固体氧化物电解池（SOEC）单电池的结构设计是其性能优化的核心，需综合考虑电解质、电极、界面接触、气体扩散和热/电导路径的协同作用。

产品设计方案：

固体氧化物电解池（SOEC）单电池的结构设计是其性能优化的核心，需综合考虑电解质、电极、界面接触、气体扩散和热/电导路径的协同作用。以下是针对电热催化SOEC单电池的详细结构设计方案：

1. 单电池基本组成

SOEC单电池通常为三明治结构，包含以下核心层：

（1）致密电解质层（Dense Electrolyte）

材料：YSZ（氧化钇稳定氧化锆）或掺杂氧化铈（如GDC，Gd₀.₁Ce₀.₉O₂−δ）。

功能：传导O²⁻离子，隔离燃料气和氧化剂。

厚度：约10–30 μm（薄膜化降低欧姆阻抗）。

（2）多孔阴极（燃料极）（Porous Cathode）

材料：

传统：NiYSZ金属陶瓷（Ni提供电子传导，YSZ提供离子传导）。

改进：掺杂催化剂（如NiCeO₂YSZ、NiFe合金YSZ）。

功能：在高温下催化H₂O/CO₂电解，释放O²⁻至电解质。

结构：孔隙率30–40%（兼顾气体扩散与电化学活性面积）。

（3）多孔阳极（氧电极）（Porous Anode）

材料：混合导体氧化物（如LSCFLa₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃−δ、LSMLa₀.₈Sr₀.₂MnO₃）。

功能：催化O²⁻氧化生成O₂，并传导电子。

结构：孔隙率20–30%（需与电解质热膨胀系数匹配）。

（4）电流收集层

材料：铂（Pt）或镍（Ni）网/浆料。

功能：降低接触电阻，均匀分布电流。

2. 结构类型选择

根据支撑体不同，SOEC单电池可分为以下类型：

(1) 电解质支撑型

结构：厚电解质（~100–300 μm）作为机械支撑，两侧涂覆薄电极（~10–50 μm）。

优点：机械强度高，密封容易。

缺点：欧姆阻抗较大，适合低温（<750°C）应用。

(2) 电极支撑型

结构：厚阴极（~0.5–1 mm）或厚阳极作为支撑体，电解质薄膜（）沉积其上。

优点：降低欧姆损耗，适合高温（>800°C）高效运行。

缺点：机械强度低，需优化电极/电解质界面。

(3) 对称结构

设计：阴极和阳极采用相同或相似材料（如双钙钛矿结构）。

优点：简化制备工艺，减少热应力。

应用：适用于可逆SOEC/SOFC模式切换。

3. 关键结构参数优化

(1) 电解质厚度与致密性

目标：降低离子迁移阻抗（厚度/电导率）。

优化方法：

采用薄膜制备技术（如磁控溅射、喷雾热解）。

通过烧结工艺（如1400–1500°C，4–6小时）确保无针孔。

(2) 电极孔隙率与微观结构

阴极：梯度孔隙设计（表层高孔隙率利于气体扩散，近电解质层致密化增强三相界面）。引入纳米催化剂（如CeO₂纳米颗粒）提升表面活性。

阳极：多孔骨架中嵌入离子导体（如GDC）形成双相复合结构。

(3) 界面工程

阴极/电解质界面：

添加功能层（如掺杂CeO₂的YSZ过渡层）减少界面电阻。

预烧结处理（如共烧结阴极/电解质）增强结合强度。

阳极/电解质界面：

采用LSCF-GDC复合阳极，避免Sr元素扩散至YSZ导致失活。

4. 电热催化结构增强策略

(1) 催化剂分布设计

表面修饰：在阴极表面喷涂纳米催化剂（如Ni@CeO₂核壳结构），提升H₂O/CO₂吸附与解离效率。

梯度掺杂：沿电极厚度方向梯度掺杂Ce、Co等元素，优化反应路径。

(2) 热管理结构

局部加热设计：在电极中嵌入电阻加热丝（如Pt丝），实现电解区精准控温。

热导层：在电解质背面涂覆高导热材料（如AlN），均匀分布热量。

(3) 微通道流场

阴极流场：设计蛇形或叉指状气体流道，强化H₂O/CO₂传输。

阳极流场：采用多孔泡沫金属（如Ni泡沫）促进O₂排出。

5. 制备工艺流程

电解质制备：干压成型或流延法制备YSZ生坯→高温烧结（1500°C，4小时）。

电极涂覆：丝网印刷/喷涂电极浆料→共烧结（阴极1400°C，阳极1200°C）。

功能层修饰：浸渍法负载纳米催化剂→低温退火（500°C，2小时）。

组装与密封：玻璃密封胶或云母片密封→铂网电流收集器焊接。

6. 结构表征方法

微观结构：SEM观察孔隙分布，TEM分析催化剂分散度。

界面结合：EDS线扫描检测元素扩散，XRD验证相纯度。

电化学性能：EIS拟合界面阻抗，IV曲线评估电解效率。

7. 典型结构设计案例

案例：NiCeO₂/YSZ//LSCF梯度结构SOEC

电解质：20 μm YSZ薄膜（磁控溅射沉积）。

阴极：底层：NiYSZ（50 μm，孔隙率35%）；表层：CeO₂纳米颗粒修饰层（5 μm，孔隙率50%）。

阳极：LSCFGDC复合层（30 μm，孔隙率25%）。

优势：高活性界面+低热应力，800°C下电流密度可达1.2 A/cm²（1.5V）。

8. 常见问题与解决方案

通过上述结构设计，可显著提升SOEC的电热催化效率与长期稳定性。实际设计中需结合具体材料体系（如质子导体SOEC）和操作条件（温度、气体组成）进一步优化参数。