2.4 电堆集成及应用

2.4.1 典型金属支撑电堆集成关键技术

MS-SOFC电堆的典型代表为英国Ceres Power公司设计生产的电堆，其中关于连接体、多孔支撑体、电解质、阳极、阴极、电堆集成结构等方面有诸多技术要点，每种结构中的每个要点之间均有严密的联系，同时也在电堆集成中起到了至关重要的作用。下面针对英国Ceres Power公司MS-SOFC电堆中的堆叠结构与预紧结构的设计进行简要介绍。

1 MS-SOFC电堆阴极电流引出方式与电池堆叠结构设计

在固体氧化物燃料电池堆的运行过程中，各单体电池的阴阳极之间需要保证良好的绝缘性，而上一个电池的空气极需要与下一个电池的燃料极或者支撑燃料极的金属基体有着良好的接触，以减少由于接触不良所带来的接触电阻。因此在制备与组装电堆的过程中，通常需要在电堆的上部设计具有一定刚性结构的端板，然后在端板上施加压力预紧系统，一方面保证电堆内单体电池的电极之间可以有良好的接触，从而确保电堆运行时的输出性能与输出效率，另一方面也可以使得电堆在运输与运行过程中有较好的几何结构和机械稳定性。然而，采用端板对电堆施加预紧也会给电堆的结构设计与实际运行带来一些问题。一方面，电堆预紧端板往往较厚，而且体积和重量较大，会大大增加电堆的实际重量，不利于电堆质量功率密度和体积功率密度的提升；另一方面，较大的端板给电堆的设计带来了极大的不便，增加电堆设计复杂度的同时也提高了电堆的成本。此外，为了保证相邻单体电池之间有较好的接触，需要在端板上施加一定的预紧力。常用的施加预紧力的方式是通过螺栓紧固直接在电池表面施加载荷，但由于电堆内单体电池几何尺寸在水平方向的不均一性，这种预紧方式很容易在电池的电极内部造成应力集中，有可能在后续电堆的运行与启停过程中带来灾难性的破坏。

根据以上分析可知，减少电堆的内阻与增大电堆的预紧力之间往往是矛盾的。金属支撑SOFC的工作温度处于中低温，而由于金属材料具有良好的导电性，因此，在中低温环境（550～750℃）下，上述问题很可能得到有效的解决。一方面，由于金属基体具有良好的延展性与导电性，在电极接触方面便不需要太大的接触应力。英国Ceres Power联同帝国理工大学基于金属支撑电堆的优势，开发出了一款具有小的预紧力与良好接触的电堆结构，并且可以大大降低电堆重量 ^[121] ，其主要依赖的技术之一为电堆的集电技术，下面对该集电技术进行介绍。

图2-36所示为Ceres Power公司的金属支撑SOFC电堆的截面示意图。图中1a、1e、1c分别表示燃料电池的阳极（燃料极）、电解质和阴极（空气极），2、3、4、5分别表示单体电池的金属集电器、导电互连板（金属连接体）、导电支撑板（多孔金属支撑体）和绝缘间隔片。

在Ceres Power金属支撑SOFC电堆的单体电池结构中，导电互连板和导电支撑板通过导电间隔件焊接的方式连接在一起（图中未表示出），一方面为燃料气体提供了气体流道，另一方面使得单体电池整体具有一定的支撑强度；绝缘间隔片则起到防止相邻电池之间短路的作用；导电金属集电器的延伸部分通过焊接或者压力接触的方式与导电互连板连接，多孔气体扩散部分则与燃料电池的空气极在共同的烧结条件下形成紧密接触，并将上一个电池空气极的电流传输至下一个单体电池的阳极，实现电堆内部的导电通路。

该电堆集成结构的特点在于其导电集电器为非常薄的金属箔，而电堆压力预紧几何位置处于电池电极的边缘，其独特的结构设计也给电堆组装带来许多优势。首先，在导电集电器与导电互连板的接触方面，导电集电器可以通过焊接或者压力接触的形式与电池的连接体实现良好的接触，其中常用的焊接方式包括点焊、激光焊等。由于导电集电器具备金属的高导电性与良好的延展性，因此，这种接触方式使得集电器与导电互连板之间具有很小的接触电阻，并且这种接触方式易于实现而且十分可靠。在导电集电器与阴极接触方面，在电池的制备过程中会将阴极与导电集电器通过丝网印刷或者流延成型的方式制备在一起，从而实现导电集电器与阴极之间的良好接触。

该种电堆集成结构在电堆预紧方面也具有很多优势。首先，该种预紧结构在电池的预紧过程不影响电极结构，电堆预紧力并没有直接作用于阳极、电解质、阴极的有效区域，这在实现电极结构的零应力施加的同时可以保证良好的电池预紧；此外，该种电堆集成方式大大减少了预紧的面积，从而大大降低电堆预紧力，进而降低端板的刚性要求，并且预紧处仅在电堆边缘，因此端板的其他区域不必设置封闭的刚性区域，这也进一步减少了端板的重量，此外电堆预紧力的减小也大大降低了对预紧螺栓的苛刻要求；除了以上的优势外，施加导电集电器与边缘预紧的电堆集成技术还可以实现单体电池之间的灵活串并联，从而大大减少由于单体电池的失效所带来的整个电堆失效问题。

2 MS-SOFC预紧压缩结构设计与优化

在电堆的制备以及运行过程中，为了在不损害电极的条件下实现电堆中相邻电池之间的良好接触，电堆的预紧力必须是在一定范围内可靠且稳定的。目前，为保证电堆具有足够的预紧力以保证良好的接触与气密性，目前主要是基于螺杆预紧方式进行预紧。

螺杆预紧是通过相应的系杆贯穿电堆各电池后，再在电堆两端通过螺母预紧的方式对电堆进行预紧，具体预紧步骤如下：首先，将一片片单体电池及其电池组件堆叠在电堆的基板上，并通过底座上的组装杆实现对齐；在堆叠完成后盖上电堆的另外一块端板，然后通过预紧系统施加预紧力实现整个电堆的预紧；之后拔出组装杆，改为直径较小的预紧系杆，再通过系杆上的螺母将整个电堆固定住，在撤去了预紧系统的预紧力后，整个电堆会在张应力条件下保持紧固状态。Ceres Power电堆的螺栓预紧方式如图2-37所示。

螺母预紧的方式原理简单，但主要存在以下一些缺点。

1）预紧系杆通常是金属螺杆，由于系杆与电堆内部单体电池金属支撑体相邻，因此在运行过程中极易在电堆内部造成短路。

2）预紧力的施加较为困难，此外预紧力施加的大小会受到机械制造过程中误差的影响，从而产生较大的差异，这在电堆后续运行中会对电极结构带来不同程度的影响，增大了电堆失效的可能性。

3）预紧螺栓孔往往在单体电池内部，进一步增加了单体电池与电堆结构设计的复杂性，而螺栓孔内置也同时限制了单体电池的发电面积。

4）电堆在运行过程中电池各组件之间的热膨胀系数存在差异，电堆在不同工作温度下也存在不同的膨胀状态，因此在不同温度下预紧螺杆会具有不同的应力状态。一般地，由于金属材料的热膨胀系数相对较大，而电堆内部也往往具有非金属绝缘垫片及非金属绝缘阻隔片，这些部件的热膨胀系数都比金属材料的热膨胀系数小，因此在电堆受热膨胀过程中，预紧螺杆的膨胀量一般比整个电堆的膨胀量要大，此时电堆整体的预紧力就会减小，因此单一的系杆预紧设计无法满足电堆膨胀的复杂工况。

为了解决由于预紧螺杆带来的诸多问题，Ceres Power在该方面进行了相关改进 ^[122] ，采用“U”形限位框（下面称为“裙带”）焊接+膨胀板的方式，该预紧方式的结构如图2-38所示。

图2-38中电堆的上下部位为两块端板，端板的下部与膨胀板相邻，膨胀板则与导电绝缘件紧密贴合，在导电绝缘件之间夹着电堆的核心部件，包括电解质、阳极、阴极、支撑板、双极板和绝缘压缩件。“U”形限位框——“裙带”则接于上下两块端板上，依靠其受到的张应力进行预紧。

Ceres Power将膨胀板置于电堆的端板与电堆之间，其中端板的热膨胀系数大于整个电堆工作区域的平均热膨胀系数与裙带的热膨胀系数，而电堆小于预紧系杆/裙带的膨胀量将会由膨胀板进行补充，从而形成“膨胀差补”，减少甚至消除由于膨胀差异带来的预紧力差异性。膨胀板的厚度是由电堆中单体电池个数及整个电堆工作区域的平均膨胀系数所决定的。电堆中部分部件在450～650℃下的热膨胀系数见表2-5。

相比于传统利用螺杆预紧方式的电堆，Ceres Power改进后依靠裙带+膨胀板的预紧方式具有以下优势。

1）裙带连接方式有效地降低了电堆组装过程中的复杂性，使得电堆在裙带的张力下实现了预紧作用，这也简化了螺杆预紧时带来的预紧控制问题。

2）通过调整膨胀板的厚度来调整电堆的预紧过程，能够针对不同层数下电堆的实际状况灵活调整电堆的预紧力大小，有效提高了电堆预紧的可靠性。

3）裙带结构和螺杆相比，质量占比更小。

4）将预紧结构布置于电堆的外侧，可以有效地减少电堆的热惯性，这更有利于电堆的快速启动，也更容易简化电池与电堆的结构。

2.4.2 电堆集成现状

1 英国Ceres Power金属支撑电堆

Ceres Power开发了两种规格的单体电池，分别为小面积的SteelCell ^® original和大面积的SteelCell ^® plus，并基于上述两种电池生产了1kW和5kW电堆 ^[5] ，如图2-39所示。Ceres Power的5kW电堆电流从顶部引出，气体连接口位于底部，电堆放置于一个方形盒内，歧管的密封以及电池间绝缘通过压缩垫圈实现，电池和连接体之间采用焊接方式连接，以实现更好的热循环及鲁棒性。

2 美国GE公司金属支撑电堆

GE公司设计了3种规格的MS-SOFC单体电池并实现了电堆集成 ^[118] ，如图2-40所示。其中1kW的电堆由50片4in（面积为103cm ² ）单体电池组成；14kW电堆由170片8in（面积为412cm ² ）单体电池组成，单个电堆高约2ft（1ft=0.3048m），底部端板直径约为16ft；28kW电堆由250片9.25in（面积为550cm ² ）单体电池组成。GE采用4个14kW电堆构成50kW的发电模组，即每个电堆的输出功率为12.5kW。

1kW电堆在以H ₂ /N ₂ 作为进料、燃料利用率为50%、空气利用率为20%、电流密度为0.24A/cm ² 的条件下进行测试，电堆输出功率达到1.019W，单体电池平均输出功率为20.4W，功率密度为0.2W/cm ² 。

3 DLR金属支撑电堆

DLR采用等离子喷涂方式制备了面积为100cm ² 的MS-SOFC单体电池，并对10个单体电池组堆进行测试，如图2-41所示。在800℃下，电堆开路电压达到10.11V，电堆在7V工作电压下的输出功率为250W，功率密度为307mW/cm ² ，燃料利用率为24.8% ^[122] 。

4 奥地利Plansee金属支撑电堆

奥地利Plansee基于DLR的MS-SOFC结构，采用烧结法制备SOFC，但相比DLR电池的整体厚度120～140μm，Plansee电池整体厚度为80～90μm ^[16] 。在NextGen MSC项目支持下，Plansee在5cm×5cm单体电池基础上制备了7cm×14cm单体电池，并制备了由2片电池并联连接的短堆，如图2-42所示。在800℃条件下，电堆开路电压达到1V，单体电池在0.7V工作电压下的功率密度达到430mW/cm ² 。

5 韩国KAIST金属支撑电堆

KAIST制备的短堆包含5片5cm×5cm（活性面积为4cm×4cm）的单体电池，如图2-43所示。电堆的阳极侧采用将金属支撑体和极板焊接的方式进行密封，阴极侧采用云母作为密封材料 ^[11,123,124] 。短堆的开路电压为3.0V，最大功率为23.1W。短堆在2.16A下恒流放电120h，初始电压为2.0V，120h后短堆电压降低至1.81V，电堆性能衰减率为9.5% ^[123] 。

6 丹麦Topsoe金属支撑电堆

Topsoe生产的18cm×18cm电堆包含25片12cm×12cm单体电池 ^[125] ，如图2-44所示。电堆输出功率约为3.2kW，以天然气为燃料进行了3000h长周期测试，电流密度为0.2A/cm ² 条件下燃料利用率为65%，并进行4～8A/min拉载降载测试，2.5～5min时段内，电堆负荷率从20%（5A）到100%（25A）循环，350次循环后未见明显衰减。在18cm×18cm电堆基础上，Topsoe进一步设计了18cm×30cm电堆以实现更大的功率输出。