专利名称：用于固体氧化物燃料电池的外壳和固体氧化物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明的一方面涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，更具体而言涉及一种用于 SOFC的外壳。
背景技术：
SOFC具有产生很少污染甚至无污染、发电效率高等优点。SOFC典型地应用于静态 发电系统、小型独立电源、车载电源等。目前，SOFC堆根据其形状被粗略分成圆柱型、整体型和平板型。每种类型具有独 特的优点和缺点。在这些类型当中，圆柱型SOFC具有不需要气体密封且其机械强度卓越的 优点。
发明内容
在一个实施例中，提供一种SOFC外壳，其中均勻量的流体能够基本上在多个SOFC 电池，即阳极支撑圆柱形SOFC电池周围流动。在另一实施例中，提供具有SOFC外壳的S0FC，其能够改善堆或系统的性能和能够 长期稳定地工作。根据本发明的一方面，提供用于固体氧化物燃料电池的外壳，该外壳包括限定腔 室的多个侧壁；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第一开口，该第一开口被构造成允许 流体进入所述腔室；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第二开口，该第二开口被构造成 允许所述流体离开所述腔室；以及在所述第一开口与所述第二开口之间以增加所述第一开 口与所述第二开口之间的流径长度的流径延伸单元。在一个实施例中，所述流径在所述侧壁的第一侧壁与所述侧壁的第二侧壁之间具 有Z字形状。进一步，所述流径延伸单元可包括附接到所述第一侧壁并从所述第一侧壁沿 朝向所述第二侧壁的方向延伸的第一分隔壁；以及附接到所述第二侧壁并从所述第二侧壁 沿朝向所述第一侧壁的方向延伸的第二分隔壁；其中所述第一分隔壁与所述第二分隔壁在 垂直于所述分隔壁的方向上分隔开。在一个实施例中，穿孔板在所述腔室中，其中所述穿孔板具有被构造成允许所述 流体能够流过的多个开口。进一步，所述穿孔板被定向为基本上垂直于所述第二分隔壁，并 且，所述穿孔板邻近所述流径延伸单元的出口侧。另外，所述穿孔板的所述多个开口的直径 随着所述多个开口与所述流径延伸单元的出口侧的距离的增加而变化。例如，所述多个开 口的直径沿着所述流径的长增加或减小。在一个实施例中，所述多个开口被构造成在所述腔室中提供基本上均勻的流体流动。所述穿孔板的所述多个开口中的相邻开口之间的距离 沿着所述流径的长变化。所述的外壳可进一步包括多个导向管，其中所述多个导向管中的每一个导向管被 联接到所述穿孔板的所述多个开口中的相应一个开口。在一个实施例中，所述外壳可包括邻近所述第一开口的阻挡单元，其中所述阻挡 单元被构造成使流动通过所述第一开口的流体转向到所述流径中，并且，所述阻挡单元可 与所述第一开口分开。进一步，所述第二开口包括位于所述侧壁的所述其中一个侧壁的下 部中的槽或位于所述侧壁的所述其中一个侧壁中的多个开口。根据本发明的各方面，提供一种固体氧化物燃料电池，其包括外壳；容纳在所述 外壳内的多个固体氧化物燃料电池；用于将燃料供应到所述多个固体氧化物燃料电池的燃 料供应单元；用于将氧化剂供应到所述多个固体氧化物燃料电池的氧化剂供应单元；其中 所述外壳包括限定腔室的多个侧壁；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第一开口，该 第一开口被构造成允许流体能够进入所述腔室；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第二 开口，该第二开口被构造成允许所述流体能够离开所述腔室；以及在所述第一开口与所述 第二开口之间以增加所述第一开口与所述第二开口之间的流径长度的流径延伸单元。
附图和说明书描绘出本发明的示例性实施例，并和描述共同用于解释本发明的原理。图1为根据本发明实施例的SOFC外壳的示意性立体图。图2为SOFC的示意性立体图，其描绘出图1的SOFC外壳中的流体流动。图3为根据本发明另一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。图4为SOFC的示意性立体图，其描绘出图3的SOFC外壳中的流体流动。图5为SOFC的示意性立体图，其描绘出在根据比较例的SOFC外壳中的流体流动。图6A至6C分别为描绘出穿过图5的SOFC外壳中的三个平面的流体流速的图表。图7为根据本发明又一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。图8为根据本发明又一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。图9为SOFC的示意性截面图，其描绘出图8的SOFC外壳中的流体流动。图10为图9的SOFC的横截面图。图IlA至IlC分别为描绘出穿过图10的SOFC外壳中的三个平面的流体流速的图表。图12A和12B为描绘出用于根据本发明实施例SOFC外壳的穿孔板和导向管的结 构的示意性截面图。图13A为描绘出用于根据本发明实施例的SOFC的SOFC电池的操作的示意性截面 图。图13B为描绘出替代图13A中SOFC电池的另一 SOFC电池形状的示意性立体图。<附图中主要部分的附图标记的解释说明>100、203、300、300a 外壳101、201、301 固体氧化物燃料电池
110、210、310 外壳主体120,220,320 流径延伸单元227、340、340a、340b 穿孔板330:阻挡单元350、350a、;350b、350c 导向管200、200a:电池
具体实施例方式在下文中，参照附图对本发明的示意性实施例进行详细描述，以使其能够被本领 域技术人员容易地实施。为了清楚，如果功能和构成在相关领域众所周知，则在本发明的详细描述中不再 给出进一步的论述。在附图中，相似的附图标记自始至终表示相似的元件。此外，为了便于 描述和清楚，层或区域的厚度或尺寸被夸大。为了便于描绘，元件在附图中进行适当地投影。图1为根据本发明实施例的SOFC外壳的示意性立体图。参见图1，SOFC外壳100包括外壳主体110和联接到该外壳主体110的流径延伸 单元120。外壳主体110被提供为具有内空间或腔室112、连接到腔室112以允许流体穿过 而流入腔室112的至少一个第一开口 114、以及连接到腔室112以允许流体穿过而从腔室 112流出的至少一个第二开口 116。流径延伸单元120布置为邻近第一开口 114，使得通过 第一开口 114流入腔室112的流体在外壳主体110内以大致Z字形流动。第一开口 114的截面积明显小于腔室112的面积(对应于χ-y平面)，通过第一开 口 114流入腔室112的流体在腔室112内流动。在此情况下，为了允许通过第一开口 114 流入腔室112的流体在腔室112内均勻地流动，流体在对应于第一开口 114的部分中基本 上呈一维分布而不是二维分布。因此，在该实施例中，通过连接到第一开口 114的流径延伸 单元120，流体基本上呈一维分布，使得流体能够通过第一开口 114流入流径延伸单元120。在一个实施例中，流径延伸单元120可具有形成有多级屏或分隔壁的流径结构。 更具体而言，流径延伸单元120具有下述流径结构，平坦的第一和第二分隔壁121和123被 布置成沿相对方向延伸，同时彼此以预定间隔分隔开。在此，第一分隔壁121的一端在第一 壁Illa与相对该第一壁Illa形成的第二壁Illb之间连接到外壳主体110的第一壁111a， 第二分隔壁123的一端连接到外壳主体110的第二壁111b。这种结构可被称为互相交叉的 结构。在该实施例中，由于第一和第二开口 114和116被分别提供在第一壁Illa的上部 和下部，因而流径延伸单元120被提供为具有第三分隔壁125，该第三分隔壁125的定向类 似于第一分隔壁121，但与第一和第二分隔壁121和123分开，使得通过第一开口 114流入 流径延伸单元120的流体经由流径延伸单元120通过第二开口 116平滑地流出。更具体而 言，平坦的第三分隔壁125的一端被连接到第一壁111a，并被布置成以预定间隔与第二分 隔壁123分开。流径延伸单元120具有大致Z字形或曲折形式。这种流径结构因考虑到SOFC外 壳100的容积的限制而设计。例如，流径结构被设计成使得SOFC外壳100的容积不会显著增加或者以最低程度增加。在该实施例中，考虑到有效的流径延伸结构，流径延伸单元120被提供为使得通 过第一开口 114流入腔室112的流体首先在外壳主体110的上壁Illc的内表面与流径延伸 单元120的外表面，即第一分隔壁121的一个表面之间流动。在以下描述中，考虑到流径的 延伸，流径延伸单元120可包括在外壳主体110的上壁Illc的内表面与流径延伸单元120 的外表面之间的路径。在流径延伸单元120中，流径在与流体流动方向(ζ方向)接近垂直的方向上的截 面积比腔室112的面积(对应于x-y平面)小得多。例如，外壳主体110的上壁Illc与第 一分隔壁121之间的距离Hl与第一开口 114的直径近似或者比第一开口 114的直径小。在流径延伸单元120中，流径在与流体流动方向(ζ方向)接近垂直的方向上的宽 度(X方向)大于第一开口 114的直径。例如，流径的宽度可比第一开口 114的直径大近似 几倍至几十倍。然而，流径的宽度的值比流径延伸单元120的流径的长度小得多。一维流 径结构由流径的长度和宽度之间的关系而形成。流径延伸单元120的流径可延伸为与长度差不多，并且分隔壁的数量增加。在此， 第一和第二分隔壁121和123被布置成形成大致Z字形的流径。在该实施例中，两个相邻 的分隔壁之间在方向(y方向)上的距离可相等。根据上述构造，流径延伸单元120基本上防止通过第一开口 114流入外壳100的 流体彼此基本上以二维的矢量分量分布。流径延伸单元120允许流过第一开口 114的流体 的不相等的速度在通过一维流径结构后基本上一致。也就是说，通过具有足够长度的流径，流径延伸单元120允许流体从至少一点开 始进行一维流动。相应地，穿过流径延伸单元120的流体的速度分量基本上一致，使得流体 能够在SOFC外壳100的腔室112中几乎以勻速流动。在该实施例中，流体由于SOFC外壳 100内的整体压差而流动。图2为SOFC的示意性立体图，其描绘出图1的SOFC外壳中的流体流动。参见图2，SOFC 101包括该实施例的SOFC外壳(在下文中称为外壳)、安装在外 壳100中的SOFC电池200 (在下文中称为电池)、以及用于将燃料和氧化剂供应到电池200 的反应物供应单元。反应物供应单元可包括燃料供应单元和氧化剂供应单元。燃料或氧化剂供应单元 可包括连接到电池200的歧管。在以下描述中，为了便于图示，通过外壳100中的流径延伸 单元120供应的气态第一流体用作氧化剂，通过歧管213供应的第二流体用作燃料。在此， 歧管213联接到外壳100并连接到电池200，使得流体能够从歧管213中流过。氧化剂的实 例可包括空气、纯氧气等，燃料的实例可包括氢、煤气、天然气、垃圾填埋气等。在该实施例中，氧化剂供应单元通过连接到第一开口 114的管115将空气供应到 外壳100。在此情况下，流入外壳100的空气首先在外壳100的上壁Illc与第一分隔壁121 之间流动，然后在第二壁Illb的内表面上改变其方向，从而在第一分隔壁121与第二分隔 壁123之间流动。空气在第一壁Illa的内表面上再次改变其方向，从而在第二分隔壁123 与第三分隔壁125之间流动。随后，空气再次改变其方向，然后在以预定朝向安放在腔室 112内的电池200周围经过。然后，空气通过第二开口 116从外壳100排放出去。在上述空气流动中，在预定压力下以基本上一维的形式通过管115被供应的空气沿长度比流径延伸单元120的宽度足够长的流径流动。空气在矢量分量基本上一致的状态 下被供应到外壳的腔室112。供应到外壳100的腔室112的空气在电池200周围以基本上 均勻的流速流动，然后通过第二开口 116从外壳100排放出去。根据上述构造，通过均勻地供应到每个电池200的阴极的氧化剂和通过歧管213 供应到每个电池200的阳极的燃料的电化学反应，SOFC 101能够有效地发电。歧管213能 够通过出口流排放诸如水的反应副产物和未使用的燃料。如上所述，在该实施例的SOFC 101中，具有基本一致的流速的氧化剂通过流径延 伸单元120被供应到电池200周围。相应地，如果供应到每个电池200的燃料的量基本上 相同，则能够改善SOFC 101的性能，并且SOFC 101能够长期稳定地工作。图3为根据本方面另一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。参见图3，SOFC外壳203包括外壳主体210、联接到该外壳主体210的流径延伸单 元220、以及在流体的流动方向的下游侧联接到流径延伸单元220的穿孔板227。外壳主体210被提供为具有腔室212和连接到该腔室212的第一和第二开口 214 和216，使得流体能够从第一和第二开口 214和216中流过。外壳主体210被提供为具有 第一壁211a。第一和第二开口 214和216在第一壁211a上以预定间隔分开。在该实施例 中，第二开口 216包括多个开口。在该实施例中，外壳主体210可容纳流径延伸单元220。然而，本发明并不限于此。 例如，流径延伸单元220可被设计成包括外壳主体210的上壁211c并覆盖外壳主体210的 上开口。可替代地，流径延伸单元220可被设计成由虚线表示的部分220a，以允许外壳主体 210被形成为与部分220a分离。流径延伸单元220被提供为使得在预定压力下以基本上一维的形式被供应通过 第一开口 214的空气流过长度比该流径的宽度足够长的流径。流径延伸单元220被提供为 具有第一分隔壁221、第二分隔壁223和第三分隔壁225。流径延伸单元220与图1的流径 延伸单元120基本上相同。穿孔板227位于流径的一端，相对于流径延伸单元220的流径而与位于该流径另 一端的第一开口 214相对。穿孔板227被提供为允许从流径延伸单元220的出口排放的流 体被适当地分布。这样，穿孔板227被提供为具有多个开口 228，使得流体适当地分布。在该实施例中，穿孔板227被提供为使得该穿孔板227沿与在第一方向(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。也就是说，穿孔板227被 提供成平行于x_y平面，从而与平行于x-z平面的平坦的第三分隔壁225垂直。考虑到下文中描述的导向管和穿孔板之间的关系，穿孔板的尺寸可与导向管的尺 寸成比例。例如，多个开口 2 可被设计成使得位于穿孔板227的第一部分(即穿孔板227 的上部)处的第一开口的尺寸小于穿孔板227的与第一部分接触的第二部分(即穿孔板 227的下部)处的第二开口的尺寸，在第一部分处，通过流径延伸单元220的流体首次相遇。 可替代地或额外地，多个开口 2 可被设计成使得位于穿孔板227的第一部分处的相邻的 第一开口之间的间隔大于位于穿孔板227的与第一部分接触的第二部分处的相邻的第二 开口之间的间隔。也就是说，穿孔板的多个开口的直径可随着多个开口与流径延伸单元的出口侧的 距离的增加而变化。多个开口的直径沿着流径的长度可增加或减小。穿孔板的多个开口中的相邻开口之间的距离沿着所述流径的长度可变化。根据上述构造，通过允许通过第一开 口 214流入外壳210的流体基本上以一维形式流动然后被适当地分布，流体能够被排放到 外壳210的腔室212。图4为SOFC的示意性立体图，其描绘出图3的SOFC外壳中的流体流动。如图4所示，SOFC 201包括该实施例的外壳203、容纳在外壳203中的多个电池 200、用于通过外壳203中的预定流径将空气供应到每个电池的氧化剂供应单元、以及用于 将燃料供应到每个电池200的燃料供应单元。燃料供应单元包括连接到多个电池200的歧 管210a，使得流体能够从歧管210a中流过。在该实施例中，氧化剂供应单元通过第一开口 214将空气供应到外壳203。流入外 壳203的空气穿过流径延伸单元220，然后通过穿孔板227被分布到腔室212中。分布到腔 室212中的空气在多个电池200周围经过，然后通过第二开口 216被排放到外壳203的外部。根据上述构造，通过基本上均勻地供应到位于每个电池200外表面上的阴极的氧 和通过歧管210供应到位于每个电池200内表面处的阳极的燃料的电化学反应，SOFC 201 能够有效地发电。歧管210a能够通过出口流将诸如水的反应副产物和未使用的燃料排放 到外壳203的外部。如上所述，在该实施例的SOFC 201中，基本勻速的空气通过流径延伸单元220和 穿孔板227被提供到电池200周围。相应地，如果供应到每个电池200的燃料的量基本上 相同，则能够改善SOFC 201的性能，并且SOFC 201能够长期稳定地工作。图5为示出根据比较例的SOFC外壳中的流体流动的示意性立体图。在比较例中，多个电池安装在不具有图1中外壳的流径延伸单元的外壳中，并且 测量供应到外壳的空气的流速。如图5所示，根据比较例的SOFC 102包括外壳103和容纳在该外壳103中的多个 电池200。外壳103被提供为具有第一壁104a、第二壁104b、形成在第一壁10 上的第一开 口 105、以及形成在第二壁104b上的第二开口 106。除了上述流径延伸单元之外，外壳103 具有与图1中外壳的结构基本上相同的结构。进一步，外壳103的腔室103a的容积与图2 中外壳100的容积基本上相同。多个电池200安装在外壳103中。在此，电池200的数量 和堆叠/设置形式与图2中电池200的数量和堆叠/设置形式相同。尽管图5只是示意性示出，在此比较例中，总共M个电池用作多个电池200。在 此，电池在空气的流动方向(ζ方向)上构成6条线，在y方向上构成9条线。通过第一开口 105流入外壳103中的空气在腔室103a中以不等的矢量分量的形 式分布。以与壁10 以预定间隔分开的预定平面107a为基础，从第一开口 105分布到腔 室103a中的空气的矢量分量可以以多个箭头108示出。如上所述，在预定压力下流入比较例的SOFC 102的外壳103中的空气从对应于第 一开口 105的部分处二维地分布在对应于平面107的平面上，因而空气的速度分布不相等。也就是说，在比较例的外壳或SOFC中，当空气从第一开口 105经由腔室103a流到 第二开口 106时，腔室103a的前部、中部和后部以及腔室103a底部、中部和顶部的空气速 度由于空气的不相等的速度分布以及壁效应(例如从外壳103的内表面反射的空气的矢量分量)而有极大不同。腔室103a的前部、中部和后部分别对应于第一、第二和第三点109a、109b和109c 处的χ-y平面。图6A至6C分别为示出穿过图5的SOFC外壳中的三个平面的流体流速的图表。在 此，这三个平面分别对应于图5的前部、中部和后部。图6A示出通过沿前部中的水平线在每个电池周围测量顶部、中部和底部处的空 气流速获得的结果。如图6A所示，在前部中的相应九个电池周围的底部处的空气速度被测 量为从大约0. 046m/s到大约0. 066m/s，在前部中的相应九个电池周围的中部处的空气速 度被测量为从大约0. 025m/s到大约0. 071m/s，从前部的相应九个电池周围的顶部处的空 气速度被测量为从大约0. 011m/s到大约0. 078m/s。图6B示出通过测量在中部的第三和第四条直线上的相邻电池之间的顶部、中部 和底部处的空气流速获得的结果。如图6B所示，在中部的九对相邻电池之间的底部处的空 气速度被测量为从大约0. 033m/s到大约0. 046m/s，在中部的九对相邻电池之间的中部处 的空气速度被测量为从大约0. 010m/s到大约0. 041m/s，在中部的九对相邻电池之间的顶 部处的空气速度被测量为从大约0. 006m/s到大约0. 043m/s。图6C示出通过在后部的第六条直线上测量每个电池周围的顶部、中部和底部处 的空气流速获得的结果。如图6C所示，在后部的相应九个电池周围的底部处的空气速度被 测量为从大约0. 032m/s到大约0. 040m/s，在后部的相应九个电池周围的中部处的空气速 度被测量为从大约0. 013m/s到大约0. 040m/s，在后部的相应九个电池周围的顶部处的空 气速度被测量为从大约0. 005m/s到大约0. 030m/s。在比较例的SOFC 102中，外壳中的空气速度根据每个电池的位置显示较大的差 异，且其偏差显示出高达大约50%的最大值。这样，可知，比较例的SOFC 102在外壳103的 腔室103a的所有位置具有基本上不等的空气速度。根据该比较例，在SOFC 102中，尽管假设供应到每个电池200的燃料相等，但供应 到每个电池200的空气中的氧不等。因此，各个电池200的性能明显不同。因此，可降低系 统的性能，并且，可能难以长期操作该系统。在另一比较例中，流入外壳(其不包括图4的SOFC中的外壳的流径延伸单元)的 腔室中的空气速度被测量。结果与上述比较例的结果几乎没有什么不同。根据比较例的 SOFC的外壳中的空气速度不再单独描述，以避免重复描述。图7为根据本发明又一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。参见图7，外壳300包括外壳主体310、联接到该外壳主体310的流径延伸单元320 和阻挡单元330。外壳主体310被提供为具有第一壁311a、与第一壁311a相对并以预定间隔与第一 壁311a分开的第二壁311b、将第一和第二壁311a和311b的顶部彼此连接的第三壁311c、 与第三壁311c相对并连接到第一和第二壁311a和311b底部的第四壁311d、连接到第一至 第四壁311a至311d的一个边缘的第五壁311e、以及与第五壁311e相对并连接到第一至第 四壁311a至311d的另一边缘的第六壁311f。外壳主体310进一步被提供为具有腔室312、连接到腔室312以使流体能够流过的 多个第一开口 314、以及连接到腔室312以使流体能够流过的多个第二开口 316。多个第一开口 314形成在对应于外壳主体310上壁的第三壁311c上，多个第二开口 316形成在第二 壁311b上。在该实施例中，三个第一开口 314被布置在一条线上，并沿平行于第一壁311a的 方向以预定间隔分开。多个第二开口 316在第二壁311b上以预定图案布置。阻挡单元330被布置在外壳主体310中，同时以预定间隔与三个第一开口 314分 开。如果阻挡单元330被提供为以预定间隔与三个第一开口 314分开，通过第一开口 314 流入外壳主体310中的空气碰撞阻挡单元330，然后被适当地分布。在该实施例中，阻挡单 元330被提供为具有在外壳主体310中从第三壁311c延伸预定长度的第一阻挡壁332，和 从第一阻挡壁332的端部边缘朝向第一壁311a延伸的第二阻挡壁334。第二阻挡壁334的 端部边缘以预定间隔与第一壁311a分开。在一个实施例中，阻挡单元330可形成为固定在外壳主体310内的流径延伸单元 320的一个外表面。在此情况下，第一阻挡壁332变成内分隔壁，用于允许流径延伸单元320 在外壳主体310牢固地连接到第一阻挡壁332。第二阻挡壁334变成流径延伸单元320的 一个壁，且其外表面用作阻挡单元330。流径延伸单元320具有的流径的长度基本上比其宽度(χ方向)足够长。流径延 伸单元320的流径结构被形成为使得从阻挡单元330分布的空气能够基本上以一维形式流 动。在该实施例中，流径延伸单元320被提供为具有布置成互相交叉形式并以预定间隔分 开的平坦的第一、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分别与第一和第二分隔壁321和322的朝向类似。第一分隔壁321从第二阻挡壁334的端部边缘朝向第四壁311d延伸，且第一分隔 壁321的端部在y方向上以预定间隔与第四壁311d分开。第二分隔壁322从第四壁311d 朝向第二阻挡壁334延伸，且第二分隔壁332的端部以预定间隔与第二阻挡壁334分开。第 三分隔壁323从第二阻挡壁334的中部朝向第四壁311d延伸，且第三分隔壁323的端部以 预定间隔与第四壁311d分开。第四分隔壁3M从第四壁311d朝向第二阻挡壁334延伸， 且第四分隔壁324的端部以预定间隔与第二阻挡壁334分开。第一、第二、第三和第四分隔壁321、322、323和3 与其相邻分隔壁以预定间隔分 开。第一至第四分隔壁分隔壁321、322、323和324的每一个的两侧分别连接到第五和第六 壁 311e 和 311f0根据上述结构，通过第一开口 314流入外壳300的空气碰撞阻挡单元330，然后被 适当地分布到在阻挡单元330与第一开口 314之间或在阻挡单元330与第三壁311c的内 表面之间的分布空间330a中。分布到分布空间330a中的空气自然流入到在流径延伸单元 320与第一壁311a之间的空间。然后，空气以一维形式流入到流径延伸单元320与第一壁 311a之间的空间，并流入到流径延伸单元320。此时，空气的矢量分量基本上不一致。从流 径延伸单元320的出口 327排放的空气基本上以勻速穿过腔室312，然后通过第二开口 316 被排放到外壳300的外部。图8为根据本发明又一实施例的SOFC外壳的示意性立体图。图9为SOFC的示意 性截面图，其示出图8的SOFC外壳中的流体流动。图10为图9的SOFC的横截面图。参见图8，外壳300a包括外壳主体310、流径延伸单元320、阻挡单元330、穿孔板 340和多个导向管350。
该实施例的外壳300a除了穿孔板340和导向管350之外与参照图7描述的外壳 300基本上相同。穿孔板340被布置在第一阻挡壁332和对应于外壳主体310的底壁的第四壁311d 之间。穿孔板340被布置在外壳300a的腔室312与流径延伸单元320之间。穿孔板340 被提供为具有使从流径延伸单元320排放的流体穿过的多个开口 348。导向管350被联接 到相应的一个开口 ；348。在该实施例中，穿孔板340除了穿孔板340的安装位置和尺寸之外与参照图3描 述的穿孔板227基本上相同。多个导向管350在穿孔板340的与第二开口 316相对的一个表面上分别联接到开 口 348。每个导向管350引导空气流动，使得从流径延伸单元320通过穿孔板340的开口 348排放到腔室312的空气的矢量分量被转化成基本上平行于ζ方向的方向。可根据流体 的流动或速度控制导向管350的突出的长度。具体而言，从流径延伸单元320排放的空气将速度矢量保持到某一水平。因此，当 穿过穿孔板340的开口 348时，空气不会沿垂直于穿孔板340的方向(ζ方向)流动，而是 朝着外壳300a的底部倾斜某一角度流动。在此情况下，穿过穿孔板340的一部分空气可能 不会流过第二开口 316而是可能在腔室312中循环。然而，如图9所示，在具有外壳300a的SOFC 301中，穿过穿孔板340的空气流动 由导向管350大致沿ζ方向引导，从而消除仅在腔室312中循环的空气流动，相应地，腔室 312中的空气流动在ζ方向上基本一致。该实施例中的SOFC 301的腔室312中的空气流动被测量。如图10所示，空气流 动分别在包括多个电池的堆的前部、中部和后部Al、A2和A3以及每个电池的顶部、中部和 底部进行测量。在上述堆中，多个电池以预定图案沿空气的流动方向布置，例如，被布置成 6条水平线和9条垂直线。图1IA至1IC分别为示出穿过图10的SOFC外壳中的三个平面的流体流速的图表。图IlA示出通过测量在前部A的第一条水平线上的每个电池周围的顶部、中部和 底部处的空气流速获得的结果。如图IlA所示，在前部Al中的相应九个电池周围的底部、 中部和顶部处的空气速度被测量为分别从大约0. 045士0. 003m/s、大约0. 025士0. 005m/s 和大约 0. 017 士0. 0002m/s。图IlB示出通过测量在中部A2的第三和第四条直线上的相邻的电池之间的 顶部、中部和底部处的空气流速获得的结果。如图IlB所示，在中部A2的九对相邻电 池之间的底部、中部和顶部处的空气速度被测量为分别从大约0. 068 士 0. 002m/s、大约 0. 049 士0. 002m/s 和大约 0. 039 士0. 0001m/s。图IlC示出通过测量后部A3中的第六条直线上的每个电池周围的顶部、中部和 底部处的空气流速获得的结果。如图lie所示，在后部A3的相应九个电池周围的底部、 中部和顶部处的空气速度分别为大约0. 068士0. 002m/s、大约0. 045士0. 001m/s和大约 0.037士0. 0001m/s。根据该实施例，在SOFC 301的外壳中前部Al的顶部、中部和底部处的空气的速度 分别具有大约9. 5%、大约7. 5%和大约4. 4%的偏差。在中部和后部A2和A3的所有位置 上显示出大约1.3%到大约1.9%的均勻偏差。同样，在该实施例的SOFC 301中，可知，对于外壳中电池周围的每个位置，流体的速度分布相当均勻。图12A和12B为示出可用于该实施例的SOFC外壳的穿孔板和导向管的结构的示 意性截面图。该实施例提供穿孔板和导向管的结构，其可用于使用穿孔板或根据前述实施例的 穿孔板和导向管的外壳。参见图12A，穿孔板340被提供为具有多个开口 348a、348b和348c。在该实施例 中，开口 348a、;348b和:348c的直径可随着开口 348a、;348b和:348c距穿孔板；340的侧部 342a (流体首先达到此处)更远且距侧部34 更近而增大。也就是说，可提供穿孔板340a， 使得第一开口 :348a的第一直径dl小于第二开口 :348b的第二直径d2，且第二开口 :348b的 第二直径d2小于第三开口 348c的第三直径d3。在该实施例中，相邻开口之间的距离Ll可 相等。当导向管350a,350b和350c分别联接到穿孔板340a的开口 348a,348b和348c 时，导向管350a、350b和350c的中空部分的截面积可随着导向管350a、350b和350c距穿 孔板340的侧部342a (流体首先达到此处)更远且距侧部34 更近而增大。参见图12B，穿孔板340被提供为具有多个开口 349a、349b、349c和349d。在该实 施例中，相邻开口之间的间隔可随着开口 349a、349b、349c和349d距穿孔板340b的侧部 :342b (流体首先达到此处)更远且距侧部344b更近而减小。也就是说，在穿孔板340中，相 邻的第一与第二开口 :349a和349b之间的第一间隔L2大于相邻的第二和第三开口 349b和 349c之间的第二间隔L3。相邻的第二和第三开口 349b和349c之间的第二间隔L3大于相 邻的第三和第四开口 349c和349d之间的第三间隔L4。在该实施例中，各个开口的直径d4 可恒定。具有相同的中空部分截面积的导向管350可分别被联接到穿孔板340b的开口 349a.349b.349c和349d。在此情况下，在穿孔板340中，相邻的导向管350之间的间隔可 随着导向管350距穿孔板340b的侧部342b (流体首先达到此处)更远且距侧部344b更近 而减小。在下文中，将详细描述该实施例的SOFC及其操作。返回参见图9，该实施例的SOFC 301包括多个电池200、用于将燃料供应到每个电 池200的燃料供应单元、用于将氧化剂供应到每个电池200的氧化剂供应单元、以及用于容 纳多个电池200的外壳310。燃料供应单元可包括歧管210a。氧化剂供应单元通过诸如管 的连接装置连接到第一开口 314，使得流体能够从第一开口 314流过。氧化剂单元可在预定 压力下供应空气。特别地，如图13A所示，根据一个实施例的歧管210a具有两层结构，并被提供以通 过连接到第一层212的燃料供应管216将燃料供应到电池200，使得流体能够从燃料供应 管216中流过。燃料供应管216被深深地插入到电池200的中空部分中，同时穿过第二层 214，并且燃料供应管216的端部与电池200的一个盖208分开。电池200包括形成支撑件的管状阳极202、顺序堆叠在阳极202的外表面上的电解 质层204和阴极206。电池200的另一端开放，并被连接到歧管210a的第二层214，使得流 体能够从中流过。在该实施例中，电池200被提供为具有由可称为罩的盖208密封的闭合 端的结构。
供应到电池200的燃料被供应到位于电池200的内表面上的阳极202，同时沿着燃 料供应管216的外表面流回电池200的中空部分。通过供应到阳极和阴极202和206的燃 料和氧的电化学反应，电池200发电。在此，氧包含在通过氧化剂供应单元供应的空气中。 氧在穿过提供在该实施例的外壳310中的流径时被均勻地供应到该外壳中。从电池200 的中空部分排放的未反应的燃料和反应副产物通过歧管210a的第二层214被排放到歧管 210a的外部。除了上述结构，另一结构可用在该实施例中的SOFC电池中。例如，如图1 所示，根据另一实施例的电池200a可包括由西屋电气(目前为西 门子西屋电气)研发的“无密封”圆柱形电池。在此情况下，歧管可被布置在电池200a的 两端。电池200a包括用于形成支撑件的管状阴极206a、顺序堆叠在阴极206a的外表面 上的电解质层20 和阳极20加。电池200a进一步包括连接到阴极206a同时穿过阳极 20 和电解质20 的阴极互连器207。阴极互连器207以预定间隔与阳极20 分开，同 时沿电池200a的长度方向延伸。电解质层20 由用于传递氧离子或质子的离子导电氧化 物形成。在上述实施例中，电池被描述为时阳极和阴极支撑电池。然而，这些实施例的电池 可被形成为使用分离支撑件的管状SOFC电池。根据上述实施例，能提供一种SOFC外壳，其中线性地流入外壳的流体沿着具有预 定长度的流径流动，使得在多个SOFC电池周围空气均勻地流动。此外，能提供一种SOFC外壳，其中流入外壳中的流体被引导为线性地流动，然后 平行于与平面垂直的方向流动，使得在多个SOFC电池周围的空气更均勻的流动。此外，除了上述构造之外，还能够提供一种SOFC外壳，其中流入外壳的流体碰撞 然后线性地流动，或者其中线性流动的流体被多个开口分布，使得在多个SOFC电池周围的 空气更均勻的流动。此外，与具有相同容积或规格的SOFC堆或系统相比，如果基本上均勻流动的空气 被供应在各个SOFC电池周围，从而向每个SOFC电池供应相同的燃料流，各个SOFC电池的 性能能够被一致地保持或改善。而且，由于电池之间的性能差异由于各个SOFC电池的稳定 性能而被减小，SOFC堆或系统能够长期稳定地工作，同时改善具有组合式SOFC电池的堆或 系统的整体性能。尽管结合以上示例性实施例描述了本发明，应理解的是，本公开内容不限于这些 实施例，各种修改和等同布置能够包括在本公开内容内。
权利要求
1.一种用于固体氧化物燃料电池的外壳，该外壳包括限定腔室的多个侧壁；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第一开口，该第一开口被构造允许流体进入所述腔室；在所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第二开口，该第二开口被构造成允许所述流体离 开所述腔室；以及在所述第一开口与所述第二开口之间以增加所述第一开口与所述第二开口之间的流 径长度的流径延伸单元。
2.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述流径在所述多个 侧壁的第一侧壁与所述多个侧壁的第二侧壁之间具有Z字形状。
3.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述流径延伸单元 包括附接到所述第一侧壁并从所述第一侧壁沿朝向所述第二侧壁的方向延伸的第一分隔 壁；以及附接到所述第二侧壁并从所述第二侧壁沿朝向所述第一侧壁的方向延伸的第二分 隔壁；其中所述第一分隔壁与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 的方向上分隔开。
4.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，进一步包括在所述腔室中 的穿孔板，其中所述穿孔板具有被构造成允许所述流体流过的多个开口。
5.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述穿孔板被定向为 垂直于所述第二分隔壁，并且，所述穿孔板邻近所述流径延伸单元的出口侧。
6.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述穿孔板的所述多 个开口的直径随着所述多个开口与所述流径延伸单元的出口侧的距离的增加而变化。
7.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述多个开口的直径 沿着所述流径的长度增加或减小。
8.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述多个开口被构造 成在所述腔室中提供均勻的流体流动。
9.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述穿孔板的所述多 个开口中的相邻开口之间的距离沿着所述流径的长度变化。
10.根据权利要求4所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，进一步包括多个导向管， 其中所述多个导向管中的每一个导向管被联接到所述穿孔板的所述多个开口中的相应一 个开口。
11.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，进一步包括邻近所述第 一开口的阻挡单元，其中所述阻挡单元被构造成使流动通过所述第一开口的流体转向到所 述流径中。
12.根据权利要求11所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述阻挡单元与所 述第一开口分开。
13.根据权利要求1所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳，其中所述第二开口包括 位于所述多个侧壁的所述其中一个侧壁的下部中的槽或位于所述多个侧壁的所述其中一 个侧壁中的多个开口。
14.一种固体氧化物燃料电池，包括如权利要求1-13任一项所述的用于固体氧化物燃料电池的外壳； 容纳在所述外壳内的多个固体氧化物燃料电池； 用于将燃料供应到所述多个固体氧化物燃料电池的燃料供应单元；和 用于将氧化剂供应到所述多个固体氧化物燃料电池的氧化剂供应单元。
全文摘要
本发明涉及一种用于固体氧化物燃料电池的外壳和一种固体氧化物燃料电池，所述外壳包括限定腔室的多个侧壁；位于所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第一开口，该第一开口被构造成允许流体进入所述腔室；位于所述多个侧壁的其中一个侧壁中的第二开口，该第二开口被构造成允许所述流体离开所述腔室；以及位于所述第一开口与所述第二开口之间用于增加所述第一开口与所述第二开口之间的流径长度的流径延伸单元。
文档编号H01M2/02GK102044637SQ201010271608
公开日2011年5月4日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年10月14日
发明者孔相畯, 尹德荧, 权台浩, 郑京范, 金基运 申请人:三星Sdi株式会社