SOFC作为一种先进的能量转换系统，因其高电效率和广泛的燃料适应性以及环保的运行特性而受到广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5]]。在各种SOFC配置中，管状设计因其机械强度高和密封要求简单而受到广泛研究[[6], [7], [8], [9]]。然而，与传统平面型SOFC相比，传统的管状SOFC通常具有较低的功率密度，主要是因为电流收集路径较长，导致欧姆损耗增加[[10], [11], [12], [13], [14]]。尽管如此，研究表明随着管径的减小，管状SOFC的功率密度会增加[[15]]。这一基本关系促使K. Kendall在20世纪90年代初提出了微管SOFC的概念[[16]]。尽管这种几何修改看似微不足道，但微管设计相比传统的平面型和管状SOFC具有多项显著优势，包括更好的耐热循环/冲击性[[17], [18], [19]]、更快的启动能力[[20], [21], [22], [23], [24]]、更高的体积功率密度[[25], [26], [27], [28]]，以及更适合便携式应用[[29], [30], [31], [32], [33]]。
无论SOFC的几何形状如何，单个单元所能提供的电压和功率输出都受到固有限制，对于大多数实际应用来说都是不够的。因此，必须将单个单元通过串联和/或并联的方式在电气和机械上进行集成，以达到所需的电压和功率水平[[34], [35], [36]]。这种集成通常称为SOFC堆栈，涉及使用适当的连接器、电流收集器和气体分配组件来组装多个单元。除了提高功率输出外，堆栈设计还严重影响关键的系统级参数，包括流动均匀性、电流分布、热管理、气体密封和长期运行稳定性[[37], [38], [39], [40]]。对于微管SOFC堆栈而言，有效的堆栈设计对于确保单个微管单元的内在优势在堆栈级别得到保持至关重要。因此，文献中报告了许多关于微管SOFC堆栈设计和性能的实验和数值研究。
文献中的数值研究主要集中在微管SOFC堆栈配置的多物理场建模和结构优化上，以减轻热机械应力并提高流动均匀性和电化学性能。其中，Pianko-Oprych等人[[41]]通过将计算流体动力学与结构力学建模相结合，对三种不同的48单元微管堆栈配置进行了热应力分析。结果表明，在采用六边形单元排列并结合外部空气冷却的堆栈设计中，获得了最低的热应力水平。在后续的研究[[42]]中，同一团队报告称，在分析条件下，阳极层和电解质层不太可能发生关键变形。相比之下，阴极层、靠近歧管接触点的外壳以及空气分配器被认为是机械上较为脆弱的部件，在所选的燃料电池配置中损坏风险更高。Zhang等人[[43]]对一个矩形8单元微管SOFC堆栈进行了多物理场建模研究，同时采用了响应面方法和非支配排序遗传算法II来优化结构参数和进气流量。结果显示，在保持最大温度梯度低于20Kcm?1的情况下，可以实现最大体积功率密度为120.9 mWcm?3。Mao等人[[44]]最近提出了一种用于25单元微管堆栈的梯度孔径曲面板结构。数值分析表明，在进气口应用该结构后，堆栈的整体不均匀性指数从0.852降低到0.314，当该结构同时应用于进气口和出气口时，不均匀性指数进一步降低到0.241。通过响应面方法优化结构参数后，不均匀性指数进一步降低了41.2%。
与数值研究并行，人们还投入了大量实验工作来设计、集成和扩展微管SOFC堆栈，特别关注结构配置、电流收集策略和热机械稳定性。Alston等人[[45]]的早期工作展示了通过构建包含1000个电解质支撑微管单元的堆栈来实现大规模集成的可行性，而Kendall和Meadowcroft[[46]]引入了机械缓冲策略以提高结构可靠性。后续研究指出了诸如温度不均匀性[[47]]等关键挑战。立方体型和捆绑式堆栈设计被广泛探索，以提高体积功率密度和紧凑性，尽管随着捆绑尺寸的增加，相关问题仍然存在[[48], [49], [50], [51]]。其他方法侧重于改进电气集成和可制造性，包括使用金属连接器的平面多单元阵列[[52,53]]、基于陶瓷歧管的设计[[54]]以及具有可插拔组件的模块化堆栈架构[[55]]。最近，还提出了先进的电流收集材料，如双层镍垫，用于支持千瓦级的微管SOFC系统[[56]]。增材制造技术也被越来越多地应用于微管SOFC。在这方面，数字光处理立体光刻和选择性激光熔化等技术被用来制造微管SOFC堆栈的电解质结构和连接器[[57], [58], [59]]。文献中还报告了关于微管SOFC堆栈或相关系统的其他研究，这些系统适用于便携式、移动式和辅助电源单元应用[[60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70]]，以及用于微混合热电系统的微管火焰辅助堆栈[[71], [72], [73], [74]]，以及在各种燃料条件下的运行[[75], [76], [77], [78], [79]]。
在上述几乎所有实验研究中，微管支撑都是通过挤压方法制造的。作为一种替代方案，我们最近引入了一种新型的螺栓-微管SOFC几何结构，其中阳极支撑带缠绕在金属螺栓上，然后通过浸涂法涂覆剩余的单元层，从而证明了这种非传统架构的可行性，并为电化学操作建立了概念验证[[80]]。与在类似条件下制造的传统微管单元相比，初始的螺栓-微管配置的最大功率密度提高了约30%，这主要是由于电极-电解质界面面积的增加以及由此带来的三相边界密度的提高。在此基础上，我们系统地研究了螺栓-微管阳极支撑的可制造性，评估了阳极带长度和缠绕参数对几何均匀性、表面完整性、工艺重复性和单元性能的影响[[81]]。这项工作将重点从概念验证转向了实际制造考虑和可扩展性。在这一阶段，进一步的设计改进使性能相比传统微管参考单元提高了约50%。最后，在我们最新的研究中，通过有针对性的表面图案调整策略进一步改进了架构，旨在修改电极-电解质界面特性并提高反应区的可访问性，从而使电化学性能相比无图案参考单元提高了约90%[[82]]。尽管通过一系列研究逐步解决了概念验证、可制造性和单单元级别的图案优化问题，但堆栈级别的方面，包括堆栈设计、长期连续运行和热稳定性，在很大程度上仍未得到探索。因此，本文首次专注于解决这些与堆栈相关的挑战，以证明所提出的新型螺栓-微管几何结构不仅在单单元级别，而且在集成和堆栈级别运行时仍能保持其优势。
在这种情况下，首先通过数值模拟优化了堆栈内的氢气流动分布。与文献中常见的歧管设计不同，所提出的配置在两个氢气歧管内部都集成了流动通道，以确保每个螺栓-微管单元内的氢气均匀分布。对于这种原创设计，通过系统地改变通道的进出口深度，从而改变沿通道长度的有效流动截面积，研究了汇聚型和发散型通道几何结构。检查的关键几何参数包括通道宽度、进出口直径、进出口通道深度以及通道深度比。根据模拟结果，确定了提供最均匀流动分布的参数集，并随后制造了相应的歧管设计。然后组装了一个10单元的螺栓-微管SOFC堆栈。通过连续运行性能测试以及热循环和热冲击测试评估了堆栈的耐用性和热稳定性。
