交通运输部门正在经历从内燃机到由锂基二次电池驱动的电动机的技术转变。然而，锂离子电池有限的续航里程和较长的充电时间仍然阻碍了锂离子电池的广泛采用。在重型货运和远程运输的情况下，这一方面尤其如此，其中固体氧化物燃料电池 (SOFC) 提供了一种有吸引力的替代方案，因为它们可以提供高效和灵活的燃料选择。然而，由于传统陶瓷基电池的工作温度高、体积功率密度和比功率低、对热循环和机械振动的鲁棒性差，SOFC 技术主要用于固定应用。在这里，我们提出了一种基于金属的单片燃料电池设计来克服这些问题。制造过程采用具有成本效益且可扩展的制造工艺，与传统 SOFC 生产中的多次热处理相比，只需要一次热处理。该设计通过三维多物理场建模、纳米颗粒渗透和缓蚀处理进行了优化。单片燃料电池堆的功率密度为 5.6 kW/L，从而展示了 SOFC 技术在运输应用中的潜力。
世界各地的社会正在改变他们的能源系统，以逐渐摆脱化石燃料的依赖。运输部门占约。总能耗的25%1.燃料电池驱动的电动汽车和船舶或使用燃料电池作为增程器有助于减少运输过程中的温室气体排放。燃料电池可以将绿色氢、绿色氨或绿色甲烷等零碳电力电解水产生的可持续燃料的化学能直接转化为电能，其电效率高达 45% 以上2,3,4。当氢和氨用作燃料时，会排放诸如 NOx或 CO2等颗粒物在发电过程中接近于零5,6.燃料电池可提供远距离行驶、快速补充燃料7以及将液体电子燃料高效转换为远洋船舶的动力。然而，为了确保燃料电池在交通运输中的广泛应用，它们应该表现出高效率、低成本、高体积密度和比功率以及足够的耐用性。
低温燃料电池(质子交换膜燃料电池(PEMFCs))在汽车应用方面已经达到了一定程度的技术成熟度8,9,10;几家大型汽车和公共汽车制造公司正在小批量生产此类车辆(截至 2019 年底，约有 25,000 辆汽车在运营)11。一个优点是快速的系统启动12。然而，PEMFC 需要高纯度的氢气13并且由于使用贵金属14而相对昂贵.另一方面，高温燃料电池(固体氧化物燃料电池(SOFC))通常用于固定应用;它们的高工作温度 (600–1000 °C) 使其特别适用于热电联产系统15、16。它们对于运输应用也很有吸引力，因为不需要贵金属，并且可以实现 60%17的更高效率(与PEMFC的 45-50% 相比)18、19。高温导致启动速度较慢，因此也暗示了更稳定的运行条件，例如长途卡车、火车或轮船。优点是它们可以使用纯度较低的氢气、氨、甲烷和其他液体燃料进行操作20,21.
尽管 SOFC 首次在车辆中用作增程器是在过去十年中得到证实的22、23，但由于工作温度高、陶瓷基电池的热循环稳定性有限24和低功率密度(典型的商用 SOFC 目前在 0.1–1.0 kW/L 的范围内运行)22、25。
本研究提出了一种使用具有成本竞争力且可扩展的制造方法制造具有高功率密度(5.6 kW/L)的金属基单片高温燃料电池堆的新概念。
金属基单片堆叠的概念如图1所示并与具有金属互连的陶瓷阳极支撑燃料电池堆的传统堆叠进行比较。在传统的堆叠(金属和陶瓷支撑)中，电池支撑、气体通道和互连构成最厚的层(几百微米)，而电池的有源部分在几十微米的范围内。整体概念将电池支撑、气体通道和互连集成到一个单层中，从而将堆叠高度降低了 2-4 倍。这大大增加了堆叠的体积密度和比功率，考虑到车辆的空间和重量限制，这些都是重要的参数。更具体地说，单位体积的功率显着提高，6-8 kW/L 的值是可行的。
