摘要：固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称 SOFC），又被称为全固态燃料电池或陶瓷燃料电池，是一种通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能的装置。与其他类型的燃料电池不同，SOFC 不依赖贵金属催化剂来促进电化学反应的进行，这在一定

固体氧化物燃料电池（SOFC）核心知识点总结

一、SOFC 概述

定义与特点

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称 SOFC），又被称为全固态燃料电池或陶瓷燃料电池，是一种通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能的装置。与其他类型的燃料电池不同，SOFC 不依赖贵金属催化剂来促进电化学反应的进行，这在一定程度上降低了对稀有金属的依赖，也减少了成本。

SOFC 具有多方面的核心优势，使其在能源领域备受关注：

燃料适应广：SOFC 能够使用多种燃料，包括氢气、天然气、生物质气，甚至一些碳氢化合物。这种广泛的燃料适应性使得 SOFC 可以根据不同地区的资源情况和能源需求，灵活选择合适的燃料，提高了能源利用的多样性和灵活性。例如，在天然气资源丰富的地区，可以直接使用天然气作为燃料；在生物质能丰富的农村或偏远地区，生物质气也能为 SOFC 提供动力。

余热温度高：由于 SOFC 的运行温度较高，在发电过程中产生的余热温度也相对较高，通常适合用于热电联产。通过合理利用这些余热，可以同时满足用户的电力和热能需求，大大提高了能源的综合利用效率。比如，在一些工业生产中，SOFC 产生的余热可以用于加热工艺设备或提供生活热水，实现能源的梯级利用，减少能源浪费。

运行温度高：SOFC 的运行温度一般在 700℃至 1000℃之间。高温运行使得电池内部的电化学反应速率加快，有助于提高发电效率。同时，高温环境也有利于一些燃料的直接利用，无需复杂的燃料预处理过程。但高运行温度也带来了一些挑战，如对材料的耐高温性能要求较高，以及在高温下材料的稳定性和耐久性需要进一步优化。

从工作原理来看，SOFC 是水电解的 “逆过程”。在水电解过程中，水被分解为氢气和氧气；而在 SOFC 中，阳极发生燃料氧化反应，阴极发生氧化剂还原反应，通过电解质传导离子，从而产生电能和热能。具体来说，燃料（如氢气）在阳极被氧化，释放出电子和质子（或离子）；氧气在阴极被还原为氧离子，氧离子通过固体氧化物电解质迁移到阳极，与燃料反应生成水或其他产物，同时电子通过外部电路流动，形成电流，实现电能的输出。

单电池结构

SOFC 的单电池主要由三部分组成：

阳极（燃料氧化场所）：阳极是燃料发生氧化反应的地方，它需要具备良好的催化活性，能够有效地促进燃料的氧化过程。同时，阳极材料还需要具有高电子 / 离子导电性，以便电子和离子能够顺利地传输。此外，抗积碳性也是阳极材料的重要特性，特别是在使用碳氢燃料时，要能够防止碳在阳极表面沉积，影响电池性能。常见的阳极材料有 Ni/YSZ 金属陶瓷和钙钛矿材料等。

阴极（氧化剂还原场所）：阴极的主要作用是催化氧气的还原反应，将氧气还原为氧离子。为了实现高效的氧还原反应，阴极材料需要具有高氧还原活性。常用的阴极材料包括钙钛矿结构（如 LSCF，即 La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃）和双钙钛矿等。这些材料具有特殊的晶体结构和电子性质，能够有效地促进氧气的吸附、解离和还原过程。

固体氧化物电解质（离子传导）：固体氧化物电解质是 SOFC 的核心部件之一，它的主要功能是传导离子，同时隔绝电子。电解质需要具备高离子电导率，以确保离子能够快速通过，降低电池内阻；同时，要具有低电子电导率，防止电子泄漏，保证电化学反应的正常进行。此外，电解质还需要具有良好的耐高温氧化性能，能够在高温环境下长期稳定运行。常见的电解质材料有氧化钇稳定氧化锆（YSZ）和 CeO₂基材料等。

一个完整的 SOFC 系统除了单电池外，还包括多个辅助系统，如燃料供应系统，用于将燃料输送到阳极；供气系统，为阴极提供氧气或空气；控制系统，包括电压调节和逆变器等，用于调节电池的输出电压和将直流电转换为交流电；以及换热器等，用于回收和利用电池产生的余热。

二、SOFC 材料体系

SOFC 的性能在很大程度上取决于各个组件所使用的材料，以下是各组件的材料类型及其关键特性：

阳极：

Ni/YSZ 金属陶瓷：镍（Ni）提供电子导电性，氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为离子导体。这种材料组合能够有效地催化氢气的氧化反应，同时具备一定的抗积碳性。但在使用碳氢燃料时，仍需要进一步优化以提高其抗积碳性能。

钙钛矿材料：如 La₀.₇Sr₀.₃CrO₃（LSC）等钙钛矿材料，具有较强的抗硫中毒能力，适用于含杂质燃料的情况。其独特的晶体结构和电子性质使得它在阳极反应中表现出良好的催化活性和稳定性。

阴极：

钙钛矿结构（如 LSCF）：LSCF 具有高氧表面交换系数，能够快速地催化氧气的还原反应，使氧气有效地转化为氧离子。其晶体结构中的金属离子能够参与氧的吸附、解离和传输过程，从而提高阴极的反应活性。

双钙钛矿：双钙钛矿材料也具有优异的氧还原活性，通过合理设计其化学组成和晶体结构，可以进一步优化阴极的性能，提高电池的整体效率。

电解质：

氧化钇稳定氧化锆（YSZ）：在 800℃以上，YSZ 具有优异的离子电导率，是目前应用较为广泛的电解质材料之一。然而，在低温下，其离子电导率会显著降低，限制了其在一些低温应用场景中的使用。

CeO₂基材料：如钆掺杂氧化铈（GDC）等 CeO₂基材料，在中温（600℃至 800℃）下具有较好的离子电导率，且与 YSZ 相比，在低温性能上有一定的优势。但 CeO₂基材料在高温下容易被还原，导致电子泄漏，需要采取相应的措施来提高其稳定性。

连接体：

铬酸镧（LaCrO₃）：LaCrO₃在高温下具有优异的电子导电性和抗氧化、抗腐蚀性能，能够有效地连接各个单电池，同时防止电池之间的气体泄漏和相互干扰。

高温合金：一些高温合金也可作为连接体材料，它们具有良好的机械性能和耐高温性能，能够在高温环境下保持稳定的结构和性能。

封接材料：玻璃陶瓷混熔材料是常用的封接材料，它需要具备耐高温（700℃至 1000℃）和气密性好的特点，以确保电池在运行过程中不会出现气体泄漏，保证电池的性能和安全性。

三、SOFC 结构类型与优缺点

SOFC 有多种结构类型，每种结构都有其独特的特点和应用现状：

管式：管式 SOFC 通常采用挤压成型的方式制备，其单电池呈管状结构。这种结构的优点是可靠性高，由于其形状和结构的特点，在密封方面相对容易实现，能够有效地防止气体泄漏。然而，管式结构也存在一些缺点，如成本高，因为其制造工艺相对复杂，需要特殊的设备和技术；同时，功率密度较低，在相同的体积或重量下，其输出功率相对较小。管式结构是 SOFC 早期发展的技术之一，但随着技术的不断进步，逐渐被其他结构类型所替代。

平板式：平板式 SOFC 采用双极结构，由多个单电池堆叠而成。这种结构的优势在于成本低，由于其制造工艺相对简单，可以实现大规模生产，从而降低成本；同时，功率密度高，能够在较小的体积内提供较高的功率输出。Bloom Energy 是采用平板式结构的典型代表，其产品在市场上占据了一定的份额。然而，平板式结构也面临一些挑战，如高温密封困难，在高温运行时，要保证电池之间的密封性能是一个难题；此外，热循环性能差，在温度变化较大的情况下，电池容易出现热应力，导致结构损坏。

扁管式：扁管式 SOFC 结合了管式和平板式的优点，其截面呈矩形。这种结构具有较高的可靠性，同时功率适中。例如，氢邦科技在扁管式结构方面进行了积极的探索和研发，并发布了第二代平管式电堆（2024 年）。然而，扁管式结构的连接体设计较为复杂，需要解决好连接体与单电池之间的电气连接和气体密封问题，这增加了制造的难度和成本。尽管如此，扁管式结构作为一种新兴的方向，具有很大的发展潜力，有望在未来的 SOFC 应用中发挥重要作用。

四、应用场景

分布式发电

分布式发电是 SOFC 的重要应用领域之一，它具有以下优势：

高效：SOFC 的发电效率一般在 50% 至 60% 之间，相较于传统的发电方式，如燃煤发电等，具有更高的能源转换效率。这意味着在消耗相同燃料的情况下，SOFC 能够产生更多的电能，提高了能源的利用效率。

无噪音：SOFC 的运行过程是基于电化学反应，没有机械运动部件，因此在运行过程中几乎不会产生噪音，为用户提供了一个安静的发电环境。

零污染：在使用清洁燃料（如氢气、生物质气等）时，SOFC 的发电过程几乎不会产生污染物排放，如氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物等。即使使用天然气等化石燃料，其污染物排放也远远低于传统发电方式。

在实际应用中，有许多成功的案例：

Bloom Energy 为苹果、谷歌等大型企业提供了百 kW 级的备用电源。这些企业对电力供应的稳定性和可靠性要求极高，SOFC 的高效、稳定发电性能能够满足他们的需求。同时，使用 SOFC 备用电源也符合这些企业的环保理念，减少了对环境的影响。

潮州三环的 100kW 示范系统也展示了 SOFC 在分布式发电中的应用潜力。该系统通过合理的设计和优化，实现了高效的发电和热电联产，为当地的用户提供了可靠的电力和热能供应。

交通领域

SOFC 在交通领域也有广泛的应用前景，主要包括以下方面：

汽车：日产生物乙醇 SOFC 汽车是一个典型的例子，该汽车以生物乙醇为燃料，续航里程可达 600km。使用生物乙醇作为燃料，不仅减少了对传统化石燃料的依赖，还降低了碳排放，符合汽车行业的环保发展趋势。同时，SOFC 的高效发电性能也为汽车提供了稳定的动力来源，提高了汽车的能源利用效率。

船舶：三星重工与相关企业合作开展的项目，致力于将 SOFC 应用于船舶动力系统。船舶作为重要的交通运输工具，其排放的污染物对环境影响较大。采用 SOFC 作为船舶动力，可以显著减少氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物等污染物的排放，降低对海洋环境的污染。此外，SOFC 的余热还可以用于船舶的其他用途，如加热、制冷等，提高了能源的综合利用效率。

大型发电站

在大型发电站领域，SOFC 可以与煤气化联合循环发电（IGFC）技术相结合。这种技术不仅能够提高发电效率，还具有较低的 CO₂捕集成本。例如，三菱日立的 1MW 系统，通过将 SOFC 与煤气化技术相结合，实现了高效的发电和 CO₂捕集。在煤气化过程中，煤炭被转化为合成气，然后合成气作为燃料供给 SOFC 进行发电。同时，在这个过程中产生的 CO₂可以通过适当的技术进行捕集和处理，减少了温室气体的排放。这种技术对于实现能源的清洁、高效利用具有重要意义，是未来大型发电站发展的一个重要方向。

反向电解制氢（SOEC）

反向电解制氢（Solid Oxide Electrolysis Cell，简称 SOEC）是 SOFC 的一种重要应用形式。SOEC 可以将电能转化为化学能，通过电解水制氢。其电解水制氢效率可达 85% 至 95%，远远高于传统的电解水制氢技术（如碱性电解槽的效率一般在 70% 左右）。这使得 SOEC 在储存多余电能方面具有很大的优势。例如，在可再生能源发电（如太阳能、风能发电）过程中，由于能源的产生具有间歇性和波动性，当发电量过剩时，可以利用 SOEC 将多余的电能转化为氢气储存起来，然后在需要的时候，再将氢气通过 SOFC 或其他方式转化为电能，实现能源的有效储存和利用。这种方式有助于提高可再生能源的消纳能力，促进能源的可持续发展。

五、企业布局

不同国家和地区的企业在 SOFC 领域有着不同的技术方向和发展进展：

美国：Bloom Energy 是美国在 SOFC 领域的代表性企业，其主要技术方向是大型工商业分布式发电。该公司的产品已经得到了广泛的应用，总装机容量超过 350MW，客户包括沃尔玛、谷歌等大型企业。Bloom Energy 通过不断的技术创新和市场拓展，在分布式发电市场占据了重要的地位，推动了 SOFC 技术在工商业领域的应用和发展。

日本：

京瓷主要专注于家用小型 SOFC（700W）的研发和生产。其第三代产品设计寿命达到了 12 年，这表明京瓷在提高 SOFC 的可靠性和耐久性方面取得了显著的进展。通过不断优化产品设计和制造工艺，京瓷的家用小型 SOFC 产品在日本市场得到了一定的推广和应用，为家庭用户提供了一种高效、清洁的能源解决方案。

三菱日立则致力于联合循环发电系统的研发和应用。其 1MW 系统展示了 SOFC 在大型发电站领域的应用潜力。通过将 SOFC 与其他发电技术相结合，三菱日立的联合循环发电系统能够实现更高的发电效率和更低的污染物排放，为能源的清洁、高效利用做出了贡献。

德国：Bosch 主要研发小型工商业热电联供系统（10kW），并通过投资 Ceres Power 等方式，加强在 SOFC 领域的技术研发和市场布局。Bosch 的小型工商业热电联供系统发电效率可达 60%，能够为小型工商业用户提供稳定的电力和热能供应。该公司在欧洲市场积极推广其产品，为小型工商业用户提供了一种高效、环保的能源解决方案。

中国：

潮州三环是全球最大的 SOFC 电解质片供应商，其产品占据了 Bloom Energy 采购量的 80%。潮州三环凭借先进的制造工艺和严格的质量控制，生产出高质量的电解质片，为全球 SOFC 产业的发展提供了重要的基础支撑。同时，潮州三环也在不断加强自身的研发能力，探索新型电解质材料和制造工艺，以提高产品的性能和竞争力。

潍柴动力成功研发出全球首款 120kW 金属支撑 SOFC 系统，该系统的热电联产效率高达 92.55%。潍柴动力在金属支撑 SOFC 技术方面的突破，提升了中国在 SOFC 领域的技术水平，推动了 SOFC 技术的实际应用。该系统的高热电联产效率使得能源得到了更充分的利用，为工业用户和大型设施提供了高效、清洁的能源解决方案。

宁波索福人、氢邦科技等企业也在 SOFC 领域积极开展研发和生产工作。氢邦科技发布了第二代平管式电堆（2024 年），在 SOFC 的结构设计和性能优化方面取得了一定的进展。这些企业通过不断的技术创新和产品研发，为中国 SOFC 产业的发展注入了新的活力，推动了中国 SOFC 技术向国际先进水平迈进。

六、挑战与未来方向

技术瓶颈

尽管 SOFC 具有诸多优势，但在技术方面仍面临一些瓶颈：

高温密封：由于 SOFC 的运行温度较高，在高温环境下实现良好的密封是一个难题。密封性能不佳会导致气体泄漏，影响电池的性能和效率，甚至可能引发安全问题。因此，需要研发耐高温、高气密性的密封材料和密封技术，以确保电池在高温运行过程中的稳定性和可靠性。

长期可靠性：在长期运行过程中，SOFC 的各个组件可能会出现性能衰退的问题，如电极材料的老化、电解质的劣化等。提高 SOFC 的长期可靠性是实现其商业化应用的关键。这需要深入研究材料的性能变化机制，开发抗老化、耐腐蚀的材料和组件，以及优化电池的运行条件和管理策略。

系统效率优化：虽然 SOFC 的发电效率相对较高，但仍有进一步提升的空间。通过优化电池的结构设计、材料选择和运行参数，以及合理利用余热等方式，可以提高系统的整体效率，降低能源消耗，提高 SOFC 的竞争力。

成本降低：目前，SOFC 的成本仍然较高，这主要是由于材料成本高、制造工艺复杂等原因导致的。降低成本是推动 SOFC 商业化应用的重要前提。需要通过研发低成本的材料、优化制造工艺、实现规模化生产等方式，降低 SOFC 的成本，使其在市场上更具竞争力。

商业化路径

为了实现 SOFC 的商业化应用，需要明确以下商业化路径：

聚焦分布式发电：分布式发电是 SOFC 具有优势的应用领域之一。在数据中心、工业园区等场所，对电力供应的稳定性、高效性和环保性要求较高，SOFC 的特点能够满足这些需求。通过在这些领域推广 SOFC 分布式发电系统，可以提高能源利用效率，降低运营成本，同时减少对环境的影响。

拓展 SOEC 制氢场景：如前所述，SOEC 具有高效的电解水制氢能力。

随着可再生能源的快速发展，对储能和灵活能源转换技术的需求日益增长，这为 SOEC 制氢提供了广阔的应用空间。在风电场和光伏电站等可再生能源富集地区，由于风能和太阳能具有间歇性和不稳定性，发电输出波动较大，与电网的负荷需求难以完全匹配。此时，SOEC 可在电力过剩时段将多余电能转化为氢气储存起来。这些储存的氢气不仅能在能源短缺时通过 SOFC 或其他氢能利用设备重新转化为电能，保障电力的稳定供应，还可作为化工原料，用于合成氨、甲醇等产品的生产，延伸能源产业链，提升能源利用的附加值。

例如，在一些沿海地区，风力发电资源丰富，但时常面临电力消纳难题。通过建设 SOEC 制氢装置，将过剩的风电转化为氢气，一部分氢气可用于当地的分布式能源系统，为周边社区和企业供电供热；另一部分则可通过管道或车载运输至临近的化工园区，用于化工生产，实现能源的跨领域优化配置，促进区域经济的绿色可持续发展。

国内发展

在中国，SOFC 产业的发展面临着一系列需要攻克的关键问题：

突破关键材料：连接体材料作为 SOFC 系统中的重要组件，需要具备在高温下良好的电子导电性、抗氧化性以及与其他组件的兼容性。目前，国内在一些高性能连接体材料（如某些特殊的 LaCrO₃基材料）的研发和生产上，与国际先进水平存在差距，依赖进口的现状制约了产业的自主可控发展。国内企业和科研机构需要加大研发投入，深入研究材料的微观结构与性能关系，通过材料改性、掺杂优化等手段，开发出具有自主知识产权的高性能连接体材料，实现关键材料的国产化替代，降低成本，提高产业竞争力。

完善 BOP 产业链：Balance of Plant（BOP），即电站辅助系统，涵盖了燃料处理、气体供应、热管理、电力调节等多个环节。目前，国内 BOP 产业链尚不完善，各环节之间的协同性不足。例如，燃料预处理设备的性能和稳定性有待提高，热管理系统在高效回收和利用余热方面还需优化。完善 BOP 产业链需要加强产业链上下游企业之间的合作与交流，整合资源，形成从原材料供应、设备制造、系统集成到售后服务的完整产业生态。通过技术创新和标准化建设，提高 BOP 各环节设备的性能和质量，确保整个 SOFC 系统的稳定运行和高效性能发挥。

提升大功率系统能力：虽然国内已经有企业研发出了如潍柴动力 120kW 金属支撑 SOFC 系统这样的大功率产品，但与国际先进水平相比，在系统的可靠性、耐久性以及进一步提升功率密度等方面仍有提升空间。提升大功率系统能力需要持续投入研发资源，开展基础研究和工程应用研究。一方面，深入研究大功率系统在复杂工况下的运行特性，优化系统设计和控制策略，提高系统的稳定性和可靠性；另一方面，探索新型材料和结构设计，提高系统的功率密度，降低系统成本，以满足大型工业用户、集中式发电站等对大功率、高效能源供应系统的需求。

总结

SOFC 凭借其高效、环保的显著优势，在全球能源转型的大背景下展现出巨大的潜力。其广泛的燃料适应性、高发电效率以及低污染物排放等特点，使其成为实现能源可持续发展的重要技术选项之一。通过热电联产，SOFC 能够大幅提高能源综合利用效率，减少能源浪费；在分布式发电、交通和大型发电站等领域的应用，有助于构建更加灵活、可靠、清洁的能源供应体系。

然而，要充分发挥 SOFC 的潜力，还需进一步解决技术和产业化方面的诸多难题。技术上，需突破高温密封、长期可靠性、系统效率优化和成本降低等瓶颈；产业化进程中，要明确商业化路径，加强关键材料研发、完善产业链建设以及提升大功率系统能力。中国企业如潍柴动力、潮州三环等，已在 SOFC 领域取得了一定的技术突破和产业进展，正加速追赶国际领先水平。未来，随着技术的不断进步、产业的持续发展以及政策的有力支持，SOFC 有望在全球能源格局中占据更加重要的地位，为推动能源革命、实现碳中和目标发挥关键作用 。

来源：赛诺氧化锆珠