DOI: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2026.109091
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Kandela Ruiz وآخرون
الموضوع الرئيسي: التقدم في خلايا الوقود من أكسيد الصلب
نظرة عامة
لقد زاد الانتقال إلى انبعاثات صفرية صافي من الاهتمام بتقنية خلايا الأكسيد الصلب (SOC) لإنتاج الهيدروجين الأخضر، لا سيما في القطاعات التي يصعب تقليل انبعاثاتها. تعمل خلايا SOC بكفاءة عند درجات حرارة عالية (650-800 °م) ويمكن أن تعمل بشكل عكسي لكل من توليد الهيدروجين وإنتاج الطاقة. تناقش هذه المراجعة الحالة الحالية لتقنية SOC، بما في ذلك خصائص مكونات الخلايا، والتكوينات المتاحة، وتصاميم المكدسات، وهندسة الأنظمة. على الرغم من أن العديد من النماذج التجريبية قد حققت مستويات جاهزية تقنية تتراوح بين 7-8، إلا أن عملية التسويق لا تزال في مراحلها المبكرة. تم تحديد التحديات الرئيسية مثل نضج سلسلة التوريد والتوحيد القياسي للتنفيذ على نطاق واسع، إلى جانب الحلول الناشئة التي يمكن أن تسهل النشر.
لقد حسنت التطورات الأخيرة من أداء ومتانة تقنية SOC، مع وجود سوق متزايد يقدم خيارات متنوعة للمواد الأولية، والخلايا، والمكدسات، والأنظمة. تسلط المراجعة الضوء على النتائج الحرجة، بما في ذلك الحاجة إلى تحقيق توازن بين الأداء، والاستقرار، والتكلفة، والمتانة في اختيار مواد الخلايا، فضلاً عن أهمية تقليل درجات حرارة التشغيل والاعتماد على المواد الخام الحرجة (CRMs). تشمل الخلايا التجارية الحالية كلاً من خلايا الأكسيد الصلب المتقدمة (ASCs) وخلايا الأكسيد الصلب الكهروكيميائية (ESCs)، كل منها مُحسّن لتطبيقات محددة. تتوقع المراجعة استمرار البحث الذي يركز على تقليل التكاليف وتحسين الأداء في مكونات المكدسات والأنظمة، مع نمو السوق المدفوع بالتطورات في المرونة والكفاءة. من المتوقع أن تعزز الجهود التعاونية بين الصناعة والأوساط الأكاديمية والجهات المعنية العامة والخاصة، المدعومة بالتمويل العام والشراكات الاستراتيجية، سلسلة توريد SOC وتسريع تطوير التكنولوجيا ونشرها.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للهيدروجين الأخضر في تحقيق انبعاثات غازات الدفيئة صفرية صافي، لا سيما من خلال إنتاجه عبر التحليل الكهربائي للماء المدعوم بمصادر الطاقة المتجددة. يتم وضع الهيدروجين الأخضر كبديل قابل للتطبيق للهيدروجين الرمادي في صناعات مثل الحديد والصلب والكيماويات، ويمكن أن تقلل مشتقاته بشكل كبير من انبعاثات الكربون في القطاعات الصعبة مثل البتروكيماويات والطيران. تؤكد الدفع العالمي نحو إنتاج الهيدروجين الأخضر، الذي تجسده هدف المفوضية الأوروبية بإنشاء 40 جيجاوات من المحللات الكهربائية الهيدروجينية المتجددة بحلول عام 2030، على الحاجة الملحة لتقنيات المحللات الكهربائية المتقدمة.
تم تحديد تقنية خلايا الأكسيد الصلب (SOC) كمرشح رائد بسبب كفاءتها العالية واستهلاكها المنخفض للطاقة مقارنة بأساليب التحليل الكهربائي التقليدية. تعمل خلايا SOC عند درجات حرارة مرتفعة (650-800 °م)، مما يعزز من حركية التفاعل ويسمح بالتشغيل العكسي في كل من وضع التحليل الكهربائي (SOEC) ووضع خلايا الوقود (SOFC). تؤكد المقدمة على أهمية تحسين توازن مكونات المصنع (BoP) لتحسين كفاءة النظام الكلية، وتقليل التكاليف، وتعزيز تنافسية تقنية SOC. على الرغم من التقدم الكبير في المواد والأداء، لا تزال تقنية SOC في مراحلها المبكرة من التسويق، مع استمرار التطورات التي تهدف إلى معالجة التحديات المتعلقة بالتكلفة، والمتانة، والمرونة التشغيلية. تهدف الدراسة إلى تقديم نظرة شاملة على المشهد التجاري الحالي لتقنية SOC، بما في ذلك المواد المتاحة، وتكوينات الخلايا، والاتجاهات الناشئة.
طرق
في قسم الطرق من ورقة البحث، يؤكد المؤلفون على الأهمية الحاسمة لاختيار المواد الأولية المناسبة لكل طبقة من خلايا الأكسيد الصلب (SOCs) لتعزيز الأداء والكفاءة. يجب أن تمتلك الإلكتروليتات موصلية عالية لأيونات الأكسجين (≥ 0.1 S⋅cm⁻¹) عند درجات حرارة مرتفعة (600-1000 °م) مع الحفاظ على موصلية إلكترونية منخفضة لمنع التسرب، الذي يمكن أن يقلل من جهد الدائرة المفتوحة (OCV). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تظهر المواد استقرارًا كيميائيًا وحراريًا وميكانيكيًا قويًا لتحمل ظروف التشغيل القاسية والدورات الحرارية، مما يقلل من التدهور والمشاكل الهيكلية. من ناحية أخرى، تتطلب الأقطاب موصلية أيونية وإلكترونية عالية (≥ 100 S⋅cm⁻¹) لتسهيل نقل الشحنات ويجب أن تحافظ على بنية ميكروية مسامية لتحسين انتشار الغاز وكثافة المواقع النشطة عند حدود الطور الثلاثي (TPBs). التوافق بين جميع الطبقات أمر ضروري لمنع التفاعلات الواجهة والضغوط الميكانيكية التي قد تؤدي إلى تدهور الأداء.
تناقش هذه القسم أيضًا دور مواد الإغلاق في مكدسات SOC، والتي يجب أن توفر حواجز محكمة الغاز وعازلة كهربائيًا لمنع خلط الغازات الخطرة والدوائر القصيرة الكهربائية. يجب أن تتمتع المواد اللاصقة بقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة للزحف، ومقاومة كهربائية (>2 kΩ⋅cm) لتحمل بيئة SOC الصعبة. تم تحديد استراتيجيتين رئيسيتين للإغلاق: المواد اللاصقة القائمة على الزجاج، التي تقدم إحكامًا عاليًا واستقرارًا عند درجات حرارة مرتفعة، والمواد اللاصقة الضاغطة، التي تكون أكثر مرونة وأسهل في التطبيق ولكن قد تكون محدودة في الأشكال الهندسية المعقدة. يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من تفضيل المواد اللاصقة القائمة على الزجاج لقدراتها الفائقة في الإغلاق، فإن التحديات المستمرة في أداء الإغلاق تسلط الضوء على الحاجة إلى تحسين المواد والتراكيب الحالية المخصصة لتصاميم المكدسات وظروف التشغيل المحددة.
نقاش
في نقاش مواد الأقطاب الهوائية لخلايا الأكسيد الصلب (SOCs)، يتم تسليط الضوء على أكاسيد من نوع البيروفيسكايت (ABO₃) لنشاطها التحفيزي العالي في تفاعلات تطور الأكسجين والاختزال، المنسوبة إلى فراغات الأكسجين في الشبكة. لقد كانت La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ (LSM) مادة رائدة بسبب استقرارها الحراري الكيميائي وموصلية الإلكترونية، على الرغم من أنها غالبًا ما تقترن بموصلات أيونية مثل زركونيا المدعومة باليتريا (YSZ) لتعزيز الأداء. لقد حولت التطورات الأخيرة التركيز نحو الموصلات الأيونية والإلكترونية المختلطة (MIECs) مثل LSCF وBSCF، التي تظهر موصلية أيونية وكثافة مواقع نشطة كهربائية متفوقة مقارنة بـ LSM. إن توافق هذه الأقطاب مع الإلكتروليتات أمر حاسم لاستقرار التشغيل، مما يتطلب طبقات حواجز لتخفيف التفاعلات الضارة على الواجهة.
تؤكد الاتجاهات الناشئة في تطوير مواد SOC على تقليل درجات حرارة التشغيل (500-700 °م) لتعزيز المتانة والاستدامة مع تقليل الاعتماد على المواد الخام الحرجة. يتم استكشاف البيروفيسكايت المزدوج المرتب من نوع A والأكاسيد الخالية من الكوبالت كبدائل للمواد التقليدية المحتوية على الكوبالت، حيث تظهر خصائص كهربائية تحفيزية واعدة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأقطاب النانوية المركبة تحسينات في الأداء والاستقرار الهيكلي، على الرغم من أن التحديات مثل تلبيد الجسيمات النانوية وقابلية تصنيعها على نطاق واسع لا تزال قائمة. بالنسبة للإلكتروليتات، تُستخدم مواد قائمة على ZrO₂ مثل YSZ وScSZ بشكل شائع، مع استمرار البحث في هياكل السيراميك المدعومة لتحسين الموصلية الأيونية وتقليل درجات حرارة التشغيل. كما أن تطوير تصاميم ثنائية للإلكتروليتات وأقطاب وقود خالية من النيكل يكتسب أيضًا زخمًا، بهدف معالجة قيود المواد الحالية مع الحفاظ على الأداء والجدوى الاقتصادية في تطبيقات SOC.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2026.109091
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Kandela Ruiz et al.
Primary Topic: Advancements in Solid Oxide Fuel Cells
Overview
The transition to net-zero emissions has heightened interest in solid oxide cell (SOC) technology for green hydrogen production, particularly in hard-to-abate sectors. SOC operates efficiently at high temperatures (650-800 °C) and can function reversibly for both hydrogen generation and power production. This review discusses the current state of SOC technology, including the properties of cell components, available configurations, stack designs, and system architectures. Despite several demonstrators achieving technology readiness levels of 7-8, commercialization is still in its early stages. Key challenges such as supply chain maturity and standardization for large-scale implementation are identified, alongside emerging solutions that could facilitate deployment.
Recent advancements have improved the performance and durability of SOC technology, with a growing market offering diverse options for starting materials, cells, stacks, and systems. The review highlights critical findings, including the need to balance performance, stability, cost, and durability in cell material selection, as well as the importance of reducing operating temperatures and reliance on critical raw materials (CRMs). Current commercial cells include both advanced solid oxide cells (ASCs) and electrochemical solid oxide cells (ESCs), each optimized for specific applications. The review anticipates continued research focused on cost reduction and performance optimization in stack components and systems, with market growth driven by advancements in flexibility and efficiency. Collaborative efforts among industry, academia, and public/private stakeholders, supported by public funding and strategic partnerships, are expected to enhance the SOC supply chain and accelerate the technology’s development and deployment.
Introduction
The introduction highlights the critical role of green hydrogen in achieving net-zero greenhouse gas emissions, particularly through its production via water electrolysis powered by renewable energy sources. Green hydrogen is positioned as a viable alternative to grey hydrogen in industries such as iron, steel, and chemicals, and its derivatives can significantly reduce carbon emissions in challenging sectors like petrochemicals and aviation. The global push for green hydrogen production, exemplified by the European Commission’s goal of 40 GW of renewable hydrogen electrolyzers by 2030, underscores the urgent need for advanced electrolyzer technologies.
Solid oxide cell (SOC) technology is identified as a leading contender due to its high efficiency and lower energy consumption compared to traditional electrolysis methods. SOCs operate at elevated temperatures (650-800 °C), enhancing reaction kinetics and allowing for reversible operation in both electrolysis (SOEC) and fuel cell (SOFC) modes. The introduction emphasizes the importance of optimizing balance of plant (BoP) components to improve overall system efficiency, reduce costs, and enhance the competitiveness of SOC technology. Despite significant advancements in materials and performance, SOC technology remains in early commercialization stages, with ongoing developments aimed at addressing challenges related to cost, durability, and operational flexibility. The study aims to provide a comprehensive overview of the current commercial landscape of SOC technology, including available materials, cell configurations, and emerging trends.
Methods
In the methods section of the research paper, the authors emphasize the critical importance of selecting appropriate starting materials for each layer of solid oxide cells (SOCs) to enhance performance and efficiency. The electrolytes must possess high oxygen-ion conductivity (≥ 0.1 S⋅cm⁻¹) at elevated temperatures (600-1000 °C) while maintaining low electronic conductivity to prevent leakage, which can diminish the open circuit voltage (OCV). Additionally, the materials must exhibit robust chemical, thermal, and thermomechanical stability to endure harsh operating conditions and thermal cycling, thereby minimizing degradation and structural issues. Conversely, electrodes require both high ionic and electronic conductivity (≥ 100 S⋅cm⁻¹) to facilitate charge transfer and must maintain a porous microstructure to optimize gas diffusion and active site density at the triple-phase boundaries (TPBs). Compatibility among all layers is essential to prevent interfacial reactions and mechanical stresses that could lead to performance degradation.
The section also discusses the role of sealing materials in SOC stacks, which must provide gas-tight and electrically insulating barriers to prevent hazardous gas mixing and electrical short circuits. Sealants are required to have high mechanical strength, creep resistance, and electrical resistivity (>2 kΩ⋅cm) to withstand the demanding SOC environment. Two primary sealing strategies are identified: glass-based sealants, which offer high hermeticity and stability at high temperatures, and compressive sealants, which are more flexible and easier to apply but may be limited in complex geometries. The authors note that while glass-based sealants are preferred for their superior sealing capabilities, ongoing challenges in sealing performance highlight the need for optimizing existing materials and compositions tailored to specific stack designs and operational conditions.
Discussion
In the discussion of air electrode materials for solid oxide cells (SOCs), perovskite-type oxides (ABO₃) are highlighted for their high catalytic activity in oxygen evolution and reduction reactions, attributed to their lattice oxygen vacancies. La₁₋ₓSrₓMnO₃₋δ (LSM) has been a leading material due to its thermochemical stability and electronic conductivity, although it is often paired with ionic conductors like yttria-stabilized zirconia (YSZ) to enhance performance. Recent advancements have shifted focus towards mixed ionic and electronic conductors (MIECs) such as LSCF and BSCF, which exhibit superior ionic conductivity and electroactive site density compared to LSM. The compatibility of these electrodes with electrolytes is crucial for operational stability, necessitating barrier layers to mitigate detrimental interfacial reactions.
Emerging trends in SOC materials development emphasize reducing operating temperatures (500-700 °C) to enhance durability and sustainability while minimizing reliance on critical raw materials. A-site ordered double perovskites and Co-free oxides are being explored as alternatives to traditional cobalt-containing materials, showing promising electrocatalytic properties. Additionally, nanocomposite electrodes have demonstrated improved performance and structural stability, although challenges such as nanoparticle sintering and manufacturing scalability remain. For electrolytes, ZrO₂-based materials like YSZ and ScSZ are commonly used, with ongoing research into doped ceria and perovskite structures to enhance ionic conductivity and reduce operational temperatures. The development of dual electrolyte designs and alternative nickel-free fuel electrodes is also gaining traction, aiming to address the limitations of current materials while maintaining performance and cost-effectiveness in SOC applications.