固體氧化物電解槽(SOEC)是一種固體氧化物燃料電池，它以再生模式運行，通過使用固體氧化物或陶瓷電解質產生氫氣（和/或一氧化碳）和氧氣。純氫的生產之所以引人注目，是因為它是一種可以儲存的清潔燃料，使其成為電池、甲烷和其他能源的潛在替代品（參見氫經濟）。與熱化學和光催化方法相比，電解是目前最有前途的水制氫方法，因為它的轉化效率高，所需的能量輸入相對較低。

固體氧化物電解槽在允許發生高溫電解的溫度下運行，通常在500到850°C之間。這些操作溫度類似于固體氧化物燃料電池的那些條件。凈電池反應產生氫氣和氧氣。一摩爾水的反應如下所示，水的氧化發生在陽極，水的還原發生在陰極。陽極：2O2?→O2+4e?陰極：H2O+2e?→H2+O2?凈反應：2H2O→2H2+O2在298K(25°C)下電解水需要每摩爾285.83kJ的能量才能發生，并且隨著溫度的升高，反應會越來越吸熱。然而，由于電解槽的焦耳加熱，能量需求可能會降低，這可以用于高溫下的水分解過程。正在進行研究以增加來自外部熱源的熱量，例如集中式太陽能集熱器和地熱源。

電解槽的一般功能是將水以蒸汽的形式分解成純H2和O2。蒸汽被送入多孔陰極。當施加電壓時，蒸汽移動到陰極-電解質界面并被還原形成純H2和氧離子。然后氫氣通過陰極擴散回來并在其表面作為氫燃料收集，而氧離子則通過致密的電解質傳導。電解質必須足夠稠密，以使蒸汽和氫氣不能擴散通過并導致H2和O2-復合。在電解質-陽極界面處，氧離子被氧化形成純氧氣，并被收集在陽極表面。

固體氧化物電解槽電池遵循與固體氧化物燃料電池相同的結構，由燃料電極（陰極）、氧電極（陽極）和固體氧化物電解質組成。

最常見的電解質也類似于固體氧化物燃料電池，是一種致密的離子導體，由摻雜8mol%Y2O3（也稱為YSZ）的ZrO2組成。使用二氧化鋯是因為它具有高強度、高熔點（約2700°C）和優異的耐腐蝕性。添加氧化釔(III)(Y2O3)是為了減輕在快速冷卻時從四方晶相到單斜晶相的相變，這會導致裂紋并通過引起散射降低電解質的導電性能。SOEC的其他一些常見選擇是Scandia穩定氧化鋯(ScSZ)、二氧化鈰基電解質或沒食子酸鑭材料。盡管材料與固體氧化物燃料電池相似，但運行條件不同，導致諸如燃料電極處的高蒸汽濃度和電解質/氧電極界面處的高氧分壓等問題。最近的一項研究發現，在電解槽和燃料電池模式之間定期循環電池可以減少氧分壓的增加，并xxx延長電解槽的使用壽命。

最常見的燃料電極材料是Ni摻雜的YSZ。然而，Ni-YSZ界面處的高蒸汽分壓和低氫分壓會導致鎳氧化，從而導致催化劑降解。鈣鈦礦型鑭鍶錳（LSM）也常用作正極材料。最近的研究發現，用鈧摻雜LSM以形成LSMS可促進陰極中氧化物離子的遷移率，增加與電解質界面處的還原動力學，從而在低溫下比傳統的LSM電池具有更高的性能。然而，需要進一步開發燒結工藝參數以防止氧化鈧沉淀到LSM晶格中。這些沉淀顆粒是有問題的，因為它們會阻礙電子和離子的傳導。尤其是，正在研究LSM晶格中鈧的處理溫度和濃度，以優化LSMS陰極的性能。正在研究新材料，例如鑭鍶錳鉻酸鹽(LSCM)，它已被證明在電解條件下更穩定。LSCM具有很高的氧化還原穩定性，這在與電解質的界面處尤其重要。摻雜鈧的LCSM(LSCMS)也因其高離子電導率而被研究作為陰極材料。然而，稀土元素引入了顯著的材料成本，并且被發現會導致整體混合電導率略有下降。盡管如此，LCSMS材料已在低至700°C的溫度下表現出高效率。

錳酸鍶鑭（LSM）是最常見的氧電極材料。LSM在電解條件下提供高性能，因為在陽極極化下會產生氧空位，有助于氧擴散。此外，發現用Gd摻雜的CeO2(GDC)納米粒子浸漬LSM電極可通過防止電極/電解質界面分層來延長電池壽命。如何發生這種情況的確切機制需要進一步探索。在2010年的一項研究中，發現鎳酸釹作為陽極材料在集成到商業SOEC并在700°C下運行時提供的電流密度是典型LSM陽極的1.7倍，在800°下運行時電流密度約為4倍C。

基于固體氧化物的可再生燃料電池的優點包括效率高，因為它們不受卡諾效率的限制。其他優勢包括長期穩定性、燃料靈活性、低排放和低運營成本。然而，xxx的缺點是工作溫度高，導致啟動時間和磨合時間長。高工作溫度還會導致機械兼容性問題（例如熱膨脹失配）和化學穩定性問題（例如電池中材料層之間的擴散）原則上，由于化學反應固有的可逆性，任何燃料電池的過程都可以逆轉。然而，給定的燃料電池通常針對在一種模式下運行進行優化，并且可能不會以可以反向運行的方式構建。向后運行的燃料電池可能不會產生非常有效的系統，除非它們被構造成這樣做，例如在固體氧化物電解槽電池、高壓電解槽、組合式再生燃料電池和再生燃料電池的情況下。然而，目前正在進行研究以研究固體氧化物電池可以有效地沿任一方向運行的系統。

已經觀察到以電解模式運行的燃料電池主要由于陽極與電解質的分層而退化。分層是電解質-陽極界面處高氧分壓的結果。電解質-陽極材料中的孔起到限制高氧分壓的作用，從而在周圍材料中引起應力集中。陽極與電解質的分層會增加電池的電阻，并且需要更高的工作電壓以保持穩定的電流。較高的施加電壓會增加內部氧分壓，進一步加劇降解。

固體氧化物電解槽可能在燃料生產、二氧化碳回收和化學品合成中得到應用。除了生產氫氣和氧氣外，SOEC還可用于通過電解水蒸氣和二氧化碳來生產合成氣。這種轉換可用于能量產生和能量存儲應用。

2014年，麻省理工學院在毅力號火星車上成功測試了用于火星氧氣ISRU實驗的設備，作為為人類食物和液氧火箭推進劑生產氧氣的一種手段。2021年4月，美國宇航局聲稱已成功利用火星大氣中的二氧化碳生產1加侖地球當量的氧氣（火星上為4克和5克氧氣）。

SOEC模塊可以在三種不同的模式下運行：放熱、吸熱和熱中性。在放熱模式下，由于熱量積累，煙囪溫度在運行過程中會升高，該熱量用于進氣預熱。因此，當電能消耗增加時，不需要外部熱源。在吸熱堆操作模式下，由于平均電流密度也降低，熱能消耗增加，電能消耗和氫氣產生減少。第三種模式是熱中性模式，其中通過不可逆損失產生的熱量等于反應所需的熱量。由于存在一些熱損失，因此需要外部熱源。這種模式比吸熱運行模式消耗更多的電能。