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CN117157787A - 燃料电池系统及其操作方法 - Google Patents

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CN117157787A
CN117157787A CN202280024846.1A CN202280024846A CN117157787A CN 117157787 A CN117157787 A CN 117157787A CN 202280024846 A CN202280024846 A CN 202280024846A CN 117157787 A CN117157787 A CN 117157787A
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斯蒂芬·赫尔曼
费利克斯·菲舍尔
哈特穆特·斯普利特霍夫
马克西米利安·豪克
耶雷米亚斯·威瑞希
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Technische Universitaet Muenchen
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统(1)，其设置用于转换纯氢气，包括a)至少一个燃料电池(2)包括阳极(2a)、阴极(2b)和设置在阳极(2a)和阴极(2b)之间的电解质(2c)，该燃料电池(2)还被布置用于甲烷的内部重整，b)连接燃料管道入口(7)和阳极入口(2e)的燃料管道(6)，c)连接阳极出口(2d)和甲烷化单元(3)的阳极排气管道(4)，甲烷化单元(3)能够从阳极排气中产生甲烷，以及d)连接甲烷化单元出口和燃料管道(6)的甲烷化单元排气管道(11)，和e)与甲烷化单元排气管道(11)耦合的除水器和/或水冷凝器单元(12)，其中引入燃料管道(6)的燃料管道入口(7)的是纯氢气，并且其中在甲烷化单元(3)中产生的甲烷的量等于在燃料电池(2)内部重整的甲烷的量时，使得通过燃料电池系统(1)循环的甲烷的含量是恒定的。

Description

燃料电池系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种具有提高总效率的燃料电池系统以及一种操作该具有提高总效率的燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池系统，特别是工作温度约为600℃至800℃的高温燃料电池系统(例如SOFC)，在现有技术中广泛用于产生由燃料流和氧化剂流的氧化还原反应产生的电力。特别优选的是将氢气作为燃气，因为它不包括含碳物质，这可能导致燃料电池内的碳沉积。
然而，现有技术中已知的燃料电池系统通常仅具有约70％至80％的最大燃料利用率，这些燃料电池系统示出低的总效率并且产生高达60％的废余热量。由于燃料电池内部的电化学反应产生的热量，需要进行冷却。这通常是通过使用出于此目的供应到阴极的空气来完成的，这使鼓风机消耗了大量能量。
在现有技术中还已知，在烃基燃料(例如天然气)和水蒸气的混合物上运行高温燃料电池导致废余热量的量减少，这是由于烃类燃料与水蒸气的吸热重整而导致的，因此其通常比氢气基的系统的效率更高。在现有技术中，在烃类燃料上操作时，需要大量添加水蒸气或其它含氧物质，例如二氧化碳，以防止与碳沉积有关的燃料电池的损坏。然而，由于水蒸气(和/或CO2)是燃料电池反应的反应产物，因此向燃料中添加大量水蒸气是不利的，因为这会降低能斯特电势，从而显著降低燃料电池的效率和/或功率密度。
发明内容
因此，本发明的基础目的是提供一种用于发电的高效燃料电池系统。此外，本发明的目的是提供一种具有提高的燃料利用率和提高的总效率的燃料电池系统的操作方法。本发明的进一步目的是提供一种在燃料电池模式下操作可逆的燃料电池系统的方法，该方法具有提高的燃料利用率和提高的总效率，该方法还能够在电解模式下操作，从而从水蒸气和电中产生纯氢气(从此任何燃料电池系统都可以等价地被认为是这种可逆的燃料电池系统，特别是在燃料电池模式下操作时)。
该目的通过独立权利要求实现。从属权利要求包含本发明的有利实施方案。
因此，本发明的燃料电池系统被布置成将纯氢气送入(可逆)燃料电池系统，并且其包括至少一个燃料电池，根据优选的实施方案，其是固体氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池本身包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的电解质。燃料电池进一步布置用于甲烷的内部重整。在这个意义上，“内部”是指“在燃料电池内”。换句话说，重整部分构成了燃料电池的一部分，因此其存在于在燃料电池内(燃料电池内部)，并且特别位于和/或燃料电池的电化学反应区附近处，因此与燃料电池反应区直接热接触。
燃料通过燃料管道供应到阳极的阳极入口，通过燃料管道入口引入燃料管道的燃料是纯氢气(当然，根据其来源，可能含有高达5Vol.-％的不可避免的杂质)。阳极排气管道，连接燃料电池的阳极出口和甲烷化单元。甲烷化单元能够从阳极排气中产生甲烷。更具体地说，阳极排气中含有氢气和含碳物质，因此，甲烷化单元可以从含有CO、CO2和氢气的混合物中产生CH4。甲烷化单元还包括甲烷化单元出口，甲烷化单元排气管道连接甲烷化单元出口和燃料管道。换句话说，甲烷化单元排气管道与燃料管道耦合，以便甲烷化单元中产生的甲烷供应到燃料管道，并且通过燃料管道入口与供应给燃料管道的纯氢气混合。
当操作所述燃料电池系统时，将含有氢气和甲烷(＝混合物)的燃料供应给阳极，并且燃料中所含的甲烷在燃料电池内部进行重整。由于重整反应是吸热的，因此燃料电池反应产生的热量(阳极侧的氢气消耗)被吸收并且被用于重整反应。换句话说，燃料电池反应在燃料电池中产生的热量可以通过在燃料电池内部进行重整反应来有效地消耗。这使得通过使用供应给阴极的空气来冷却燃料电池的必要性降低，即由于空气不再主要用于冷却燃料电池，因此用于驱动风扇或类似设备向阴极供气。
但是，为了具有这种有效的内部冷却，由于节省了在阴极侧操作风扇等的电力，从而提高了燃料电池系统的总效率，因此有必要向燃料电池提供相应量的甲烷。根据本发明，该甲烷一旦送入燃料电池系统，因此通过操作燃料电池系统来消耗甲烷，甲烷就不是从外部供应的，而是在甲烷化单元中产生用于改造的甲烷，甲烷化单元是燃料电池系统的基本组成部分之一。
此外，控制在甲烷化单元中产生的甲烷的量，使其等于燃料电池内部重整的甲烷的量，从而使通过燃料电池系统循环的甲烷的含量恒定。这导致一个封闭的甲烷循环。当重整的甲烷的量等于甲烷化单元中产生的甲烷的量时，可以调整相应的重整的甲烷的量，以便无需或仅通过例如阴极等向燃料电池提供最少的冷却能量。
通过使用在阳极排气管道中布置用于内部重整的燃料电池和如上略述的控制的甲烷化单元，通过燃料电池系统循环恒定量的甲烷，从而实现高能量输出，从而实现燃料电池系统的高的总效率的水平。
燃料电池系统还包括与甲烷化单元耦合的除水和/或水冷凝器单元排气管道，其可以提供给下游的第一传热装置(如果存在)。除水和/或水冷凝器单元能够降低甲烷化产物的蒸汽含量，以便送入燃料电池的仅包含少量残余蒸汽的燃料混合物。燃料混合物中的大量蒸汽通过降低能斯特(Nernst)电压电势大大降低了燃料电池反应的电化学效率。
因此，通过燃料电池系统去除水循环有助于提高电化学效率，从而也有助于提高燃料电池系统的总效率的水平。
尽管上面没有明确提到，但本发明的燃料电池系统还包括氧化剂管道，用于通过阴极入口向阴极供应氧化剂，如氧气或空气。进一步设置的是氧化剂排气管道。
如前所描述的燃料电池系统还优选包括根据燃料电池的工作温度和压力控制燃料混合物中氢气与甲烷的比率的装置，使得碳沉积在热力学上被阻止而不需要水蒸气存在于燃料混合物中，即不向供应给燃料电池的燃料中加水，其中，该装置能够通过给定值之间的线性插值根据以下值和中间值来调整比率：
·大气压，550℃，容积比H2:CH4>1.7；或
·2巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>1；或
·5巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>0.63；或
·大气压，600℃，容积比H2:CH4>2.5；或
·2巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>2；或
·5巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，650℃，容积比H2:CH4>5.5；或
·2巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>3；或
·5巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，700℃，容积比H2:CH4>10；或
·2巴绝对压力，700℃，容积比H2:CH4>5；或
·5巴绝对压力，700℃，体积比H2:CH4>2.4。
这对于如前所描述的送入燃料电池阳极的燃料中的水蒸气的存在对燃料电池的能斯特电势的负面影响是有利的，因此导致燃料电池的效率更高。然后逐步对供应给阳极的燃料的甲烷的含量进行重整，仅使用燃料中氢气的电化学氧化过程中形成的水蒸气，而不是现有技术中燃料进料中存在的过量水蒸气。这还有一个优点，即重整反应沿着燃料电池反应区连续扩散，而不是直接在阳极入口处导致较大的温度下降。
根据进一步的优选实施方案，甲烷化单元排气管道包括第一传热装置(例如热交换器)，用于将热量从甲烷化单元排气传递到供应给阳极入口的燃料(混合物)。由于甲烷化反应是放热反应，将甲烷化产物中所含的热量转移到燃料管道中的燃料会增加热利用率，从而有助于总效率的水平的提高。
为了进一步增加燃料电池系统的产生的电力，燃料电池系统有利地还包括能够利用水蒸气产生电力的蒸汽回路。蒸汽回路与甲烷化单元热耦合，只要发生放热甲烷化的甲烷化单元反应区直接或间接地布置用于将热量传递到蒸汽回路，最好是传递到蒸汽回路的蒸发部分。利用这种传递的热量，可以很容易地产生水蒸气，然后其可以用来驱动涡轮机等，然后产生电力。
为了提高通过蒸汽回路产生电能的效率，蒸汽回路优选包括至少一个涡轮。
进一步优选地，鉴于热利用率的水平的提升，阳极出口和燃料电池系统的甲烷化单元之间的阳极排气管道可以进一步包括第二传热装置(例如热交换器)，其用于将热量从阳极排气传递给通过燃料管道供应给阳极的燃料或燃料混合物。由于燃料电池反应是放热的，因此阳极排气中包含的热量直接用于加热燃料或燃料混合物，这极大地支持了吸热的重整反应，并且有助于促进燃料电池反应的进行。
当供应给阳极入口的甲烷对应于甲烷化单元中产生的甲烷时，除了操作期间的初始甲烷的含量外，不会向燃料电池系统提供另外的甲烷，并且根据该实施方案，与碳排放相关的排放可以保持在最低限度，仅包括轻微的垫圈泄漏。
本发明的燃料电池系统的总效率的水平可以根据实施方案进一步提高，其中通过燃料电池系统循环的甲烷的含量被设定为至少30％、优选至少50％和更优选至少70％的燃料电池反应的热量被重整反应所消耗。
鉴于燃料电池系统的灵活性和功能性的增加，燃料电池优选为可逆的燃料电池，并且其可以在燃料电池模式和另外的电解模式下操作。
在电解模式下，燃料电池优选能够在不含碳气体的情况下将氢气和水蒸气的混合物转化为富含氢气的混合物。这有效地使系统中产生纯氢气，在残余水蒸气冷凝后，其可以提供给外部氢气使用者或储存起来，以便在燃料电池操作模式下重新利用。
本发明的又一方面涉及如前所描述的燃料电池系统的操作方法。因此，鉴于燃料电池系统的组成和功能，还参考了上文提供的注释和解释。
该方法包括将纯氢气送入燃料管道的燃料管道入口中。氢气是燃料电池系统整体平衡中唯一被转换的燃料，因此系统总体上没有二氧化碳排放。在燃料管道中，水从甲烷化单元排气中排出或冷凝后，纯氢气与从甲烷化单元排气管道中的甲烷化单元排气混合。所述甲烷化单元排气中氢气和甲烷为主要成分。然后，将所获得的混合物送入阳极入口。在燃料电池中，混合物中所含的甲烷与主要来自燃料电池内部氢气的电化学氧化的水蒸气重整，从而在吸热重整反应中产生氢气和碳氧化物。燃料电池反应在燃料电池中进行，其中氢气作为主要燃料被转化。然后，从阳极出口排出的阳极排气通过阳极排气管道供应给甲烷化单元，而且甲烷从甲烷化单元中的阳极排气中产生。甲烷化单元中产生的甲烷的量等于内部重整中重整的甲烷的量，因此通过燃料电池系统循环的甲烷的含量是恒定的，并且提供了封闭的甲烷循环。
由于上述操作方法中使用的甲烷保持在恒定量，并且没有通过燃料管道送入新的甲烷，因此可以有效地防止燃料电池系统的二氧化碳排放。此外，由于甲烷在燃料电池中被重整，因此燃料电池反应产生的热量可被用于进行吸热重整反应，从而使燃料电池通过内部重整反应直接冷却。因此，可以避免主要通过将大量空气分配到阴极来冷却，这会消耗大量电力，例如风扇等。因此，燃料电池系统中产生的热量得到有效利用而不是浪费，这提高了燃料电池系统的总效率水平。
根据进一步优选的实施方案，燃料电池的操作条件是通过根据燃料电池内部的工作压力和温度调整循环中氢气和甲烷的比率来控制的，如下所示，即使不存在水蒸气，碳沉积在热力学上也不利，因此给定值之间的线性插值提供了典型的碳沉积的近似边界，其不得被削减：
·大气压，550℃，容积比H2:CH4>1.7；或
·2巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>1；或
·5巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>0.63；或
·大气压，600℃，容积比H2:CH4>2.5；或
·2巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>2；或
·5巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，650℃，容积比H2:CH4>5.5；或
·2巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>3；或
·5巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，700℃，容积比H2:CH4>10；或
·2巴绝对压力，700℃，容积比H2:CH4>5；或
·5巴绝对压力，700℃，体积比H2:CH4>2.4。
根据优选的实施方案，并且为了进一步提高热效率和热利用率，该方法包括将热量从甲烷化单元排气传递到待送入阳极入口的混合物中。这提高了燃料电池系统的热效率。
替选地或另外地，该方法可以包括将热量从甲烷化单元传递到蒸汽回路以支持使用蒸汽回路中的水蒸气产生电力的步骤。根据这一步骤，可以直接增加发电量。例如，涡轮机可以由甲烷化反应期间产生的热量加热水产生的水蒸气驱动。
水的去除或冷凝优选将热量从甲烷化单元排气传送到待送入阳极入口的混合物之后进行，其中，特别是要控制水的去除或冷凝使得相对于供应到阳极入口的混合物的总流量体积，阳极入口处混合物中的水蒸气含量小于10Vol％，优选小于3Vol％。这保证了高效率和发电量。
进一步优选地，通过燃料电池系统循环的甲烷的含量被设定成燃料电池反应的热量的至少30％、优选至少为50％和更优选至少为70％被重整反应所消耗。燃料电池反应中产生的热量消耗越高，以热空气排气形式浪费的热能就越少，这有助于燃料电池系统的总效率水平。
该方法还可以包括通过燃料电池系统循环另外量的氢气的步骤，其中循环的另外量的氢气未被消耗。
更优选地，燃料电池系统可以包括一个以上的燃料电池，并且流过所有单一燃料电池的电流之和(电流密度乘以系统中多个燃料电池的总电池面积)设置为等于通过燃料管道入口送入燃料电池系统的氢气中的可用电子数(每摩尔氢气每单位时间送入2摩尔的电子)减去泄漏导致的潜在的氢气的损失。这类似于燃料利用率，即，通过燃料管道送入的氢气的100％减去潜在的氢气泄漏。
根据进一步优选的实施方案，燃料电池可以是可逆的燃料电池，其中当燃料电池以电解模式操作时，产生氢气而不是含碳物质并且氢气和任选的水蒸气循环通过燃料电池。因此，纯氢气可以在相同的可逆的燃料电池系统中产生。
根据另一替选的实施方案，在电解模式下，可以产生甲烷或甲烷和氢气的混合物，且以大约H2O：CO2＝4：1的体积比向系统中添加水和二氧化碳。因此，甲烷可以以非常有效的方式产生，其可被用于其他目的或储存。
进一步优选地，在电解模式下，当产生甲烷时，甲烷化单元向电解反应提供水蒸气。
附图说明
本发明的进一步的细节、优点和特征将参照附图解释以下实施方案的描述。附图示出了：
图1是根据实施方案的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
本发明参照下图进行描述。在此示出了本发明的燃料电池的所有基本元件和部件。所有其他元件和部件都被省略，以增加对本发明的理解。给出的任何温度值仅作为说明，以便更好地理解，且其不代表对所示值的任何限制。
具体而言，图1示出了燃料电池系统1，其被布置用于纯氢气的转换。燃料电池系统包括一个燃料电池2，其包含阳极2a、阴极2b和设置在阳极2a和阴极2b之间的电解质2c。燃料电池2进一步布置用于阳极(2a)内部或周围的内部重整。“内部重整”是指甲烷的转化，从而在燃料电池2内部进行，即在燃料电池内部进行，因此其与燃料电池2的反应区直接热接触。
燃料电池系统1还包括甲烷化单元3。甲烷化单元3被配置为从阳极排气中产生甲烷。因此，阳极出口2d和甲烷化单元3通过阳极排气管道4连接。
甲烷化单元3与蒸汽循环5热耦合，因此，第三热交换器5a构成甲烷化单元3的部分。蒸汽循环5包括用于产生电力的涡轮5b，其由水蒸气驱动。在蒸汽循环5中还设置有水冷凝器或水分离器5c和泵5d。
燃料管道6将燃料管道入口7与阳极入口2e连接起来。在燃料管道6中，设置有鼓风机8，其下游设置第一热交换器9和第二热交换器10。
甲烷化单元排气管道11将甲烷化单元3与鼓风机8上游的燃料管道6连接起来。在甲烷化单元排气管道11中，设置了水冷凝器或水分离器12以将水从甲烷化单元排气中分离出来。
当操作燃料电池系统1时，纯氢气通过燃料管道入口7送入燃料管道6。“纯氢气”是指纯度至少为95Vol.-％且优选至少为99.5Vol.-％的氢气，其余部分是不可避免的杂质。在燃料管道6中，氢气与甲烷化单元排气混合，其中主要含有甲烷和氢气。例如，每秒可能有4mol氢气通过燃料管道入口7送入，而甲烷化单元排气可能每秒向燃料管道6送入1mol氢气，相应地每秒向燃料管道送入1.25mol甲烷。然后将5mol/s氢气和1.25mol/s甲烷的混合物在鼓风机8中压缩并且到达第一热交换器9。热交换器9将热量从甲烷化单元排气传递到主要包括氢气和甲烷的燃料混合物中，以便混合物首次预热，温度大约从环境温度(20℃)升高到例如300℃。
燃料混合物然后进入第二热交换器10。在此，热量从阳极排气传递到混合物中，因此在阳极入口2e处，混合物的温度例如约为580℃。这种高温通常是适当操作固体氧化物燃料电池所必需的。
阳极排气在大约630℃的高温下离开阳极出口2d，该热量用于进一步预热要供应到第二热交换器10中的阳极入口2e的混合物。然后预冷的阳极排气进入甲烷化单元3，且通过放热甲烷化反应产生甲烷。由于阳极排气在较低的温度下进入甲烷化单元3，因此进一步促进了放热的甲烷化反应。
甲烷化反应产生甲烷和热量，热量传递到蒸汽循环5。热量可用于从水中产生水蒸气，且水蒸气可以驱动涡轮机，从而产生另外的电力且更有效地利用反应热。
甲烷化排气的显热可用于通过使用第一热交换器9预热燃料管道6中的氢气和甲烷的燃料混合物。然后，甲烷化单元排气的温度可能降至例如80℃，随后水在水冷凝并且从冷凝器或水分离器12中的甲烷化单元排气中分离出来。由于对饱和压力和温度的依赖性，这导致甲烷化单元排气的温度进一步降低到理想接近环境温度的值，以实现低的水蒸气含量。然后，还原水的甲烷化排气再次与外部通过燃料管道入口7送入燃料管道6的氢气混合。
为了完整起见，概述了阴极2b包括阴极入口2f和阴极出口2g。将氧化剂气体，例如纯氧或空气通过氧化剂管道13供应给阴极入口2g。在氧化剂管道13中设置有鼓风机14以及热交换器15。热交换器利用通过阴极排气管道16供应的阴极排气的热量来预热氧化剂管道13中的氧化剂，从而有效地利用燃料电池2阴极侧的热能。
燃料电池系统1非常高效。根据操作条件，如温度、压力、单程燃料利用率等，燃料电池的电效率约为70％，这意味着通过入口7送入的氢气燃料热值的70％作为电能在燃料电池2中获得。此外，蒸汽循环可以产生大约10％的电力5。然而，只有在甲烷化单元中产生的甲烷的量等于燃料电池中重整的甲烷的量时，才能实现极好的热平衡。因此通过燃料电池系统的甲烷的含量是恒定的。控制所谓的封闭的甲烷循环，使得燃料电池2中产生的热量被燃料电池内部的重整反应大量消耗。因此，可以通过例如向阴极提供大量空气来节省用于另外冷却燃料电池2的热能和电能。此外，从阳极排气中产生甲烷再次产生热量，该热量可用于在蒸汽循环中产生另外的电流，因此燃料电池系统1的总效率非常高。
虽然已经说明和描述了本发明的实施方案，但并不打算说明和描述本发明的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解为可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种更改。
附图标记
1 燃料电池系统
2 燃料电池
2a 阳极
2b 阴极
2c 电解质
2d 阳极出口
2e 阳极入口
2f 阴极入口
2g 阴极出口
3 甲烷化单元
4 阳极排气管道
5 蒸汽循环
5a 第三热交换器
5b 涡轮
5c 水冷凝器或水分离器
5d 泵
6 燃料管道
7 燃料管道入口
8 鼓风机
9 第一热交换器
10 第二热交换器
11 甲烷化单元排气管道
12 水冷凝器或水分离器
13 氧化剂管道
14 鼓风机
15 热交换器
16 阴极排气管道

Claims (15)

1.一种布置成用于转换纯氢气的燃料电池系统(1)，包括：
-至少一个燃料电池(2)，其包括阳极(2a)、阴极(2b)和设置在所述阳极(2a)和阴极(2b)之间的电解质(2c)，所述燃料电池(2)布置成用于甲烷的内部重整，
-燃料管道(6)，所述燃料管道(6)连接燃料管道入口(7)和阳极入口(2e)，
-阳极排气管道(4)，所述阳极排气管道(4)连接阳极出口(2d)和甲烷化单元(3)，所述甲烷化单元(3)能够从阳极排气中产生甲烷，
-甲烷化单元排气管道(11)，所述甲烷化单元排气管道(11)连接甲烷化单元出口和所述燃料管道(6)，以及
-与所述甲烷化单元排气管道(11)耦合的除水和/或水冷凝单元(12)，
其中，引入所述燃料管道(6)的所述燃料管道入口(7)的所述燃料是纯氢气，并且
其中，在所述甲烷化单元(3)中产生的甲烷的量等于在所述燃料电池(2)内部重整的甲烷的量，使得循环通过所述燃料电池系统(1)的甲烷的含量是恒定的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(1)，还包括根据所述燃料电池的工作温度和压力来控制燃料混合物中氢气与甲烷的比率的装置，使得碳沉积在热力学上被阻止而不需要水蒸气存在所述燃料混合物中，其中，所述装置能够通过给定值之间的线性插值根据以下值和中间值调整所述比率：
·大气压，550℃，容积比H2:CH4>1.7；或
·2巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>1；或
·5巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>0.63；或
·大气压，600℃，容积比H2:CH4>2.5；或
·2巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>2；或
·5巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，650℃，容积比H2:CH4>5.5；或
·2巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>3；或
·5巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，700℃，容积比H2:CH4>10；或
·2巴绝对压力，700℃，容积比H2:CH4>5；或
·5巴绝对压力，700℃，体积比H2:CH4>2.4。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(1)，所述甲烷化单元排气管道(11)包括第一传热装置(9)，所述第一传热装置(9)用于将热量从甲烷化单元排气传递到向所述阳极入口(2e)供应的所述燃料，和/或
所述燃料电池系统还包括能够利用水蒸气产生电力的蒸汽回路(5)，所述甲烷化单元排气管道(11)包括第三传热装置(5a)，所述第三传热装置(5a)用于将热量从甲烷化单元排气传递到所述蒸汽回路(5)，和/或
其中，提供给所述阳极入口(2e)的所述甲烷对应于在所述甲烷化单元(3)中产生的甲烷，和/或
其中，循环通过所述燃料电池系统(1)的甲烷的含量被设定成使得燃料电池反应的热量的至少30％、优选至少50％和更优选至少70％被重整反应消耗。
4.根据前述权利要求任一项所述的燃料电池系统(1)，其中，所述燃料电池(2)是可逆的燃料电池，并且能够在根据前述权利要求的燃料电池模式和另外的电解模式下操作。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统(1)，其中，在所述电解模式下，所述燃料电池(2)能够在不存在含碳气体的情况下将氢气和水蒸气的混合物转化为更富含氢气的混合物。
6.一种操作根据前述权利要求任一项所述的燃料电池系统(1)的方法，所述方法包括：
a)将纯氢气送入所述燃料管道(6)的所述燃料管道入口(7)；
b)将所述纯氢气与所述甲烷化单元排气管道(11)中的甲烷化单元排气混合，且将所得混合物送入所述阳极入口(2e)；
c)在所述燃料电池(2)中重整所述混合物中含有的甲烷；
d)在所述燃料电池(2)中进行燃料电池反应；
e)从所述甲烷化单元(3)中的阳极排气中产生甲烷；和
f)去除所述甲烷化单元排气中的水和/或冷凝水，
其中，在所述甲烷化单元(3)中产生的甲烷的量等于在所述燃料电池(2)内部重整的甲烷的量，使得循环通过所述燃料电池系统(1)的甲烷的含量是恒定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过根据所述燃料电池内部的如下工作压力和温度来调整循环中氢气和甲烷的比率，从而控制所述燃料电池的操作条件，即使不存在水蒸气时，碳沉积在热力学上也是不利的，由此给定值之间的线性插值示例性地提供了用于碳沉积的近似边界，其不得被削减：
·大气压，550℃，容积比H2:CH4>1.7；或
·2巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>1；或
·5巴绝对压力，550℃，容积比H2:CH4>0.63；或
·大气压，600℃，容积比H2:CH4>2.5；或
·2巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>2；或
·5巴绝对压力，600℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，650℃，容积比H2:CH4>5.5；或
·2巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>3；或
·5巴绝对压力，650℃，容积比H2:CH4>1.5；或
·大气压，700℃，容积比H2:CH4>10；或
·2巴绝对压力，700℃，容积比H2:CH4>5；或
·5巴绝对压力，700℃，体积比H2:CH4>2.4。
8.根据权利要求6或7所述的方法，所述方法包括将热量从甲烷化单元排气传递到待送入所述阳极入口(2e)的所述混合物中。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，所述方法包括将热量从所述甲烷化单元传递到蒸汽回路(5)以利用所述蒸汽回路(5)中的水蒸气帮助产生电力。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，水的去除或水的冷凝是在将热量从甲烷化单元排气传递到待送入所述阳极入口(2e)的混合物之后进行的，其中，特别地，水的去除或水的冷凝被控制，使得相对于供应到所述阳极入口(2e)的所述混合物的总体积流量，在所述阳极入口(2e)处的所述混合物中的水蒸气含量小于10Vol％、优选小于3Vol％。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，所述方法包括：设定循环通过所述燃料电池系统(1)的甲烷的含量，使得所述燃料电池反应的热量的至少30％、优选至少50％和更优选至少70％被所述重整反应消耗。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，所述方法还包括循环通过所述燃料电池系统的另外量的氢气，其中所述循环另外量的氢气未被消耗。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的方法，其中流过所有单一燃料电池的电流之和被设定为等于每单位时间内通过所述燃料管道入口送入所述系统的氢气中的可用电子数减去泄漏导致的潜在的氢气的损失。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的方法，其中当所述燃料电池(2)以电解模式操作时，产生氢气，氢气和任选的水蒸气通过所述燃料电池(2)循环，或
其中，当所述燃料电池(2)以电解模式操作时，产生甲烷，且以H2O:CO2＝4:1的体积比向所述系统中加入水和二氧化碳。
15.根据权利要求6至14中任一项所述的方法，其中当所述燃料电池(2)以电解模式操作时，所述甲烷化单元向所述电解反应提供水蒸气。
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