2.1.2 技术现状

目前国内外很多研究机构和高校正在从事MS-SOFC的相关研究。从英国帝国理工学院发展出来的Ceres Power是世界上第一家制造MS-SOFC电堆产品的公司[5-7]。劳伦斯伯克利实验室（LBNL）和子公司Point Source Power（PSP）也在早期就开始进行MS-SOFC的相关研究。其他从事金属支撑SOFC电堆开发的研究机构包括Topsoe燃料电池（TFC）（不再作为独立实体运营）、丹麦理工大学（DTU）[8]、丹麦里索国家实验室（Ris ø）、德国Forschungs zentrum Jülich中心（FZJ）[9]、奥地利Plansee、德国宇航中心（DLR）、美国康明斯（Cummins ac-quired GE's technology）。韩国科学技术高级研究院（KAIST）和我国西安交通大学、华中科技大学[10]、中国矿业大学等研究机构也在从事该方面的研究工作。

韩国科学技术高级研究院（KAIST）以Crofer22APU或SUS430为金属支撑体，采用烧结方式制备了5cm×5cm的高性能MS-SOFC，在800℃条件下功率密度达到0.5W/cm2，主要结构及制作步骤如图2-2所示：在金属支撑体上依次制备过渡层（金属粉末+Ni/YSZ粉末）、阳极功能层（Ni/YSZ）、电解质薄膜（YSZ）后，在还原气氛下烧结成型，烧结温度大于1400℃。随后在烧结成型的半电池上依次制备阻挡层（Ce0.9Gd0.1O1.9）和阴极功能层，并在还原气氛下烧结[11]，完成MS-SOFC全电池的制备。

图2-2 韩国科学技术高级研究院（KAIST）金属支撑SOFC技术路线

Ceres Power与英国帝国理工学院联合开发并实现了MS-SOFC技术的商业化应用，其电池在600℃下功率密度大于0.3W/cm2。Ceres Power MS-SOFC的主要结构与制造过程如图2-3所示：采用激光打孔方式在Ti-Nb稳定Cr合金（约100μm）上打孔，制备成多孔支撑体，然后采用传统的陶瓷支撑SOFC单体电池的制造工艺在多孔金属支撑体上依次制备阳极、电解质和阴极功能层。阳极功能层材料选用Ni/CGO（20～30μm）；电解质功能层包含三层，即具有良好机械支撑性能且致密的CGO层（约20μm）、阻止电子传导的YSZ层、热膨胀缓冲的CGO层，制备过程中，以CoO或CuO作为助剂，以改善CGO的烧结特性；阴极功能层材料采用LSCF/CGO（10～30μm）[12-14]。

图2-3 Ceres Power金属支撑SOFC技术路线[15]

Plansee与德国于利希研究中心（Jülich）、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和奥地利AVL等合作开发了高性能的MS-SOFC，在820℃条件下功率密度达到0.5W/cm2。Plansee MS-SOFC的技术路线如图2-4所示：采用磁控溅射方式在ITM支撑体上沉积CGO阻挡层（1～2μm），采用丝网印刷方式制备Ni/YSZ阳极功能层（40μm），采用气流溅射（GFS）方式制备YSZ薄膜电解质（3～5μm），采用磁控溅射方式制备CGO阻挡层（1～2μm），最后采用丝网印刷方式制备LSCF阴极功能层（40～50μm）[16-18]。

图2-4 Plansee MS-SOFC技术路线

德国宇航中心（DLR）采用Plansee生产的FeCrMnTi作为金属支撑体制备高性能的MS-SOFC，在800℃条件下功率密度达到0.6W/cm2。DLR的MS-SOFC的技术路线如图2-5所示：首先在FeCrMnTi支撑体上制备一层阻挡层（钙钛矿约20μm），然后采用真空等离子喷涂方式依次制备多孔Ni/YSZ阳极功能层和致密YSZ电解质层，最后采用悬浮等离子喷涂（SPS）制备LSM阴极。

图2-5 德国宇航中心（DLR）MS-SOFC技术路线

丹麦Topsoe采用FeCr合金作为支撑体制备了MS-SOFC，在650℃条件下功率密度达到0.4W/cm2，其中金属支撑体厚度小于400μm，采用金属陶瓷制备阳极，采用钪掺杂的YSZ（ScYSZ）制备电解质（约10μm），采用LSCF/CGO制备阴极[1,19]，如图2-6所示。

美国康明斯（Cummins acquired GE's technology）以等离子喷涂为主要加工方法制造MS-SOFC，开发了不同尺寸的单电池及千瓦级电堆，1kW电堆功率密度为0.2W/cm2。Cummins MS-SOFC的主要结构为：以GE-13L金属为支撑体，在阴极侧喷涂Co1.5Mn1.5O4防护涂层，以防止Cr扩散毒化阴极；在支撑体上分别制备NiO过渡层和Ni/YSZ阳极功能层，在阳极上制备致密的YSZ电解质薄膜，并在电解质上制备GDC阻挡层，阴极由LSCF功能层和LSC过渡层构成[20]，如图2-7所示。

图2-6 丹麦TOPSOE金属支撑SOFC技术路线

图2-7 美国康明斯（Cummins acquired GE's technology）金属支撑SOFC技术路线

西安交通大学（XJTU）自主开发了多孔耐高温合金，以等离子喷涂为主要加工方法制造MS-SOFC，在700℃条件下功率密度最高达到0.7W/cm2，如图2-8所示。XJTU MS-SOFC主要结构为：以粉末冶金多孔耐高温合金为支撑体，采用等离子喷涂方式制备阻挡层，以防止Cr扩散；采用大气等离子喷涂方式制备Ni/GDC阳极功能层，采用真空等离子喷涂方式制备ScYSZ电解质层，采用大气等离子喷涂方式制备LSCF阴极，最后制备阴极汇流层[21-23]。

图2-8 西安交通大学（XJTU）金属支撑SOFC技术路线