2026.10.02 | AC | Power | Bloom Energy SOFC Metals: Scandia & Chromium

摘要

以下观点来自行业资深专家：1.电解质支撑技术路线主要使用氧化钪，作为核心掺杂剂与氧化锆复合，形成钪稳定氧化锆（ScSZ）电解质材料。2.SOFC不同技术路线选择不同的掺杂剂，核心是由各自的结构设计、运行温度、工况约束和商业化目标决定的。3.SOFC对金属铬的需求主要集中在两个部件。首先是连接体，其次是热盒部件。

1.SOFC不同技术路线分别需要使用哪些关键的稀土元素作为掺杂剂？其用量情况如何？

不同技术路线对稀土元素的依赖有所不同。

电解质支撑技术路线主要使用氧化钪，作为核心掺杂剂与氧化锆复合，形成钪稳定氧化锆（ScSZ）电解质材料，Sc³⁺与Zr⁴⁺的离子半径差异仅约10%，能大幅降低氧空位的迁移能垒，让ScSZ在800-850℃的中温区就能达到传统YSZ在1000℃时的离子电导率，1000℃下电导率可达0.15–0.20 S/cm，其配方通常是10摩尔的氧化钪稳定氧化锆。在当前配方体系下，每GW设备的氧化钪消耗量约为40吨。尽管业界正在推动高功率化和轻量化以降低用量，但单片0.8克的用量下降空间有限，例如0.1克，预计降幅不会非常大。

阳极支撑技术路线使用氧化钇，氧化钇几乎不会以纯氧化物的形态单独使用，而是作为稳定剂掺杂到氧化锆（ZrO₂）晶格中，形成行业内最经典的YSZ（氧化钇稳定氧化锆）材料，配方通常为8摩尔的氧化钇稳定氧化锆，能让氧化锆在600-1000℃的宽温区下保持稳定的立方晶相，大幅提升氧离子传导能力。由于氧化钇采购价格较低，约为几十元每公斤，因此其用量和价值量相对较低。

金属支撑技术路线会用到氧化铈、氧化钐和氧化钆。氧化铈作为基础骨架材料，它是金属支撑体表面的核心扩散阻挡层，厚度通常控制在20-50μm，能有效阻止铁素体不锈钢支撑体中的铬、铁元素向阳极层迁移，氧化钐作为掺杂剂和氧化铈复合形成SDC（钐掺杂氧化铈），既可以作为阳极的复合相提升抗积碳能力，也能直接作为对称电极的核心功能材料。其配方通常是8摩尔的氧化铈，并由氧化钐和氧化钆共掺杂来稳定氧化锆，其中后两者的用量较少。目前氧化铈的价格约为每公斤100至200元，氧化钐和氧化钆约为每公斤3 00至400元。由于金属支撑路线的隔膜用量本身很低，导致这些原材料的用量和价值量也不明显。

2.SOFC不同技术路线用的掺杂剂为什么不同？

SOFC不同技术路线选择不同的掺杂剂，核心是由各自的结构设计、运行温度、工况约束和商业化目标决定的，每一种掺杂剂都是为了精准匹配对应路线的核心需求：

①电解质支撑路线的核心设计是用数百微米厚的电解质片作为整个电池的机械支撑，运行温度普遍在800-1000℃，核心目标是实现系统7年以上的超长稳定运行。氧化钪掺杂形成的ScSZ（钪稳定氧化锆），在高温下的化学稳定性极强，几乎不会和电极材料发生副反应，能支撑系统连续运行数万小时，是当前商业化落地成熟的SOFC体系的标配材料。

②阳极支撑路线的核心设计是用数百微米厚的Ni基阳极作为机械支撑，电解质层可以做薄到几微米，运行温度普遍在700-850℃，核心目标是降低制造成本、适配大规模量产。氧化钇掺杂形成的YSZ（钇稳定氧化锆），是全球产业链最成熟、成本最低的电解质材料，热膨胀系数和Ni-YSZ阳极支撑层几乎完全匹配，高温共烧结时几乎不会出现界面分层，量产良率远高于其他材料体系。

③金属支撑路线的核心设计是用铁素体不锈钢作为整个电池的机械支撑，运行温度必须控制在600-700℃，避免金属基底高温氧化，核心目标是实现快速启停、低成本规模化制造。氧化钐、氧化钆掺杂形成的SDC、GDC，在650℃下的离子电导率是YSZ的3倍以上，能让薄电解质在中低温下仍保持极低的欧姆阻抗，实现高功率输出。

这两种掺杂剂形成的铈基氧化物，热膨胀系数和不锈钢基底几乎完全匹配，能在1100-1250℃的低温下和金属基底共烧结，不会导致金属支撑体高温变形，适配金属支撑路线的制造工艺要求。

3.在SOFC的各种技术路线中，氧化锆的用量大概是多少？

各种技术路线的氧化锆用量基本相当。目前，电解质支撑技术路线每片隔膜大约需要7.5克氧化锆，折算下来，每GW设备的氧化锆需求量接近400吨。无论是阳极支撑还是电解质支撑，其核心材料都是氧化锆，在隔膜总质量中占比约90%。其余的稀土元素，无论是8摩尔还是10摩尔的配方，换算成质量后，大约只占总质量的10%多一点。

4.每吉瓦的SOFC产能需要消耗多少吨金属铬，主要应用在哪些部件上？

根据目前的测算，每吉瓦的SOFC产能对金属铬的需求主要集中在两个部件。首先是连接体，每吉瓦大约需要消耗5,000至5,500吨金属铬。其次是热盒部件，其金属铬的消耗量也较大，推算每吉瓦需要2000至2,500吨。

5.SOFC的连接体中铬具体起到什么作用？

连接体是SOFC电堆中用量最大、技术要求最高的金属部件，也是单台SOFC设备中金属铬的核心消耗场景。当前全球商业化最成熟的SOFC路线，其连接体普遍采用铬含量85%-95%的铁素体合金。

SOFC连接体的运行环境极为苛刻，在600-1000℃的高温氧化气氛下，需要连续稳定运行超过4万小时，同时还要承受氧化-还原循环带来的频繁热冲击。普通的不锈钢材料在这种工况下，会在短时间内发生严重的高温腐蚀，表面形成的氧化层电阻快速上升，直接导致电堆的发电效率骤降。而高铬含量的铁素体合金，能够在高温环境下自发形成一层连续致密的Cr₂O₃保护膜，这层保护膜的电导率极低，同时具备极强的高温抗氧化性能，能够在数万小时的运行周期内有效阻止基体金属的进一步氧化，是目前唯一能够同时满足高电导率、低热膨胀系数匹配、长期高温稳定性要求的商用连接体材料。

6.热盒是什么部件？

热盒是SOFC系统的高温集成腔体，内部集成了后燃器、燃料预热器、空气换热器、燃料重整器等所有需要在高温环境下运行的部件，这些部件长期在高温氧化、腐蚀性气氛中工作，普遍需要采用以铁-铬-镍为基础的高温合金制备，这类高温合金中，铬元素的占比普遍在20%左右，部分高端牌号的合金中还会添加钨、钼、铌等稀有金属元素，进一步提升材料的高温强度与抗蠕变性能。

7.用于SOFC连接体和热盒的金属铬是否为同一种物料？其具体规格和价格有何差异？

两者是不同的部件，所使用的金属铬原料也不同。用于热盒的金属铬是常规的99或99A级产品。而用于连接体的金属铬，其铬含量要求大于99.5%，并且对铝、钒、氮、氧等杂质元素的控制指标要求远比常规品严苛。价格方面，用于连接体的高纯金属铬相较于常规品存在约10,000至11,000元/吨的溢价。

8.为何SOFC连接体专用的铬粉制备环节具有较高的技术壁垒？

该制粉工艺与常规制粉完全不同，技术壁垒很高。其难点在于制粉过程中必须严格控制气体元素和杂质元素的增加，同时要确保粉末的粒度分布在一个非常狭窄的范围内，以减少损耗并控制成本。

①极致的纯度管控要求

SOFC连接体用铬粉对杂质容忍度极低，必须通过12级超纯提纯工艺，将硫、磷、硅等有害杂质的总含量控制在50ppm以下。

普通工业级铬粉的杂质含量普遍是其数十倍，微量杂质在800-1000℃的长期高温运行中，会直接诱发连接体局部氧化失效、界面导电率骤降，甚至引发电堆整体的“铬中毒”，导致系统寿命大幅衰减。

②精准的粒度与形貌控制

SOFC专用铬粉必须适配粉末冶金的高致密烧结要求，粒度分布需严格控制在15-45μm窄区间，颗粒形貌为近球形，松装密度、流动性等指标偏差不能超过5%。

常规铬粉制备工艺很难同时兼顾粒度均匀性和球形度，粒度分布过宽或形貌不规则，会直接导致后续95Cr-5Fe合金连接体烧结后出现局部孔隙，无法满足SOFC系统的高气密性要求。

9.请介绍一下Bloom Energy连接体供应商格局，以及这些供应商与BE公司的合作模式？

目前，为Bloom Energy公司SOFC业务提供连接体的企业主要有德昌、宝来得以及先导。其中，德昌、宝来得均为海外公司，仅先导为国内企业。这些连接体制造商完成生产后，直接向Bloom Energy供货。

SOFC连接体的核心专利最初由Bloom Energy与一家名为Stackpole（世特科）的加拿大公司在十几年前共同研发。之后，德昌通过收购Stackpole进入该领域。

10.在全球范围内，能够量产用于SOFC连接体的高纯金属铬供应商有哪些？其市场格局是怎样的？

全球能够量产用于SOFC连接体的高纯金属铬的企业主要有三家：法国的德立休、英国的AMG和中国的振华。在海外市场，德昌电机和宝来得等公司的原料主要从德立休或AMG采购。

11.Bloom Energy上述金属材料的主要供应商分别是谁？

这些材料的供应商情况如下：

氧化钪：主要供应商是东方钪业。国内的中冶、金坤新材也在生产。先导有部分自产能力，但产量不大，仅能满足部分自用，仍需外购。

高纯铬：目前主要的交付方是振华。预计到2027年，其每月向德昌和先导两家公司的交付量将继续提升。

镍600高温合金：主要由日本厂商供应，例如三菱以及其他一些特种钢材公司。

12.振华向先导供应的用于SOFC连接体的高纯金属铬价格是多少？

振华在2026年6月与先导签订的量产合同中，高纯金属铬的价格为75,000元/吨。此价格已包含约10,000元/吨的溢价，因此对应的常规品价格约为65,000元/吨。

13.不同SOFC技术路线在金属元素使用上有何显著差异？

不同技术路线在原材料选择上存在本质区别。电解质支撑路线除了共用的氧化锆外，还需要使用高纯铬和氧化钪等成本较高的材料。而阳极支撑技术路线则不需要这两者，其主要使用氧化钇，部分情况下会用氧化铈。其连接体材料通常是铁铬合金或400系列不锈钢，高温区的合金也已从镍600替换为国产的S级316特种钢。

金属支撑路线的电解质材料则更多使用氧化铈，以及微量的钆和钐等稀土元素，且由于其工作在低温区，同样不需要使用高纯度的铬和钪。

14.在SOFC金属材料市场中，哪些材料的需求量和价值量最大？

目前，为Bloom Energy配套的原材料，如钪、铬等，需求量和价值量是最大的。相比之下，供给其他技术路线厂商的原材料需求量则要低得多。以2025年为例，Bloom Energy一家的交付量就达到了500兆瓦，而全球其他所有厂商的总交付量加起来不足100兆瓦，显示出Bloom Energy在市场份额上的绝对主导地位。这种材料差异导致市场格局高度集中，目前全球有规模的电解质支撑技术厂商仅Bloom Energy一家，其余均为科研院所。因此，Bloom Energy的供应商体系相对独立，其庞大的扩产产能将和采用阳极支撑路线的其他厂商并不完全兼容。

15.Bloom Energy技术路线中，成本较高的金属主要有哪些？

在BE的技术路线中，成本较高的原材料主要包括：氧化钪粉、氧化锆粉（去铬后价格约300元/公斤）、用于连接体的高纯铬锭（球磨成粉体）、以及镍600高温合金（价格约百元/公斤）。

16.氧化钪、氧化锆和铬材等关键原材料未来的价格走势如何？

短期来看，氧化钪的价格预计仍有上涨趋势。氧化锆粉的价格上涨概率不大，即使上涨，幅度也可能仅在每公斤十几到二十几元。这是因为SOFC所用氧化锆粉的纯度要求低于核电级别，且市场整体产能较大。铬材价格预计会有小幅上涨，但不会出现快速大幅的波动。