Das Elektrolyt in einer Festoxid-Brennstoffzelle ist ein festes, undurchlässiges Metalloxid, wie beispielsweise yttrium-(Y₂O₃)-stabilisiertes (8 – 10 mol-%) Zirkon (ZrO₂). Die Ionenleitung im Elektrolyten erfolgt durch Sauerstoffionen-(O^2-)-Transport. Durch den Einsatz des Metalls als Elektrolyt ist das System stabiler und sicherer als eine SOFC. Da es so zu keinen Undichtigkeiten kommen kann, können die Zellen unterschiedliche Formen annehmen, wie röhrenförmig, eben oder monolithisch. Die normale Betriebstemperatur liegt bei etwa 1000°C, wobei das Ziel in der Entwicklung bei Betriebstemperaturen von 650°C liegt. Dies würde jedoch die Leitfähigkeit des derzeit genutzten Festelektrolyten-Materials reduzieren.

Wie in der MCFC sind durch die schnelle Kinetik bei diesen Temperaturen auch hier keine Edelmetalle als Elektrodenmaterial erforderlich. Typischerweise werden an der Anode nickel- oder kobaltbasierte keramische Materialien (Co-ZrO₂ oder Ni-ZiO₂-Keramik) eingesetzt. An der Kathode kommen entweder yttrium-stabilisiertes LaSrMnO₃ oder lanthanoid-basierte Perowskite zum Einsatz. Nachfolgend werden die Elektrodenreaktionen aufgezeigt:

Anodische Oxidation des Wasserstoffs:

H₂ + O^2- H₂O + 2e^-

Kathodische Reduktion des Sauerstoffs:

½O₂ + 2e^- O^2-

Gesamt-SOFC-Reaktion:

H₂ + ½O₂ H₂O

Unter den derzeitigen Betriebsbedingungen ist die interne Reformierung fossiler Brennstoffe möglich. Die im Vergleich zur MCFC höheren Betriebstemperaturen reduzieren das Schwefelproblem auf ein Minimum. SOFC können 5 Mal dem gesamten Schwefelgehalt ausgesetzt werden, der in den aus Kohle produzierte Gasen enthalten ist. Weiterhin ist eine interne Teilreformierung des eingehenden Brennstoffes möglich. Dies führt zu einer stärker homogenen Temperaturverteilung in der Zelle. 

Derzeit gibt es 3 wesentliche Zellvarianten: röhrenförmig Aufbau, entwickelt von Siemens Westinghouse, mit integriertem Wärmeaustausch, hergestellt von Sulzer-Hexis, und das normale, planare, Konzept. Die Vorteile der nicht-planaren Bauweisen sind einfachere Dichtungstechniken und ein besseres Wärmeaustausch-Konzept. Im Zusammenhang mit den sehr hohen Temperaturen ist die Materialalterung in beiden Fällen eine Herausforderung für die planare Entwicklung.

Sulzer-Hexis Heat Intergrated System SOFC.

Siemens-Westinghouse röhrenförmig SOFC.

Planar SOFC Stack.

Die hohe Temperatur der SOFC hat auch Nachteile. Die thermische Ausdehnung zerstört viele Materialverbindungen und die Abdichtung zwischen den Zellen ist in der flachen Plattenbauweise schwierig. Es bestehen außerdem Zwänge bei der Materialauswahl, was in komplizierten Herstellungsprozessen für die Verbindungselemente (Bipolplatten) und die Dichtungen ersichtlich ist. Die Verbindungselemente müssen elektrisch leitfähig sein, die Anoden- und Kathodengasräume voneinander trennen und die hohen Temperaturen aushalten. Auch sind geeignete Dichtungen sehr schwierig zu entwickeln. Am weitesten verbreitet sind derzeit Glasmaterialien. Durch die hohen Betriebstemperaturen sind das Startverhalten und das Herunterfahren sehr zeitaufwändig. SOFC und MCFC sind derzeit nicht für dynamische Prozesse geeignet. In Kombination mit Wärmeturbinen wird mit Festoxid-Brennstoffzellen aber der selbe Gesamtwirkungsgrad wie bei MCFC erreicht.

SOFC sind für stationäre Anwendungen am geeignetsten. Siemens-Westinghouse und Sulzer-Hexis sind die beiden führenden Anbieter von SOFC. Auch deshalb ist die Festoxid-Brennstoffzelle die Brennstoffzelle mit der längsten durchgehenden Entwicklungsperiode, beginnend in den 1950er Jahren, mehrere Jahre vor dem Beginn der Entwicklung Alkalischer Brennstoffzellen in der viele Materialprobleme gelöst wurden. Die Entwicklung von preiswerten Materialien (speziell für die Bipolplatten) mit hoher Temperaturbeständigkeit stellt auch heute noch die technologische Herausforderung an die SOFC dar.

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