本發(fā)明涉及一種單氣室固體氧化物燃料電池組及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

固體氧化物燃料電池(SOFC)作為最新一代發(fā)電技術(shù)，可以高效地將燃料氣體和氧化劑氣體的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，熱電聯(lián)供時(shí)效率可達(dá)80％以上，在分布式能源、便攜式能源等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。

單氣室固體氧化物燃料電池(SC-SOFC)是一種新結(jié)構(gòu)的燃料電池，它是利用陽極與陰極對混合氣體中的燃料與氧氣分別具有選擇催化性來工作的。與傳統(tǒng)的雙氣室固體氧化物燃料電池相比，SC-SOFC具有無需密封、啟動快、能量密度高、燃料多元化、可實(shí)現(xiàn)自加熱維持等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這使其在便攜式電源方面具有更為廣闊的應(yīng)用前景。日本科學(xué)家將SC-SOFC用于摩托車尾氣發(fā)電領(lǐng)域，功率可以達(dá)到1W以上。

一個(gè)單氣室固體氧化物燃料電池由陽極、電解質(zhì)、陰極3部分組成，置于1個(gè)反應(yīng)室中，通入燃料/氧氣的混合氣。需要控制燃料和氧氣的比例，不能達(dá)到燃料的爆炸極限，以免發(fā)生事故。在陽極一側(cè)，燃料(例如：CH₄)首先在陽極表面催化劑的作用下發(fā)生部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO和H₂，部分氧化的產(chǎn)物(CO+H₂)在陽極中與電解質(zhì)傳導(dǎo)到陽極一側(cè)的氧離子發(fā)生反應(yīng)，最終生成水和二氧化碳。與此同時(shí)，陽極產(chǎn)生的電子通過外電路傳導(dǎo)到陰極參加反應(yīng)，而外電路則形成電流。單氣室固體氧化物燃料電池工作原理如圖1所示，其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極，4為陽極導(dǎo)線，5為陰極導(dǎo)線。

單個(gè)SOFC在工作時(shí)所能達(dá)到的最高電壓約為1V，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有限。因此必須把多個(gè)單電池串聯(lián)構(gòu)成電池組或電池堆，用來獲得較高的輸出電壓和輸出功率以達(dá)到實(shí)用。目前，平行串聯(lián)式、瓦楞式、星型式單氣室電池組 均有所報(bào)道。其中，平行串聯(lián)式具有最簡單的結(jié)構(gòu)，組裝起來最簡單，因此研究最廣泛。

對于平行串聯(lián)式燃料電池組來說，電池的排布，尤其是電池的間距非常重要。由于通入的燃料/氧氣的混合氣是依次流經(jīng)每個(gè)電池時(shí)，先吸附混合氣的電池會消耗掉一部分原料，改變了燃料/氧氣的比例和流場分布；該反應(yīng)還會放出一定的熱量，也會改變電池組中的溫度場分布。所以，沿著原料氣通入的方向，單電池的性能會逐漸下降。而由單電池串聯(lián)的電池組中，性能最差電池會消耗一部分電能，降低電池組總的輸出性能，因此保證電池組中電池性能均勻性是一個(gè)關(guān)鍵問題。

因此，開發(fā)一種既能簡單串聯(lián)，又能提高輸送到每片電池上原料氣均勻性的單氣室固體氧化物燃料電池組就具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中直接串聯(lián)式單氣室固體氧化物燃料電池組的設(shè)計(jì)存在燃料/氧氣的比例改變，單片電池流場分布不均勻，放出的熱量會改變電池組中的溫度場分布，單電池的性能會沿著原料氣通入的方向逐漸下降，總體輸出性能下降，不能保證電池性能均勻性的缺陷，提供了一種單氣室固體氧化物燃料電池組及應(yīng)用。本發(fā)明基于斐波那契數(shù)列排布的簡單串聯(lián)式單氣室固體氧化物燃料電池組，提高了輸送到每片電池上原料氣的均勻性、單片電池輸出性能的均勻性，避免出現(xiàn)性能較差電池消耗電池組功率的現(xiàn)象，提高了燃料的利用率；基于斐波那契數(shù)列便于電池組進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有利于規(guī)?；a(chǎn)和控制。此外，本發(fā)明的電池組有利于在便攜式電源或發(fā)動機(jī)尾氣處理中的應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種單氣室固體氧化物燃料電池組，其包括若干單片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線和電池固定板；所述單片固體氧化物燃料電池垂直于燃料的氣流方向、平行排列固定于帶凹槽的所述電池固定板上，相鄰凹槽間的距離基于斐波那契數(shù)列進(jìn)行設(shè)定；所述單片固體氧化物燃料電池之間用所 述導(dǎo)線進(jìn)行串聯(lián)。

其中，所述斐波納契數(shù)列為數(shù)學(xué)領(lǐng)域常規(guī)，其表達(dá)式一般為F(n)＝F(n-1)+F(n-2)(n≥3，n∈N*)，F(xiàn)(1)＞0。相鄰凹槽間的距離基于斐波那契數(shù)列進(jìn)行設(shè)定，斐波那契數(shù)列的第一項(xiàng)、第二項(xiàng)可以相等，也可以不相等。

其中，所述的單片固體氧化物燃料電池的數(shù)量為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為4-50片。所述的單片固體氧化物燃料電池為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，一般為陽極支撐型、陰極支撐型或電解質(zhì)支撐型電池。

其中，所述單片固定氧化物燃料電池的形狀為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為圓形電池或正方形電池。所述的圓片電池的直徑為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為5mm-50cm。所述正方形電池的邊長為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為5mm-50cm。

當(dāng)所述單片固體氧化物燃料電池為圓片電池時(shí)，第1片和第2片所述單片固體氧化物燃料電池的間距，或者第2片和第3片所述單片固體氧化物燃料電池的間距較佳地為圓片電池直徑的1/4-3/4，更佳地為圓片電池直徑的1/2。

當(dāng)所述單片固體氧化物燃料電池為正方形電池時(shí)，第1片和第2片所述單片固體氧化物燃料電池的間距，或者第2片和第3片所述單片固體氧化物燃料電池的間距較佳地為正方形電池邊長的1/4-3/4，更佳地為正方形電池邊長的1/2。

其中，所述的單片固體氧化物燃料電池的陽極為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為Ni/YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)、Ni/SDC(氧化釤穩(wěn)定的氧化鈰)、Ni/GDC(氧化釓穩(wěn)定的氧化鈰)、La_1-xSr_xCr_1-yMn_yO₃(LSCrM)或La_1-xSr_xTiO₃(LST)。其中，Ni/YSZ是指Ni與YSZ均勻混合，Ni/SDC是指Ni與SDC均勻混合，Ni/GDC是指Ni和GDC均勻混合。所述Ni/YSZ、所述Ni/SDC或所述Ni/GDC中，Ni含量較佳地均為30-70％，所述百分比為占陽極材料總質(zhì)量的質(zhì)量百分比。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

其中，所述的單片固體氧化物燃料電池的陰極為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地 為La_1-xSr_xMnO₃(LSM)/YSZ、La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF)/YSZ、La_1-xSr_xMnO₃(LSM)/GDC、La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF)/GDC、La_1-xSr_xMnO₃(LSM)或La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF)。其中，La_1-xSr_xMnO₃(LSM)/YSZ是指La_1-xSr_xMnO₃與YSZ均勻混合，La_1-xSr_xMnO₃的含量較佳地為30-70％；La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF)/YSZ是指La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃與YSZ均勻混合，La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃的含量較佳地為30-70％；La_1-xSr_xMnO₃(LSM)/GDC是指La_1-xSr_xMnO₃與GDC均勻混合，La_1-xSr_xMnO₃的含量較佳地為30-70％；La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF)/GDC是指La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃與GDC均勻混合，La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃的含量較佳地為30-70％；上述百分比均為各組分分別占陰極材料總質(zhì)量的質(zhì)量百分比。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

其中，所述的單片固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)、SDC(氧化釤穩(wěn)定的氧化鈰)、GDC(氧化釓穩(wěn)定的氧化鈰)或La_1-xSr_xCa_1-yMg_yO₃(LSGM)。其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

其中，所述的導(dǎo)線為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地熔點(diǎn)大于等于800℃且電阻低于0.01Ω的金屬或合金材料，更佳地為鉑線、金線、銀線、鎳鉻線和鐵鉻線中的一種或多種。所述的導(dǎo)線的直徑較佳地為0.05mm-5mm。

其中，所述的電池固定板的材料較佳地為絕緣、熔點(diǎn)大于等于800℃、不與H₂且不與O₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的無機(jī)非金屬材料和/或鍍有絕緣層的不銹鋼。所述無機(jī)非金屬材料較佳地為陶瓷、石英、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰和尖晶石中的一種或多種。所述不銹鋼為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)。所述絕緣層的材料較佳地為氧化鋁、氧化鋯、氧化鈰、尖晶石和石英中的一種或多種。

其中，所述凹槽的厚度滿足將所述單片固體氧化物燃料電池能夠固定即可。

其中，所述的燃料為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為烷烴、醇、酮、苯、天然氣、液化石油氣、合成氣、沼氣和煤層氣中的一種或多種。所述燃料與氧氣的混合比例為本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)，較佳地為1：4-1：1。

本發(fā)明還提供了一種上述單氣室固體氧化物燃料電池組在便攜式電源或發(fā)動機(jī)尾氣處理中的應(yīng)用。

本發(fā)明中，上述單氣室固體氧化物燃料電池組在發(fā)動機(jī)尾氣處理中的應(yīng)用是指將發(fā)動機(jī)未充分燃燒成分和接近500℃的尾氣余熱轉(zhuǎn)換成電能加以回收，對提高能效具有重要意義。

在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。

本發(fā)明所用試劑和原料均市售可得。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：

本發(fā)明的基于斐波那契數(shù)列排布的串聯(lián)式單氣室固體氧化物燃料電池組可以提高單片電池輸出性能的均勻性，避免出現(xiàn)性能較差電池消耗電池組功率的現(xiàn)象，提高了燃料的利用率；基于斐波那契數(shù)列便于電池組進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有利于規(guī)?；a(chǎn)和控制。此外，本發(fā)明的電池組有利于在便攜式電源和發(fā)動機(jī)尾氣處理中的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為單氣室固體氧化物燃料電池工作原理示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極，4為陽極導(dǎo)線，5為陰極導(dǎo)線。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的基于斐波那契數(shù)列排布的串聯(lián)式單氣室固體氧化物燃料電池組組裝示意圖；其中，1為單片固體氧化物燃料電池，2為電池固定板，3為凹槽，4為導(dǎo)線，箭頭方向?yàn)槿細(xì)夂脱鯕獾臍饬鞣较颉?/p>

圖3為陽極支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。

圖4為電解質(zhì)支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。

圖5為陰極支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。

下述實(shí)施例中采用的電池固定板的材料均為絕緣、熔點(diǎn)大于等于800℃、不與H₂且不與O₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。導(dǎo)線均為熔點(diǎn)大于等于800℃且電阻低于0.01Ω的材料。

實(shí)施例1

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的基于斐波那契數(shù)列排布的串聯(lián)式單氣室固體氧化物燃料電池組組裝示意圖。其中，1為單片固體氧化物燃料電池，2為電池固定板，3為凹槽，4為導(dǎo)線，箭頭方向?yàn)槿細(xì)夂脱鯕獾臍饬鞣较颉?/p>

圖3為陽極支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑5mm的陽極支撐型圓片電池，陽極材料為Ni/YSZ(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的30％)，電解質(zhì)為YSZ，陰極為La_1-xSr_xMnO₃(LSM，x＝0.2)/YSZ(其中，LSM占陰極材料總質(zhì)量的30％)；導(dǎo)線為直徑0.05mm鉑線；電池固定板的材料為氧化鋁。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為2.5mm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例電池組包括50片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑50cm的陽極支撐型圓片電池，陽極材料為La_1-xSr_xCr_1-yMn_yO₃(LSCrM，x＝0.2，y＝0.5)，電解質(zhì)為SDC，陰極為LSM/SDC(其中，LSM占陰極材料總質(zhì)量的70％)；導(dǎo)線為直徑5mm的銀線；電池固定板的材料為氧化鋯。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契 數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為12.5cm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例電池組包括10片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為邊長5mm的陽極支撐型正方形電池，陽極材料為Ni/GDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的70％)，電解質(zhì)為GDC，陰極為La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)/GDC(其中，LSCF占陰極材料總質(zhì)量的55％)；導(dǎo)線為直徑0.05mm的銀線；電池固定板的材料為尖晶石。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為3.75mm。

實(shí)施例4

本實(shí)施例電池組包括10片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為邊長50mm的陽極支撐型正方形電池，陽極材料為Ni/SDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的55％)，電解質(zhì)為SDC，陰極為La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)/SDC(其中，LSCF占陰極材料總質(zhì)量的60％)；導(dǎo)線為直徑2mm的銀線；電池固定板的材料為尖晶石。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片固體氧化物燃料電池的間距為12.5，第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為25mm。

實(shí)施例5

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為邊長50mm的陽極支撐型正方形電池，陽極材料為Ni/SDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的30％)，電解質(zhì)為SDC，陰極為La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)/SDC(其中，LSCF占陰極材料總質(zhì)量的30％)；導(dǎo)線為直徑2mm的銀線；電池固定板為表面鍍了1mm厚氧化鋁涂層的不銹鋼板。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的 間距為25mm。

實(shí)施例6

本實(shí)施例電池組包括25片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑25mm的陽極支撐型圓片電池，陽極材料為La_1-xSr_xTiO₃(LST，x＝0.2)，電解質(zhì)為YSZ，陰極為LSM/YSZ(其中，LSM占陰極材料總質(zhì)量的60％)；導(dǎo)線為直徑0.05mm金線；電池固定板的材料為石英。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為18.75mm。

實(shí)施例7

本實(shí)施例電池組包括25片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為邊長25mm的陽極支撐型方形電池，陽極材料為Ni/YSZ(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的40％)，電解質(zhì)為YSZ，陰極為LSM/YSZ(其中，LSM占陰極材料總質(zhì)量的70％)；導(dǎo)線為直徑1mm鎳鉻線；電池固定板的材料為涂氧化鈰的不銹鋼。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為10mm。

實(shí)施例8

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑5mm的陽極支撐型圓片電池，陽極材料為Ni/YSZ(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的30％)，電解質(zhì)為YSZ，陰極為La_1-xSr_xMnO₃(LSM，x＝0.2)；導(dǎo)線為直徑0.05mm鉑線；電池固定板的材料為氧化鋁。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為2.5mm。

實(shí)施例9

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑5mm的陽極支撐型圓片電池，陽極材料為Ni/SDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的50％)，電解質(zhì)為SDC，陰極為 La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)；導(dǎo)線為直徑0.05mm鉑線；電池固定板的材料為氧化鋁。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為2.5mm。

實(shí)施例10

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑5mm的陰極支撐型圓片電池，陽極材料為Ni/SDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的60％)，電解質(zhì)為SDC，陰極為La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)；導(dǎo)線為直徑0.05mm鉑線；電池固定板的材料為氧化鋁。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為2.5mm。

圖5為陰極支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。

實(shí)施例11

本實(shí)施例電池組包括4片固體氧化物燃料電池、導(dǎo)線、電池固定板；單片固體氧化物燃料電池為直徑5mm的電解質(zhì)支撐型圓片電池，陽極材料為Ni/SDC(其中，Ni占陽極材料總質(zhì)量的45％)，電解質(zhì)為SDC，陰極為La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(LSCF，x＝0.4，y＝0.8)；導(dǎo)線為直徑0.05mm鉑線；電池固定板的材料為氧化鋁。固體氧化物燃料電池垂直于氣流方向基于斐波那契數(shù)列平行排列，第1片和第2片、第2片和第3片的固體氧化物燃料電池的間距為2.5mm。

圖4為電解質(zhì)支撐型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為陽極，2為電解質(zhì)，3為陰極。