第2章
金属支撑SOFC

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。