近日，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队李致朋教授课题组，联合福州大学张久俊院士，在国际能源材料领域顶刊eScience(中科院一区，影响因子36.6)上发表题为《A review of advanced SOFCs and SOECs: Materials, innovative synthesis, functional mechanisms, and system integration》的文章，第一作者为西北工业大学冯鹏。
1 论文亮点
该文章首次从“材料设计—机理研究—系统集成”全链条视角，系统梳理了固体氧化物燃料电池(SOFC)和电解池(SOEC)领域的最新进展，涵盖了关键材料、核心机理以及高熵掺杂、机器学习等前沿材料设计策略，并提出了面向实际应用的系统集成挑战与解决方案，为下一代高效、清洁能源转换与存储技术的发展提供了重要理论支撑与实践指导。
图 1. 本文章内容涵盖从材料到系统的全链条范围
2 研究背景
得益于其高能量转换效率、燃料灵活性及环境友好特性，固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)作为新一代能源转换技术，自问世以来便受到广泛关注，并在分布式发电、储能、化工合成等多个领域展现出巨大潜力。尤其是近年来，随着高熵掺杂、机器学习等前沿设计策略的引入，SOFC/SOEC在材料设计、机理研究与系统集成方面取得了显著进展，为该类器件的性能提升与商业化应用提供了全新平台。
本文章系统回顾了SOFC/SOEC领域的最新进展，包括：1)关键材料(电极、电解质、连接体)的合成与性能优化;2)离子传输、电极反应等电化学机制的深入解析;3)热管理、流体动力学与机械应力控制等系统集成策略。最后，指出了当前技术面临的主要挑战，并展望了未来的研究方向与应用前景。
图 2. 2006–2024 年 SOFC 和 SOEC 研究的年度发表数量
3 主要内容
图 3. (a) O-SOFC、(b) H-SOFC、(c) O-SOEC 与 (d) H-SOEC 的工作原理
【工作原理解析】
SOFC将燃料化学能直接转为电-热，SOEC则逆向以电-热驱动H₂O/CO₂制氢或合成气;两者共用氧离子或质子导体电解质，仅在气体流向与极化方向上互为镜像，这一可逆特性为后续材料与系统设计奠定了统一框架。
【构型与支撑方式】
固体氧化物燃料电池(SOFC)与固体氧化物电解电池(SOEC)可依据其机械支撑层的位置划分为四类典型构型：阳极(燃料极)支撑、电解质支撑、阴极(空气极)支撑以及金属支撑。不同构型在力学承载、热-电耦合、传质路径及长期稳定性方面表现出显著差异。因此，面向特定应用场景的最优结构选择需建立多目标评价体系，系统量化各构型的结构完整性(断裂韧性、热循环强度)、热管理特性(温度梯度、热应力分布)、电导性能(面比电阻、界面极化)及整体能量效率，进而匹配目标运行工况与预期服役寿命。同时，根据单电池的构造，SOFCs 和 SOECs 的结构模式可分为：平板、传统管、分段串联、锥形管、扁平管、蜂窝与微管六类几何构型。
图 4.(a) SOFCs/SOECs 的不同支撑结构示意图。(b) 平板型 SOFC;(c) 平板型 SOEC;(d) 串联分段型;(e) 锥形管型;(f) 平管型;(g) 蜂窝型;(h) 微管型
【关键材料、失效机理及前沿策略】
本部分SOFC与SOEC的材料体系、性能瓶颈及优化策略展开系统文章。首先，在电极材料层面，系统梳理了空气电极的晶体结构演化路径：涵盖单/双钙钛矿(ABO₃/A₂BBO₆)、Ruddlesden–Popper(RP)型层状氧化物以及非钙钛矿结构氧化物;同时评述了金属陶瓷(Ni-YSZ 等)、复合电解质电极及钙钛矿型燃料电极的最新进展。其次，针对电解质体系，分类讨论了氧离子导体(氧化钇稳定氧化锆、掺杂 CeO₂、掺杂 LaGaO₃)与质子导体(掺杂 BaZrO₃/BaCeO₃ 固溶体)的离子输运机制、电导率-稳定性权衡及界面兼容性。随后，对连接体及其他辅助组件进行了材料学剖析，重点比较了铁基(Fe-Cr-Mn 系)与铬基(Cr-Fe-Y₂O₃ 系)合金在氧化-还原循环中的氧化膜生长动力学与导电性能演化。
在性能衰退机理方面，本文从热力学-动力学耦合视角，解析了电极组分挥发(Sr、Co 等元素)、界面相变与元素互扩散、硫/铬/硅中毒、碳酸盐沉积以及金属腐蚀等多因素协同作用下的退化路径，并归纳了表面包覆、元素梯度掺杂、界面工程及保护性涂层等针对性缓解策略。最后，面向下一代 SOFC/SOEC 技术，强调了高熵掺杂策略在同时提升电解质与电极的化学-机械稳定性方面的潜力，并指出机器学习驱动的材料筛选、多尺度模拟与实验闭环验证，以及纳米催化剂精准构筑(原子层沉积、溶胶-凝胶自组装等)在加速新材料研发与器件性能突破中的关键作用。
图 5. 机器学习筛选关键材料
图 6.多种前沿改性策略
【系统集成与展望】
在系统级，250 kW SOFC-GT联合循环电站与1 MW岸电系统已实现商业示范，SOEC侧通过蒸汽回收与级联控制将启停时间压缩至200 s;数字孪生-LabVIEW实时控制使堆栈温差<10 °C。面向未来，低温化、燃料多元化、AI-寿命预测、标准测试协议、卷到卷规模化制造与物联网全生命周期管理成为六大破局点，为实现低成本与长寿命系统指明研发路径。
图7. (a, b) SOFC和SOEC系统的结构;(c) 各类SOFC/SOEC系统的照片;(d) 微电网解决方案概览
4 总结与展望
【陶瓷纳米化与均质化】
通过将SOFC/SOEC中的电解质与电极前驱体粉末控制在10–100 nm尺度，可显著增大比表面积并暴露更多活性位点，从而提升氧还原/析出及质子迁移动力学。然而，纳米颗粒在高温共烧过程中极易发生团聚、粗化及成分偏析，导致晶界电阻上升、机械强度下降。因此，亟需发展低温快速烧结(如闪烧、微波烧结、SPS)与表面包覆/掺杂协同策略，以在保持纳米结构的同时实现致密化与化学均一性。
【质子传导电解质的电化学机理】
与氧离子导体相比，质子导体(如BaZr₀.₈Y₀.₂O₃-δ)的载流子半径小、迁移活化能低，但其体相与晶界质子化-去质子化过程、缺陷缔合行为及水合-脱水平衡机制仍缺乏系统认识。需结合原位中子衍射、准弹性中子散射与第一性原理分子动力学，建立质子跳跃路径与晶格振动耦合的微观模型，为设计高质子电导率且化学稳定的电解质提供理论依据。
【SOEC 共电解 H₂O/CO₂ 制合成气】
在SOEC模式下同时电解H₂O与CO₂可一步生成H₂/CO比例可调的合成气，但Ni-YSZ等传统燃料电极易因积碳、氧化-还原循环及硫中毒而失活。需通过构筑A位缺位钙钛矿(如 La₀.₅Sr₀.₅Fe₀.₉Ni₀.₁O₃-δ)或Ruddlesden–Popper型氧化物，引入氧空位与表面氧迁移通道，抑制碳沉积并提升CO₂活化能力;同时利用原位光谱与微分电化学质谱解析共电解反应路径，实现产物选择性调控。
【测试标准与性能数据库】
目前SOFC/SOEC文献中的极化阻抗、降解速率及热循环寿命数据因测试温度、气体组分、电流密度等条件差异而难以横向比较。应联合IEC、ASTM等国际标准化组织，制定涵盖材料级(电导率、热膨胀系数)、单电池级(ASR、FPP)及电堆级(效率、衰减率)的统一测试协议，并依托开源数据库(如NREL的CellDB)实现数据共享，为机器学习辅助材料筛选与寿命预测提供高质量训练集。
【从实验室走向工程化】
实验室单电池常采用贵金属集流、手工涂覆及小尺寸流场，难以放大至千瓦级电堆。需建立从粉体合成—流延/丝网印刷—共烧—密封—系统集成的一体化中试线，评估卷对卷涂布、激光切割、玻璃-陶瓷复合密封等低成本工艺的可行性;同时开展1–10 kW级长周期(>10 kh)现场测试，量化材料-系统耦合失效模式，为GW级绿氢-合成燃料产业链提供技术-经济可行性数据。
【SOFC/SOEC系统集成与优化】
系统层面需统筹热-流-力-电多场耦合：通过CFD-热力学联合仿真优化燃料/蒸汽分布与废热回收路径，降低温度梯度;选用热膨胀系数匹配的Crofer22H合金与复合陶瓷连接体，缓解热应力;采用模块化电堆设计，实现故障单元的在线更换与功率灵活扩展;嵌入IoT传感器与AI算法，实时采集温度、压力、阻抗谱并进行预测性维护，从而将系统可用率提升至>95%，运维成本降低30%以上。
本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省重点研发计划等项目的资助。
相关论文信息：
Peng Feng, Kuan Yang, Xuanyou Liu, Jiujun Zhang*, Zhi-Peng Li*.
A review of advanced SOFCs and SOECs: Materials, innovative synthesis, functional mechanisms, and system integration。
eScience, 2025, 100460.
https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100460
