專利名稱：用于固體氧化物燃料電池的外殼和固體氧化物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一方面涉及一種固體氧化物燃料電池(SOFC)，更具體而言涉及一種用于 SOFC的外殼。
背景技術(shù)：
SOFC具有產(chǎn)生很少污染甚至無污染、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)。SOFC典型地應(yīng)用于靜態(tài) 發(fā)電系統(tǒng)、小型獨(dú)立電源、車載電源等。目前，SOFC堆根據(jù)其形狀被粗略分成圓柱型、整體型和平板型。每種類型具有獨(dú) 特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在這些類型當(dāng)中，圓柱型SOFC具有不需要?dú)怏w密封且其機(jī)械強(qiáng)度卓越的 優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種SOFC外殼，其中均勻量的流體能夠基本上在多個(gè)SOFC 電池，即陽極支撐圓柱形SOFC電池周圍流動(dòng)。在另一實(shí)施例中，提供具有SOFC外殼的S0FC，其能夠改善堆或系統(tǒng)的性能和能夠 長期穩(wěn)定地工作。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供用于固體氧化物燃料電池的外殼，該外殼包括限定腔 室的多個(gè)側(cè)壁；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第一開口，該第一開口被構(gòu)造成允許 流體進(jìn)入所述腔室；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第二開口，該第二開口被構(gòu)造成 允許所述流體離開所述腔室；以及在所述第一開口與所述第二開口之間以增加所述第一開 口與所述第二開口之間的流徑長度的流徑延伸單元。在一個(gè)實(shí)施例中，所述流徑在所述側(cè)壁的第一側(cè)壁與所述側(cè)壁的第二側(cè)壁之間具 有Z字形狀。進(jìn)一步，所述流徑延伸單元可包括附接到所述第一側(cè)壁并從所述第一側(cè)壁沿 朝向所述第二側(cè)壁的方向延伸的第一分隔壁；以及附接到所述第二側(cè)壁并從所述第二側(cè)壁 沿朝向所述第一側(cè)壁的方向延伸的第二分隔壁；其中所述第一分隔壁與所述第二分隔壁在 垂直于所述分隔壁的方向上分隔開。在一個(gè)實(shí)施例中，穿孔板在所述腔室中，其中所述穿孔板具有被構(gòu)造成允許所述 流體能夠流過的多個(gè)開口。進(jìn)一步，所述穿孔板被定向?yàn)榛旧洗怪庇谒龅诙指舯?，?且，所述穿孔板鄰近所述流徑延伸單元的出口側(cè)。另外，所述穿孔板的所述多個(gè)開口的直徑 隨著所述多個(gè)開口與所述流徑延伸單元的出口側(cè)的距離的增加而變化。例如，所述多個(gè)開 口的直徑沿著所述流徑的長增加或減小。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)開口被構(gòu)造成在所述腔室中提供基本上均勻的流體流動(dòng)。所述穿孔板的所述多個(gè)開口中的相鄰開口之間的距離 沿著所述流徑的長變化。所述的外殼可進(jìn)一步包括多個(gè)導(dǎo)向管，其中所述多個(gè)導(dǎo)向管中的每一個(gè)導(dǎo)向管被 聯(lián)接到所述穿孔板的所述多個(gè)開口中的相應(yīng)一個(gè)開口。在一個(gè)實(shí)施例中，所述外殼可包括鄰近所述第一開口的阻擋單元，其中所述阻擋 單元被構(gòu)造成使流動(dòng)通過所述第一開口的流體轉(zhuǎn)向到所述流徑中，并且，所述阻擋單元可 與所述第一開口分開。進(jìn)一步，所述第二開口包括位于所述側(cè)壁的所述其中一個(gè)側(cè)壁的下 部中的槽或位于所述側(cè)壁的所述其中一個(gè)側(cè)壁中的多個(gè)開口。根據(jù)本發(fā)明的各方面，提供一種固體氧化物燃料電池，其包括外殼；容納在所述 外殼內(nèi)的多個(gè)固體氧化物燃料電池；用于將燃料供應(yīng)到所述多個(gè)固體氧化物燃料電池的燃 料供應(yīng)單元；用于將氧化劑供應(yīng)到所述多個(gè)固體氧化物燃料電池的氧化劑供應(yīng)單元；其中 所述外殼包括限定腔室的多個(gè)側(cè)壁；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第一開口，該 第一開口被構(gòu)造成允許流體能夠進(jìn)入所述腔室；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第二 開口，該第二開口被構(gòu)造成允許所述流體能夠離開所述腔室；以及在所述第一開口與所述 第二開口之間以增加所述第一開口與所述第二開口之間的流徑長度的流徑延伸單元。


附圖和說明書描繪出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，并和描述共同用于解釋本發(fā)明的原理。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。圖2為SOFC的示意性立體圖，其描繪出圖1的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。圖3為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。圖4為SOFC的示意性立體圖，其描繪出圖3的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。圖5為SOFC的示意性立體圖，其描繪出在根據(jù)比較例的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。圖6A至6C分別為描繪出穿過圖5的SOFC外殼中的三個(gè)平面的流體流速的圖表。圖7為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。圖8為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。圖9為SOFC的示意性截面圖，其描繪出圖8的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。圖10為圖9的SOFC的橫截面圖。圖IlA至IlC分別為描繪出穿過圖10的SOFC外殼中的三個(gè)平面的流體流速的圖表。圖12A和12B為描繪出用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例SOFC外殼的穿孔板和導(dǎo)向管的結(jié) 構(gòu)的示意性截面圖。圖13A為描繪出用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SOFC的SOFC電池的操作的示意性截面 圖。圖13B為描繪出替代圖13A中SOFC電池的另一 SOFC電池形狀的示意性立體圖。<附圖中主要部分的附圖標(biāo)記的解釋說明>100、203、300、300a 外殼101、201、301 固體氧化物燃料電池
110、210、310 外殼主體120,220,320 流徑延伸單元227、340、340a、340b 穿孔板330:阻擋單元350、350a、;350b、350c 導(dǎo)向管200、200a:電池
具體實(shí)施例方式在下文中，參照附圖對(duì)本發(fā)明的示意性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，以使其能夠被本領(lǐng) 域技術(shù)人員容易地實(shí)施。為了清楚，如果功能和構(gòu)成在相關(guān)領(lǐng)域眾所周知，則在本發(fā)明的詳細(xì)描述中不再 給出進(jìn)一步的論述。在附圖中，相似的附圖標(biāo)記自始至終表示相似的元件。此外，為了便于 描述和清楚，層或區(qū)域的厚度或尺寸被夸大。為了便于描繪，元件在附圖中進(jìn)行適當(dāng)?shù)赝队?。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。參見圖1，SOFC外殼100包括外殼主體110和聯(lián)接到該外殼主體110的流徑延伸 單元120。外殼主體110被提供為具有內(nèi)空間或腔室112、連接到腔室112以允許流體穿過 而流入腔室112的至少一個(gè)第一開口 114、以及連接到腔室112以允許流體穿過而從腔室 112流出的至少一個(gè)第二開口 116。流徑延伸單元120布置為鄰近第一開口 114，使得通過 第一開口 114流入腔室112的流體在外殼主體110內(nèi)以大致Z字形流動(dòng)。第一開口 114的截面積明顯小于腔室112的面積(對(duì)應(yīng)于χ-y平面)，通過第一開 口 114流入腔室112的流體在腔室112內(nèi)流動(dòng)。在此情況下，為了允許通過第一開口 114 流入腔室112的流體在腔室112內(nèi)均勻地流動(dòng)，流體在對(duì)應(yīng)于第一開口 114的部分中基本 上呈一維分布而不是二維分布。因此，在該實(shí)施例中，通過連接到第一開口 114的流徑延伸 單元120，流體基本上呈一維分布，使得流體能夠通過第一開口 114流入流徑延伸單元120。在一個(gè)實(shí)施例中，流徑延伸單元120可具有形成有多級(jí)屏或分隔壁的流徑結(jié)構(gòu)。 更具體而言，流徑延伸單元120具有下述流徑結(jié)構(gòu)，平坦的第一和第二分隔壁121和123被 布置成沿相對(duì)方向延伸，同時(shí)彼此以預(yù)定間隔分隔開。在此，第一分隔壁121的一端在第一 壁Illa與相對(duì)該第一壁Illa形成的第二壁Illb之間連接到外殼主體110的第一壁111a， 第二分隔壁123的一端連接到外殼主體110的第二壁111b。這種結(jié)構(gòu)可被稱為互相交叉的 結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，由于第一和第二開口 114和116被分別提供在第一壁Illa的上部 和下部，因而流徑延伸單元120被提供為具有第三分隔壁125，該第三分隔壁125的定向類 似于第一分隔壁121，但與第一和第二分隔壁121和123分開，使得通過第一開口 114流入 流徑延伸單元120的流體經(jīng)由流徑延伸單元120通過第二開口 116平滑地流出。更具體而 言，平坦的第三分隔壁125的一端被連接到第一壁111a，并被布置成以預(yù)定間隔與第二分 隔壁123分開。流徑延伸單元120具有大致Z字形或曲折形式。這種流徑結(jié)構(gòu)因考慮到SOFC外 殼100的容積的限制而設(shè)計(jì)。例如，流徑結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成使得SOFC外殼100的容積不會(huì)顯著增加或者以最低程度增加。在該實(shí)施例中，考慮到有效的流徑延伸結(jié)構(gòu)，流徑延伸單元120被提供為使得通 過第一開口 114流入腔室112的流體首先在外殼主體110的上壁Illc的內(nèi)表面與流徑延伸 單元120的外表面，即第一分隔壁121的一個(gè)表面之間流動(dòng)。在以下描述中，考慮到流徑的 延伸，流徑延伸單元120可包括在外殼主體110的上壁Illc的內(nèi)表面與流徑延伸單元120 的外表面之間的路徑。在流徑延伸單元120中，流徑在與流體流動(dòng)方向(ζ方向)接近垂直的方向上的截 面積比腔室112的面積(對(duì)應(yīng)于x-y平面)小得多。例如，外殼主體110的上壁Illc與第 一分隔壁121之間的距離Hl與第一開口 114的直徑近似或者比第一開口 114的直徑小。在流徑延伸單元120中，流徑在與流體流動(dòng)方向(ζ方向)接近垂直的方向上的寬 度(X方向)大于第一開口 114的直徑。例如，流徑的寬度可比第一開口 114的直徑大近似 幾倍至幾十倍。然而，流徑的寬度的值比流徑延伸單元120的流徑的長度小得多。一維流 徑結(jié)構(gòu)由流徑的長度和寬度之間的關(guān)系而形成。流徑延伸單元120的流徑可延伸為與長度差不多，并且分隔壁的數(shù)量增加。在此， 第一和第二分隔壁121和123被布置成形成大致Z字形的流徑。在該實(shí)施例中，兩個(gè)相鄰 的分隔壁之間在方向(y方向)上的距離可相等。根據(jù)上述構(gòu)造，流徑延伸單元120基本上防止通過第一開口 114流入外殼100的 流體彼此基本上以二維的矢量分量分布。流徑延伸單元120允許流過第一開口 114的流體 的不相等的速度在通過一維流徑結(jié)構(gòu)后基本上一致。也就是說，通過具有足夠長度的流徑，流徑延伸單元120允許流體從至少一點(diǎn)開 始進(jìn)行一維流動(dòng)。相應(yīng)地，穿過流徑延伸單元120的流體的速度分量基本上一致，使得流體 能夠在SOFC外殼100的腔室112中幾乎以勻速流動(dòng)。在該實(shí)施例中，流體由于SOFC外殼 100內(nèi)的整體壓差而流動(dòng)。圖2為SOFC的示意性立體圖，其描繪出圖1的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。參見圖2，SOFC 101包括該實(shí)施例的SOFC外殼(在下文中稱為外殼)、安裝在外 殼100中的SOFC電池200 (在下文中稱為電池)、以及用于將燃料和氧化劑供應(yīng)到電池200 的反應(yīng)物供應(yīng)單元。反應(yīng)物供應(yīng)單元可包括燃料供應(yīng)單元和氧化劑供應(yīng)單元。燃料或氧化劑供應(yīng)單元 可包括連接到電池200的歧管。在以下描述中，為了便于圖示，通過外殼100中的流徑延伸 單元120供應(yīng)的氣態(tài)第一流體用作氧化劑，通過歧管213供應(yīng)的第二流體用作燃料。在此， 歧管213聯(lián)接到外殼100并連接到電池200，使得流體能夠從歧管213中流過。氧化劑的實(shí) 例可包括空氣、純氧氣等，燃料的實(shí)例可包括氫、煤氣、天然氣、垃圾填埋氣等。在該實(shí)施例中，氧化劑供應(yīng)單元通過連接到第一開口 114的管115將空氣供應(yīng)到 外殼100。在此情況下，流入外殼100的空氣首先在外殼100的上壁Illc與第一分隔壁121 之間流動(dòng)，然后在第二壁Illb的內(nèi)表面上改變其方向，從而在第一分隔壁121與第二分隔 壁123之間流動(dòng)。空氣在第一壁Illa的內(nèi)表面上再次改變其方向，從而在第二分隔壁123 與第三分隔壁125之間流動(dòng)。隨后，空氣再次改變其方向，然后在以預(yù)定朝向安放在腔室 112內(nèi)的電池200周圍經(jīng)過。然后，空氣通過第二開口 116從外殼100排放出去。在上述空氣流動(dòng)中，在預(yù)定壓力下以基本上一維的形式通過管115被供應(yīng)的空氣沿長度比流徑延伸單元120的寬度足夠長的流徑流動(dòng)?？諝庠谑噶糠至炕旧弦恢碌臓顟B(tài) 下被供應(yīng)到外殼的腔室112。供應(yīng)到外殼100的腔室112的空氣在電池200周圍以基本上 均勻的流速流動(dòng)，然后通過第二開口 116從外殼100排放出去。根據(jù)上述構(gòu)造，通過均勻地供應(yīng)到每個(gè)電池200的陰極的氧化劑和通過歧管213 供應(yīng)到每個(gè)電池200的陽極的燃料的電化學(xué)反應(yīng)，SOFC 101能夠有效地發(fā)電。歧管213能 夠通過出口流排放諸如水的反應(yīng)副產(chǎn)物和未使用的燃料。如上所述，在該實(shí)施例的SOFC 101中，具有基本一致的流速的氧化劑通過流徑延 伸單元120被供應(yīng)到電池200周圍。相應(yīng)地，如果供應(yīng)到每個(gè)電池200的燃料的量基本上 相同，則能夠改善SOFC 101的性能，并且SOFC 101能夠長期穩(wěn)定地工作。圖3為根據(jù)本方面另一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。參見圖3，SOFC外殼203包括外殼主體210、聯(lián)接到該外殼主體210的流徑延伸單 元220、以及在流體的流動(dòng)方向的下游側(cè)聯(lián)接到流徑延伸單元220的穿孔板227。外殼主體210被提供為具有腔室212和連接到該腔室212的第一和第二開口 214 和216，使得流體能夠從第一和第二開口 214和216中流過。外殼主體210被提供為具有 第一壁211a。第一和第二開口 214和216在第一壁211a上以預(yù)定間隔分開。在該實(shí)施例 中，第二開口 216包括多個(gè)開口。在該實(shí)施例中，外殼主體210可容納流徑延伸單元220。然而，本發(fā)明并不限于此。 例如，流徑延伸單元220可被設(shè)計(jì)成包括外殼主體210的上壁211c并覆蓋外殼主體210的 上開口?？商娲?，流徑延伸單元220可被設(shè)計(jì)成由虛線表示的部分220a，以允許外殼主體 210被形成為與部分220a分離。流徑延伸單元220被提供為使得在預(yù)定壓力下以基本上一維的形式被供應(yīng)通過 第一開口 214的空氣流過長度比該流徑的寬度足夠長的流徑。流徑延伸單元220被提供為 具有第一分隔壁221、第二分隔壁223和第三分隔壁225。流徑延伸單元220與圖1的流徑 延伸單元120基本上相同。穿孔板227位于流徑的一端，相對(duì)于流徑延伸單元220的流徑而與位于該流徑另 一端的第一開口 214相對(duì)。穿孔板227被提供為允許從流徑延伸單元220的出口排放的流 體被適當(dāng)?shù)胤植肌＿@樣，穿孔板227被提供為具有多個(gè)開口 228，使得流體適當(dāng)?shù)胤植?。在該?shí)施例中，穿孔板227被提供為使得該穿孔板227沿與在第一方向(ζ方向) 上延伸的平坦的第三分隔壁225垂直的第二方向(y方向)延伸。也就是說，穿孔板227被 提供成平行于x_y平面，從而與平行于x-z平面的平坦的第三分隔壁225垂直?？紤]到下文中描述的導(dǎo)向管和穿孔板之間的關(guān)系，穿孔板的尺寸可與導(dǎo)向管的尺 寸成比例。例如，多個(gè)開口 2 可被設(shè)計(jì)成使得位于穿孔板227的第一部分(即穿孔板227 的上部)處的第一開口的尺寸小于穿孔板227的與第一部分接觸的第二部分(即穿孔板 227的下部)處的第二開口的尺寸，在第一部分處，通過流徑延伸單元220的流體首次相遇。 可替代地或額外地，多個(gè)開口 2 可被設(shè)計(jì)成使得位于穿孔板227的第一部分處的相鄰的 第一開口之間的間隔大于位于穿孔板227的與第一部分接觸的第二部分處的相鄰的第二 開口之間的間隔。也就是說，穿孔板的多個(gè)開口的直徑可隨著多個(gè)開口與流徑延伸單元的出口側(cè)的 距離的增加而變化。多個(gè)開口的直徑沿著流徑的長度可增加或減小。穿孔板的多個(gè)開口中的相鄰開口之間的距離沿著所述流徑的長度可變化。根據(jù)上述構(gòu)造，通過允許通過第一開 口 214流入外殼210的流體基本上以一維形式流動(dòng)然后被適當(dāng)?shù)胤植?，流體能夠被排放到 外殼210的腔室212。圖4為SOFC的示意性立體圖，其描繪出圖3的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。如圖4所示，SOFC 201包括該實(shí)施例的外殼203、容納在外殼203中的多個(gè)電池 200、用于通過外殼203中的預(yù)定流徑將空氣供應(yīng)到每個(gè)電池的氧化劑供應(yīng)單元、以及用于 將燃料供應(yīng)到每個(gè)電池200的燃料供應(yīng)單元。燃料供應(yīng)單元包括連接到多個(gè)電池200的歧 管210a，使得流體能夠從歧管210a中流過。在該實(shí)施例中，氧化劑供應(yīng)單元通過第一開口 214將空氣供應(yīng)到外殼203。流入外 殼203的空氣穿過流徑延伸單元220，然后通過穿孔板227被分布到腔室212中。分布到腔 室212中的空氣在多個(gè)電池200周圍經(jīng)過，然后通過第二開口 216被排放到外殼203的外部。根據(jù)上述構(gòu)造，通過基本上均勻地供應(yīng)到位于每個(gè)電池200外表面上的陰極的氧 和通過歧管210供應(yīng)到位于每個(gè)電池200內(nèi)表面處的陽極的燃料的電化學(xué)反應(yīng)，SOFC 201 能夠有效地發(fā)電。歧管210a能夠通過出口流將諸如水的反應(yīng)副產(chǎn)物和未使用的燃料排放 到外殼203的外部。如上所述，在該實(shí)施例的SOFC 201中，基本勻速的空氣通過流徑延伸單元220和 穿孔板227被提供到電池200周圍。相應(yīng)地，如果供應(yīng)到每個(gè)電池200的燃料的量基本上 相同，則能夠改善SOFC 201的性能，并且SOFC 201能夠長期穩(wěn)定地工作。圖5為示出根據(jù)比較例的SOFC外殼中的流體流動(dòng)的示意性立體圖。在比較例中，多個(gè)電池安裝在不具有圖1中外殼的流徑延伸單元的外殼中，并且 測(cè)量供應(yīng)到外殼的空氣的流速。如圖5所示，根據(jù)比較例的SOFC 102包括外殼103和容納在該外殼103中的多個(gè) 電池200。外殼103被提供為具有第一壁104a、第二壁104b、形成在第一壁10 上的第一開 口 105、以及形成在第二壁104b上的第二開口 106。除了上述流徑延伸單元之外，外殼103 具有與圖1中外殼的結(jié)構(gòu)基本上相同的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，外殼103的腔室103a的容積與圖2 中外殼100的容積基本上相同。多個(gè)電池200安裝在外殼103中。在此，電池200的數(shù)量 和堆疊/設(shè)置形式與圖2中電池200的數(shù)量和堆疊/設(shè)置形式相同。盡管圖5只是示意性示出，在此比較例中，總共M個(gè)電池用作多個(gè)電池200。在 此，電池在空氣的流動(dòng)方向(ζ方向)上構(gòu)成6條線，在y方向上構(gòu)成9條線。通過第一開口 105流入外殼103中的空氣在腔室103a中以不等的矢量分量的形 式分布。以與壁10 以預(yù)定間隔分開的預(yù)定平面107a為基礎(chǔ)，從第一開口 105分布到腔 室103a中的空氣的矢量分量可以以多個(gè)箭頭108示出。如上所述，在預(yù)定壓力下流入比較例的SOFC 102的外殼103中的空氣從對(duì)應(yīng)于第 一開口 105的部分處二維地分布在對(duì)應(yīng)于平面107的平面上，因而空氣的速度分布不相等。也就是說，在比較例的外殼或SOFC中，當(dāng)空氣從第一開口 105經(jīng)由腔室103a流到 第二開口 106時(shí)，腔室103a的前部、中部和后部以及腔室103a底部、中部和頂部的空氣速 度由于空氣的不相等的速度分布以及壁效應(yīng)(例如從外殼103的內(nèi)表面反射的空氣的矢量分量)而有極大不同。腔室103a的前部、中部和后部分別對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三點(diǎn)109a、109b和109c 處的χ-y平面。圖6A至6C分別為示出穿過圖5的SOFC外殼中的三個(gè)平面的流體流速的圖表。在 此，這三個(gè)平面分別對(duì)應(yīng)于圖5的前部、中部和后部。圖6A示出通過沿前部中的水平線在每個(gè)電池周圍測(cè)量頂部、中部和底部處的空 氣流速獲得的結(jié)果。如圖6A所示，在前部中的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的底部處的空氣速度被測(cè) 量為從大約0. 046m/s到大約0. 066m/s，在前部中的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的中部處的空氣速 度被測(cè)量為從大約0. 025m/s到大約0. 071m/s，從前部的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的頂部處的空 氣速度被測(cè)量為從大約0. 011m/s到大約0. 078m/s。圖6B示出通過測(cè)量在中部的第三和第四條直線上的相鄰電池之間的頂部、中部 和底部處的空氣流速獲得的結(jié)果。如圖6B所示，在中部的九對(duì)相鄰電池之間的底部處的空 氣速度被測(cè)量為從大約0. 033m/s到大約0. 046m/s，在中部的九對(duì)相鄰電池之間的中部處 的空氣速度被測(cè)量為從大約0. 010m/s到大約0. 041m/s，在中部的九對(duì)相鄰電池之間的頂 部處的空氣速度被測(cè)量為從大約0. 006m/s到大約0. 043m/s。圖6C示出通過在后部的第六條直線上測(cè)量每個(gè)電池周圍的頂部、中部和底部處 的空氣流速獲得的結(jié)果。如圖6C所示，在后部的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的底部處的空氣速度被 測(cè)量為從大約0. 032m/s到大約0. 040m/s，在后部的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的中部處的空氣速 度被測(cè)量為從大約0. 013m/s到大約0. 040m/s，在后部的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的頂部處的空 氣速度被測(cè)量為從大約0. 005m/s到大約0. 030m/s。在比較例的SOFC 102中，外殼中的空氣速度根據(jù)每個(gè)電池的位置顯示較大的差 異，且其偏差顯示出高達(dá)大約50%的最大值。這樣，可知，比較例的SOFC 102在外殼103的 腔室103a的所有位置具有基本上不等的空氣速度。根據(jù)該比較例，在SOFC 102中，盡管假設(shè)供應(yīng)到每個(gè)電池200的燃料相等，但供應(yīng) 到每個(gè)電池200的空氣中的氧不等。因此，各個(gè)電池200的性能明顯不同。因此，可降低系 統(tǒng)的性能，并且，可能難以長期操作該系統(tǒng)。在另一比較例中，流入外殼(其不包括圖4的SOFC中的外殼的流徑延伸單元)的 腔室中的空氣速度被測(cè)量。結(jié)果與上述比較例的結(jié)果幾乎沒有什么不同。根據(jù)比較例的 SOFC的外殼中的空氣速度不再單獨(dú)描述，以避免重復(fù)描述。圖7為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。參見圖7，外殼300包括外殼主體310、聯(lián)接到該外殼主體310的流徑延伸單元320 和阻擋單元330。外殼主體310被提供為具有第一壁311a、與第一壁311a相對(duì)并以預(yù)定間隔與第一 壁311a分開的第二壁311b、將第一和第二壁311a和311b的頂部彼此連接的第三壁311c、 與第三壁311c相對(duì)并連接到第一和第二壁311a和311b底部的第四壁311d、連接到第一至 第四壁311a至311d的一個(gè)邊緣的第五壁311e、以及與第五壁311e相對(duì)并連接到第一至第 四壁311a至311d的另一邊緣的第六壁311f。外殼主體310進(jìn)一步被提供為具有腔室312、連接到腔室312以使流體能夠流過的 多個(gè)第一開口 314、以及連接到腔室312以使流體能夠流過的多個(gè)第二開口 316。多個(gè)第一開口 314形成在對(duì)應(yīng)于外殼主體310上壁的第三壁311c上，多個(gè)第二開口 316形成在第二 壁311b上。在該實(shí)施例中，三個(gè)第一開口 314被布置在一條線上，并沿平行于第一壁311a的 方向以預(yù)定間隔分開。多個(gè)第二開口 316在第二壁311b上以預(yù)定圖案布置。阻擋單元330被布置在外殼主體310中，同時(shí)以預(yù)定間隔與三個(gè)第一開口 314分 開。如果阻擋單元330被提供為以預(yù)定間隔與三個(gè)第一開口 314分開，通過第一開口 314 流入外殼主體310中的空氣碰撞阻擋單元330，然后被適當(dāng)?shù)胤植?。在該?shí)施例中，阻擋單 元330被提供為具有在外殼主體310中從第三壁311c延伸預(yù)定長度的第一阻擋壁332，和 從第一阻擋壁332的端部邊緣朝向第一壁311a延伸的第二阻擋壁334。第二阻擋壁334的 端部邊緣以預(yù)定間隔與第一壁311a分開。在一個(gè)實(shí)施例中，阻擋單元330可形成為固定在外殼主體310內(nèi)的流徑延伸單元 320的一個(gè)外表面。在此情況下，第一阻擋壁332變成內(nèi)分隔壁，用于允許流徑延伸單元320 在外殼主體310牢固地連接到第一阻擋壁332。第二阻擋壁334變成流徑延伸單元320的 一個(gè)壁，且其外表面用作阻擋單元330。流徑延伸單元320具有的流徑的長度基本上比其寬度(χ方向)足夠長。流徑延 伸單元320的流徑結(jié)構(gòu)被形成為使得從阻擋單元330分布的空氣能夠基本上以一維形式流 動(dòng)。在該實(shí)施例中，流徑延伸單元320被提供為具有布置成互相交叉形式并以預(yù)定間隔分 開的平坦的第一、第二、第三和第四分隔壁321、322、323和324。第三和第四分隔壁323和 324分別與第一和第二分隔壁321和322的朝向類似。第一分隔壁321從第二阻擋壁334的端部邊緣朝向第四壁311d延伸，且第一分隔 壁321的端部在y方向上以預(yù)定間隔與第四壁311d分開。第二分隔壁322從第四壁311d 朝向第二阻擋壁334延伸，且第二分隔壁332的端部以預(yù)定間隔與第二阻擋壁334分開。第 三分隔壁323從第二阻擋壁334的中部朝向第四壁311d延伸，且第三分隔壁323的端部以 預(yù)定間隔與第四壁311d分開。第四分隔壁3M從第四壁311d朝向第二阻擋壁334延伸， 且第四分隔壁324的端部以預(yù)定間隔與第二阻擋壁334分開。第一、第二、第三和第四分隔壁321、322、323和3 與其相鄰分隔壁以預(yù)定間隔分 開。第一至第四分隔壁分隔壁321、322、323和324的每一個(gè)的兩側(cè)分別連接到第五和第六 壁 311e 和 311f0根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，通過第一開口 314流入外殼300的空氣碰撞阻擋單元330，然后被 適當(dāng)?shù)胤植嫉皆谧钃鯁卧?30與第一開口 314之間或在阻擋單元330與第三壁311c的內(nèi) 表面之間的分布空間330a中。分布到分布空間330a中的空氣自然流入到在流徑延伸單元 320與第一壁311a之間的空間。然后，空氣以一維形式流入到流徑延伸單元320與第一壁 311a之間的空間，并流入到流徑延伸單元320。此時(shí)，空氣的矢量分量基本上不一致。從流 徑延伸單元320的出口 327排放的空氣基本上以勻速穿過腔室312，然后通過第二開口 316 被排放到外殼300的外部。圖8為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的SOFC外殼的示意性立體圖。圖9為SOFC的示意 性截面圖，其示出圖8的SOFC外殼中的流體流動(dòng)。圖10為圖9的SOFC的橫截面圖。參見圖8，外殼300a包括外殼主體310、流徑延伸單元320、阻擋單元330、穿孔板 340和多個(gè)導(dǎo)向管350。
該實(shí)施例的外殼300a除了穿孔板340和導(dǎo)向管350之外與參照?qǐng)D7描述的外殼 300基本上相同。穿孔板340被布置在第一阻擋壁332和對(duì)應(yīng)于外殼主體310的底壁的第四壁311d 之間。穿孔板340被布置在外殼300a的腔室312與流徑延伸單元320之間。穿孔板340 被提供為具有使從流徑延伸單元320排放的流體穿過的多個(gè)開口 348。導(dǎo)向管350被聯(lián)接 到相應(yīng)的一個(gè)開口 ；348。在該實(shí)施例中，穿孔板340除了穿孔板340的安裝位置和尺寸之外與參照?qǐng)D3描 述的穿孔板227基本上相同。多個(gè)導(dǎo)向管350在穿孔板340的與第二開口 316相對(duì)的一個(gè)表面上分別聯(lián)接到開 口 348。每個(gè)導(dǎo)向管350引導(dǎo)空氣流動(dòng)，使得從流徑延伸單元320通過穿孔板340的開口 348排放到腔室312的空氣的矢量分量被轉(zhuǎn)化成基本上平行于ζ方向的方向?？筛鶕?jù)流體 的流動(dòng)或速度控制導(dǎo)向管350的突出的長度。具體而言，從流徑延伸單元320排放的空氣將速度矢量保持到某一水平。因此，當(dāng) 穿過穿孔板340的開口 348時(shí)，空氣不會(huì)沿垂直于穿孔板340的方向(ζ方向)流動(dòng)，而是 朝著外殼300a的底部傾斜某一角度流動(dòng)。在此情況下，穿過穿孔板340的一部分空氣可能 不會(huì)流過第二開口 316而是可能在腔室312中循環(huán)。然而，如圖9所示，在具有外殼300a的SOFC 301中，穿過穿孔板340的空氣流動(dòng) 由導(dǎo)向管350大致沿ζ方向引導(dǎo)，從而消除僅在腔室312中循環(huán)的空氣流動(dòng)，相應(yīng)地，腔室 312中的空氣流動(dòng)在ζ方向上基本一致。該實(shí)施例中的SOFC 301的腔室312中的空氣流動(dòng)被測(cè)量。如圖10所示，空氣流 動(dòng)分別在包括多個(gè)電池的堆的前部、中部和后部Al、A2和A3以及每個(gè)電池的頂部、中部和 底部進(jìn)行測(cè)量。在上述堆中，多個(gè)電池以預(yù)定圖案沿空氣的流動(dòng)方向布置，例如，被布置成 6條水平線和9條垂直線。圖1IA至1IC分別為示出穿過圖10的SOFC外殼中的三個(gè)平面的流體流速的圖表。圖IlA示出通過測(cè)量在前部A的第一條水平線上的每個(gè)電池周圍的頂部、中部和 底部處的空氣流速獲得的結(jié)果。如圖IlA所示，在前部Al中的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的底部、 中部和頂部處的空氣速度被測(cè)量為分別從大約0. 045士0. 003m/s、大約0. 025士0. 005m/s 和大約 0. 017 士0. 0002m/s。圖IlB示出通過測(cè)量在中部A2的第三和第四條直線上的相鄰的電池之間的 頂部、中部和底部處的空氣流速獲得的結(jié)果。如圖IlB所示，在中部A2的九對(duì)相鄰電 池之間的底部、中部和頂部處的空氣速度被測(cè)量為分別從大約0. 068 士 0. 002m/s、大約 0. 049 士0. 002m/s 和大約 0. 039 士0. 0001m/s。圖IlC示出通過測(cè)量后部A3中的第六條直線上的每個(gè)電池周圍的頂部、中部和 底部處的空氣流速獲得的結(jié)果。如圖lie所示，在后部A3的相應(yīng)九個(gè)電池周圍的底部、 中部和頂部處的空氣速度分別為大約0. 068士0. 002m/s、大約0. 045士0. 001m/s和大約 0.037士0. 0001m/s。根據(jù)該實(shí)施例，在SOFC 301的外殼中前部Al的頂部、中部和底部處的空氣的速度 分別具有大約9. 5%、大約7. 5%和大約4. 4%的偏差。在中部和后部A2和A3的所有位置 上顯示出大約1.3%到大約1.9%的均勻偏差。同樣，在該實(shí)施例的SOFC 301中，可知，對(duì)于外殼中電池周圍的每個(gè)位置，流體的速度分布相當(dāng)均勻。圖12A和12B為示出可用于該實(shí)施例的SOFC外殼的穿孔板和導(dǎo)向管的結(jié)構(gòu)的示 意性截面圖。該實(shí)施例提供穿孔板和導(dǎo)向管的結(jié)構(gòu)，其可用于使用穿孔板或根據(jù)前述實(shí)施例的 穿孔板和導(dǎo)向管的外殼。參見圖12A，穿孔板340被提供為具有多個(gè)開口 348a、348b和348c。在該實(shí)施例 中，開口 348a、;348b和:348c的直徑可隨著開口 348a、;348b和:348c距穿孔板；340的側(cè)部 342a (流體首先達(dá)到此處)更遠(yuǎn)且距側(cè)部34 更近而增大。也就是說，可提供穿孔板340a， 使得第一開口 :348a的第一直徑dl小于第二開口 :348b的第二直徑d2，且第二開口 :348b的 第二直徑d2小于第三開口 348c的第三直徑d3。在該實(shí)施例中，相鄰開口之間的距離Ll可 相等。當(dāng)導(dǎo)向管350a,350b和350c分別聯(lián)接到穿孔板340a的開口 348a,348b和348c 時(shí)，導(dǎo)向管350a、350b和350c的中空部分的截面積可隨著導(dǎo)向管350a、350b和350c距穿 孔板340的側(cè)部342a (流體首先達(dá)到此處)更遠(yuǎn)且距側(cè)部34 更近而增大。參見圖12B，穿孔板340被提供為具有多個(gè)開口 349a、349b、349c和349d。在該實(shí) 施例中，相鄰開口之間的間隔可隨著開口 349a、349b、349c和349d距穿孔板340b的側(cè)部 :342b (流體首先達(dá)到此處)更遠(yuǎn)且距側(cè)部344b更近而減小。也就是說，在穿孔板340中，相 鄰的第一與第二開口 :349a和349b之間的第一間隔L2大于相鄰的第二和第三開口 349b和 349c之間的第二間隔L3。相鄰的第二和第三開口 349b和349c之間的第二間隔L3大于相 鄰的第三和第四開口 349c和349d之間的第三間隔L4。在該實(shí)施例中，各個(gè)開口的直徑d4 可恒定。具有相同的中空部分截面積的導(dǎo)向管350可分別被聯(lián)接到穿孔板340b的開口 349a.349b.349c和349d。在此情況下，在穿孔板340中，相鄰的導(dǎo)向管350之間的間隔可 隨著導(dǎo)向管350距穿孔板340b的側(cè)部342b (流體首先達(dá)到此處)更遠(yuǎn)且距側(cè)部344b更近 而減小。在下文中，將詳細(xì)描述該實(shí)施例的SOFC及其操作。返回參見圖9，該實(shí)施例的SOFC 301包括多個(gè)電池200、用于將燃料供應(yīng)到每個(gè)電 池200的燃料供應(yīng)單元、用于將氧化劑供應(yīng)到每個(gè)電池200的氧化劑供應(yīng)單元、以及用于容 納多個(gè)電池200的外殼310。燃料供應(yīng)單元可包括歧管210a。氧化劑供應(yīng)單元通過諸如管 的連接裝置連接到第一開口 314，使得流體能夠從第一開口 314流過。氧化劑單元可在預(yù)定 壓力下供應(yīng)空氣。特別地，如圖13A所示，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的歧管210a具有兩層結(jié)構(gòu)，并被提供以通 過連接到第一層212的燃料供應(yīng)管216將燃料供應(yīng)到電池200，使得流體能夠從燃料供應(yīng) 管216中流過。燃料供應(yīng)管216被深深地插入到電池200的中空部分中，同時(shí)穿過第二層 214，并且燃料供應(yīng)管216的端部與電池200的一個(gè)蓋208分開。電池200包括形成支撐件的管狀陽極202、順序堆疊在陽極202的外表面上的電解 質(zhì)層204和陰極206。電池200的另一端開放，并被連接到歧管210a的第二層214，使得流 體能夠從中流過。在該實(shí)施例中，電池200被提供為具有由可稱為罩的蓋208密封的閉合 端的結(jié)構(gòu)。
供應(yīng)到電池200的燃料被供應(yīng)到位于電池200的內(nèi)表面上的陽極202，同時(shí)沿著燃 料供應(yīng)管216的外表面流回電池200的中空部分。通過供應(yīng)到陽極和陰極202和206的燃 料和氧的電化學(xué)反應(yīng)，電池200發(fā)電。在此，氧包含在通過氧化劑供應(yīng)單元供應(yīng)的空氣中。 氧在穿過提供在該實(shí)施例的外殼310中的流徑時(shí)被均勻地供應(yīng)到該外殼中。從電池200 的中空部分排放的未反應(yīng)的燃料和反應(yīng)副產(chǎn)物通過歧管210a的第二層214被排放到歧管 210a的外部。除了上述結(jié)構(gòu)，另一結(jié)構(gòu)可用在該實(shí)施例中的SOFC電池中。例如，如圖1 所示，根據(jù)另一實(shí)施例的電池200a可包括由西屋電氣(目前為西 門子西屋電氣)研發(fā)的“無密封”圓柱形電池。在此情況下，歧管可被布置在電池200a的 兩端。電池200a包括用于形成支撐件的管狀陰極206a、順序堆疊在陰極206a的外表面 上的電解質(zhì)層20 和陽極20加。電池200a進(jìn)一步包括連接到陰極206a同時(shí)穿過陽極 20 和電解質(zhì)20 的陰極互連器207。陰極互連器207以預(yù)定間隔與陽極20 分開，同 時(shí)沿電池200a的長度方向延伸。電解質(zhì)層20 由用于傳遞氧離子或質(zhì)子的離子導(dǎo)電氧化 物形成。在上述實(shí)施例中，電池被描述為時(shí)陽極和陰極支撐電池。然而，這些實(shí)施例的電池 可被形成為使用分離支撐件的管狀SOFC電池。根據(jù)上述實(shí)施例，能提供一種SOFC外殼，其中線性地流入外殼的流體沿著具有預(yù) 定長度的流徑流動(dòng)，使得在多個(gè)SOFC電池周圍空氣均勻地流動(dòng)。此外，能提供一種SOFC外殼，其中流入外殼中的流體被引導(dǎo)為線性地流動(dòng)，然后 平行于與平面垂直的方向流動(dòng)，使得在多個(gè)SOFC電池周圍的空氣更均勻的流動(dòng)。此外，除了上述構(gòu)造之外，還能夠提供一種SOFC外殼，其中流入外殼的流體碰撞 然后線性地流動(dòng)，或者其中線性流動(dòng)的流體被多個(gè)開口分布，使得在多個(gè)SOFC電池周圍的 空氣更均勻的流動(dòng)。此外，與具有相同容積或規(guī)格的SOFC堆或系統(tǒng)相比，如果基本上均勻流動(dòng)的空氣 被供應(yīng)在各個(gè)SOFC電池周圍，從而向每個(gè)SOFC電池供應(yīng)相同的燃料流，各個(gè)SOFC電池的 性能能夠被一致地保持或改善。而且，由于電池之間的性能差異由于各個(gè)SOFC電池的穩(wěn)定 性能而被減小，SOFC堆或系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定地工作，同時(shí)改善具有組合式SOFC電池的堆或 系統(tǒng)的整體性能。盡管結(jié)合以上示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)理解的是，本公開內(nèi)容不限于這些 實(shí)施例，各種修改和等同布置能夠包括在本公開內(nèi)容內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于固體氧化物燃料電池的外殼，該外殼包括限定腔室的多個(gè)側(cè)壁；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第一開口，該第一開口被構(gòu)造允許流體進(jìn)入所述腔室；在所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第二開口，該第二開口被構(gòu)造成允許所述流體離 開所述腔室；以及在所述第一開口與所述第二開口之間以增加所述第一開口與所述第二開口之間的流 徑長度的流徑延伸單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述流徑在所述多個(gè) 側(cè)壁的第一側(cè)壁與所述多個(gè)側(cè)壁的第二側(cè)壁之間具有Z字形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述流徑延伸單元 包括附接到所述第一側(cè)壁并從所述第一側(cè)壁沿朝向所述第二側(cè)壁的方向延伸的第一分隔 壁；以及附接到所述第二側(cè)壁并從所述第二側(cè)壁沿朝向所述第一側(cè)壁的方向延伸的第二分 隔壁；其中所述第一分隔壁與所述第二分隔壁在垂直于所述第一分隔壁和所述第二分隔壁 的方向上分隔開。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，進(jìn)一步包括在所述腔室中 的穿孔板，其中所述穿孔板具有被構(gòu)造成允許所述流體流過的多個(gè)開口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述穿孔板被定向?yàn)?垂直于所述第二分隔壁，并且，所述穿孔板鄰近所述流徑延伸單元的出口側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述穿孔板的所述多 個(gè)開口的直徑隨著所述多個(gè)開口與所述流徑延伸單元的出口側(cè)的距離的增加而變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述多個(gè)開口的直徑 沿著所述流徑的長度增加或減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述多個(gè)開口被構(gòu)造 成在所述腔室中提供均勻的流體流動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述穿孔板的所述多 個(gè)開口中的相鄰開口之間的距離沿著所述流徑的長度變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，進(jìn)一步包括多個(gè)導(dǎo)向管， 其中所述多個(gè)導(dǎo)向管中的每一個(gè)導(dǎo)向管被聯(lián)接到所述穿孔板的所述多個(gè)開口中的相應(yīng)一 個(gè)開口。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，進(jìn)一步包括鄰近所述第 一開口的阻擋單元，其中所述阻擋單元被構(gòu)造成使流動(dòng)通過所述第一開口的流體轉(zhuǎn)向到所 述流徑中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述阻擋單元與所 述第一開口分開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼，其中所述第二開口包括 位于所述多個(gè)側(cè)壁的所述其中一個(gè)側(cè)壁的下部中的槽或位于所述多個(gè)側(cè)壁的所述其中一 個(gè)側(cè)壁中的多個(gè)開口。
14.一種固體氧化物燃料電池，包括如權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述的用于固體氧化物燃料電池的外殼； 容納在所述外殼內(nèi)的多個(gè)固體氧化物燃料電池； 用于將燃料供應(yīng)到所述多個(gè)固體氧化物燃料電池的燃料供應(yīng)單元；和 用于將氧化劑供應(yīng)到所述多個(gè)固體氧化物燃料電池的氧化劑供應(yīng)單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于固體氧化物燃料電池的外殼和一種固體氧化物燃料電池，所述外殼包括限定腔室的多個(gè)側(cè)壁；位于所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第一開口，該第一開口被構(gòu)造成允許流體進(jìn)入所述腔室；位于所述多個(gè)側(cè)壁的其中一個(gè)側(cè)壁中的第二開口，該第二開口被構(gòu)造成允許所述流體離開所述腔室；以及位于所述第一開口與所述第二開口之間用于增加所述第一開口與所述第二開口之間的流徑長度的流徑延伸單元。
文檔編號(hào)H01M2/02GK102044637SQ201010271608
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者孔相畯, 尹德熒, 權(quán)臺(tái)浩, 鄭京范, 金基運(yùn) 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社