280 工程科学学报，第42卷，第3期 由于传统管式SOFC不存在高温密封难题，且 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径：降低 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 功率偏低，因此在管式SOFC基础上进行几何形状 使得扁管式SOFC具有比管式更高的功率密度 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 在传统管式SOFC基础上发展的主要形状包括：扁 材料的选择仍是需要解决的关键问题， 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等 (2)瓦楞式SOFC.为了进一步降低电堆成本， (I)扁管式SOFC.扁管式SOFC是由美国西 美国西门子-西屋电气公司在扁管式SOFC的基础 门子-西屋电气公司在其管式SOFC的基础上开发 上开发新一代的高功率密度(HPD)电池，其形状 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 为瓦楞形设计，在相同长度上活性面积增加 率密度.扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 40%以上.此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 点，如图1所示，致密的连接体薄膜用来分隔燃 的结构更紧凑阿但是也正是由于结构的复杂性导 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 致制备工艺困难、成本较高 (a) Interconnection (b) Ni contact Interconnection Air electrode Air electrode Ni contact Electrolyte Electrolyte Fuel electrod Fuel electrode 图1SOFC电流传输路径).(a)传统管式结构：(b)扁管式结构 Fig.I Schematic of SOFC current transmission paths:(a)traditional tubular construction;(b)flat-tubular construction (3)锥管式SOFC.为了使SOFC能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度锥管式SOFC采用了英国劳斯莱斯(Rolls-- The first The second Royce)公司分段串联结构(Segmented-in-series)的 section section The third section 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 Fuel gas Fuel gas Fuel gas 形成管状自支撑结构（如图2所示），同时连接体 起密封和集电的作用.这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 1-Anode support;2-Electrolyte membrane;3-Cathode layer; 4-Interconnect,5-Edge of the bigger open end of anode support; 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 6-Edge of the smaller open end of anode support 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题.目前， 图2锥管式SOFC结构示意图 应用于锥管式SOFC的制备工艺有注浆成型、浸 Fig.2 Schematic of cone-shaped SOFCH 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式 (4)蜂巢式SOFC,除了扁管和锥管式SOFC之 中存在漏气现象使得电池性能较差.随后的研究 外，蜂巢式SOFC是另一种既具有管式又具有板式 重点改为电极支撑机构，图39为蜂巢式电堆示意 优点的SOFC设计方式，这种设计方式具有很好 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 通道流入，单通道的功率密度在700℃时可达到 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 0.5W-cm2 计中需解决的主要问题.蜂巢式SOFC首先是在 (5)微管式SOFC,微管式SOFC是在管式SOFC 1992年由ABB公司的Wetzko等发明的圆，由于其 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于2mm) 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 所以称为微管式SOFC,如图4(a)和(b)所示正由于传统管式 SOFC 不存在高温密封难题，且 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 功率偏低，因此在管式 SOFC 基础上进行几何形状 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 在传统管式 SOFC 基础上发展的主要形状包括：扁 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等. （1）扁管式 SOFC. 扁管式 SOFC 是由美国西 门子‒西屋电气公司在其管式 SOFC 的基础上开发 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 率密度[4] . 扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 点，如图 1 所示[5] ，致密的连接体薄膜用来分隔燃 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径；降低 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 使得扁管式 SOFC 具有比管式更高的功率密度. 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 材料的选择仍是需要解决的关键问题. （2）瓦楞式 SOFC. 为了进一步降低电堆成本， 美国西门子‒西屋电气公司在扁管式 SOFC 的基础 上开发新一代的高功率密度（HPD）电池，其形状 为 瓦 楞 形 设 计 ， 在 相 同 长 度 上 活 性 面 积 增 加 40% 以上. 此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 的结构更紧凑[5] . 但是也正是由于结构的复杂性导 致制备工艺困难、成本较高. （3）锥管式 SOFC. 为了使 SOFC 能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度[6] . 锥管式 SOFC 采用了英国劳斯莱斯（Rolls– Royce）公司分段串联结构（Segmented-in-series）的 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 形成管状自支撑结构（如图 2 所示[7] ），同时连接体 起密封和集电的作用. 这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题. 目前， 应用于锥管式 SOFC 的制备工艺有注浆成型、浸 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式. （4）蜂巢式 SOFC，除了扁管和锥管式 SOFC 之 外，蜂巢式 SOFC 是另一种既具有管式又具有板式 优点的 SOFC 设计方式. 这种设计方式具有很好 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 计中需解决的主要问题. 蜂巢式 SOFC 首先是在 1992 年由 ABB 公司的 Wetzko 等发明的[8] ，由于其 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 中存在漏气现象使得电池性能较差. 随后的研究 重点改为电极支撑机构，图 3 [9] 为蜂巢式电堆示意 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 通道流入，单通道的功率密度在 700 ℃ 时可达到 0.5 W·cm−2 . （5）微管式 SOFC，微管式 SOFC 是在管式 SOFC 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于 2 mm） 所以称为微管式 SOFC，如图 4（a）和（b）所示[5] . 正 (a) (b) Air electrode Electrolyte Fuel electrode Interconnection Ni contact Interconnection Air electrode Ni contact Electrolyte Fuel electrode 图 1    SOFC 电流传输路径[5] . （a）传统管式结构；（b）扁管式结构 Fig.1    Schematic of SOFC current transmission path[5] : (a) traditional tubular construction; (b) flat-tubular construction The first section Fuel gas Fuel gas Fuel gas The second section The third section 6 1 2 4 3 5 1―Anode support; 2―Electrolyte membrane; 3―Cathode layer; 4―Interconnect; 5―Edge of the bigger open end of anode support; 6―Edge of the smaller open end of anode support 图 2    锥管式 SOFC 结构示意图[7] Fig.2    Schematic of cone-shaped SOFC[7] · 280 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期