W wysokotemperaturowych ogniwach tlenkowych elektrolit ciekły zastąpiony został przez ceramiczną membranę, która jest dobrym przewodnikiem jonów tlenu. Elektrolitem jest warstwa ceramiczna z tlenku cyrkonu ZrO₂ stabilizowanego tlenkiem itru Y₂O₃ (8-10 %mol), która w temperaturze 1000°C jest doskonałym przewodnikiem anionów tlenowych. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie zapewnione jest dzięki jego odpowiedniej budowie, umożliwiającej przepływ tylko jonów tlenu O₂^-.

Schemat poglądowy działania ogniwa paliwowego typu SOFC. źródło: www.fctec.com

Taka konstrukcja ogniwa pozwala na transport przez elektrolit jonów tlenu, które ulegają jonizacji na katodzie. Po dojściu jonów do anody, wchodzą one w reakcję z paliwem gazowym. Produktem tej reakcji jest woda (w przypadku paliwa wodorowego) i elektrony, które mogą płynąć w obwodzie zewnętrznym dając prąd elektryczny. Niezwykle ważna jest możliwość stosowania różnych paliw w SOFC, może to być wodór, CO lub bardziej złożone gazy, jak metan, propan czy etan.

Reakcja na ANODZIE

H₂ + O^2- → H₂O + 2e^-

Reakcja na KATODZIE

½O₂ + 2e^- → 2O^2-

ANODA	Zazwyczaj oparta na ceramikach niklowych lub kobaltowych (Co-ZrO2 lub Ni-ZrO2), spiek Ni/YSZ o zawartości 30 % Ni
KATODA	LaSrMnO3 stabilizowane Y2O3
ELEKTROLIT	Warstwa ceramiczna z tlenku cyrkonu (ZrO2) stabilizowanego tlenkiem itru Y2O3 (8-10% molowym); materiał określany jako YSZ (ang. Yttria Stablized Zirconia). W wysokich temperaturach posiada bardzo dobre właściwości termiczne, mechaniczne oraz bardzo wysoką przewodność jonów tlenowych
TEMPERATURA PRACY	650÷1000°C
STOSOWANE PALIWA	H2, CH4, gaz ziemny, biogaz
SPRAWNOŚĆ	45-60% (w kogeneracji – 85 %)

Choć SOFC jest ogniwem z najdłuższym nieprzerwanym okresem rozwoju, począwszy od późnych lat 50 XX wieku, to wciąż jest sporo zagadnień materiałowych do rozwiązania. Opracowanie tanich materiałów odpornych na wysoką temperaturę jest kluczowym zagadnieniem. O ile materiały katodowe i elektrolit wydają się już być dopracowane w stopniu zadawalającym i tym samym nie są przedmiotem intensywnych badań, o tyle cermety niklowe stosowane powszechnie jako materiały anodowe wykazują wiele niedoskonałości.

Obniżenie temperatury pracy tlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) do ok. 600–800°C (z ang. Intermediate Temperature solid oxide fuel cell, IT-SOFC) jest celem strategicznym tej technologii w świecie. W wielu ośrodkach naukowych podejmuje się różnorodne próby rozwiązania powyższego problemu. Jednym z kierunków badawczych jest poszukiwanie nowych przewodników jonów tlenu lub protonowych o strukturze krystalograficznej, zapewniającej wysokie wartości przewodności jonowej w temperaturach ok. 600–800°C.

Specyficzne warunki eksploatacji tych ogniw wymagają od materiałów elektrodowych i interkonektorów długotrwałej stabilności termicznej i chemicznej, a także odporności na korozję wysokotemperaturową w środowiskach utleniająco-redukcyjnych, co ze względu na ceny komponentów znacznie podnosi koszty ich produkcji, limituje ich sprawność, a w konsekwencji skraca czas funkcjonowania urządzenia. Wysoka temperatura pracy (i wykonania ogniwa) w połączeniu z pewną nieuniknioną różnicą współczynników rozszerzalności termicznej poszczególnych komponentów ogniwa powoduje, że ogniwo narażone jest na znaczne naprężenia termiczne, które mogą łatwo doprowadzić do zniszczenia ceramicznych elementów. Z drugiej strony brak w ogniwie fazy ciekłej, umożliwia dość swobodne kształtowanie jego geometrii. Stąd pojedyncze ogniwa SOFC są wytwarzane w różnorodnej geometrii (rurowe, płaskie monolityczne, jednokomorowe), co sprawia, że są one często stosowane w przemyśle energetycznym (posiadają największą spośród innych ogniw możliwą do uzyskania moc). Poza tym wysoka temperatura gazów resztkowych pozwala na wykorzystanie ich w turbinie gazowej sprzężonej z elektrogeneratorem, co podnosi całkowitą sprawność układu nawet do 80%. Ponadto tlenkowe ogniwa paliwowe są łatwe w budowie, tanie w eksploatacji i odporne na zniszczenia powstałe w czasie pracy.

Z wielu możliwych rozwiązań technologicznych największego postępu dokonano w rozwoju ogniw rurowych (Westinghouse - Siemens), a także w konstrukcji ogniw monolitycznych (np. Allied - Signal). Ogniwo rurowe, z którym wiąże się duże nadzieje, jest rurą trójwarstwową. Warstwa wewnętrzna jest omywana paliwem i stanowi anodę, warstwa środkowa to elektrolit, zaś warstwa zewnętrzna to katoda. Utleniacz przepływa na zewnątrz rury. Rozwiązanie rurowe ułatwia m.in. rozwiązanie problemu szczelności i minimalizuje przecieki.

Ogniwo paliwowe typu SOFC o kształcie rurowym

Zastosowanie ogniw SOFC: duże systemy energetyczne (w tym kombinowane) o mocy od kW do wielu MW.

Zalety ogniw SOFC to:

• Możliwości konstrukcyjne różnych kształtów (planarne, monolityczne, rurowe),
• Wyższa sprawność w porównaniu z innymi ogniwami (45-60%),
• Długi czas życia rzędu 40 000 h,
• Dostępność i niska cena potrzebnych do budowy materiałów ceramicznych (nie stosuje się metali szlachetnych, w tym Pt),
• CO może być składnikiem paliwa,
• Łatwość operowania elektrolitem i odpadami (w porównaniu do elektrolitów ciekłych, które powodują korozję oraz są trudne do przechowywania i transportu),
• Wysokiej jakości ciepło zrzutowe (siłownie energii skojarzonej osiągają sprawność ponad 80-85%),
• Możliwość realizacji wewnętrznego reformingu paliw węglowodorowych.

Wady ogniw SOFC to:

• Problem z otrzymaniem elektrolitu stałego pozbawionego porowatości otwartej,
• Problemy z uszczelnieniem stosu,
• Ogniwo SOFC wymaga licznych i skomplikowanych systemów wspomagających pracę (podgrzewacze powietrza i paliwa, urządzenia chłodzące),
• Skomplikowana procedura rozruchowa,
• Wysokie koszty otrzymania paliwa o pożądanej czystości (np. otrzymanie czystego H₂).

Jak informuje czasopismo Fuel Cell Industry Report (Czerwiec 2008, Vol. 9, No.6) Unia Europejska przeznaczyła 1 mln euro na projekt rozwoju ceramicznych ogniw paliwowych SOFC zasilanych metanolem, mających stanowić napęd statków żeglugi morskiej. Projekt ten jest realizowany przez Konsorcjum koordynowane przez fińską korporację Wartsila, w skład którego, obok Wartsila, wchodzą: Lloyd's Register, Wallenius Marine, Uniwersytet Genua oraz Det Norske Veritas AS