2.1 概述

2.1.1 结构及技术特点

在第1章中已经提到，按照支撑体不同，SOFC主要分为阳极支撑、阴极支撑、电解质支撑、金属支撑等几大类构型。陶瓷的低热导率和差的抗热冲击性能导致现有SOFC电堆的启动速度约3～5℃/min甚至更低，限制了其在动力系统中的应用。金属支撑SOFC（MS-SOFC）采用与陶瓷功能层（YSZ、GDC电解质或阳极）热膨胀系数（CTE）相近（10×10 ^-6 ～12×10 ^-6 /K）且成本低廉的多孔合金作为支撑体，有望大幅降低SOFC成本，并改善电池的抗热震性 ^[1,2] 。与传统结构的SOFC相比，金属支撑SOFC的特点如下：

1）机械性能好。多孔合金被用作金属支撑SOFC的支撑体，相比于传统SOFC的陶瓷支撑体具有更高的强度、高延展性和高热导率，良好的机械性能使得电堆具有更好的抗热震特性，能够在较为复杂的操作环境中工作。

2）成本较低。金属的价格相对低廉，并且更易加工、封接。

3）快速启动。金属具有良好的导热性，可使电池快速启动，更好地应用于移动领域。

4）易于密封。成熟的焊接技术（钎焊、激光焊等）使得电堆易于实现燃气密封。

在众多公开报道中，将金属支撑SOFC定义为下一代固体氧化物燃料电池。如图2-1所示，从Ceres Power公开信息可看出，基于成熟度、电堆成本、系统成本、鲁棒性等综合指标评价，金属支撑SOFC具有明显优势。

在固定式应用场景，金属支撑SOFC早已崭露头角，如采用Ceres Power电堆开发的微型家用CHP系统和小型发电系统，以及GE公司于2017年建设的1.3MW SOFC系统。近年来，随着双碳目标的提出和国家政策的不断推进，将燃料电池应用于交通领域并市场化已成为不可阻挡的趋势。金属支撑SOFC具有快速启停特性，可以将传统SOFC的启动时间缩短到数十分钟乃至数分钟，有望大规模应用于车载电源，并在船舶、无人机等领域进行推广 ^[4] 。以Ceres Power为代表的国外公司已经和潍柴动力、日产汽车、康明斯（Cummins）等公司合力开发基于高性能金属支撑SOFC的商用车动力系统。

2.1.2 技术现状

目前国内外很多研究机构和高校正在从事MS-SOFC的相关研究。从英国帝国理工学院发展出来的Ceres Power是世界上第一家制造MS-SOFC电堆产品的公司 ^[5-7] 。劳伦斯伯克利实验室（LBNL）和子公司Point Source Power（PSP）也在早期就开始进行MS-SOFC的相关研究。其他从事金属支撑SOFC电堆开发的研究机构包括Topsoe燃料电池（TFC）（不再作为独立实体运营）、丹麦理工大学（DTU） ^[8] 、丹麦里索国家实验室（Ris ø）、德国Forschungs zentrum Jülich中心（FZJ） ^[9] 、奥地利Plansee、德国宇航中心（DLR）、美国康明斯（Cummins ac-quired GE's technology）。韩国科学技术高级研究院（KAIST）和我国西安交通大学、华中科技大学 ^[10] 、中国矿业大学等研究机构也在从事该方面的研究工作。

韩国科学技术高级研究院（KAIST）以Crofer22APU或SUS430为金属支撑体，采用烧结方式制备了5cm×5cm的高性能MS-SOFC，在800℃条件下功率密度达到0.5W/cm ² ，主要结构及制作步骤如图2-2所示：在金属支撑体上依次制备过渡层（金属粉末+Ni/YSZ粉末）、阳极功能层（Ni/YSZ）、电解质薄膜（YSZ）后，在还原气氛下烧结成型，烧结温度大于1400℃。随后在烧结成型的半电池上依次制备阻挡层（Ce _0.9 Gd _0.1 O _1.9 ）和阴极功能层，并在还原气氛下烧结 ^[11] ，完成MS-SOFC全电池的制备。

Ceres Power与英国帝国理工学院联合开发并实现了MS-SOFC技术的商业化应用，其电池在600℃下功率密度大于0.3W/cm ² 。Ceres Power MS-SOFC的主要结构与制造过程如图2-3所示：采用激光打孔方式在Ti-Nb稳定Cr合金（约100μm）上打孔，制备成多孔支撑体，然后采用传统的陶瓷支撑SOFC单体电池的制造工艺在多孔金属支撑体上依次制备阳极、电解质和阴极功能层。阳极功能层材料选用Ni/CGO（20～30μm）；电解质功能层包含三层，即具有良好机械支撑性能且致密的CGO层（约20μm）、阻止电子传导的YSZ层、热膨胀缓冲的CGO层，制备过程中，以CoO或CuO作为助剂，以改善CGO的烧结特性；阴极功能层材料采用LSCF/CGO（10～30μm） ^[12-14] 。

Plansee与德国于利希研究中心（Jülich）、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和奥地利AVL等合作开发了高性能的MS-SOFC，在820℃条件下功率密度达到0.5W/cm ² 。Plansee MS-SOFC的技术路线如图2-4所示：采用磁控溅射方式在ITM支撑体上沉积CGO阻挡层（1～2μm），采用丝网印刷方式制备Ni/YSZ阳极功能层（40μm），采用气流溅射（GFS）方式制备YSZ薄膜电解质（3～5μm），采用磁控溅射方式制备CGO阻挡层（1～2μm），最后采用丝网印刷方式制备LSCF阴极功能层（40～50μm） ^[16-18] 。

德国宇航中心（DLR）采用Plansee生产的FeCrMnTi作为金属支撑体制备高性能的MS-SOFC，在800℃条件下功率密度达到0.6W/cm ² 。DLR的MS-SOFC的技术路线如图2-5所示：首先在FeCrMnTi支撑体上制备一层阻挡层（钙钛矿约20μm），然后采用真空等离子喷涂方式依次制备多孔Ni/YSZ阳极功能层和致密YSZ电解质层，最后采用悬浮等离子喷涂（SPS）制备LSM阴极。

丹麦Topsoe采用FeCr合金作为支撑体制备了MS-SOFC，在650℃条件下功率密度达到0.4W/cm ² ，其中金属支撑体厚度小于400μm，采用金属陶瓷制备阳极，采用钪掺杂的YSZ（ScYSZ）制备电解质（约10μm），采用LSCF/CGO制备阴极 ^[1,19] ，如图2-6所示。

美国康明斯（Cummins acquired GE's technology）以等离子喷涂为主要加工方法制造MS-SOFC，开发了不同尺寸的单电池及千瓦级电堆，1kW电堆功率密度为0.2W/cm ² 。Cummins MS-SOFC的主要结构为：以GE-13L金属为支撑体，在阴极侧喷涂Co _1.5 Mn _1.5 O ₄ 防护涂层，以防止Cr扩散毒化阴极；在支撑体上分别制备NiO过渡层和Ni/YSZ阳极功能层，在阳极上制备致密的YSZ电解质薄膜，并在电解质上制备GDC阻挡层，阴极由LSCF功能层和LSC过渡层构成 ^[20] ，如图2-7所示。

西安交通大学（XJTU）自主开发了多孔耐高温合金，以等离子喷涂为主要加工方法制造MS-SOFC，在700℃条件下功率密度最高达到0.7W/cm ² ，如图2-8所示。XJTU MS-SOFC主要结构为：以粉末冶金多孔耐高温合金为支撑体，采用等离子喷涂方式制备阻挡层，以防止Cr扩散；采用大气等离子喷涂方式制备Ni/GDC阳极功能层，采用真空等离子喷涂方式制备ScYSZ电解质层，采用大气等离子喷涂方式制备LSCF阴极，最后制备阴极汇流层 ^[21-23] 。