本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池，具體涉及一種SOFC電池堆的空氣分配器。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種將反應(yīng)物化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備。作為一種高效、清潔且性能穩(wěn)定的能源技術(shù)，其與傳統(tǒng)的發(fā)電類型相比最大優(yōu)點(diǎn)是避開燃燒過程直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為輸出電能，其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制。

固體氧化物燃料電池(SOFC)是諸多燃料電池中最具商業(yè)化潛力的類型之一，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：具有高達(dá)50～60％的燃料使用效率，產(chǎn)物主要是水和高品質(zhì)的廢熱，對余熱的二次利用總效率可高達(dá)80％以上；輸出功率大，運(yùn)行平穩(wěn)且無噪聲；燃料來源靈活，不僅適用于氫氣、一氧化碳，也適用于天然氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種可再生碳?xì)淙剂?；低的溫室氣體排放；全固態(tài)部件不存在漏液、腐蝕等問題，且易于模塊化組裝；無需使用高價(jià)催化劑材料，成本相對較低。

目前SOFC電池堆主要包括平板型和管型兩種基本設(shè)計(jì)以及與之對應(yīng)的多種演化設(shè)計(jì)。其中管式SOFC電堆設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定堅(jiān)固，不需要復(fù)雜的高溫密封等突出優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。美國西門子西屋動力公司的管型設(shè)計(jì)是目前最具代表性的較成熟設(shè)計(jì)，其管型SOFC電池單元是一個(gè)一端封閉一端開口的結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外分別由陰極-電解質(zhì)-陽極三層薄膜組成的陶瓷管，是一種典型的陰極支撐型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案?？諝鈴奶沾晒軆?nèi)側(cè)流入，燃料氣體供給分布在管道單元外側(cè)，這主要是因?yàn)椋阂环矫?，在燃料電池中，空氣不僅是反應(yīng)物(氧氣)的主要來源，也是電堆熱量傳遞的主要載體，它在很大程度影響SOFC的電化學(xué)反應(yīng)、溫度、應(yīng)力、物性分布，影響電堆總體工作性能和壽命，因此空氣分配器的設(shè)計(jì)是管式SOFC電堆需解決的首要問題；而另一方面，由于反應(yīng)物(氧氣)在空氣中的體積分?jǐn)?shù)僅有21％，同時(shí)SOFC電堆的空氣利用率也只有30％左右(燃料一般高達(dá)80％以上)，因此電堆中的分子質(zhì)量較大的空氣相比于分子質(zhì)量較小的燃料往往具有很高的流量。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用管道外側(cè)空氣分布的方式具有較大困難，不合理的設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致空氣作為反應(yīng)物和熱輸運(yùn)載體在電池單元間(堆層面)、以及電池單元管表面分配(電池單元層面)極端不均勻的現(xiàn)象，這將大幅度降低電池性能和壽命。因此，目前針對管式SOFC電堆的空氣分配一般在陶瓷管內(nèi)側(cè)，空氣通過電池單元內(nèi)側(cè)管道進(jìn)行分配，從而保證陶瓷管電池單元間以及電池單元陰極側(cè)表面較好的空氣分配均勻性。而此種陶瓷管內(nèi)部空氣分配方式對應(yīng)的，必然要求SOFC單元采用陰極處于管道內(nèi)側(cè)的陰極支撐型設(shè)計(jì)。

然而需要指出的是，采用陰極支撐型管式SOFC設(shè)計(jì)在解決管狀SOFC單元間、以及單元電池表面空氣分配均勻度這一首要問題的同時(shí)，卻也同時(shí)帶進(jìn)了陰極支撐型管式設(shè)計(jì)的一系列不利因素，這在很大程度上降低了管式電堆性能：i)支撐件陰極的厚度過大導(dǎo)致分子量較重的氧氣分子擴(kuò)散過程中的濃差損失過大；ii)由于在氧化氛圍下，陰極一般采用LSM等電導(dǎo)率較低的陶瓷材料作為電子導(dǎo)電介質(zhì)，再加之管道內(nèi)側(cè)很長的電流收集路徑，因此管式陰極支撐意味著很高的歐姆損耗；iii)燃料(特別是濕氫燃料)在管式電池單元外側(cè)分配時(shí)，其流動路徑阻力過小易導(dǎo)致燃料使用率過低；iv)管道內(nèi)高的空氣流動阻力將導(dǎo)致所需額外泵功率的輸出損失，同時(shí)加劇空氣側(cè)與氫氣側(cè)的壓力差，增加空氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；v)由于空氣相比于燃料具有很高的流量值，因此管道內(nèi)高速空氣流體將加劇氣蝕現(xiàn)象，同時(shí)空氣又是熱的主要載體，這將加劇管內(nèi)連接體間電流收集涂層的剝落。

顯然的，管式SOFC電堆如采用陽極支撐型陶瓷管單元設(shè)計(jì)(空氣管內(nèi)分配，燃料管外側(cè)分配)可有效解決上述的一些列次生問題，然而如沒有合理的管道外側(cè)空氣分配設(shè)計(jì)配套，惡劣的電池單元間及電池表面的空氣分布結(jié)果將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的燃料電池工作效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種針對陽極支撐型管式SOFC電池堆的空氣分配器，從而解決陽極支撐型管式SOFC電堆應(yīng)用過程中所需克服的陶瓷管外空氣分配問題，大幅度改善管式電堆中空氣在電池單元間(電堆層面)、以及電池單元軸向表面(電池單元層面)兩個(gè)層面上的空氣分配質(zhì)量。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種針對陽極支撐型管式SOFC電池堆的空氣分配器，包括主流道分配箱，在所述主流道分配箱前后相對的兩個(gè)面上預(yù)留孔供陽極支撐型SOFC電池管單元緊密穿過并呈陣列排布，在主流道分配箱內(nèi)部、SOFC電池管單元的周圍形成密閉的空氣流道，所述主流道分配箱的底部一側(cè)設(shè)有均勻的空氣入口，主流道分配箱與空氣入口相近的一個(gè)側(cè)面為由下至上逐漸向內(nèi)收縮的斜面，與之相對的另一個(gè)側(cè)面上均勻的分布有尾氣出口，空氣入口的空氣流向與尾氣出口的流向相互垂直。

進(jìn)一步，所述陽極支撐型SOFC電池管單元包括由里至外的陽極支撐層、電解質(zhì)層和陰極層，電池管單元管道內(nèi)部為燃料通道，空氣在管外部空間分配。

進(jìn)一步，所述空氣入口的排列方向與SOFC電池管單元的軸向方向一致，改善空氣在各個(gè)電池管單元軸向的分配質(zhì)量。

進(jìn)一步，空氣經(jīng)由空氣入口主管分流至若干主管道歧管后沿縱向?qū)?yīng)連接至各個(gè)空氣入口，所述空氣入口主管的管徑隨著空氣流向逐漸縮小，將原本一根主管對應(yīng)的空氣流量分入多個(gè)歧管，各個(gè)歧管的流速有效降低，從而約束主管道歧管間的空氣分配均勻性，有利于提高SOFC單元間(堆層面)的空氣分配均勻性。

進(jìn)一步，尾氣出口分別對應(yīng)連接沿橫向的各個(gè)尾氣收集歧管后匯流至尾氣收集主管，所述尾氣收集主管的管徑沿空氣排出方向逐漸增大，尾氣出口采用多個(gè)歧管進(jìn)行尾氣收集，亦可降低尾氣歧管中的空氣流速，從而改善空氣在電池管單元外表面的空氣分配質(zhì)量，以及約束尾氣收集歧管間的尾氣收集量關(guān)系。

主流道分配箱的出/入口主管道均通過系列歧管和進(jìn)行空氣分配和收集，在提升軸向方向空氣分配均勻度的同時(shí)，降低空氣流速，增加電池主要工作區(qū)域的空氣均勻性。此外，空氣入口主管具有管截面積漸縮的特性，從而有利于系列歧管中的空氣輸入均勻；類似的，尾氣收集主管具有漸擴(kuò)截面積特性，可改善尾氣在系列歧管中的均勻分配。

進(jìn)一步，所述尾氣出口劃分縱向的兩列均勻的分布在所述主流道分配箱的側(cè)面，可改善空氣在各個(gè)電池單元表面及軸向的空氣分配均勻性。

進(jìn)一步，所述尾氣出口最終連通至將主管道歧管容納在內(nèi)的氣體加熱區(qū)域。

進(jìn)一步，所述主管道歧管在氣體加熱區(qū)域中延長并迂回，可更高效的從尾氣中吸取熱量加熱入口氣體。

進(jìn)一步，所述主流道分配箱的頂面與最上層SOFC電池管單元的距離較其它電池管單元間距縮小了1/3，通過增加該路徑流動阻力的方式避免過多的空氣通過分配器的上邊沿繞過電池單元排列區(qū)流出。

進(jìn)一步，所述尾氣出口所在的主流道分配箱的側(cè)面與最接近SOFC電池管單元的距離較其它電池管單元間距縮小了1/3，目的是增加該流道在豎直方向上的阻力，迫使更多空氣流經(jīng)電池排列區(qū)，避免空氣繞過電池排列區(qū)而直接通過最上層空間繞道到該區(qū)域，增加空氣在電池單元間的分配質(zhì)量。

有益效果：本發(fā)明基于SOFC電堆內(nèi)部流動分布規(guī)律，對影響流動分布的主要區(qū)域進(jìn)行了改進(jìn)：主流道分配箱的空氣入口均勻的設(shè)置在箱體底部一側(cè)，從而改善了空氣在各個(gè)SOFC單元陶瓷管軸向的分配質(zhì)量；箱體靠近空氣入口的側(cè)面為漸收的斜面，從而降低主流道分配箱頂部區(qū)域附近的空氣靜壓強(qiáng)，改善空氣在電池單元管間的空氣分配均勻性；空氣入口和出口的流向相互垂直，同時(shí)改善空氣在管式SOFC電池單元間、以及SOFC陶瓷管單元表面軸向的空氣分配質(zhì)量；

在以上空氣分配的前提下，實(shí)現(xiàn)空氣在陽極支撐型SOFC陶瓷管單元間(堆層面)、以及電池單元陶瓷管陰極外表面(電池單元層面)較均勻的空氣分配質(zhì)量，有利于克服傳統(tǒng)以陰極支撐型為主的管式SOFC電堆的諸多弊病，本發(fā)明陽極支撐型管式SOFC結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

濃差損失優(yōu)勢：電池管單元的陽極支撐結(jié)構(gòu)分布在管道內(nèi)側(cè)，外側(cè)為較薄的陰極，從而大幅度減小氧氣在陰極的濃差損失；

歐姆損失優(yōu)勢：由于還原氣氛下陽極主要以金屬顆粒作為導(dǎo)電介質(zhì)，其電子電導(dǎo)率明顯優(yōu)于陰極，加之管式電池單元內(nèi)側(cè)電極具有長的電流收集路徑的缺點(diǎn)，因此陽極作為支撐層處在管式電池內(nèi)側(cè)，陰極在外側(cè)配置更為靈活的電流收集件，可大幅度降低歐姆損失；

燃料(特別是濕氫燃料)通過電池單元管內(nèi)側(cè)傳輸，可保證燃料的流速和流動阻力進(jìn)而大幅度提高管式SOFC電堆的燃料利用率；

利用率低的空氣通過外部寬闊的流道分配，具有較低的流動阻力和壓力，一方面可減少泵入機(jī)械的能量消耗，同時(shí)降低管內(nèi)外燃料側(cè)和空氣側(cè)的實(shí)際壓力差，從而降低氧泄漏風(fēng)險(xiǎn)，以及陰極和鏈接體間電流收集層的氣蝕剝落風(fēng)險(xiǎn)，提高電池壽命；

陽極處在SOFC單元內(nèi)側(cè)管道，有利于防護(hù)并避免陽極材料的重新氧化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明空氣分配箱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為空氣分配箱的正視圖；

圖3為主流道分配箱的局部示意圖；

圖4為空氣入口主管及主管道歧管的局部示意圖；

圖5為與入口對應(yīng)的尾氣收集歧管及尾氣收集主管的局部示意圖；

圖6為入口氣體加熱區(qū)域的局部示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：一種針對陽極支撐型管式SOFC電池堆的空氣分配器，如圖1、2所示，主要部件為一個(gè)中空的主流道分配箱3，如圖3所示，設(shè)定主流道分配箱3的長、高、厚方向分別為X、Y、Z方向。主流道分配箱3的前后兩個(gè)面上預(yù)留有若干孔供陽極支撐型SOFC電池管單元1對應(yīng)穿過并且緊密配合，使得SOFC電池管單元1在主流道分配箱3的表面呈陣列排布，同時(shí)主流道分配箱3內(nèi)部空間在SOFC電池管單元1的周圍能夠形成供空氣流通的通道。具體的，每個(gè)陽極支撐型SOFC電池管單元1包括由里至外的陽極支撐層、電解質(zhì)層和陰極層，SOFC電池管單元1內(nèi)為燃料流道，而管外圍空氣流道區(qū)域。

主流道分配箱3的底部左側(cè)設(shè)有沿Z方向排列的4個(gè)空氣入口，4個(gè)空氣入口皆位于SOFC電池管單元1所在區(qū)域以左。如圖4所示，在空氣入口的下方設(shè)有一根沿Z方向延伸的空氣入口主管2-1，順著空氣流入主流道分配箱3的方向，空氣入口主管2-1的管徑逐漸縮小，故管道截面漸縮?？諝馊肟谥鞴?-1的長度方向上等距的連接有4根沿X方向往復(fù)延伸的主管道歧管2-2，故，流入空氣入口主管2-1的空氣可均勻的分流至4根主管道歧管2-2后流入主流道分配箱3，將空氣入口流速降低為原來的1/4。具體的，主管道歧管2-2從空氣入口主管2-1開始首先沿X方向延伸一段距離，繼而反向迂回至空氣入口主管2-1附近，統(tǒng)一豎直向上沿Y方向連接至主流道分配箱3的各個(gè)空氣入口，而不是直接從水平X方向通入，這對增加單元管間空氣分配質(zhì)量有利，因此空氣可經(jīng)由4根主管道歧管2-2降速后，由側(cè)下方向均勻低速輸入主流道分配箱3內(nèi)。

主流道分配箱3與空氣入口相近的左邊側(cè)面為由下至上逐漸向右傾斜向內(nèi)收縮的斜面，傾斜程度為左下角SOFC電池管單元1到分配箱3左側(cè)面X方向上的距離為左上角SOFC電池管單元1到分配箱3左側(cè)面之間距離的2倍，有利于增加靠近頂部區(qū)域的空氣流速，從而降低該區(qū)域的靜壓強(qiáng)，最終使得空氣沿Y方向均勻分配后流入電池排列區(qū)。主流道分配箱3內(nèi)部空間可劃分為從左至右的分配區(qū)頭部3-1、電池單元排列區(qū)3-3以及分配區(qū)尾部3-5，SOFC電池管單元1以左區(qū)域到主流道分配箱3的左側(cè)面為分配區(qū)頭部3-1，SOFC電池管陣列所在的區(qū)域?yàn)殡姵貑卧帕袇^(qū)3-3，SOFC電池管以右區(qū)域到右側(cè)面為分配區(qū)尾部3-5，而從電池單元排列區(qū)3-3以上到主流道分配箱3頂面的空間為分配區(qū)頂部3-4?？諝膺M(jìn)入主流道分配箱3后，由于分配區(qū)頭部3-1具有由下至上空間逐漸縮小的特征，故空氣可沿Y方向進(jìn)行調(diào)壓，得到Y(jié)方向較為均勻的壓強(qiáng)分布，然后空氣以較均勻的Y-Z平面分配輸入電池單元排列區(qū)3-3。一般情況下，一方面，由于低的空氣利用率導(dǎo)致高的空氣流量，另一方面，電池單元排列區(qū)3-3具有較高的流動阻力，大部分空氣會選擇從電池單元排列區(qū)3-3以上、最頂層的流道繞過電池單元排列區(qū)3-3，從而導(dǎo)致非常差的電池單元間空氣分配質(zhì)量。因此，本實(shí)施例通過收窄分配區(qū)頂部3-4的高度，也就是頂層SOFC電池管單元1與分配器頂蓋的間距，相較于SOFC電池管單元1之間的間距縮小1/3，增加空氣通過該流體路徑的阻力，迫使更多空氣流經(jīng)池單元排列區(qū)3-3，通過增加該路徑流動阻力的方式避免過多的空氣通過分配箱3的上邊沿繞過電池單元排列區(qū)3-3流出，從而迫使更多空氣流入電池單元排列區(qū)3-3。分配區(qū)尾部3-5具有明顯變窄的阻力增加特征，最右豎排SOFC電池管單元1與分配器右側(cè)面的間距相較于SOFC電池管單元1之間的間距縮小1/3，通過增加尾部收集區(qū)3-5與電池單元排列區(qū)3-3的流動阻力比例，迫使更多空氣流經(jīng)電池單元排列區(qū)3-3，增加空氣在電池單元間的分配質(zhì)量。

主流道分配箱3的右側(cè)面上均勻的設(shè)有8個(gè)尾氣出口，尾氣出口分為兩列，每列4個(gè)等距的沿Y方向排列，最頂端的尾氣出口不高于最上層SOFC電池管單元1所在高度。如圖5所示，每個(gè)尾氣出口對應(yīng)連接一根尾氣收集歧管4-1，同列的尾氣收集歧管4-1匯流至一根尾氣收集主管4-2，尾氣收集主管4-2的管徑沿尾氣排出方向逐漸增大，故尾氣收集主管4-2的截面由上至下逐漸擴(kuò)張，主管截面積逐漸增大導(dǎo)致管中流速下降，根據(jù)伯努利機(jī)械能守恒方程管中壓強(qiáng)增大，從而實(shí)現(xiàn)尾氣收集歧管4-1之間均勻的空氣收集量。由于主管道歧管2-2連接分配箱3一段和尾氣收集歧管4-1呈相互垂直的排列方向，空氣進(jìn)入分配箱3與流出分配箱3的方向相互垂直，促使空氣從入口向上、向右向出口擴(kuò)散，流入的空氣可迅速進(jìn)入電池單元排列區(qū)3-3各單元之間，同時(shí)入口和出口均勻分布在電池管單元的軸向方向上，因此每個(gè)電池單元軸向方向上的空氣均勻充分。

隨后，如圖6所示，兩路被尾氣收集主管4-2收集的高熱尾氣被直接導(dǎo)入位于主流道分配箱3下方的入口氣體加熱區(qū)域5-1，該區(qū)域由熱交換器外殼5-2構(gòu)成，入口氣體加熱區(qū)域?qū)?根主管道歧管2-2容納在內(nèi)，歧管在該區(qū)域內(nèi)被延長充分吸收尾氣熱量用于加熱入口空氣。

最終，通過本發(fā)明設(shè)計(jì)，在空氣外分配的前提下實(shí)現(xiàn)對電池單元間、以及電池單元表面空氣的均勻分配，為使用開發(fā)高性能陽極支撐型管式SOFC電堆奠定了基礎(chǔ)。