通过单片集成技术实现的新型微管固体氧化物燃料电池堆栈单元：设计、制备与性能表征

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Novel microtubular solid oxide fuel cell stack cell via monolithic integration: design, fabrication, and characterization

微管固态氧化物燃料电池堆通过单步骤集成三单元并利用电解质层隔离，省去传统连接器、背层和密封材料，在800℃时实现峰值功率2.1W，功率密度467mW/cm2，较传统设计提升68%。

　　本文介绍了一种新颖且简化的制造方法，用于开发高性能的微管状固体氧化物燃料电池（μT-SOFC）堆叠结构。该方法通过单步骤的带材铸造与层压工艺，将三个阳极支撑的μT-SOFC单元集成在一个支持结构中，利用中间电解质分隔层实现电隔离，从而形成串联连接的堆叠单元，无需传统的连接器、背板或密封元件。这一设计显著降低了制造复杂度和成本，同时提高了输出性能。

通过该方法制造的堆叠单元在800°C运行时，能够达到约2.1 W的峰值功率输出，功率密度为467 mW/cm2，相较于等轴长的长参考单元提升了约68%。阻抗分析进一步验证了该堆叠结构在电流收集效率方面的优势，而微观结构评估则显示了层间界面的完整性以及电解质结构的致密性。这种新型堆叠设计在便携式和高密度SOFC应用中展现出广阔前景，特别是在需要紧凑结构、热稳定性高以及高输出电压的场景中。

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种直接将燃料的化学能转化为热能和电能的能源转换设备，其工作温度通常在600–1000°C之间，通过电化学反应实现能量转换。与传统的能源转换技术相比，SOFCs因其高效率和环保特性而受到广泛关注，能够直接将化学能转化为电能，无需中间转换步骤。尽管SOFCs存在多种复杂的结构设计，如平面型、锥形、蜂窝状和扁管状等，但大多数文献研究集中在管状和平面型结构上。管状SOFCs虽然在制造过程中面临诸多挑战，如生产成本高、功率密度较低，但其在热稳定性方面表现出色，具备快速启动、高热稳定性和优异的热循环耐久性。然而，单个管状单元的功率输出通常有限，难以满足某些应用场景的能源需求，因此需要将多个单元串联或并联，形成堆叠结构。

在过去的几十年中，已有多个研究团队尝试开发管状SOFC堆叠结构。例如，Alston等人在1990年代末开发了一种用于住宅联合发电系统的管状SOFC堆叠，由1000个单元组成，每个单元包含25个电解质支撑的管状单元。这种堆叠结构虽然能够实现较高的总功率输出，但由于其体积较大，限制了其在便携式设备中的应用。Sammes等人则设计了一种由40个单元串联组成的堆叠结构，每个单元通过银焊与金属电流收集器连接，实现了约100 W的输出功率。Lee等人开发了一种用于汽车辅助电源的管状SOFC堆叠，功率输出达到700 W，而Timurkutluk等人则通过陶瓷基密封材料将12个管状单元连接成堆叠，峰值功率为26 W。这些研究虽然在不同程度上提高了管状SOFC堆叠的性能，但在制造工艺、成本控制以及热稳定性方面仍面临挑战。

管状SOFC堆叠的一个主要问题是电流收集路径较长，导致欧姆损耗增加，从而降低整体效率。此外，一些研究指出，通过在阳极上设置多个电流收集终端，可以提高单个单元的输出功率。因此，电流收集点的数量和位置对μT-SOFC的性能具有重要影响，特别是在长单元中，合理的电流收集设计能够有效提升电能输出。然而，堆叠结构的体积和重量增加可能会导致体积功率密度和比功率密度下降。同时，堆叠过程中形成的狭窄密封区域使得密封材料的施加变得困难，可能引发密封失效和泄漏风险。此外，由于密封区域的热梯度问题，热应力可能集中在密封材料上，从而影响堆叠的整体可靠性。

为了解决这些问题，近年来一些研究尝试采用3D打印技术来制造μT-SOFC堆叠，以改善传统堆叠设计中的密封问题。通过使用多孔基底或电解质层作为结构支撑，研究人员在一定程度上克服了密封材料施加的困难。然而，使用电解质作为支撑层的堆叠结构通常表现出较低的功率密度，而基于多孔基底的堆叠则面临制造复杂性和气体扩散阻力增加的问题。因此，如何在保持热稳定性的同时提高功率密度和简化制造工艺，成为当前研究的重要方向。

在本研究中，提出了一种新的制造方法，将多个阳极支撑的μT-SOFC单元通过单步骤工艺集成到一个支持结构中，形成一种新型的堆叠结构。具体而言，通过带材铸造技术制备阳极和电解质带材，并将其切割成适当尺寸后缠绕在一根杆上，形成支持结构。随后，通过电极催化剂涂覆和烧结过程完成堆叠单元的制造，使其具备测试条件。此外，阳极和阴极电流收集线的布局决定了堆叠结构在测试过程中是串联还是并联连接。与以往的文献相比，本研究提出的制造方法无需额外的背板、连接器和密封元件，从而简化了堆叠结构的制造流程。在制造过程中，用于分隔阳极支撑的电解质带材不仅起到了电隔离的作用，还实现了堆叠结构的单体集成。这种方法不仅提高了制造效率，还降低了生产成本。

此外，该新型堆叠结构具有显著的性能优势。由于电流收集路径被缩短，其欧姆损耗显著减少，从而提高了整体的电能输出效率。同时，由于堆叠体积较小，其体积功率密度和比功率密度也得到了提升。这些特性使得该堆叠结构在便携式和高密度能源应用中具有更大的潜力。例如，在无人机辅助电源和移动电源系统中，紧凑的结构和高输出电压是关键要求，而本研究提出的堆叠设计恰好能够满足这些需求。

在制造过程中，研究人员还关注了堆叠结构的微观特性。通过纵向截面的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，可以观察到堆叠单元内部的阳极与电解质分隔层之间的界面结构。这些图像显示了阳极和电解质带材在层压过程中的重叠情况，以及层间界面的完整性。此外，研究人员还对堆叠单元的电流收集效率进行了评估，发现其在高温下仍能保持较高的电流收集能力，这表明该设计在实际应用中具有良好的稳定性。

综上所述，本研究提出了一种创新的μT-SOFC堆叠制造方法，通过单步骤工艺实现了多个阳极支撑单元的集成，同时避免了传统堆叠结构中的诸多问题。该方法不仅简化了制造流程，还提高了堆叠单元的性能，使其在高温运行条件下能够实现较高的功率输出和功率密度。此外，该设计在体积和重量方面也具有优势，适用于需要紧凑结构和高能量密度的应用场景。未来的研究可以进一步优化堆叠结构的电流收集设计，以提高其整体效率，并探索更广泛的工业和商业应用可能性。