Tyto palivové články na oxidu pevné látky (nebo SOFC akronym tuhým oxidem palivových článků ) jsou uvedeny v první řadě pro stacionární aplikace s výstupním výkonem 1 kW do 2 MW. Pracují při velmi vysokých teplotách, obvykle mezi 450 ° C a 1 000 ° C (723 až 1273 K). Jejich plynné emise lze použít k napájení sekundární plynové turbíny za účelem zvýšení elektrické účinnosti . Účinnost může dosáhnout 70% v hybridních systémech , které se nazývají systémy kombinované výroby tepla a elektřiny nebo kombinovaná výroba tepla a elektřiny (anglicky: Combined Heat and Power Device or CHP ). V těchto článcích jsou kyslíkové ionty přemístěny přes pevný oxid , který se při vysoké teplotě bere jako elektrolyt, aby reagoval s vodíkem na anodové straně . Vzhledem k vysoké provozní teplotě SOFC není potřeba nákladného katalyzátoru , jako je tomu u palivových článků s výměnou protonů ( např. Platina ). To znamená, že SOFCs neprocházejí otravu katalyzátoru od oxidu uhelnatého , a proto je tedy vysoce adaptabilní baterie. SOFC byly použity s metanem , propanem , butanem , fermentačním plynem , zplyňovanou biomasou a výpary barev. Sloučeniny síry přítomné v palivu však musí být před vstupem do článku odstraněny, což lze snadno provést vrstvou aktivního uhlí nebo absorbentem na bázi zinku .
Tepelná roztažnost vyžaduje pomalé a rovnoměrné zahřívání na počátku: jsou zapotřebí obvykle 8 hodin nebo déle. Mikrotrubkové geometrie umožňují zkrátit doby spuštění, někdy až 13 minut .
Na rozdíl od většiny ostatních typů palivových článků mohou mít SOFC více geometrií:
Výkon rovinné geometrie je v současné době lepší než výkon trubkové geometrie kvůli její nižší pevnosti.
SOFC se skládá ze čtyř vrstev, z nichž tři jsou keramika (odtud jejich název). Jediný stoh složený z těchto čtyř navrstvených vrstev má typickou tloušťku několika milimetrů. Stovky těchto článků jsou potom naskládány do série, aby vytvořily to, co veřejnost nazývá „palivový článek na tuhý oxid“. Tyto keramické materiály v SOFC stávají elektricky aktivní a iontově při dosažení velmi vysoké teploty, a v důsledku toho stohy musí dosáhnout pořadí teplotách 600 až 1200 ° C .
Keramická vrstva katody by měla být porézní, což by jí umožňovalo protékat vzduchem i do elektrolytu. Pro katodu se používají různé druhy keramických materiálů, ale všechny musí být elektricky vodivé . Katoda je záporná strana baterie, kterou protékají elektrony. Je to strana vystavená vzduchu, jejíž úlohou je používat elektrony ke snížení molekul kyslíku ve vzduchu (O 2) na oxidový iont (O 2- ).
Elektrolyt je hustá, pro plyn nepropustná vrstva každého článku, která funguje jako membrána oddělující palivo na straně anody od vzduchu na straně katody. Existuje mnoho keramických materiálů studovaných pro jejich použití jako elektrolyt, ale nejběžnější jsou na bázi oxidu zirkoničitého. Kromě toho, že je elektrolyt nepropustný pro plyn, musí být elektrickým izolátorem: elektrony, které jsou výsledkem oxidační reakce na straně anody, jsou nuceny pohybovat se vnějším obvodem, než dosáhnou na stranu katody. Nejdůležitějším požadavkem na elektrolyt však je, že musí být schopen vést ionty kyslíku z katody na anodu. Z tohoto důvodu se spolehlivost elektrolytického materiálu měří z hlediska iontové vodivosti.
Keramická vrstva tvořící anodu musí být velmi porézní, aby umožnila palivu dostat se k elektrolytu. Stejně jako katoda musí vést elektřinu. Nejčastěji používaným materiálem je cermet vyrobený z niklu smíchaného s keramickým materiálem použitým pro elektrolyt v tomto konkrétním článku. Anoda je obvykle nejhlubší a nejsilnější vrstvou každé jednotlivé buňky a někdy je tou, která poskytuje mechanické vlastnosti. Z elektrochemického hlediska je úlohou anody použít kyslíkové ionty difundující v elektrolytu za účelem oxidace paliva (vodíku). Oxidační reakce mezi ionty kyslíku a palivem (vodík) produkuje vodu a elektřinu.
Propojením může být kovová nebo keramická vrstva umístěná mezi každým jednotlivým svazkem. Jeho rolí je zajistit sériové připojení každé buňky, a tím kombinovat produkci každé z nich. Vzhledem k jeho vystavení redukční a oxidační straně každého článku při vysokých teplotách musí být propojení extrémně stabilní. Proto je keramika dlouhodobě stabilnější než kovy jako propojovací materiály. Tato keramika je však velmi drahá. Naštěstí se levné kovové materiály stávají zajímavějšími, protože SOFC při nižší teplotě ( 600 až 800 ° C ) jsou vyvíjeny.
Výzkum se v současné době zaměřuje na SOFC pracující při „nízké“ teplotě (kolem 600 ° C ) s cílem snížit náklady tím, že umožní použití kovových materiálů s lepšími mechanickými vlastnostmi a lepší tepelnou vodivostí .
Výzkum si rovněž klade za cíl zkrátit dobu spuštění, aby bylo možné implementovat SOFC v mobilních aplikacích. Vzhledem k jejich flexibilitě s ohledem na použitá paliva je pravděpodobné, že budou pracovat s částečně reformovanou naftou , což z nich dělá potenciální pomocné jednotky pro určité aplikace (chladírenské nákladní automobily).
Některé velké firmy vyvíjejí SOFC jako pomocné jednotky v automobilech. Vysokoteplotní SOFC generují elektřinu potřebnou pro motor, aby byl menší a efektivnější. Soupravy SOFC běží na stejném naftě nebo benzínu jako motor s asistencí a udržují klimatizaci a další potřebné elektrické systémy v chodu, když motor neběží (například zastavte na semaforech). Jiní vyrábějí SOFC sítotiskem na levné keramické materiály nebo hybridní plynové turbíny, které spotřebovávají zemní plyn pro výrobu energie až do megawattu (firma Rolls-Royce ).
Některá průmyslová odvětví vyvíjející SOFC za nízkou cenu a při nízké teplotě ( 500 až 600 ° C ) používající oxid ceru a gadolinia k nahrazení současné standardní průmyslové keramiky ( zirkonium stabilizovalo yttrium ), což umožňuje použití „nerezové oceli k podpoře keramika.
V roce 2008 vyvinuli vědci z laboratoře „Chemical Sciences of Rennes“ ve spolupráci s týmem z Laue-Langevin Institute v Grenoblu a univerzitou v japonském Kjótu nový oxid, který otevírá cestu k efektivnějším bateriím. Nová sloučenina je oxid skládající se ze železa a stroncia s chemickým vzorcem SrFeO 2. Jeho hlavní výhodou je to, že může reagovat s těmito ionty kyslíku od 280 ° C . Připravuje příchod baterií, které jsou v průběhu času robustnější a zároveň méně náročné na provoz.