固體氧化物燃料電池（ SOFC ） 作為一種高效、清潔的能源轉換技術，近年來受到了廣泛關注。其高能量轉換效率和廣泛的燃料適應性使其在能源領域具備了獨特的優勢，特別是在分布式發電、便攜式能源裝置和大型電力系統等方面展現出了巨大的應用潛力。

▲ 平板式 SOFC 電池堆重復單元（ CRU ）及千瓦級電堆實物圖

▲ 2011 ～ 2020 年全球 SOFC 產品出貨量及出貨功率

在“雙碳”目標的背景下，氫能相關技術在近些年來引起了越來越多的關注，被視為未來國家能源體系的重要組成部分。在氫能利用端，最核心的技術之一是燃料電池發電技術。燃料電池能夠通過電化學反應將燃料的化學能直接轉化為電能，具有較高的能量轉化效率。根據電解質種類不同，常見燃料電池可以分為五類：堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。它們的運行原理、工作條件和應用場景有明顯的不同。高溫運行的 SOFC 采用全固態陶瓷結構，在 600 ～ 1000 ℃的高溫下運行，可以使用氫氣及多種碳氫燃料。數十年來，在 SOFC 核心材料、電池 / 電堆結構以及整體系統設計集成等方面已經取得了諸多進展，并推動了這一技術的實際應用。當下，仍然需要在工業級 SOFC 的能效、壽命和穩定性等方面取得突破，從而進一步實現其商業化應用。

清華 大學燃料電池與儲能創新研究中心主任韓敏芳教授致力于固體氧化物燃料電池（SOFC）研究30余年，她帶領團隊從基礎研究到技術突破，從產業轉化到示范應用，成功解決了產業鏈上的一個又一個難點。 應“十四五“時期國家重點出版物出版專項規劃項目“電化學科學與工程技術叢書（孫世剛院士總主編）”編委會的邀請，韓敏芳及其團隊精心組織撰寫了學 術專著《高性能固體氧化物燃料電池——理論與實踐》，2 025 年6月底 正式出版發行 ！

主要作者簡介

《高性能固體氧化物燃料電池——理論與實踐》

韓敏芳，清華大學教授，能源與動力工程系學術委員會副主任，燃料電池與儲能創新研究中心主任。專業從事固體氧化物燃料電池（SOFC）研究30余年，主持完成SOFC領域“973”計劃和國家重點研發計劃項目，從電解質材料到發電系統，從實驗室研發到批量生產和應用轉化。主導燃料電池相關學會、標委會和產業聯盟等組織建設，領導制訂SOFC相關標準，諫言國家政策導向，是SOFC新興領域最忠實的堅守者和支撐者。

呂澤偉，分別于2017年和2022年獲得清華大學學士和博士學位，現為日本東京大學特任助教，入選日本學術振興會（JSPS）外籍特別研究員。主要研究方向是固體氧化物燃料電池（SOFC）、電解池（SOEC）及相關的電化學和熱物理問題。已在

Adv. Energy Mater

J. Energy Chem

高性能固體氧化物燃料電池 —— 理論與實踐

韓敏芳， 呂澤偉等著

北京 : 科學出版社 , 2025. 6

(電化學科學與工程技術叢書 / 孫世剛總主編 )

( “十四五”時期國家重點出版物出版專項規劃項目 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 081894 - 2

責任編輯：李明楠 孫靜惠

該書的撰寫旨在為研究人員、工程師和學術界的同行提供一部全面而深入的參考資料。全書共 10 章，內容涵蓋了 SOFC 的基礎理論、關鍵材料、器件與系統設計等方面。

• 第 1 章為燃料電池概述，介紹了燃料電池的發展歷史、分類以及應用領域；

• 第 2 章深入探討了 SOFC 的基本理論及分析方法，為理解和設計高性能燃料電池提供了理論基礎；

• 第3章到第5章則分別對單電池的關鍵材料、電池堆構型及組件、性能測試及評價方法進行了詳細闡述;

• 第 6 章介紹了一體化離子傳導基體的設計，旨在提高燃料電池的整體性能；

• 第 7 章則針對陽極積碳這一關鍵問題，提出了有效的應對策略；

• 第 8 章聚焦于高性能納米陰極的構建，展示了先進的材料設計和制備技術；

• 第 9 章則進一步探討了高性能電堆組件的制備方法及其在實際應用中的表現；

• 第 10 章總結了 SOFC 發電系統的設計、集成和運行經驗，展望了這一技術在未來能源系統中的應用前景。
  

內容速遞

第 6 章至第 10 章是本書的核心部分，涵蓋了作者團隊近年來在 SOFC 領域取得的重要研究和實踐成果。本文摘要分享“第 6 章 一體化離子傳導基體設計”。

為了消除電極 / 電解質層間界面，降低電池的制備溫度，本章介紹了一體化結構設計。在一體化電池結構中，分別制備多孔陽極支撐層、電解質層和多孔陰極骨架層，然后通過疊壓和共燒結技術形成一體化離子傳導基體。之后，采用浸漬法在多孔電極基體中引入納米電極材料。這一設計能夠從根本上消除層間界面及其帶來的多種問題。

▲ 一體化離子傳導基體結構示意圖

▲ 三步燒結法升溫示意圖

▲ 電解質內部氧離子傳導機理圖

▲ 工業標準尺寸（10cm×10cm）一體化基體產品

實現新型結構電池的制備需要對燒結工藝進行優化。采用三步燒結法能夠有效降低燒結溫度和能耗，得到的 YSZ 電解質晶粒尺寸約為 0.4 ～ 4 μ m ，相對密度在 96% 以上。有機添加劑的 加入量是調節瓷體收縮率的重要因素。通過調節黏結劑和增塑劑的加入量來保證多孔層與電解質層收縮率一致，達到三層共燒和一體成型的目的，獲得平整的一體化電池基體。

對于亞微米尺度的 YSZ 晶粒，其晶界處通常只有 1 ～ 3 層原子層，這不同于傳統理論關于大晶粒 YSZ 的討論。測試結果表明，對于細晶粒 YSZ ，晶界電導率將大于晶粒電導率。此外，通過合理添加助劑進行晶界修飾，不僅能夠降低燒結溫度，還有助于進一步提升電解質（如 YSZ 和 GDC ）的晶粒和晶界電導率。

本書不僅匯集了當前SOFC研究領域的最新進展，也凝聚了作者團隊多年來在這一領域的深厚積累。我們衷心希望這部專著能夠為讀者提供有價值的知識與啟示，助力固體氧化物燃料電池及電解技術的進一步發展與應用。

點擊鏈接可選購更多相關圖書

（本文編輯：劉四旦）

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品位

一起閱讀科學