固态氧化物燃料电池（SOC，Solid Oxide Cell）是高温全固态陶瓷电化学装置，一套电堆具备双向工作能力：发电模式（SOFC，固体氧化物燃料电池）高效输出电能，电解模式（SOEC，固体氧化物电解池）利用可再生电力制氢、制合成气，双向可逆切换的称为可逆固态氧化物电池（RSOC）。在全球能源脱碳浪潮下，SOC市场正处于从示范验证向规模化商用的关键拐点，全球SOFC市场预计将从2025年的28.1亿美元增长至2026年的35.9亿美元，年复合增长率高达27.6%。

随着AI数据中心算力需求的爆发式增长、国际海事组织（IMO）航运脱碳目标的临近以及风光新能源对长时储能的迫切需求，传统发电与储能技术已难以满足高效、低碳、分布式、模块化的综合要求。燃气轮机发电效率仅35%–45%，PEM质子膜燃料电池依赖贵金属铂催化剂且效率仅40%–50%，锂电池难以实现跨季节长时储能。相比之下，SOC电堆凭借发电效率高达65%（热电联产综合效率85%–95%）、燃料极度兼容（天然气、沼气、甲醇、液氨、工业尾气、绿氢均可直接使用）、全固态结构无腐蚀漏液、模块化灵活扩容、双向可逆储能等核心优势，成为分布式发电、高温电解制氢及长时储能的理想技术路线。

然而，SOC电堆的烧堆（封接烧结）工艺技术门槛极高。单片陶瓷电池的PEN（正极-电解质-负极）需在1400℃以上共烧结成型，而整堆封接烧结又必须在900℃以下完成，要求全程精确控温、严防连接体氧化和阴极性能退化。封接玻璃的软化浸润、气路气密性、多层材料热膨胀匹配、阳极还原活化等环节均对升温曲线、气氛控制和压力均匀性提出极为严苛的要求。因此，SOC电堆的烧堆工艺远较普通陶瓷烧结复杂，亟需专业化的一体化设备解决方案。

图1  固态氧化物电堆

一、固态氧化物燃料电池（SOC）的主要应用领域

固态氧化物燃料电池凭借发电效率高、燃料兼容性强、全固态长寿命、双向可逆储能的核心优势，已在AI数据中心、清洁航运、绿色制氢及特种动力等关键领域展现出广阔的应用前景，具体如表1所示。

表1  SOC电堆的主要应用领域

图2  Bloom Energy商用SOFC模块

二、SOC电堆结构与技术路线

2.1  单电池基础三层结构

单片电池是SOC最小电化学单元，由三层多孔/致密陶瓷构成"三明治"结构：阳极（燃料极，Ni-YSZ金属陶瓷）——多孔结构，通入H₂、CH₄等燃料，催化燃料氧化反应；电解质（致密氧离子导体，YSZ为主）——致密不透气，只传导O²⁻，隔绝燃料与空气，厚度3–20μm薄膜；阴极（空气极，钙钛矿LSCF/LSM）——多孔结构，通入空气，将氧气还原生成氧离子。

完整电堆由多片单电池通过连接体（双极板）串联压紧构成，还包括密封件（高温玻璃陶瓷密封或金属钎焊密封）、集流板、压紧框架及绝缘件等辅件。平板式电堆结构是当前商业化绝对主流，占全球出货90%以上。

图3  电堆结构示意图

2.2  三大平板技术路线核心对比

按单电池支撑结构，当前商业化/示范阶段主要分为三大成熟路线：电解质支撑（ESC）、阳极支撑（ASC）、金属支撑（MSC），关键参数对比如表2所示。

表2  三大技术路线关键参数对比

三、SOC电堆烧堆（封接烧结）工艺

SOC电堆烧堆（行业俗称"烧堆"）指堆叠完成的完整电堆入炉进行高温热处理，核心目的是使玻璃密封材料软化浸润，实现气路的气密绝缘封接。区别于单片PEN的高温共烧结（1350–1450℃），烧堆最高温度严禁超过900℃，全程须保护已烧结完成的陶瓷电池、金属连接体及阴极活性层不退化。

3.1  前置工序（烧堆前必须完成）

1. 各组件独立预烧结

（1）PEN单片完整烧结：阳极-电解质共烧1400℃→GDC阻挡层1300℃→LSCF阴极1200℃，成品单片电解质致密、阴极无杂相。

（2）金属连接体（Crofer22APU）预烧抗氧化涂层：空气气氛930℃保温2h，表面生成Mn-Co尖晶石保护层，抑制Cr挥发毒化阴极。严禁未预涂层的金属连接体直接参与烧堆。

（3）玻璃密封边框/密封胶预脱脂：玻璃生坯含大量有机粘结剂，须单独在500℃保温2h排胶定型，避免整堆烧堆时有机物集中分解鼓泡、密封层产生气孔漏气。

2. 电堆叠堆（烧堆生坯装配）

标准重复单元堆叠顺序为：端板隔热垫→连接体→玻璃密封边框→PEN单片→玻璃密封边框→连接体……循环堆叠。关键工艺要点包括：每层密封边框须对齐气路，无偏移、无断边；整堆上下铺设氧化铝均压垫板，叠加5–20 g/cm²均匀配重；外部不锈钢夹具轻度锁紧，预留高温膨胀/收缩余量，不可刚性锁死；入炉前吹扫堆内粉尘、碎屑，防止高温压伤陶瓷片。

图4  平板SOFC电堆对叠示意图

3.2  标准烧堆升温曲线（空气气氛，阳极支撑8YSZ电堆，量产通用）

烧堆全过程分为低温排胶段、玻璃软化封接段、慢速降温防析晶段三段，全程炉内持续空气吹扫，及时排出有机废气。表3给出了工业标准的SOC电堆烧堆工艺曲线。

表3  SOC电堆烧堆标准工艺曲线

硬性温度红线（不可突破）

整堆最高温度严禁＞900℃，原因如下：

（1）＞900℃时，连接体剧烈氧化、尖晶石保护层失效，Cr挥发污染阴极，电池极化阻抗大幅上升；

（2）LSCF阴极晶粒粗化、三相界面消失，功率永久衰减；

（3）玻璃过度流淌溢入燃料/空气流道，堵塞气路，电堆报废。

3.3  烧堆后工序：电堆还原活化

烧堆完成后阳极仍为NiO（氧化镍），无电子导电性，必须进行气氛还原处理：

（1）气氛：5%–10% H₂ + 平衡N₂，全程须在防爆气氛炉中进行；

（2）温度制度：720℃保温3–4h；

（3）反应原理：NiO + H₂ → Ni（金属多孔阳极），形成导电三相反应界面；

（4）还原后须做气密性检漏，合格电堆方可进行上电性能测试。

3.4  烧堆高频缺陷、成因与解决对策

SOC电堆烧堆过程中常见的缺陷及其成因与解决方案归纳如表4所示。

表4  SOC电堆烧堆常见缺陷及工艺对策

四、SOC电堆烧结・还原・测试一体化设备方案

4.1  SOC电堆烧堆工艺的主要特点与设备需求

（1）SOC电堆烧堆工艺的核心在于温度精确控制与排胶气氛管理。排胶阶段需在150–450℃核心温区以1℃/min的慢速率升温，配合持续空气吹扫及时排出有机废气，防止密封层气孔与分层。

（2）封接烧结阶段（840–860℃）需精准维持玻璃软化温度窗口，保温60–90min形成连续气密密封层，同时严格确保整堆温度不超过900℃红线，保护连接体涂层与阴极活性层。

（3）降温阶段（850–600℃）须以0.5–1℃/min极慢速率降温，防止玻璃快速析晶导致内应力开裂，这是决定电堆气密性合格率的关键工序。

（4）烧堆完成后需在同一设备或配套设备中完成阳极还原活化（720℃，H₂/N₂混合气氛），以及高温电化学性能测试，实现"烧堆封接→阳极还原→性能测试"三大工序一体化完成，无需转运电堆，避免拆装磕碰、密封损伤、温变应力开裂。

（5）SOC电堆产业正朝着更大功率（百千瓦至兆瓦级）、更高可靠性（万小时级寿命）、更短启停时间（金属支撑路线）以及电堆制造–烧堆–测试全流程装备国产化的方向发展。 

图5  TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站

4.2  TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站

TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站是专门为固态氧化物燃料电池（SOC）电堆烧结・还原・测试设计制造的一体化工作站，支持单电池至3kW电堆的烧结与测试，兼容H₂、CO、N₂、空气等多种气体。该设备集电堆烧堆封接、阳极还原活化、高温电化学性能测试三大工序于单台设备，是实验室研发与中试小批量验证的核心装备。设备由加热系统、升降系统、压力控制装置、负载测试系统、冷却系统、气路系统、尾气处理系统、自动测试泄漏系统等八大子系统组成，各子系统技术参数详见表5至表13。

表5  设备总体参数

表6  加热系统技术参数

表7  升降系统技术参数

表8  压力控制装置技术参数

表9  冷却系统技术参数

表10  负载测试系统技术参数

表11  气路系统技术参数

表12  尾气处理系统技术参数

表13  自动测试泄漏系统技术参数