一种单气室固体氧化物燃料电池组及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种单气室固体氧化物燃料电池组及应用。该电池组包括若干单片固体氧化物燃料电池、导线和电池固定板；单片固体氧化物燃料电池垂直于燃料的气流方向、平行排列固定于带凹槽的电池固定板上，相邻凹槽间的距离基于斐波那契数列进行设定；单片固体氧化物燃料电池之间用导线进行串联。本发明专利技术基于斐波那契数列排布的简单串联式单气室固体氧化物燃料电池组，提高了输送到每片电池上原料气、单片电池输出性能的均匀性，避免出现性能较差电池消耗电池组功率的现象，提高了燃料的利用率；本发明专利技术便于电池组进行计算设计和优化，有利于规模化生产和控制；本发明专利技术的电池组有利于在便携式电源或发动机尾气处理中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单气室固体氧化物燃料电池组及应用。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)作为最新一代发电技术，可以高效地将燃料气体和氧化剂气体的化学能直接转化成电能，热电联供时效率可达80％以上，在分布式能源、便携式能源等领域都有很大的应用前景。单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)是一种新结构的燃料电池，它是利用阳极与阴极对混合气体中的燃料与氧气分别具有选择催化性来工作的。与传统的双气室固体氧化物燃料电池相比，SC-SOFC具有无需密封、启动快、能量密度高、燃料多元化、可实现自加热维持等多个优点，这使其在便携式电源方面具有更为广阔的应用前景。日本科学家将SC-SOFC用于摩托车尾气发电领域，功率可以达到1W以上。一个单气室固体氧化物燃料电池由阳极、电解质、阴极3部分组成，置于1个反应室中，通入燃料/氧气的混合气。需要控制燃料和氧气的比例，不能达到燃料的爆炸极限，以免发生事故。在阳极一侧，燃料(例如：CH4)首先在阳极表面催化剂的作用下发生部分氧化反应，产生CO和H2，部分氧化的产物(CO+H2)在阳极中与电解质传导到阳极一侧的氧离子发生反应，最终生成水和二氧化碳。与此同时，阳极产生的电子通过外电路传导到阴极参加反应，而外电路则形成电流。单气室固体氧化物燃料电池工作原理如图1所示，其中，1为阳极，2为电解质，3为阴极，4为阳极导线，5为阴极导线。单个SOFC在工作时所能达到的最高电压约为1V，实际应用价值有限。因此必须把多个单电池串联构成电池组或电池堆，用来获得较高的输出电压和输出功率以达到实用。目前，平行串联式、瓦楞式、星型式单气室电池组r>均有所报道。其中，平行串联式具有最简单的结构，组装起来最简单，因此研究最广泛。对于平行串联式燃料电池组来说，电池的排布，尤其是电池的间距非常重要。由于通入的燃料/氧气的混合气是依次流经每个电池时，先吸附混合气的电池会消耗掉一部分原料，改变了燃料/氧气的比例和流场分布；该反应还会放出一定的热量，也会改变电池组中的温度场分布。所以，沿着原料气通入的方向，单电池的性能会逐渐下降。而由单电池串联的电池组中，性能最差电池会消耗一部分电能，降低电池组总的输出性能，因此保证电池组中电池性能均匀性是一个关键问题。因此，开发一种既能简单串联，又能提高输送到每片电池上原料气均匀性的单气室固体氧化物燃料电池组就具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中直接串联式单气室固体氧化物燃料电池组的设计存在燃料/氧气的比例改变，单片电池流场分布不均匀，放出的热量会改变电池组中的温度场分布，单电池的性能会沿着原料气通入的方向逐渐下降，总体输出性能下降，不能保证电池性能均匀性的缺陷，提供了一种单气室固体氧化物燃料电池组及应用。本专利技术基于斐波那契数列排布的简单串联式单气室固体氧化物燃料电池组，提高了输送到每片电池上原料气的均匀性、单片电池输出性能的均匀性，避免出现性能较差电池消耗电池组功率的现象，提高了燃料的利用率；基于斐波那契数列便于电池组进行计算设计和优化，有利于规模化生产和控制。此外，本专利技术的电池组有利于在便携式电源或发动机尾气处理中的应用。本专利技术提供了一种单气室固体氧化物燃料电池组，其包括若干单片固体氧化物燃料电池、导线和电池固定板；所述单片固体氧化物燃料电池垂直于燃料的气流方向、平行排列固定于带凹槽的所述电池固定板上，相邻凹槽间的距离基于斐波那契数列进行设定；所述单片固体氧化物燃料电池之间用所述导线进行串联。其中，所述斐波纳契数列为数学领域常规，其表达式一般为F(n)＝F(n-1)+F(n-2)(n≥3，n∈N*)，F(1)＞0。相邻凹槽间的距离基于斐波那契数列进行设定，斐波那契数列的第一项、第二项可以相等，也可以不相等。其中，所述的单片固体氧化物燃料电池的数量为本领域内常规，较佳地为4-50片。所述的单片固体氧化物燃料电池为本领域内常规，一般为阳极支撑型、阴极支撑型或电解质支撑型电池。其中，所述单片固定氧化物燃料电池的形状为本领域内常规，较佳地为圆形电池或正方形电池。所述的圆片电池的直径为本领域内常规，较佳地为5mm-50cm。所述正方形电池的边长为本领域内常规，较佳地为5mm-50cm。当所述单片固体氧化物燃料电池为圆片电池时，第1片和第2片所述单片固体氧化物燃料电池的间距，或者第2片和第3片所述单片固体氧化物燃料电池的间距较佳地为圆片电池直径的1/4-3/4，更佳地为圆片电池直径的1/2。当所述单片固体氧化物燃料电池为正方形电池时，第1片和第2片所述单片固体氧化物燃料电池的间距，或者第2片和第3片所述单片固体氧化物燃料电池的间距较佳地为正方形电池边长的1/4-3/4，更佳地为正方形电池边长的1/2。其中，所述的单片固体氧化物燃料电池的阳极为本领域内常规，较佳地为Ni/YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、Ni/SDC(氧化钐稳定的氧化铈)、Ni/GDC(氧化钆稳定的氧化铈)、La1-xSrxCr1-yMnyO3(LSCrM)或La1-xSrxTiO3(LST)。其中，Ni/YSZ是指Ni与YSZ均匀混合，Ni/SDC是指Ni与SDC均匀混合，Ni/GDC是指Ni和GDC均匀混合。所述Ni/YSZ、所述Ni/SDC或所述Ni/GDC中，Ni含量较佳地均为30-70％，所述百分比为占阳极材料总质量的质量百分比。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。其中，所述的单片固体氧化物燃料电池的阴极为本领域内常规，较佳地为La1-xSrxMnO3(LSM)/YSZ、La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)/YSZ、La1-xSrxMnO3(LSM)/GDC、La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)/GDC、La1-xSrxMnO3(LSM)或La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)。其中，La1-xSrxMnO3(LSM)/YSZ是指La1-xSrxMnO3与YSZ均匀混合，La1-xSrxMnO3的含量较佳地为30-70％；La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)/YSZ是指La1-xSrxCo1-yFeyO3与YSZ均匀混合，La1-xSrxCo1-yFeyO3的含量较佳地为30-70％；La1-xSrxMnO3(LSM)/GDC是指La1-xSrxMnO3与GDC均匀混合，La1-xSrxMnO3的含量较佳地为30-70％；La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)/GDC是指La1-xSrxCo1-yFeyO3与GDC均匀混合，La1-xSrxCo1-yFeyO3的含量较佳地为30-70％；上述百分比均为各组分分别占阴极材料总质量的质量百分比。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。其中，所述的单片固体氧化物燃料电池的电解质为本领域内常规，较佳地为YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、SDC(氧化钐稳定的氧化铈)、GDC(氧化钆稳定的氧化铈)或La1-xSrxCa1-yMgyO3(LSGM)。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。其中，所述的导线为本领域内常规，较佳地熔点大于等于800℃且电阻低于0.01Ω的金属或合金材料，更佳地为铂线、金线、银线、镍铬线和铁铬线中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，其包括若干单片固体氧化物燃料电池、导线和电池固定板；所述单片固体氧化物燃料电池垂直于燃料的气流方向、平行排列固定于带凹槽的所述电池固定板上，相邻凹槽间的距离基于斐波那契数列进行设定；所述单片固体氧化物燃料电池之间用所述导线进行串联。

【技术特征摘要】
1.一种单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，其包括若干单片固体氧化物燃料电池、导线和电池固定板；所述单片固体氧化物燃料电池垂直于燃料的气流方向、平行排列固定于带凹槽的所述电池固定板上，相邻凹槽间的距离基于斐波那契数列进行设定；所述单片固体氧化物燃料电池之间用所述导线进行串联。2.如权利要求1所述的单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述的单片固体氧化物燃料电池的数量为4-50片。3.如权利要求1所述的单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述单片固定氧化物燃料电池的形状为圆形电池或正方形电池；所述的圆片电池的直径较佳地为5mm-50cm，所述正方形电池的边长较佳地为5mm-50cm。4.如权利要求3所述的单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，当所述单片固体氧化物燃料电池为圆片电池时，第1片和第2片所述单片固体氧化物燃料电池的间距，或者第2片和第3片所述单片固体氧化物燃料电池的间距为圆片电池直径的1/4-3/4；和/或，当所述单片固体氧化物燃料电池为正方形电池时，第1片和第2片所述单片固体氧化物燃料电池的间距，或者第2片和第3片所述单片固体氧化物燃料电池的间距为正方形电池边长的1/4-3/4。5.如权利要求1所述的单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述的单片固体氧化物燃料电池的阳极为Ni/YSZ、Ni/SDC、Ni/GDC、La1-xSrxCr1-yMnyO3或La1-xSrxTiO3；所述Ni/YSZ、所述Ni/SDC或所述Ni/GDC中，Ni含量较佳地均为30-70％，所述百分比为占阳极材料总质量的质量百分比；其中，0≤x≤1，0≤y≤1。6.如权利要求1所述的单气室固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述的单片固体氧化物燃料电池的阴极为La1-xSrxMnO3/YSZ、La1-xSrxCo1-yFeyO3/YSZ、La1-xSrxMnO3/GDC、La1-xSrxC...

【专利技术属性】
技术研发人员：关成志，侯权，王建强，肖国萍，陈新冰，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31