CN102132451B - 使用空气分布装置的改进的燃料电池堆流动罩气流 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的燃料电池堆组件和燃料电池堆组件的操作方法，具体的涉及改进的气流和热操纵。

Description

使用空气分布装置的改进的燃料电池堆流动罩气流

技术领域

本发明涉及改进的燃料电池堆组件和燃料电池堆组件的操作方法，具体涉及改进的气流和热操纵。 

背景技术

这里所使用的术语“燃料电池堆组件”表示至少一个燃料电池堆，至少一个燃料电池堆每一个都包括至少一个燃料电池堆层以及用于所使用的一个或多个燃料和氧化剂流的燃料电池堆底板和密封地连接到燃料电池堆底板的罩、进入到罩容积内的至少一个气体入口以及预加热器(没有位于罩容积中)，其中，至少一个燃料电池堆层每一个都包括至少一个燃料电池、燃料和氧化剂入口/出口连接件、以及用于一个或多个燃料和氧化剂流的流动路径，并且在燃料电池堆基板与罩之间限定罩容积。燃料电池堆组件的其它可选的部件适当地包括燃料侧密封组件、氧化剂侧密封组件、端板和压缩系统、燃料电池堆绝缘装置以及电连接件和控制/监测连接件。 

这里使用的术语“燃料电池堆系统组件”表示与系统电子设备和控制装置一起的燃料电池堆组件。其它可选的部件包括重整器(如果进入燃料被重整或预先重整)、水回收系统、蒸汽产生单元、至少一个热交换器(所述至少一个热交换器可选地涉及热交换器流中的一个的相变)、热绝缘装置、启动燃烧器和尾气燃烧室。 

术语“系统电子设备”包括在燃料电池堆组件中或在所述燃料电池堆组件附近的电子控制设备和/或任何电力电子设备，其中可以具有可选地放置在一起或分开放置的至少一个电子板和/或单元。 

术语“控制装置”包括气体和流体控制阀以及泵、空气(氧化剂)吹送单元以及安全设备，并且还适当地包括输入和传感装置。 

燃料电池堆组件操作，从而获得进入氧化剂和燃料以生成氧化产物(这里被称为废气流，但是也被成为阳极废气和阴极废气)、热量和DC电流形 式的电力。总之，燃料电池堆系统组件还可以包括另外的元件，所述另外的元件包括系统控制装置和例如包括电力电子设备的系统电子设备，所述电力电子设备将DC燃料电池输出从第一电压转化成第二电压，和/或将DC燃料电池输出转化成AC波形。 

通常是运行具有氧化剂与燃料的比值在1∶1和20∶1之间，更通常在5∶1与15∶1并且更通常在8∶1与12∶1之间的燃料电池堆。因此，在正常操作中，存在流动通过燃料电池堆的理想配比过剩的氧化剂气体。过量的氧化剂气流通常用于能够使燃料电池堆的冷却发生在燃料电池的电化学反应位置附近。 

在重整器单元用于重整或预先重整燃料时，通常使用蒸汽重整催化剂以获得有效并且有效率的重整方法。当使用例如基于甲烷的燃料时，例如天然气，通常不会使蒸汽与碳的比值在2∶1与3∶1之间。当使用基于丙烷的燃料气体时，例如LPG，通常不会使蒸汽与碳的比值在3∶1与4∶1之间，尽管这可以根据LPG组成元素(例如，长链烃的百分比和诸如烯烃的双键)而高达5∶1。当使用基于丁烷的燃料气体时，通常不会使蒸汽与碳的比值在4∶1与5∶1之间。对于给定的重整器设计，在重整操作期间增加蒸汽与碳的比值通常导致重整器排放温度的降低。 

本领域的技术人员所公知的是燃料电池的操作效率与燃料电池中的电化学反应点处的局部温度有关。在燃料电池堆组件的操作中，进入气流在进入燃料电池之前被加热-如果所述进入气流以过低的温度进入燃料电池，则电化学反应点处的局部温度可能太低，并且燃料电池的操作效率和功率输出可能受到不利的影响。操纵燃料电池堆的温度的能力对燃料电池堆的操作效率及其额定功率输出具有显著的效果。在设计燃料电池堆和设备部件以及控制过程的平衡上花费了相当大的工程努力，以确保燃料电池堆在操作条件范围内保持用于最有效的电化学反应的校正温度。典型的操作条件包括系统启动、稳态运行、动态载荷变化和系统关闭。 

例如，在中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)装置中，燃料电池堆组件中的燃料电池堆的燃料电池(一个或多个)的电化学反应在450-650℃之间的局部燃料电池温度下可以最有效地运行。燃料电池堆操作温度通常在450-650℃之间。对于燃料电池堆的有效操作，理想的是将氧化剂和燃料进 入流加热到接近燃料电池堆的操作温度的温度，所述温度例如在燃料电池堆操作温度(单位为℃)的0-20％内、更优选地在0-10％内、进一步优选地在0-5％内。这种IT-SOFC的示例是装入基于至少一个金属支撑的氧化铈钆(CGO)的电解质燃料电池的燃料电池堆。这种IT-SOFC系统的示例可以具有能够将进入到燃料电池堆的氧化剂气流加热到大约480℃的温度的至少一个热交换系统(预加热器)。在一些燃料电池系统设计中，热交换器系统排出氧化剂气流温度被设计成与所需的燃料电池堆氧化剂气流进入温度基本上相同，使得对于燃料电池进入氧化剂气流来说不需要进一步的热交换。在典型的IT-SOFC系统中，用于热交换系统的加热气体可以具有大约510℃的热交换系统进入温度。由于进入到燃料电池堆中的氧化剂气流所需的温度(大约480℃)与大约510℃的热交换系统加热气体进入温度之间的低热势，热交换器设计的尺寸必然大，并且质量高。对于近似1kW电力输出的燃料电池系统来说，这种热交换系统的示例效率很高，但是设计重量达到3.5kg的热交换单元是复杂的并且成本较高。 

用于加热燃料电池堆氧化剂气流的热交换系统可以由至少两个热交换器单元组成。所述至少两个热交换单元可以使用至少两个燃料电池系统气流(例如，阳极废气流和尾气燃烧器废气流)作为用于燃料电池堆氧化剂气流的加热流体。 

从例如US 5902692、US 6042956和EP 0580918的现有技术已知能够加热燃料电池堆气体进入流的各种热交换装置。然而，这种装置复杂且成本高并且难以制造，并且尤其会遇到有效地进行密封以防止气流混合的问题，并且具有有限的热交换面面积。 

US 2005/0089731中说明了一种具有与预重整器和集成热交换器相结合的固体氧化物燃料电池堆的基本部件的系统，其中集成热交换器装有两个热交换器和SOFC堆废气燃烧室，所述热交换器和SOFC堆废气燃烧室都封闭在绝热容器中。 

从废气燃烧室释放的热能用作热交换器中的加热源。尽管规定650-850DegC的操作范围，但SOFC被描述为能够在750DegC下操作。燃料被预重整到300-600DegC的温度(第[0063]段)。在所述的大多数实施例中，燃料和空气接着都通过利用来自集成热交换器中的催化燃烧室的热量(第[0079] 段)或通过利用燃烧室热量和来自从燃料电池堆排出的空气或燃料的热能(第[0080]段)在一个或多个热交换器中被加热。 

图21和图22显示了燃料气体没有直接供应给燃料电池堆而是被供应到燃料电池堆的周边周围以在进入燃料电池堆本身之前获得额外热量的情况。然而，这种教导的特定性是无效的。在燃料进入到燃料电池堆之前，燃料在300DegC与600DegC之间(395DegC-[0125]段)从预重整器被直接供给到燃料电池堆周围的空间。燃料电池堆需要在650-850DegC、最可能为大约750DegC的温度下的燃料。没有说明燃料在离开预重整器与进入燃料电池堆之间是如何获得充分的热能。为了使大于100DegC的温度上升发生，燃料将必须停留在燃料电池堆区空隙中持续充分时间，以获得充分的热能，并且没有建议或教导如何获得此操作。另外，没有说明燃料电池堆周围的空隙是如何构造而成的，并且没有说明空隙是如何形成气密以阻止气体从构成绝热容器的热绝缘装置z中漏出。由于高温和含有氢的爆炸气体的存在具有相当大的工程挑战，因此必须确保在宽温度操作范围内的完全气密-尽管在燃料电池堆周边与绝热容器的热绝缘装置之间的空隙中没有超过650DegC的气体。 

在[0105]段中，说明了代替加热燃料电池堆周边的燃料，可以在燃料电池堆的周边加热空气。所教导的是从空气鼓风机将空气直接供给到燃料电池堆的周边。再次，这是无效的。首先，空气接近环境温度绕所述周边进入空隙，并且将需要使空气的温度增加至少600DegC。没有建议或公开这是如何实现的，并且如果不能实现，则燃料电池堆将简单地停止工作。通过引入这种温差的空气而引入到燃料电池堆的表面上的热冲击将引入严重的局部应力，所述局部应力可能通过在所述区域的有源燃料电池部件的快速局部冷却和/或气密整体性或陶瓷材料整体性的丧失而导致燃料电池堆失效和/或燃料电池堆性能丧失。 

因此，US 2005/0089731可参考，但是在其公开中基本原理是有缺陷的。 

其它现有技术包括EP 0377151、US 6670069、US 6866954、US 2001/0009732(EP 1120845)、US 2003/0235751、US 2004/0043267、US 2005/0014046、US 2005/0074659、US 2006/0204796、US 2006/0257696、US6942942(EP1411571)、US2003/0235733(EP1394883)、US7255157 (EP1460367)和WO2008/104760(GB2447136)。 

此外，已经发现具有多层燃料电池的燃料电池堆不仅沿燃料电池的电化学反应线具有温度梯度，而且横过燃料电池堆高度(从最靠近基板的燃料电池堆层到最远离基板的燃料电池堆层限定)也具有温度梯度。理想的是最小化横过燃料电池堆高度的温度变化，使得每一个燃料电池以大致相同的方式工作。 

通过使用氧化剂流(通常为气流)以从燃料电池的电化学活跃区域去除热能、或通过另外地使用吸热内部重整反应以从燃料电池的电化学活跃区域去除热量来实现大部分的燃料电池堆冷却。 

对于燃料电池堆设计来说，期望的是燃料电池堆的燃料电池层的温度将在燃料电池堆的顶端和底端处略微较低(与燃料电池堆的中心相比)，这是因为与燃料电池堆端部相邻的燃料电池堆端板基本上不会产生热量，并因此作为热沉，从而远离相邻的燃料电池堆的燃料电池层而获取热量。虽然有效的燃料电池堆设计和周围系统设计可以减小热沉影响，但是在燃料电池堆操作期间仍然具有显著的影响。对于具有开口歧管式氧化剂入口设计的燃料电池堆来说，发现燃料电池堆的端部层的氧化剂进入温度比在中间层的温度高，并且这被发现为主要是由于从燃料电池堆底板/端板收集额外的热量而造成。 

对于给定的燃料电池设计来说，具有限定的操作温度范围，在该操作温度范围内，电池产生最佳的电压和电流输出。在此温度范围外的操作导致非最佳的电池性能。对于这些受影响的电池来说，仅当一个燃料电池与另一个燃料电池之间的操作温度差产生电池操作性能差时，跨越燃料电池堆的温差才是重要的。当燃料电池堆的电力输出由于跨越燃料电池堆的温度变化而减少时，这种电池操作性能差本身可以表现出来。因此，理想的是控制跨越燃料电池堆的温差，以便所有燃料电池堆的燃料电池在最佳的温度范围内工作，并由此优化燃料电池堆的电力输出。 

实现此的一种方法是对燃料电池堆中的每一个燃料电池控制氧化剂进入温度和燃料进入温度。然而，实际上，用于大量制造的成本有效的燃料电池堆设计导致供给到燃料电池堆中的大量电池的共用氧化剂和燃料—为每一个燃料电池提供分离的氧化剂入口是不切实际的。用于燃料电 池堆的氧化剂入口布置的示例是内部成歧管形式的燃料电池堆设计中的共用流体供给歧管。在使用中，这种歧管由于燃料电池堆的热端效应将沿其长度具有不同的温度。如果歧管温差导致进入到燃料电池中的流体进入温度使得特定电池的操作温度在有效操作范围的温度之外，则可能会影响整个燃料电池堆的操作效率和电力输出。 

一种可选的方法是对于每一个各种燃料电池堆操作温度不同地修整燃料电池设计。在对于燃料电池制造和燃料电池堆组件制造来说需要高体积低成本方法的情况下，这种方法是不理想的，其中在整个燃料电池堆中优选地采用燃料电池的单一设计。 

另一种方法是使用进入到燃料电池堆中的多个氧化剂供给装置，且不同的供给装置被设计成能在不同温度下供给氧化剂。因为其增加了燃料电池堆和燃料电池堆组件制造的复杂性，以及导致燃料电池堆操作控制的额外的复杂性，因此这是不理想的。 

本发明试图克服现有技术的缺点。 

发明内容

根据本发明，提供了一种中温固体氧化物燃料电池堆组件，包括： 

(i)底板； 

(ii)罩，所述罩密封地连接到所述底板，并在所述底板与所述罩之间限定罩容积； 

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池堆，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆安装在所述底板上并被所述罩包围； 

(iv)至少一个气体入口，所述至少一个气体入口限定进入所述罩容积内的至少一个气体进入点；和 

(v)预加热器，所述预加热器位于所述罩容积外，与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适于通过所述气体入口将氧化剂从所述氧化剂源供应到所述罩容积， 

每一个燃料电池堆包括至少三个燃料电池堆层，每一个燃料电池堆层包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池限定氧化剂入口端和排出氧化剂出口端， 

所述至少一个燃料电池堆具有： 

(a)至少一个开口歧管式气体入口，所述至少一个开口歧管式气体入口限定所述至少一个燃料电池堆的开口歧管端部；和 

(b)至少一个内部成歧管形式的气体出口， 

进入到所述罩容积中的所述至少一个气体进入点被定位成远离所述至少一个燃料电池堆的所述开口歧管端部，使得在使用中，氧化剂通过所述至少一个气体入口进入所述罩容积并环绕所述至少一个燃料电池堆的外部前进到所述至少一个开口歧管式气体入口，在所述氧化剂进入到所述开口歧管式气体入口之前，在所述氧化剂与所述燃料电池堆层的外表面之间发生直接热传递，所述预加热器被构造成使得在使用中来自所述氧化剂源的氧化剂被加热，并且所述氧化剂在所述燃料电池的最靠近所述至少一个开口歧管式气体入口的入口端处在使用操作温度以下不超过100℃的温度下通过所述至少一个气体入口被供应给所述罩容积， 

其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆限定从最靠近所述底板的燃料电池堆层到最远离所述底板的燃料电池堆层测量的高度X，并且其中，所述至少一个气体进入点位于最靠近所述底板的所述燃料电池堆层上方的高度Y处，其中，0.25X≤Y≤0.75X。 

优选地，至少一个燃料电池堆包括至少5层、10层、15层、20层、25层、30层、35层、40层、45层、50层、55层、60层、65层、70层、75层或80层的燃料电池堆层。 

至少一个气体进入点是以下所述的点，即，在使用中氧化剂气体在所述点处进入罩容积，使得所述氧化剂气体能够与容纳在罩容积中的现有氧化剂混合并能够环绕至少一个燃料电池堆的外部前进到至少一个开口歧管式气体入口。 

优选地，燃料电池堆组件不包括进入到罩容积中的任何额外的气体进入点，所述气体进入点位于最靠近所述基板的所述燃料电池堆层上方的高度Y处，其中Y＜0.25X或Y＞0.75X，并被构造成在使用中当氧化剂从位于0.25X≤Y≤0.75X的高度Y处的至少一个气体进入点进入罩容积中时，允许氧化剂以相同或基本上相同的温度进入罩容积。实验已经表明在气体进入点设置在Y＜0.25X或Y＞0.75X的垂直高度处的情况下，不会获得本 发明所观察到的改进的温度分布图。 

已经发现在450-650℃范围内操作的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)燃料电池堆组件中，在(i)X＝0和X＝1(最靠近底板的燃料电池堆层与最远离底板的燃料电池堆层)与(ii)X＝0.5(燃料电池堆组件的中间层)的情况下，开口歧管式气体入口处的氧化剂温度之间的差可以变化达到40℃。这显然是不理想的。 

如以下详细所述和图10中所示，在需要的垂直位置处设置至少一个气体进入点会显著地减小至少一个开口歧管式气体入口处的温度的变化。这在最靠近底板的燃料电池堆层和最远离底板的燃料电池堆层处尤其明显，其中与理想的入口温度的偏差显著减小，并且在一些实施例中减少了一半以上。 

至少一个开口歧管式气体入口处的氧化剂温度变化的这种减少允许显著地提高基于操作效率和电力输出的燃料电池堆性能，并且还可以有助于通过减小相邻燃料电池之间和跨越燃料电池堆的温差来延长使用寿命，并因此减小各个燃料电池上的机械应力。 

模拟结果和实验数据都通过改变Y值确认当0.25X≤Y≤0.75X时温度分布图确实被改进，并且这导致燃料电池堆组件性能的显著提高，尤其当Y大约为0.5X时，当开口歧管式气体入口的氧化剂温度在(i)和(ii)(上述)处的差值可以被降低到小于10℃时，燃料电池堆组件性能显著提高。 

因此，优选地，0.3X≤Y≤0.7X。更优选地，0.35X≤Y≤0.65X。更优选地，0.4X≤Y≤0.6X。更优选地，0.45X≤Y≤0.55X。更进一步优选地，Y大约为0.5X。 

优选地，预加热器是无源热交换装置。更优选地，预加热器被设计成使得横过热交换器提供热能的流体是来自燃料电池堆组件或所述燃料电池堆组件的部件的排出流，例如在包括重整器的实施例中来自重整器排出流、或来自尾气燃烧器的排出流，而增加横过热交换器的热能的流体是氧化剂气体。 

本发明旨在通过在使用中在特定温度范围内将氧化剂提供给罩容积并在罩容积中实现加热来获得许多显著的优点。首先，本发明允许用于在氧化剂进入燃料电池堆之前加热氧化剂的预加热器部件的尺寸和质量显 著减小，从而又减小最终产品的尺寸和成本。通过远离至少一个燃料电池堆的开口歧管端部将氧化剂提供到罩容积中并允许氧化剂冷却至少一个燃料电池堆的表面并接着加热氧化剂，本发明旨在使跨越至少一个燃料电池堆的温度梯度显著降低，从而又增加所述至少一个燃料电池堆的效率并减少机械应力以及增加寿命。现有技术都没有给出启示和公开。 

与给出上述需要近似1kW电力输出燃料电池系统的热交换器系统的示例不同，如果离开热交换系统的燃料电池堆的氧化剂气流所需的温度从大约480℃减小到大约455℃，则热交换流体之间的热势的增加意味着可以相当大地降低热交换系统所需的效率，并因此减小复杂性、成本和质量。在以上给出的1kW电力输出燃料电池系统中，可以将质量减少到大约2.5kg，几乎减少30％。类似地，还可以大致减小这种热交换系统的外形尺寸，在空间和重量频繁受到重视的情况下，任意燃料电池堆系统组件中的另一个高度需要的部件的外形尺寸也被相当大的减小。 

在使用中，包括至少一个燃料电池的燃料电池堆通过发生在一个或多个燃料电池中的电化学反应生成热量、电力和水。由于燃料电池堆部件的内部电阻，当电流流动通过燃料电池堆部件时可生成另外的热量。这意味着燃料电池和周围的燃料电池部件的温度沿从一个或多个入口到一个或多个出口的气体流动路径增加。因此，通常观察到在燃料电池堆气体(流体)流动路径的入口端处的温度比气体(流体)出口端处的温度低。这种温差产生沿气体流动路径的热梯度，并且导致燃料电池堆及其部件在气体流动入口端与出口端之间具有不同的温度。因此，燃料电池堆的外表面可以在其气体流动路径入口端(例如，开口歧管式入口端)和其出口端(例如，内部具有歧管的出口端)处具有不同的温度。 

理想的是最小化燃料电池堆内的热梯度，以便能够具有有效的燃料电池堆操作并优化所述有效的操作。减少燃料电池堆中的热梯度并因此减少燃料电池堆层中的热梯度可降低燃料电池堆部件上的热感应机械应力。因此，最小化跨越燃料电池电化学活跃区域的温度梯度不仅有益于燃料电池操作的效果与效率，而且还可以降低系统复杂性、减小整个系统成本，并且可以产生更可靠的系统。 

优选地，燃料电池堆组件不包括位于所述罩容积内的热交换系统或进 入气体预加热器。具体地，优选的是罩和/或底板不包括热交换器的热交换面，所述热交换面具有在罩容积的内部上的使用冷却侧和在罩容积的外部的使用加热侧，并且与燃料电池堆组件流体出口(尤其是燃料电池堆氧化剂侧出口)热连通。最优选地，位于所述罩容积内的这种进入气体预加热器不是氧化剂预加热器。 

优选地，预加热器被构造成使得在使用中来自所述氧化剂源的氧化剂被加热，并在燃料电池的最靠近至少一个开口歧管式气体入口的入口端处在使用操作温度以下不大于80℃，更优选地不大于70℃，更优选地不大于60°，更优选地不大于50℃的温度下通过所述至少一个气体入口被供应给所述罩容积。 

将会理解，在燃料电池堆组件在不同的模式中运行(例如，启动、稳态运行等)的情况下，预加热器可以在燃料电池的最靠近至少一个开口歧管式气体入口的入口端处在大于使用操作温度的温度下将氧化剂供应到罩容积。 

优选地，所述至少一个燃料电池堆还包括至少一个内部成歧管形式的燃料入口。 

优选地，所述燃料电池堆还包括至少一个内部成歧管形式的排放燃料出口。 

在特定实施例中，至少一个内部成歧管形式气体出口包括至少一个内部成歧管形式的混合的排出燃料和氧化剂出口。 

“直接热传递”意味着氧化剂直接接触至少一个燃料电池堆的外表面。具体地，这种外表面可以包括燃料电池堆层的侧部。外表面还可以包括另外的燃料电池堆部件的侧部，例如，互连板、电池堆叠层衬垫或不导电的间隔件。 

因此，直接热传递从至少一个燃料电池堆的外部作用到在所述燃料电池堆上通过的氧化剂，并且这可以在氧化剂进入至少一个燃料电池堆之前获得最终所需的加热。 

进入罩容积中的至少一个气体进入点被定位成远离至少一个燃料电池堆的开口歧管端部。优选地，进入到罩容积中的至少一个气体进入点位于至少一个燃料电池堆的与开口歧管端部相对的端部处。在具有多于一个 的进入到至少一个燃料电池堆的开口歧管的情况下，进入到罩容积中的至少一个气体进入点可以被定位成远离开口歧管并与所述开口歧管大致等距离间隔。 

在特定的实施例中，至少一个气体入口包括单个气体入口。在可选的实施例中，至少一个气体入口包括多个气体入口。 

在特定的实施例中，至少一个气体入口位于底板中。在可选的实施例中，至少一个气体入口位于罩中。在可选的实施例中，气体入口位于罩和底板中。对于各种实施例、气体入口和气体进入点的位置和数量，燃料电池堆组件还优选地包括至少一个挡板、零件或部件，所述至少一个挡板、零件或部件被定位成与至少一个气体入口流体连通，从而有助于从气体入口进入罩容积的气体的期望的流体分布。具体地，在其中至少一个气体入口位于底板中的实施例中，歧管或部件可以被设置成有助于在使用中进入气体流在燃料电池堆组件的整个热表面上的分布，从而有助于避免罩容积中的任何停滞流体流区域，以及有助于避免过多不希望的气流的通道形成。进入气体流的分布可以被如此设计是由于燃料电池堆的不均匀表面温度。 

罩被放置成包围至少一个燃料电池堆，且在至少一个燃料电池堆与罩的内表面之间具有余隙空间。 

优选的实施例被显示如下，并且通过使进入到罩容积中的气体入口被定位成远离至少一个燃料电池堆的开口歧管端部，可使使用中的进入气体在到达开口歧管端部之前绕着至少一个燃料电池堆的外表面流动，其中使用中的所述进入气体可以在所述开口歧管端部处进入至少一个开口歧管式气体入口并且前进到至少一个燃料电池。 

当与现有技术的装置相比时，此装置允许通过简便的燃料电池堆组件设计在增大的表面区域上在至少一个燃料电池堆与进入气体之间进行热交换，并因此允许最终要求的温度增加。 

另外，因为进入到罩容积中的至少一个气体进入点被定位成远离至少一个燃料电池堆的至少一个开口歧管端部，因此所述至少一个气体进入点通常被定位成与至少一个燃料电池堆的至少一个气体出口端相邻，所述至少一个气体出口端在操作中通常是至少一个燃料电池堆的最高温度区。因 此，通过气体进入点进入到罩容积中的氧化剂与至少一个燃料电池堆的相邻部分之间的热势高，并且热交换率将较高，这意味着热交换将以相对较高的速率发生。当罩容积中的气体被加热并朝向至少一个燃料电池堆的较冷的开口歧管端部流动时，氧化剂与至少一个燃料电池堆的相邻部分之间的热势将较低，因此热交换率将下降，并且将发生较少的热交换。总之，这表示在至少一个燃料电池堆的较冷的开口歧管端部处将发生较少的热交换，而在较热的远端处将发生较多的热交换，从而意味着可以降低跨越燃料电池堆的温度梯度。 

优选地，至少一个燃料电池堆和罩被布置成使得在使用中从气体入口到罩容积以及到达至少一个燃料电池堆的开口歧管端部的氧化剂流主要出现在至少一个燃料电池堆的侧部周围，而不是发生在至少一个燃料电池堆的顶部上。 

例如，至少一个燃料电池堆和罩的尺寸可以被形成为使得至少一个燃料电池堆的顶部与罩之间限定窄间隙，使得在使用中所述窄间隙限制横过至少一个燃料电池堆的顶部的氧化剂流。可选地，壁可以设置在至少一个燃料电池堆的顶部的周边周围，从而在所述顶部与所述罩之间进行密封并阻挡氧化剂流。优选地，这种壁是热绝缘的，以减少或最小化从至少一个燃料电池堆到罩的热传递。可选地，热绝缘块可以在至少一个燃料电池堆与罩之间设置在至少一个燃料电池堆的顶部上，从而减小或防止横过至少一个燃料电池堆的顶部的氧化剂流。优选地，这种热绝缘块接触罩，从而影响至少一个燃料电池堆与罩之间的密封，并防止燃料电池堆的顶部上的氧化剂流。可选地，罩可以接触燃料电池堆的顶部，从而影响至少一个燃料电池堆与罩之间的密封并防止燃料电池堆的顶部上的氧化剂流。 

至少一个燃料电池堆优选地包括位于该至少一个燃料电池堆的顶部处的端板，并且这种端板的形状和尺寸可以被形成为例如通过设置在使用中影响流体流的臂部、指状部、壁或主体来控制所述至少一个燃料电池堆的顶部上的氧化剂流。 

这尤其在减少燃料电池堆的中心与端部之间的热梯度方面是有利的。如果电池之间沿堆叠方向的温度梯度被最小化，则由多个燃料电池堆层并因此由多个燃料电池构成的燃料电池堆将以增加的效率进行操作。为此， 在燃料电池堆的顶部和底部处从燃料电池堆端板发生的热量损失的减少已经被证明具有显著的优点。因此，在罩容积中在燃料电池堆端板上的氧化剂流的最小化将通过减少从端板喷射到罩容积氧化剂的热量的大小而有助于此目的。可以通过端板与罩之间的物理障碍来最小化在顶部端板上的流动，所述物理障碍可以由热绝缘材料制成。 

在使用中，燃料电池堆产生相当大的热量，必须清除所述热量以便能够进行有效的燃料电池电化学操作。进入至少一个燃料电池堆的进入气体执行影响燃料电池堆内的冷却的重要作用。通常通过使过量体积的氧化剂(例如，具有燃料的氧化作用所需的至少例如为2倍、3倍、4倍、8倍、10倍、12倍、15倍或20倍氧的摩尔体积)通过燃料电池堆来实现此。然而，这又使得例如用于使氧化剂通过燃料电池堆系统组件的鼓风机需要能量消耗，因此从至少一个燃料电池堆到进入气体(具体地为氧化剂)的总热交换的任何改进都可以减小影响需要的热交换所需的气体的体积，并进而可以降低燃料电池堆系统组件的功率消耗。至少一个燃料电池堆的外表面被设置成为热交换面可以进一步有利地为进入气体的每一个单位体积提供增加量的热交换，并因此减少所需的进入气体量。 

罩的基部与底板的密封连接优选地通过焊接、硬焊或粘结实现。优选地，燃料电池堆组件还包括位于底板与罩之间的热绝缘材料。优选地，该热绝缘材料具有衬垫的形式，并因此衬垫可以放置在罩与底板之间，并且应用衬垫压缩装置以产生所需的密封。这种衬垫优选地是诸如蛭石衬垫或氟橡胶衬垫的热绝缘及气密衬垫。因此，罩可以通过底板与来自至少一个燃料电池堆的热传递进行绝缘。 

优选地，罩设有位于所述罩的内表面和外表面中的至少一个上的绝缘材料。该绝缘材料用于进一步使罩与来自至少一个燃料电池堆的热传递进行绝缘，并且还用于减少从罩到在所述罩的外部的其它部件的热传递。 

为了进一步增强罩容积内的气体流，进入到罩容积中的气体入口优选地设有至少一个挡板。 

优选地(以及如以下详细所述)，罩设有延伸到罩容积中的至少一个挡板，至少一个挡板的形状和尺寸被形成为控制罩容积内的流体流。具体地，至少一个挡板可以防止在至少一个燃料电池堆的顶部上出现流体流。 

可选地，罩可以设置有诸如肋部或指状部的至少一个另外的表面部件，以控制流体流的方向和/或有助于使流体流围绕至少一个燃料电池堆，而不是在至少一个燃料电池堆的顶部上流动。 

如上所述，至少一个燃料电池堆和罩的尺寸优选地被形成为控制罩容积内的流体流，优选地有助于使流体流围绕至少一个燃料电池堆而并非在所述至少一个燃料电池堆的顶部上发生。 

在罩被制造成为压制件的情况下，拉伸角度可以用于在罩内限定适当的表面部件以在使用中影响流体流的控制。 

至少一个挡板优选地被设计成靠近至少一个燃料电池堆表面引导气体流。 

为了进一步有助于从至少一个燃料电池堆或所述至少一个燃料电池堆的组件的外表面进行的热传递，可以设置另外的部件，例如包括例如从燃料电池堆层(优选地包括至少一个燃料电池)延伸的诸如肋部、指状部或臂部的突起部，从而提供另外的表面区域(热交换可以发生在所述另外的表面区域上)和/或促进靠近至少一个燃料电池堆的表面的气流中的紊流，从而提高热传递。 

罩与至少一个燃料电池堆或所述至少一个燃料电池堆的部件之间的间隙，或从所述至少一个燃料电池堆伸出的任意突起部或在所述至少一个燃料电池堆中的表面部件，被优选地布置成增强气体流，并因此增强横过部件的热传递。 

优选地，至少一个成形的形状设置在至少一个燃料电池堆层的边缘上以促进气体流中的紊流。 

优选地，罩的内表面设有硫磺吸收或吸附材料，以在使用中在氧化剂进入至少一个开口歧管式气体入口中之前从所述氧化剂中清除硫磺。例如，对于汽车辅助电源应用来说，为了收集残留的硫磺，硫磺吸收或吸附材料可以收集与操作处于肮脏的城市空气中的燃料电池系统相关联的水平下的硫磺。 

优选地，罩的内表面设有例如为涂层形式的Cr吸收或吸附材料，以便在使用中从供给的氧化剂中清除任何铬物质，从而降低燃料电池阴极的Cr中毒的可能性。 

优选地，罩容积至少部分地填充有导热网孔、纤维网或填充物质，所述导热网孔、纤维网或填充物质在使用中增强至少一个燃料电池堆与气体之间的热传递。更优选地，这种材料是不导电的。更优选地，所述材料涂覆有硫磺吸收材料和硫磺吸附材料中的至少一种。 

优选地，为了进一步提高至少一个燃料电池堆的性能，进入燃料在进入至少一个燃料电池堆之前也被加热。这优选地通过使排出燃料流沿内部成歧管形式的燃料出口前进到气体—气体热交换器和至少一个冷凝热交换器以清除水蒸汽并回收热量来实现。此时，较干燥的排出燃料流因此包含未反应的燃料气体，并且通过使保持在未用的化学能中的热能前进到燃烧器中来回收所述热能，其中在所述燃烧器中，所述热能与已经沿内部成歧管形式的氧化剂出口通过的排出氧化剂流混合并燃烧。这产生高温燃烧器废气，所述高温燃烧器废气然后优选地用于提供用于加热进入燃料的热源。在特定实施例中，此热能用于支持进入燃料的吸热蒸汽重整。燃烧器废气然后优选地前进到蒸汽产生器单元，以便在进入可选的启动燃烧单元并然后进入预加热器之前生成吸热蒸汽重整所需的蒸汽。 

在提供这种多个热交换步骤的情况下，尤其有利并理想的是尽可能地进行热密连接。例如，设置上述热交换及化学反应单元作为至少一个组合单元，从而减小燃料电池堆系统组件的尺寸。例如，组合的蒸汽产生器、燃料重整器和重整产物冷却器可以设置在一个单元中。一个或多个这种装置优选地直接连接到底板的与燃料电池堆侧相对的下侧。因此，气体路径长度被显著减小，并且气体管连接被最小化，从而减少部件数量和连接泄露的风险并简化系统组件。 

优选地，至少一个燃料电池堆是金属支撑的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)堆，更优选地是如US 6794075中所教导的燃料电池。 

优选地，罩由至少一层塑料、陶瓷、金属或至少两种这些材料的混合物制造而成，例如，涂有塑料的金属罩。更优选地，罩由不锈钢制造而成，所述不锈钢例如通过深拉、弯曲和焊接、硬焊或铸造而形成。对于低温燃料电池应用来说，罩优选地由适当的塑性材料注射成型。 

优选地，罩在所述罩的内部和外部中的至少一个上是热绝缘的，更优选地在外部上是热绝缘的。适当的绝缘层包括但不局限于缠绕起来或形成 为相匹配，或者可以由多于一层和多于一种的绝缘材料制成的绝缘层。优选地，对于中温或高温燃料电池系统来说，设置单层绝缘材料，所述绝缘材料包括Promalight(RTM)(Promat UK Limited，Bracknell，UK；www.promat.co.uk)。 

可选地，提供多层绝缘材料，所述多层绝缘材料包括能够承受操作温度的第一相对较大的内层(例如，由Microtherm Inc.(TN，USA)提供的绝缘材料)和包括Aspen Aerogel(Aspen Aerogels，Inc.，MA，USA)的能够承受在第一绝缘层或内绝缘层(一个或多个)的外部的操作条件的第二较薄外层。 

总之，这些绝缘材料的选择可以提供以下优点：减小整个绝缘材料体积，同时使得绝缘材料能够承受在外层绝缘材料的操作温度范围之外的温度。 

一些系统设计实施例允许使用预加热器由尾气燃烧器和/或燃料重整过程供给的热气体发生氧化剂加热。然而，来自这种来源的热量的提供涉及时滞，并且有效的预加热器操作与燃料电池堆组件的整体操作紧密相连。 

理想的是包括可控加热能力以降低或去掉这种紧密连接热交换关系。可以使用电加热器获得这种可控加热能力。 

已经发现将电加热器定位在罩容积外的多个缺点。 

在电加热装置为在罩容积外的预加热器(例如，包括热交换器的预加热器)的一部分的情况下，问题包括：增加从预加热器与至少一个燃料电池堆底板之间的导管(通常为管)发生的热损失；在预加热器中需要额外的部件以有效地引导电加热装置上的氧化剂流(这增加预加热器设计的复杂性)；额外的预加热器制造步骤(这可能会限制在预加热器制造期间硬焊的温度或限制焊接操作)；为了解决在电线从电加热装置延伸出预加热器单元中增加的氧化剂泄漏风险而增加预加热器设计的复杂性；以及潜在地增加预加热器单元中的高温热源点。 

将电加热装置放置在预加热器与燃料电池堆罩之间的氧化剂导管中也是有问题的。虽然将电加热装置放置在导管中将产生与氧化剂的良好热能传递，但是需要将导管设计成容纳加热器以及还允许电连接，以便以不会产生渗漏路径的有效方式离开导管。与对将电加热装置设置在适当位置 没有要求情况下相同的导管设计相比，这种导管设计的包装体积会显著变大。封装尺寸的这种增加可能会对燃料电池堆组件封装以及所述燃料电池堆组件的制造装配具有显著的影响。另外，增加导管尺寸以容纳电加热装置会增加导管的热损失表面，从而导致额外的设计约束和这种方法潜在的操作效率丧失。 

将电加热装置放置在总罩容积内消除了以上缺点中的一些或全部。然而，难以将氧化剂流有效地引导到这种电加热装置上，从而导致加热效率降低。将电加热装置形成为罩的一部分或将所述电加热装置安装在罩上增加了从罩表面出现的热损失。 

本发明进一步克服这些缺点。 

优选地，燃料电池堆组件还包括电加热装置，所述电加热装置在至少一个气体入口中或与所述至少一个气体入口直接热连通，并容纳在罩容积或者罩或底板内，即，电加热装置没有远离罩容积位于罩或底板外。 

已经发现以这样的方式设置电加热装置是极其有利的。尤其对于预加热器是无源预加热器的情况尤其有利。 

因此，电加热装置可以整体容纳在气体入口中，所述气体入口定位到气体进入点并包括气体进入点，或者电加热装置可以形成在罩容积内的气体入口的端部处的部件，并且限定至少一个气体进入点。 

优选地，还提供用于电加热装置的控制装置。用于电加热装置的控制装置在本领域是公知的，并且对本领域的普通技术人员是显而易见的。 

优选地，所述设备构造成使得电加热装置将热能提供给燃料电池堆，使得在重整器达到其操作温度并且产生重整产物之后，更优选地在重整器刚刚达到其操作温度并产生重整产物之后，燃料电池堆达到所述燃料电池堆的操作温度范围(优选地在400-450℃)的下限。 

在特定实施例中，至少一个气体入口通过底板进入罩容积，并且在其它实施例中，至少一个气体入口通过罩进入罩容积。 

在使用中，电加热装置的设置允许在以下情况下适当地将补充加热提供给入口氧化剂流，例如： 

●当预加热器的性能降低时； 

●当燃料电池堆系统组件的操作环境是次优选的时，例如： 

○当入口氧化剂温度太低时(例如，当冷环境空气用作氧化剂时)，或者 

○当入口氧化剂太湿时(例如，当潮湿的环境空气用作氧化剂时)； 

●当蒸汽∶碳的比值改变时(例如，当使用燃料时，这将导致蒸汽∶碳的比值增加)； 

●当需要快速启动或使燃料电池堆温度增加时(例如，流动到气体入口的氧化剂在燃料电池的最靠近至少一个开口歧管式气体入口的入口端部处处于或将处于使用中的操作温度以下超过100℃的温度下的情况)； 

●当不工作时；或 

●当燃料电池处不会发生电化学反应(即，当燃料电池堆组件被切换到“关闭”或“休眠”时)以有助于快速启动时。 

通过如以上所限定的将电加热装置放置在至少一个气体入口中，可以最小化设计位置和封装限制。具体地： 

●被电加热装置占据的空间在其它部件内，并因此已经限定在罩容积内； 

●在使用中具有从电加热装置到氧化剂的良好的热能传递； 

●电加热装置可以具有非常低的热惯性，并因此当从电加热装置输出的热能需要增加或减少时可以被高度控制和响应； 

●用于电加热装置的布线可以通过底板便利地连接到控制电路，并且这可以使用与在燃料电池堆系统组件中在其它地方使用的电连接类似的电连接(例如，被设计成通过底板输送燃料电池堆电力的电连接)实现。 

优选地，电加热装置包括电加热器线，例如由良好的Ni/Cr或Ni/Cu金属或类似的这种材料制成的线。例如，电加热装置可以包括缠绕惰性热稳定支架(例如，云母板)的电加热线，或部分地包在惰性热稳定成型装置中的电加热线。 

在其中所关心的是加热器线的加热将从线产生Cr物质蒸发并且这种铬物质可能接着对至少一个燃料电池的阴极侧的阴极材料的性能产生不利的影响的情况下，线可以涂覆有保护涂层以减少Cr物质迁移，或者电加热装置可以被设计成使得大部分电加热器线没有直接暴露于氧化剂流。 例如，线可以通过具有低Cr含量的高热能传导箔(例如，高熔点铝箔)与使用中的氧化剂流分离。在这种情况下，在使用中，由加热线热量生成的热能被输送到通过箔的氧化剂流。为了避免箔被电加热装置熔化，可以设置控制装置，所述控制装置构造成使得当充分的氧化剂流通过箔时电加热装置才操作以防止所述箔熔化。 

为了确定何时并且多少来自电加热装置的电加热是适当的，可以与控制装置一起适当地设置传感器和/或输入装置，以影响所需的加热。例如，如以下详细所述，可以设置至少一个温度传感器。可选地，可以设置用于入口氧化剂的湿度传感器、或燃料类型传感器。可选地，可以设置用于为用户指示正在使用的燃料的类型的输入装置。 

在特定实施例中，温度传感器被设置成在使用中确定流动到至少一个气体入口或流动通过所述至少一个气体入口的氧化剂的温度或在罩容积内的选定点处的温度。优选地，温度传感器位于(i)罩容积内，或(ii)预加热器输出与至少一个燃料电池堆的开口歧管端部之间的氧化剂流动路径内，或(iii)沿着预加热器输出与至少一个燃料电池堆的开口歧管端部之间的氧化剂流动路径或与所述氧化剂流动路径在一直线上并且与所述氧化剂流动路径热连通。优选地，温度传感器被定位成与预加热器与底板之间的氧化剂流动路径热连通。 

优选地，温度传感器与控制电加热装置的操作的控制装置通信，并且控制装置构造成根据由温度传感器确定的信息控制电加热装置的操作。如上所述，电加热装置的操作可以不仅取决于由温度传感器确定的信息，并因此控制装置另外可以使用诸如启动、燃料类型、氧化剂类型、氧化剂温度和氧化剂湿度的其它因素以确定电加热装置的操作。 

优选地，电加热装置具有在燃料电池堆组件的额定电容的10％和50％之间的电容。例如，对于1kWe额定燃料电池堆电容来说，电加热装置可以具有100We、200We、300We、400We或500We的电容。 

从电加热器传递给氧化物流的最大热能物理上由电加热器的规格或通过控制系统设定。在快速启动期间需要从电加热器输出的最高热能。在这些条件下，控制电加热器的热能输出，以便当加热整个系统时，保证在燃料电池堆到达其操作温度范围的下限之前重整器变得可工作。因此，在 快速启动期间，在燃料电池堆变得化学活化之前，重整产物被供应给燃料电池堆的阳极侧。当燃料电池化学层开始变得化学和电化学活化时，这允许对所述燃料电池化学层做一些保护。 

电加热器优选地被控制和编程以保持燃料电池堆的氧化剂进入温度在特定的所需温度以上，例如，对于IT-SOFC燃料电池堆组件来说的正常操作情况下在480DegC以上。 

可以相对于所需的燃料电池堆氧化剂进入温度控制从电加热装置传递到进入氧化剂的热能的量。因此，燃料电池堆氧化剂进入温度的监测允许燃料电池堆系统组件(包括控制装置和电加热装置的燃料电池堆组件)控制由电加热装置添加到进入氧化剂的热能的量，以获得需要的燃料电池堆氧化剂进入温度。 

测量燃料电池堆氧化剂进入温度的方法包括以下步骤(但不局限于此)： 

●使用直接放置在燃料电池堆氧化剂进入区内的热电偶测量氧化剂进入温度； 

●使用放置在电加热装置之前的气体进入装置中的热电偶测量此点处的氧化剂进入温度，然后通过加上温度补偿推出燃料电池堆氧化剂进入温度，由模拟和实验获得的图或一组图得出所述温度补偿，其中所述图包含在控制装置内。图考虑了可以包括测量点处的氧化剂进入温度、测量点处的氧化剂质量流量、燃料电池堆功率输出和燃料电池堆排放出口温度的因子；和/或 

●使用远离氧化剂入口放置的热电偶，其中图被建立以说明测量点与燃料电池堆氧化剂进入点之间的温度效应因子。 

可以对于不同的燃料类型或系统布置得到图或一组图，并且在系统制造期间或在系统操作或维护期间将这些图加载到控制装置中。可以在制造期间、在安装期间由操作者手动设定图选择或通过系统自动实现图选择。 

通过以下方式获得因子的测量值： 

●测量点处的氧化剂进入温度-由热电偶获得； 

●测量点处的氧化剂质量流量-由氧化剂吹送操作点获得； 

●燃料电池堆功率输出-由电力电子设备操作点获得；和/或 

●燃料电池堆排放出口温度-由燃料电池堆排放出口中的热电偶测量获得。 

测量这些因子允许图指示在燃料电池堆氧化剂在电加热器之前的气体入口与燃料电池堆氧化剂入口之间通过时的燃料电池堆氧化剂的温度升高。如果此温度升高小于期望的燃料电池堆氧化剂进入温度，则可以由电加热装置获得额外的热能，且供应给电加热装置的电力由所需的热能的量和氧化剂质量流量确定。 

因此，例如，这可以通过使用以下规则实现： 

T_in_inferred＝T_measured+T_offset； 

如果T_in_desired＞T_in_inferred，则添加来自电加热器的热量； 

T_in_desired＝至少一个开口歧管式气体入口处期望的氧化剂温度； 

T_measured＝由温度传感器确定的温度； 

T_offset＝由在罩容积内从至少一个气体进入点到至少一个燃料电池堆的开口歧管端部的氧化剂流的温度变化。 

可以根据需要的系统状况选择T_in_desired。例如，T_in_desired在系统启动期间可以线性变化，可以被设定到稳态运行的最优值，可以被改变以获得具体的动态操作点，或可以设定到用于系统关闭或用于控制系统性能下降的T_measured以下，例如系统空转或休眠模式。 

由电加热器需要的热能的量被称作为Q_in，其中： 

Q_in＝(T_in_desired-T_in_inferred)×(氧化剂气体质量流量×氧化剂气体比热容)。 

本发明同样适于使用包括同向流动、反向流动和交叉流动的各种气流布置的燃料电池堆组件。 

根据本发明还提供一种包括根据本发明的燃料电池堆组件的燃料电池堆系统组件。 

根据本发明，还提供了一种操作中温固体氧化物燃料电池堆组件的方法，所述燃料电池堆组件包括： 

(i)底板； 

(ii)罩，所述罩密封地连接到所述底板，并在所述底板与所述罩之间限定罩容积； 

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池堆，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆安装在所述底板上并被所述罩包围； 

(iv)至少一个气体入口，所述至少一个气体入口限定进入所述罩容积内的至少一个气体进入点；和 

(v)预加热器，所述预加热器位于所述罩容积外，与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适于通过所述气体入口将氧化剂从所述氧化剂源供应到所述罩容积， 

每一个燃料电池堆包括至少三个燃料电池堆层，每一个燃料电池堆层包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池限定氧化剂入口端和排出氧化剂出口端， 

所述至少一个燃料电池堆具有： 

(a)至少一个开口歧管式气体入口，所述至少一个开口歧管式气体入口限定所述至少一个燃料电池堆的开口歧管端部；和 

(b)至少一个内部成歧管形式的气体出口， 

进入到所述罩容积中的所述至少一个气体进入点被定位成远离所述至少一个燃料电池堆的所述开口歧管端部， 

其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆限定从最靠近所述底板的燃料电池堆层到最远离所述底板的燃料电池堆层测量的高度X，并且其中，所述至少一个气体进入点位于最靠近所述底板的所述燃料电池堆层上方的高度Y处，其中，0.25X≤Y≤0.75X， 

所述方法包括以下步骤：使氧化剂通过所述至少一个气体入口进入到所述罩容积中；使所述氧化剂绕着所述至少一个燃料电池堆的外部前进到所述至少一个开口歧管式气体入口；在所述氧化剂进入到所述开口歧管式气体入口中之前，使直接热传递发生在所述氧化剂与所述燃料电池堆层的外表面之间，所述预加热器构造成使得在使用中来自所述氧化剂源的氧化剂被加热，并且所述氧化剂在所述燃料电池的最靠近所述开口歧管式气体入口的入口端在使用操作温度以下不超过100℃的温度下(即，在所述燃料电池的最靠近所述至少一个开口歧管式气体入口的入口端在使用操作温度以下的100℃或高于100℃的温度下)通过所述气体入口被供应给所述罩容积。 

优选地，所述燃料电池堆组件还包括： 

(i)电加热装置，所述电加热装置位于所述至少一个气体入口中或与所述至少一个气体入口直接热连通，并且容纳在所述罩容积或所述罩或底板内； 

(ii)至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器被定位成在使用中确定流动到所述至少一个开口歧管式气体入口的氧化剂的温度；和 

(iii)控制装置， 

所述电加热装置和所述至少一个温度传感器与所述控制装置进行电连通， 

所述方法还包括以下步骤：在所述控制装置的控制下影响通过所述电加热装置对所述氧化剂的额外加热，使得将所述至少一个开口歧管式气体入口处的使用中的所述氧化剂向期望的温度加热。 

更优选地，氧化剂被加热到要求的温度。 

优选地，所述方法还包括以下步骤：对所述至少一个燃料电池执行与氧化剂和燃料的电化学反应以生成热量和电力。 

附图说明

本发明将参照其中仅以示例的方式示出了燃料电池堆组件的形式的附图的多个附图从以下说明进一步清楚呈现。在附图中： 

图1是本发明的燃料电池堆组件的部分切除的侧视图； 

图2显示在图1的燃料电池堆组件中的氧化剂流体流； 

图3是通过线A-A′的截面，其中示出了图1的燃料电池堆组件中的氧化剂流体流； 

图4是通过线B-B′的截面的示意图，其中示出了单个燃料电池堆层； 

图5是另一个燃料电池堆组件的部分切除侧视图，所述另一个燃料电池堆组件额外地装有氧化剂热交换系统(预加热器)； 

图6显示具有位于罩中的氧化剂入口的可选的燃料电池堆组件； 

图6A显示具有位于罩和底板中的氧化剂入口的可选的燃料电池堆组件； 

图6B显示具有位于底板中的氧化剂入口并另外地包括流动分布装置 的可选的燃料电池堆组件； 

图7显示图1的燃料电池堆系统组件，其中示出了当富含甲烷的天然气上的操作满足要求(UK Statutory Instrument 1996 No.551 Gas Safety (Management)Regulations)且蒸汽重整器(330)中的蒸汽与碳的比值为2.5∶1时的关键流体温度； 

图8显示图1的燃料电池堆系统组件，其中示出了当在富含丙烷的LPG上操作且蒸汽重整器(330)中的蒸汽与碳的比值为3.5∶1时的关键流体温度； 

图9显示图1的燃料电池堆系统组件，其中示出了当在富含丁烷的LPG上操作且蒸汽重整器(330)中的蒸汽与碳的比值为4.0∶1时的关键流体温度； 

图10显示对于理想情况(480DegC的亮虚线)、Y＝0(实线，520DegC的最大Y轴值)的情况、和当Y＝0.5X(重虚线，495DegC的最大Y轴值)的情况下的进入到罩容积内的空气进入点与对于燃料电池堆中的燃料电池堆层之间的空气进入温度的温差，其中X轴表示从最靠近底板的燃料电池堆层计算的燃料电池堆层数量；Y轴表示在燃料电池堆层开口歧管式气体入口端处的氧化剂温度； 

图11是本发明的具有穿过罩并限定气体进入点的气体入口的燃料电池堆组件的部分切除侧视图； 

图12显示图11的装置，所述装置另外包括位于气体入口中的电加热器； 

图13是本发明的具有穿过底板并限定气体进入点的气体入口的燃料电池堆组件的部分切除侧视图；以及 

图14显示图13的装置，所述装置另外包括位于气体入口中的电加热器。 

具体实施方式

燃料电池和燃料电池堆组件的教导对本领域的普通技术人员是公知的，并具体地包括US 6794075，WO 02/35628，WO 03/075382，WO 2004/089848，WO 2005/078843，WO 2006/079800，WO 2006/106334，WO  2007/085863，WO 2007/110587，WO 2008/001119，WO 2008/003976，WO 2008/015461和WO 2008/053213，这些专利都通过引用在此全文并入。 

在权利要求之前给出了这里使用的附图标记的归纳。 

在燃料电池堆组件1的第一实施例中，固体氧化物燃料电池堆10由多个燃料电池堆层20组装而成，且每一个燃料电池堆层20都包含一个燃料电池30(在其它实施例，未示出，每一个燃料电池堆层20包含多个燃料电池30)。每一个燃料电池包括阳极31、电解质32和阴极33，其中阳极31、电解质32和阴极33安装在燃料电池金属基板34上并覆盖燃料电池基板的多孔区域36，所述燃料电池基板的多孔区域被燃料电池基板的无孔区域35包围。导电互连板37为燃料流提供歧管装置。通过电绝缘垫38可防止第一燃料电池堆层20的金属基板34与相邻的第二燃料电池堆层的互连板37直接电接触。 

燃料电池堆10安装在底板40上，并且罩50放置在燃料电池堆10上，并密封地接合底板40以在底板40与罩50之间限定罩容积60，所述罩容积内容纳燃料电池堆10。 

燃料电池堆10设有开口歧管式氧化剂入口70，所述开口歧管式氧化剂入口限定燃料电池堆10的开口歧管端部80。每一个燃料电池堆层20还具有内部成歧管形式的氧化剂出口90(对于具有单个燃料电池的燃料电池堆层来说，所述出口与燃料电池的排出氧化剂出口端相对应)、内部成歧管形式的燃料入口100以及内部成歧管形式的燃料出口110，出口90、入口100和出口110中的每一个都穿过底板40中的通道(未示出)。 

底板40另外设有进入到罩容积60中的氧化剂入口120，所述氧化剂入口限定位于燃料电池堆10的与开口歧管端部80相对的端部处的氧化剂进入点125。 

在使用中，燃料130通过穿过底板40的内部成歧管形式的燃料入口100供给到燃料电池30的阳极电极侧。 

氧化剂(空气)140通过在燃料电池堆10的与开口歧管端部80相对的端部处的氧化剂入口120进入罩容积60。绝热流动限制装置150设置在燃料电池堆10的端板160的顶部上，并且所述绝热流动限制装置的尺寸被形成为接触罩50并防止端板160与罩50之间的气流。因此在使用中，气 流沿燃料电池堆10的侧部从氧化剂入口120流动到开口歧管端部80并进入到燃料电池堆10中而出现在罩容积60中。箭头210指示氧化剂140的流动。 

在本实施例的每一个中，氧化剂进入点125位于最靠近底板40的燃料电池堆层20上方的垂直高度Y处，且0.25X≤Y≤0.75X，其中，X是从最靠近底板40的燃料电池堆层20到最远离底板40的燃料电池堆层20测量的高度。 

燃料电池堆端板160是顶部端板，而底板40用作底部端板。压缩装置被适当地设置成压缩至少一个燃料电池堆，从而确保所需的气密性和电连接。适当的压缩系统的示例包括这些教导并在WO 2007/085863中进行了说明。 

燃料电池堆10的外表面170设有散热片形式的突起部(未示出)，所述突起部的形状和尺寸被形成为增强燃料电池堆10的侧部上的气流并增强燃料电池堆10的外部与氧化剂140之间的热传递。 

氧化剂140在大约455℃的初始温度下进入罩容积60，并且燃料电池堆10在内部成歧管形式的氧化剂出口90处的操作出口温度大约为600℃。最靠近开口歧管式氧化剂入口70的燃料电池30的入口端在大约500℃的使用操作温度下处于稳定状态。为了实现可接受的操作效率，氧化剂140在进入开口歧管式氧化剂入口70之前被加热到大约480℃的温度。氧化剂140的加热受到与燃料电池堆10的外表面170和罩50的内表面接触和热交换的影响。 

在本实施例中，内部成歧管形式的氧化剂入口70包括用于每一个燃料电池堆层20的分离的开口歧管式入口。在其它实施例(未示出)中，开口歧管式氧化剂入口70包括用于每一个燃料电池堆层的多个开口歧管式入口。在更进一步的实施例(未示出)中，开口歧管式氧化剂入口70包括用于多个燃料电池堆层的单个开口歧管式入口。 

至少480℃温度下的氧化剂140进入开口歧管式氧化剂入口70并供给到燃料电池30的阴极电极侧，并且发生电化学反应，在所述电化学反应中，氧化剂140与阴极发生反应，而燃料130与阳极发生反应，从而生成热量、水和电能。电能横穿电路(未示出)上的负载。 

反应后的燃料130然后通过在燃料电池堆10的远离开口歧管端部80的一侧的内部成歧管形式的燃料出口110离开燃料电池30和燃料电池堆层20，从而通过底板40。反应后的氧化剂140然后通过在燃料电池堆10的远离开口歧管端部80的一侧的内部成歧管形式的氧化剂出口90离开燃料电池30和燃料电池堆层20，从而通过底板40。 

因此，燃料电池堆10的废气(氧化剂120和燃料130)通过内部成歧管形式的燃料出口110和内部成歧管形式的氧化剂出口90离开燃料电池堆10的一侧将处于最高温度，这是因为所述一侧将被热废气加热，而开口歧管端部80将最冷，这是因为所述开口歧管端部将热量损失到入口氧化剂140流。因此，在燃料电池堆10的远离开口歧管端部80的外侧与在气体进入点125处进入罩容积60的氧化剂140之间存在最大的热势(并且将发生最大热交换)。 

这种热交换用于使燃料电池堆10受益，这是因为这种热交换用于减少沿燃料电池堆10的长度的温度梯度。如果要求使空气在更高温度下进入开口歧管式氧化剂入口70，则这种热交换还降低燃料电池堆组件1上的机械应力，并且允许预加热器200的尺寸和质量相对于所需要的被减小。 

如图5中所示，燃料电池堆10、底板40和罩50形成包括氧化剂热交换系统(预加热器)200的更大的燃料电池堆系统组件的一部分，所述氧化剂热交换系统使流动通过氧化剂入口120的氧化剂140升高到该氧化剂大约455℃的初始进入温度(在当燃料是符合要求(UK Statutory Instrument 1996 No.551 Gas Safety(Management)Regulations)的富含甲烷的天然气并且蒸汽∶碳比值为2.5∶1的情况下)，且沿内部成歧管形式的燃料出口110流动的排出燃料130用作加热流体。典型的现有技术的燃料电池堆系统组件的氧化剂热交换系统必须在氧化剂进入到燃料电池堆10中之前将所述氧化剂升高到大约480℃的温度，并且氧化剂预加热器上的热负载的这种降低意味着可以基本上减小氧化剂热交换系统200的尺寸、质量、成本和复杂性。 

为了进一步提高燃料电池堆10的性能，进入燃料130在进入燃料电池堆10之前也被加热。这可通过使排出燃料130a沿着内部成歧管形式的燃料出口110流动到气体—气体热交换器(290)和至少一个冷凝热交换器 300以去除水蒸汽并回收热量来实现。较干燥的排出燃料130b流因此包含未反应的燃料气体130，并且通过使留在未使用的化学能中的热能前进到具有已经沿内部成歧管形式的氧化剂出口90流动的排出氧化剂140a的燃烧器(310)来回收所述热能。高温燃烧器的废气320接着用于提供用于加热进入燃料130的热源。在特定实施例中，这种热能用于支持在进入燃料130的重整器单元330中重整的吸热蒸汽。燃烧器的废气接着可以前进到蒸汽产生器单元340，以便使用供水装置270生成蒸汽280，这对于催化重整来说在进入可选的启动燃烧单元(未示出)然后进入氧化剂热交换系统200之前是需要的。 

在本实施例中，燃料电池堆的端板160已经安装在所述燃料电池堆与绝热流动限制装置150的罩50a的下侧之间，所述绝热流动限制装置150阻碍流体流横过端板160的顶部并热绝缘罩50与燃料电池堆10。 

另外，气密热绝缘蛭石衬垫230设置在罩50的基部与底板40之间以进一步热绝缘罩50与燃料电池堆10。 

通过Microtherm Freemouldin产品的相对较厚的内绝缘层240和Aspen Aerogel Pyrogel(RTM)的相对较薄的外绝缘层250为罩50外侧的部件提供进一步的绝缘，所述内绝缘层和所述外绝缘层整体提供罩50所需的热绝缘，同时与如果仅使用内绝缘层240的材料所需要的热绝缘相比，可利用减小体积的绝缘材料实现这种热缘。 

在其它实施例(未示出)中，绝缘层240、250被替换成单层Promalight(RTM)(Promat UK Limited，Bracknell，UK；www.promat.co.uk)绝缘材料。 

图4显示通过B-B′(图3)的剖面，且(仅出于示例性的目的)示出了放大的燃料电池堆层20和另外的燃料电池堆层21。如图所示，空气140通过氧化剂入口120在氧化剂进入点125处进入燃料电池堆组件1，所述氧化剂进入点位于燃料电池堆10的与开口歧管式氧化剂入口70相对(即，远离)的一侧。空气140然后绕着燃料电池堆10的侧部通过(在燃料电池堆10的顶部上的流体流被定位在燃料电池堆端板160的上表面与罩50之间并接触所述上表面和所述罩的气密热绝缘蛭石衬垫150阻挡)，被加热并前进到燃料电池堆层20的开口歧管式氧化剂入口70，并且在中间温度的固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)30的阴极33上通过，进行电化学反应以产 生热量、氧化物和电力，并通过歧管90排出。燃料130通过内部成歧管形式的燃料入口100进入燃料电池堆10，在燃料电池基板多孔区域36(所述燃料通过所述燃料电池基板多孔区域到达燃料电池阳极31)的下方通过，并进行电化学反应以产生热量、氧化物(主要为碳的氧化物和水)和电力。排出燃料130然后通过内部成歧管形式的燃料出口110离开燃料电池堆10。 

每一个燃料电池堆层20都包括导电互连板37，所述导电互连板提供歧管装置并且用于与相邻的燃料电池堆10的部件电接触。燃料电池金属基板34安装在互连板37的顶部上，并且包括由燃料电池基板无孔区域35划定边界的燃料电池基板多孔区域36。因此，可以通过多孔区域36发生流体流。燃料电池30安装在多孔区域36的顶部上。燃料电池阳极覆盖多孔区域36，然后燃料电池电解质32在阳极31和多孔区域36上延伸以防止流体从燃料电池30的燃料侧通过多孔区域36流动到燃料电池30的氧化剂侧。燃料电池阴极33安装在燃料电池电解质32的顶部上。 

导电体(未示出)从燃料电池阴极33延伸，并与导电互连板37电接触从而形成电路，并且负载放置在电路上。另外的燃料电池堆层21定位在燃料电池堆层20的顶部上，并且通过电绝缘垫38可防止从燃料电池金属基板34到相邻的燃料电池堆层21的导电互连板37的短路，所述电绝缘垫额外地为另外的燃料电池堆层21提供机械支撑。 

在又一个实施例(图6)中，多个氧化剂入口120设置在罩50中而不是设置在底板40中。这种布置有助于气体流动和分布，尤其有助于防止气流的滞流区。再次，氧化剂进入点125都位于最靠近底板40的燃料电池堆层20上方的垂直高度Y处，并且0.25X≤Y≤0.75X，其中X是从最靠近底板40的燃料电池堆层20到最远离底板40的燃料电池堆层20测量的高度。 

在又一个实施例中(图6A)，多个氧化剂入口120设置在罩50以及底板40中，并且这再次有助于气体流动和分布，尤其有助于防止气流的滞流区。 

在图6B所示的实施例中，氧化剂入口120设置在底板40中，并且设置包括带孔金属管的流动分布装置260，所述带孔金属管被设计成有助于在整个罩容积60中来自入口120的气流分布。在可选的实施例(未示出)中，流动分布装置260包括高度多孔的陶瓷材料和罩50的成形部分。

在又一个实施例(图7)中，示出了当操作富含甲烷的天然气且在蒸汽重整器(330)中蒸汽与碳的比值为2.5∶1时的关键流体温度。 

位置C-J处的温度如下： 

C-465-490℃ 

D-430-460℃ 

E-430-460℃ 

F-550-620℃ 

G-700-725℃ 

H-550-580℃ 

I-100-120℃ 

J-230-250℃ 

在另一个实施例(图8)中，示出了当操作富含丙烷的LPG且蒸汽重整器(330)中的蒸汽与碳的比值为3.5∶1时的关键流体温度。要注意的是，氧化剂入口120另外设有用于提供所需的额外热量的电加热器400，点(E)处的进入氧化剂温度比图7的实施例所示的温度低，因此需要额外的热量以实现燃料电池堆组件1的期望的操作效率和输出。 

图8中示出了电子控制设备420、热电偶410、电加热器400、鼓风机460和电连接器430-450。电子控制设备420、热电偶410、鼓风机460和电连接器440和450也存在于其它实施例中(未示出)。 

控制装置420和电连接器430也存在于包括电加热器400的实施例中。 

在使用中，热电偶410通过电连接器440电连接到电子控制设备420并且提供电输出，所述电输出通过电子控制设备410被转换成温度值。鼓风机460通过电连接器450电连接到电子控制设备410，并且电子控制设备410通过鼓风机氧化剂质量流图预先构造而成以评估鼓风机氧化剂质量流。 

为电子控制设备410提供的另外的输入(未示出)为：从燃料电池堆组件1输出的所需的电力和从燃料电池堆组件1输出的测量的电力。 

电子控制设备410被预先构造成使用输入信息确定用于电加热器400 的适当的电力电源水平，并通过电连接器420将需要的电流供应给所述电加热器。 

位置C-J处的温度如下： 

C-465-490℃ 

D-430-465℃ 

E-415-445℃ 

F-550-620℃ 

G-700-725℃ 

H-535-565℃ 

I-100-120℃ 

J-215-235℃ 

在又一个实施例(图9)中，示出了当操作富含丁烷的LPG且蒸汽重整器(330)中的蒸汽与碳的比值为4.0∶1时的关键流体温度。再次，这需要由电加热器400提供额外的加热。 

位置C-J处的温度如下： 

C-465-490℃ 

D-430-460℃ 

E-405-435℃ 

F-550-620℃ 

G-700-725℃ 

H-525-555℃ 

I-100-120℃ 

J-205-225℃ 

图10显示在燃料电池堆层的开口歧管式气体入口端处的氧化剂温度的模拟结果，并且所述结果已经被经验数据证实。在其中Y＝0的情况下，最佳温度具有明显变化，而当Y＝0.5X时，具有明显的改进。这使得燃料电池堆组件的操作和效率增强。 

图11-13显示氧化剂入口120和氧化剂进入点125的可选布置，并且在特定实施例中还设置了电加热器400。 

将要认识的是不旨在仅将本发明受限于以上实施例，在不背离所附权 利要求的范围的情况下，许多其它实施例对本领域的普通技术人员是显而易见的。 

附图标记 

1-燃料电池堆组件 

10-固体氧化物燃料电池堆 

20-燃料电池堆层 

21-另外的燃料电池堆层 

30-燃料电池 

31-燃料电池阳极 

32-燃料电池电解质 

33-燃料电池阴极 

34-燃料电池金属基板 

35-燃料电池基板无孔区域 

36-燃料电池基板多孔区域 

37-导电互连板 

38-电绝缘垫 

40-底板 

50-罩 

60-罩容积 

70-开口歧管式氧化剂入口 

80-开口歧管端部 

90-内部成歧管形式的氧化剂出口 

100-内部成歧管形式的燃料入口 

110-内部成歧管形式的燃料出口 

120-氧化剂入口 

125-气体进入点 

130-燃料 

130a-排出燃料 

130b-较干燥的排出燃料 

140-氧化剂(空气) 

140a-排出氧化剂 

150-热绝缘块 

160-燃料电池堆的端板 

170-燃料电池堆的外表面 

190-罩的内表面 

200-氧化剂热交换系统(预加热器) 

210-氧化剂140流 

230-气密热绝缘蛭石衬垫 

240-内绝缘层 

250-外绝缘层 

260-流动分布装置 

270-水 

280-蒸汽 

290-气体—气体热交换器 

300-冷凝热交换器 

310-废气燃烧器 

320-燃烧器的废气 

330-蒸汽重整器 

340-蒸汽产生器 

350-冷却流体流入 

360-冷却流体流出 

400-电加热器 

410-热电偶 

420-电子控制设备 

430-电连接器 

440-电连接器 

450-电连接器 

460-鼓风机 

Claims (17)

1.一种中温固体氧化物燃料电池堆组件，包括：

(i)底板；

(ii)罩，所述罩密封地连接到所述底板，并在所述底板与所述罩之间限定罩容积；

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池堆，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆安装在所述底板上并被所述罩包围；

(iv)至少一个气体入口，所述至少一个气体入口限定进入所述罩容积内的至少一个气体进入点；和

(v)预加热器，所述预加热器位于所述罩容积外，与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适于通过所述气体入口将氧化剂从所述氧化剂源供应到所述罩容积，

每一个燃料电池堆包括至少三个燃料电池堆层，每一个燃料电池堆层包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池限定氧化剂入口端和排出氧化剂出口端，

所述至少一个燃料电池堆具有：

(a)至少一个开口歧管式气体入口，所述至少一个开口歧管式气体入口限定所述至少一个燃料电池堆的开口歧管端部；和

(b)至少一个内部成歧管形式的气体出口，

进入到所述罩容积中的所述至少一个气体进入点被定位成远离所述至少一个燃料电池堆的所述开口歧管端部，使得使用中的氧化剂通过所述至少一个气体入口进入所述罩容积，并绕着所述至少一个燃料电池堆的外部前进到所述至少一个开口歧管式气体入口，在所述氧化剂进入到所述开口歧管式气体入口之前，直接热传递发生在所述氧化剂与所述燃料电池堆层的外表面之间，所述预加热器构造成使得来自所述氧化剂源的使用中的氧化剂被加热，并且所述氧化剂在所述燃料电池的最靠近所述至少一个开口歧管式气体入口的入口端处在使用操作温度以下不超过100℃的温度下，通过所述至少一个气体入口被供应给所述罩容积，

其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆限定从最靠近所述底板的燃料电池堆层到最远离所述底板的燃料电池堆层测量的高度X，并且其中，所述至少一个气体进入点位于最靠近所述底板的所述燃料电池堆层上方的高度Y处，其中，0.25X≤Y≤0.75X。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆组件，不包括被定位成作为所述罩的一部分的进入气体预加热器。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆是金属支撑的中温固体氧化物燃料电池堆。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆组件，所述至少一个燃料电池堆还包括至少一个内部成歧管形式的燃料入口。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，所述至少一个内部成歧管形式的气体出口是内部成歧管形式的排出燃料出口，所述燃料电池堆还包括至少一个内部成歧管形式的排出氧化剂出口。

6.根据权利要求4所述的燃料电池堆组件，所述至少一个内部成歧管形式的气体出口包括至少一个内部成歧管形式的混合的排出燃料及氧化剂出口。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，所述至少一个燃料电池堆层的外表面还包括至少一个突起部，所述至少一个突起部适于在使用中影响所述外表面与气体之间的热传递。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，所述罩的内表面和所述至少一个燃料电池堆层的外表面中的至少一个还包括至少一个突起部，所述至少一个突起部适于在使用中产生紊流的流体流。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，其中，所述燃料电池堆在使用中具有450-650℃的操作温度。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆由金属支撑。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池堆组件，还包括电加热装置，所述电加热装置位于所述至少一个气体入口中或与所述至少一个气体入口直接热连通，并且容纳在所述罩容积或者所述罩或底板中。

12.根据权利要求11所述的燃料电池堆组件，还包括用于所述电加热装置的控制装置。

13.根据权利要求12所述的燃料电池堆组件，还包括温度传感器，所述温度传感器用于在使用中确定流动到所述至少一个气体入口或流动通过所述至少一个气体入口的氧化剂的温度或在所述罩容积内的选定点处的氧化剂的温度。

14.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆组件的燃料电池堆系统组件。

15.一种操作中温固体氧化物燃料电池堆组件的方法，所述燃料电池堆组件包括：

(i)底板；

(ii)罩，所述罩密封地连接到所述底板，并在所述底板与所述罩之间限定罩容积；

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池堆，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆安装在所述底板上并被所述罩包围；

(iv)至少一个气体入口，所述至少一个气体入口限定进入所述罩容积内的至少一个气体进入点；和

(v)预加热器，所述预加热器位于所述罩容积外，与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适于通过所述气体入口将氧化剂从所述氧化剂源供应到所述罩容积，

每一个燃料电池堆包括至少三个燃料电池堆层，每一个燃料电池堆层包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池限定氧化剂入口端和排出氧化剂出口端，

所述至少一个燃料电池堆具有：

(a)至少一个开口歧管式气体入口，所述至少一个开口歧管式气体入口限定所述至少一个燃料电池堆的开口歧管端部；和

(b)至少一个内部成歧管形式的气体出口，

进入到所述罩容积中的所述至少一个气体进入点被定位成远离所述至少一个燃料电池堆的所述开口歧管端部，

其中，所述至少一个中温固体氧化物燃料电池堆限定从最靠近所述底板的燃料电池堆层到最远离所述底板的燃料电池堆层测量的高度X，并且其中，所述至少一个气体进入点位于最靠近所述底板的所述燃料电池堆层上方的高度Y处，其中，0.25X≤Y≤0.75X，

所述方法包括以下步骤：

使氧化剂通过所述至少一个气体入口进入到所述罩容积中；

使所述氧化剂绕着所述至少一个燃料电池堆的外部前进到所述至少一个开口歧管式气体入口；以及

在所述氧化剂进入到所述开口歧管式气体入口中之前，使直接热传递发生在所述氧化剂与所述燃料电池堆层的外表面之间，所述预加热器构造成使得来自所述氧化剂源的使用中的氧化剂被加热，并且所述氧化剂在所述燃料电池的最靠近所述开口歧管式气体入口的入口端处在使用操作温度以下不超过100℃的温度下，通过所述气体入口被供应给所述罩容积。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

对所述至少一个中温固体氧化物燃料电池执行与氧化剂和燃料的电化学反应，以产生热量和电力。

17.根据权利要求15或16所述的方法，所述燃料电池堆组件还包括：

(i)电加热装置，所述电加热装置位于所述至少一个气体入口中或与所述至少一个气体入口直接热连通，并且容纳在所述罩容积或者所述罩或底板内；

(ii)至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器被定位成在使用中确定流动到所述至少一个开口歧管式气体入口的氧化剂的温度；和

(iii)控制装置，

所述电加热装置和所述至少一个温度传感器与所述控制装置电连通，

所述方法还包括以下步骤：

在所述控制装置的控制下实现通过所述电加热装置对所述氧化剂的另外的加热，使得将所述至少一个开口歧管式气体入口处的使用中的所述氧化剂向期望的温度加热。

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