SOFC屬于第三代燃料電池，是一種在高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的新型發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來得到廣泛普及應用的一種清潔的燃料電池。
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SOFC設計的一般性要求
如圖1所示，SOFC無論是單電池配置還是電堆配置，都必須提供所需的電化學性能以及足夠的機械穩(wěn)定性，以實現(xiàn)長期性能目標。
圖1.(a) SOFC單電池 (b)三個單電池組成的SOFC電堆
因此，選擇特定的SOFC設計必須滿足以下關鍵要求：
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最小極化損耗：電池/電堆的設計應盡可能減少極化損耗、氣體泄漏、短路和氣體交叉泄漏。極化損耗通常會導致SOFC電壓大幅下降。
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最小歐姆損耗：SOFC的組件應盡可能薄，以盡量減少電堆中的歐姆損耗。
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均勻的溫度和氣體分布：在SOFC運行期間，SOFC設計應保證溫度均勻分布，適當?shù)睦鋮s以及整個電池/電堆上的均勻燃料和氧化劑分布。均勻的氣體分布能有效降低質量傳輸限制。
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良好的電化學接觸：必須保證SOFC部件的接觸表面積。此外，所需的電流必須由集流器調節(jié)。
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良好的機械/結構穩(wěn)定性：SOFC電池/電堆的機械強度應足以維持操作過程中的熱應力或氣體壓力。基本上，SOFC電堆應具有高抗冷啟動，瞬態(tài)功率變化，安裝和振動負荷條件以及非設計溫度梯度引起的熱沖擊條件。
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SOFC單電池結構
SOFC組件非常堅固，因此單電池的設計通常較為靈活。單電池堆疊在一起就可以組成特定參數(shù)的電堆。SOFC不僅可以根據(jù)工作溫度（即高溫，中間溫度和低溫）進行分類，還可以根據(jù)電池支撐類型（分為自支撐：陽極，陰極和電解質支撐和外部支撐：連接件或多孔基板支撐）進行分類。
在自支撐配置中，電池的結構支撐功能通常由電池組件中最厚一層來提供。自支撐系統(tǒng)可以是陽極支撐、陰極支撐和電解質支撐的電池配置。外部支撐的配置可以使用多孔基板或連接支撐電池薄層。不同類型單電池配置如圖2，優(yōu)缺點如表1所示。
圖2.不同SOFC單電池結構
表1.不同SOFC單電池設計的優(yōu)缺點
由于電極支撐的電池的電解質厚度減小，因此可以在較低的工作溫度下提供相對較高的性能，但是由于電極層較厚會出現(xiàn)質量傳輸限制。最常見的設計是陽極支撐電池，因為陽極極化遠小于陰極極化。電解質支撐的電池具有相對堅固的結構，并且不太容易受到機械故障的影響，但是需要更高的工作溫度（900℃-1000℃）來減少歐姆損耗。YSZ是這種配置最常用的電解質。
電解質支撐的電池中的電解質厚度通常大于100μm。然而當電解質的厚度為5-20μm時，電池工作溫度可以降低到800℃以下，從而有更多的材料可供選擇。使用新材料來支撐陽極、陰極和電解質增加了多孔支撐電池設計的復雜性。此外，還可以使用連接或金屬支架。這種類型的結構與電解質支撐的結構一樣堅固，即使流場的設計存在問題并受到電池支撐要求的限制也沒關系。
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SOFC電堆設計
目前有兩種主流的SOFC結構：管狀和平板式,如圖3。表2對這兩種設計結構進行了比較。管狀設計生產比較困難，并且功率密度較低。但是其仍然具有部分優(yōu)點，例如易于實現(xiàn)在電堆制造過程中的氣體密封和單個電池的連接。
另一方面，與管狀SOFC相比，平板SOFC更易于制造，也可以提供更高的功率密度。但由于結構缺陷，它們的電流收集路徑很長。平板和管狀設計都不適合需要在有限空間內實現(xiàn)高電壓/高性能和快速啟動的移動應用。移動應用對加熱和冷卻速率的要求很高，平板式盡管具有相對較高的功率密度，但仍存在結構不穩(wěn)定的問題。雖然管式由于對稱的結構能夠提供熱穩(wěn)定性，但是低功率密度還是阻礙了其在移動端的應用。
圖3. (a)管狀和(b)平板SOFC設計示意圖
表2.管狀和平板SOFC比較情況
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原文始發(fā)于微信公眾號（要點氫能）：SOFC燃料電池單電池結構及關鍵設計要求分析
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