陈孔发教授、蒋三平教授、张久俊教授主编英文专著在Elsevier出版

主编：陈孔发、蒋三平、张久俊

单位：福州大学、佛山仙湖实验室

全球范围内，化石燃料资源的急剧消耗及其导致的温室气体排放，催生了对清洁与可持续能源的迫切需求。近年来，低碳排放、环境友好的高效能源技术备受关注。在所有发电系统中，高温固体氧化物燃料电池（SOFC）是最清洁、最高效的电化学能量转换装置，在助力实现联合国可持续发展目标（如气候行动）方面具有巨大潜力。然而，尽管过去四五十年来SOFC科学与技术取得了长足发展，电堆与辅助部件的制造成本以及系统耐久性仍是阻碍其大规模商业化的两大主要障碍。因此，此时推出一部系统、全面的SOFC科学与工程专著，以促进其进一步研发与应用，正当其时。

本章系统阐述了SOC中的基本离子和电子传输过程，重点分析了钙钛矿和萤石结构氧化物中的电荷迁移机制。从操作原理出发，详细介绍了氧还原反应（ORR）、氧离子在电解质中的空位扩散以及燃料侧的氧化反应，并运用Nernst方程和Kröger-Vink符号定量描述电势和缺陷平衡。对于LSM、LSCF等典型电极材料，小极化子跳跃传导占主导地位；对于萤石型电解质（如YSZ），则重点讨论了受主掺杂优化电导率以及缺陷簇形成对离子迁移率的不利影响。本章为设计和优化高性能、耐久的SOC电极与电解质提供了关键的理论基础。

阳离子表面偏析，尤其是Sr的偏析，是导致空气电极性能衰减的核心机制之一。本章系统评述了典型空气电极材料（LSM、LSCF等）中的阳离子偏析现象，分析了偏析的驱动力（弹性相互作用、静电相互作用）及其关键影响因素（化学计量、应变、温度、氧分压、极化等），并深入讨论了偏析与电化学活性之间的关系。针对偏析引发的性能下降，本章总结了多种抑制策略，包括降低晶格弹性应变能、减少表面氧空位、引入A位缺陷、增强钙钛矿结构稳定性以及施加保护涂层等。最后，指出了当前研究的不足与未来方向。

在实际运行条件下，空气中的CO2以及金属连接体挥发的Cr物种等杂质会严重毒化空气电极，导致性能快速衰减。本章聚焦于Cr中毒和CO2中毒两种主要污染机制，详细阐述了中毒的化学/电化学沉积理论，并比较了不同电极材料（电子导体、混合导体、质子导体）的中毒行为。此外，还讨论了湿度、温度、极化电流等因素对中毒程度的影响。最后，提出了提高电极抗中毒能力的设计策略，并对未来的研究方向进行了展望。

由于SOC高温运行和复杂多尺度结构的限制，理论建模与数值模拟成为加速其发展的重要工具。本章将SOC的数值模拟划分为电极、单电池、电堆和系统四个尺度，分别介绍了各尺度的建模方法与代表性工作。电极层面涵盖了随机电阻网络模型、薄膜模型、球堆积模型、逾渗模型以及基于图像重构的3D重建；单电池层面建立了电化学传质传热电荷传递的多物理场耦合模型；电堆层面关注多片电池的协同行为与性能优化；系统层面则介绍了SOFC与燃气轮机、吸收式制冷等系统的直接/间接耦合方案。此外，还介绍了基于机器学习的数据驱动“粉末到电能”框架。

空气电极缓慢的反应动力学是制约SOC性能提升的关键瓶颈之一。本章首先阐述了氧离子导体和质子导体两种体系下空气电极的反应原理，归纳了对空气电极材料的基本要求（高电子电导、高离子电导、热化学兼容性、高催化活性等）。随后按导电类型和晶体结构对空气电极材料进行了分类，并详细讨论了影响电导率、热膨胀、力学性能、氧非化学计量等关键性质的微观机制。在活性提升策略方面，重点介绍了TPB扩展、电子结构调控、成分优化（A/B/O位掺杂、阳离子缺位）等方法。在稳定性方面，分析了界面反应、表面偏析、微观结构演变以及水、CO2、SO2、Cr、Si等污染物引起的衰减问题，并总结了表面工程、界面工程、微结构工程等改性技术。最后，介绍了人工智能在材料筛选与性能预测中的应用。

质子陶瓷燃料电池（PCFC）是低温化SOFC的重要方向。本章先简要介绍了PCFC的阳极反应与要求，接着着重阐述了阴极反应路径（氧吸附、电荷转移、解离、质子耦合等）以及对阴极材料的苛刻要求（电子/氧离子/质子三导电、低热膨胀、高催化活性等）。系统回顾了阴极材料的发展历程：从贵金属到混合导体，再到复合阴极，最后聚焦于三导（氧离子‑电子‑质子）单相氧化物。针对单相材料难以同时满足所有需求的现状，本章重点介绍了高熵阴极以及通过原位溶出或自组装形成的多相异质结构阴极，展示了这些新型材料在提升ORR活性和长期稳定性方面的显著优势。

电解质是SOC的核心部件，其性能直接影响电池的输出与寿命。本章首先按晶体结构分类介绍了萤石型（掺杂ZrO2、CeO2、Bi2O3）、钙钛矿型（LSGM、BaZrO3/BaCeO3基质子导体）以及烧绿石、磷灰石型电解质，分析了各自的导电机理与优缺点。随后重点讨论了双掺杂策略对锆基和铈基电解质的电导率与稳定性的提升作用，并介绍了铋基和钙钛矿基电解质的双掺杂研究进展。在制备工艺方面，比较了流延成型、丝网印刷、等离子喷涂、CVD、PVD、ALD等方法的优缺点，并探讨了电解质支撑、阳极支撑、阴极支撑和金属支撑等大面积电池制造技术。最后，对PCFC的电解质（包括单掺杂、共掺杂及化学稳定性改进）和半导体电解质（肖特基结、PN结效应）的未来发展进行了展望。

连接体是SOFC电堆中实现单电池串联、分隔气室和导气的重要部件。本章首先介绍了连接体的功能与结构（平板式、管式、瓦楞式等），并提出了连接体材料的严苛要求（高电导、低离子迁移、匹配的热膨胀、抗氧化/腐蚀、低成本等）。随后分别讨论了陶瓷连接体（掺杂LaCrO3）和合金连接体（Cr基、Fe‑Cr基、Ni‑Cr基）的性能与适用性，并通过Fe‑Ni‑Cr相图分析指出铁素体不锈钢（FSS）是最有前景的候选材料。针对FSS在高温氧化性气氛和还原性气氛下的腐蚀机制（包括双气氛加速腐蚀和Cr中毒），详细阐述了各种防护涂层（稀土氧化物、钙钛矿、尖晶石及其复合涂层）的作用机理和制备方法（湿法、PVD、电沉积等）。最后对各种涂层工艺进行了对比总结。

除了电堆本身，BOP部件（重整器、燃烧器、换热器、压缩机等）对SOFC系统的整体效率和可靠性至关重要。本章分别介绍了这些关键部件的技术进展。重整器部分比较了蒸汽重整、部分氧化重整、自热重整和干重整的优缺点及动力学模型；燃烧器部分讨论了常规扩散燃烧器、多孔介质燃烧器和催化燃烧器的结构特点与火焰稳定性；换热器部分重点介绍了紧凑型板翅式换热器的设计与建模；压缩机部分分析了离心式、罗茨式、螺杆式、涡旋式等类型的适用性与性能。此外，还讨论了BOP部件所用不锈钢材料的Cr蒸发问题以及新型铝基奥氏体钢和涂层防护策略。

电化学测试是评估SOC性能与耐久性的核心手段。本章首先介绍了SOC的工作原理和常见构型（自支撑/外部支撑、平板/管式/扁管式），以及典型材料（电解质、电极）的选择依据。在直流测试方面，详细阐述了开路电压与泄漏的判定、极化曲线的三个损耗区域（活化、欧姆、浓差）以及燃料利用率对浓度极化的影响。在交流测试方面，深入介绍了电化学阻抗谱的基本原理、Nyquist/Bode图表示、基本阻抗元件（电阻、电容、电感、常相位角元件、Warburg、Gerischer等）、Kramers‑Kronig验证、ADIS和DRT分析方法，以及基于等效电路（含传输线模型）的CNLS拟合。最后，给出了单电池和电堆的测试装置与标准测试流程（启动、性能表征、耐久性、热/负载循环、加速测试等），并以碳沉积和硫中毒为例说明了特定工况下的诊断方法。

金属支撑SOFC（MS‑SOFC）凭借其快速启动、抗热震、易密封、低成本等优势，被认为是下一代SOFC的重要方向。本章概述了MS‑SOFC的市场前景、结构特点（与传统阳极/电解质支撑对比）和燃料适应性（氢气、重整气、柴油、乙醇等）。详细介绍了国际上主要研究机构（Ceres Power、Cummins、DLR、FZJ、Plansee、KAIST、XJTU、LBNL等）的MS‑SOFC技术路线与性能指标。在材料方面，分析了Ni基、Fe基等支撑材料以及Crofer 22 APU、ZMG232等连接体材料的性能与加工方法，并总结了连接体保护涂层（REO、钙钛矿、尖晶石）的研究进展。在制备技术方面，重点讨论了热喷涂和低温烧结两种避免金属氧化的工艺。最后，阐述了MS‑SOFC电堆的密封与集成技术，并分析了其长期性能衰减机制（氧化、Cr挥发、催化剂粗化等）。

LSGM是具有高氧离子电导率和纯离子导电特性的钙钛矿型电解质，适用于中温SOEC。本章首先对比了LSGM与YSZ、掺杂氧化铈的导电性能，指出LSGM在宽氧分压范围内均保持纯离子导电，且与Ni电极的界面反应可通过缓冲层（如CMF/Ti‑LDC）加以抑制。在此基础上，展示了采用LSGM薄片和丝网印刷电极制备的平板式SOEC，获得了2.47 A cm⁻2（973 K，1.6 V）的高电解电流密度，并成功组装了25片串联电堆，在1073 K下稳定运行300小时以上。进一步，针对管式SOEC设计，采用浸涂‑共烧结法制备了LSGM薄膜，并通过多孔LSGM功能层提高了空气电极的接触与活性。在长期稳定性方面，发现Ni‑YSZ多孔基体的孔隙结构对衰减速率有显著影响，采用大粒径NiO和大孔通道可有效抑制团聚，将衰减率降至0.03 V/200 h以下。最后，展示了以La0.8Sr0.2FeO3（LSF）替代Ni基阴极的尝试，获得了更低的活化能和优异的循环稳定性。

SOC不仅可以实现电能与氢能的相互转换，还能作为高温电化学反应器直接生产多种高附加值化学品。本章系统总结了SOC在以下四个方面的应用：（1）CO2电解：将CO2转化为CO或合成气，比较了NiYSZ、钙钛矿（LSF、LSCM）和双钙钛矿（SFM）等阴极材料，以及LSM、LSCF、BSCF等阳极材料的性能与稳定性；（2）H2O电解：绿色制氢，分析了氧离子导体和质子导体两种模式下电极材料的选择与衰减机制；（3）CO2/H2O共电解：直接生产合成气（H2+CO），为费托合成提供原料，讨论了RWGS反应的贡献和电极微结构优化；（4）氨合成：利用质子导体实现氮气电化学还原合成氨，介绍了AgPd、钙钛矿负载Ru等催化剂；（5）甲烷干重整：在SOEC中实现CH4与CO2转化为合成气，并抑制积碳；（6）乙烷脱氢：在质子导体SOEC中实现乙烷非氧化脱氢制乙烯，同时副产纯氢或CO，大幅降低能耗和碳足迹。本章最后对各类反应的挑战和未来研究方向进行了展望。

陈孔发教授简介：福州大学材料科学与工程学院教授、博导。主持10余项国家级、省部级及横向项目。在Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B、Electrochem. Energy Rev.等期刊发表SCI论文200余篇，引用6600余次，H因子47；授权中国发明专利20件。连续入选全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力榜单”和“年度科学影响力榜单”。

蒋三平教授简介：澳大利亚科廷大学WA矿业学院矿物、能源与化学工程系John Curtin杰出教授。本科毕业于华南理工大学，博士毕业于伦敦城市大学。在2010年加入科廷大学前，曾就职于澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）材料科学与制造部、澳大利亚Ceramic Fuel Cells Ltd.以及新加坡南洋理工大学。研究领域涵盖燃料电池、水电解、超级电容器、二氧化碳还原与转化、单原子催化剂、光电催化及纳米结构功能材料。已发表期刊论文550余篇，总被引约35,000次，编辑著作6部，独著燃料电池教材1部。

张久俊教授简介：福州大学教授，中国工程院外籍院士，曾任加拿大国家研究委员会（NRC）首席研究员。1982年、1985年于北京大学获电化学学士、硕士学位，1988年于武汉大学获电化学博士学位。1990年起先后在加州理工学院、约克大学、不列颠哥伦比亚大学从事三站博士后研究。张教授已发表各类学术成果1000余篇，总被引超过95,000次（H指数137），其中期刊论文850余篇，编辑著作19部、独著9部，撰写书章47篇，主编期刊专刊5期，做大会报告300余次（其中特邀/主旨/全会报告250次），获专利60项，完成技术报告90余份。