[发明专利]燃料电池系统及其在近100%燃料利用率下的操作方法

说明书

本申请涉及一种燃料电池系统及其在近100％燃料利用率下的操作方法。一种燃料电池系统包含至少一个电化学泵分离器以从燃料排气流分离氢气和二氧化碳。

技术领域

本申请涉及一种燃料电池系统及其在近100％燃料利用率下的操作方法。

背景技术

本发明大体上涉及气体分离的领域，且更具体地说涉及具有电化学燃料排气燃料回收的燃料电池系统。

燃料电池是可将储存于燃料中的能量以高效率转换成电能的电化学装置。高温燃料电池包含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。存在各种燃料电池，例如固体氧化物再生型燃料电池，其还允许反转操作，使得氧化燃料可使用电能作为输入还原成未氧化燃料。

发明内容

根据本公开的各种实施例，一种燃料电池系统包含：燃料电池堆；阳极尾气氧化器(ATO)；第一和第二电化学氢泵分离器，其各自包含安置于阴极和阳极之间的电解质；燃料排气管道，其以流体方式将燃料电池堆的燃料排气出口连接到分流器；第一分离管道，其以流体方式将分流器的出口连接到第一氢泵分离器的阳极入口；第二分离管道，其以流体方式将第一氢泵分离器的阳极出口连接到第二泵分离器的阳极入口；ATO入口管道，其以流体方式将第一电化学泵分离器的阴极出口连接到阳极尾气氧化器；氢气管道，其以流体方式将第二电化学泵分离器的阴极出口连接到燃料电池堆的燃料入口；以及副产物管道，其以流体方式将第二电化学泵分离器的阳极出口连接到二氧化碳使用或储存装置。

根据本公开的各种实施例，一种燃料电池系统包括：热箱；燃料电池堆，其安置于热箱中；阳极尾气氧化器(ATO)，其安置于热箱中；燃料入口管道，其以流体方式将燃料源连接到燃料电池堆的入口；燃料排气冷凝器，其安置在热箱外部且被配置成冷凝来自由燃料电池堆生成且从热箱输出的燃料排气的水；燃料排气分离器，其被配置成从自燃料排气冷凝器接收的燃料排气移除液态水；燃料排气管道，其以流体方式将燃料电池堆的燃料排气出口连接到燃料排气冷凝器；再循环管道，其以流体方式将燃料排气分离器连接到燃料入口管道；ATO入口管道，其以流体方式将再循环管道连接到ATO；以及再循环阀，其被配置成选择性地控制燃料排气流穿过再循环管道并进入ATO入口管道。

根据本公开的各种实施例，一种燃料电池系统包括：热箱；燃料电池堆，其安置于热箱中；阳极尾气氧化器(ATO)，其安置于热箱中；燃料入口管道，其以流体方式将燃料源连接到燃料电池堆的入口；外部阳极排气冷却器，其位于热箱外部；燃料排气管道，其以流体方式将燃料电池堆的燃料排气出口连接到外部阳极排气冷却器；再循环管道，其以流体方式将外部阳极排气冷却器连接到燃料入口管道；燃料排气处理管道，其以流体方式连接到再循环管道；以及气体分离器，其以流体方式连接到燃料排气处理管道且被配置成将从燃料排气处理管道接收的燃料排气分离成液态水、二氧化碳和氢气流。

附图说明

图1和2是燃料电池系统的第一和第二对比实施例的燃料电池系统的示意图。

图3、4、5A、5B、5C、6和7是根据本公开的各种实施例的燃料电池系统的示意图。

图8是根据本公开的各种实施例的水煤气变换反应器的透视图。

图9A、9B和9C是根据本公开的各种实施例的燃料电池系统的顶部、侧部横截面及透视图。

具体实施方式

如本文所阐述，参考实例实施例和/或附图描述本公开的各个方面，附图中示出本发明的实例实施例。然而，本发明可以按许多不同形式体现，并且不应被解释为限于图式中所展示或本文中所描述的实例实施例。应了解，各种所公开实施例可涉及结合所述特定实施例描述的特定特征、元件或步骤。还应了解，尽管关于一个特定实施例描述了特定特征、元件或步骤，但所述特定特征、元件或步骤可以在各种未图示的组合或排列中与替代实施例互换或组合。