西北工业大学黄维院士团队李致朋教授联合张久俊院士在国际能源材料顶刊eScience（IF=36.6）发表燃料电池从材料到系统文章

来源：知光谷发布时间：2025-09-11 09:49:44

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。