論述。圖4之燃料電池系統30可不同於圖2及3之燃料電池系統10及20，其中二氧化碳泵可用於將CO 2之至少一部分與陽極排氣流分離。
參看圖4，至少一個二氧化碳泵600可位於來自燃料電池系統30之熱箱100之陽極排氣流中的水煤氣變換(WGS)反應器405及冷凝器406之下游。冷凝器406可經組態以將水蒸氣冷凝成液態水且降低陽極排氣流之溫度，使得陽極排氣流之溫度及/或水含量可在二氧化碳泵600的操作範圍內。自陽極排氣流冷凝之液態水可經由水排出管道407移除。陽極排氣管道308L可將部分脫水陽極排氣流自冷凝器406提供至至少一個二氧化碳泵600之入口處。
至少一個二氧化碳泵600可包括一或多個電化學二氧化碳泵。至少一個電化學二氧化碳泵600可經組態以將來自低壓陽極排氣流之CO 2泵送至亦可含有水的高壓幾乎純CO 2產物。在一些實施例中，至少一個電化學二氧化碳泵可包括洗滌器及分離器(亦即濃縮器)，其在跨越聚合物膜施加電流或電壓時以電化學方式泵送純二氧化碳以通過膜。在各個實施例中，至少一個電化學二氧化碳泵600可包括高壓二氧化碳分離及壓縮系統，其可自Skyre公司以名稱「CO2RENEW TM」獲得及/或描述於美國專利申請公開第2020/0222852號中。至少一個二氧化碳泵600可包括串聯及/或並聯連接之多個泵(例如多個分離膜堆疊)，以實現CO 2之較高的整體回收分數及/或較高的輸送量。
在一個實施例中，至少一個二氧化碳泵600可以回收脫水陽極排氣流中所存在之CO 2之至少70%，例如70%-90%或更多。在一些實施例中，至少一個二氧化碳泵600可將分離之CO 2產物加壓至1 psig與5,000 psig之間的壓力，例如1-5 psig、5-150 psig或150-5,000 psig。在一些實施例中，由至少一個二氧化碳泵600產生之經壓縮CO 2產物可適合於在無額外機械壓縮的情況下使用、儲存或封存。
在一些實施例中，來自至少一個二氧化碳泵600之經壓縮CO 2產物可經由管道602提供至二氧化碳處理裝置424。二氧化碳處理裝置424可自經壓縮CO 2產物移除任何殘餘水，例如藉由變溫吸附(TSA)及/或變壓吸附(PSA)。自經壓縮CO 2產物移除之水可視情況經由水排出管道425移除以用於視情況純化及/或再使用。經壓縮CO 2產物可視情況經歷進一步壓縮以將CO 2產物加壓至適合於儲存、使用及/或封存之壓力。在一些實施例中，經壓縮CO 2產物可液化或固化為乾冰。在藉由二氧化碳處理裝置424處理之後，可包括經純化或純CO 2之經壓縮CO 2產物可經由管道426提供至一或多個CO 2儲存容器427以用於CO 2之儲存及/或封存，或可用於化學過程、飲料碳酸化等。
再次參看圖4，來自至少一個二氧化碳泵600之未泵送流出物可含有氫氣、水(例如水蒸氣及/或液態水)、未藉由至少一個二氧化碳泵600與陽極排氣分離之二氧化碳以及少量一氧化碳、氮氣及其他雜質。在一些實施例中，來自未泵送流出物之液態水可視情況經由水排出管道601移除。來自至少一個二氧化碳泵600之剩餘未泵送流出物可提供至管道603以用於再循環至燃料電池系統30。
在各種實施例中，來自至少一個二氧化碳泵600之未泵送流出物可包括來自陽極排氣流之基本上所有氫氣及一氧化碳。未泵送流出物流中之氫氣及一氧化碳之濃度通常將大於其在陽極排氣流中的濃度，因為來自陽極排氣流之大部分二氧化碳及一些水藉由至少一個二氧化碳泵600移除。這可使管道603中之流出物流有利地用於燃料電池系統30，包括作為堆疊102及/或ATO 130之燃料源或補充燃料。在各種實施例中，至少一個鼓風機604可與管道603流體連通。至少一個鼓風機604可包括任何適合之流體(例如，氣體)鼓風機、泵、壓縮器等。至少一個鼓風機604可以將流出物流壓縮至適合於在燃料電池系統10中使用的壓力。在一些實施例中，可利用多個鼓風機604以將流出物流之部分壓縮至不同壓力以用於燃料電池系統10中之不同用途。舉例而言，與陽極再循環管道412C流體連通之第一鼓風機604可用於將饋送至熱箱100之陽極再循環迴路之流出物流的壓力增加1 psi與2 psi之間。提供至熱箱100之流出物之至少一部分亦可以提供至熱箱100之ATO 130以用於熱管理及/或自ATO 130移除氮氣。比例電磁閥可用於控制饋送至相應熱箱100之ATO 130之流出物的部分。與陽極再循環管道412B流體連通之額外之鼓風機604可用於將饋送至燃料電池系統30之燃料入口物料流之流出物流的壓力增加10 psi與15 psi之間。
在圖4中所示之燃料電池系統30中，由於幾乎所有燃料可作為分離之二氧化碳產物及/或作為用於燃料電池系統30之再循環燃料而再循環，因此可降低燃料電池系統30的每次燃料利用率。此外，由於來自至少一個二氧化碳泵600之流出物流中之任何殘餘CO 2通過燃料電池系統30再循環且最終自熱箱100再循環至陽極排氣流，因此至少一個二氧化碳泵600不需要具有極高CO 2回收率。在一些實施例中，至少一個二氧化碳泵600之每次CO 2回收率可在70%-90%之間。這可實現對於燃料電池系統30幾乎100%之總體CO 2回收，減去可再循環至熱箱100之ATO 130及/或由其產生的少量CO 2。
取決於至少一個二氧化碳泵600之CO耐受性，在一些實施例中，可自圖4之燃料電池系統30消除WGS反應器405及陽極排氣調節單元404。因此，來自歧管104之陽極排氣可以被饋送至冷凝器406，該冷凝器可經組態以調節陽極排氣流，使得陽極排氣流之溫度及/或水含量可以在至少一個二氧化碳泵600之操作範圍內。在此情況下，進入至少一個二氧化碳泵600之陽極排氣流以及來自至少一個二氧化碳泵600之流出物流可具有相對較高濃度之H 2及CO。
圖5示意性地說明根據本發明之另一個實施例之燃料電池系統40。圖5之燃料電池系統40可類似於上文參考圖4所描述之燃料電池系統30。因此，為簡潔起見省略對類似組件的重複論述。圖5之燃料電池系統40可不同於圖4之燃料電池系統30，藉由在至少一個二氧化碳泵600上游添加至少一個氫氣泵408。在各個實施例中，陽極排氣流可經由陽極排氣管道308L自冷凝器406提供至至少一個氫氣泵408。至少一個氫氣泵408可產生如上文所描述之經壓縮氫氣產物，其可提供至管道410。來自至少一個氫氣泵408之經壓縮氫氣產物可再循環至燃料電池系統30及/或提供至一或多個氫氣儲存容器414以用於儲存及潛在商業銷售。在圖5中展示之實施例中，分離器413可用於經由氫氣儲存管道413將經壓縮氫氣產物的一部分提供至一或多個氫氣儲存容器414，而經壓縮氫氣產物之剩餘部分可經由管道412A再循環以供在燃料電池系統中使用。
來自至少一個氫氣泵408之未泵送流出物可主要含有水(例如水蒸氣及/或液態水)及二氧化碳，以及較小量的氫氣、一氧化碳、氮氣及其他雜質。來自未泵送流出物之液態水可視情況經由水排出管道417移除。剩餘流出物流可經由管道308M提供至至少一個二氧化碳泵600。至少一個二氧化碳泵600可將大部分(例如70%或更多)之CO 2與流出物流分離且提供經壓縮CO 2產物，如上文參考圖4所描述。經壓縮CO 2產物可視情況經由管道602提供至CO 2處理裝置424。
來自至少一個二氧化碳泵600之未泵送流出物可包括水(例如水蒸氣及/或液態水)及未由至少一個二氧化碳泵600分離之二氧化碳，以及少量氫、一氧化碳、氮及其他雜質。來自未泵送流出物之液態水可視情況經由水排出管道601移除。可以將剩餘流出物提供至管道603以用於如上文所描述之燃料電池系統40中。
在至少一個二氧化碳泵600之上游提供至少一個氫氣泵408之一個優點為，至少一個氫氣泵408可在將過程流饋送至至少一個二氧化碳泵600之前降低過程流之氣體流動速率。另外，藉由使用至少一個氫氣泵408移除氫氣，可以增加饋送至至少一個二氧化碳泵600之過程流中之CO 2之濃度。圖5之系統40亦可產生純或經純化氫氣產物，其可儲存以供稍後使用及/或銷售。
圖6示意性地說明根據本發明之另一個實施例之燃料電池系統50。圖5之燃料電池系統50可類似於上文參考圖2所描述之燃料電池系統10。因此，為簡潔起見省略對類似組件之重複論述。圖3之燃料電池系統50可不同於圖2之燃料電池系統10，藉由在至少一個氫氣泵408上游添加至少一個二氧化碳泵600。在各個實施例中，陽極排氣流可經由陽極排氣管道308L自冷凝器406提供至至少一個二氧化碳泵600。至少一個二氧化碳泵600可將大部分(例如70%或更多)之CO 2與陽極排氣流分離且提供經壓縮CO 2產物，如上文參考圖4描述。經壓縮CO 2產物可視情況經由管道602提供至CO 2處理裝置424。
來自至少一個二氧化碳泵600之未泵送流出物可包括富含氫之過程流，其包括水(例如水蒸氣及/或液態水)、氫氣及未藉由至少一個二氧化碳泵600分離之二氧化碳，以及少量一氧化碳、氮氣及其他雜質。來自未泵送流出物之液態水可視情況經由水排出管道601移除。剩餘流出物流可經由管道604提供至至少一個氫氣泵408。
至少一個氫氣泵408可產生如上文所描述之經壓縮氫氣產物，其可提供至管道410。來自至少一個氫氣泵408之經壓縮氫氣產物可再循環至燃料電池系統30及/或提供至一或多個氫氣儲存容器414以用於儲存及潛在商業銷售。在圖6中展示之實施例中，分離器411可用於經由氫氣儲存管道413將經壓縮氫氣產物的一部分提供至一或多個氫氣儲存容器414，而經壓縮氫氣產物之剩餘部分可經由管道412A再循環以供在燃料電池系統中使用。
來自至少一個氫氣泵408之未泵送氣態流出物可以自至少一個氫氣泵408提供至流出物管道418，並且可以視情況饋送至鼓風機419及氧化反應器421，其經組態以減少或消除先前參考圖2所描述之來自流出物之殘餘H 2及CO。可主要包括水及CO 2之剩餘流出物可經由管道605提供至CO 2處理裝置424以用於回收、儲存及/或使用如上文所描述之剩餘CO 2。
提供所公開態樣之先前描述係為了使此項技術之技術人員能夠製造或使用本發明。此項技術之技術人員將容易明白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應用於其他態樣。因此，本發明並不希望限於本文中所展示之態樣，而應被賦予與本文中所公開之原理及新穎特徵相一致之最廣範圍。
10,20,30,40,50:燃料電池系統 100:熱箱 102:燃料電池堆 104:歧管 110:陽極回流換熱器 112,114,116:燃料重整催化劑 120:陰極回流換熱器 130:陽極尾氣氧化器 140:陽極排氣冷卻器 160:蒸汽發生器 200:催化部分氧化(CPOx)反應器 204:CPOx鼓風機 206:水源 208:系統鼓風機 210:混合器 212:陽極再循環鼓風機 225:系統控制器 300A,300B,300C,300D,300E,302A,302B,302C,304A,304B,304C,306,308A,308B,308C,308D,308E,308F,308G,308H,308I,308J,308K,308L,308M,407,410,412A,412B,412C,412D,413,417,418,420,423,425,426,451,453,456,457,601,602,603,605:管道 400:燃料源 402:預處理單元 403,411,415,416,450,511:分離器 404:陽極排氣調節單元 405:水煤氣變換(WGS)反應器 406:冷凝器 408,452,454:氫氣泵 414:氫氣儲存容器 419,604:鼓風機 421:氧化反應器 422:氧氣源 424:二氧化碳處理裝置 427:CO 2儲存容器 455:水排出 550:渦流發生器 600:二氧化碳泵
併入本文並構成本說明書之一部分的附圖示出了本發明之實例實施例，並且與上文給出的總體描述及下文給出的詳細描述一起用於闡釋本發明之特徵。
圖1為根據各種實施例之固體氧化物燃料電池系統之熱箱的示意圖。
圖2為根據本發明之實施例之燃料電池系統之組件的示意圖。
圖3為根據本發明之另一實施例之燃料電池系統之組件的示意圖。
圖4為根據本發明之又一實施例之燃料電池系統之組件的示意圖。
圖5為根據本發明之又一實施例之燃料電池系統之組件的示意圖。
圖6為根據本發明之又一實施例之燃料電池系統之組件的示意圖。
10:燃料電池系統
100:熱箱
102:燃料電池堆
110:陽極回流換熱器
112,114,116:燃料重整催化劑
120:陰極回流換熱器
130:陽極尾氣氧化器
140:陽極排氣冷卻器
160:蒸汽發生器
206:水源
208:系統鼓風機
225:系統控制器
300D,300E,302A,302B,302C,304A,304B,304C,306,308A,308B,308C,308D:管道
511:分離器
550:渦流發生器

Claims (24)

  1. 一種燃料電池系統，其包含： 至少一個熱箱，其包含燃料電池堆且產生陽極排氣產物； 至少一個氫氣泵； 至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之陽極排氣產物出口連接至該至少一個氫氣泵之入口； 經壓縮氫氣產物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之經壓縮氫氣產物出口；及 至少一個流出物管道，其連接至該至少一個氫氣泵之未泵送流出物出口。
  2. 如請求項1之燃料電池系統，其中該燃料電池系統進一步包含：多個熱箱，其各自包含燃料電池堆且產生陽極排氣產物；至少一個產物管道，其以流體方式將該多個熱箱中之各者的陽極排氣產物出口連接至歧管；及至少一個產物管道，其以流體方式將該歧管之出口連接至該至少一個氫氣泵之該入口。
  3. 如請求項2之燃料電池系統，其中該多個熱箱中之各熱箱包括藉由至少一個產物管道以流體方式連接至該歧管之第一陽極排氣出口，及藉由至少一個產物管道以流體方式連接至該歧管之第二陽極排氣出口。
  4. 如請求項3之燃料電池系統，其中通過該第一陽極排氣出口自該熱箱中之各者排出之該陽極排氣產物包含已通過該相應熱箱之陽極排氣冷卻器之陽極排氣，且通過該第二陽極排氣出口自該熱箱中之各者排出之該陽極排氣產物包含繞過該相應熱箱之該陽極排氣冷卻器之陽極排氣。
  5. 如請求項1之燃料電池系統，其進一步包含以流體方式連接至該至少一個流出物管道之鼓風機，該鼓風機經組態以壓縮來自該至少一個氫氣泵之該未泵送流出物出口之未泵送流出物產物。
  6. 如請求項5之燃料電池系統，其進一步包含藉由至少一個流出物管道以流體方式連接至該鼓風機之出口之氧化反應器，該氧化反應器經組態以減少或消除來自由該鼓風機壓縮之該未泵送流出物產物之殘餘H 2及CO含量。
  7. 如請求項6之燃料電池系統，其進一步包含藉由至少一個流出物管道以流體方式連接至該氧化反應器之出口之二氧化碳處理裝置，該二氧化碳處理裝置經組態以將該未泵送流出物產物轉換成經純化或純CO 2產物。
  8. 如請求項2之燃料電池系統，其中該至少一個氫氣泵包含電化學氫氣泵，其產生包含大於99體積百分比氫氣之經壓縮氫氣產物。
  9. 如請求項8之燃料電池系統，其中該經壓縮氫氣產物管道以流體方式連接至至少一個氫氣再循環管道，該至少一個氫氣再循環管道經組態以再循環該經壓縮氫氣產物之至少一部分以供該燃料電池系統使用。
  10. 如請求項9之燃料電池系統，其中該經壓縮氫氣產物管道以流體方式連接至至少一個氫氣再循環管道，該至少一個氫氣再循環管道以流體方式連接至該燃料電池系統之熱箱之陽極再循環迴路。
  11. 如請求項9之燃料電池系統，其中該經壓縮氫氣產物管道以流體方式連接至至少一個氫氣再循環管道，該至少一個氫氣再循環管道以流體方式連接至該燃料電池系統之熱箱之陽極尾氣氧化器(ATO)。
  12. 如請求項9之燃料電池系統，其中該經壓縮氫氣產物管道以流體方式連接至至少一個氫氣再循環管道，該至少一個氫氣再循環管道以流體方式連接至該燃料電池系統之燃料源及該燃料電池系統之一或多個熱箱之燃料入口管道中之至少一個。
  13. 如請求項9之燃料電池系統，其中該至少一個氫氣再循環管道經組態以再循環該經壓縮氫氣產物之第一部分以供該燃料電池系統使用，且該經壓縮氫氣產物管道以流體方式連接至至少一個氫氣儲存管道，該至少一個氫氣儲存管道經組態以向一或多個氫氣儲存容器提供該經壓縮氫氣產物之第二部分。
  14. 如請求項3之燃料電池系統，其進一步包含： 水煤氣變換(WGS)反應器，至少一個以流體方式將該歧管之出口連接至該WGS反應器之入口之產物管道；及 冷凝器、至少一個以流體方式將該WGS反應器之出口連接至該冷凝器之入口之產物管道，及至少一個以流體方式將該冷凝器之出口連接至該至少一個氫氣泵之該入口之產物管道。
  15. 如請求項1之燃料電池系統，其中該至少一個氫氣泵包含： 低壓氫氣泵，至少一個以流體方式連接至該低壓氫氣泵之入口以用於接收該陽極排氣產物之第一部分之產物管道，其中由該低壓氫氣泵產生的經壓縮氫氣產物經再循環以用於該燃料電池系統；及 高壓氫氣泵，至少一個以流體方式連接至該高壓氫氣泵之入口以用於接收該陽極排氣產物之第二部分之產物管道，其中由該高壓氫氣泵產生的經壓縮氫氣產物被提供至一或多個氫氣儲存容器。
  16. 如請求項1之燃料電池系統，其中該燃料電池系統包含固體氧化物燃料電池(SOFC)系統。
  17. 如請求項1之燃料電池系統，其進一步包含至少一個二氧化碳泵，其中： (a)  該至少一個二氧化碳泵之入口藉由至少一個未泵送流出物管道以流體方式連接至該至少一個氫氣泵之該未泵送流出物出口，經壓縮二氧化碳產物管道連接至該至少一個二氧化碳泵之壓縮二氧化碳產物出口，且至少一個未泵送流出物再循環管道耦接至該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物出口，以再循環來自該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物以供該燃料電池系統使用，或 (b)  至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之該陽極排氣產物出口連接至該至少一個二氧化碳泵之入口，經壓縮二氧化碳產物管道連接至該至少一個二氧化碳泵之壓縮二氧化碳產物出口，且至少一個未泵送流出物再循環管道耦接至該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物出口，以用於向該至少一個氫氣泵之該入口提供來自該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物。
  18. 一種燃料電池系統，其包含： 至少一個熱箱，其包含燃料電池堆且產生陽極排氣產物； 至少一個二氧化碳泵； 至少一個產物管道，其以流體方式將該熱箱之陽極排氣產物出口連接至該至少一個二氧化碳泵之入口； 經壓縮二氧化碳產物管道，其連接至該至少一個二氧化碳泵之經壓縮二氧化碳產物出口；及 至少一個流出物管道，其連接至該至少一個二氧化碳泵之未泵送流出物出口。
  19. 如請求項18之燃料電池系統，其中該至少一個二氧化碳泵包含電化學二氧化碳泵，該電化學二氧化碳泵經組態以自提供給該至少一個二氧化碳泵之該陽極排氣產物中移除至少約70%之該二氧化碳，並且產生經壓縮二氧化碳產物及未泵送流出物。
  20. 如請求項19之燃料電池系統，其進一步包含以流體方式連接至該至少一個流出物管道之至少一個鼓風機，該鼓風機經組態以再循環來自該至少一個二氧化碳泵之該未泵送流出物以供該燃料電池系統使用。
  21. 一種操作燃料電池系統之方法，其包含： 向該燃料電池系統之至少一個熱箱提供燃料入口流； 自該燃料電池系統之該至少一個熱箱產生陽極排氣產物流； 將該陽極排氣產物流提供給至少一個氫氣泵； 在該至少一個氫氣泵中產生經壓縮氫氣產物及未泵送流出物；及 將該經壓縮氫氣產物之至少一部分再循環至該燃料電池系統之該至少一個熱箱。
  22. 如請求項21之方法，其進一步包含以下各項中之至少一個： 自來自該至少一個氫氣泵之該未泵送流出物中產生經純化或純CO 2產物，及 將該經壓縮氫氣產物之一部分提供給至少一個氫氣儲存容器。
  23. 一種操作燃料電池系統之方法，其包含： 向該燃料電池系統之至少一個熱箱提供燃料入口流； 自該燃料電池系統之該至少一個熱箱產生陽極排氣產物流； 將該陽極排氣產物流提供給至少一個二氧化碳泵； 在該至少一個二氧化碳泵中產生經壓縮二氧化碳產物及未泵送流出物；及 將來自該二氧化碳泵之該未泵送流出物之至少一部分再循環至該燃料電池系統之該至少一個熱箱。
  24. 如請求項23之方法，其進一步包含： 自來自該至少一個二氧化碳泵之該經壓縮二氧化碳產物中產生經純化或純CO 2產物。
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