2025年固体氧化物燃料电池行业分析：技术创新推动性能提升

  报告网网讯，在全球积极推进能源转型，努力实现 “双碳” 目标的大背景下，固体氧化物燃料电池凭借其高效、环保的特性，成为能源领域备受瞩目的焦点。2025 年，固体氧化物燃料电池行业正处于技术不断突破、应用领域逐步拓展的关键时期，其发展态势对未来能源格局的影响日益显著。

  《2023-2028年中国固体氧化物燃料电池市场发展趋势及市场前景评估报告》指出，能源供应问题一直是全球关注的重点，我国作为能源消耗大国，在能源供应和环境保护方面面临着巨大挑战。传统的能源利用方式不仅效率低下，还对环境造成了严重污染。固体氧化物燃料电池作为一种新型的能源转换装置，具备将多种燃料直接转化为电能的能力，发电效率高且能使用绿色能源，在固定式发电、住宅和商业用电等领域展现出广阔的应用前景。虽然我国在该领域起步较晚，但随着研究的深入和技术的积累，正逐步缩小与发达国家的差距。

  一、固体氧化物燃料电池电堆结构及组件的发展现状

  (一)单电池的类型与性能

  固体氧化物燃料电池单电池呈全固态结构，主要由多孔电极和致密电解质组成。不同类型的单电池在结构和性能上各有特点。

  管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)是一种自密封电池，稳定性和循环耐受性良好。其中，阴极支撑型 T-SOFC 曾被用于大型热电联产系统，但存在阴极极化损失和成本较高的问题。阳极和惰性基体支撑的 T-SOFC 经济效益好，气体扩散率和输出性能较高，在不同温度和燃料条件下能实现较高的输出功率。微管式 T-SOFC 尺寸缩小，具备更好的机械强度和更快的启动速度，在移动式电源领域有一定应用，但负载模式下的持续运行和失效行为研究还需完善。

  平板式固体氧化物燃料电池(P-SOFC)构型简单，便于批量化生产，是商业化的热门选择。早期电解质支撑的 P-SOFC 稳定性高，已在一些数据中心和办公楼实现商业化供电。为降低发电温度，阳极支撑的 P-SOFC 受到关注，其在中低温下兼具低成本和高性能的特质。金属支撑型 P-SOFC 凭借良好的机械强度、热循环和氧化还原耐性，以及优异的导热和导电性，发展迅速，但寿命和性能衰减的作用机理尚待明确。

  扁管式固体氧化物燃料电池(FT-SOFC)结构设计融合了管式和平板式的特点，密封性好且反应面积大。分段式串联电池(SIS)能解决大面积集流难和电池失效问题，在测试中展现出良好的运行稳定性，但在支撑体结构、连接体材料和稳定性方面还有优化空间。

  (二)连接体的材料与性能优化

  连接体是固体氧化物燃料电池电堆的关键组件，负责传输反应气和实现电路连接，需要具备多种优良性能。陶瓷连接体常用于高温固体氧化物燃料电池，如掺杂的 LaCrO3 等，但存在烧结活性差、电阻偏高等问题，且部分含 Cr 连接体可能会损害电堆密封性，主要应用于高温 T-SOFC 电堆。

  随着工作温度降低，金属连接体成为更具性价比的选择。含 Cr 合金是金属连接体的研发重点，不同的 Cr 基合金在导电性、热膨胀系数适配性等方面各有优劣。为解决金属连接体服役时的问题，如 Cr2O3 生长和 Cr6+ 物质蒸发毒化电极，已研发出钙钛矿和尖晶石保护层，但相关研究还不够完善，长期运行过程中的界面元素扩散和结构演变还需进一步研究。

  (三)集流体的特性与选择

  集流体在固体氧化物燃料电池电堆中用于建立稳定电流通路，提高电流传输速度并补偿接触面间尺寸偏差。在燃料侧还原气氛下，Ni 网 / 膏可有效集流;阴极侧集流体则需满足高导电性、适宜的热膨胀系数、成分和结构稳定、不含 Cr 毒化阴极以及能自主释放热应力等多种要求。

  贵金属虽具有良好的集流性能，但价格昂贵。Ag 电导率高，烧结活性与粘附性好，可通过一些方式解决其热膨胀系数高和高温蒸发损失的问题。钙钛矿和尖晶石陶瓷也被视为有潜力的集流体材料，但在导电性和结构柔顺性方面还需改进。

  (四)密封材料的种类与密封方式

  密封材料是确保固体氧化物燃料电池电堆安全工作的重要材料，对于平板式固体氧化物燃料电池尤为关键。密封方式主要有压缩密封、柔顺密封和刚性粘接密封三种。

  压缩密封通过对非粘接可变形材料施加负载实现密封，热膨胀系数容忍度较高，但对负载分布要求严格;柔顺密封在室温形成嵌合密封，应力较小，如金属支撑 P-SOFC 可采用钎焊密封;刚性粘接密封剂由陶瓷、玻璃制成，具有良好的黏结性和流动性，发展前景良好，但研发重点在于调控成分，确保其在密封过程中的性能稳定。

  二、固体氧化物燃料电池电堆相关系统的研究进展

  (一)热管理系统的作用与优化策略

  固体氧化物燃料电池启动时需要升温至较高温度，热管理系统的作用是避免电堆内温度梯度过大造成不可逆热应力损伤。在电池升温过程中，温度梯度较大，易损坏电池功能层，不同类型的电池堆升温速度有所差异。

  平稳运行后，热管理系统要调节电化学反应引起的温度场波动。可通过协调原料供应管理系统优化工作气布置、利用阳极侧泡沫 Ni 集流体、加大空气流量等方式平衡温度场，也可将热管集成到电堆中降低温度梯度，但需考虑成本、工艺复杂程度和体积等问题。

  (二)原料供应管理系统的影响因素

  原料供应管理系统与固体氧化物燃料电池电堆的温度场分布密切相关。不同的布气方式会影响燃料分布和温度梯度，如平板式固体氧化物燃料电池有同流布置、逆流布置和横流布置三种布气方式，各有特点，需根据使用环境选择。

  此外，燃料的适应性也是原料供应管理系统的重要问题。现阶段除 H2 和部分碳氢燃料外，多数燃料仍在探索阶段。碳氢燃料重整过程会引发温度场波动和电极微观结构改变，还可能导致阳极焦化积碳，目前多采用外重整方式解决这些问题。

  (三)控制监测系统的功能与挑战

  控制监测系统用于获取固体氧化物燃料电池电堆的热电耦合关系参数，以评价发电性能并指导其他系统运行。工作温度、负载状态和气体流量等指标对优化电堆工作效率和延长使用寿命至关重要，需要对关键部件运行状况进行实时监测，防止意外发生。

  然而，电堆系统的响应存在滞后效应，给系统控制策略和故障维稳运行带来挑战。目前的控制策略如依据气体利用率前馈和滑模控制器调整空燃配比等，可提高电堆性能，但容错策略多处于计算机模拟测试阶段，实际可靠性有待验证，面对复杂故障还需更灵活的控制器。

  三、固体氧化物燃料电池的失效行为与寿命预测

  (一)失效行为的类型与原因

  固体氧化物燃料电池电堆的失效行为可分为部件物理变形和功能层微观结构变化。部件物理变形可能在运行初期导致电堆性能波动，甚至破坏整体气密性;功能层微观结构变化则需要较长时间或特定操作条件触发，最终也会影响输出性能。

  常见的失效类型包括不同组件热膨胀系数失配导致的机械失效、含 Cr 金属部件毒化阴极、组件或界面局部相变、阳极 Ni 颗粒团聚粗化迁移以及有害元素杂质积累分解等，每种失效类型都有其相应的作用原理和失效特征。

  (二)寿命预测的方法与挑战

  寿命预测技术对固体氧化物燃料电池的商业化发展至关重要。基于失效模式加速电池性能衰减来预测使用极限是一种有前景的寿命预测手段，相关项目已开发出电极极化分析模型，结合仿真技术可评估电堆工作状态、诊断故障模式。

  但目前寿命预测多考虑单影响因素，而实际工况中多故障会同时发生，失效特征相互混合，使得预测电堆寿命充满挑战。

  四、2025 年固体氧化物燃料电池行业的发展趋势

  (一)技术创新推动性能提升

  在 2025 年，固体氧化物燃料电池行业的技术创新持续推进。单电池性能不断优化，输出功率密度逐步提高，有望接近甚至突破现有水平。在材料研发方面，新型材料的应用将改善电池的性能，提高其稳定性和耐久性。例如，高性价比的金属支撑材料的进一步优化，可能会降低电池成本并提升其综合性能。同时，制备工艺的改进也将提高电池的生产效率和质量，促进固体氧化物燃料电池的大规模应用。

  (二)应用领域不断拓展

  随着技术的发展，固体氧化物燃料电池的应用领域正不断拓展。在固定式发电领域，其可靠性和效率的提升使其成为分布式能源系统的重要组成部分，为偏远地区和工业园区提供稳定的电力供应。在移动领域，微型和金属支撑平板电池的开发，使其有望应用于便携式发电设备和移动工具动力源，满足人们在户外和移动场景下的用电需求。此外，固体氧化物燃料电池还可能在航空航天、海洋等特殊领域找到新的应用机会。

  (三)商业化进程加速

  2025 年，固体氧化物燃料电池的商业化进程明显加速。固体氧化物燃料电池行业分析指出，一些发达国家已推出商业化产品，相关企业在市场上占据了一定份额。随着技术的成熟和成本的降低，越来越多的企业开始涉足该领域，市场竞争逐渐加剧。为推动商业化发展，各国政府和企业加大了研发投入，积极开展示范项目，建立健全相关标准和产业链。未来，固体氧化物燃料电池有望在能源市场中占据更重要的地位，成为推动能源转型的重要力量。

  固体氧化物燃料电池作为一种极具潜力的能源转换装置，在 2025 年展现出了良好的发展态势。从电堆结构及组件的不断优化，到相关系统的逐步完善，再到失效行为研究和寿命预测技术的发展，都为其进一步发展奠定了坚实基础。尽管目前在成本控制、可靠性提升等方面仍面临挑战，但随着技术创新的持续推进、应用领域的不断拓展和商业化进程的加速，固体氧化物燃料电池有望在未来能源领域发挥更大的作用，为实现 “双碳” 目标和能源转型提供有力支持。