由于高温电解的电力需求较低，基于固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）技术，工作温度在700-900℃的固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC）是一种更为节能的水电解制氢技术。

SOEC主要由陶瓷材料组成，不需要贵金属，材料成本较低，也不存在常规碱性电解的腐蚀问题。陶瓷材料机械强度较好，如果在较高压力下运行，可以进一步提高制氢效率。此外，根据不同的热能来源，高温电解水蒸气制氢的规模和工作温度可以灵活调整。

一、结构组成

主要组成部分有电解质（electrolyte）、阳极（anode）、阴极（cathode）和连接体（interconnect）或电极分离器（bipolar separator），如图1.5 所示。

1.电解质材料

电解质是SOFC/SOEC的核心，一般采用氧化物陶瓷制作，即烧结固熔体电解质——完全稳定化的ZrO２。电解质的性能直接决定着电池的工作温度和性能。

纯的 ZrO2 在1000 ℃ 的电阻率为 107 Ω／cm，接近于绝缘物质。目前大量应用于 SOFC /SOEC的是以 ZrO２为基的固体电解质。

利用在 ZrO２中掺入某些二价或三价氧化物，使 Zr^(4+)的位置被低价的金属离子置换，结果不仅使 ZrO２（萤石结构）从室温到高温（1000℃ ）都有稳定的相结构，而且由于电荷补偿作用使其中产生了更多的O^(2-) 空位，从而增加了 ZrO２的离子电导率，使其电导率达到 10^(-2）S／cm ，同时扩展了离子导电的氧分压范围。在这种稳定化 ZrO２中，以 O^(2-) 空位作为媒介，即利用空位机理，表现出 O ^(2-) 导电性。

目前用作电解质较为常见的材料为Y2O3稳定 ZrO2 （简称 YSZ），它的离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显的变化。目前，如何制备性能合适的 YSZ 薄膜是人们研究的热点和难点。

2.阳极材料

SOFC/SOEC 的电极材料首先是一种催化剂，对阳极材料要求电子电导率高，在还原气氛中稳定并保持良好的透气性，因而通常采用铂，但铂价格昂贵。

用镍、钴等金属材料会存在热膨胀不匹配和附着问题，长期的高温工作还会降低其空隙率。

目前研究的方向是以金属陶瓷作为阳极材料，比较理想的是 Ni 复合的 YSZ 。研究合理的工艺，制备性能适合的 Ni-YSZ 复合材料是主要任务。

3.阴极材料

SOFC/SOEC 的阴极与阳极相似，也应是多孔的电子导电薄膜。由于电池的阴极在高温氧化气氛环境工作，起传递电子和透过氧的作用，因此对阴极材料的要求比较苛刻。

阴极材料应具有高的电导率、高温抗氧化性以及高温热稳定性，并且不与电解质起化学反应等特点。传统的材料为金属铂，近期发展的是掺杂氧化物陶瓷 ——— LaMnO３。作为 SOFC/SOEC 的阴极材料，大量的实验证明，La１-xSr xMnO３是首选的阴极材料。

4.连接体材料

电解质和电极材料一起组成三合一形式的单体电池单元，单体电池的功率是有限的，只能产生１V 左右的电压，为了获取大功率的电池组，必须将若干个单电池以各种方式（串联、并联、混联）连接在一起，这就需要连接体材料和封接材料。

在 SOFC/SOEC 中，要求连接体组元在高温下具有良好的电子导电性和稳定性。目前只有很少几种氧化物能够满足用作 SOFC/SOEC 连接体材料，如钙钛矿结构的铬酸镧（LaCrO３）。高温合金材料用作 SOFC/SOEC 连接体材料也是研究热点。

5.封接材料及其他

封接材料用于将电解质材料和连接体材料连接在一起，要求能耐高温，电池反应温度（700~1000 ℃ ）下，一般多用玻璃陶瓷混熔制备。此外，还需要其他附属材料，如用刚玉管作为氧气体室；用石英管作为燃料气体室，它们都带有进气口和出气口，均需密封连接。

二、结构类型

SOEC有多种结构类型，按照几何结构可以分为管式和平板式，如图2所示。

管式SOEC密封性好，电池组装容易，具有较高的抗热震性和机械强度，长期稳定性好，但存在电流路径长、能量密度低、制备工艺复杂、集流较难的缺点。

相对于管式而言，平板式SOEC结构较为简单，易于加工从而减小制造成本，电子传输路径短，单位面积能量密度高，但由于较多面积暴露在外从而造成封装困难、热应力大、机械强度低、性能衰减大。

图2 SOEC结构示意图——(a) 管式 (b) 平板式

按照支撑体类型SOEC可分为电极支撑、电解质支撑和连接体支撑，其中电极支撑又可分为阳极支撑和阴极支撑。

早期对于SOEC性能的研究主要采用电解质支撑类型，电解质层厚度通常在150-300μm。由于电解质中的O2-迁移过程会造成欧姆极化损失，因而电解质过厚的电解池电阻较大，需要更高的直流电压和工作温度，电解池性能差且长期稳定性低，不利于SOEC的大规模应用。

采用电极作为支撑体，电解质层可以薄膜化从而有效减少欧姆阻抗。目前阴极支撑（SOFC阳极支撑）是采用最广泛的支撑类型，阳极支撑相对不常见。

来源：综合整理

固体氧化物电解槽SOEC结构组成及类型分析

作者808, ab

由于高温电解的电力需求较低，基于固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）技术，工作温度在700-900℃的固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC）是一种更为节能的水电解制氢技术。

作者 808, ab

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