作为先进的能量转换技术，固体氧化物燃料电池（SOFC）在能源领域引起了广泛关注[1,2]。由于其全固态组件，SOFC在安全性、稳定性和长期运行方面具有优势[3]。与其他类型的燃料电池相比，SOFC具有很强的燃料适应性，能够使用包括氢气、甲烷、一氧化碳、氨和乙醇在内的多种燃料[[4], [5], [6], [7]]。SOFC主要分为两类：平面型和管型[8]。直径小于3-5毫米的管型SOFC被称为微管SOFC（MT-SOFC）[9]。因此，MT-SOFC技术在便携式和辅助电源系统中受到了显著关注[[10], [11], [12]]。
Kendall等人[13,14]首次开发了MT-SOFC堆栈，构建了包含200个和1000个电池的堆栈，并进行了快速启动和加热/冷却循环测试，没有出现故障。然而，由1000个电池组成的堆栈仅输出185.5 W的功率，导致功率密度相对较低。Suzuki等人[15]使用LSCF阴极基底构建了一个四层立方体堆栈，在490°C时达到了最大功率2.0 W，但稳定性较差。随后使用了多孔MgO基质，三串联堆栈在500°C时的最大功率为0.6 W[16]。为了改善电流收集，Liang等人[17]在阳极表面设计了导电突起，而Liu等人[18]开发了双导电镍垫。Zhang等人[19]使用金属刷进行内部电流收集。尽管取得了这些进展，但由于堆积松散和复杂的歧管设计，堆栈的低体积功率密度问题仍然存在。
与实验研究相比，数值模拟已成为优化SOFC性能的重要手段。Chen等人[20]建立了一个3D多物理场耦合模型来优化外部气流路径，为热管理提供了新的解决方案。进一步的研究揭示了气流特性对性能的显著影响[21]。值得注意的是，管型SOFC的温度分布对导热系数等参数非常敏感[22,23]。Promsen等人[24]通过引入水冷结构进一步降低了温差。然而，仍迫切需要有效的优化策略来应对高电流密度条件下产生的显著温度梯度，以确保长期运行稳定性。
为了进一步提高质量传输和功率密度，多通道阳极支撑体作为一种更优的几何结构应运而生。正如Wang等人[25]最近报道的那样，优化多通道电极结构中的通道几何形状可以显著提高质量传输和电化学性能。基于这一概念，本研究对16个电池的多通道MT-SOFC堆栈进行了全面的实验和数值研究。我们使用相变辅助挤出方法制备了一种坚固的四通道阳极支撑体，在600°C时实现了1.16 W/cm²的峰值功率密度。此外，还开发了一个多物理场模型来优化气体流动模式和堆栈的紧凑性。结果表明，通过合理的结构设计，可以显著提高体积功率密度，为紧凑型SOFC堆栈的开发提供了技术指导。
本研究通过全面的实验和数值研究，旨在最大化多通道MT-SOFC堆栈的体积功率密度和热均匀性。具体来说，使用相变辅助挤出技术制备了一种坚固的四通道阳极支撑体，形成了有利于质量传输的分层微结构。随后构建并测试了16个电池的堆栈，在600°C时实现了1.16 W/cm²的峰值功率密度，显示出卓越的低温性能。此外，使用经过验证的多物理场模型系统优化了气体流动模式，以最小化温度梯度，并进行了紧凑性分析以确定最佳电池间距。结果表明，通过合理的结构设计和流动管理，可以显著提高MT-SOFC堆栈的体积功率密度，为下一代移动电源提供了明确的技术指导。
