SOFC燃料电池单电池结构及关键设计要求分析

SOFC属于第三代燃料电池，是一种在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的新型发电装置。被普遍认为是在未来得到广泛普及应用的一种清洁的燃料电池。

SOFC设计的一般性要求

如图1所示，SOFC无论是单电池配置还是电堆配置，都必须提供所需的电化学性能以及足够的机械稳定性，以实现长期性能目标。

图1.(a) SOFC单电池 (b)三个单电池组成的SOFC电堆

因此，选择特定的SOFC设计必须满足以下关键要求：

最小极化损耗：电池/电堆的设计应尽可能减少极化损耗、气体泄漏、短路和气体交叉泄漏。极化损耗通常会导致SOFC电压大幅下降。

最小欧姆损耗：SOFC的组件应尽可能薄，以尽量减少电堆中的欧姆损耗。

均匀的温度和气体分布：在SOFC运行期间，SOFC设计应保证温度均匀分布，适当的冷却以及整个电池/电堆上的均匀燃料和氧化剂分布。均匀的气体分布能有效降低质量传输限制。

良好的电化学接触：必须保证SOFC部件的接触表面积。此外，所需的电流必须由集流器调节。

良好的机械/结构稳定性：SOFC电池/电堆的机械强度应足以维持操作过程中的热应力或气体压力。基本上，SOFC电堆应具有高抗冷启动，瞬态功率变化，安装和振动负荷条件以及非设计温度梯度引起的热冲击条件。

SOFC单电池结构

SOFC组件非常坚固，因此单电池的设计通常较为灵活。单电池堆叠在一起就可以组成特定参数的电堆。SOFC不仅可以根据工作温度（即高温，中间温度和低温）进行分类，还可以根据电池支撑类型（分为自支撑：阳极，阴极和电解质支撑和外部支撑：连接件或多孔基板支撑）进行分类。

在自支撑配置中，电池的结构支撑功能通常由电池组件中最厚一层来提供。自支撑系统可以是阳极支撑、阴极支撑和电解质支撑的电池配置。外部支撑的配置可以使用多孔基板或连接支撑电池薄层。不同类型单电池配置如图2，优缺点如表1所示。

图2.不同SOFC单电池结构

表1.不同SOFC单电池设计的优缺点

由于电极支撑的电池的电解质厚度减小，因此可以在较低的工作温度下提供相对较高的性能，但是由于电极层较厚会出现质量传输限制。最常见的设计是阳极支撑电池，因为阳极极化远小于阴极极化。电解质支撑的电池具有相对坚固的结构，并且不太容易受到机械故障的影响，但是需要更高的工作温度（900℃-1000℃）来减少欧姆损耗。YSZ是这种配置最常用的电解质。

电解质支撑的电池中的电解质厚度通常大于100μm。然而当电解质的厚度为5-20μm时，电池工作温度可以降低到800℃以下，从而有更多的材料可供选择。使用新材料来支撑阳极、阴极和电解质增加了多孔支撑电池设计的复杂性。此外，还可以使用连接或金属支架。这种类型的结构与电解质支撑的结构一样坚固，即使流场的设计存在问题并受到电池支撑要求的限制也没关系。

SOFC电堆设计

目前有两种主流的SOFC结构：管状和平板式,如图3。表2对这两种设计结构进行了比较。管状设计生产比较困难，并且功率密度较低。但是其仍然具有部分优点，例如易于实现在电堆制造过程中的气体密封和单个电池的连接。

另一方面，与管状SOFC相比，平板SOFC更易于制造，也可以提供更高的功率密度。但由于结构缺陷，它们的电流收集路径很长。平板和管状设计都不适合需要在有限空间内实现高电压/高性能和快速启动的移动应用。移动应用对加热和冷却速率的要求很高，平板式尽管具有相对较高的功率密度，但仍存在结构不稳定的问题。虽然管式由于对称的结构能够提供热稳定性，但是低功率密度还是阻碍了其在移动端的应用。

图3. (a)管状和(b)平板SOFC设计示意图

表2.管状和平板SOFC比较情况

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