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单个管式电池产生的电压较低，几乎没有实际用途，为了使SOFC成为一种有用的发电设备，需要将多个管式电池进行串并联组合组成管束，串联以提高电压，并联以提高电流。管式SOFC电堆组装不同于平板式电堆，需要设计合理的电流收集和传输部件以减少电池性能损失，本节将重点介绍阴极支撑和阳极支撑管式SOFC的组堆技术。
1 阴极支撑管式SOFC组堆技术
西门子-西屋公司开发的阴极支撑管式SOFC系统，通常是将由3个电池并联，然后8组并联电池串联组成的管束（称为“3×8管束”），作为放大系统的构建模块 [47] ，如图3-8所示，结构为由下至上并3串8，24根单管电池组成管束。管束内管间并联是采用镍毡将左侧与右侧电池阳极连接，管间串联是通过镍毡将下方电池的连接体与上方电池的阳极相连。
阴极支撑管式电堆是由管束列进一步串联组装而成的，电堆内管束靠镍毡串联形成管束列，管束列的阴、阳极两端为镍板 [5] 。管束的组装数量和组装结构可根据电堆设计的容量和结构进行优化调整。电堆组装、拆卸及单管电池更换时，通常以管束为单元，所以管束加工制备很重要。
在圆管式SOFC中，电流需要绕圆周流动才能导出，这样电池的欧姆阻抗较大，为了避免这些问题，提高电池性能，西门子-西屋公司不断提出新的替代设计方案。如图3-9所示，首先设计了扁管式电池，也称之为高功率密度电池（HPD），将管状的截面变成了矩形截面，上下两个平面采用脊骨式来支撑，从而大大缩短了电流的流动路径，脊骨支撑体形成的气腔作为空气流动的气道 [8] 。扁管式电池越宽、越薄，其表面积就越大，且电流传导路径也会变短，功率密度以及最终的单体电池输出功率就会增大。但是，在这样的设计中，电池的机械强度会变低，长期稳定性较差。针对这一问题，西门子-西屋公司又开发了瓦楞形（Delta）电池，作为HPD电池的衍生设计，Delta电池的输出功率和功率密度也非常高，这种瓦楞形设计本身就为空气和燃料气留下了流动的气道。
图3-8 西门子-西屋公司开发的阴极支撑管式SOFC管束示意图 [11,12]
图3-9 西门子-西屋公司研发的HPD和Delta电池 [11]
对于扁平管式电池进行组堆，由于其几何尺寸的限制，扁管式电池之间很难进行并联，因此所有的电池都是串联的，这样电堆的设计就简单了。一个电堆中单体电池的数量由发电装置的尺寸以及电池的机械强度和组装难易程度来决定。图3-10所示为一个由Delta 8电池组装的电堆，由8个Delta 8电池并联组装而成，输出功率约为5kW。
图3-10 Delta 8电池按照1×8并联的方式组装的5kW电堆 [11]
2 阳极支撑管式SOFC组堆技术
阳极支撑管式SOFC可通过多个单体电池并联组装成管式电池排，然后管式电池排再串联组装成管式电池束，如图3-11所示，进而通过电池束的串并联组合组装成电堆，形成多级装配结构，以便于检修拆装。对于电堆的组装，管式电池集电部件和管间连接部件至关重要，直接关系到电池输出性能。对于提高管式SOFC性能而言，需要考虑多方面因素，包括电化学反应、电荷传输和传质等，电流收集也是重要的因素。通过二维数学模型研究不同几何形状的阳极支撑管式SOFC的电输运和物质输运行为，有助于设计合理的电池结构，以获取最佳电池性能。阳极较薄的阳极支撑管式SOFC则需要更大的阳极集电面积，才能获得更高的性能。电池直径越大，电流越大，因此，为了获得更高的电池性能，从阳极到阴极的流动需要更宽的路径，以及更厚的阳极支撑体。
图3-11 阳极支撑管式SOFC电池连接示意图 [48]
集电部件是直接和管式电池单元相连接的部分，起到从电池管收集电流的作用。阳极支撑管式SOFC不同于阴极支撑管式SOFC，其集电部件安置在空气气氛中，普通的集电部件容易被不断氧化使集电性能逐渐变差，因此对集电部件提出了更高的要求。图3-12所示为一种阳极支撑管式SOFC电堆的端部连接部件的示意图 [49] ，其中图3-12a是与阳极支撑管式电池外部电极相连接的集电部件，在其垂直于管式SOFC轴向方向的截面上有弯曲起伏的结构，这些结构与管式SOFC的外部电极结构相对应，起到收集阳极支撑管式SOFC电流的作用。图3-12b是和管式SOFC陶瓷连接体相连接的部件，集电部件一侧为具有一组连接平板的平面，通过焊接或其他连接方式与连接平板相连；另一侧在集电部件平行于管式SOFC的轴向方向上有凸起，其凸起的形状与管式SOFC上的陶瓷连接体相匹配。在连接平板和集电部件上设有通孔，一方面作为气体通道，使气体可以畅通地到达外部电极，另一方面可以吸收部分沿管式SOFC轴向方向的热膨胀，减小由于电池管和端部连接部件热膨胀差异造成的变形和损坏。另外，根据工作气氛和温度的需要，连接部件需要在其表面上涂覆阻止金属或合金高温氧化的涂层，以提高连接部件的抗高温氧化能力。
图3-12 管式SOFC电堆端部连接部件示意图 [49]
1—电端板 2—弹性组件 3—连接平板 4a、4b—集电组件 5—通孔 6a、6b—端部连接部件
最后，对于管式SOFC电堆的组装还要考虑建立可靠的空气和燃料气腔、气道，建立可靠的阻隔燃料和空气互窜的密封结构，防止燃料气和空气混合引起爆炸；管式电池可使其一端封死，形成盲管状结构，这样可以使电池密封变得非常简单，与平板式电池相比，这是管式电池最大的一个优势，因为平板式电池需要在电池四周都进行密封。通过确立燃料和空气进出高温区的温度等控制参数，优化管式电堆的燃料和空气的流场分布、高温区的温度分布以及电流收集效果，这将有助于电堆的高效稳定运行。
在管式SOFC发电系统中，电池是陶瓷部件，如果内部存在过大的温度梯度，会导致电池内部产生较大的应力而使得陶瓷电池破碎。同样，其他的金属和陶瓷部件也会因温度梯度过大产生应力过大而出现问题。另外，管式SOFC稳定发电需要维持比较稳定的工作温度，以便进行电化学反应。因此，进入SOFC的空气和燃料气的温度要接近电池工作温度，而离开燃料电池的气体温度也不能太高。因此，SOFC系统集成需要重点解决以下几个问题：①进入电池的气体必须预热到接近燃料电池工作温度后再进入电池，以免造成电池内产生较大的温度梯度；②在气体预热器或系统中也要防止温差过大引起的应力过大而导致结构破坏；③进出电池的气体要有良好的热交换，以实现系统的热稳定；④尽量采用低成本的部件材料；⑤发电系统需要有辅助启动单元，使得系统不需要外接电力加热而启动。完整的管式SOFC发电系统通常由三个主要子系统组成：电堆、模块和辅助系统（Balance-of-Plant，BOP）。电堆是发电系统的核心，是由前面介绍过的电池束通过串并联组装而成。模块包括隔热材料、燃料重整器、燃料喷嘴、燃烧室、燃料腔以及电堆周围的其他组件。
1 阴极支撑管式SOFC发电系统 [13]
图3-13所示为西门子-西屋公司的阴极支撑管式SOFC系统。首先对采用的天然气燃料进行脱硫处理，以防止燃料重整催化剂和电池阳极出现硫中毒；天然气重整过程设置了两步，即堆外预重整和堆内重整。天然气经脱硫、催化预重整后进入电池腔，在电池腔内进一步发生堆内重整。空气先经预热后进入电池管内的空气导管，空气导管通入电池底部，空气在通过空气导管的过程中进一步和电池之间进行热交换，最后进入电池阴极，此时空气温度与电池温度接近，从而避免了在电池上产生较大的温差。未反应的尾气在电池管出口处燃烧。BOP系统通常包括过程控制、电源调节、脱硫和气体供应等功能。
图3-13 西门子-西屋公司的阴极支撑管式SOFC系统 [11]
西门子-西屋公司在美国、日本和欧洲研发并示范验证了多套阴极支撑管式SOFC发电系统，主要的几次成功示范在2003年之前，都是基于EVD技术制备的电池。从1998年西门子公司获得西屋公司SOFC技术之后，就偏向于开发比EVD更加适于大批量生产的APS技术，并且在5kW热电联供（CHP5）系统中示范验证了APS技术制备SOFC组件的可行性，CHP5系统包含2×11电池堆（长为87cm的单体电池），输出功率为5kW。发电系统采用天然气作为燃料，成功在美国宾夕法尼亚约翰斯敦进行了长达15000h的运行测试验证，图3-14所示为CHP5系统的整体外观。虽然CHP5系统获得了成功，但基于APS技术的大功率SOFC系统在放大过程中受到了严峻的挑战。
图3-14 CHP5阴极支撑管式SOFC发电系统 [11]
西门子-西屋公司具有里程碑意义的高效阴极支撑管式SOFC发电系统演示是100kW级SOFC-CHP系统，如图3-15所示，这是第一个使用商用阴极支撑电池（直径22mm、有效长度150cm、有效面积834cm 2 ）和叠层重整器的现场装置。它由一个24单元阵列（“3×8管束”）组成，采用天然气为燃料运行，提供105～110kW的交流电。固体氧化物燃料电池还可以与燃气轮机、蒸汽轮机等集成在一起，构成发电效率更高的能源系统，在这方面管式固体氧化物燃料电池因其容易密封而具有绝对的优势。世界上第一个固体氧化物燃料电池和燃气轮机复合电站系统在加州大学国家燃料电池中心建立 [50] ，该系统采用西门子-西屋公司的阴极支撑管式固体氧化物燃料电池模块、Ingersoll-Rand Energy Systems的微型燃气轮机，系统总发电功率220kW，其中燃料电池发电功率200kW，微型燃气轮机发电功率20kW，成功完成了1000h的运行（2002年3月完成有关运转试验），发电效率达到58% [14,51] 。图3-16所示为200kW的加压式混合阴极支撑管式SOFC/微型汽轮机发电系统。
图3-15 西门子-西屋公司100kW级阴极支撑管式SOFC发电系统 [11]
图3-16 200kW加压式混合阴极支撑管式SOFC/微型汽轮机发电系统 [11]
2 阳极支撑管式SOFC发电系统 [52]
图3-17所示为一个阳极支撑管式SOFC发电系统的断面结构图，发电系统主要包括保温外裹、燃料气的多级预热结构、空气的多级预热结构、在燃料流道管内的燃料重整反应器、燃料尾气的燃烧腔、电池反应腔、辅助启动单元、余热回收单元等。燃料经过一个位于顶部的燃料分配腔进入燃料流通管，经过尾气预热段、尾气燃烧和重整反应的热耦合段，再经过进出管式电池的燃料气热交换段后进入电池，进行发电，发电后流出电池。空气首先经过一个金属换热器与流出的低温尾气进行热交换预热，然后经过设置在系统顶部尾气燃烧腔的热交换器，进行热交换预热，之后经过位于电池反应发电腔内的热交换管进行热交换，最后通过在底部的空气公共流腔分配进入电池反应的空气腔。辅助启动单元主要是利用燃料燃烧启动一个燃料重整器，燃料经水蒸气重整产生重整气，重整气经过发电系统燃料气路到达系统内部的燃烧腔后，与空气发生催化燃烧并释放热量，从而加热系统的各个部分，特别是分布在燃料分配管内的主重整器。当主重整器达到工作温度后，系统就可以启动。同时，辅助启动单元在管式SOFC系统停车时为系统提供保护气，以便控制管式电池安全平稳降温。
图3-17 一个阳极支撑管式SOFC发电系统的断面结构图 [52]
1—空气 2—鼓风机或扇风机 3—空气管道 4—低温换热器 5—燃料气 6—空气管道
7—电站启动和停用单元 8—尾气余热回收产生热水单元 9—尾气出口 10—水蒸气汽化器
11—燃料管道 12—外壳 13—保温外裹 14—燃料气公共流腔 15—高温燃料管 16—催化燃烧腔
17—高温空气热交换器 18—流道管 19—耐高温隔板 20—燃料收集腔 21—耐高温隔板
22—空气尾气收集腔 23—空气换热器 24—阳极支撑管式电池 25—空气分配孔道
26—空气公共分配腔 27—空气公共流腔 28—催化燃烧催化剂 29—电池反应腔
阳极支撑管式SOFC为发电系统的核心部件，其一端开口，一端封闭；阳极支撑管式SOFC的开口端向上，垂直排列在电池反应腔中；每一个阳极支撑管式电池都有陶瓷连接体，用于管式电池的串并联。在催化燃烧反应腔内含有燃烧催化剂，一部分位于燃料分配管的外壁，一部分位于壳体内腔壁上，用于从电池中流出的空气和未反应的燃料进行尾气催化燃烧反应，释放热量，加热流向电池反应腔的空气和/或燃料，为燃料重整反应提供热量。在发电系统壳体外还有用于系统启动和停止的辅助启动单元；另外，还有回收尾气的余热产生热水的单元。
在阳极支撑管式SOFC发电系统的构建方面，还要考虑绝热和保温外裹，以维持电堆的高温，燃料和空气与尾气通过多级热交换，可以实现不同温度区间采用不同材料，同时防止温差过大引起部件内应力过大的问题。另外，将燃料、空气和尾气各个进出口的温度控制在合理的范围，减少或防止在电堆启动、运行和停止过程中燃料和空气流动引起的热震，特别要防止燃料与空气的混合，以免引起爆炸。
管式SOFC发电系统除包含电堆组件外，还包含燃料供给单元、水供给单元、空气供给单元、燃烧器、换热器及控制器等其他单元。管式SOFC控制系统对电堆的关键点温度及输出电压电流值进行测量，通过控制燃料、水及空气的供给，实现对电堆运转全过程的控制和管理。控制系统主要由以下几部分组成：
1）气体供给子系统，含燃料供给单元、水供给单元、空气供给单元及氮气供给单元等。
2）负载子系统，可进行负载调节。
3）仪器仪表及控制子系统。系统采用计算机控制，通过软件编程实现。使用相关仪器仪表采集电堆温度、燃烧室温度、电堆输出电压及电堆输出电流等变量值。
将系统运转分成不同子状态，包括初始化状态、等待状态、启动状态、运行状态、正常关闭状态、紧急关闭状态、待机状态以及相应的故障处理等，每个子状态执行特定控制操作，各子状态发生指定动作可进行相互转换，构成整个系统控制流程，每个状态出现故障后将会启动相应的故障处理程序。根据实时测量的电堆关键点温度及输出电压电流值，通过对气体流量计、水泵等的控制，设定相应的燃料、水及空气的流量值，实现对发电系统运转全过程的控制和管理。