CN105594045B - 改进的燃料电池系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改进的燃料电池系统和方法。本发明提供一种中温固体氧化物燃料电池(IT‑SOFC)系统，包括：(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且所述蒸汽重整器具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；并且限定：(a)阳极入口气流流动路径，该阳极入口气流流动路径从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；(b)阳极废气流流动路径，该阳极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；(c)阴极入口气流流动路径，该阴极入口气流流动路径从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及(d)阴极废气流流动路径，该阴极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口。

Description

改进的燃料电池系统和方法
技术领域
本发明涉及改进的燃料电池系统和方法
背景技术
燃料电池、燃料电池组、燃料电池组组件以及热交换器的系统、装置和方法的教导是本领域普通技术人员公知的，具体包括WO02/35628、WO03/07582、WO2004/089848、WO2005/078843、WO2006/079800、WO2006/106334、WO 2007/085863、WO2007/110587、WO2008/001119、WO2008/003976、WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797和WO2010/061190，通过引用方式将其整体并入本文。必要时，本使用的术语的定义可见于上述公开。具体地，本发明的目的是改进WO2008/053213中公开的系统和方法。
对工作在450-650摄氏度(DegC)范围(中温固体氧化物燃料电池；IT-SOFC)中，尤其是520-620摄氏度温度范围内的燃料电池烃燃料SOFC(固体氧化物燃料电池)系统进行操作，将导致所面临不同技术问题组合，并且，相比于更高温的SOFC技术，比如工作温度>720摄氏度的基于YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)的技术，需要不同的解决方案。
较低的燃料电池工作温度使其不适用于高级别的燃料内部重整，因而这些系统通常需要在燃料到达燃料电池组之前进行高级别的重整。
在这些系统中，蒸汽重整用于将烃燃料流转换为被馈送到燃料电池组阳极入口的富氢重整产品流。重整器通常工作在620-750摄氏度，使得输出重整产品在500-750摄氏度的温度范围内，从而允许80％以上的烃(如天然气)的重整。然后，将重整产品流冷却至约350-550摄氏度，以便进入约450摄氏度的燃料电池组。重整器通常由燃烧燃料电池组的废气的尾气燃烧器的输出来加热。
IT-SOFC组冷却主要通过对燃料电池组的阴极侧的氧化剂流的控制来实现(即，为起到更好的冷却效果，更多的空气被吹在燃料电池组的阴极侧)。这与其他SOFC技术不同，其他SOFC技术中发生高级别内部重整并且内部重整反应引起的吸热效果的作用是吸收工作燃料电池释放的热能。
为实现上述高重整器温度，在重整器通常与燃料电池组尾气燃烧器(其用氧化剂燃烧阳极废气中的任何剩余燃料，典型地用热阴极废气来燃烧)紧密热耦合。在该装置中，尾气燃烧器及其热排出气体通过热交换器(例如热交换表面)与重整器紧密热耦合。典型地，重整器设置成使得它紧邻或接触尾气燃烧器，以便尽可能多地将热量从尾气燃烧器传递到重整器。
本发明人已经确定了一些影响当前IT-SOFC燃料电池组装置的技术限制：
1.IT-SOFC降解导致燃料电池组效率的显著非线性损失
在燃料电池的寿命期间，燃料电池的降解导致电效率的损失，因此在给定电功率输出下导致热量产生增加。控制燃料电池组的工作温度对于燃料电池组的工作性能来说至关重要。对于燃料电池系统，燃料电池组冷却的输送(尤其是通过泵/鼓风机到燃料电池的阴极侧)是一个相当大的系统寄生负载(通常是最大的系统寄生负载)。当燃料电池降解时，效率损失和增加的寄生负载的这种组合提供了不相称的(即，大于线性的，在此也称为非线性的)系统级效率降低。
另外，由于燃料电池组提供用于提供燃料电池组冷却的电力，燃料电池的效率损失引起一个正反馈机制(即恶性循环)，即燃料电池组效率变低，并且在给定电力输出下产生更多热量，因此需要更多的冷却，这导致增加的电力需求，需要增加的电力产生，这又导致需要进一步增加冷却的热量产生增加。
2.重整器和尾气燃烧器的紧密热耦合导致增加的燃料电池组冷却负载
(吸热的)燃料重整器和尾气燃烧器(TGB)的紧密热耦合意味着离开燃料重整器的燃料流的焓取决于流入燃料电池组的总气流。随着IT-SOFC降解，增加的电阻和继而增加的燃料电池热量产生会导致增加了重整器温度，从而增加了重整燃料中的氢含量，进而增加了燃料电池组工作期间的燃料电池组冷却负载。
在不对重整器的出口和燃料电池组的阳极入口之间的阳极入口气体进行补充热恢复的情况下，该增加的热能被传递至燃料电池组，作为附加的冷却负载，该冷却负载进一步增加了总电力需求，并进一步导致燃料电池系统效率的降低。
3.作为重整产品而产生的一氧化碳导致碳脱落(drop-out)金属粉尘(metaldusting)，导致燃料电池组阳极侧的降解
重整燃料的碳脱落对燃料电池组性能具有显著的负面影响，尤其在超期使用期间更是如此。由于包含一氧化碳的重整产品存在于重整器中并传递至IT-SOFC组阳极入口，并且重整器通常在高温中操作以实现高级别的重整，所以重整产品会经历显著的温度降低。随着温度降低，发生Boudouard反应，一氧化碳和二氧化碳之间的均衡向二氧化碳方向偏移，一氧化碳被氧化为二氧化碳，并且碳析出，即，发生碳脱落。这种碳脱落的形式有：(i)碳微粒，其覆盖在表面上并阻止/限制流体流动路径，以及(ii)金属粉尘("Corrosion byCarbon and Nitrogen:Metal Dusting,Carburisation and Nitridation",edited byH.J.Grabke and M.Schütze,2007,ISBN 9781845692322)，碳形成在组件的暴露金属面的表面上，从而随着时间从组件本体上移除金属，对组件规范有负面影响。
这些限制通常不出现在较高温度的燃料电池系统中，因为一定程度的内部重整能够也确实需要降低鼓风机寄生负载，并且任何外部重整必然更接近燃料电池组工作温度，因此不需要通过Boudouard反应温度范围内的冷却。
本发明的目的是解决、克服或减轻现有技术缺点中的至少一个。
发明内容
根据本发明，提供了如所附权利要求限定的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统和操作IT-SOFC的方法。在所附的从属权利要求中还限定了更优选的特征。
根据本发明的第一方面，提供一种中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，包括：
(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及
(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；
并且限定：
(a)阳极入口气流流动路径，从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；
(b)阳极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；
(c)阴极入口气流流动路径，从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(d)阴极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；
其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口。
本文中对方法步骤的提及也是对适配或配置用于执行这些方法步骤的本发明的系统的提及。
为避免疑问，本文中对并流型热交换器的提及是对共流型热交换器的提及。
优选地，至少一个燃料电池组是金属支持型IT-SOFC组，优选如US6794075所教导。优选地，IT-SOFC具有在400摄氏度-650摄氏度，优选在450摄氏度-650摄氏度，更优选在520-620摄氏度范围中的稳态工作温度。
优选地，至少一个燃料电池组的每个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层，至少一个燃料电池组层的每个燃料电池组层都包括至少一个燃料电池、燃料和氧化剂入口/出口连接、以及用于一个或多个燃料和氧化剂流的流动路径，以及用于一个或多个使用过的燃料和氧化剂流的流动路径、燃料电池组基板和燃料电池组端板。优选地，每个燃料电池组还包括燃料电池组端板和燃料电池组压缩装置。优选地，每个燃料电池组还包括组互连。优选地，燃料电池组互连是导电的不透气金属互连板。
事实上，重整器热交换器是并流型热交换器，并且被布置用于在阴极入口气体和阳极入口气体进入至少一个燃料电池前在它们之间交换热量，这意味着来自重整器和重整器热交换器的阴极和阳极入口气体的出口温度，也就是到至少一个燃料电池组的阴极侧和阳极侧的入口温度彼此非常接近。
到至少一个燃料电池的阳极和阴极入口气体之间的温差由重整器热交换器的性能确定。例如，在稳态工作中，到至少一个燃料电池组的阳极和阴极入口气体之间的彼此温差在20摄氏度内，更典型地在15摄氏度内。
这种并流型装置具有许多明显的优点。具体地，其意味着相比现有技术的燃料电池系统，至少一个燃料电池的电解质层上的热压力将大大减小。通过减小热压力，可以降低电解质随时间的降解率。
如上所述，碳脱落是燃料电池中，尤其是它们的整个寿命周期中的重要问题。迫切需要降低碳脱落量，或者至少使发生在至少一个燃料电池中、或者发生在重整器和至少一个燃料电池组/至少一个燃料电池之间的管道中的碳脱落量最小化。通常来说，难以在最终产品中触及这些组件，因此一般不适合进行便捷的维护，尤其是家用产品。
来自重整器的阳极入口气体的出口温度(因而到至少一个燃料电池组的阳极侧的入口温度)的临近性，意味着大大降低了重整器和至少一个燃料电池组之间的碳脱落风险。
当IT-SOFC系统适配为使来自重整器的阳极入口气体的出口温度接近于至少一个燃料电池组的工作温度时，进一步降低了至少一个燃料电池组中的碳脱落风险。
优选地，IT-SOFC还包括：至少一个氧化剂加热器，位于所述氧化剂入口和所述重整器热交换器之间的所述阴极入口气流流动路径中；至少一个氧化剂鼓风机；燃料电池组阴极入口气体温度传感器；燃料电池组阴极废气温度传感器；以及控制装置，所述控制装置适于控制所述至少一个氧化剂鼓风机和通过所述至少一个氧化剂加热器对入口氧化剂的加热，以将所述阴极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近，并且将所述阴极废气温度传感器维持在预定温度或附近。在整个说明书的上下文中，“维持”包括以下情形：在控制装置通过所述氧化剂加热器控制所述氧化剂鼓风机和对入口氧化剂的加热前，阴极入口气体温度传感器不在预定温度或附近。类似地，在整个说明书的上下中，“维持”包括以下情形：在控制装置通过所述氧化剂加热器控制所述氧化剂鼓风机和对入口氧化剂的加热前，阴极废气温度传感器不在预定温度或附近。
优选地，阴极入口气体温度传感器被维持在5、10、15、20、25、30、35、40、45或者50摄氏度的预定温度内，最优选在5摄氏度的预定温度内。
优选地，阴极废气温度传感器被维持在5、10、15、20、25、30、35、40、45或者50摄氏度的预定温度内，最优选在5摄氏度的预定温度内。
优选地，主阴极入口气体流动路径(也称为“入口氧化剂主路径”)从氧化剂入口流至重整器热交换器氧化剂入口。
优选地，空气旁路入口气体流动路径(也称为“入口氧化剂旁路”)从氧化剂入口流至重整器热交换器氧化剂入口。
优选地，第二空气旁路入口气体流动路径从氧化剂入口传送至重整器阴极废气流流动路径，即，在重整器热交换器氧化剂出口和燃料电池组阴极入口之间，更优选在重整器热交换器氧化剂出口和燃料电池组阴极入口气体温度传感器之间。
优选地，IT-SOFC系统还包括位于所述氧化剂入口和所述重整器热交换器之间的所述阴极入口气流流动路径中的至少一个氧化剂加热器。
优选地，IT-SOFC系统还包括从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口的入口氧化剂主路径；以及从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口和/或从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器、再到所述至少一个燃料电池组阴极入口的至少一个入口氧化剂旁路。
优选地，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
因此，不需要控制至少一个热源(只要其能够供应所需要的热量)，替代地，改变经由主路径和旁路的氧化剂的流动，以实现所需要的阴极入口气体温度。
根据该布置，至少一个氧化剂加热器不在至少一个入口氧化剂旁路中。
从至少一个氧化剂出口到所述至少一个燃料电池组阴极入口的至少一个入口氧化剂旁路不经过重整器热交换器。
该旁路允许在阴极入口气体离开重整器热交换器后的对阴极入口气体温度的独立控制度。
优选地，所述至少一个入口氧化剂旁路包括至少两个入口氧化剂旁路，一个入口氧化剂旁路从至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，另一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口。
优选地，IT-SOFC系统还包括至少一个氧化剂鼓风机，至少一个鼓风机位于所述入口氧化剂主路径和/或所述至少一个入口氧化剂旁路中。至少一个鼓风机可以是单个鼓风机。单个鼓风机可以位于所述入口氧化剂主路径和所述至少一个入口氧化剂旁路中。
至少一个鼓风机可以是两个鼓风机。两个鼓风机可以分别位于所述入口氧化剂主路径和所述至少一个入口氧化剂旁路中。至少一个入口氧化剂旁路可以是单个入口氧化剂旁路。
至少一个鼓风机可以是三个鼓风机。至少两个入口氧化剂旁路可以是两个入口氧化剂旁路。三个鼓风机可以分别位于所述入口氧化剂主路径和所述两个入口氧化剂旁路中。
优选地，IT-SOFC系统还包括至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，用于控制所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间的入口氧化剂流。
优选地，IT-SOFC系统还包括可调节的入口氧化剂流分流器，用于控制所述一个入口氧化剂旁路和所述另一个入口氧化剂旁路之间的入口氧化剂流。这允许从单个源来同时控制到重整器热交换器和到至少一个燃料电池组阴极入口的氧化剂的流速。
优选地，提供控制装置，所述控制装置适配为控制至少一个鼓风机和/或至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，优选地，将所述阴极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近，并将所述阴极废气温度传感器维持在预定温度或附近。
优选地，提供附加温度传感器。所述附加温度传感器优选是燃料电池组阳极入口气体温度传感器。可以提供其他附加传感器。优选地，控制装置适配为控制至少氧化剂一个鼓风机或所述至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，以将所述阴极入口气体温度传感器和/或所述阴极废气温度传感器和/或所述燃料电池组阳极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近
优选地，入口氧化剂旁路汇入重整器热交换器和阴极入口之间(具体地，重整器热交换器氧化剂出口和燃料电池组阴极入口气体温度传感器之间)的阴极入口气体流动路径。优选地，氧化剂鼓风机或可调节的入口氧化剂流分流器位于所述入口氧化剂旁路中。优选地，控制装置适配为控制所述氧化剂鼓风机或所述可调节的入口氧化剂流分流器，以将所述阴极入口气体温度传感器和/或所述阴极废气温度传感器和/或所述燃料电池组阳极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近。
优选地，入口氧化剂旁路汇入阴极入口气体流动路径的氧化剂入口和重整器热交换器之间(具体地，至少一个氧化剂加热器和重整器热交换器之间)的阴极入口气体流动路径。优选地，氧化剂鼓风机或可调节的入口氧化剂流分流器位于所述入口氧化剂旁路中。优选地，控制装置适配为控制所述氧化剂鼓风机或所述可调节的入口氧化剂流分流器，以将所述阴极入口气体温度传感器和/或所述阴极废气温度传感器和/或所述燃料电池组阳极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近。
预定温度可以参考优选温度表来确定，例如参考给定电力输出或者给定燃料流速。这些预定温度还可以称为工作设定点或者需要的工作设定点。针对1kW电力输出的燃料电池组，用于该燃料电池组阴极入口气体温度传感器的预定温度可以是大约540摄氏度。优选地，用于该燃料电池组阴极入口气体温度传感器的预定温度在530-570摄氏度的范围中。针对1kW电力输出的燃料电池组，用于该燃料电池组阴极废气温度传感器的预定温度可以是大约610摄氏度。优选地，用于该燃料电池组阴极废气温度传感器的预定温度在580-620摄氏度的范围中。
本文中提到的燃料电池组电力输出不同于燃料电池系统电力输出，并且不包括燃料电池系统自身消耗的电力，例如用于控制装置和鼓风机等的电力。
优选地，控制装置适配为当燃料电池系统处于稳态工作时，将阴极入口气体温度传感器和阴极废气温度传感器维持在预定温度或附近。
更优选地，控制装置适配为将燃料电池组阴极入口气体温度传感器维持在约520-600摄氏度，优选在约530-570摄氏度，更优选在约540摄氏度，并且将燃料电池组阴极废气温度传感器维持在约550-650摄氏度，优选在约580-620摄氏度，更优选在约610摄氏度。
优选地，控制装置适配为将燃料电池组阳极入口气体温度维持在约520-600摄氏度的温度，优选在约530-570摄氏度。优选地，控制装置适配为将燃料电池组阳极废气维持在约550-650摄氏度，优选在约580-620摄氏度。
优选地，控制装置还被配置为控制从燃料源和水源到燃料电池系统的燃料和水流。
优选地，控制装置还被配置为控制(更优选地监控和控制)从燃料电池系统到电负载传送的电力。
通过以下组合，便捷地实现对氧化剂流动路径中的两个离散点的温度控制：
(i)控制对阴极入口气体的加热，以及
(ii)控制解决入口气体的质量流速。
因此，两个独立控制循环在工作。
第一控制循环用于控制到至少一个燃料电池组的阴极入口气体温度。控制装置适配为如果阴极入口气体温度传感器确定的阴极入口气体温度低于预定温度，则通过至少一个氧化剂加热器增加对入口氧化剂的加热，反之亦然。
因此，到至少一个燃料电池组的阴极入口气体的温度得到控制。
相应地，这意味着到至少一个燃料电池组的阳极入口气体的温度也得以维持，并且不论入口氧化剂和燃料的质量流速如何改变以及到IT-SOFC系统的氧化剂和燃料的入口温度如何改变，其都得以维持。
第二控制循环用于控制至少一个燃料电池组阴极废气温度。由于到至少一个燃料电池组的阴极入口气体温度被分离地控制，所以通过改变经过反复的氧化剂质量流速来控制阴极废气温度。
因此，控制装置适配为如果燃料电池组阴极废气温度传感器确定的阴极废气温度高于预定温度，增加阴极入口气体质量流速，反之亦然。
其提供了简单方便的自调整控制系统这一优点，所述自调整控制系统将燃料电池组阴极入口和输出温度(因而，燃料电池组上的ΔT)维持在受控范围内。
优选地，IT-SOFC系统还包括：
可调节的入口氧化剂流分流器；
入口氧化剂旁路；以及
入口氧化剂主路径，
所述控制装置被配置为控制所述可调节的入口氧化剂流分流器，以在所述入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
因此，入口氧化剂旁路的作用是绕过至少一个氧化剂加热器。在其他实施例中，入口氧化剂旁路的作用绕过所述重整器/重整器热交换器。
因此，不需要控制至少一个热源(只要其能够供应所需要的热量)，替代地，改变经由主路径和旁路的氧化剂的流动，以实现所需要的阴极入口气体温度。
优选地，可调节的入口氧化剂流分流器、入口氧化剂旁路以及入口氧化剂主路径位于至少一个氧化剂鼓风机和重整器热交换器之间。
其他布置对本领域普通技术人员来说是显而易见的。例如，可以提供到IT-SOFC系统中的多个氧化剂入口(即，经过加热的氧化剂入口和未加热的氧化剂入口)，其中阀和/或鼓风机装置和所述多个氧化剂入口在一起，以控制经过或者来自这些入口的流动。
优选地，IT-SOFC系统包括：
从氧化剂入口到所述重整器热交换器的入口氧化剂旁路，以及第一鼓风机，以及
从氧化剂入口到所述重整器的入口氧化剂主路径，以及第二鼓风机，
所述控制装置被配置为控制所述第一和第二鼓风机以在所述入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
重整器并流型热交换器布置的意义在于，重整产品质量(即，对入口燃料一定程度的重整)不受到流体流速的明显影响，而是(取决于重整器温度)直接与燃料电池组阴极入口(氧化剂)温度相关联。通过改变经由入口氧化剂主路径和入口氧化剂旁路进入的入口氧化剂的比例，控制到燃料电池组的氧化剂温度。因此，在发生燃料电池组降解时，可以将传送至至少一个燃料电池组阴极入口的入口氧化剂维持在大致恒定的温度。
当燃料电池组降解时，增加到重整器热交换器(和到燃料电池组)的入口氧化剂的流速，以维持燃料电池组阴极入口气体温度传感器处的期望温度或实现预定温度，因此总的流焓增加。然而，热交换器重整器的共流性质意味着，所引起的重整产品出口温度的增加明显小于如果入口氧化剂流速没有增加但是燃料电池组阴极入口气体温度传感器处的温度增加的情形。因此，在系统的寿命期中保持了重整产品的质量，并且内部重整的级别不以现有技术燃料电池组布置所经历的方式降低。
本发明中，将重整器温度耦合至燃料电池组阴极和阳极入口温度意味着从重整器(即，重整产品)传送至燃料电池组阳极入口的阳极入口流的温度改变相对较小，相应地，也意味着相比现有技术设备，碳脱离的风险被大大降低。
当燃料电池组降解并且电效率降低时，燃料电池组释放的热量增加，这需要增加阴极氧化剂流速以维持燃料电池组阴极废气温度。
因此，虽然到燃料电池组的氧化剂入口流的增加导致鼓风机功耗增加，但是本发明意味着氧化剂入口流的增加不改变重整产品质量，相应地，意味着维持燃料电池组处的吸热内部重整量，相应地，意味着不需要更多的附加燃料电池组冷却。
重整器的并流型布置，进而入口温度与燃料电池组的阴极侧和阳极侧的紧密耦合也降低了燃料电池(陶瓷)电解质层上的压力，因此增加了燃料电池电解质的工作寿命。
优选地，来自重整器出口的重整产品流与至少一个燃料电池组阳极入口流体流动连通。优选地，来自重整器热交换器的阴极出口与至少一个燃料电池组阴极入口流体流动连通。
优选地，氧化剂加热器包括至少一个热交换器。
更优选地，至少一个氧化剂加热器包括氧化剂预加热器热交换器，所述氧化剂预加热器热交换器与所述燃料电池组阳极废气出口和燃料电池组阴极废气出口中的至少一个流体流动连通，并且所述氧化剂预加热器热交换器被布置用于在(a)来自所述燃料电池组阳极废气出口和所述燃料电池组阴极废气出口中的至少一个的气流以及(b)所述入口氧化剂之间交换热量。
因此，离开至少一个燃料电池组的热的阳极和/或阴极气流用于加热到重整器热交换器的入口氧化剂流。
更优选地，燃料电池系统还包括尾气燃烧器，所述尾气燃烧器与所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口流体流动连通并且具有尾气燃烧器排气装置，从而限定从所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口到所述尾气燃烧器排气装置、再到所述氧化剂预加热器热交换器、再到所述燃料电池系统排气装置的流体流动路径。
因此，至少一个燃料电池组阳极废气中的剩余燃料被燃烧，并且产生的热量用于加热入口氧化剂。要求最低尾气燃烧器排气温度，以符合气体排放要求。如果尾气燃烧器排放温度下降到该最低值以下，则从燃料源直接向尾气燃烧器供应未重整的燃料，以增加尾气燃烧器排气温度。
优选地，尾气燃烧器还包括尾气燃烧器燃料入口。优选地，燃料电池系统还包括尾气燃烧器排气温度传感器，控制装置被配置为当尾气燃烧器温度传感器检测的温度低于预定温度时，经由尾气燃烧器燃料入口向尾气燃烧器提供附加燃料。优选地，尾气燃烧器燃料入口适配用于向尾气燃烧器提供未重整的燃料，即，直接连接到(直接流体流动连通)燃料源(更优选地，未重整的燃料源)。
优选地，氧化剂加热器包括与所述至少一个燃料电池组阳极废气出口流体流动连通的阳极废气热交换器，并且所述阳极废气热交换器被布置用于在(a)来自所述阳极废气出口以及(b)所述入口氧化剂之间交换热量。
优选地，IT-SOFC系统还包括位于所述阳极废气热交换器和所述尾气燃烧器之间阳极废气流流动路径中的冷凝器热交换器，其中所述冷凝器热交换器被布置用于在所述阳极废气和冷却流体之间交换热量。更优选地，冷凝器热交换器适配为使阳极废气的温度低于水的冷凝点。
优选地，冷却流体是冷却流体系统的一部分。优选地，冷却流体系统是组合式热电(CHP)单元的一部分，其中冷却系统受控地用于传递来自阳极废气的热量，以供CHP单元使用，例如，用于加热热水或热储存。其他冷却流体系统对本领域普通技术人员来说也是明显的。示例包括散热器系统，其中来自阳极废气的热能经由冷却流体被传递至散热器，继而散热器将热能传递至另一流体，从而使冷却流体降温。
优选地，冷却流体用于从阳极废气中移除充足的热能，以便将阳极废气的温度降低到水冷凝点以下的水平，从而允许水从阳极废气中冷凝。
更优选地，IT-SOFC系统还包括位于所述冷凝器热交换器和所述尾气燃烧器之间的阳极废气流流动路径中的分离器，其中所述分离器被布置为从所述阳极废气中分离冷凝剂。更优选地，分离器还包括分离器冷凝剂出口，并且被布置为经由所述冷凝剂出口排出所述冷凝剂。
冷凝剂将是水，因而分离器可用作到蒸汽产生器和/或蒸汽重整器的水源。
优选地，IT-SOFC系统同时包括氧化剂预加热器热交换器和阳极废气热交换器，以及从所述氧化剂入口流到所述阳极废气热交换器、再到所述氧化剂预加热器热交换器、再到所述重整器热交换器的阴极入口气流流动路径。如上所述，在某些实施例中，存在多个入口氧化剂流动路径，更具体地，入口氧化剂主流动路径和入口氧化剂旁路流动路径。在该情形中，从所述氧化剂入口流到所述阳极废气热交换器、再到所述氧化剂预加热器热交换器、再到所述重整器热交换器的阴极入口气流流动路径是入口氧化剂主流动路径。
通过本发明的系统，控制燃料电池组入口和出口温度。
优选地，IT-SOFC系统还包括：
汽化器，具有与所述燃料源流体流动连通的燃料入口、与水源流体流动连通的水入口、以及汽化器排气装置，所述汽化器位于所述燃料源和所述蒸汽重整器之间的阳极入口气流流动路径中，以及
汽化器热交换器，位于(a)所述阳极废气出口和阴极废气出口中的至少一个以及(b)所述燃料电池系统排气装置之间的流体流动路径中，
其中：
所述汽化器热交换器被布置用于在(a)来自所述阳极废气出口和所述阴极废气出口中的至少一个的气流以及(b)所述阳极入口气体和所述水中的至少一个之间交换热量。
优选地，来自分离器的冷凝剂(水)用作汽化器和/或蒸汽重整器的水源。
根据本发明，还提供了一种操作根据本发明的中温固体氧化物燃料电池系统的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将燃料从燃料源传送至所述蒸汽重整器；
(ii)将经过加热的入口氧化剂从所述氧化剂入口传送至重整器热交换器，使得在所述经过加热的入口氧化剂和所述燃料之间交换热量；
(iii)将来自所述蒸汽重整器的阳极入口气体传送至所述至少一个燃料电池组阳极入口，并将来自所述重整器热交换器的入口氧化剂传送至所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(iv)操作至少中温固体氧化物燃料电池组。
根据本发明的第二方面，提供一种中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统，包括：
(i)至少一个燃料电池组，包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，而且限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及
(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且具有用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；
并且限定：
(a)阳极入口气流流动路径，从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；
(b)阳极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；
(c)阴极入口气流流动路径，从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(d)阴极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；
其中，所述重整器热交换器是并流型热交换器，并且与(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口流体流动连通，而且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量，所述系统还包括：
至少一个入口氧化剂旁路，从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口；
入口氧化剂主路径，从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器、再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
可调节的入口氧化剂流分流器，位于所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间，用于控制所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间的入口氧化剂流。
第二方面的布置允许从单个源同时控制到重整器热交换器和燃料电池组阴极入口的氧化剂的流速。
本发明的第一方面的优选特征同样适用于本发明的第二方面。
根据本发明，每个鼓风机和/或阀/分离器可以与控制装置通信并被其驱动/控制或者对其响应。
根据本发明，一个或多个鼓风机或者阀/分离器可以设置在一个或多个阴极入口气体流动路径、空气旁路入口气体流动路径以及空气旁路入口气体流动路径中。例如，如果提供单个鼓风机，则可以提供零个、一个或两个阀/分离器，如果提供两个鼓风机，则可以提供零个或单个阀/分离器，如果提供三个鼓风机，则可以提供零个阀/分离器。
除非另有声明，以上有关IT-SOFC系统讨论的特征同样适用于该方法。
本文中使用的术语“尾气燃烧器”表示用于燃烧阳极或阴极废气的燃烧器。尾气燃烧器通常也将阳极和阴极废气混合，但是在一些情形中可以分离地燃烧。
术语“流体流动路径”用于限定各组件之间的流体流动路径，因此应当理解，这些组件彼此流体流动连通。
除非上下文另有指示，术语“流体”包括液体和气体。
除非上下文另有指示，术语“工作温度”表示稳态工作温度，即，不包括启动和关闭温度。
除非另有指示，所有温度值都用摄氏度(摄氏度)给出。
本文中对被布置为交换第一和第二热交换流体之间(例如，阳极入口气体和阴极入口气体之间)的热量的热交换器(多个热交换器)的提及也是对以下热交换器的提交，该热交换器被布置为在热交换器燃料电池的第一侧和第二侧之间以及对应的流体流动路径之间交换热量，例如，热交换器材料或热交换面的第一侧和第二侧之间，热交换器的阳极入口侧和阴极入口侧之间，阳极入口流体流动路径和阴极入口流体流动路径之间，除非另有指示，这些术语可以互换。
附图说明
图1示出了根据本发明的燃料电池系统的示意图；
图2示出了表1所示的数据的散布图，其中示出了第一个和每隔五个的数据点(即，0，1110，2110，3110，4110秒，等等)；
图3示出了根据本发明的备选燃料电池系统的示意图；
图4示出了根据本发明的备选燃料电池系统的示意图；
图5示出了根据本发明的备选燃料电池系统的示意图；以及
图6示出了根据本发明的备选燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
仅用于说明性目的，附图仅示出了一个燃料电池。在各实施例中，提供多个燃料电池。在另一些实施例中(未示出)，提供多个燃料电池组，并且在另一些实施例中，提供多个燃料电池组，其中每个燃料电池组都包括多个燃料电池。将要认识到，针对这些实施例，可以适当地修改阳极和阴极入口、出口(废气)、导管、歧管(manifold)、以及温度传感器及它们的配置，并且这些对本领域普通技术人员来说是显而易见的。
在以下实施例中，使用空气作为氧化剂。因此，在任何别处对“氧化剂”的提及可以解释为实施例中对“空气”的提交，反之亦然。
参照图1，燃料电池系统10是一个中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统。燃料电池组20是金属支持型IT-SOFC燃料电池组，如US6794075所教导。燃料电池系统10具有来自燃料电池组20的稳态1kW电输出，并且包括121金属支持型IT-SOFC的燃料电池30。每个燃料电池30具有阳极侧40、电解质层50和阴极侧60。燃料电池组中的每个燃料电池层通过导电不透气金属互连板(连接板；未示出)隔开。还提供了燃料电池组的端板和压缩装置(未示出)。
本文对燃料电池30的提及也是对全套121燃料电池30的提及。
电负载L跨接于燃料电池30。
燃料电池组阳极入口41与燃料电池阳极入口41A流体流动连通，以便阳极入口气体流动至燃料电池30的阳极侧40。燃料电池阳极入口42A与燃料电池组阳极废气出口42流体流动连通，以便阳极废气的流动。
燃料电池组阴极入口61与燃料电池阴极入口61A流体流动连通，以便阴极入口气体流动至燃料电池30的阴极侧60。燃料电池阴极出口62A与燃料电池组阴极废气出口62流体流动连通，以便阴极废气的流动。
蒸汽重整器70包括用于阳极入口气体的重整器入口71和用于排出阳极入口气体的装置出口72。
尾气燃烧器80与燃料电池组阳极和阴极废气出口42、62流体流动连通，并且具有尾气燃烧器排气装置、阳极废气入口82和阴极废气入口83。尾气燃烧器80限定从燃料电池组阳极和阴极废气出口42、66至尾气燃烧器排气装置81的流体流动路径，并且被配置用于燃烧阳极和阴极废气以及产生尾气燃烧器废气。
阳极入口气流流动路径A被限定为从汽化器100到蒸汽重整器70，再到燃料电池组阳极入口41，再到燃料电池阳极入口41A，即，组件流体流动地彼此连通。
阳极废气流流动路径B被限定为从燃料电池阳极出口42A到燃料电池组阳极废气出口42到阳极废气热交换器110(HX-AOG)，再到冷凝器热交换器120，再到分离器130，再到尾气燃烧器80的阳极废气入口82。
主阴极入口气体流动路径230和旁路入口气体流动路径240具有多个共同组件，并在多个位置处共享共同的流动路径(标记为阴极入口气流流动路径C，以下将详细描述)。
主阴极入口气体流动路径230被限定为从氧化剂入口140到鼓风机210，再到阀/分离器220，再到阳极废气热交换器110，再到空气预加热器热交换器150(HX-APH)，再到重整器热交换器160(HX-Ref)，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
空气旁路气体流动路径240被限定为从氧化剂入口140到鼓风机210，再到阀/分离器220，再到空气旁路入口190，再到重整器热交换器160，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
如下文所述，阀/分离器220由控制装置200来控制，以便在主阴极入口气体流动路径230和空气旁路入口气体流动路径240之间将入口空气的流动分配。
因此，空气旁路入口气体流动路径240绕过阳极废气热交换器110和空气预加热器热交换器150。
因此，在该实施例中，气体流动路径230和240的共同部件(阴极入口气流流动路径C)是(a)从氧化剂入口140到鼓风机210，再到阀/分离器220，以及(b)从重整器热交换器160到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
阴极废气流流动路径D被限定为从燃料电池阴极出口62A到燃料电池组阴极废气出口62，再到尾气燃烧器80的阴极废气入口83。
尾气燃烧器废气流动流动路径E被限定为从尾气燃烧器排气装置81到空气预加热器热交换器150，再到汽化器热交换器170(HX-Evap)，再到燃料电池系统排气装置180。
阳极废气热交换器110与(i)燃料电池组阳极废气出口41(即，燃料电池阳极出口42A)和尾气燃烧器阳极废气入口82，以及(ii)氧化剂入口140和燃料电池组阴极入口61(即，燃料电池阴极入口61A)流体流动连通，并且被布置用于在来自燃料电池组20的阳极废气和到燃料电池组20的阴极入口气体之间交换热量。
空气预加热器热交换器150与(i)尾气燃烧器排气装置81和燃料电池系统排气装置180，以及(ii)氧化剂入口140和燃料电池组阴极入口61(即，燃料电池阴极入口61A)流体流动连通，并且被布置用于在尾气燃烧器81废气和到燃料电池组20的阴极入口气体之间交换热量。
重整器热交换器160是并流型热交换器，并且与(i)氧化剂入口140和燃料电池组阴极入口61(即，燃料电池阴极入口61A)，以及(ii)燃料源和燃料电池组阳极入口41(即，燃料电池阳极入口41A)流体流动连通，并且被布置用于在阴极入口气体和阳极入口气体之间交换热量。
汽化器100具有用于来自燃料源90的阳极入口气体的燃料入口101，用于来自水源103的水的水入口102，以及用于从汽化器100排出阳极入口气体的汽化器排气装置104，并且汽化器100位于燃料源90和蒸汽重整器70之间的阳极入口气流流动路径中。汽化器100附加地包括汽化器热交换器170，所述汽化器热交换器170位于空气预加热器热交换器150和燃料电池系统排气装置180之间的尾气燃烧器废气流流动路径E中。
汽化器热交换器170与(i)尾气燃烧器排气装置81和燃料电池系统排气装置180，以及(ii)燃料源90和水源和燃料电池组阳极入口41(即，燃料电池阳极入口41A)流体流动连通，并且被布置为在尾气燃烧器废气与阳极入口气体及水之间交换热量，产生用作到蒸汽重整器70的阳极入口气体的蒸汽燃料混合物。
冷凝器热交换器120与(i)燃料电池组阳极废气出口42(即，燃料电池阳极出口42A)和尾气燃烧器阳极废气入口82，以及(ii)冷却电路121流体流动连通，并且被配置用于交换来自燃料电池组20的阳极废气和冷却电路121中的冷却流体的热量。
分离器130位于冷凝器热交换器120和尾气燃烧器80之间的阳极废气流流动路径中并且具有分离器冷凝出口131，分离器130适配为分离来自阳极废气流流动路径的冷凝剂，并经由冷凝剂出口131排出冷凝剂。
控制装置200连接到燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1、燃料电池组阴极废气温度传感器T2、鼓风机210以及阀/分离器220。控制装置200被配置为在燃料电池系统的稳态工作期间，将由温度传感器T1和T2确定的温度维持在期望的温度或附近。
控制装置200适配为操作对流过阴极入口气流流动路径C的阴极入口气体进行操作的两个独立控制循环。
在第一控制循环中，控制对阴极入口气体的加热。在第二控制循环中，控制阴极入口气体的质量流速。
针对第一控制循环，控制装置200控制阀/分离器220，以便改变对流体流动路径230和240之间的入口氧化剂流动的分配。因此，控制装置200被配置为使得，如果燃料电池组电力输出为1kW时由燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1确定的温度低于542摄氏度，其调整阀/分离器220以增加沿着主阴极入口气流流动路径230流动、到阳极废气热交换器110和空气预加热器热交换器150的入口氧化剂的比例。因此，沿着空气旁路入口气体流动路径240的入口氧化剂的比例相应地减小，并且对入口氧化剂的加热得以增加。
相反，如果燃料电池组电力输出为1kW时由燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1确定的温度高于542摄氏度，控制装置200调整阀/分离器220以降低沿着主阴极入口气流流动路径230流动、到阳极废气热交换器110和空气预加热器热交换器150的入口氧化剂的比例。因此，沿着空气旁路入口气体流动路径240的入口氧化剂的比例相应地增加，并且对入口氧化剂的加热得以降低。
因此，到至少一个燃料电池组的阴极入口气体的温度(由燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1确定)得到控制。
因此，在重整器热交换器氧化剂出口162处离开重整器热交换器160的氧化剂的温度也得到控制。由于重整器热交换器160是并流型热交换器，这意味着在重整器出口72处离开蒸汽重整器70的重整产品(阳极入口气体)的温度也得到控制，进而意味着重整产品的质量(即，入口燃料的重整程度)得到控制。如下文详述，第二控制循环将引起在重整器出口72处离开蒸汽重整器70的燃料的少量温度变化，但是对重整产品的质量和燃料电池组20的性能没有明显的影响。重要的是，重整器热交换器160的平行流动性质意味着离开蒸汽重整器70的燃料的温度不可能大于离开蒸汽重整器70的氧化剂的温度。
因此，到至少一个燃料电池组的阳极入口气体的温度(即，重整产品的质量)得到控制，并且该控制与入口氧化剂和燃料的质量流量的变化和到燃料电池系统10的氧化剂和燃料的入口温度的变化无关。
针对第二控制循环，控制装置200控制由鼓风机200驱动的入口氧化剂的质量流速。由于燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1确定的温度(因而燃料电池组阴极入口61处的温度)得到控制，所以通过控制经过燃料电池组20的氧化剂的质量流速，实现了对燃料电池组20的冷却。
因此，控制装置200被配置为使得，如果燃料电池组电力输出为1kW时燃料电池组阴极废气温度传感器T2确定的温度高于610摄氏度，其调整鼓风机210以增加入口氧化剂的质量流速。因此，经过燃料电池30的阴极侧60的入口氧化剂的质量流速增加，冷却量也相应地增加。
相反，如果燃料电池组电力输出为1kW时燃料电池组阴极废气温度传感器T2确定的温度低于610摄氏度，控制装置200调整鼓风机210以降低入口氧化剂的质量流速。因此，经过燃料电池30的阴极侧60的入口氧化剂的质量流速降低，冷却量也相应地降低。
因此，控制装置200适配为：如果燃料电池组阴极废气温度传感器T2确定的温度低于预定温度，则增加阴极入口气体质量流速，反之亦然。
使用中，燃料电池系统10经历三个阶段：启动、稳态以及关闭。
启动
在这一阶段的工作中，燃料电池组20是冷的(或者至少低于其稳态工作温度)，因此必须将其加热以实现工作状态。
从冷的(例如环境温度)开始，鼓风机210操作为将空气吹过燃料电池组20的阴极侧，并且燃料从燃料源250直接传至尾气燃烧器80并与来自鼓风机210的空气流燃烧。排出气体离开尾气燃烧器排气装置81，并流过空气预加热器热交换器150和燃料电池组20的阴极侧60，所述空气预加热器热交换器150对入口空气进行加热，继而影响重整器热交换器160的加热。热量在燃料电池30上传导，使得燃料电池20的阳极侧40也被加热。由于燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1检测到低温，阀/分离器220被调整，使得全部入口控制器都流过主阴极入口气体流动路径230，因而也流过空气预加热器热交换器150。
当燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1检测的温度上升到大于300摄氏度的温度时，从燃料源提供燃料。来自燃料源90的燃料流经汽化器100，与汽化器100内由水源103产生的蒸汽混合。当得到的燃料蒸汽混合物沿着阳极入口气流流动路径A流动时，其被重整器热交换器160进一步加热并部分地被重整器70重整，并且流至燃料电池组阳极入口41并流过燃料电池30的阳极侧40，用于保护其不受到不利氧化事件。然后，其存在于燃料电池组阳极出口42处，并沿着阳极废气流流动路径B流至将其在此燃烧的尾气燃烧器80。
在来自燃料源90的燃料的重整开始发生并且燃料电池组20达到产生电力的温度时，继续。
当燃料电池组阴极废气温度传感器T2检测到温度上升时，减少从燃料源250性尾气燃烧器80供应的燃料量，直到燃料电池组20达到自我维持，并停止从燃料源250到尾气燃烧器80的燃料供应。
当相应的控制循环改变入口空气质量流速和流动路径230和240之间的空气分配时，燃料电池组20继续工作，燃料电池组20的电力输出增加，并且温度传感器T1和T2检测的温度上升。
当温度传感器T1和T2都达到它们针对给定燃料电池组电力输出的工作设定点时，达到“稳态”。在1kW燃料电池组电力输出的情形中，温度传感器T1的温度是542摄氏度，温度传感器T2的温度是610摄氏度。
稳态
在该工作阶段中，燃料电池组20维持在由传感器T1和T2确定的工作温度。产生电力并用于燃料电池30上的负载L。温度传感器T1和T2检测的温度将改变，并且控制装置200相应地改变入口空气质量流速和流动路径230和240之间的空气的分配。
在该工作模式中，燃料电池组20产生的电力可以在0和燃料电池组额定功率之间改变。控制装置200响应电负载L，控制所产生的可达燃料电池组额定功率的电力量。
关闭
在该工作阶段，不再需要来自燃料电池系统10的电力，并启动受控关闭序列。对来自燃料电池组20的电力需求降为0并且降低燃料电池组空气入口T1的温度设定点，但增加鼓风机210的空气流速。继续从燃料源90向重整器70馈送少量燃料，因而也馈送到燃料电池组20和尾气燃烧器80中。在关闭的该第一阶段中，重整产品的持续流动在燃料电池30的阳极侧40上保持下降气压。一旦燃料电池组阴极废气温度传感器T2确定的温度(因而也是燃料电池组20的温度)低于阳极氧化激活温度(约450摄氏度)，就停止从燃料源90向蒸汽重整器70馈送燃料。并且停止来自鼓风机210的空气流动，因而燃料电池系统10以及燃料电池组20将自然冷却。
表1(见下文)和图2示出了根据本发明的燃料电池系统10的启动和稳态工作的数据，该燃料电池系统10包括具有121燃料电池的单个燃料电池组。表中所示数据是30110秒(即超过8小时)工作时长的数据。
表1和图2中，缩写具有以下含义：
TGB排气装置(摄氏度)–尾气燃烧器排气装置81处的温度
重整器空气入口(摄氏度)–重整器热交换器氧化剂入口161处的温度
重整器空气出口(摄氏度)–重整器热交换器氧化剂出口162处的温度
组空气入口(摄氏度)–由温度传感器T1检测的燃料电池组氧化剂入口61处的温度
组空气出口(摄氏度)–由温度传感器T2检测的燃料电池组氧化剂出口62处的温度
组电力输出(W)–由电路上的负载L确定的电力输出
在第二实施例中，如图3所示，去掉了阀/分离器220以及阴极入口气体流动路径C在阀/分离器220之前的部分。
主阴极入口气体流动路径230被限定为从氧化剂入口140到阳极废气热交换器110，再到空气预加热器热交换器150，再到重整器热交换器160，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
空气旁路入口气体流动路径240被限定为从氧化剂入口140’到鼓风机210’，再到空气旁路入口190，再到重整器热交换器160，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
控制装置200连接到燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1、燃料电池组阴极废气温度传感器T2以及鼓风机210和210’。控制装置200被配置为在燃料电池系统的稳态工作期间，将由温度传感器T1和T2确定的温度维持在期望的温度或附近。
在前一个实施例的第一控制循环中，控制对阴极入口气体的加热。在第二控制循环中，控制阴极入口气体的质量流速。通过改变主阴极入口气体流动路径230和空气旁路入口气体流动路径240之间阴极入口气体质量流量的比例，控制对阴极入口气体的加热。其通过改变相对速度、继而从鼓风机210和210’传送的质量流量来实现。如果温度传感器T1测量的阴极入口气体的温度过低，则降低流过空气旁路入口气体流动路径240的阴极入口气体与流过主阴极入口气体流动路径230的阴极入口气体的比例，反之亦然。
在第二控制循环中，控制阴极入口气体的质量流速。燃料电池组中的阴极入口气体的质量流速是来自鼓风机210和210’的总阴极入口气体质量流速。如果温度传感器T2处测量的燃料电池组阴极废气的温度过高，则增加鼓风机210和210’传送阴极入口气体的总质量流量，反之亦然。
图4示出的第三实施例与第二实施例类似，以下将仅描述其区别。提供赴埃及氧化剂入口140”和鼓风机210”以提供附加空气旁路入口气体流动路径260。提供附加温度传感器T3，即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。这些附加特征提供了到阴极入口气流流动路径(C)的附加空气入口。
空气旁路气体流动路径260被限定为从氧化剂入口140”到鼓风机210”，再到空气彭璐入口190’，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。因而，空气旁路入口气体流动路径260和阴极入口气体流动路径(C)在空气旁路入口190’处相汇，所空气旁路入口190’在重整器热交换器160(及其下游)和燃料电池组阴极入口61之间，更具体地，在重整器热交换器氧化剂出口162和燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1之间。
在该实施例中，控制装置200附加地连接到燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。控制装置200被配置为在燃料电池系统的稳态工作期间，将温度传感器T1、T2和T3确定的温度维持在期望的温度或附近。
流过附加空气旁路入口气体流动路径260的空气流速与主阴极入口气体流动路径230和空气旁路入口气体流动路径240中的空气流速相独立地被控制。
该实施例的附加优点在于，其提供了对来自重整器热交换器160的重整产品出口流温度的独立控制度。对重整产品出口72的温度控制提供了阳极入口气流流动路径A的温度相对于燃料电池阴极入口61A的温度的升高。当空气旁路入口气体流动路径260提供比离开重整器热交换器160的空气更冷的空气时，空气旁路入口气体流动路径260提供的空气可以对离开重整器热交换器160的空气进行降温，而不是加热。因此，根据该实施例的提供冷空气的附加空气旁路入口气体流动路径260使阳极入口温度高于阴极入口温度，但是不能使阳极入口温度低于阴极入口温度。
提高重整器出口72处的阳极入口气体的温度还提高了在重整器热交换器160内达到的重整反应的均衡温度，因而提高了燃料电池组阳极入口41处的阳极入口气体内的氢浓度。阳极入口气体内提高的氢浓度将降低对燃料电池30的压力，并降低燃料电池30需要的内部重整量。
提供附加温度传感器T3(即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3)以测量燃料电池组阳极入口41处的阳极其他的温度。并且，提供附加控制循环以控制空气旁路入口气体流动路径240中的空气流速，从而将燃料电池组阳极入口41处的阳极入口气体的温度维持在预定温度。增加空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速将降低进入重整器热交换器氧化剂入口161的氧化剂的温度。氧化剂的这种温度降低将降低重整器出口72处的阳极入口气体的温度，还降低重整反应的均衡温度。另一方面，降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速将提高进入重整器热交换器氧化剂入口161的氧化剂的温度。氧化剂的这种温度提高将提高重整器出口72处的阳极入口气体的温度，还提高重整反应的均衡温度。在该实施例中，流过空气旁路入口气体流动路径260的氧化剂的流速控制燃料电池阴极入口61A的温度，并且空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速控制来自重整器出口72的重整产品的温度。
增加附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂的流速将降低燃料电池组阴极入口61处的氧化剂流的温度。相反，降低附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂的流速将提高燃料电池组阴极入口61处的氧化剂流的温度。
增加空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂的流速将降低重整器出口72处的阳极入口气体和重整器热交换器氧化剂出口162处的阴极入口气体的温度。相反，降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂的流速将提高重整器出口72处的阳极入口气体和重整器热交换器氧化剂出口162处的阴极入口气体的温度。例如，如果控制装置200确定燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3要被维持在更高或更低的温度，则可以通过控制鼓风机140’，分别增加或降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速。另一方面，如果控制装置200确定燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1要被维持在更高或更低的温度，则可以通过控制用于空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速的鼓风机140’和用于空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂流速的鼓风机140”，分别增加或降低空气旁路入口气体流动路径240和/或附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂流速。
主阴极入口气体流动路径230被限定为从氧化剂入口140到阳极废气热交换器110，再到空气预加热器热交换器150，再到重整器热交换器160，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
空气旁路入口气体流动路径240被限定为从氧化剂入口140’到鼓风机210’，再到空气旁路入口190，再到重整器热交换器160，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。
控制装置200连接到燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1、燃料电池组阴极废气温度传感器T2以及鼓风机210和210’。控制装置200被配置为在燃料电池系统的稳态工作期间，将由温度传感器T1和T2确定的温度维持在期望的温度或附近。
在前一个实施例的第一控制循环中，控制对阴极入口气体的加热。在第二控制循环中，控制阴极入口气体的质量流速。通过改变主阴极入口气体流动路径230和空气旁路入口气体流动路径240之间阴极入口气体质量流量的比例，控制对阴极入口气体的加热。其通过改变相对速度、继而从鼓风机210和210’传送的质量流量来实现。如果温度传感器T1测量的阴极入口气体的温度过低，则降低流过空气旁路入口气体流动路径240的阴极入口气体与流过主阴极入口气体流动路径230的阴极入口气体的比例，反之亦然。
在第二控制循环中，控制阴极入口气体的质量流速。燃料电池组中的阴极入口气体的质量流速是来自鼓风机210和210’的总阴极入口气体质量流速。如果温度传感器T2处测量的燃料电池组阴极废气的温度过高，则增加鼓风机210和210’传送阴极入口气体的总质量流量，反之亦然。
图4示出的第三实施例与第二实施例类似，以下将仅描述其区别。提供赴埃及氧化剂入口140”和鼓风机210”以提供附加空气旁路入口气体流动路径260。提供附加温度传感器T3，即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。这些附加特征提供了到阴极入口气流流动路径(C)的附加空气入口。
空气旁路气体流动路径260被限定为从氧化剂入口140”到鼓风机210”，再到空气彭璐入口190’，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。因而，空气旁路入口气体流动路径260和阴极入口气体流动路径(C)在空气旁路入口190’处相汇，所空气旁路入口190’在重整器热交换器160(及其下游)和燃料电池组阴极入口61之间，更具体地，在重整器热交换器氧化剂出口162和燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1之间。
在该实施例中，控制装置200附加地连接到燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。控制装置200被配置为在燃料电池系统的稳态工作期间，将温度传感器T1、T2和T3确定的温度维持在期望的温度或附近。
流过附加空气旁路入口气体流动路径260的空气流速与主阴极入口气体流动路径230和空气旁路入口气体流动路径240中的空气流速相独立地被控制。
该实施例的附加优点在于，其提供了对来自重整器热交换器160的重整产品出口流温度的独立控制度。对重整产品出口72的温度控制提供了阳极入口气流流动路径A的温度相对于燃料电池阴极入口61A的温度的升高。当空气旁路入口气体流动路径260提供比离开重整器热交换器160的空气更冷的空气时，空气旁路入口气体流动路径260提供的空气可以对离开重整器热交换器160的空气进行降温，而不是加热。因此，根据该实施例的提供冷空气的附加空气旁路入口气体流动路径260使阳极入口温度高于阴极入口温度，但是不能使阳极入口温度低于阴极入口温度。
提高重整器出口72处的阳极入口气体的温度还提高了在重整器热交换器160内达到的重整反应的均衡温度，因而提高了燃料电池组阳极入口41处的阳极入口气体内的氢浓度。阳极入口气体内提高的氢浓度将降低对燃料电池30的压力，并降低燃料电池30需要的内部重整量。
提供附加温度传感器T3(即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3)以测量燃料电池组阳极入口41处的阳极其他的温度。并且，提供附加控制循环以控制空气旁路入口气体流动路径240中的空气流速，从而将燃料电池组阳极入口41处的阳极入口气体的温度维持在预定温度。增加空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速将降低进入重整器热交换器氧化剂入口161的氧化剂的温度。氧化剂的这种温度降低将降低重整器出口72处的阳极入口气体的温度，还降低重整反应的均衡温度。另一方面，降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速将提高进入重整器热交换器氧化剂入口161的氧化剂的温度。氧化剂的这种温度提高将提高重整器出口72处的阳极入口气体的温度，还提高重整反应的均衡温度。在该实施例中，流过空气旁路入口气体流动路径260的氧化剂的流速控制燃料电池阴极入口61A的温度，并且空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速控制来自重整器出口72的重整产品的温度。
增加附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂的流速将降低燃料电池组阴极入口61处的氧化剂流的温度。相反，降低附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂的流速将提高燃料电池组阴极入口61处的氧化剂流的温度。
增加空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂的流速将降低重整器出口72处的阳极入口气体和重整器热交换器氧化剂出口162处的阴极入口气体的温度。相反，降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂的流速将提高重整器出口72处的阳极入口气体和重整器热交换器氧化剂出口162处的阴极入口气体的温度。例如，如果控制装置200确定燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3要被维持在更高或更低的温度，则可以通过控制鼓风机140’，分别增加或降低空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速。另一方面，如果控制装置200确定燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1要被维持在更高或更低的温度，则可以通过控制用于空气旁路入口气体流动路径240中的氧化剂流速的鼓风机140’和用于空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂流速的鼓风机140”，分别增加或降低空气旁路入口气体流动路径240和/或附加空气旁路入口气体流动路径260中的氧化剂流速。
图5所示的第四实施例提供单一的氧化剂旁路流(即，旁路入口气体流动路径260)，其被布置为与重整器热交换器氧化剂出口162和燃料电池组阴极入口61之间的主阴极入口气体流动路径230合并。在该布置中，重整器热交换器160和空气旁路入口气体流动路径260的布局意味着：在燃料电池组20的边界处，阳极入口气流温度将高于阴极入口气流温度。提高重整器出口72处的阳极入口气体的温度也提高了重整器热交换器160内达到的重整范围的均衡温度，因而提高了燃料电池组阳极入口41处的阳极入口气体内的氢浓度。阳极入口气体内提高的氢浓度将降低对燃料电池30的压力，并降低所需的内部重整量。
第四实施例用于控制燃料电池系统10所需的控制循环与图1的实施例类似，但是在第四实施例中，控制循环基于燃料电池组阴极入口气体温度传感器T1处的温度测量，控制附加空气旁路入口气体流动路径260(而不是空气旁路入口气体流动路径240)中的氧化剂流速。
在第四实施例中，和第三实施例相同，提供附加温度传感器T3，即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。T3提供附加的但不是第四实施例的控制循环和控制装置200工作所必需的温度数据。
图6所示的第五实施例与第一实施例类似，以下将仅描述区别。在空气旁路入口气体流动路径240中提供附加阀/分离器220’。附加阀/分离器220’将空气旁路入口气体流动路径240连接到附加空气旁路入口气体流动路径260。通过控制装置200来控制附加阀/分离器220’，以便将空气旁路入口气体流动路径240和附加空气旁路入口气体流动路径260之间的入口气体的流动分配。
在第五实施例中，和第三及第四实施例相同，提供附加温度传感器T3，即，燃料电池组阳极入口气体温度传感器T3。第五实施例的控制装置200与第三实施例的的工作方式类似，区别仅在于由控制装置200而不是鼓风机210”来控制附加阀/分离器220’，以控制附加空气旁路入口气体流动路径260中的入口空气的流动。
附加空气旁路入口气体流动路径260被限定为从氧化剂入口140到鼓风机210，再到阀/分离器220’，再到空气旁路入口190’，再到燃料电池组阴极入口61，再到燃料电池阴极入口61A。因此，空气旁路入口气体流动路径260与阴极入口气流流动路径(C)在空气旁路入口190’处相汇，所述空气旁路入口190’在重整器热交换器160(及其下游)和燃料电池组阴极入口61之间。该实施例的布置允许从单个源同时控制到重整器热交换器160和燃料电池组阴极入口61的氧化剂的流速。
在权利要求中并入附图标记以方便对它们的理解，但不限制权利要求的范围。
本发明不仅限于上述实施例，其他实施例对本领域普通技术人员来说是显而易见的，且不脱离所附权利要求的范围。
表1
附图标记
10-燃料电池系统
20-燃料电池组
30-燃料电池
40-阳极侧
41-燃料电池组阳极入口
41A-燃料电池阳极入口
42-燃料电池组阳极废气出口
42A-燃料电池阳极出口
50-电解质层
60-阴极侧
61-燃料电池组阴极入口
61A-燃料电池阴极入口
62-燃料电池组废气出口
62A-燃料电池阴极出口
70-蒸汽重整器
71-重整器入口
72-重整器出口
80-尾气燃烧器
81-尾气燃烧器排气装置
82-阳极废气入口
83-阴极废气入口
90-燃料源
100–汽化器
101–燃料入口
102–水入口
103-水源
104-汽化器排气装置
110-阳极废气热交换器
120-冷凝器热交换器
121-冷却电路
130-分离器
131-分离器冷凝出口
140-氧化剂入口
140'-氧化剂入口
140”-氧化剂入口
150-空气预加热器热交换器
160-重整器热交换器
161-重整器热交换器氧化剂入口
162-重整器热交换器氧化剂出口
170-汽化器热交换器
180-燃料电池系统排气装置
190-空气旁路入口
190’-空气旁路入口
200-控制装置
210–鼓风机
210'–鼓风机
210”–鼓风机
220-阀/分离器
220'-阀/分离器
230-主阴极入口气体流动路径
240-空气旁路入口气体流动路径
250-燃料源
260-空气旁路入口气体流动路径
A-阳极入口气流流动路径
B-阳极废气流流动路径
C-阴极入口气流流动路径
D-阴极废气流流动路径
E-尾气燃烧器尾气流体流动路径
G-重整器阴极废气流流动路径
L-电负载
T1-燃料电池组阴极入口气体温度传感器
T2-燃料电池组阴极废气温度传感器
T3-燃料电池阳极入口气体温度传感器

Claims (19)

1.一种中温固体氧化物燃料电池系统，包括：
(i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及
(ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且所述蒸汽重整器包括用于阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；
并且限定：
(a)阳极入口气流流动路径，该阳极入口气流流动路径从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料电池组阳极入口；
(b)阳极废气流流动路径，该阳极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池系统排气装置；
(c)阴极入口气流流动路径，该阴极入口气流流动路径从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(d)阴极废气流流动路径，该阴极废气流流动路径从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料电池系统排气装置；
其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：(i)所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池组阳极入口。
2.根据权利要求1所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：至少一个氧化剂加热器，位于所述氧化剂入口和所述重整器热交换器之间的所述阴极入口气流流动路径中；至少一个氧化剂鼓风机；燃料电池组阴极入口气体温度传感器；燃料电池组阴极废气温度传感器；以及控制装置，所述控制装置适于控制所述至少一个氧化剂鼓风机和通过所述至少一个氧化剂加热器对入口氧化剂的加热，以将所述阴极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近，并且将所述阴极废气温度传感器维持在预定温度或附近。
3.根据权利要求1或2所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：
入口氧化剂主路径，该入口氧化剂主路径从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
至少一个入口氧化剂旁路，该至少一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，和/或从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器再到所述至少一个燃料电池组阴极入口。
4.根据权利要求2所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：
入口氧化剂主路径，该入口氧化剂主路径从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
至少一个入口氧化剂旁路，该至少一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，和/或从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器再到所述至少一个燃料电池组阴极入口，
其中，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
5.根据权利要求3所述的中温固体氧化物燃料电池系统，其中所述至少一个入口氧化剂旁路包括：至少两个入口氧化剂旁路，一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，另一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器再到所述至少一个燃料电池组阴极入口。
6.根据权利要求3所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：至少一个氧化剂鼓风机，至少一个鼓风机位于所述入口氧化剂主路径和/或所述至少一个入口氧化剂旁路中。
7.根据权利要求3所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，用于在所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流。
8.根据权利要求5所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：可调节的入口氧化剂流分流器，用于在所述一个入口氧化剂旁路和所述另一个入口氧化剂旁路之间控制入口氧化剂流。
9.根据权利要求2所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：
可调节的入口氧化剂流分流器；
入口氧化剂旁路；以及
入口氧化剂主路径，
所述控制装置被配置为控制所述可调节的入口氧化剂流分流器，以在所述入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
10.根据权利要求2所述的中温固体氧化物燃料电池系统，所述氧化剂加热器包括：至少一个热交换器。
11.根据权利要求10所述的中温固体氧化物燃料电池系统，所述至少一个氧化剂加热器包括：氧化剂预加热器热交换器，所述氧化剂预加热器热交换器与所述燃料电池组阳极废气出口和燃料电池组阴极废气出口中的至少一个流体流动连通，并且被布置用于在来自所述燃料电池组阳极废气出口和所述燃料电池组阴极废气出口中的所述至少一个的气流和所述入口氧化剂之间交换热量。
12.根据权利要求11所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：尾气燃烧器，所述尾气燃烧器与所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口流体流动连通，并且具有尾气燃烧器排气装置，所述尾气燃烧器限定流体流动路径，所述流体流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口到所述尾气燃烧器排气装置，再到所述氧化剂预加热器热交换器，再到所述燃料电池系统排气装置。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的中温固体氧化物燃料电池系统，所述氧化剂加热器包括：阳极废气热交换器，所述阳极废气热交换器与所述至少一个燃料电池组阳极废气出口流体流动连通，并且被布置用于在来自所述阳极废气出口和所述入口氧化剂之间交换热量。
14.根据权利要求11所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：尾气燃烧器，所述尾气燃烧器与所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口流体流动连通，并且具有尾气燃烧器排气装置，所述尾气燃烧器限定流体流动路径，所述流体流动路径从所述至少一个燃料电池组阳极和阴极废气出口到所述尾气燃烧器排气装置，再到所述氧化剂预加热器热交换器，再到所述燃料电池系统排气装置，所述氧化剂加热器包括阳极废气热交换器，所述阳极废气热交换器与所述至少一个燃料电池组阳极废气出口流体流动连通，并被布置用于在来自所述阳极废气出口的气流和所述入口氧化剂之间交换热量，并且
还包括：冷凝器热交换器，位于所述阳极废气热交换器和所述尾气燃烧器之间的阳极废气流流动路径中，其中所述冷凝器热交换器被布置用于在所述阳极废气和冷却流体之间交换热量。
15.根据权利要求14所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：分离器，位于所述冷凝器热交换器和所述尾气燃烧器之间的阳极废气流流动路径中，其中所述分离器被布置为从所述阳极废气中分离冷凝剂。
16.根据权利要求15所述的中温固体氧化物燃料电池系统，所述分离器还包括分离器冷凝剂出口，并且所述分离器被布置为经由所述冷凝剂出口排出所述冷凝剂。
17.根据权利要求1或2所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：
汽化器，具有与所述燃料源流体流动连通的燃料入口、与水源流体流动连通的水入口以及汽化器排气装置，所述汽化器位于所述燃料源和所述蒸汽重整器之间的阳极入口气流流动路径中，以及
汽化器热交换器，位于所述阳极废气出口和阴极废气出口中的至少一个和所述燃料电池系统排气装置之间的流体流动路径中，
其中：
所述汽化器热交换器被布置用于在来自所述阳极废气出口和所述阴极废气出口中的所述至少一个的气流和所述阳极入口气体和所述水中的至少一个之间交换热量。
18.根据权利要求1所述的中温固体氧化物燃料电池系统，还包括：
至少一个入口氧化剂旁路，该至少一个入口氧化剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口；
入口氧化剂主路径，该入口氧化剂主路径从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
可调节的入口氧化剂流分流器，位于所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间，以在所述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间控制入口氧化剂流。
19.一种对根据权利要求1或2所述的中温固体氧化物燃料电池系统进行操作的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将燃料从燃料源传送至所述蒸汽重整器；
(ii)将经过加热的入口氧化剂从所述氧化剂入口传送至所述重整器热交换器，使得在所述经过加热的入口氧化剂和所述燃料之间交换热量；
(iii)将来自所述蒸汽重整器的阳极入口气体传送至所述至少一个燃料电池组阳极入口，并将来自所述重整器热交换器的入口氧化剂传送至所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
(iv)对至少中温固体氧化物燃料电池组进行操作。
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