综述：面向氢基和多燃料能源系统的可逆固体氧化物电池技术综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review of reversible solid oxide cell technologies for hydrogen-based and multi-fuel energy systems

　　

全球脱碳目标和间歇性可再生能源渗透率的提高，加大了对高效能源转换和存储技术的需求。可逆固体氧化物电池（rSOC）正成为一种有前景的电化学技术，能够在单一设备中灵活地在发电和燃料生产之间运行。通过结合固体氧化物燃料电池和电解池的功能，rSOC实现了高电效率、燃料灵活性以及无需贵金属即可运行。本综述及时总结了rSOC研究的最新进展，涵盖了建模和实验工作，涵盖了从基础热力学性质、电池材料和燃料到系统设计和集成路径的发展。讨论了运行原理和系统级考虑因素，包括辅助设备（BoP）优化、与可再生能源和辅助子系统的耦合以及热能管理。综述了建模、?分析和优化方法，以及瞬态运行、控制策略和影响长期耐久性的降解机制。为确保长期运行和经济可行性，需要在材料、热管理和系统集成方面进行协调创新。总体而言，通过提供rSOC系统配置和集成方案的结构化分类，本综述为研究人员、工程师和行业利益相关者在评估设计选项、评估部署可行性和推进商业化努力方面提供了宝贵资源。所提出的见解为实现可扩展的解决方案提供了基本指导，这些方案能够实现高效、灵活和碳中和的能源系统。

**1. 引言**

几十年来，全球能源格局一直以碳密集型、集中式的化石燃料系统为主，这些传统能源在2024年仍占能源总供应量的约80%。这种持续依赖引发了环境、能源安全和资源枯竭等紧迫问题，促使向可持续替代方案转型，包括可再生能源（RES）和先进的能源存储与转换技术。然而，RES并入现有电力系统带来了新挑战，因其不可调度特性。同时，电力需求持续波动，难以维持供需平衡。这种不匹配凸显了对灵活能源转换和存储解决方案的需求，以有效适应可再生能源的波动性。为应对这些挑战，已开发了多种能源转换和存储技术，包括抽水蓄能、压缩空气储能和电池系统，主要用于季节性存储和电网平衡。然而，这些成熟技术面临地理限制、可扩展性挑战和经济因素的部署约束。在此背景下，电化学能源转换设备如燃料电池和电解槽因其绕过了中间燃烧或机械转换步骤而成为高效且可扩展的替代方案。其中，固体氧化物电池（SOC）因其高温运行和全固态设计而脱颖而出，实现了更高的燃料灵活性和系统效率。高温运行相比低温替代方案具有多项优势，包括更快的反应动力学、减少对稀缺贵金属的依赖，以及利用余热提升整体性能的潜力。对于固体氧化物燃料电池（SOFC），这使其能够直接利用实际烃类燃料而无需复杂的外部重整，相比燃烧技术具有更好的环境性能，并具备利用高质量废热进行热电联产的潜力。对于固体氧化物电解池（SOEC），高温运行通过利用废热实现高效的电化学能转换，从而在大规模氢气和合成气生产以及下游化学合成集成方面具有明显优势。基于这些优势，可逆固体氧化物电池（rSOC）系统因其在同一设备中兼具燃料电池和电解槽功能而日益受到关注。在这种双模式配置中，rSOC在燃料电池模式下从氢气或含碳燃料发电和产热，而在电解模式下将电能和废热转化为氢气和/或合成气，并可扩展至其他化学原料。这种多功能性使氢气既可作为即时能源使用的清洁燃料，也可作为用于存储或转化为合成载体（如甲烷、甲醇或氨）的高价值产品，通过电转X（power-to-X）途径实现。rSOC的双重功能相比传统存储技术具有明显优势，包括系统规模的灵活性、发电与存储容量解耦的可能性，以及适应与多样化RES和工业过程集成的能力。此外，两种模式下共用辅助设备（BoP）组件可降低系统成本，而SOFC和SOEC之间的顺序循环已被证明可延长使用寿命。高温运行还最小化了对稀缺贵金属的依赖，因为镍基催化剂已足够，并实现了烃类的直接重整。在过去的十年中，rSOC作为一种有前景的可再生能源集成和长期能源存储解决方案，吸引了研究机构、行业利益相关者和政策制定者的日益关注。这种兴趣源于其在实现灵活、高效和跨部门耦合能源系统方面的潜在作用。全球间歇性可再生能源的加速部署进一步凸显了开发稳健、高效转换和存储技术的紧迫性，rSOC被认为是能够连接电力转换和存储的候选技术之一。因此，该领域的研究和开发工作显著增长，在材料设计、电堆架构、系统配置和运行策略方面取得了显著进展。同时，技术经济研究和中试规模示范已开始阐明该技术在真实运行环境中的机遇和局限性。尽管如此，不断扩大的文献仍分散在多个领域，使得科学界难以全面了解该技术的当前状态。本综述旨在通过提供基于rSOC系统的最新进展的可靠和批判性综合，特别是多部门集成、性能评估和运行管理方面的综述，来填补这一空白。各行业对氢气和其他多燃料利用途径日益增长的兴趣，加上制造成本下降和强化政策倡议，突显了rSOC技术在持续研发工作中的及时性和战略重要性。为充分实现这一潜力并指导战略部署决策，本文提供了基于rSOC的系统配置和集成方案的方法论和详细分类，以协助研究人员、行业从业者和政策制定者评估该技术在电力转换和存储、多部门耦合以及能源系统脱碳方面的潜力。通过这样做，该综述提供了关于rSOC技术原理、功能协同和商业准备程度的关键见解，将其定位为向可持续能源未来过渡的关键推动者。本综述的其余部分组织如下：第2节介绍了rSOC单元的基本方面，包括运行原理、热力学和电化学基础、燃料途径、材料和电堆配置。第3节将视角扩展到系统级设计和集成，涵盖BoP要求和热管理策略、燃料利用和生成途径，以及与可再生能源和传统能源系统的耦合。第4节综述了应用于基于rSOC的能源系统的建模方法、基于?的性能评估和优化框架。第5节讨论了瞬态运行、控制策略和影响耐久性和长期性能的降解机制。最后，第6节综合了最新技术，确定了关键技术挑战和研究空白，并概述了rSOC部署的未来发展方向。

**2. rSOC单元的基础**

以下各节概述了分析和设计rSOC系统的基础，包括其运行原理、热力学和电化学、燃料选项、材料和电堆配置选择。

**2.1 运行原理**

可逆固体氧化物电池是全固态电化学转换装置，具有三明治结构，由两个多孔电极夹着一个致密电解质组成。rSOC的基本运行依赖于通过电解质的有效离子传导机制，这决定了两种主要类型：氧离子传导可逆固体氧化物电池（O-rSOC）和质子传导可逆固体氧化物电池（H-rSOC）。电化学反应发生在电解质、气体和电连接催化剂区域这三个重要相接触的特定位置，即三相界面（TPB）。由于燃料电池和电解模式之间的氧化和还原反应逆转，使用“燃料电极”和“空气电极”而不是阳极和阴极。O-rSOC利用氧离子传导电解质，促进氧离子通过致密电解质层的传输。图1a和b说明了O-rSOC在SOFC和SOEC模式下使用H₂/H₂O作为主要反应物的工作原理。在燃料电池模式下，氢气在燃料电极上被催化氧化，释放出电子通过外部电路流向空气电极，同时产生电功率输出。同时，氧分子在空气电极上被还原为氧离子。这些氧离子在氧化学势梯度驱动下通过电解质迁移到燃料电极，与氢气反应生成水蒸气。放热电化学反应产生热能和电能作为副产品。在电解模式下，反向过程由电能输入驱动以实现水分解反应，而热能可被供应以减少所需电能。当施加足够的外部电源电势时，燃料电极处的水蒸气被电化学还原为氢气和氧离子。生成的氢气扩散出燃料电极，而氧离子通过电解质迁移到空气电极，在那里被氧化形成氧分子并释放电子。高温运行降低了电解所需的最小电能，尽管在热量不足的情况下，可能需要额外的电能来补偿。H-rSOC的工作原理与O-rSOC基本相似，主要区别在于其电解质能够传导氢离子而不是氧离子（图1c和d）。基于氧离子导体的SOC是工业应用中最成熟的技术，尽管它们面临高活化能需求的限制。质子传导SOC有望在较低运行温度下运行，但目前存在化学稳定性问题和未成熟的电堆制造技术，限制了商业可行性。然而，最近的研究表明在效率和稳定性方面有显著改进，表明质子传导电化学电池可能克服其早期许多限制。

**2.2 热力学和电化学**

电化学能量转换装置的热力学行为可用吉布斯自由能关系描述，该关系遵循热力学第一和第二定律。对于理想可逆过程，ΔG = ΔH - TΔS，其中T为温度，G、H、S分别表示吉布斯自由能、焓和熵。ΔG表示燃料电池模式下可获得的最大电功，或电解模式下所需的最小电功。反应的热力学有利性由ΔG的符号决定，正值表示非自发过程，零值表示平衡条件，负值表示自发反应。TΔS表示与熵变相关的热贡献，对应于可逆过程中交换的热量，指示热量是被吸收（ΔS>0）还是释放（ΔS<0）。ΔH量化过程的焓变。驱动电化学反应所需的最小热力学电压（E_T^N）由能斯特方程给出。能斯特电压（也称为可逆电压或开路电压）取决于温度和反应物分压，因此适用于任意运行条件。标准状态开路电压（E_T⁰）对应于参考条件并定义。运行电池电压对于每种模式表示为V_rSOC = E_T^N ± (V_act + V_ohm + V_conc)，过电位包括活化损失（V_act）来自反应动力学、欧姆损失（V_ohm）来自离子和电子传导，以及浓度损失（V_conc）来自传质限制。热中性电压（E_TN）是一个热力学量，定义为对应于电化学反应焓变的电压。在电解背景下，热中性电压代表一个完美绝缘的电解槽在无净热流入或流出时运行的最小电压。在燃料电池中，它作为计算热释放的重要参考，因为反应焓输入与电功率输出之间的差值必须作为热耗散。注意，式（3）和式（5）中采用的符号约定是针对代表燃料电池运行（如水的形成）的固定参考反应定义的。图2显示了典型的电流-电压特性，概述了产生或消耗热量的运行区域。在SOFC模式下，所有电流密度下均发生净热生成，因为放热反应释放的能量超过从电堆提取的电功率。因此，热生成对应于电池电压低于热中性电压（V_SOFC < E_TN）。在SOEC运行期间，可逆电压代表电解所需的最小电功，而热中性电压对应于反应的总焓需求。这些量之间的差异定义了该过程的热能需求。当运行电压低于热中性电压时，必须提供外部热量以满足焓需求。当运行电压超过热中性电压时，多余的电输入以热形式耗散。因此，在SOEC模式下，可逆电压和热中性条件之间的能量间隙总是通过电和热输入的组合来平衡，以满足总反应焓。

**2.3 燃料**

除了传统的用于制氢的水电解外，rSOC还可以利用各种其他燃料和原料。例如，这些系统可以进行CO₂电解产生一氧化碳，或共电解CO₂和H₂O生成合成气，甚至产生甲烷和乙烷等烃类。此外，rSOC可用于氨合成过程，以及轻质烷烃脱氢，如将乙烷转化为乙烯。从这些反应的热力学分析中得出的一个重要见解是，电功（ΔG）和热能（TΔS）之间的分配随温度由反应熵变（ΔS）控制，而ΔS直接与气态摩尔数的净变化相关。增加气态物种数量的反应表现出正ΔS，随着温度升高，能量需求从电功向热能转移，而减少气态摩尔数的反应则表现出负ΔS和相反趋势。图3显示了这些趋势，可通过基本热力学关系ΔG = ΔH - TΔS解释。虽然反应焓在考虑的温度范围内对温度依赖性较弱，但电能需求ΔG和热贡献TΔS由每个反应的熵变ΔS控制。因此，ΔS的符号和大小决定了温度升高是否将总能需求从电功转移到热输入，反之亦然。对于气态摩尔数增加的反应，如H₂O电解、CO₂电解、共电解生成合成气和乙烷脱氢，熵变为正。温度升高导致所需电功（ΔG）系统降低，同时热需求（TΔS）相应增加。这种行为使高温运行在这些过程中热经济上有利，因为更大比例的能量需求可以以热的形式供应，热通常成本较低，并可来自废热或基于rSOC的系统内部过程集成。相反，以气态摩尔数减少为特征的反应表现出负熵变。该组包括由CO₂和H₂O共电解生成乙烷和氨合成途径。在这些情况下，温度升高增加了电功需求（ΔG），而热贡献（TΔS）减少。从纯热力学角度来看，此类反应因此在更高温度下不利，因为能量需求向电功的转移削弱了高温电解的关键优势之一。对于CO₂-H₂O共电解生成乙烷的反应，这种效应尤为明显，其中ΔG和TΔS随温度的差异显著，表明较低温度运行将是热力学最优的。气态摩尔数无净变化的反应表现出接近零的熵变，导致ΔG和TΔS的温度依赖性最小。通过CO₂-H₂O共电解的甲烷合成属于此类，解释了为什么高温运行对此途径不提供热力学优势。对于此类反应，运行温度可基于动力学考虑、催化剂性能或系统级集成约束而非热力学驱动力来选择。最后，应注意，虽然图3突出了热力学趋势，但实际实施通常需要升高的温度以克服动力学限制。例如，氨合成在热力学上在低温下有利，但需要高温以克服N₂键的缓慢解离动力学。

**2.4 材料**

材料开发是推进rSOC的基础，因为电池的电化学性能和长期稳定性主要由其性质决定。电解质主要依赖萤石结构的氧化锆基氧化物，如YSZ，它结合了机械强度和电化学稳定性，但其在中温下离子传输的高活化能需要探索替代品。替代电解质如掺杂氧化铈和钙钛矿型LSGM的最新进展已显示出在中温下更高的离子电导率。然而，掺杂氧化铈在还原气氛下表现出电子泄漏，而LSGM在SOEC模式下因镓还原和在高负过电位下挥发而遭受化学不稳定性。一个有前景的途径是开发多层电解质，将YSZ与氧化铈基中间层结合以平衡稳定性和电导率，而掺杂的锆酸钡和铈酸盐在质子传导rSOC中因其在中温下的有利传导机制而受到关注。同时，计算发现快速间隙氧导体的进展进一步表明，具有优异传输性能的新型电解质家族可能加速低温范围内的进展。研究也在探索双离子传导电解质的混合策略，旨在平衡质子和氧离子传输，同时提高运行条件下的化学稳定性。在燃料电极方面，Ni-YSZ金属陶瓷仍是最广泛使用的材料，提供对H₂/H₂O和CO/CO₂反应的高催化活性、高电子电导率和低成本。尽管有这些优点，Ni-YSZ面临重大运行挑战，这些挑战促使了对替代材料的大量努力。主要限制是其对氧化还原循环的敏感性，这源于Ni氧化时发生的显著体积膨胀，导致机械应力，使电极伸长并使电解质开裂和分层。此外，Ni在暴露于烃类或富CO₂气氛时催化形成扩展碳结构，导致通过焦化使催化剂失活，其中活性催化位点被烃类分解过程中形成的碳材料阻塞。Ni-YSZ在烃类环境中的催化活性也受到硫中毒效应的阻碍，其中杂质阻塞三相界面，导致极化电阻增加。这些机制在可逆运行下尤其成问题，因为电极必须在燃料电池和电解模式下保持稳定性。为应对这些挑战，已提出几种下一代SOC燃料电极的替代材料，主要通过引入具有混合离子电子导电性（MIEC）、良好催化活性和氧化还原稳定性的单相陶瓷材料。MIEC使氧离子和电子同时传输，促进物种交换，并通过将电化学反应区域扩展到整个电极体来消除对TPB的依赖。改善Ni/YSZ燃料电极性能和耐久性的一个有前景的方法是浸渍CeO₂或掺杂氧化铈（CGO，Gd掺杂氧化铈）作为附加催化剂。在这种配置中，Ni提供电子导电性的必要网络，而电化学反应扩展到氧化铈表面，从而在短期和长期运行中改善电极性能。关注Ni的固有性质，已采用与贱金属合金化以增强催化稳定性并抑制碳形成，而溶出钙钛矿和氧化铈-钙钛矿复合材料提供了无Ni或Ni最小化的替代品，具有扩展的活性位点和改进的耐久性。Ni合金化也可解决由氨的直接电化学氧化引起的金属氮化物形成问题，而添加Fe和Co作为合金已被证明可降低CO₂和H₂O还原反应的活化能垒。钙钛矿家族材料提供了优于Ni-YSZ的几个固有优势，如高离子电导率、与氧化物电解质的良好化学相容性、无需预先还原，以及在还原环境下体积变化最小，从而增强长期稳定性。然而，与金属基催化剂相比，这些材料仍面临挑战，包括较低的电子电导率和减小的表面积，可能导致较低的整体电化学性能，特别是在直接使用烃类或氨的情况下。在空气（氧）电极方面，从经典LSM向MIEC导体如LSCF的转变已被报道可减少极化损失并增加电化学活性位点。钙钛矿家族的进一步改进，包括Ruddlesden-Popper钙钛矿，正在成为高性能电催化剂，因为其在高温和低温范围内的结构和组成功能。此外，为解决缓慢的电催化氧反应，已开发了由Ta稳定的钡钴钙钛矿氧化物组成的通用氧电极，适用于氧离子和质子传导电池，用于电力和氢气生产。上述讨论主要涉及O-SOC，因为这些系统在电堆开发、长期测试和商业采用方面相对更成熟。H-SOC仍处于技术发展的早期阶段，并在空气电极处表现出独特的约束，其中强氧化环境排除了金属电催化剂（如Ni）的使用，因为它们对氧化降解具有显著敏感性。因此，H-SOC空气电极的早期材料策略集中在氧化还原稳定的氧化物系统上，包括将铈酸盐-锆酸盐质子传导电解质与最初为O-SOC开发的MIEC氧化物结合的复合材料。尽管如此，与质子传导相关的基本差异引入了对电解质组成、电极结构、反应途径和电催化剂设计的不同要求，这些并不总是可直接从O-SOC技术转移。对两种电池类型的电催化材料进行扩展和机理分析超出了本综述的范围，本综述主要关注电堆和系统级的基于rSOC的系统。表1总结了氧离子传导（O-SOC）和质子传导（H-SOC）技术在其离子传输机制和运行环境方面的基本材料差异。O-SOC的较高运行温度由萤石电解质如YSZ中氧离子传输的活化能决定，这也使得使用具有高催化活性和电子电导率的Ni基金属陶瓷燃料电极成为可能。相比之下，H-SOC采用质子传导的铈酸盐-锆酸盐电解质，在中温（400-600°C）下实现更高的离子电导率，实现较低温度运行，但施加了更严格的化学稳定性要求，特别是在氧化条件下空气电极处。这些基本的传输和热化学差异解释了两项技术的不同材料选择和成熟度水平，并突出了质子传导电极稳定性和电堆制造方面的当前研究空白。

**2.5 配置**

根据电堆设计，rSOC可分为平面型、管型、平板管型和整体型（图4）。平面型因其简化的电池生产和电堆组装过程以及相对较低的制造成本而最为广泛采用。从电化学角度看，平面电堆可实现紧凑的电池封装和电流路径，减少互联相关欧姆损失，并实现高体积功率密度。然而，其热机械鲁棒性受限于运行循环期间电解质与支撑结构之间的热膨胀系数不匹配，导致边缘密封挑战和潜在气体泄漏。管型通过其圆柱形几何形状固有地增强了热机械耐久性。没有尖锐边缘和连续曲率使得热诱导应力分布更均匀，从而减少热循环和负载瞬变期间的应力集中。然而，由于沿管周长的电流路径延长，增加了欧姆电阻和内损，这种类型表现出比平面配置更低的体积功率密度。平板管型代表了一种混合设计，结合了平面和管型结构的优点，提供比管型更高的体积功率密度，同时保持对热应力的强抵抗力。整体型通过将电池支撑、气体通道和互联集成到单层中，减少了电堆高度并增加了体积密度和比电堆功率。然而，这种设计制造复杂，尚未准备好进行商业采用。无论其配置类型如何，结构完整性和运行便利性需要至少一个机械稳健的组件用于支撑，推动了专用支撑架构的使用。在单电池配置方面，rSOC可分为自支撑或外部支撑。自支撑配置利用电池组件之一作为机械支撑，导致电解质支撑、空气电极支撑和燃料电极支撑设计。在外部支撑配置中，电池组件作为薄层沉积在互联或多孔基底上。表2提供了这些配置的比较示意图和特征说明。

**3. 基于rSOC的能源系统的设计和集成选项**

基于rSOC的能源系统的设计和集成取决于几个关键因素，这些因素决定了其性能和整体可行性。以下小节讨论了BoP和热管理考虑因素，以及燃料利用和生成。

**3.1 辅助设备和热能管理**

BoP包括所有支持核心rSOC电堆运行的辅助组件和子系统，包括热绝缘、管道、泵、换热器、热回收单元、重整反应器和控制系统。rSOC的双向运行需要精心设计的BoP，能够适应交替的放热和吸热过程，同时为电解和燃料电池模式维持最佳热条件。因此，有效的热管理仍然是实现rSOC系统高效率和长期耐久性的关键挑战。为应对这一挑战而开发的策略可大致分为两类。第一类涉及被动热管理方法，通过BoP设计和反应化学实现热平衡。这些包括系统级集成和热回收，其中rSOC与外部组件如热和/或热化学储能耦合，以及电堆内反应化学，通过操纵内部化学反应维持热平衡。图6b说明了潜在的热回收互联选项。冷凝器-01可以使用进水流向蒸发器或进入空气流进行冷却，而蒸发器需要来自燃料和空气预热器废气或催化燃烧器的热能。在SOFC模式下，由于燃料电池放热运行且蒸发器不活动，只有空气冷却可行。在SOEC模式下，冷凝器-01和蒸发器都运行，实现内部热回收。燃料侧互联（C1/E3）通过回收废热用于蒸汽产生实现最高系统效率，然而，这种配置需要旁路和额外的冷凝器用于SOFC运行，以防止蒸发器中静止给水意外沸腾。另一种工艺流程图如图5所示，其中系统集成了燃料/空气热和通过相变材料（PCM）的热能存储。在SOEC模式下，空气/燃料混合物通过热回收单元预热，然后从高温（HT）和低温（LT）储罐（ST）吸收额外的热能以达到所需入口温度。放热甲烷化反应有助于蒸发器和过热器单元中的蒸汽产生。在SOFC模式下，出口流中的高品位热能首先被HT-ST捕获，然后被LT-ST捕获，最后热回收单元提取残余能量以预热进入的反应物流。这种级联热管理方法通过将放热过程中的热产生与吸热操作的热需求耦合，最小化外部能量需求并最大化往返效率。Lototskyy等人提出了一个基于rSOC和金属氢化物的冷热电联产（CCHP）系统概念。该系统集成三种类型的金属氢化物床：镁氢化物（MgH₂）床用于氢气和热存储（MHHS）、AB₅型金属间化合物合金床用于氢气压缩（MHHC），以及AB₂型金属间化合物合金床用于热泵运行（MHHP）。在SOEC模式下，多余电力用于低压氢气生产，同时产生高温热。MgH₂床通过放热反应吸收氢气，释放中品位热，支持电解槽运行并驱动下游热管理组件。在SOFC模式下，MgH₂床通过吸热脱氢释放存储的氢气以供应rSOC，而反应由燃料电池产生的热量和燃烧室中未消耗氢气的燃烧平衡。MHHC通过循环加热和冷却提升氢气压力，同时产生热水作为有用副产品。压缩氢气驱动MHHP，通过压力驱动的吸热氢脱氢提供冷水（图6a）。第二类包括主动热管理策略，采用运行控制技术动态调节系统参数，确保在波动条件下的热安全。这包括研究不同负载水平下的热需求以及实施预测控制框架进行实时管理。第5.2节更详细地讨论了这些策略。对于仔细的BoP设计，必须根据过程的功能和预期范围满足多个组件和要求。通常使用电加热器用于系统启动或当没有足够热量时。需要适当的水处理系统以确保足够的纯度水平并防止电堆中毒。空气在到达空气电极前也需要净化和除湿。水和空气过滤器应易于接近以便频繁更换。在空气电极侧，需要空气鼓风机以扫除未反应的O₂并调节电堆温度。燃烧室是另一个重要组件，在SOFC模式下促进未燃烧燃料与空气电极废气的燃烧。该燃烧过程回收来自SOFC出口燃料的未利用能量，用于减少输入侧的负载，从而提高整体效率。需要换热器网络将热量从较热部分转移到需要的位置。专用换热器可用于通过冷却气流来干燥加湿燃料，导致水分凝结成水。冷凝水可部分循环回系统。除水循环外，SOEC模式下产生的一部分燃料可循环回电堆以抵消燃料短缺。压缩机用于将燃料压力从环境压力提升到后续使用所需的水平，而储罐保留处理后的燃料。出于安全原因，采用通风系统以防止气体积累和在燃料泄漏时发生爆炸风险。热电偶和压力传感器分布在整个系统的各个位置，以监测BoP组件的温度和压力。包括AC/DC转换器、质量流量控制器、执行器和极化测量仪器在内的电力电子设备被集成以管理和调节系统运行。表3总结了基于rSOC的能源系统的热管理策略的最新计算研究。

**3.2 燃料利用和生成选项**

rSOC系统相对于其他燃料电池技术的关键优势之一是其能够通过不同的燃料处理策略在多种燃料下运行，这取决于运行模式。在SOFC模式下，各种催化和非催化途径将甲烷和高级烃类重整为合成气或富氢气体，随后被氧化发电。当前rSOC系统的文献已探索了一系列重整过程，包括内部蒸汽重整、外部蒸汽重整、干重整和三重整。在SOEC模式下，系统产生氢气或合成气（通过共电解）作为直接燃料产品，或作为液体燃料合成的原料，包括甲醇、汽油和柴油，使用可再生电力来源。

**3.2.1 氢气**

氢气可通过水分解（电解）、甲醇裂解或氨分解产生。在这些方法中，绿氢代表rSOC技术的一个关键应用领域，因为它能够利用可再生电力进行清洁能源发电。两种运行模式的总反应如式（6）所示。对基于rSOC的电转X转电系统的经济评估比较了使用氢气、合成气、甲烷、甲醇和氨的五种过程链。使用工厂资本支出（CAPEX）目标作为可行性衡量标准，在高可再生能源渗透率和强市场互动条件下，氢气途径表现出最高的经济潜力，其次是合成气和甲烷。甲醇和氨途径仅在考虑化学品产品收入时才可行。在没有市场耦合的情况下，合成气和甲烷因其相对较低的存储成本而保持适度可行性，突显了市场集成对基于氢气的途径的重要性。

**3.2.2 含碳反应物**

许多研究表明，rSOC系统通过中温运行（约600°C）、高压条件（约10 atm）和优化反应物组成，能够实现含碳反应物的高效稳定运行。燃料电池/电解模式下发生的主要反应包括：燃料氧化/废气还原、蒸汽-甲烷重整/甲烷化和水煤气变换/逆变换反应。在SOFC运行期间，电堆内部的直接甲烷重整通过平衡吸热蒸汽-甲烷重整反应与放热燃料氧化反应，同时实现最高电效率，提供了最佳热管理。这种方法通常需要预重整步骤以产生富甲烷燃料流，并仔细管理碳沉积和硫耐受性，两者都会阻塞催化位点导致性能退化。SOFC运行期间的蒸汽-甲烷重整导致出口流中的合成气混合物，可用于合成有用的化学品。在电解模式下，放热甲烷化供应热量给吸热废气还原过程。通过SOEC随后进行甲烷化生产甲烷代表了可再生电力转换和存储的替代途径。在图8a-c中，该过程涉及蒸汽和二氧化碳的共电解以生成合成气（H₂/CO），然后在后续热化学反应器（MR）中进行甲烷化。产生的甲烷可压缩并在SOFC运行期间通过（i）直接（图8a）和（ii）间接（图8b）内部蒸汽-甲烷重整在rSOC电堆本身的燃料电极内，以及（iii）外部重整在单独的外部重整器（图8c）中利用。Reznicek和Braun表明，与天然气基础设施集成的中温rSOC系统可实现高效率，如84%的电转气和69%的气转电模式，突出了其在电网管理中的竞争力。Chen等人提出了一个兆瓦级rSOC系统，与两级CO₂甲烷化单元耦合，用于动态电网稳定，实现85.3%的电转气效率和46.9%的气转电效率，展示了灵活的多余电力管理和通过甲烷合成的扩展存储。甲醇是另一个可在基于rSOC的系统中使用的关键化学品，作为化学合成的有价值最终产品，以及有效的氢载体。与甲烷相比，它在常压和常温下为液态，简化了存储和操作。图7说明了基于甲醇的rSOC系统的简化示意图。在SOFC模式下，来自储罐的甲醇经历蒸汽重整，产生合成气混合物，供应燃料电池发电和产热，同时释放水和CO₂。在重整步骤中，缺乏C-C键和甲醇的部分氧化性质，使其在相对较低的重整温度（200-300°C对比甲烷的约700°C）下释放氢气，减少了键断裂所需的能量并最小化了热公用设施需求。较低的重整温度，结合水煤气变换反应，也促进了重整物流中CO浓度的降低