固体氧化物燃料电池（SOFC）对于高效、低排放地转化碳中性燃料以及在热电联产（CHP）系统中的联合发电具有吸引力。然而，传统的阳极支撑SOFC（AS-SOFC）面临实际限制。为了满足车辆和船舶动力的需求，开发了金属支撑SOFC（MS-SOFC）作为最佳的第三代架构。利用金属支撑（MS）作为支撑层，MS-SOFC结合了高电子导电性和高热导性以及改进的机械强度[1]。这种架构将结构支撑与电化学功能分离，使得电解质可以更薄，功能层的微观结构设计更加灵活。
尽管AS-SOFC和MS-SOFC都旨在实现高效的电化学能量转换，但它们在结构和电化学功能的分配方式上有所不同。传统的AS-SOFC使用厚实的多孔陶瓷阳极作为承重部件。尽管阳极通常分为功能层和支持层，但支持层仍然是电化学活性的Ni-YSZ基陶瓷，必须同时提供机械强度、电子导电性、气体传输和反应兼容性[2]。因此，结构要求与电化学设计紧密耦合，这限制了微观结构的优化，并降低了对热冲击和快速热循环的耐受性。相比之下，MS-SOFC将承重作用放在金属支撑上，金属支撑主要作为结构基底和电子电流集流体，而反应主要发生在其表面沉积的薄陶瓷功能层中[3],[4]。这种分离使得电解质和电极可以主要针对电化学性能进行设计，从而提高了鲁棒性和热循环耐受性。它还允许使用更薄的电解质，缩短了离子传输路径，减少了欧姆极化，从而在较低的工作温度下支持更高的电流密度[5],[6]。薄的功能层本身不会限制反应动力学，但不良的微观结构设计会减少有效三相边界并增加活化极化。这些损失可以通过梯度电极、基于渗透的催化增强以及适当控制活性层厚度来缓解[7],[8],[9]。金属支撑还提供了广泛的自由度来调整孔隙率和孔隙连通性，以平衡气体传输和机械完整性，正如Gao等人所展示的[10]。然而，多孔金属支撑必须满足长期的化学稳定性要求，特别是对抗氧化和铬挥发，这使得支撑材料的放置和合金选择变得至关重要。铁素体不锈钢和其他含铬合金广泛用于空气侧支撑，而镍基合金通常因其在中性条件下的稳定性而被优先用于燃料侧支撑[11]。
近年来，人们对MS-SOFC的数值模拟给予了越来越多的关注。然而，建模工作仍然有限，且往往集中在与耐久性相关的问题上，如机械退化和热机械可靠性[12],[13]。即使考虑了电化学性能，模拟也经常局限于简化的单通道或少数通道域，或小面积的电池级模型。例如，Miura等人研究了一种纽扣大小的MS-SOFC，并验证了一个忽略平面内非均匀性的等温一维模型，这突显了当前MS-SOFC研究中继续依赖简化尺度建模的情况[14]。因此，针对MS-SOFC的大规模堆栈级电化学建模仍然有限。此外，由于公开的MS-SOFC基准数据集很少，一些模型采用了最初为AS-SOFC建立的参数，而不是直接根据MS-SOFC实验进行校准。例如，Zhang等人通过拟合报道的阳极支撑SOFC的电化学趋势来验证他们的模型[15]。随后的MS-SOFC分析是通过在模型中用金属支撑替换陶瓷支撑来进行的，而不是直接根据金属支撑电池的实验数据校准电化学和传输参数。因此，显然需要使用MS-SOFC堆栈或堆栈代表性重复单元（RU）的实验数据来校准和验证电化学模拟。
对于平面SOFC，互连肋（IC）和通道拓扑结构对电流收集、反应物分布和热管理至关重要。在连续肋配置中，常见的有直线型、蛇形和波浪型布局[16]。这些设计强制了一个明确的主流动方向，通常会产生可预测的压降和稳定的电流收集。因此，大多数关于连续肋的研究都集中在优化肋与通道宽度比上，以调节流场并提高电化学性能[17]。为了减轻肋下方的反应物匮乏并提高温度均匀性，越来越多的注意力转向了离散肋概念，其中多路径重新分布可以增强流动均匀性和热均匀性[18]。然而，离散肋可能会引入额外的压力损失，因为肋的中断会引入重复的局部收缩和膨胀事件，并可能引发分离和重新附着。为了减轻这种惩罚，Chen等人提出了一种结合离散分布的圆柱形肋和直通道部分的混合互连[19]。沿着类似的设计思路，Zhu等人使用3D热电机械耦合模型评估了一个类似的概念[20]。尽管圆形肋特征通常可以减少相对于角形肋的尖锐边缘损失，但重复的几何扰动仍然会带来较小的损失，因此通常保留直通道部分以在保持反应物传输的同时调节压降增加。Guo等人进一步比较了几种非传统的互连几何形状，并将压力损失归因于流动路径上的收缩-膨胀和分离相关损耗[21]。他们还报告说，当忽略接触电阻时，交错的长方体肋布局可以带来显著的电化学收益，同时比一些完全离散的肋情况具有更低的压降。总体而言，离散肋可以改善重新分布，但它们的压降成本强烈依赖于中断和肋特征的安装方式，而在某些配置中，交错布局可能提供更有利的折中。
这种权衡在阴极侧尤为重要，因为所需的空气流量很高，热空气的密度低，使得氧气的可用性对压力损失更加敏感，因此过大的压降会加剧入口到出口的氧分压梯度，促进局部氧气耗尽。由于阴极的动力学本质上比燃料侧慢，局部氧分压的降低会容易增加活化损失，并且在氧气供应不足时还会引起浓度限制[22]。因此，阴极侧的IC设计应避免仅仅为了提高均匀性而牺牲更大的压降，而应追求一种平衡压力损失和氧气分布的设计。
这些观察表明，不太可能在完全连续或完全离散的肋的极端情况下找到有效的IC设计。相反，需要一种混合拓扑结构来引入可控的流动扰动，以增强反应物的访问，同时将相关的压力损失保持在可接受的范围内。同时，由于肋接触面积和通道开口在固定的互连平面内竞争，必须优化肋与通道宽度比，以平衡电流收集和气体传输能力。
在这项研究中，开发了一个用于实验代表性对称平面MS-SOFC的电池级数值模型，其活性面积为63 × 78 mm2，电极两侧都有MS[23]。外部边界条件被规定以复制实验操作条件，模型参数根据测量的MS-SOFC数据进行了校准，以建立后续分析的可靠基线。基于这个框架，进行了三项研究：首先，在相同的几何和操作条件下，控制AS-SOFC和MS-SOFC之间的比较；其次，在对称MS-SOFC的两侧设计和实施了交错半圆形肋（SSR）互连；最后，对SSR的肋与通道宽度比进行了参数研究，以量化它们对流动、温度和电化学性能的影响，并确定优选的比例。结果为堆栈相关MS-SOFC开发的互连优化提供了设计指导。
