固體氧化物電解池(SOEC)是一種高溫水電解技術，以YSZ等材料為電解質，通過陽極和陰極反應制氫氣。具有電耗低、效率高優勢，適用于余熱回收，但面臨高成本和穩定性挑戰。

固體氧化物電解水制氫是一種高溫電解水技術，從技術原理上進行分類，SOEC可分為氧離子傳導型SOEC和質子傳導型SOEC。

（氧離子傳導型 SOEC 工作原理）

（質子傳導型SOEC工作原理）

氧離子傳導型SOEC，以固體氧化物為電解質，在陽極和陰極分別發生以下化學反應，即

陽極:2O2ˉ=O2+ 4e-

陰極：2H2O+4e-=2H2+2O2ˉ

固體氧化物電解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，簡稱SOEC）是一種利用電能將水分解為氫氣和氧氣的高溫電解技術。SOEC的核心部件包括致密的電解質和多孔電極，其中電解質通常是氧化釔穩定氧化鋯（Yttria Stabilized Zirconia，簡稱YSZ）材料。在600至1000℃的高溫下，YSZ具有優異的離子導電性和熱化學穩定性，使其成為SOEC的首選電解質材料。

（SOEC電解水系統構成圖）

除了YSZ，還有其他一些材料也被廣泛應用于SOEC電解質中。例如，氧化鈧穩定氧化鋯（Scandia Stabilized Zirconia，簡稱ScSZ）和基于氧化鈰的電解質，這些材料在一定條件下也展現出良好的性能。此外，鎵酸鑭基電解質也逐漸受到關注，這些材料的應用為SOEC電解質提供了多樣化的選擇。

在電極材料方面，氫電極通常使用Ni-YSZ金屬陶瓷復合材料，這種材料不僅具有良好的導電性，還能提供充足的催化活性，從而促進氫氣生成。氧電極則多采用鍶摻雜鎵酸鑭（LSM）和YSZ的復合材料，這些材料在高溫下能夠有效催化氧氣生成并保持穩定性。

SOEC的結構主要分為管式和平板式兩種類型。管式SOEC是最早被研究的一種類型，其主要優點是不需要額外的密封材料，連接方式相對簡單。然而，管式SOEC也存在成本高、功率密度低等缺點。相比之下，平板式SOEC具有功率密度高、成本較低的優勢，因此成為當前研究的熱點。但是，平板式SOEC在密封方面存在較大挑戰，需要克服高溫條件下密封材料的穩定性問題。

SOEC運行溫度通常高達600至1000℃，高溫水蒸氣的焓值較高，使得SOEC的電解電壓可以低至1.3V，而堿性電解或質子交換膜（PEM）電解的電解電壓通常在1.8V以上。因此，SOEC在電耗方面具有明顯優勢。在最低電耗條件下，3kWh的電量可以制備1標準立方米的氫氣。然而，SOEC需要額外的能耗來產生高溫水蒸氣，這在某些特殊應用場景中，例如核電制氫，體現出獨特的優勢。

盡管SOEC在電耗和效率方面具有明顯優勢，但其高運行溫度也帶來了一些挑戰和問題。首先是成本問題，高溫材料和制造工藝的成本較高。其次是啟停時間長，由于SOEC需要達到高溫才能運行，其啟動和關閉過程相對緩慢。此外，循環壽命也是一個需要解決的關鍵問題，高溫運行條件下，材料的穩定性和耐久性面臨考驗。

目前，固體氧化物電解水制氫技術尚處于示范驗證階段，尚未實現大規模商業化應用。盡管存在諸多挑戰，SOEC技術在特定領域中展現出巨大的潛力。例如，在核電站的余熱利用和高溫工業廢熱回收方面，SOEC技術可以有效地將這些高溫熱源轉化為氫氣，從而實現能源的高效利用和轉化。

未來，隨著材料科學和制造工藝的不斷進步，SOEC技術有望克服當前面臨的技術瓶頸，實現更高的效率和更低的成本。進一步的研究和開發將專注于提高電解質和電極材料的性能，延長設備的使用壽命，并優化系統的整體設計和運行參數。通過多方面的改進和創新，SOEC技術有望在未來的氫能經濟中占據重要地位，成為可再生能源利用和氫氣制備的重要手段。