本文發表于《International Journal of Green Energy》2025 年第 22 卷第 2 期(DOI: 10.1080/15435075.2024.2414228),由天津大學等機構研究者撰寫,系統梳理了中國固體氧化物電池(SOC)從材料研發到系統產業化的全鏈條進展,深入分析技術優勢、現存挑戰,并展望未來應用與發展方向,為理解中國 SOC 產業現狀提供了全面參考。
01
引言:SOC 技術定位與核心價值
1.1 SOC 技術定義與工作原理
SOC 是一種高溫(600-1000℃)電化學能量轉換裝置,具備雙工作模式:燃料電池模式(SOFC)可將燃料化學能直接轉化為電能并釋放熱量,電解池模式(SOEC)可利用外部電能與熱量分解水蒸氣(H?O)和二氧化碳(CO?),生成氫氣(H?)、一氧化碳(CO)等燃料,實現 “電能 - 化學能 - 電能” 的可逆轉化。
其核心優勢源于全固態結構:無電解質泄漏與腐蝕問題,可靠性高;SOFC 模式下系統凈發電效率達 50%-65%,熱電聯供(CHP)效率可超 90%,SOEC 模式電解效率最高達 100%,且無需鉑(Pt)等貴金屬催化劑,燃料適應性廣(可直接使用甲烷、氨、一氧化碳等),能顯著降低氫氣存儲運輸成本。

1.2 SOC 與 PEMFC/PEMEC 的技術對比
為明確 SOC 技術定位,論文通過多維度對比其與商業化程度更高的質子交換膜電池(PEMFC/PEMEC),具體差異如下表所示:
對比維度SOCPEMFC & PEMEC參考來源
商業化水平市場拓展初期,技術路線多樣已大規模商業化,材料與結構標準化/
成本燃料電池堆約 3000 美元 /kW,系統約 6000 美元 /kW燃料電池堆約 300 美元 /kW,系統約 600 美元 /kWFacci et al. (2017)、Malik et al. (2021)
耐久性數千至數萬小時數萬小時Mukerjee et al. (2017)
效率SOFC 模式 50%-65%,SOEC 模式最高 100%SOFC 模式 40%-60%,SOEC 模式 65%-82%Guan et al. (2023)、Sapountzi et al. (2017)
燃料(SOFC 模式)H?、NH?、CH?、CO 等多種燃料僅高純度 H?Authayanun et al. (2016)
產物(SOEC 模式)H?、CO 等多種產物僅 H?Pandiyan et al. (2019)
此外,SOC 在 SOEC 模式下可通過水 - 二氧化碳共電解生成不同碳氫比的合成氣,產物多樣性優勢顯著;而 PEMFC/PEMEC 則更適應波動式可再生能源輸入,在快速啟停場景中更具靈活性。
1.3 中國 SOC 產業發展背景
在“雙碳” 目標驅動下,中國將 SOC 列為新能源技術重點發展方向。目前國內頭部企業已突破從粉體制備、關鍵部件開發到系統集成的核心技術,初步形成 SOC 產業鏈,并進入系統示范驗證階段—— 論文基于最新文獻與企業公開報告,從材料、單電池 / 電堆、系統三個層級展開詳細分析。
02
中國 SOC 產業發展現狀
2.1 材料層面:核心部件材料研發與應用
材料是 SOC 性能與成本的關鍵,論文重點分析了電解質、電極(陽極 / 陰極)、互連體、密封劑四類核心材料的技術路線與產業應用現狀:
(1)電解質:氧化鋯基為主流,中低溫材料待突破
電解質需滿足高離子導電性、低電子導電性、良好化學兼容性與熱膨脹匹配性(CTE)等要求,目前主要分為螢石結構與鈣鈦礦結構兩類:
螢石結構材料:
氧化釔穩定氧化鋯(YSZ):1970 年代起應用,高溫(>800℃)穩定性與導電性優異,是國內企業(如 SOFCMAN、華科燃料電池、華霆動力)的主流選擇,但 800℃以下導電性顯著下降。
摻雜改性氧化鋯:氧化鈧穩定氧化鋯(ScSZ)、鈧鈰共穩定氧化鋯(ScCeSZ)在 700℃以下導電性優于 YSZ,全球最大 SOC 企業 Bloom Energy 采用 10Sc1CeSZ,但成本更高。
鈰基氧化物:釓摻雜氧化鈰(GDC/CGO)、釤摻雜氧化鈰(SDC)中低溫(~600℃)導電性高,但在還原氣氛下 Ce?+ 易被還原為 Ce3+,導致材料內應力增加、電子導電性上升,可能引發電池短路 —— 英國 Ceres Power 通過 “GDC - 電子絕緣層 - GDC” 三層結構解決此問題,國內暫未大規模應用。
鈣鈦礦結構材料:鍶鎂摻雜鑭鎵氧化物(LSGM)離子導電性高,但鎵(Ga)成本高、制備工藝復雜,目前僅處于實驗室研發階段。
其他材料:三氧化二鉍(Bi?O?)基材料離子導電性最高,但還原氣氛下穩定性差,未實現產業化。
(2)電極:陽極以 Ni-YSZ 為主,陰極需優化兼容性
陽極:需具備高孔隙率、高催化活性、 redox 環境穩定性,目前主流為鎳基金屬陶瓷(Ni-YSZ):
Ni-8YSZ:離子導電性高,可增大電化學反應比表面積,作為陽極催化層;
Ni-3YSZ:機械強度優于 Ni-8YSZ,作為陽極支撐層;
現存問題:使用烴類燃料時易積碳、使用氨時易生成氮化物、SOEC 模式下 Ni 易遷移;解決方案包括添加銅(Cu)緩解積碳、混入 GDC 或用 GDC 替代 YSZ 緩解硫中毒與積碳。
新型陽極:鈣鈦礦結構材料(如鑭摻雜鈦酸鍶 LST、鍶鐵鉬氧化物 SFM、鑭鍶鈷錳氧化物 LSCM)催化性能優異,但長期穩定性與大尺寸應用仍需驗證,處于實驗室階段。
陰極:以鈣鈦礦結構、雙鈣鈦礦結構、Ruddlesden-Popper(RP)結構為主,需滿足高催化活性、高導電性與熱膨脹匹配性:
鑭鍶錳氧化物(LSM):熱穩定性優異,但 800℃以下催化活性低、離子導電性可忽略,需與電解質材料(YSZ/GDC)混合以擴大反應區域,形成 LSM-YSZ、LSM-GDC 復合陰極。
鑭鍶鈷氧化物(LSC)、鑭鍶鐵鈷氧化物(LSCF):離子 - 電子混合導體,導電性與催化活性優于 LSM,但與 YSZ 反應易生成高電阻層(如 La?Zr?O?),需在兩者間添加 GDC 阻擋層 ——LSCF 因與電解質 CTE 匹配性更好,應用更廣泛(如華霆動力、SOFCMAN)。
新型陰極:RP 結構、雙鈣鈦礦結構材料處于研發階段,未產業化。
(3)互連體:金屬合金替代陶瓷,鐵鉻不銹鋼成首選
互連體負責單電池陽極與相鄰電池陰極的電連接,需具備高導電性、 redox 環境穩定性、低 cost 與易加工性:
陶瓷互連體:鑭鉻氧化物(LaCrO?)基材料高溫(1000℃)導電性約 1 S/cm,與其他部件兼容性好,但氧缺乏時導電性下降、鉻揮發導致燒結穩定性差,且脆性大、加工難,已逐步被金屬替代。
金屬互連體:隨 SOC 運行溫度降至 600-800℃,金屬合金(高機械強度、低成本、易加工)成為主流,其中鉻含量 16%-25% 的鐵鉻不銹鋼最常用,如蒂森克虜伯 VDM 的 Crofer 22 APU/H、阿勒格尼路德盧姆的涂層 AISI441、日本的 SUS430,國內企業多采用類似牌號。
(4)密封劑:玻璃 - 陶瓷為主,需平衡密封性與穩定性
密封劑用于防止平面 SOC 陰陽極氣體泄漏,分為剛性密封與壓縮密封兩類:
剛性密封劑:類似焊接,高溫下軟化 / 熔融后與部件緊密結合:
玻璃密封劑:熱應力耐受性好,但長期穩定性差,僅用于實驗室測試;
玻璃 - 陶瓷密封劑:晶體骨架賦予高穩定性與剛性,是商業化電堆的主流選擇(如潮州三環、濰柴動力);
金屬密封劑:成本高、 redox 環境不穩定,應用受限。
壓縮密封劑:需額外壓力將部件與密封劑壓緊:
云母:長期穩定性好,但泄漏率比玻璃基材料高數個數量級,需與玻璃 / 金屬復合使用;
貴金屬:成本高,僅用于特殊場景。
(5)材料產業格局
國內多數企業仍依賴傳統材料(YSZ、Ni-YSZ、LSCF-GDC),少數企業達到國際領先水平 —— 潮州三環是全球最大電解質供應商,為 Bloom Energy 供應 80% 的電解質;學術界雖報道多種高性能新材料,但成本與耐久性未經過產業驗證,需在 “性能 - 成本 - 耐久性” 間平衡以推進產業化。
2.2 單電池 / 電堆層面:結構與支撐技術的多樣化選擇
單電池結構與電堆集成直接影響 SOC 功率密度與規模化應用,論文從結構類型、支撐配置、電堆性能三個維度展開分析:
(1)單電池結構:平面型為主,管式與扁平管式補充
單電池按幾何形態分為三類,技術特性差異顯著:
結構類型核心優勢核心劣勢國內應用企業 / 案例
平面型制造工藝簡單、功率密度高高溫密封性難、穩定性差潮州三環、濰柴動力、華霆動力、中復能源
管式熱穩定性好、易集成密封內阻高、功率密度低佛山索力德(Foshan ISOLID)
扁平管式結合平面型(高功率)與管式(高穩定性)優勢,雙面陰極設計抵消熱應力制造工藝復雜、成本高浙江 H?-Bank(國內唯一)
此外,學術界提出單塊層疊(MOLB)、微管式、錐形管式、無電解質燃料電池(EFFC)等新型結構,但均處于研發初期,未進入產業應用。
(2)支撐配置:從電解質支撐向金屬支撐演進
支撐配置影響電池內阻與運行溫度,目前經歷三代技術迭代:
電解質支撐(ES):電解質層厚 150-300μm,機械強度高、穩定性好,但內阻大,需 > 900℃高溫降低歐姆損失 ——Bloom Energy 仍采用此配置,國內應用較少。
陽極支撐(AS):陽極支撐層厚 250-500μm,電解質層薄 5-15μm,內阻顯著降低,可在中低溫運行,是國內多數企業(如潮州三環、SOFCMAN)的主流選擇,但陶瓷支撐層脆性大。
金屬支撐(MS):以廉價鐵素體鋼為支撐體,熱導率高、抗熱震性好,可實現快速啟停,適配交通場景 —— 濰柴動力與英國 Ceres Power 合作,采用鋼基支撐技術,通過金屬焊接與墊圈壓縮密封,成本低、密封性好,已應用于 120kW 系統。
(3)電堆性能:功率與耐久性待提升
電堆由多片單電池串聯組成,是 SOC 系統的核心模塊,目前國內技術瓶頸集中在規模化密封與熱管理:
功率規模:國內單電堆功率普遍 1-5kW,國際領先企業(如 Bloom Energy)已實現更高功率;
耐久性:國內多數電堆耐久性為數千小時,潮州三環電堆耐久性可達 5 年,接近國際領先水平(10 年),但仍需提升一致性;
技術挑戰:電堆規模擴大后,密封難度增加、內部溫度梯度上升,需優化密封結構與熱管理系統。
2.3 系統層面:SOFC/SOEC 系統示范與瓶頸
SOC 系統由 “電堆模塊 + 輔助設備(BOPs)” 組成,論文分別分析了 SOFC 系統、SOEC / 可逆 SOC(RSOC)系統的應用現狀與挑戰:
(1)SOFC 系統:示范項目落地,BOPs 成關鍵瓶頸
系統組成:BOPs 包括重整器、換熱器、燃燒器、蒸汽發生器、逆變器等,占系統成本與故障率的主要部分 —— 歐洲 Ene-Field 項目數據顯示,SOC 系統故障中僅 1-2% 來自電堆,12% 來自 BOPs(重整器與逆變器)。
國內 BOPs 痛點:產業規模小,缺乏專業化 BOPs 供應商,部分設備(如重整器)需 SOC 企業自主研發,換熱器、燃燒器等為定制化產品,導致成本高、耐久性差,需推動專業化供應商進入產業鏈。
系統性能與示范項目:國內單 SOFC 系統功率 1-35kW,低于國際領先水平(如 Bloom Energy 的 10MW 級系統),但已有多個標桿示范項目落地:
潮州三環 210kW SOFC 熱電聯供項目(2020 啟動,2023 達標):由 6 臺 35kW 系統組成,交流凈發電效率 64.1%,CHP 效率 91.2%,單系統運行超 6500 小時,為國內公開最高水平;
濰柴動力 120kW 金屬支撐 SOFC 系統(2023 發布):全球首款高功率金屬支撐系統,凈發電效率 > 60%,CHP 效率 92.55%(公開最高),冷啟動速度是其他產品的 3 倍以上;
SOFCMAN 25kW SOFC 系統(2021 示范):由 6 臺 5kW 電堆(共 1200 片單電池)組成,凈發電效率 60.8%,運行約 1400 小時;
中復能源 10kW SOFC 充電站:以天然氣為燃料,配套 110kWh 儲能電池,可同時為 3 臺電動車直流充電;
國家能源集團 100kW 整體煤氣化燃料電池(IGFC)系統:由 5 個獨立 SOFC 模塊組成,碳捕獲率 98.3%。
(2)SOEC/RSOC 系統:kW 級為主,耐久性數據缺失
SOEC 與 RSOC(可逆 SOC)是 “綠氫制備” 與 “可再生能源存儲” 的關鍵技術,國內企業與科研機構已開展多個示范項目:
浙江 H?-Bank:2022 年推出 5kW CO SOEC 與 RSOC,核心部件耐久性預計達 20000 小時;斯威夫特新能源(Swift New Energy):
2023 年推出 10kW SOEC 系統,可共電解水與 CO?制氫 / CO,能耗 3.6kWh/Nm3,綜合效率 > 82%;
中科院上海應物所(SINAP):2023 年推出 200kW SOEC 系統,能耗 3.16kWh/Nm3,產氫率 64Nm3/h,達國內領先;同年與中海油合作推出 10kW 水 - CO?共電解 SOEC 系統,CO?單程轉化率 77.9%,合成氣產率 3.08Nm3/h,H?/CO 比可在 1.3-4.8 間調節;
北京質子動力(BPEC):與中廣核、國家電網合作開展 2kW、5kW SOEC 項目,計劃 2023 年底推進 25-50kW 項目。
目前國內 SOEC 系統以 kW 級為主,缺乏 MW 級系統案例,且多數項目未公開耐久性數據,與國際領先水平存在差距。
03
SOC 應用場景與未來發展趨勢
3.1 應用場景:
多領域覆蓋,適配能源轉型需求基于 SOC“高效轉換、燃料靈活、可逆運行” 的特性,論文展望了五大核心應用場景:
(1)多場景熱電聯供(CHP)
SOFC 系統排放的 400-600K 高品位廢熱,可通過換熱器供應熱水( residential 區域)或工業用熱(如化工、紡織行業),CHP 效率超 90%,適配 “分布式供能” 需求。
(2)分布式發電
電動汽車充電站:緩解電網負荷壓力,提供持續穩定供電;
工業園區 / 數據中心 / 軍事基地:替代傳統柴油發電機,具備清潔、高效、低噪音優勢,滿足高穩定性供電需求。
(3)大型固定式電站
SOFC - 燃氣輪機(GT)聯合循環:利用 SOFC 高溫高壓排氣驅動燃氣輪機發電,提升系統總效率;整體煤氣化燃料電池(IGFC):
適配中國富煤資源,替代傳統火電廠,實現煤炭清潔高效利用(碳捕獲率可達 98% 以上)。
(4)交通運輸
SOFC 可作為無人機、船舶、重型卡車的動力源或增程器,提升續航里程(如濰柴動力 30kW SOFC 電動客車增程器,測試里程超 60000km),降低碳排放。
(5)可再生能源存儲
針對風能、太陽能的間歇性問題,SOEC 可在用電低谷期將電能轉化為 H?/CO 等燃料(長期存儲),SOFC 在用電高峰期將燃料化學能轉化為電能并入電網,實現 “削峰填谷”,助力電網穩定。

3.2 未來發展趨勢:聚焦三大技術方向
(1)開發中低溫 SOC(400-600℃)當前 SOC 運行溫度 600-1000℃,高溫導致材料化學穩定性下降、熱應力增加、密封性變差,影響耐久性 —— 中低溫化是核心解決方案,關鍵路徑包括:研發高導電 / 高催化活性中低溫材料;
推動質子傳導固體陶瓷燃料電池(PCFC)、無電解質燃料電池(EFFC)等新型技術路線,降低運行溫度。
(2)拓展燃料多樣性與共電解技術
SOFC 端:提升多燃料適應性(如氨、甲烷、生物氣),解決非氫燃料導致的積碳、硫中毒問題,降低氫氣存儲運輸成本;
SOEC 端:結合碳捕獲技術,發展水 - CO?共電解,生產合成氣、甲醇等化學原料,助力化工行業脫碳。
(3)提升電堆與系統功率規模
電堆層面:突破規模化密封與熱管理技術,擴大單堆功率(目標從當前 1-5kW 提升至更高水平);
系統層面:解決 MW 級系統集成問題,適配大型電站、工業園區等高功率需求場景(如替代傳統火電廠需 100MW-10GW 級系統)。
04
總結與展望
4.1 核心結論
技術定位明確:SOC 作為高效清潔的雙模式能量轉換裝置,在 “雙碳” 目標下具備不可替代的價值,是中國新能源技術的重要發展方向;
產業鏈初步形成:國內已突破從材料到系統的核心技術,形成“企業研發 + 示范應用” 的產業格局,潮州三環、濰柴動力等企業成為標桿;
差距與瓶頸顯著:與國際領先水平相比,國內在電堆耐久性(5 年 vs 10 年)、系統功率(35kW vs 10MW)、BOPs 專業化程度、中低溫材料產業化等方面仍有差距,需重點突破;
應用前景廣闊:多場景適配性(熱電聯供、分布式發電、儲能等)為 SOC 提供了巨大市場空間,未來有望成為能源轉型的關鍵技術之一。
4.2 未來展望
論文指出,中國 SOC 產業需通過 “產學研協同” 推進技術突破:學術界聚焦中低溫材料、新型結構研發,產業界推動材料成本下降與系統規模化,政策層面引導專業化 BOPs 供應商進入產業鏈 —— 隨著技術成熟與成本降低,SOC 將在能源利用中占據重要地位,助力中國實現 “雙碳” 目標與能源結構轉型。
Bowen Wang, Rongxuan Wang, Ruihao Lu, Qing Du & Kui Jiao (2025)
Development and industrialization progress of solid oxide cell in China, International Journal of
Green Energy, 22:2, 334-342, DOI: 10.1080/15435075.2024.2414228
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獎項設置
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02 2025 年度氫能制氫裝備領軍企業ALK/PEM/AEM/SOEC
03 2025 年度氫能燃料電池領軍企業電堆及相關核心產品
04 2025 年度氫能儲運加裝備領軍企業液氫、加氫站、壓縮機等
05 2025 年度氫能測試與裝備領軍企業綜合裝備、涂布設備、測試平臺、 測量設備、激光設備
06 2025 年度氫能最佳材料部件供應商膜電極、雙極板、壓縮機、傳感 器、氣體擴散層、密封材料、質子交換膜、碳紙、催化劑、DCDC 等
07 2025 年度氫能交通示范領軍品牌重卡、兩輪、低空經濟
08 2025 年度氫能最佳服務機構協會媒體、服務機構、產業園等
09 2025 年度氫能優秀項目案例綠氫項目、零碳案例
10 2025 年度氫能年度新銳企業成立三年內新銳企業
評選流程
01 2026 年 1 月 15 日—2 月 28 日征集申報企業、高校、科研機構、個人按要求 填寫并提交申報表,組委會審查申報材料。
02 2026 年 3 月 1 日—3 月 5 日專家初評 組織專家對申報材料進行初評審核。
03 2026 年 3 月 6 日—3 月 10 日補充材料。
04 2026 年 3 月 11 日—3 月 15 日組織專家就初篩名單進行綜合評審,評選出“氫能金鼎獎”。
05 2026 年 3 月 24 日發布評選結果,于 CHEC2026 期間舉辦頒獎儀式。

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張老師 18088655286
劉老師 13756043953
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