CN110021763B - 功率生成系统和用于操作功率生成系统的方法 - Google Patents

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Abstract

功率生成系统包括具有配置成生成电功率的燃料电池的燃料电池子系统。功率生成系统进一步包括功率电子设备子系统，其电耦合到燃料电池子系统并且配置成处理由燃料电池子系统生成的电功率的至少一部分。功率生成系统也包括第一导管，其被流体耦合到功率电子设备子系统并且配置成将燃料流的至少一部分供应到功率电子设备子系统。功率电子设备子系统配置成加热燃料流的该部分以形成预热的燃料流。另外，功率生成系统包括第二导管，其被流体耦合到功率电子设备子系统和燃料电池子系统并且配置成将该预热的燃料流供应到燃料电池子系统。燃料电池配置成使用预热的燃料流生成电功率。

Description

功率生成系统和用于操作功率生成系统的方法
背景技术
本说明书的实施例涉及功率生成系统，并且更具体地说，涉及基于燃料电池的功率生成系统和用于操作此类功率生成系统的方法。
燃料电池是电化学能量转换装置，其与基于煤和/或柴油的功率生成系统的效率和污染相比较，已在更高效率和更低污染方面展示出潜力。普通类型的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池或固体氧化物燃料电池（SOFC）。诸如SOFC的燃料电池可以在大规模功率生成系统中操作以满足工业和市政需要。
通常，在采用燃料电池的功率生成系统中，燃料电池生成直流电（DC）电功率。生成的DC电功率可以使用例如逆变器的功率转换器被转换成交流电（AC）电功率。在此类功率生成系统的操作期间，逆变器产生热量。因此，功率生成系统包括用于促进变热的逆变器的冷却的子系统。此类功率生成系统包括专用液体或空气冷却子系统以消散由逆变器生成的热。作为示例，专用液体或空气冷却子系统要求附加组件以实现冷却剂通过管线的网络的循环，包括但不限于一个或多个风扇、用于促进冷却剂的循环的管线的网络及一个或多个泵。因此，此类专用冷却子系统可以增大功率生成系统的总体大小、成本和复杂性。
发明内容
根据本说明书的一个实施例，呈现了一种功率生成系统。功率生成系统包括具有配置成生成电功率的燃料电池的燃料电池子系统。功率生成系统进一步包括功率电子设备子系统，其电耦合到燃料电池子系统并且配置成处理由燃料电池子系统生成的电功率的至少一部分。此外，功率生成系统包括第一导管，其流体耦合到功率电子设备子系统并且配置成将燃料流的至少一部分供应到功率电子设备子系统，其中功率电子设备子系统配置成加热燃料流的该部分以形成预热的燃料流。另外，功率生成系统包括第二导管，其流体耦合到功率电子设备子系统和燃料电池子系统并且配置成将该预热的燃料流供应到燃料电池子系统。燃料电池配置成使用预热的燃料流生成电功率。
根据本说明书的另一实施例，呈现了一种功率生成系统。功率生成系统包括燃料电池子系统，其具有配置成生成直流电（DC）电功率的固体氧化物燃料电池（SOFC）。功率生成系统进一步包括逆变器，其电耦合到燃料电池子系统并且配置成将由SOFC生成的DC电功率转换成交流电（AC）电功率。此外，功率生成系统包括第一导管，其流体耦合到逆变器并且配置成将燃料流的至少一部分供应到逆变器，其中逆变器配置成加热燃料流的该部分以形成预热的燃料流。另外，功率生成系统包括第二导管，其流体耦合到逆变器和燃料电池子系统并且配置成将该预热的燃料流供应到燃料电池子系统。SOFC配置成使用预热的燃料流生成DC电功率。
根据本说明书仍有的另一实施例，呈现了一种用于操作功率生成系统的方法。功率生成系统包括燃料电池子系统，其具有配置成生成电功率的燃料电池和电耦合到燃料电池子系统的功率电子设备子系统。方法包括由功率电子设备子系统接收燃料流的至少一部分。方法进一步包括由功率电子设备子系统加热燃料流的至少该部分以形成预热燃料流。此外，方法包括由功率电子设备子系统就预热的燃料流供应到燃料电池子系统。方法也包括由燃料电池使用预热的燃料流生成电功率。另外，方法包括由功率电子设备子系统处理由燃料电池子系统生成的电功率的至少一部分。
本发明还提供如下技术方案。
技术方案1. 一种功率生成系统，包括：
燃料电池子系统，包括配置成生成电功率的燃料电池；
功率电子设备子系统，电耦合到所述燃料电池子系统并且配置成处理由所述燃料电池子系统生成的所述电功率的至少一部分；
第一导管，流体耦合到所述功率电子设备子系统并且配置成将燃料流的至少一部分供应到所述功率电子设备子系统，其中所述功率电子设备子系统配置成加热所述燃料流的所述部分以形成预热的燃料流；以及
第二导管，流体耦合到所述功率电子设备子系统和所述燃料电池子系统并且配置成将所述预热的燃料流供应到所述燃料电池子系统，
其中所述燃料电池配置成使用所述预热的燃料流生成所述电功率。
技术方案2. 如技术方案1所述的功率生成系统，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。
技术方案3. 如技术方案1所述的功率生成系统，其中所述燃料流包括烃气。
技术方案4. 如技术方案1所述的功率生成系统，其中所述燃料电池系统进一步包括第一热交换器，所述第一热交换器配置成：
接收传热流体；
加热所收到的传热流体以生成加热的传热流体；以及
将所述加热的传热流体供应到所述燃料电池。
技术方案5. 如技术方案1所述的功率生成系统，其中所述燃料电池子系统进一步包括第二热交换器，所述第二热交换器配置成：
接收所述预热的燃料流；
加热所收到的预热的燃料流以生成加热的燃料流；以及
将所述加热的燃料流供应到所述燃料电池。
技术方案6. 如技术方案5所述的功率生成系统，其中所述功率电子设备子系统进一步包括：
功率处理单元，所述功率处理单元包括：
功率模块；
部署为与所述功率模块热接触的导热介质；
部署为与所述导热介质热接触的第一冷却通道，其中所述第一冷却通道流体耦合到：
所述第一导管以接收所述燃料流的所述部分，以及
所述第二导管以将所述预热的燃料流供应到所述第二热交换器，其中所述预热的燃料流通过经由所述第一冷却通道从所述导热介质到所述燃料流的所述部分的传热而形成。
技术方案7. 如技术方案6所述的功率生成系统，其中所述功率处理单元包括DC-AC功率转换器和辅助功率电子电路至少之一。
技术方案8. 如技术方案6所述的功率生成系统，其中所述功率处理单元进一步包括部署为与所述导热介质热接触的第二冷却通道，其中所述第二冷却通道被流体耦合到所述燃料电池子系统并且配置成接收水，以及将预热的水流供应到所述燃料电池子系统，以及其中所述预热的水流通过经由所述第二冷却通道从所述导热介质到水的传热而形成。
技术方案9. 如技术方案8所述的功率生成系统，其中所述燃料电池子系统进一步包括第三热交换器，所述第三热交换器配置成：
接收所述预热的水流并且加热所收到的预热的水流以生成蒸汽；以及
将所述蒸汽供应到所述燃料电池。
技术方案10. 如技术方案8所述的功率生成系统，进一步包括流体耦合到所述功率电子设备子系统和所述燃料电池子系统的控制子系统，其中所述控制子系统包括：
燃料控制阀，流体耦合到所述第一冷却通道；
水控制阀，流体耦合到所述第二冷却通道；以及
控制器，操作性耦合到所述燃料控制阀和所述水控制阀以选择性地控制所述预热的水流和所述预热的燃料流到所述燃料电池子系统的供应。
技术方案11. 如技术方案10所述的功率生成系统，其中所述控制器配置成基于所述燃料电池子系统的操作状态、所述功率生成系统上的负载、所述导热介质的温度、通过所述第一冷却通道的所述燃料流的所述部分的流速、在所述第一冷却通道中所述燃料流的压力或其组合，选择性地控制所述燃料控制阀和所述水控制阀中的一个或多个。
技术方案12. 一种功率生成系统，包括：
燃料电池子系统，包括配置成生成直流电（DC）电功率的固体氧化物燃料电池（SOFC）；
逆变器，电耦合到所述燃料电池子系统并且配置成将由所述SOFC生成的所述DC电功率转换成交流电（AC）电功率；
第一导管，流体耦合到所述逆变器并且配置成将燃料流的至少一部分供应到所述逆变器，其中所述逆变器配置成加热所述燃料流的所述部分以形成预热的燃料流；以及
第二导管，流体耦合到所述逆变器和所述燃料电池子系统并且配置成将所述预热的燃料流供应到所述燃料电池子系统，
其中所述SOFC配置成使用所述预热的燃料流生成所述DC电功率。
技术方案13. 如技术方案12所述的功率生成系统，其中所述燃料电池系统进一步包括第一热交换器，所述第一热交换器配置成：
接收传热流体；
加热所收到的传热流体以生成加热的传热流体；以及
将所述加热的传热流体供应到所述SOFC。
技术方案14. 如技术方案12所述的功率生成系统，其中所述燃料电池子系统进一步包括第二热交换器，所述第二热交换器配置成：
接收所述预热的燃料流；
加热所收到的预热的燃料流以生成加热的燃料流；以及
将所述加热的燃料流供应到所述SOFC。
技术方案15. 如技术方案14所述的功率生成系统，其中所述逆变器进一步包括：
功率处理单元，所述功率处理单元包括：
DC-AC功率转换器，包括与一个或多个功率模块对应的一个或多个半层体开关的布置；
部署为与所述一个或多个功率模块热接触的导热介质；
部署为与所述导热介质热接触的第一冷却通道，其中所述第一冷却通道流体耦合到：
所述第一导管以接收所述燃料流的所述部分，以及
所述第二导管以将所述预热的燃料流供应到所述第二热交换器，其中所述预热的燃料流通过经由所述第一冷却通道从所述导热介质到所述燃料流的所述部分的传热而形成。
技术方案16. 如技术方案15所述的功率生成系统，其中所述功率处理单元进一步包括部署为与所述导热介质热接触的第二冷却通道，其中所述第二冷却通道被流体耦合到所述燃料电池子系统并且配置成接收水，以及将预热的水流供应到所述燃料电池子系统，以及其中所述预热的水流通过经由所述第二冷却通道从所述导热介质到水的传热而形成。
技术方案17. 如技术方案16所述的功率生成系统，进一步包括流体耦合到所述逆变器和所述燃料电池子系统的控制子系统，其中所述控制子系统包括：
燃料控制阀，流体耦合到所述第一冷却通道；
水控制阀，流体耦合到所述第二冷却通道；以及
控制器，操作性地耦合到所述燃料控制阀和所述水控制阀以基于所述燃料电池子系统的操作状态、所述功率生成系统上的负载、所述导热介质的温度、通过所述第一冷却通道的所述燃料流的所述部分的流速、在所述第一冷却通道中所述燃料流的压力或其组合，选择性地控制所述预热的水流和所述预热的燃料流到所述燃料电池子系统的供应。
技术方案18. 一种用于操作功率生成系统的方法，其中所述功率生成系统包括燃料电池子系统，所述燃料电池子系统包括配置成生成电功率的燃料电池和电耦合到所述燃料电池子系统的功率电子设备子系统，所述方法包括：
由所述功率电子设备子系统接收燃料流的至少一部分；
由所述功率电子设备子系统加热燃料流的至少所述部分以形成预热的燃料流；
由所述功率电子设备子系统将所述预热的燃料流供应到所述燃料电池子系统，
由所述燃料电池使用所述预热的燃料流生成所述电功率；以及
由所述功率电子设备子系统处理由所述燃料电池子系统生成的所述电功率的至少一部分。
技术方案19. 如技术方案18所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第一热交换器接收传热流体；
由所述第一热交换器加热所述传热流体以生成加热的传热流体；以及
由所述第一热交换器将所述加热的传热流体供应到所述燃料电池。
技术方案20. 如技术方案18所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第二热交换器从所述功率电子设备子系统接收所述预热的燃料流；
由所述第二热交换器加热所述预热的燃料流以生成加热的燃料流；以及
由所述第二热交换器将所述加热的燃料流供应到所述燃料电池。
技术方案21. 如技术方案18所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第三热交换器从所述功率电子设备子系统接收预热的水流；
由所述第三热交换器加热所述预热的水流以生成蒸汽；以及
由所述第三热交换器将所述蒸汽供应到所述燃料电池。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本说明书的这些和其它特征、方面和优点将更好地被理解，其中类似的字符在所有附图中表示类似的部分，其中：
图1是根据本说明书的一个实施例的功率生成系统的框图；
图2是根据本说明书的另一实施例的功率生成系统的框图；
图3是根据本说明书的一个实施例的在图1和2的功率生成系统中使用的导热介质的一部分的透视图；
图4是根据本说明书的一个实施例的在图1和2的功率生成系统中用作功率电子设备子系统的逆变器的框图；
图5是根据本说明书的一个实施例的在图4的逆变器中使用的DC-AC功率转换器的示意图；
图6是根据本说明书仍有的另一实施例的功率生成系统的框图；
图7是根据本说明书的一个实施例的用于操作功率生成系统的方法的流程图；以及
图8是根据本说明书的一个实施例的用于操作功率生成系统的另一方法的流程图。
具体实施方式
除非另有规定，否则，本文中使用的技术和科学术语具有与本说明书所属领域中的技术人员通常理解的含有相同的含义。在下面说明书和权利要求中，除非上下文明确说明，否则，单数形式“一个（a/an）”和“所述”包括复数的所指对象。在本文中使用时，术语“或”无意于排它，并且除非上下文另有明确说明，否则指的是涉及的组件至少之一存在和包括涉及的组件的组合在其中可以存在的实例。
在本文中使用时，术语“可以”和“可以是”指示在一组环境内事情发生的可能性；特定属性、特性或功能的拥有；和/或通过表述与修饰动词关联的能力、性能或可能性中的一项或多项来修饰另一动词。相应地，“可以”和“可以是”的使用指示修改的术语明显适当、能够或适合用于所指示的容量、功能或使用，同时将在一些情况下修改的术语可以有时不适当、不能够或不适合考虑在内。
要注意的是是，术语“流体”在本文中使用时包括流动的任何介质或材料，包括但不限于气体、液体或其组合。进一步，术语“流体耦合的”或“流体耦合”在本文中使用时指的是促进流体从一个组件到另一组件的流动或反之亦然的在两个组件之间的布置或连接。
图1是根据本说明书的一个实施例的功率生成系统100的框图。功率生成系统100可以包括燃料电池子系统102、功率电子设备子系统104、第一导管106和第二导管108。燃料电池子系统102包括配置成生成电功率的燃料电池110。功率电子设备子系统104电耦合到燃料电池子系统102并且配置成处理由燃料电池子系统102生成的电功率的至少一部分。第一导管106被流体耦合到功率电子设备子系统104以将燃料流的至少一部分120供应到功率电子设备子系统104，其中功率电子设备子系统104配置成加热燃料流的该部分120以形成预热的燃料流122。第二导管108被流体耦合到功率电子设备子系统104和燃料电池子系统102以将预热的燃料流122供应到燃料电池子系统102。燃料电池10经由第二导管108从功率电子设备子系统104接收预热的燃料流122并且配置成使用预热的燃料流122生成电功率。
在一些实施例中，燃料流可以包括烃气。在非限制示例中，烃气包括天然气。包括但不限于任何气体或液体的其它燃料可以也在燃料流中使用，而不限制本说明书的范围。其它燃料流的非限制性示例可以包括甲烷、乙烷、丙烷、生物气体、合成气、柴油、煤油、汽油、诸如喷气发动机燃料-8（JP-8）的喷气燃料或其组合。
在一些实施例中，燃料电池110可以基于在氢气与氧气之间的化学反应生成电功率。在一些其它实施例中，燃料电池110可以基于在氢气、氧气与一氧化碳（CO）之间的化学反应生成电功率。氢气可以从由燃料电池110收到的预热的燃料流122和水汽/蒸汽获得。为促进氢气的生成，在一些实施例中，燃料电池110可以包括促进在预热的燃料流122与蒸汽之间化学反应的重整器（未示出）。在一些实施例中，在燃料电池110是固体氧化物燃料电池（SOFC）时，可以不要求单独的重整器。此外，燃料电池110一般包括阳极（未示出）、阴极（未示出）和部署在阳极与阴极之间的电解质（未示出）。在一些实施例中，可以在阳极提供氢气，并且可以在阴极提供氧气。阳极促进氧化反应以从在阳极供应的氢气生成正电荷氢离子和电子。正电荷氢离子可以从经由电解质从阳极行进到阴极。同时，电子可以经由单独的电气路径从阳极行进到阴极。电子的此类流动构成直流电（DC）电功率。另外，正电荷氢离子可以与在阴极的氧气进行化学反应，这导致作为从燃料电池110的排出的水的形成。燃料电池110的非限制性示例可以包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、SOFC或可以逆式燃料电池。
由燃料电池子系统102的燃料电池110生成的DC电功率可以经由电气链路112被提供到功率电子设备子系统104。作为示例，电气链路112可以是通常包括两个导体或端子的DC链路 - 一个端子在正电势和另一个端子在负电势。也可以使用采用更多个导体/端子的其它类型的电气链路而不限制本说明书的范围。
在一些实施例中，功率电子设备子系统104可以被实现为诸如逆变器的功率转换器（参见图4）。在此类配置中，功率电子设备子系统104可以配置成将从燃料电池子系统102收到的DC电功率转换成交流电（AC）电功率。此AC电功率可以经由输出功率端口114被供应到外部负载（未示出）。输出功率端口114可以代表提供对由功率生成系统100生成的AC电功率的接入的布置（例如，电源插座）。外部负载可以经由输出功率端口114被连接到功率生成系统100。在一些实施例中，功率电子设备子系统104可以包括用于将电功率提供到功率生成系统100的例如风扇、热交换器或诸如此类的辅助单元的功率处理单元。在一些实施例中，功率电子设备子系统104可以包括用于将电功率提供到辅助单元的逆变器和功率处理单元两者。将结合图2和3描述功率电子设备子系统104的另外细节。
第一导管106和第二导管108可以表示任何适合的介质，诸如柔性或刚性的管，以允许燃料流的该部分120从中通过。如图1中所描绘的，第一导管106可以促进燃料流的该部分120从功率生成系统100外部到功率电子设备子系统104的流动。作为示例，第一导管106的一端116可以被流体耦合到燃料的管线（未示出）或存储单元/储存库（未示出），以接收燃料系统的该部分120。第一导管106的另一端118可以被流体耦合到功率电子设备子系统104以将燃料流的至少该部分120供应到功率电子设备子系统104。燃料流的收到的至少该部分120通过功率电子设备子系统104。
在功率生成系统100的操作期间，在处理从燃料子系统102收到的电功率的同时，功率电子设备子系统104可以产生热量。根据一些实施例，由功率电子设备子系统104产生的此类热量被传递到通过功率电子设备子系统104的燃料流的该部分120，由此加热燃料流的该部分120以生成预热的燃料流122。此预热的燃料流122经由第二导管108被供应到燃料电池子系统102。
表-1表示在不同负载操作并且经由第一导管106在各种流速和温度被供应有诸如天然气（NG）的燃料的1兆瓦（MW）功率生成系统中使用燃料流的排热量的非限制性示例。
表-1：使用天然气作为燃料流的排热示例
参数 单位 情况1 情况2 情况3 情况4 情况5 情况6
负载 % 100% 100% 130% 130% 80% 80%
Figure DEST_PATH_IMAGE001
 kJ/kg/C 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2
NG质量流速（
Figure 610806DEST_PATH_IMAGE002
）		 kg/秒 0.036 0.036 0.047 0.047 0.029 0.029
Figure 590263DEST_PATH_IMAGE003
 <i>°</i>C 0 30 0 30 0 30
Figure 370000DEST_PATH_IMAGE004
 <i>°</i>C 70 70 70 70 70 70
通过NG的排热（
Figure 578259DEST_PATH_IMAGE005
）		 kW 5.5 3.2 7.2 4.1 4.4 2.5
在表-1中，
Figure 392631DEST_PATH_IMAGE003
表示NG在到达功率电子设备子系统104前的温度（例如，在第一导管106中），并且
Figure 215093DEST_PATH_IMAGE004
表示NG在从功率电子设备子系统104后的温度（例如，在第二导管108中），以及
Figure 544444DEST_PATH_IMAGE001
表示NG的热容量。另外，缩写kJ和kg分别用于指千焦和千克。作为示例，
Figure 743344DEST_PATH_IMAGE003
= 0 °C和
Figure 412223DEST_PATH_IMAGE003
= 30 °C分别表示NG在冬季和夏季中的典型温度。在一些实施例中，可以使用以下等式来确定排热值（
Figure 405586DEST_PATH_IMAGE006
）：
Figure 471500DEST_PATH_IMAGE007
（等式1）
在其中功率生成系统100在130%负载（即，大于额定负载30%）操作的情况3的非限制性示例中，如果
Figure 208512DEST_PATH_IMAGE003
= 0 °C，
Figure 794214DEST_PATH_IMAGE004
= 70 °C，并且NG质量流速
Figure 224059DEST_PATH_IMAGE008
= 0.047千克/秒，则由于由功率电子设备子系统104传递到流过其的NG的热量，可以回收7.5kW的热量。从表-1也可以观察到，在NG到达功率电子设备子系统104前的温度
Figure 465684DEST_PATH_IMAGE003
增大，例如
Figure 553857DEST_PATH_IMAGE003
= 30 °C时，排热量（
Figure 197328DEST_PATH_IMAGE006
）减小（参阅情况2、4和6）。此外，对于
Figure 532494DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 261416DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 402547DEST_PATH_IMAGE008
的给定值，功率生成系统100的负载影响回收/排出的热量（
Figure 900525DEST_PATH_IMAGE006
）。
根据一些实施例，功率生成系统100的配置有利地利用由功率电子设备子系统104产生的热量以预热燃料流的该部分120，该热量在其它情况下将已经消散在功率电子设备子系统104的周围中。燃料流的该部分120在被供应到燃料电池子系统102之前的此预热要求在燃料电池子系统102内预热的燃料流122的降低的加热。相应地，与传统燃料电池子系统相比，可以降低燃料电池子系统102的大小、成本和复杂性。另外，从功率电子设备子系统104到通过功率电子设备子系统104的燃料流的该部分120的热的传递有助于冷却功率电子设备子系统104。通过到燃料流的该部分120的热的传递实现的功率电子设备子系统104的此冷却减轻或最小化了对于另外的冷却子系统的需要，由此降低了功率生成系统100的总体大小、成本和复杂性。
图2是根据本说明书的另一实施例的功率生成系统200的框图。在一些实施例中，功率生成系统200可以包括燃料电池子系统202和功率电子设备子系统204。功率生成系统200可以也包括多个导管，诸如第一导管206、第二导管208、第三导管210和/或第四导管212。进一步，功率生成系统200可以被耦合到燃料源214和水源216。燃料源214和/或水源216可以代表分别包含燃料和水的槽、容器或管线。
在一些实施例中，第一导管206可以被流体耦合到功率电子设备子系统204以将燃料流201的至少一部分203从燃料源214供应到功率电子设备子系统204，其中功率电子设备子系统204配置成加热燃料流201的该部分203以形成预热的燃料流205。第二导管208被流体耦合到功率电子设备子系统204和燃料电池子系统202以将预热的燃料流205供应到燃料电池子系统202。在一些实施例中，燃料流201可以包括烃气。在一个非限制示例中，烃气可以包括天然气。燃料流201的其它非限制性示例可以包括甲烷、乙烷、丙烷、生物气体、合成气、柴油、煤油、汽油、诸如JP-8的喷气燃料或其组合。
另外，在一些实施例中，第三导管210被流体耦合到水源216和功率电子设备子系统204以将水流238的至少一部分从水源216供应到功率电子设备子系统204，其中功率电子设备子系统204配置成加热水流238以形成预热的水流240。另外，第四导管212被流体耦合到功率电子设备子系统204和燃料电池子系统202以将预热的水流240供应到燃料电池子系统202。
燃料电池子系统202可以代表图1的燃料电池子系统102的一个实施例。燃料电池子系统202可以包括多个热交换器，诸如第一热交换器218、第二热交换器220和第三热交换器222。第一热交换器218、第二热交换器220和第三热交换器222在下文被统称为热交换器218-222。燃料电池子系统202可以也包括耦合到热交换器218-222的SOFC 224。SOFC 224配置成至少使用预热的燃料流205生成DC电功率。热交换器218-222可以包括配置成加热通过其中的流体的一个或多个加热元件。
第一热交换器218可以配置成经由入口226接收传热流体242。在一些实施例中，传热流体242可以以是空气，例如环境空气。进一步，第一热交换器218配置成加热收到的传热流体242以生成加热的传热流体244和将加热的传热流体244供应到SOFC 224。第二热交换器220可以配置成经由第二导管208从功率电子设备子系统204接收预热的燃料流205，并且加热收到的预热的燃料流205以生成加热的燃料流246。另外，第二热交换器220可以配置成将加热的燃料流246供应到SOFC 224。
在一些实施例中，水也可以被供应到燃料电池子系统202。在一些实施例中，预热的水流240可以经由第四导管212被供应到燃料电池子系统202。第三热交换器222可以配置成从第四导管212接收预热的水流240。进一步，第三热交换器222可以配置成加热收到的预热的水流240以生成蒸汽248和将蒸汽248供应到SOFC 224。在一些实施例中，通过接收预热的燃料流205和蒸汽的混合，第三热交换器222和第二热交换器220可以被组合为一个热交换器。
通常，SOFC 224包括阳极（未示出）、阴极（未示出）和电解质（未示出）。与其它类型的燃料电池相比较，SOFC 224使用陶瓷复合物作为电解质。SOFC 224可以分别从第一热交换器218、第二热交换器220和第三热交换器222接收加热的传热流体224、加热的燃料流246和蒸汽248。SOFC 224可以配置成从加热的燃料流246生成氢气，并且至少使用由此生成的氢气来生成DC电功率。生成的DC电功率可以被供应到功率电子设备子系统204。
功率电子设备子系统204经由电气链路223被电耦合到燃料电池子系统202。电气链路223可以类似于图1的电气链路112。功率电子设备子系统204可以代表图1的功率电子设备子系统104的一个实施例并且配置成处理由燃料电池子系统202生成的电功率的至少一部分。在一些实施例中，功率电子设备子系统204可以被实现为逆变器（参见图4）。在功率电子设备子系统204的此类配置中，处理后的电功率（即，输出电功率）可以被提供到功率生成系统200的输出功率端口225。功率生成系统200的输出功率端口225可以类似于图1的功率生成系统100的输出功率端口114。在一些实施例中，功率电子设备子系统204可以被实现为辅助功率电子电路。在功率电子设备子系统204的此类配置中，由功率电子设备子系统204生成的处理后的电功率可以被提供到功率生成系统200的一些辅助单元，例如，风扇（未示出）、热交换器218-222及诸如此类。
在一些实施例中，功率电子设备子系统204可以包括功率处理单元228，其又包括至少一个功率模块230和部署为与至少一个功率模块230热接触的导热介质232。功率模块230可以包括一个或多个开关，例如，半导体开关。在功率模块230中采用的半导体开关的非限制性示例可以包括晶体管、栅极换流晶闸管、场效晶体管（FET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT）、栅极可关断晶闸管（GTO）、静态感应晶体管、静态感应晶闸管或其组合。另外，用于形成半导体开关的材料可以包括但不限于硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）或其组合。在一些实施例中，当功率电子设备子系统204被实现为逆变器（参见图4）时，功率模块230的半导体开关可以布置成形成DC-AC功率转换器（参见图5）。
在某些实施例中，基于对于功率处理单元228的给定配置的开关的要求，功率处理单元228可以包括一个或多个功率模块230。相应地，可以在功率处理单元228中使用具有确定数量的对应开关的所需数量的功率模块230。为便于说明，图2的功率处理单元228被示为包括单个功率模块230。在一些实施例中，功率处理单元228可以也包括两个（参见图6）或更多个功率模块230。
导热介质232可以是采用导热材料的板或片。用于形成导热介质232的导热材料的非限制性示例可以包括铜、铜合金、铝、铝合金、金刚石、金刚石粉、诸如铜钨伪合金的复合材料、铝基体中的碳化硅（AlSiC）、铜银合金基体中的金刚石（Dymalloy）和铍基体中的氧化铍（E材料）或其组合。在一些实施例中，在功率处理单元228包括两个或更多个功率模块230的情况下，功率处理单元228可以包括与两个或更多个功率模块230的每个对应的导热介质232。在一些其它实施例中，在功率处理单元228包括两个或更多个功率模块230的情况下，功率处理单元228可以包括单个共用导热介质232，其中功率模块230的每个可以部署为与单个共用导热介质232热接触。
另外，在一些实施例中，功率处理单元228可以也包括第一冷却通道234和第二冷却通道236之一或两者。第一冷却通道234和/或第二冷却通道236可以表示用于分别允许燃料流201的该部分203和水流238穿过功率电子设备子系统204的导管。第一冷却通道234被流体耦合到第一导管206以从第一导管206接收燃料流201的该部分203。第一冷却通道234也被流体耦合到第二导管208以将预热的燃料流205供应到第二热交换器220。预热的燃料流205通过经由第一冷却通道234从导热介质232到燃料流的该部分203的传热而被形成。另外，第二冷却通道236被流体耦合到第三导管210以从第三导管210接收水流238。第二冷却通道236也被流体耦合到第四导管212以将预热的水流240供应到第三热交换器222。预热的水流240通过经由第二冷却通道236从导热介质232到水流238的该部分的传热而被形成。
在一些其它实施例中，第一冷却通道234和/或第二冷却通道236与导热介质232被一体形成（参见图3）。此外，在某些实施例中，第一冷却通道234和/或第二冷却通道236部署为与导热介质232接触。第一冷却通道234和/或第二冷却通道236可以由导热材料形成。用于形成第一冷却通道234和/或第二冷却通道236的导热材料的非限制性示例可以包括铜、铜合金、铝、铝合金、金刚石、金刚石粉、诸如铜钨伪合金的复合材料、铝基体中的碳化硅（AlSiC）、铜银合金基体中的金刚石（Dymalloy）和铍基体中的氧化铍（E材料）或其组合。
现在参照图3，呈现了根据本说明书的一个实施例的导热介质232的一部分的透视图300。导热介质232可以包括一个或多个冷却通道，诸如与导热介质232一体形成的冷却通道302。为便于说明，图3中描绘了只一个冷却通道302。在一个实施例中，冷却通道302可以表示图2的第一冷却通道234。在另一实施例中，冷却通道302可以表示图2的第二冷却通道236。在一些实施例中，冷却通道302可以也包括径向向内突出到冷却通道302的空腔306的多个鳍304。此类鳍304在第一冷却通道234的内表面与在一个实施例中燃料流的该部分203之间或与在另一实施例中通过其的水流238之间提供增大的表面接触。在一些实施例中，可以基于功率模块230的大小和数量和鳍304的大小，选择导热介质232的大小。
返回参照图2，在功率生成系统200的操作期间，燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者经由功率电子设备子系统204的流动可以取决于各种参数被控制，包括但不限于燃料电池子系统202的操作状态、功率生成系统200上的负载、导热介质232的温度、通过第一冷却通道234的燃料流的该部分203的流速、在第一冷却通道234的燃料流的该部分203的压力或其组合。在一些实施例中，燃料流201的仅该部分203可以通过功率电子设备子系统204。在其它实施例中，燃料流的该部分203和水流238可以均通过功率电子设备子系统204。控制燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者的流动的另外细节将参照图6和7进行描述。
进一步，在功率生成系统200的操作期间，在处理从燃料子系统202收到的电功率的同时，功率电子设备子系统204可以产生热量。根据一些实施例，由功率电子设备子系统204产生的热量被传递到通过功率电子设备子系统204的燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者，由此加热燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者以分别生成预热的燃料流205和预热的水流240。在一些实施例中，预热的燃料流205经由第二导管208被供应到燃料电池子系统202。此外，在某些其它实施例中，预热的燃料流205和预热的水流240分别经由第二导管208和第四导管212被供应到燃料电池子系统202。
表-2表示在使用经由第一导管206供应的诸如天然气（NG）的燃料和经由第三导管210供应的水的一兆瓦（MW）功率生成系统中的排热量的非限制性示例。NG和水以如在表-2中所列的各种流速和温度被供应。
表-2：使用NG和水两者的排热示例
参数 单位 情况1 情况2 情况3 情况4 情况5 情况6
负载 % 60% 60% 40% 40% 20% 20%
Figure 672171DEST_PATH_IMAGE001
 kJ/kg/C 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2
NG质量流速（
Figure 622810DEST_PATH_IMAGE009
）		 kg/秒 0.022 0.022 0.014 0.014 0.007 0.007
Figure 816900DEST_PATH_IMAGE010
 <i>°</i>C 0 30 0 30 0 30
Figure 169384DEST_PATH_IMAGE011
 <i>°</i>C 70 70 70 70 70 70
水质量流速（
Figure 174249DEST_PATH_IMAGE012
）		 kg/秒 0.065 0.065 0.043 0.043 0.022 0.022
Figure 612183DEST_PATH_IMAGE013
 <i>°</i>C 0 30 0 30 0 30
Figure 908167DEST_PATH_IMAGE014
 <i>°</i>C 70 70 70 70 70 70
Figure DEST_PATH_IMAGE015
 kJ/kg/C 4.184 4.184 4.184 4.184 4.184 4.184
通过NG的排热（
Figure 692321DEST_PATH_IMAGE016
）		 kW 3.3 1.9 2.2 1.3 1.1 0.6
通过水的排热（
Figure DEST_PATH_IMAGE017
）		 kW 19.0 10.8 12.7 7.2 6.3 3.6
总排热 （
Figure 868087DEST_PATH_IMAGE018
）		 kW 22.3 12.7 14.9 8.5 7.4 4.2
在表-2中，
Figure 793318DEST_PATH_IMAGE013
表示水流238在到达功率电子设备子系统204前的温度（例如，在第一导管206中），并且
Figure 830675DEST_PATH_IMAGE014
表示预热的水流240的温度，以及
Figure 892172DEST_PATH_IMAGE015
表示水的热容量。在一些实施例中，可以使用以下等式来确定排热值（
Figure DEST_PATH_IMAGE019
）：
Figure 238840DEST_PATH_IMAGE020
（等式2）
在情况1的非限制性示例中，在功率生成系统200在60%负载（即，部分负载）操作的情况下，如果
Figure 962951DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 990950DEST_PATH_IMAGE013
= 0°C，
Figure 484117DEST_PATH_IMAGE011
=
Figure 673790DEST_PATH_IMAGE014
= 70°C，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
=0.022，并且，
Figure 386662DEST_PATH_IMAGE022
=0.065千克/秒，则由于由功率电子设备子系统104传递到流过其的水流238的热量，可以通过水回收19 kW的热量。因为3.3 kW的热量也由于NG的使用而被回收，所以，使用NG和水可以回收总共22.3 kW的热量。
有利的是，根据一些实施例，功率生成系统200的配置利用由功率电子设备子系统204产生的热量以预热燃料流的该部分203或水流238和燃料流的该部分203两者，该热量在其它情况下将已经消散在功率电子设备子系统204的环境中。燃料流的该部分203的此预热，或在一些实施例中，另外水流238在被供应到燃料电池子系统202前的预热降低了在燃料电池子系统202内预热的燃料流205或预热的燃料流205和预热的水流240两者的加热要求。相应地，与传统燃料电池子系统相比，可以降低燃料电池子系统202的大小、成本和复杂性。另外，从功率电子设备子系统204到通过功率电子设备子系统204的燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者的传热有助于冷却功率电子设备子系统204。通过到燃料流的该部分203或燃料流的该部分203和水流238两者的传热实现的功率电子设备子系统204的此冷却减轻或最小化了对另外的冷却子系统的需要，由此与传统功率生成系统相比，降低了功率生成系统200的总体大小、成本和复杂性。
现在参照图4，呈现了根据本说明书的一个实施例的在图1和2的功率生成系统100、200中用作相应功率电子设备子系统104、204的逆变器400的框图。在图4的逆变器400的实施例中，逆变器400被示为包括与图2的对应元件类似的某些组件，诸如功率处理单元402、导热介质404、第一冷却通道406和/或第二冷却通道408。
另外，逆变器400包括DC-AC功率转换器410。在一些实施例中，一个或多个功率模块230的一个或多个开关可以布置成形成DC-AC功率转换器410（参见图5）。相应地，DC-AC功率转换器410可以表示通过布置一个或多个功率模块230的一个或多个半导体开关而形成的电子电路。DC-AC功率转换器410可以被电耦合到燃料电池子系统102、202以接收DC电功率和将DC电功率转换成AC电功率。DC-AC功率转换器410将结合图5被更详细地描述。
现在转到图5，4呈现了根据本说明书的一个实施例的在图4的逆变器400中使用的DC-AC功率转换器410的示意图500。如前面所述，DC-AC功率转换器410配置成将DC电功率转换成AC电功率。在图5的非限制性示例中，DC-AC功率转换器410表示三相DC-AC功率转换器。在本说明书的范围内也预想了单相或多相DC-AC功率转换器的使用。
在一些实施例中，DC-AC功率转换器410可以包括开关单元502、栅极驱动单元504、输入端口506和输出端口508。DC-AC功率转换器410的输入端口506可以被连接到图2的燃料电池子系统202以接收由燃料电池子系统202生成的DC电功率。DC-AC功率转换器410的输出端口508可以被连接到图5的功率生成系统200的输出功率端口225以向其供应AC电功率。
进一步，在某些实施例中，DC-AC功率转换器410的开关单元502可以包括与一个或多个功率模块230对应的一个或多个半导体开关的布置。开关单元502可以使用图2的一个或多个功率模块230来实现。在非限制性示例中，开关单元502可以包括如图5中所示出布置的半导体开关510、512、514、516、518和520。半导体开关510、512、514、516、518和520在下文被统称为半导体开关510-520。半导体开关510-520的非限制性示例可以包括晶体管、栅极换流晶闸管、场效晶体管、绝缘栅极双极晶体管、栅极可以关断晶闸管、静态感应晶体管、静态感应晶闸管或其组合。另外，用于形成半导体开关510-520的材料可以包括但不限于硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）或其组合。虽然开关单元502被示为包括六（6）个半导体开关510-520，但也预想了采用少于或多于六个半导体开关的开关单元的使用。DC-AC功率转换器410可以使用一个或多个功率模块230来实现。具体地说，实现DC-AC功率转换器410所要求的功率模块230的数量可以基于对形成DC-AC功率转换器410的所要求的开关数量和与功率模块230的每个功率模块对应的开关数量来确定。例如，如果功率模块230包括6个半导体开关，则DC-AC功率转换器410可以使用单个功率模块230来实现。然而，如果功率模块230仅包括两（2）个半导体开关，则可能需要三个功率模块230来实现DC-AC功率转换器410。
此外，在图5的非限制性示例中，半导体开关510-520被示为N通道场效晶体管（FET）。这些FET 510-520可以包括漏极端子、源极端子和控制端子（例如，栅极端子）。如图5中所描绘的，半导体开关510、514和518的漏极端子被耦合到DC导体522，并且半导体开关512、516和520的源极端子被耦合到DC导体524。DC导体522可以被保持在正电势，而DC导体524可以被保持在负电势。进一步，半导体开关510、514和518的源极端子可以分别被耦合到半导体开关512、516和520的漏极端子。此外，半导体开关510、514和518的源极端子和半导体开关512、516和520的漏极端子可以被耦合到输出相位线526、528和530。另外，半导体开关510-520的控制端子被耦合到栅极驱动单元504以接收相应控制信号。更具体地说，半导体开关510、512、514、516、518和520的控制端子被相应耦合到栅极驱动单元504的输出端子532、534、536、538、540和542。
栅极驱动单元504用于通过将控制信号选择性地供应到半导体开关510-520的控制端子来控制半导体开关510-520的开关。栅极驱动单元504可以包括能够生成多个控制信号的电子设备（硬件和/或软件）。在非限制性示例中，栅极驱动单元504可以包括逻辑栅极、晶体管、微控制器、微处理器、存储器或其组合。
图6是根据本说明书的又另一实施例的功率生成系统600的另一实施例的框图。在一些实施例中，功率生成系统600可以包括燃料电池子系统602、功率电子设备子系统604、控制子系统606、第一导管608、第二导管610、第三导管612和第四导管614中的一个或多个。在一些实施例中，功率生成系统可以也包括旁通导管616。功率生成系统600可以被耦合到类似于燃料源314的燃料源（未示出）和类似于图2的水源216的水源（未示出）。燃料电池子系统602、功率电子设备子系统604、第一导管608、第二导管610、第三导管612和第四导管614可以分别代表图2的燃料电池子系统202、功率电子设备子系统204、第一导管206、第二导管208、第三导管210和第四导管212的一个实施例。
在图6的实施例中，功率电子设备子系统604包括功率处理单元618。功率处理单元618包括两个功率模块620a和620b和对应导热介质622a、622b。在一些实施例中，功率处理单元618可以包括用于两个功率模块620a和620b的共用导热介质。功率模块620a、620b可以类似于图2的功率模块230。导热介质622a、622b可以类似于图2的导热介质232。另外，在一些实施例中，功率电子设备子系统604可以被电耦合到功率生成系统600的输出功率端口624以向其供应AC电功率。
控制子系统606被流体耦合到功率电子设备子系统604。控制子系统606配置成控制燃料流的一部分（图6中未示出）和水流（图6中未示出）到功率电子设备子系统604的流动。控制子系统606可以包括至少一个燃料控制阀（FCV），诸如流体耦合到第一冷却通道（图6中未示出）的FCV 626、628。例如，FCV 626可以被流体耦合在第一导管608与对应于功率模块620a的第一冷却通道之间。FCV 628可以被流体耦合在第一导管608与对应于功率模块620b的第一冷却通道之间。
控制子系统606可以也包括至少一个水控制阀（WCV），诸如流体耦合到第二冷却通道（图6中未示出）的WCV 630、632。例如，WCV 630可以被流体耦合在第三导管612与对应于功率模块620a的第二冷却通道之间。WCV 632可以被流体耦合在第三导管612与对应于功率模块620b的第二冷却通道之间。FCV 626、628和WCV 630、632可以是典型的开/关（ON/OFF）阀。FCV 626、628和WCV 630、632可以是电子可控的。为最小化图6中的功率生成系统600的表示的复杂性，第一冷却通道和第二冷却通道未被描绘。
另外，控制子系统606可以也包括操作性耦合到FCV 626、628和WCV 630、632的控制器634，以选择性地控制预热的燃料流636和预热的水流638到燃料电池子系统602的供应。在一些实施例中，控制器634可基于燃料电池子系统602的操作状态、功率生成系统600上的负载、导热介质622a、622b（或单个共用导热介质）的温度、通过第一冷却通道的燃料流的该部分的流速、在第一冷却通道中的燃料流的该部分的压力或其组合来选择性地控制FCV 626、628和WCV 630、632的一个或多个，以控制预热的燃料流636和预热的水流638到燃料电池子系统602的供应。
控制器634可以包括特殊编程的通用计算机、诸如微处理器、数字信号处理器和/或微控制器的电子处理器。进一步，控制器634可以包括输入/输出端口和诸如电子存储器的存储介质。微处理器的各种示例包括但不限于精简指令集计算（RISC）架构类型微处理器或复杂指令集计算（CISC）架构类型微处理器。进一步，微处理器可以是单核类型或多核类型。备选的是，控制器634可以被实现为硬件元件，诸如带有处理器的电路板，或者实现为在诸如个人计算机（PC）或微控制器的处理器上运行的软件。
另外，燃料电池子系统602可以包括SOFC 640、第一热交换器642、第二热交换器644和第三热交换器646，其分别类似于图2的燃料电池子系统202的SOFC 224、第一热交换器218、第二热交换器220和第三热交换器222。第一热交换器642、第二热交换器644和第三热交换器646分别接收传热流体648、预热的燃料流636和预热的水流638。传热流体648可以由第一热交换器642经由入口650接收。另外，第一热交换器642、第二热交换器644和第三热交换器646分别将加热的传热流体652、加热的燃料流654和蒸汽656供应到SOFC 640。SOFC640可以又使用加热的传热流体652、加热的燃料流654和蒸汽656生成电功率。燃料电池子系统602经由电气链路658被电耦合到功率电子设备子系统604。电气链路658可以类似于图2的电气链路223。由SOFC 640生成的电功率可以经由电气链路658被供应到功率电子设备子系统604。
在某些实例中，经由功率电子设备子系统604供应到燃料电池子系统602的燃料流可以不足以实现功率生成系统600的给定负载需求。因此，为满足此给定负载需求，期望到燃料电池子系统602的另外的燃料供应。为此，控制子系统606可以被流体耦合到燃料电池子系统602。具体地说，控制子系统606包括流体耦合在第一导管608与燃料电池子系统602之间的旁通阀660。旁通阀660可以如图6中所示出的沿旁通导管616部署。旁通阀660可以也被操作性耦合到控制器634。控制器634可以配置成选择性地控制旁通阀660以将另外的燃料供应到燃料电池子系统602。作为示例，在经由功率电子设备子系统604供应的燃料流的该部分的流速不足以实现功率生成系统600的给定负载需求时，另外的燃料可以经由旁通阀660被供应到燃料电池子系统602。为促进经由旁通阀660的燃料供应，控制器634可以配置成在开（ON）条件中操作旁通阀660。在开条件中，旁通阀660允许燃料通过其流动。
图7是根据本说明书的一个实施例的用于操作功率生成系统的方法的流程图700。虽然流程图700为便于说明参照了图1进行描述，但流程图700的步骤可以也分别适用于图2和图6的功率生成系统200和600。
在步骤702，可以由功率电子设备子系统104接收燃料流的至少一部分120。燃料流的该部分120可以由功率电子设备子系统104经由第一导管106接收。进一步，在步骤704，燃料流的至少该部分可以由功率电子设备子系统104加热以形成预热的燃料流。如前面所述，在功率生成系统100的操作期间，功率电子设备子系统104的内部组件可以产生热量。由功率电子设备子系统104产生的此热量可以被传递到通过功率电子设备子系统104的燃料流的该部分120。相应地，通过功率电子设备子系统104的燃料流的该部分120被加热，由此生成预热的燃料流122。
另外，在步骤706，预热的燃料流122可以由功率电子设备子系统104供应到燃料电池子系统102。预热的燃料流122可以经由第二导管108从功率电子设备子系统104被供应到燃料电池子系统102。此外，在步骤708，如相对于图1和2所描述的，燃料电池子系统102可以使用从功率电子设备子系统104供应的预热的燃料流122，生成电功率。例如，燃料电池子系统102的燃料电池110可以生成DC电功率。燃料电池子系统102生成的电功率可以经由电气链路112被供应到功率电子设备子系统104。
另外，在步骤710，可以由功率电子设备子系统104处理电功率的至少一部分。在一些实施例中，由功率电子设备子系统104对电功率的处理可以包括将DC电功率转换成AC电功率。在一些实施例中，由功率电子设备子系统104对电功率的处理可以包括增大或减小从燃料电池子系统102收到的电功率的量级。在一些实施例中，功率电子设备子系统104可以将电功率（下文称为处理后的电功率）供应到功率生成系统100的输出功率端口114。相应地，处理后的电功率可以可用于由连接到输出功率端口114的任何外部负载使用。在某些实施例中，处理后的电功率可以可用于由功率生成系统100的辅助单元使用。
图8是根据本说明书的一个实施例的用于操作功率生成系统的另一方法的详细流程图800。虽然流程图800为便于说明参照了图2和6进行描述，但流程图800的步骤可以也适用于图1的功率生成系统100。
在步骤802，可以由第一热交换器218、642接收传热流体242、648。例如，可以由第一热交换器218、642经由入口226、650接收诸如环境空气的传热流体242、648。进一步，在步骤804，收到的传热流体242、648可以由第一热交换器218、642加热以生成加热的传热流体244、652。另外，在步骤806，加热的传热流体244、652可以由第一热交换器218、642供应到诸如SOFC 224、640的燃料电池。
另外，在步骤808，燃料流的一部分203可以被供应到功率电子设备子系统204、604。在一些实施例中，燃料流的该部分203的流动可以由控制器634经由FCV 626、628控制。为将燃料流的该部分203供应到功率电子设备子系统204、604，控制器634可以配置成在开条件中操作FCV 626、628以便燃料流的该部分203通过FCV 626、628。随后，在步骤810，燃料流的该部分203可以由功率电子设备子系统204、604经由第一导管206、608接收。进一步，如由步骤812所指示的，燃料流的至少该部分203可以由功率电子设备子系统204、604加热以形成预热的燃料流205、636。此外，在步骤814，预热的燃料流205、636可以由功率电子设备子系统204、604经由第二导管208、610供应到燃料电池子系统202、602。可以注意到的是，步骤810、812和814分别类似于图7的步骤702、704和706。
进一步，在步骤816，可以由第二热交换器220、644接收预热的燃料流205、636。预热的燃料流205、636可以由第二热交换器220、644经由第二导管208、610从功率电子设备子系统204、604接收。在步骤818，收到的预热的燃料流205、636可以由第二热交换器220、644加热以生成加热的燃料流246、654。另外，在步骤820，加热的燃料流246、654可以从第二热交换器220、644被供应到诸如SOFC 224、640的燃料电池。
在一些实施例中，在执行步骤802-820的一个或多个的同时，在步骤822，可以执行检查以确定是否存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。作为示例，控制器634可以基于各种参数执行在步骤822的检查，各种参数包括但不限于燃料电池子系统202、602的操作状态、在功率生成系统200、600上的负载、导热介质232、622a、622b的温度、在第一冷却通道234中燃料流的该部分203的流速、在第一冷却通道234中燃料流的该部分203的压力或其组合。
燃料电池子系统202、602的操作状态可以包括启动状态和标称操作状态。通常，启动状态可以代表在燃料电池子系统202、602变热并且燃料电池子系统202、602不生成电功率时燃料电池子系统202、602的状态。标称操作状态可以代表在燃料电池子系统202、602生成电功率时燃料电池子系统202、602的状态。在一些实施例中，如果确定燃料电池子系统202、602在启动状态中操作，则控制器634在步骤822可以确定在燃料电池子系统202、602的启动状态期间存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。
在一些实施例中，功率生成系统200、600上的负载可以也由控制器634用于确定是否存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。例如，如果功率生成系统200、600在部分负载条件中操作，则控制器634在步骤822可以确定存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要以保持预定义的汽与碳比率。部分负载条件可以被定义为功率生成系统200、600在低于预定义的阈值负载的负载值的操作。在非限制性示例中，预定义的阈值负载可以是在功率生成系统200、600的额定负载的从大约1%到大约60%的范围中的值。作为示例，预定义的阈值负载可以是功率生成系统200、600的额定负载的大约60%。
在一些实施例中，如果导热介质232、622a、622b的温度大于预定义的温度阈值，则控制器634在步骤822可以确定存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。在一些其它实施例中，如果在第一冷却通道234中燃料流的该部分203的流速已达到最大流速，并且功率电子设备子系统204、604的所期望的冷却未被实现，则控制器634在步骤822可以确定存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。在某些实施例中，如果第一冷却通道234中燃料流的该部分203的压力小于预定义的阈值压力，则控制器634在步骤822可以确定存在向燃料电池子系统202、602供应水的需要。预定义的阈值负载、预定义的阈值温度、最大流速和预定义的阈值压力的值可以被存储/预配置在控制器634中。在某些实施例中，预定义的阈值负载、预定义的阈值温度、最大流速和预定义的阈值压力的值可以是可定制的。
在步骤822，如果确定不需要供应水，则控制器634可以继续重复执行在步骤822的检查。然而，在步骤822，如果确定需要供应水，则在步骤824，可以将水流238供应到功率电子设备子系统204、604。水流238可以经由第三导管210、612供应到功率电子设备子系统204、604。在一些实施例中，水流238的流动可以由控制器634经由WCV 630、632控制。为将水流238供应到功率电子设备子系统204、604，控制器634可以配置成在开条件中操作WCV630、632以便水流238通过WCV 630、632。
另外，在步骤826，可以由功率电子设备子系统204、604接收水流238。可以由功率电子设备子系统204、604经由第三导管210、612接收水流238。进一步，在步骤828，水流238可以由功率电子设备子系统204、604加热以形成预热的水流240、638。预热的水流240、638可以由于传递到经由第二冷却通道236通过功率电子设备子系统204、604的水流238的热量而被形成。另外，在步骤830，预热的水流240、638可以由功率电子设备子系统204、604供应到燃料电池子系统202、602。预热的水流240、638可以经由第四导管212、614从功率电子设备子系统204、604供应到燃料电池子系统202、602。
随后，在步骤832，可以由第三热交换器222、646接收预热的水流240、638。预热的水流240、638可以由第三热交换器222、646经由第四导管212、614从功率电子设备子系统204、604接收。在步骤834，收到的预热的水流240、638可以由第三热交换器222、646加热以生成蒸汽248、656。另外，在步骤836，蒸汽248、656可以由第三热交换器222、646供应到诸如SOFC 224、640的燃料电池。
在一些实施例中，包括步骤802-806的第一集合、包括步骤808-820的第二集合和包括步骤822-836的第三集合可以与彼此并行被执行。在某些实施例中，步骤802-806、808-820和822-836的第一、第二和第三集合的每个内的方法步骤可以串行或并行被执行。
在一些实施例中，在步骤838，电功率可以由燃料电池子系统202、602的诸如SOFC224、640的燃料电池生成。例如DC电功率的电功率可以由诸如SOFC 224、640的燃料电池基于在加热的传热流体244、652（在步骤806生成）、加热的燃料流246、654（在步骤820供应）和蒸汽248、656（在步骤836供应）之间的化学反应生成。另外，在步骤840，可以由功率电子设备子系统204、604处理由SOFC 224、640生成的电功率的至少一部分。在一些实施例中，功率电子设备子系统204、604可以将处理后的电功率供应到功率生成系统200、600的输出功率端口225、624。相应地，处理后的电功率可以可用于由连接到输出功率端口225、624的任何外部负载使用。在某些实施例中，处理后的电功率可以可用于由功率生成系统200、600的辅助单元使用。
根据本说明书的一些方面，功率生成系统100、200、600的配置展示了超过传统的基于燃料电池的功率生成系统的某些优点。根据一些实施例，功率生成系统100、200、600利用由相应功率电子设备子系统104、204、604产生的热量以预热燃料流的该部分120、203或燃料流的该部分120、203和水流238两者，该热量在其它情况下将已经消散在功率电子设备子系统104、204、604的环境中。燃料流的该部分120、203和水流238在被供应到相应燃料电池子系统102、202、602之前的此预热有助于降低在燃料电池子系统102、202、602内对预热的燃料流122、205、636或预热的燃料流122、205、636和预热的水流240、638两者进行加热的要求。相应地，与传统燃料电池子系统相比，可以降低燃料电池子系统102、202、602的大小、成本和复杂性。
另外，从功率电子设备子系统104、204、604到通过功率电子设备子系统104、204、604的燃料流的该部分120、203或燃料流的该部分120、203和水流238两者的传热有助于冷却功率电子设备子系统104、204、604。通过到燃料流的该部分120、203或燃料流的该部分120、203和水流238两者的传热实现的功率电子设备子系统104、204、604的此冷却减轻或最小化了对于另外的冷却子系统的需要，由此与传统功率生成系统相比，降低了功率生成系统100、200、600的总体大小、成本和复杂性。另外，由于燃料流的该部分120、203或燃料流的该部分120、203和水流238两者的预加热回收的热量，与传统功率生成系统的效率相比，功率生成系统100、200、600的效率也得被改进。
此书面描述使用示例公开了本发明，包括优选实施例，并且也使得本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本说明书的可取得专利的范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果其它示例具有与权利要求的字面语言无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则它们旨在在权利要求的范围内。来自描述的各种实施例的方面及用于每个此类方面的其它已知等同物能够由本领域技术人员混合和匹配以构建根据本申请的原理的另外实施例和技术。

Claims (12)

1.一种功率生成系统，包括：
燃料电池子系统，包括配置成生成电功率的固体氧化物燃料电池；
功率电子设备子系统，电耦合到所述燃料电池子系统并且配置成处理由所述燃料电池子系统生成的所述电功率的至少一部分；
第一导管，流体耦合到所述功率电子设备子系统并且配置成将燃料流的至少一部分供应到所述功率电子设备子系统，其中所述功率电子设备子系统配置成加热所述燃料流的所述部分以形成预热的燃料流；以及
第二导管，流体耦合到所述功率电子设备子系统和所述燃料电池子系统并且配置成将所述预热的燃料流供应到所述燃料电池子系统，
其中所述固体氧化物燃料电池不要求蒸汽重整器，并且配置成使用所述预热的燃料流生成所述电功率，
其中所述功率电子设备子系统进一步包括：
功率处理单元，所述功率处理单元包括：
功率模块；
部署为与所述功率模块热接触的导热介质；
部署为与所述导热介质热接触的第一冷却通道，其中所述第一冷却通道流体耦合到：
所述第一导管以接收所述燃料流的所述部分，以及
所述第二导管以将所述预热的燃料流供应到第二热交换器，其中所述预热的燃料流通过经由所述第一冷却通道从所述导热介质到所述燃料流的所述部分的传热而形成，以及
其中所述功率处理单元进一步包括部署为与所述导热介质热接触的第二冷却通道，其中所述第二冷却通道被流体耦合到所述燃料电池子系统并且配置成接收水，以及将预热的水流供应到所述燃料电池子系统，以及其中所述预热的水流通过经由所述第二冷却通道从所述导热介质到水的传热而形成。
2.如权利要求1所述的功率生成系统，其中，所述燃料流包括烃气。
3.如权利要求1所述的功率生成系统，其中，所述燃料电池子系统进一步包括第一热交换器，所述第一热交换器配置成：
接收传热流体；
加热所收到的传热流体以生成加热的传热流体；以及
将所述加热的传热流体供应到所述固体氧化物燃料电池。
4.如权利要求1所述的功率生成系统，其中，所述燃料电池子系统进一步包括所述第二热交换器，所述第二热交换器配置成：
接收所述预热的燃料流；
加热所收到的预热的燃料流以生成加热的燃料流；以及
将所述加热的燃料流供应到所述固体氧化物燃料电池。
5.如权利要求1所述的功率生成系统，其中，所述功率处理单元包括DC-AC功率转换器和辅助功率电子电路至少之一。
6.如权利要求1所述的功率生成系统，其中，所述燃料电池子系统进一步包括第三热交换器，所述第三热交换器配置成：
接收所述预热的水流并且加热所收到的预热的水流以生成蒸汽；以及
将所述蒸汽供应到所述固体氧化物燃料电池。
7.如权利要求1所述的功率生成系统，进一步包括流体耦合到所述功率电子设备子系统和所述燃料电池子系统的控制子系统，其中所述控制子系统包括：
燃料控制阀，流体耦合到所述第一冷却通道；
水控制阀，流体耦合到所述第二冷却通道；以及
控制器，操作性耦合到所述燃料控制阀和所述水控制阀以选择性地控制所述预热的水流和所述预热的燃料流到所述燃料电池子系统的供应。
8.如权利要求7所述的功率生成系统，其中，所述控制器配置成基于所述燃料电池子系统的操作状态、所述功率生成系统上的负载、所述导热介质的温度、通过所述第一冷却通道的所述燃料流的所述部分的流速、在所述第一冷却通道中所述燃料流的压力或其组合，选择性地控制所述燃料控制阀和所述水控制阀中的一个或多个。
9.一种用于操作如权利要求1所述的功率生成系统的方法，所述方法包括：
由所述功率电子设备子系统接收燃料流的至少一部分；
由所述功率电子设备子系统加热燃料流的至少所述部分以形成预热的燃料流；
由所述功率电子设备子系统将所述预热的燃料流供应到所述燃料电池子系统；
由所述固体氧化物燃料电池使用所述预热的燃料流生成所述电功率；以及
由所述功率电子设备子系统处理由所述燃料电池子系统生成的所述电功率的至少一部分。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第一热交换器接收传热流体；
由所述第一热交换器加热所述传热流体以生成加热的传热流体；以及
由所述第一热交换器将所述加热的传热流体供应到所述固体氧化物燃料电池。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第二热交换器从所述功率电子设备子系统接收所述预热的燃料流；
由所述第二热交换器加热所述预热的燃料流以生成加热的燃料流；以及
由所述第二热交换器将所述加热的燃料流供应到所述固体氧化物燃料电池。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
由部署在所述燃料电池子系统中的第三热交换器从所述功率电子设备子系统接收预热的水流；
由所述第三热交换器加热所述预热的水流以生成蒸汽；以及
由所述第三热交换器将所述蒸汽供应到所述固体氧化物燃料电池。
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