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。

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

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
全球布局:N型一体化产业链通全球 拓展国际化发展新空间来源:弘元绿能 发布时间:2026-10-09 08:50:48

弘元绿能与尚德开启双品牌战略协同,融合N型一体化产业能力与25年全球市场经验,在技术、制造、供应链及区域落地层面深度互补,夯实全链条协同优势,加速本土化响应与国际化拓展,共探能源转型下的可持续出海新路径。

储能化整为零、聚沙成塔!电管家集团探索分布式可调节资源新赛道来源:中华网 发布时间:2026-10-08 17:04:08

本文介绍了电管家集团在分布式能源管理领域的创新实践。面对园区级大型储能落地难的问题,集团联合华宝新能源推出“工商业充电宝”模式,将储能系统化整为零,以便携式单元灵活部署于楼宇、办公区等场景,并依托自研综合能源平台实现统一接入与智能调度。该平台可聚合光伏、储能、充电桩及可调负荷等资源,开展光储充荷协同优化,提升绿电就地消纳率、降低用能成本。同时,通过与上海交大合作建设“主动虚拟电厂”,推动微电网资源由被动响应转向主动参与电网调节。项目实现了从分散部署、集中聚合到协同联动的三层跃升,旨在构建可复制、可推广的分布式能源价值运营新范式。(198字)

35GW光伏+15GW储能——EWEC提高在阿布扎比可再生能源规划来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-08 09:32:58

阿联酋水电公司(EWEC)大幅上调阿布扎比可再生能源发展计划:光伏装机目标由原定2035年18GW提升至超35GW,同步配套部署最高15GW电池储能。该规划旨在应对持续增长的电力需求,支撑阿布扎比“2035年清洁能源战略”及阿联酋“2050年净零排放战略”。预计到2035年,相关电力与水务系统升级将推动电力和水生产领域碳排放减少逾45%。EWEC明确天然气发电将作为过渡期灵活性电源,其占比将随光储规模扩大而逐步下降;公司正加速采购大型光伏、储能及海水淡化设施,以结构性降低对燃气发电的依赖。其中,一项5.2GW光伏配19GWh储能的项目被定位为全球首个吉瓦级全天候可再生能源示范工程。(199字)

“半固态+电力系统专家”!新能源公司神秘新品,究竟什么来头?来源:投稿 发布时间:2026-10-08 08:53:45

本文介绍了特变电工新能源即将发布的全新一代工商业储能一体柜新品。在2026年3月起全面推行的电力市场化改革背景下,工商业储能正从单一“低储高发”套利工具,转向需具备参与中长期及现货交易、响应电网调度、支撑电压稳定等综合能力的主动型能源资产。新品以“半固态电池技术”为核心突破,旨在从电芯本源提升本质安全与循环寿命,破解传统液态锂电池热失控风险与衰减难题;同时强调深度光储融合,超越简单设备拼接,实现直流侧至调度层的协同优化。产品定位为面向园区、工厂、数据中心及虚拟电厂等多元场景的智慧能源节点,致力于成为可观、可测、可调、可控的新型电力系统关键组成部分。新品将于10月16日正式发布。

阳光水面光伏漂浮式光伏系统技术解析:从浮体材料到锚固系统的全维度能力来源:阳光电源 发布时间:2026-09-30 16:16:05

本文系统解析阳光水面光伏科技股份有限公司(Sungrow FPV)的漂浮式光伏(FPV)全栈技术能力。随着FPV项目迈向吉瓦级规模化,行业关注重点已从单一浮体成本转向涵盖浮体、锚固、电气集成、环境适配与全生命周期运维的系统级能力。文章围绕六大核心子系统展开:采用自研HDPE浮体,具备25年设计寿命、90%以上回收率及抗风40m/s等高性能,并严格遵循T/CPIA 0016—2019等行业标准;锚固系统提供多地质适配方案,获DNV认证,牵头制定全球首个漂浮光伏锚固标准T/CPIA 0056—2024;电气系统集成专用逆变升压浮船与双面组件,提升水面反射增益至10%–13%,并强化高湿、盐雾防护;方案覆盖水库、沉陷区、台风区等五大水域场景;结合4.3GW全球累计装机、340+项目经验及11国本地交付能力,从技术、经验、标准、服务、经济性与ESG六维度展现其GW级系统供应商综合实力。(199字)

京能国际北京海淀区曙光办公中心综合能源项目光伏板块顺利完成备案来源:京能国际 发布时间:2026-09-30 09:38:31

京能国际北京海淀区曙光办公中心综合能源项目光伏板块于9月28日完成备案,成为该综合能源项目的关键绿色供能部分。项目位于曙光街道蓝靛厂西路1号办公中心屋顶,装机容量0.5兆瓦,采用“自发自用、余电上网”模式,预计年发电量约52万千瓦时,可节约标准煤约157吨、减排二氧化碳约414吨。其将与冷热源能源站及智慧能源管理平台协同运行,实现多能互补,显著降低传统能耗与碳排放。作为京能国际在行政办公区能源费用托管服务领域的重点实践,该项目不仅验证了绿色供能模块的可行性,也将助力集中办公区向“绿色、低碳、智慧、舒适”的现代化方向转型。(199字)

大唐发电在江西成立新能源公司,含太阳能发电业务来源:企查查 发布时间:2026-09-29 05:09:30

近日,大唐发电在江西省抚州市东乡区设立全资子公司——大唐(抚州市东乡区)新能源有限责任公司,注册资本约8324万元,法定代表人为郑茂。该公司聚焦新能源领域,主营业务涵盖发电、输电及供(配)电业务,并重点开展太阳能发电与风力发电的技术服务。作为大唐发电间接全资控股的企业,其成立标志着大唐发电进一步拓展区域新能源布局,强化在江西地区的清洁能源投资与运营能力。此举契合国家“双碳”战略导向,旨在推动可再生能源项目落地与技术应用,提升电力系统绿色低碳水平。

华能国际新设3家分支机构来源:华能国际公告 发布时间:2026-09-28 08:56:02

华能国际电力股份有限公司于2026年9月22日召开第十一届董事会第二十三次会议,审议通过了新设三家分支机构的议案。根据决议,公司拟设立甘肃新能源分公司、滇东分公司和燃料分公司,旨在优化区域布局、拓展新能源业务及强化燃料供应链管理。各分公司名称以市场监督管理部门最终核准为准。董事会同时授权公司管理层及被授权人士具体负责分公司的设立工作,包括负责人委派、财务安排、登记注册及其他相关事宜。本次决策严格履行法定程序,符合《公司法》及公司章程规定,体现了公司在能源结构转型与专业化运营方面的战略部署。(198字)

昱能科技与Axle Energy、Enode两大能源平台达成战略合作,加码欧洲光储VPP布局来源:昱能科技 发布时间:2026-09-24 09:20:39

昱能科技携手欧洲两大能源平台Axle Energy与Enode,实现家庭光储系统API云端接入,全面支持虚拟电厂(VPP)调频调峰与电力交易。依托自研APEMS平台与AI技术,推动家庭能源迈向智能互联新阶段,拓展分布式能源价值边界。

北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

从煤棚屋顶到企业综合能源,探索工矿绿电新范式来源:GOODWE源网荷储智生态平台 发布时间:2026-09-23 15:14:42

9月21日,山西孝义举办「源网荷储智」光伏应用研讨会,聚焦工矿企业能源转型。重磅发布《煤棚及大跨度曲面屋面轻质光伏系统应用白皮书》,首创“六步设计法”;专家共议煤棚改造、系统升级、投资运维等实战难题,推动新能源从屋顶走向生产全场景。