CN218632139U - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口和阴极废气出口。燃料电池系统还包括重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收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、重整器热交换器，以及用于提供热源气体的热源。燃料电池系统还包括一条从所述热源到所述重整器热交换器再到预热器热交换器的热源气体主流体流动路径，以及一条从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径上分流的热源气体旁通流体流动路径，且该热源气体旁通流体流动路径被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器。

Description

燃料电池系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件以及热交换器系统、布置和方法的教导为本领域普通技术人员所熟知，并且特别包括WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797、WO2010/061190、WO2015/004419A1以及R.J.Braun,S.A.Klein&D.T.Reindl发表在Journal of Power Sources(第158卷，第2期，2006年8月25日，第1290-1305页)上的“Evaluation of systemconfigurations for solid oxide fuel cell-based micro-combined heat and powergenerators in residential applications(住宅用固体氧化物燃料电池微组合式热电联产器的系统配置评估)”，这些文献的全部内容通过引用并入本文。必要时可在上述出版物中找到本文所用术语的定义。
运行中的碳氢燃料电池系统，例如，SOFC(固体氧化物燃料电池)系统运行，其中燃料电池堆在450℃-650℃的范围内运行(中温固体氧化物燃料电池；IT-SOFC)，尤其是在520℃-620℃的温度范围内运行，会导致一系列具有挑战性的技术问题。
在此类系统中，在重整器处的蒸汽重整通常用于将碳氢燃料流(诸如，天然气)转化为富氢重整产物流，此重整产物流被馈送到燃料电池堆阳极入口。J.Braun、S.A.Klein&D.T.Reindl的出版物中公开了一种这样的系统(如图1所示)，其中碳氢燃料在被输送到电池组的阳极入口之前被重整为富氢重整产物流。在此类系统中，燃料电池排出的气体用于提供重整器将碳氢燃料重整的加热需求。
燃料电池系统的典型稳态运行(见图1)包括向重整器134供应天然气(诸如，甲烷)，以将其重整为用于燃料电池堆105的燃料。在运行期间，向重整器提供通过燃烧燃料电池排出的气体——来自燃料电池的燃料侧(阳极120)和空气侧(阴极110)的排气产生的热量，以促进重整器内的重整反应。产生的富氢重整产物随后被馈送到燃料电池堆阳极入口126。来自重整器的多余热量可用于向燃料电池系统的其他部件提供热量。例如，多余的热量可以提供给紧邻重整器下游的蒸汽发生器137，蒸汽发生器137被布置成为重整器提供过热蒸汽。
除了重整器之外，这些系统中的一些系统还使用部分氧化(POX)反应器从碳氢燃料供应中产生富氢流，以输送到阳极入口。JP2012243564就是这种系统的一个示例，其中在POX反应器中使用氧化剂使碳氢燃料供应被部分氧化，以产生分子氢和一氧化碳。在JP2012243564中，POX反应器的输出被馈送到蒸汽重整器中，随后被馈送到堆叠的阳极入口。
除了向燃料电池供应氢之外，还需要确保燃料电池内发生的化学过程保持在合适的温度。调节燃料电池内部温度的常规方法是通过控制入口空气的温度和燃料电池阴极侧的流速。在图1的示例中，来自重整器134的多余热量也被提供给紧邻蒸汽发生器137下游的预热器162，预热器162被布置成在空气被馈送到燃料电池堆阴极入口131之前将空气加热。
在排气燃烧为重整器和燃料电池阴极侧提供热量的燃料电池系统中，必须使燃烧气体的排气量与用于加热重整器和燃料电池的阴极侧的热量的比例达到热平衡。未能实现所述热平衡会导致燃料电池在阳极和阴极之间具有较大的热梯度。燃料电池上的较大热梯度会阻止燃料电池的最佳运行，尤其是当燃料电池以同流构型运行时(其中燃料和氧化剂均以相同的方向流过它们各自的燃料电池侧)。
本实用新型致力于解决、克服或减轻现有技术的至少一个缺点。
实用新型内容
根据本实用新型，提供了所附独立权利要求中限定的燃料电池系统。进一步优选的特征在所附从属权利要求中限定。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种燃料电池系统，包括：
(i)至少一个燃料电池堆，所述燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，并且设有用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气以及阴极废气的流动的单独流动路径；
(ii)重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收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；
(iii)预热器，用于将阴极入口气体加热，所述预热器包括用于接收阴极入口气体的预热器入口、用于排出阴极入口气体的预热器出口，以及预热器热交换器；以及
(iv)热源，用于提供热源气体；
并且设有：
(a)从燃料源到所述重整器再到所述至少一个燃料电池堆的阳极入口的阳极入口气体流体流动路径；
(b)从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口到燃料电池系统排气口的阳极废气流体流动路径；
(c)从阴极入口气体源到所述预热器再到所述至少一个燃料电池堆的阴极入口的阴极入口气体流体流动路径；
(d)从所述至少一个燃料电池堆的阴极废气出口到所述燃料电池系统排气口的阴极废气流体流动路径；
(e)从所述热源到所述重整器热交换器再到所述预热器热交换器的热源气体主流体流动路径；以及
(f)热源气体旁通流体流动路径，其从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流，并被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器；
其中，所述重整器热交换器被布置成用于在所述阳极入口气体与所述热源气体之间进行热交换；并且其中，所述预热器热交换器被布置成用于在所述阴极入口气体与所述热源气体之间进行热交换。
所述热源气体旁通流体流动路径从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流或分开，从而使一部分所述热源气体绕开所述重整器并在此部分内保留一部分更高等级的热量。所述热源气体旁通流体流动路径用于绕过(避开)所述重整器热交换器。所述热源气体旁通流体流动路径可以与所述重整器热交换器下游和所述预热器热交换器上游的热源气体主流体流动路径重新合并。
所述热源气体旁通流体流动路径可以由旁通管道限定，所述旁通管道可以在位于所述热源与所述重整器热交换器之间的旁通入口处与热源气体主流体流动通道(限定所述热源气体主流体流动路径)相交(或接合)。所述旁通管道可以在位于所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的旁通出口处再次与所述热源气体流体流动通道(限定所述热源气体主流体流动路径)相交(或重新接合)。
所述重整器热交换器可以与(i)所述热源和所述预热器热交换器；并与(ii)所述燃料源和所述至少一个燃料电池堆的阳极入口流体流动连通。优选地，所述预热器热交换器与(i)所述热源和所述燃料电池系统排气口流体流动连通；并与(ii)所述阴极入口气体源和所述至少一个燃料电池堆的阴极入口流体流动连通。
所述燃料电池系统可以是固体氧化物燃料电池(SOFC)系统。所述至少一个燃料电池堆可以包括至少一个固体氧化物燃料电池。所述燃料电池系统可以是金属支撑的固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)系统。所述至少一个燃料电池堆可以包括至少一个金属支撑的固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)。所述燃料电池系统可以是金属支撑的中温固体氧化物燃料电池系统。所述至少一个燃料电池堆可以包括至少一个金属支撑的中温固体氧化物燃料电池。
转向所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分可以被被动控制。旁通入口可以接入所述热源与所述重整器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径，并且旁通出口可以接入所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径。所述热源气体旁通流体流动路径可以包括在所述热源气体旁通入口与所述热源气体旁通出口之间的收缩部。所述收缩部可以包括孔板。所述热源气体主流体流动路径的旁通入口与所述旁通出口之间的压降可能会导致所述一部分所述热源气体通过所述热源气体旁通流体流动路径绕开所述重整器流动。
所述燃料电池系统还可以包括无源分流器，用于提供对转向所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分的被动控制。所述无源分流器可以由所述热源气体主流体流动路径与所述热源气体旁通流体流动路径之间的接合部提供。所述无源分流器可以由所述热源气体主流体流动路径与所述热源气体旁通流体流动路径之间的旁通入口处的接合部提供。
所述燃料电池系统还可以包括用于为所述重整器提供蒸汽的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括：进水口，与水源流体流动连通；蒸汽发生器热交换器，设置在所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的热源气体主流体流动路径中，且被布置成用于在所述热源气体与来自所述水源的水之间进行热交换，从而产生蒸汽；以及蒸汽出口，与所述重整器流体流动连通。
旁通出口可以接入在所述蒸汽发生器与所述预热器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径。旁通出口也可以计入在所述重整器热交换器与所述蒸汽发生器之间的所述热源气体主流体流动路径。
流过所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分可以包括按体积计10-25％的热源气体。
所述燃料电池堆可以被配置为以同流构型运行，其中所述阳极入口气体从所述阳极入口流向所述阳极废气的方向与所述阴极入口气体从所述阴极入口流向所述阴极废气的方向相同。
所述热源可以包括燃烧器，所述燃烧器与所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口和阴极废气出口流体流动连通，并且具有用于排出热源气体的燃烧器排气口。所述热源气体主流体流动路径可以从所述燃烧器排气口通到所述重整器热交换器到所述预热器热交换器再到所述燃料电池系统排气口。
所述阳极废气流体流动路径可以从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口通到所述燃烧器的阳极废气入口。所述阴极废气流体流动路径可以从所述至少一个燃料电池堆的阴极废气出口通到所述燃烧器的阴极废气入口。所述燃烧器可以定义为从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口和阴极废气出口到所述燃烧器排气口到所述重整器热交换器到所述预热器热交换器再到所述燃料电池系统排气口的流体流动路径。
所述热源气体旁通流体流动路径可以包括位于所述热源与所述预热器入口之间的旁通管道。所述旁通管道的入口可以连接到所述热源与所述重整器热交换器之间的热源气体主流体流动路径。所述旁通管道的入口可以具有比所述热源气体主流体流动路径小的横截面。所述旁通管道可以具有入口和出口以及所述入口与所述出口之间的收缩部，用于在其间设置压降。所述旁通管道的出口可以连接到所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的热源气体主流体流动路径。所述旁通管道的出口可以连接到在所述蒸汽发生器的出口与所述预热器热交换器的入口之间的热源气体主流体流动路径。所述旁通管道的出口可以连接到在所述重整器的出口与所述蒸汽发生器的入口之间的热源气体主流体流动路径。
附图说明
图1是现有技术燃料电池系统的示意图。
图2是根据本实用新型的燃料电池系统的示意图。
图3是根据本实用新型的燃料电池系统的示意图。
图4是根据本实用新型的燃料电池系统的旁通入口的示意图。
图5是根据本实用新型的燃料电池系统的旁通出口的示意图。
图6示出了根据本实用新型在稳态下操作燃料电池系统的方法。
在以下附图和描述中，相同的附图标记将用于不同附图中的相同元件。
具体实施方式
仅出于说明目的，这些附图仅指示单个燃料电池。在各种实施例中，提供了多个燃料电池。在进一步的实施例(未示出)中，提供了多个燃料电池堆，并且在更进一步的实施例中，提供了多个燃料电池堆，每个燃料电池堆包括多个燃料电池。应当理解的是，阳极和阴极入口、出口(废气)、管道和歧管以及它们的构型被适当地修改，以用于这些实施例，并且对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
参考图2，显示了燃料电池系统200的示意图。燃料电池系统200包括燃料电池单元的堆叠205，也称为“燃料电池堆”。多个电池单元形成电池单元的堆叠。每个电池单元包括阳极220、阴极210，以及位于阳极220与阴极210之间的电解质215。阳极220、电解质215以及阴极210可以一起称为电化学活性层、活性电化学电池层，或电化学活性区域。电解质215在阳极220与阴极210之间传导负氧离子或正氢离子。堆叠205可以包括基于固体氧化物电解质、聚合物电解质膜或熔融电解质或具有电化学性的任何其他变体中的一者的燃料电池单元的堆叠。
堆叠中的每个电池单元由导电的不透气的金属互连板(互连体)(未示出)隔开。互连板将堆叠的每个电池单元中的氧化剂流体体积与燃料流体体积隔开，并且通常设置有3D轮廓构造，例如，包括间隔通道和肋部或间隔凹坑的图案，以控制流体流动。堆叠中相邻电池单元之间的互连板可以在面向给定电池单元的阳极的一侧上涂敷有催化剂，催化剂被配置成催化未重整的碳氢燃料的蒸汽重整，以在堆叠内产生氢气。重整催化剂可以称为内部重整器。在一个示例中，堆叠中的每个电池单元通过互连结构(例如，上面提到的分隔器和/或互连体)与相邻的电池单元隔开，互连结构在面向相邻电池单元的阳极的一侧具有涂层并且与相邻电池单元的阳极流体连通，涂层包括重整催化剂并且被配置为将燃料重整为氢气以用于堆叠中。重整催化剂可以是蒸汽重整催化剂，例如，铂和/或铑。当存在可忽略不计的水时，此催化剂还可以在高于第一阈值温度的启动期间催化裂化。
在图2的示例中，每个电池单元是金属支撑的固体氧化物燃料电池，其中固体氧化物电解质由金属基板(未示出)支撑，因此可以称为金属支撑的固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)。金属基板支撑结合到其上的电化学活性层(即在运行期间发生电化学反应的层体)，电化学活性层可以被涂覆、沉积或以其他方式固定到其上，因此电池单元可以被称为金属支撑的电池单元。具体而言，每个电池单元是金属支撑的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)燃料电池，如US6794075中所教导的。
燃料电池堆205具有阳极入口226、阴极入口231、阳极废气出口227、阴极废气出口232，并且设有用于阳极入口气体(即燃料)、阴极入口气体(即氧化剂)、阳极废气以及阴极废气的流动的单独流动路径。燃料电池系统200以同流构型运行，其中阳极入口气体以与阴极入口气体从阴极入口流向阴极废气相同的方向从阳极入口流过每个电池到阳极废气。
燃料电池系统200还包括用于将未重整的碳氢燃料重整为重整产物的重整器234和用于将阴极入口气体(即氧化剂)加热的预热器262(也称为空气预热器)。重整器234包括用于接收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。在此特定实施例中，重整器热交换器是并联或同流热交换器。预热器262包括用于接收阴极入口气体的预热器入口、用于排出阴极入口气体的预热器出口，以及预热器热交换器。燃料电池系统200还包括用于向燃料电池系统200的一个或多个其他部件提供热气的热源255。
阳极入口气体流体流动路径A被定义为从燃料源到重整器234再到堆叠阳极入口226。阳极废气流体流动路径B被定义为从堆叠阳极废气出口227到燃料电池系统排气口290。阴极入口气体流体流动路径C被定义为从阴极入口气体源到预热器262再到堆叠阴极入口231。阴极废气流体流动路径D被定义为从堆叠阴极废气出口232到燃料电池系统排气口290。燃料电池系统200还包括从热源255至少经由重整器热交换器和预热器热交换器到燃料电池系统排气口290的热源气体流体流动路径E。
燃料电池系统200包括燃料入口230，燃料入口230被配置为连接到提供未重整碳氢燃料供应的燃料源(未示出)，其中燃料入口230与重整器234流体流动连通。脱硫器232和/或混合器233也可以位于重整器234上游的阳极入口气体流体流动路径A中。重整器234的阳极入口气体出口235与堆叠205的阳极入口226流体流动连通，以用于将堆叠205内的重整燃料分配到堆叠205内的电池单元的阳极侧(也称为燃料体积)。堆叠205的阳极废气出口227向堆叠提供排气，并且允许从堆叠205内的电池单元的阳极侧去除流体。阳极废气出口227与燃烧器255流体流动连通，使得阳极废气经由阳极废气流体流动路径B被引导到燃烧器255。
燃料电池系统200还包括氧化剂入口260，氧化剂入口260被配置为用于连接到阴极入口气体源(未示出)，其中氧化剂入口260与预热器262流体流动连通。氧化剂可以是，例如空气或氧气。氧化剂入口260向预热器262提供氧化剂，且预热器出口与堆叠205的阴极入口231流体流动连通，用于将堆叠205内的加热的氧化剂分配到堆叠205内的电池单元的阴极侧(也称为氧化剂体积)。堆叠205的阴极废气出口232向堆叠205提供排气，并且允许从堆叠205内的电池单元的阴极侧去除流体。阴极废气出口232与燃烧器255流体流动连通，使得阴极废气经由阴极废气流体流动路径D被引导到燃烧器255。
在图2中，热源由燃烧器255(诸如，尾气燃烧器或旋流燃烧器)提供，其与堆叠205的阳极废气出口227和阴极废气出口232流体流动连通，并且具有用于排出热气作为热源的燃烧器排气口。燃烧器255被配置为燃烧阳极废气中的任何剩余可燃燃料和阴极废气中的氧化剂。燃烧产生的热气从燃烧器255排出，并且在从燃料电池系统排气口290排出之前，经由热源气体流体流动路径E再循环通过燃料电池系统200的一个或多个其他部件。因此，在此实施例中，阳极废气流体流动路径B、阴极废气流体流动路径D以及热源气体流体流动路径E具有共同的部件，并且共用从燃烧器255到燃料电池系统排气口290的共同流动路径。
燃料电池系统200还包括蒸汽发生器237，用于使用通过进水口239由水源供应的水产生蒸汽。蒸汽发生器237紧邻燃料重整器234的下游。蒸汽发生器237产生的蒸汽从蒸汽出口(未示出)被排出，并被引导到混合器233。携带任何剩余废热的热气经由废热排放口(未示出)从蒸汽发生器237排出，并被引导到预热器262。携带任何剩余废热的热气经由废热排气口从预热器262排出，并在从燃料电池系统排气口290排出之前被引导到热回收单元270。
稳态运行条件的特征在于稳态堆叠温度在400℃至1000℃，优选地450℃至800℃，优选地500℃至650℃的范围内。在稳态运行期间，由于重整器234在热源气体流体流动路径E中位于预热器262的上游，因此可能出现没有足够的热能可用于既能重整碳氢燃料又能充分加热氧化剂的情况。然而，如果重整器234所需的热量有足够的余量，则可以将一部分热源气体通过重整器234直接转向预热器262。因此，燃料电池系统200包括热源气体主流体流动路径240和热源气体旁通流体流动路径250。热源气体主流体流动路径240被定义为从热源255到重整器热交换器到预热器热交换器再到燃料电池系统排气口290。然后，热源气体旁通流体流动路径250从重整器234上游的热源气体主流体流动路径240分流，并且被布置成使一部分热源气体绕开重整器234转向预热器热交换器。因此，热源气体旁通流体流动路径250与热源和预热器热交换器流体连通，同时绕过重整器234。因此，热源气体流体流动路径E分支成热源气体主流体流动路径240和热源气体旁通流体流动路径250。
通过热源气体旁通流体流动路径250转向的热源气体部分是被动控制的，不需要主动控制通过热源气体旁通流体流动路径250转向多少热源气体所需的任何传感器、控制电子器件、机械阀等。具体地，热源气体旁通流体流动路径250被配置为在热源气体主流体流动路径240与热源气体旁通流体流动路径250之间感生气体流比率，以允许重整过程与气流加热之间的适当平衡。因此，燃料电池系统200包括在热源气体主流体流动路径240与热源气体旁通流体流动路径250之间使热源气体分流的无源分流器251。热源气体主流体流动路径240和热源气体旁通流体流动路径250具有共同的部件，并且共用从热源255到分流器251的共同流动路径。燃料电池系统200可以被配置为使得热源气体旁通流体流动路径250两端的压降相对于热源气体主流体流动路径240两端的压降达到预设的气体流比率。
为了被动地控制通过热源气体旁通流体流动路径250转向的那部分热源气体，热源气体旁通流体流动路径250的至少一部分可以被配置为具有比热源气体主流体流动路径240更小的横截面。由于重整器234两端的压降，一部分热源气体将通过热源气体旁通流体流动路径250绕开重整器234流动。可替代地或另外，热源气体旁通流体流动路径250可以被配置为具有用于设置热源气体旁通流体流动路径250两端的压降的收缩部。例如，收缩部可以是孔板。或者，可以通过在热源气体旁通流体流动路径250中形成的卷曲部来提供收缩。
燃料电池系统200还可以包括无源合流器252，其将通过热源气体旁通流体流动路径250的热源气体流与通过热源气体主流体流动路径240的热源气体流重新合并。热源气体主流体流动路径240和热源气体旁通流体流动路径250也可以具有共同的部件，并且共用从合流器252到燃料电池系统排气口290的共同流动路径。
在运行期间，热源气体旁通流体流动路径250提供了用于降低燃料电池堆205上的温度梯度以提高燃料电池堆205的运行性能的机制。通过提供热源气体旁通流体流动路径250，一部分热源气体从重整器234转向预热器262，预热器262用于将经由阴极入口231进入燃料电池堆205的氧化剂加热，从而提高燃料电池堆的阴极侧的温度。使一部分热源气体从重整器234转向也可以降低在阳极入口226处进入燃料电池堆205的所得重整燃料的温度。
在图2中，热源气体旁通流体流动路径250包括旁通管道280。旁通管道280具有接入燃烧器255与重整器234之间的热源气体流体流动路径E的旁通入口281，以及接入蒸汽发生器237与预热器262之间的热源气体流体流动路径E的旁通出口282。通过将旁通出口282定位在预热器262之前，燃烧器255的排气的一部分可以绕开重整器234被重新引导到预热器262。在旁通入口281和旁通出口282之间设有热源气体旁通流体流动路径250。
为了被动地控制通过旁通管道280转向的热源气体部分，旁通入口281可以具有比热源气体主流体流动路径240更小的横截面。替代地或附加地，旁通管道280可以具有在旁通入口281与旁通出口282之间的收缩部。
参考图3，显示了燃料电池系统300的示意图。燃料电池系统300是图2的燃料电池系统200的变体。燃料电池系统300与燃料电池系统200基本相同；然而，燃料电池系统300的旁通管道380的构型与燃料电池系统300的构型不同。如前所述，旁通管道380具有旁通入口381，旁通入口381接入燃烧器355与重整器334之间的热源气体流体流动路径E。旁通出口382接入重整器334与蒸汽发生器337之间的热源气体流体流动路径E。通过将旁通出口382定位在蒸汽发生器337之前，来自燃烧器355的一部分热源气体可以绕开重整器234被重新引导到蒸汽发生器337，再到预热器362。在旁通入口381与旁通出口382之间设有热源气体旁通流体流动路径350。
如前所述，旁通管道380可以被配置为具有比热源气体主流体流动路径340更小的横截面。替代地或另外，旁通管道380可以被配置为具有收缩部(诸如，孔板或卷曲部)，用于设置热源气体旁通流体流动路径350两端的压降。
在运行期间，热源气体旁通流体流动路径350提供了用于降低燃料电池堆305上的温度梯度以提高燃料电池堆305的运行性能的机制。通过提供热源气体旁通流体流动路径350，一部分热源气体从重整器334转向蒸汽发生器337，蒸汽发生器337将来自进水口339的水煮沸。水沸腾产生的蒸汽被引导到混合器333，以在进入重整器334之前与未重整燃料混合。任何没有被蒸汽发生器337消耗的多余热量随后被引导到预热器362，以在氧化剂进入燃料电池堆305之前将其加热。因此，转向的热源气体首先通过蒸汽发生器337，然后到预热器362，从而间接升高燃料电池的阴极侧的温度。
在燃料电池系统200和燃料电池系统300两者中，流过热源气体旁通流体流动路径250；350的热源气体部分可以占热源气体体积的10-25％。优选地，流过热源气体旁通流体流动路径250；350的热源气体部分可以占热源气体体积的大约18-22％，更优选地，大约20％。
参考图4，显示了燃料电池系统200的热源气体旁通流体流动路径250和燃料电池系统300的热源气体旁通流体流动路径350的入口的示意图。热源气体旁通流体流动路径250；350包括旁通管道280；380，具有连接到管路的第一端，提供燃烧器255；355与重整器234；334之间的热源气体流体流动路径E的一部分。参考图4，管路与旁通管道280；380的第一端之间的连接形成“T”形接合部，充当无源分流器251；351，并提供到热源气体旁通流体流动路径250；350的入口。然而，本领域技术人员已知的其他类型的连接/接合部也是可能的。
参考图5，显示了燃料电池系统200的热源气体旁通流体流动路径250和燃料电池系统300的热源气体旁通流体流动路径350的出口的示意图。旁通管道280；380的第二端连接到提供在以下两者之间的热源气体流体流动路径E的一部分的管路：
i)蒸汽发生器237；337的出口(未示出)和预热器262；362(图2)的入口(未示出)；或者
ii)重整器234；334的出口236；336和蒸汽发生器237；337(图3)的入口。
参考图5，管路与旁通管道280；380的第二端之间的连接形成“T”形接合部，充当无源合流器252；352，并提供热源气体旁通流体流动路径250；350的出口。然而，本领域技术人员已知的其他类型的连接/接合部也是可能的。
参考图6，流程图描绘了在稳态下操作燃料电池系统的方法，燃料电池系统具有燃料电池堆，燃料电池堆具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口，以及阴极废气出口。图6中描述的方法适用于燃料电池系统，诸如，图2和图3的燃料电池系统。
在稳态运行期间，在步骤605，来自燃料入口230；330的未重整燃料不通过燃料电池系统的任何其他部件直接提供给重整器234；334，或者经由首先通过其他部件(诸如，脱硫剂232；332和/或混合器233；333)间接提供给重整器234；334。重整器234；334还被供应水蒸汽。水蒸汽和未重整的燃料可以由混合器233；333提供给重整器234；334，在混合器233；333中，水蒸汽和未重整的燃料最初混合在一起。提供给重整器234；334和/或混合器233；333的水蒸汽可以由蒸汽发生器237；337将来自进水口239；339的水煮沸而产生。可以使用来自重整器234；334的废热来加热蒸汽发生器237；337。或者，用于产生蒸汽的蒸汽发生器237；337可以使用替代热源来起作用。
在可以与步骤605同时发生的步骤610，燃料电池堆205；305(从阴极侧和阳极侧)排出的气体被馈送到燃烧器255；355进行燃烧。
在步骤615，已被馈送到重整器234；334的未重整的燃料和水蒸汽被加热，以将未重整的燃料重整。提供给重整器234；334的热量可以在步骤620由从已经燃烧了来自燃料电池堆205；305(从阴极侧和阳极侧)的排气的燃烧器255；355排出的至少一部分热源气体提供。
在步骤625，从燃烧器255；355排出的一部分热源气体经由热源气体旁通流体流动路径250；350绕开重整器234；334，以为燃料电池堆205；305的氧化剂提供进一步的热量。燃烧器255；355排出的热源气体可以经由旁通管道280；380转向预热器262；362，用于将提供给燃料电池堆205；305的氧化剂加热。或者，燃烧器255；355排出的热源气体可以经由旁通管道280；380转向蒸汽发生器237；337，以为蒸汽发生器237；337提供进一步的热量，用于产生用于重整器234；334的水蒸汽。
在步骤630，重整器234；334产生的重整燃料(即阳极入口气体)被通到燃料电池堆205；305的阳极入口226；326。同时，将加热的氧化剂(即阴极入口气体)以同流构型通入燃料电池堆205；305的阴极入口231；321，使得重整的燃料和氧化剂以相同方向流过它们各自的燃料电池堆205；305的堆侧。
在步骤650，流向燃料电池堆205；305的阴极入口231；331的氧化剂由预热器262；362的热交换器加热，其中氧化剂被从重整器234；334排出的热源气体和经由热源气体旁通流体流动路径250；350绕过重整器234；334的部分热源气体加热。在热源气体从重整器234；334排出的情况下，可以直接馈送到预热器262；362，或者可以先通过蒸汽发生器237、337等其他部件。在后一种情况下，从蒸汽发生器237、337排出的剩余热源气体被提供给预热器262；362，以将氧化剂加热。
本实用新型不仅限于上述示例，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，其他示例对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
本实用新型的这些和其他特征已经在上文中纯粹作为示例进行了描述。可以在权利要求的范围内对本实用新型进行详细修改。
举例而言，在图2和图3所示的实施例中，在从燃料电池系统排气口290排出之前，燃烧器255；355用作重整器234；334、蒸汽发生器237；337以及预热器262；362的热源。然而，在替代实施例中，辅助热源可用于向重整器234；334、预热器262；362，以及可选的蒸汽发生器237；337提供热源气体。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
(i) 至少一个燃料电池堆，所述燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，并且设有用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气以及阴极废气的流动的单独流动路径；
(ii) 重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收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；
(iii) 预热器，用于将阴极入口气体加热，所述预热器包括用于接收阴极入口气体的预热器入口、用于排出阴极入口气体的预热器出口，以及预热器热交换器；以及
(iv) 热源，用于提供热源气体；
并且设有：
(a) 从燃料源到所述重整器再到所述至少一个燃料电池堆的阳极入口的阳极入口气体流体流动路径；
(b) 从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口到燃料电池系统排气口的阳极废气流体流动路径；
(c) 从阴极入口气体源到所述预热器再到所述至少一个燃料电池堆的阴极入口的阴极入口气体流体流动路径；
(d) 从所述至少一个燃料电池堆的阴极废气出口到所述燃料电池系统排气口的阴极废气流体流动路径；
(e) 从所述热源到所述重整器热交换器再到所述预热器热交换器的热源气体主流体流动路径；以及
(f) 热源气体旁通流体流动路径，其从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流，并被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器；
其中，所述重整器热交换器被布置成用于在所述阳极入口气体与所述热源气体之间进行热交换；并且
其中，所述预热器热交换器被布置成用于在所述阴极入口气体与所述热源气体之间进行热交换。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：转向所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分是被动控制的。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源气体旁通流体流动路径的至少一部分具有比所述热源气体主流体流动路径小的横截面。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：还包括旁通入口和旁通出口；所述旁通入口接入所述热源与所述重整器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径；所述旁通出口接入所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源气体旁通流体流动路径包括在所述旁通入口与所述旁通出口之间的收缩部。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源气体主流体流动路径的旁通入口与所述旁通出口之间的压降会导致所述一部分所述热源气体通过所述热源气体旁通流体流动路径绕开所述重整器流动。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：还包括无源分流器，用于提供对转向所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分的被动控制。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于：所述无源分流器由所述热源气体主流体流动路径与所述热源气体旁通流体流动路径之间的接合部提供。
9.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：还包括用于为所述重整器提供蒸汽的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括：
进水口，与水源流体流动连通；
蒸汽发生器热交换器，设置在所述重整器热交换器与所述预热器热交换器之间的热源气体主流体流动路径中，且被布置成用于在所述热源气体与来自所述水源的水之间进行热交换，从而产生蒸汽，以及
蒸汽出口，与所述重整器流体流动连通。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：所述旁通出口接入所述蒸汽发生器与所述预热器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径。
11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：所述旁通出口接入所述重整器热交换器与所述蒸汽发生器之间的所述热源气体主流体流动路径。
12.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：流过所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分包括按体积计10-25%的热源气体。
13.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源包括燃烧器，所述燃烧器与所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口和阴极废气出口流体流动连通，并且具有用于排出热源气体的燃烧器排气口。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源气体主流体流动路径从所述燃烧器排气口通到所述重整器热交换器到所述预热器热交换器再到所述燃料电池系统排气口。
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