Электролит в твердоокисном топливном элементе это твердое тело, не пористый металлический окисел, обычно это оксид циркония (ZrO₂), стабилизированный 8-10%моль оксидом иттрия (Y₂O₃). Ионная проводимость в электролите осуществляется транспортом ионов кислорода (O^2-). Использование твердого тела в качестве электролита делает эту систему более стабильной и безопасной, чем MCFC система.  В этой системе не происходит каких –либо утечек, и элемент может быть исполнен в различных геометрических формах: трубчатой, планарной или монолитной.  Нормальная рабочая температура составляет 1000°С, но очень желательно разработать систему, работающую при температурах порядка 650°С. Это, конечно, приведет к снижению проводимости используемых в настоящее время электролитов.

Как и в MCFC топливных элементах в данном случае нет нужды использовать особые металлические катализаторы, так как кинетика процессов при таких температурах очень быстрая. Обычно анод изготавливают из керамических материалов основанных на кобальте или никеле (Co-ZrO₂ или Ni-ZrO₂ кермет). Катод делают или из иттрием стабилизированного соединения LaSrMnO₃  либо из перовскитов на основе лантанидов. Электродные реакции приведены ниже:

Анодное окисление водорода:

H₂ + O^2- H₂O + 2e^-

Катодное восстановление кислорода:

½O₂ + 2e^- O^2-

Суммарная SOFC реакция:

H₂ + ½O₂ H₂O

При настоящих рабочих условиях возможен внутренний риформинг ископаемых топлив. Более высокая рабочая температура по сравнению с MCFC сводит проблему серы в процессе риформинга к минимуму. SOFC может работать при концентрациях серы в топливе в 5 раз более высокой чем в MCFC, что означает, что в качестве топлива могут использоваться газы, полученные в процессе переработки углей. Внутренний парциальный риформинг входящего топлива также возможен. Это приводит к более однородному распределению температуры в топливном элементе.

Теплообменная интегрированная система SOFC фирмы Sulzer-Hexis.

Трубчатый SOFC топливный элемент фирмы Siemens Westinghouse.

Сборка планарных SOFC топливных элементов.

Высокая рабочая температура SOFC топливных элементов имеет свои недостатки. Разница коэффициентов термического расширения различных материалов приводит к проблемам при соединении отдельных элементов друг с другом в плоской конфигурации. Это также накладывает строгие ограничение на выбор  материалов и в результате приводит к усложнению технологии межсоединеий и уплотнений в биполярных пластинах. Межсоединения должны быть электропроводны, уплотнять анодную и катодную газовые камеры и должны выдерживать действие высоких температур. Разработать подходящие для таких случаев уплотнения оказывается даже более сложной проблемой. Наиболее используемыми для этих целей сейчас являются стекла. Из-за высокой рабочей температуры процедуры старта и остановки топливного элемента очень длительны по времени. SOFC  и  MCFC топливные элементы поэтому не годятся для динамических применений. В комбинации с тепловой турбиной SOFC достигает тех же значений КПД, как и MCFC топливные элементы.

Твердоокисные топливные элементы наиболее подходящи для стационарных применений. Siemens Westinghouse и Sulzer-Hexis ведущие производители в этой области. Хотя твердоокисные топливные элементы разрабатываются на протяжении самого продолжительного времени, начиная с 1950-х годов, то есть на несколько лет дольше, чем AFC топливные элементы, тем не менее, до сих пор существует много проблем, связанных с выбором материалов, которые еще требуется решить. Разработка дешевых материалов (особенно для межсоединений) с высокой выносливостью по отношению к высоким температурам является ключевой проблемой технологии твердоокисных топливных элементов.

Copyright © 2004-2005 Fuel Cell Norway ANS