Vysokoteplotní palivové články, vhodná paliva a možnosti jejich využití (I)

1.Úvod

Palivové články ^1,2 jako elektrochemické reaktory jsou schopné měnit chemickou energii na elektrickou energii. Tyto články jsou v zásadě schopné dosahovat vyšší účinnosti přeměny energie paliv na elektrickou energii ^3,4 než konvenční termické systémy se spalováním paliv a tepelnými motory (např. turbínami) pro přeměnu tepla na užitečnou, elektrickou energii. Palivové články mají také přednosti v emisní oblasti. Vzhledem k tomu, že pracují obvykle v oblasti teplot 20 - 1000 °C a vzhledem k nutnosti využívání čistých paliv, emise NO_x, SO_x, prachu a těžkých kovů jsou zanedbatelné.

U vysokoteplotních palivových článků (VPČ), pracujících za teplot nad 600 °C, se doposud vyvinuly dva základní typy článků ^1,2:

• Palivový článek využívající jako elektrolyt roztavenou směs alkalických uhličitanů (tzv. Molten Carbonate Fuel Cell) a pracující za teplot nejčastěji okolo 650 °C.
• Palivový článek s pevným oxidickým elektrolytem - nejčastěji na základě ZrO₂ tj. palivový článek s pevnými, stabilními oxidy (tzv. Solid Oxide Fuel Cell) pracující za teplot 700 - 1000 °C.

I když u palivových článků běžně klesá teoretická termodynamická účinnost a maximální dosažitelné elektrické napětí článku s rostoucí teplotou provozu ¹, chemické reakce a elektrochemické procesy probíhají rychleji a reálné ztráty v palivových článcích bývají nižší a jejich proudová zatížitelnost bývá často vyšší než za nižších teplot. VPČ umožňují využití vysoko-potenciálního tepla výstupních plynů např. k ohřevům, endotermním reakcím (zplyňování, reformování), případně v parních a plynových cyklech pro dodatečnou výrobu elektrické energie. Kombinace vysokoteplotních palivových článků s využitím odpadního tepla a nespotřebovaných paliv v tepelných motorech vede k vysoké celkové teoretické účinnosti přeměny chemické energie paliva na elektrickou energii v širším rozmezí teplot ^1,3 - viz obr. 1. Skutečně dosažitelná účinnost přeměny energie paliva na užitečnou práci může být pak také vyšší než účinnost samostatného tepelného motoru za daných podmínek.

Obr. 1: Schéma teoretických limit účinností pro tepelný motor
(Carnotův cyklus s nižší teplotou 100 °C),
vodíkový palivový článek a celková teoretická účinnost
pro kombinovaný systém palivové články-tepelný motor ¹ (turbína).

Po stránce využitelnosti paliv mají vysokoteplotní články nespornou výhodu před nízkoteplotními palivovými články v tom, že mohou využívat jako palivo nejen čistý vodík, ale také oxid uhelnatý, různé směsi vodíku s CO a dokonce také metan, při možnosti "vnitřního" katalyzovaného reformování metanu pomocí vznikající vodní páry na směs CO + H₂. Plynné palivo, zvláště zředěné inertním plynem nemůže být prakticky zcela využito ve VPČ a musí se proto dále energeticky zhodnotit např. spalováním.

Jako oxidační prostředek se používá ve vysokoteplotních palivových článcích obvykle buď vzduch (SOFC), nebo směs vzduchu s CO₂ u MCFC. Zvyšování tlaku oxidačního plynného prostředku a plynného paliva vede ke zvýšení dosažitelného napětí palivových článků a snížení některých ztrát. Rozhodující je však vliv teploty na ztráty a provozní charakteristiky vysokoteplotních palivových článků.

K nevýhodám a nedostatkům současných VPČ patří neuspokojivě vyřešené problémy s citlivostí k sirným sloučeninám, prachu, sazím, dehtům, parám těžkých a alkalických kovů v palivu ^1,2. Proto není možný jejich dlouhodobý spolehlivý provoz bez náležitého čištění "palivových" plynů. Přímé využití tuhých paliv (např. uhlíku) ve vysokoteplotních palivových článcích, i když se to zdá teoreticky výhodné ⁵ - viz Tabulka I - je komplikováno relativně pomalejší reakcí a difuzí (hlavně typu pevná látka v pevné látce) v případě SOFC.

Palivo a produkt	T = 300 K			T = 1000 K
Oxidace	ΔHf	ΔGf	η	ΔHf	ΔGf	η
H2 → H2O(g)	-241,844	-228,538	0,945	-247,858	-192,713	0,778
CO → CO2	-282,976	-257,025	0,908	-282,605	-195,549	0,691
CH4(g) → H2O(g) + CO2	-802,264	-800,839	0,998	-800,466	-800,812	1,000
Butan(g) → H2O(g) + CO2	-2656,948	-2703,863	1,018	-2661,814	-2817,277	1,058
Metanol(g) → H2O(g) + CO2	-675,958	-689,238	1,020	-673,090	-725,058	1,077
Etanol(g) → H2O(g) + CO2	-1277,640	-1306,568	1,023	-1277,902	-1378,317	1,079
C(s) → CO	-110,53	-137,345	1,243	-112,021	-200,261	1,788
C(s) → CO2	-393,506	-394,370	1,002	-394,626	-395,810	1,003

Tabulka I: Teoretické max. dosažitelné účinnosti η přeměn energie různých paliv vyjádřené jako spalovací nebo
reakční entalpie ΔH_f (kJ/mol) na užitečnou práci vyjádřenou jako ΔG_f (kJ/mol) za teplot 300 a 1000 K
(Thermochem. data - Barin I.⁷).

Velkou výzkumnou výzvou v oblasti VPČ je výzkum nových materiálů pro elektrody a elektrolyty palivových článků, které by umožňovaly spolehlivé a účinné fungování baterií palivových článků za teplot pod 800 °C. Pro sestavování baterií a energetických jednotek s VPČ pro dlouhodobou výrobu elektrické energie je nutná tepelně-roztažnostní a chemická kompatibilita všech materiálů palivových článků včetně spojovacích členů a těsnicích materiálů a jejich dlouhodobá termomechanická a chemická stabilita.

2. Způsob přeměny energie v palivových článcích, účinnost a ztráty

2.1 Princip palivových článků
V případě palivových článků je to Gibbsova volná energie G, která udává množství energie, které je přeměnitelné na externí, užitečnou práci. V palivovém článku - viz obr. 2 - externí práce zahrnuje pohyb elektronů v elektrickém obvodu (elektrickou práci). Práce spojená se změnou objemu mezi vstupem a výstupem plynů není v palivovém článku využívána. Změna v Gibbsově volné slučovací energii mezi vstupními a výstupními látkami v palivovém článku ΔG_f pak udává reakcí uvolněnou energii:

ΔG_f = G_f (produktů) - G_f (reaktantů)     (1)

kde ΔG_f je funkcí teploty, množství a stavu (fází) reaktantů a produktů - viz např. Tabulka I. Pro vztah mezi ΔG_f a elektromotorickou silou platí v systémech s reverzibilními ději (beze ztrát) rovnice:

ΔG_f = - z * F * E_th      (2)

kde ΔG_f je změna volné Gibbsovy energie vztažená na mol reagující látky, z je počet elektronů přenášených pro každou molekulu paliva (obvykle dvojnásobek počtu reagujících atomů kyslíku), F je Faradayův náboj = 96 485 Coulombů/mol a E_th je elektromotorická síla (elektrické napětí) v otevřeném elektrickém obvodu s palivovým článkem, kterým neprochází proud. Je to vlastně maximální teoreticky dosažitelné elektrické napětí v palivovém článku.
Za vyšších teplot (nad asi 600 °C) jsou pro různá paliva dosahovaná maximální elektrická napětí v poměrně úzkém rozmezí (asi 1 - 1,26 V). Z hlediska maximálně dosažitelných hodnot napětí jsou nejlepšími palivy pro VPČ nižší alkoholy a uhlovodíky.

Obr. 2: Schéma vodíkového palivového článku a možné schéma
uspořádání soustavy ("věže") palivových článků spojovaných
tzv. bipolárními deskami s oddělenými přívody paliva a kyslíku.

2.2 Účinnost článků

Teoretická termodynamická účinnost η_th palivových článků se většinou udává jako poměr ΔG_f /ΔH_f:

η_th = ΔG_f / ΔH_f    (3)

kde ΔH_f je molární entalpie pro oxidační reakce paliv. Pro některé oxidační reakce dosahují tyto účinnosti hodnot okolo 1 (oxidace metanu, alkoholů) nebo dokonce mnohem větších než 1 (např. při spalování uhlíku ³) - viz Tabulka I. V případě chemických reakcí, kdy poměr ΔG_f / ΔH_f je větší než jedna (tj. při kladné změně entropie chemické reakce), se vlastně jedná o přeměnu nejen energie paliva, ale také části tepla z okolí na práci, takže skutečnou limitou je pro tento případ ⁶ hranice účinnosti 100 % (ΔGf = ΔH_f). Palivové články využívající chemických reakcí, kde ΔG_f / ΔH_f > 1, by byly teoreticky výhodné pro přímou přeměnu tepla z okolí na užitečnou práci.

Reálná, praktická účinnost η_re palivových článků se může udávat jako poměr užitečného elektrického výkonu (E_re * I_re) k celkovému energetickému výkonu vstupujícího paliva:

(η_re )₁ = - E_re * I_re / (ΔH_f * n_in)    (4)

nebo přesněji jako poměr užitečného elektrického výkonu palivového článku a energetického výkonu skutečně spotřebovaného paliva:

(η_re )₂ = - E_re * I_re / [(ΔH_f * (n_in - n_out)]   (5)

kde I_re je skutečný elektrický proud procházející obvodem s palivovým článkem (články), E_re je skutečné napětí při proudu I_re, n_in a n_out jsou vstupní a výstupní molární toky paliva (mol/s). Dá se také zavést stupeň využití paliva η_pal podle rovnice:

η_pal = (n_in - n_out) / n_in     (6)

Obr. 3: Příklad ⁸ závislostí účinností (η_re)₁ a (η_re)₂ výroby elektrické energie a stupně využití
paliva-vodíku u sériové baterie pěti vysokoteplotních článků typu SOFC při 900 °C
na proudové hustotě. Aktivní plocha deskových článků je 361 cm².

Příklad typické závislosti účinností (η_re)₁ a (η_re )₂ na proudové hustotě a stupni využití paliva pro baterii 5 sériově zapojených vysokoteplotních článků ⁸ typu SOFC při teplotě 900 °C je na obr. 3. Účinnost VPČ vztažená na energii skutečně spotřebovaného paliva (η_re )₂ dosahuje při nízkých proudových hustotách nejvyšších hodnot, blízkých η_th. Hodnoty účinnosti vztažené na energii vstupujícího paliva dosahují nejvyšších hodnot při poměrně vysokých proudových hustotách (nad 600 mA/cm²). Běžně se u VPČ uvažuje s 60 až 85 % využitím vstupujícího paliva, kdy účinnost (η_re )₁ dosahuje pro vodíkové palivo 30 až 50 %.

Praktické maximální reálné účinnosti dosahované v současnosti u větších jednotek s VPČ o elektrickém výkonu nad 10 kW jsou okolo 50 %.

3. Hlavní typy vysokoteplotních palivových článků a obvyklé uspořádání

Soustředíme-li se na skutečně vysokoteplotní palivové články, pak se dosud vyvinuly dva základní typy: článek s elektrolytem na bázi roztavené směsi alkalických uhličitanů ^9-12 (MCFC) pracující za teplot 600 - 700 °C (nejčastěji okolo 650 °C) a palivové články s pevným oxidickým elektrolytem ^13-16 většinou zatím na bázi ZrO₂ (články typu SOFC), pracující za teplot 700 - 1000 °C, nejčastěji 800 - 900 °C.

3.1 Palivové články s elektrolytem ve formě roztavené směsi alkalických uhličitanů (MCFC)

Elektrolytem v tomto typu palivového článku je roztavená směs alkalických uhličitanů. Obvykle se jedná buď o binární směs uhličitanů lithia a draslíku či lithia a sodíku nebo ternární směs Li₂CO₃, Na₂CO₃ a K₂CO₃. Tato směs je držena (upoutána) v keramické matrici na bázi Li₂OAl₂O₃. Za vysokých teplot 600 - 700 °C tvoří roztavené uhličitany vysoce elektricky vodivou taveninu s uhličitanovým aniontem (CO₃)^2- umožňujícím iontovou vodivost.

Obr. 4: Schéma vysokoteplotního palivového článku s elektrolytem obsahujícím
roztavenou směs alkalických uhličitanů (MCFC) s vodíkem a CO jako palivy.
Do katodové oblasti musí být uváděna směs kyslíku a CO₂ přibližně v poměru 1 : 2 .

Schéma tohoto palivového článku (MCFC) pro vodík a pro CO jako palivo je na obr. 4. Zvláštností tohoto článku je nutnost přivádění směsi kyslíku a CO₂ na katodu, kde se CO₂ proměňuje elektrochemickou reakcí na ionty (CO₃)^2-. Tyto ionty se pohybují kapalným elektrolytem k anodě, kde reagují např. s vodíkem na vodu a oxid uhličitý za uvolnění elektronů. Uvolněné elektrony jsou po průchodu vnějším obvodem spotřebovávány na katodě při reakci CO₂ s kyslíkem. Teoretická napětí palivového článku typu MCFC pro vodík a CO jako paliva jsou za teplot okolo 650 °C velmi blízká, okolo 1,04 voltu. V praxi se pro takové články používá jako palivo často směs CO + H₂ (např. po reformování metanu vodní parou) nebo je dokonce možné přímo uvnitř tohoto palivového článku částečně reformovat metan pomocí vodních par vznikajících na anodě, přičemž teplo potřebné k endotermní reakci je odebíráno horkým produktům (spalinám). Oxid uhelnatý v přítomnosti vodních par reaguje částečně na CO₂ a vodík podle reakce:

CO + H₂O ⇔ CO₂ + H₂   (7)

Konstrukce článku MCFC vychází z elektrolytu imobilizovaného v porézní keramické matrici s malými póry, zatímco elektrody mají větší póry, které jsou jen částečně zaplněny taveninou. Správné rozdělení elektrolytu v pórech a relativně malé tlakové rozdíly mezi katodou a anodou jsou velmi podstatné pro správnou funkci článku. Různé nežádoucí děje jako vypařování uhličitanů, koroze kovových materiálů elektrod ¹⁷ v taveninách alkalických uhličitanů, migrace a vysrážení nečistot mezi elektrodami a elektrolytem ¹⁸ apod. přispívají k problémům při dlouhodobějším využívání MCFC. Elektrolytem je směs uhličitanů Li₂CO₃ a Na₂CO₃ nebo Li₂CO₃ + K₂CO₃, která je upoutána v matrici α a či β LiAlO₂ o tloušťce asi 0,5 - 1 mm. Za typických provozních podmínek je elektrolyt odpovědný za asi 70 % ohmických ztrát v MCFC.

Anoda ^1,9 je dnes tvořena různými typy slitin Ni-Cr, případně Ni-Cr-Al, úvodní porozita bývá 50 - 70 %, tloušťka anody bývá 0,2 - 1,5 mm. Katoda^1,9 je tvořena nejčastěji NiO (např. NiO dopovaným lithiem) s asi 60 % porozitou, tloušťkou 0,5 - 1 mm a pory o průměru asi 7 - 16 mm. Problémem současných katod na bázi NiO je sice malá, ale významná rozpustnost v uhličitanové tavenině. Ionty niklu difundují k anodě, kde se redukují na kovový nikl, který se sráží v elektrolytu a postupně zkratuje článek (zvyšuje elektronovou vodivost elektrolytu).

Baterie (serie) článků typu MCFC mají různé provedení bipolárních desek (např. se žebrováním, zvlněnými plechy, kovovými deskami s kanálky pro plyny apod.). Uspořádání článků do seriových baterií ("stack") může být buď ve formě paralelních desek položených horizontálně, nebo prstenců zařazených do sloupců. Typické pro všechna tato uspořádání je nutnost přivádění paliva i oxidačního media paralelně ke všem článkům, což vyžaduje externí nebo interní rozdělovací potrubí. Relativně jednoduché vnější rozdělování plynů vede obvykle ke křížovému toku paliva a oxidantu, což může způsobovat významné teplotní rozdíly ve článcích na povrchu elektrod. Aby se částečně zmírnily koncentrační a teplotní rozdíly ve článcích, má palivová i oxidační strana další rozvodné vnitřní rozdělovací kanálky (internal manifolds). Vnější těsnění jsou nejčastěji z vhodné keramické plsti (např. ZrO₂, Al₂O₃ apod.). K těsnění vnitřních rozvodů se používá materiálu matrice elektrolytu.

Demonstrační jednotky s články MCFC prokázaly elektrickou účinnost (vztaženou k výhřevnosti paliva) okolo 50 %. Celkovou účinnost při využití odpadního tepla je však možno zvýšit na 60 až 80 %. Emise NO_x z jednotek o výkonu desítky a stovky kW dosahovaly hodnot pod 10 ppm obj. Emise SO₂ byly zanedbatelné, protože již plynné palivo musí mít obsah síry pod asi 2 ppm.

3.2 Palivové články s pevnými elektrolyty na bázi oxidů kovů (SOFC)

Obr. 5: Schéma palivového článku s pevným elektrolytem (SOFC) pro využití CO jako
paliva a schéma uspořádání a propojení trubkových palivových článků ¹ typu SOFC.

Děje v palivovém článku typu SOFC jsou schematicky znázorněny na obr. 5 . Palivové články typu SOFC jsou výjimečné tím, že neobsahují ani pro svou funkci nepotřebují kapalný elektrolyt. Funkci elektrolytu obstarává iontově vodivý keramický materiál. Celý palivový článek je jednodušší než ostatní palivové články a může být také kompaktnější. Články typu SOFC umožňují transport O^2- iontu z katody přes elektrolyt k anodě. Až donedávna byl elektrolytem u SOFC prakticky jen ZrO₂ stabilizovaný oxidem ytria Y₂O₃ (YSZ). Za teplot nad asi 800 °C se ZrO₂ stává vodivým pro O^2- ionty. Iontová vodivost ytriem stabilizovaného ZrO₂ je při 800 °C asi 0,02 S/cm a při 1000 °C je již asi pětkrát vyšší a srovnatelná s vodivostí kapalných elektrolytů. Navíc vrstva pevného elektrolytu může být velmi tenká (desítky µm) kvůli dosažení nízkého elektrického odporu ¹.

Nověji se ukazuje ^19,20 jako vhodný elektrolyt z hlediska relativně vyšší elektrické vodivosti za teplot okolo 650 - 750 °C ZrO₂ s přísadou Sc₂O₃ . Některé materiály, jako např. CeO₂, mají vyšší O^2- vodivost než ZrO₂, ale jsou méně stabilní ^19,20 v prostředí s nízkou koncentrací kyslíku (blízko anody). Přídavkem speciálních dopantů (např. na bázi Ga) se však dá situace zlepšit. Zcela nově byly objeveny směsné keramické materiály na bázi směsného oxidu LaSrGaMgO (tzv. LSGM), které vykazují ^19-21 nejvyšší iontovou vodivost a již při teplotě 800 °C dosahují parametrů ytriem stabilizovaného ZrO₂ při teplotě 1000 °C.

Jako anoda slouží směsné keramicko-kovové sintrované materiály (cermety) na bázi Ni a stabilizovaného ZrO₂. Porozita anody bývá 20 - 50 % kvůli dobrému transportu a větší reakční ploše. Pro zmenšení ohmických polarizačních ztrát na rozhraní anody a elektrolytu se zkoušejí dvouvrstvé anody. Materiál anod může být také uzpůsoben ke katalytickému reformování např. metanu ^1,22 na směs CO a H₂. Trvalejší provoz SOFC článků při vysokých proudových hustotách vede ke zvyšování odporu anody vlivem aglomerace Ni-částic.

Katody u článků typu SOFC mají porézní strukturu a jsou vyrobeny buď z LaMnO₃ dopovaného stronciem (LSM) nebo různých směsných oxidů typu perovskitu ^20,23 s p-typem vodivosti a směsnou iontovou a elektronovou vodivostí. Tyto katody umožňují efektivní provoz palivových článků (společně s elektrolytem LSGM) za teplot i pod 800 °C. Nověji se ukazují jako vhodné, zvláště pro SOFC pracující za teplot pod 800 °C, katody na bázi směsných kobaltitanů La, Sr a Fe (tzv. LSFC katody). Materiály na bázi LSFC a směsné matriály typu LSFC/Ce_0,9Sm_0,1O_1,95 mají oproti klasickým LSM katodám rychlejší kinetiku a vyšší difuzní koeficient kyslíku. Typickým problémem při dlouhodobém provozu SOFC článků a cyklických změnách teplot je odchlipování materiálu katody ²⁰ od elektrolytu, což vede ke zvyšování elektrického odporu.

Konstrukčně se vyvinuly a již se také komerčně vyrábějí např. v Holandsku dva základní typy tenkých planárních SOFC článků o aktivní ploše více než 100 cm² :

• Články s mechanicky nosnou vrstvou elektrolytu (typ 3YSZ, tloušťka 130 - 150 µm)
  Tyto tzv. ESC články (electrolyte supported cell) mají doporučenou pracovní teplotu 900 - 950 °C. Tloušťka NiO/CeO anody a LSM katody je mezi 30 až 60 µm.
• Články s mechanicky nosnou, robustní, dvouvrstvou anodou (400 - 600 µm tlustou) a tenkou vrstvou elektrolytu typu 8YSZ pouze 10 - 25 µm silnou. Tyto tzv. ASC články mají doporučenou pracovní teplotu 700 - 850 °C.

ASC-články mají menší vnitřní ztráty (vyšší napětí při stejné proudovém zatížení) a lépe umožňují přímý parní reforming metanu na anodě.

Jiné řešení, používané v průmyslu velkými firmami (např. Siemens-Westinghouse, USA), je založeno na trubkovém porézním nosiči a palivovém článku ve tvaru trubky.

Skupiny a řetězce (baterie) článků typu SOFC používají dnes obvykle dva základní způsoby uspořádání: svazky paralelních trubkových článků s kovovými nebo směsnými kontakty ^1,24 (viz obr. 5) a vícevrstvé planární uspořádání článků ^1,25 s tzv. bipolárními deskami pro spojování jednotlivých článků (viz obr. 2) a zároveň pro přívod plynů k anodě a katodě. V literatuře jsou však popsaná i jiná uspořádání ^19,26 často využívající tenkých vrstev elektrolytů ²⁷ a elektrod nebo dokonce uspořádání s monolitickými bloky.

Trubkové uspořádání článků má výhodu oproti planárnímu uspořádání v možnosti konstrukce baterií těchto článků prakticky bez použití těsnění, s odvodem mírně unikajících palivových plynů v odpadním vzduchu, společně s jejich vyhořením. Schéma možného řešení je na obr. 6. Problémem jsou však vhodné materiály pro výrobu spojů mezi trubkovými články a celkově relativně pracnější a dražší výroba. Planární články mají výhodu v relativně snadné a automatizovatelné výrobě pomocí páskového odlévání a sítového tisku elektrod. Jejich nevýhodou je větší křehkost za vysokých teplot pod mechanickým napětím a hlavně problémy s utěsněním baterií článků s kovovými bipolárními spojovacími členy.

Obr. 6: Schéma možného uspořádání trubkových vysokoteplotních palivových článků
typu SOFC, které nevyžaduje speciální vysokoteplotní utěsnění.

Kompaktní uspořádání trubkových článků SOFC s většími možnostmi utěsnění dovoluje také provoz za zvýšených tlaků plynů, a tím také umožňuje využití článků SOFC a odpadního tepla z nich v kombinovaných paro-plynových cyklech s plynovými a parními turbínami. V Japonsku byl např. zkoušen systém se 414 trubkovými články SOFC o výkonu 10 kW, který pracoval ¹⁹ při tlaku 0,5 MPa. Optimální teplota pro starší články s elektrolytem na bázi ZrO₂ je 900 - 1000 °C, pro nověji vyvinuté články s tenko-vrstvými elektrolyty je optimální teplota nižší: mezi přibližně 700 - 850 °C.

Během provozu SOFC článků v bateriích a velkých soustavách dochází k časovým a místním rozdílům teplot, složení plynů a tlaku. Teplotní rozdíly mezi vstupem a výstupem plynů dosahují běžně hodnot okolo 100 °C. V případě vnitřního, endotermního reformování metanu jsou místní teplotní rozdíly daleko vyšší. Teplotní gradienty vyvolávají mechanická napětí ve článku a nerovnoměrnosti elektrochemických dějů a proudových hustot.

Keramické materiály článků špatně snášejí velké a opakované změny teplot při současné mechanické zátěži, což může vyvolat i jejich praskání. Utěsnění např. přívodu a odvodu plynů je při měnících se vysokých teplotách také problémem. Jako těsnicí hmoty se používají plsti a tkaniny z keramických vláken, speciální keramické tmely a skla nebo kombinace plstí se speciálními keramickými tmely. Dlouhodobě spolehlivá uspořádání SOFC článků do baterií a bloků, vhodné tvary a materiály spojovacích a bipolárních členů, vhodné vnitřní rozdělovače plynů pro zmenšení tepelných nerovnoměrností a těsnění se stále hledají a zkoušejí a nebývají uváděny v tzv. "otevřené" literatuře. Snižování provozní teploty SOFC článků kvůli menšímu namáhání, možnosti použití levnějších materiálů a lepšímu utěsňování soustav článků má smysl, z hlediska tepelné integrace VPČ, do asi 600 °C. Při nižších teplotách již klesá využitelnost odpadního tepla v parních a kombinovaných cyklech.

Uspořádání článků SOFC je možné kombinovat nejen s využitím tepla, případně i tlaku produkovaných plynů v turbínách, ale po odstranění CO v produkovaných plynech ze článků SOFC a po snížení teploty také s nízkoteplotními palivovými články. Články typu SOFC vyžadují také čistší paliva s velmi nízkým obsahem síry. Přítomnost oxidu uhličitého v katodovém prostoru nevadí, protože CO₂ se chová jako inert. Produkce oxidů dusíku palivovými články typu SOFC je velmi nízká.

Jiné, samostatné typy problémů (popsané v další kapitole) přináší využitelnost plynných a kapalných paliv a vnitřní katalytická reformace uhlovodíků v anodové oblasti. Zde hrozí při špatně tepelně řízeném procesu (nerovnoměrné teploty) a nevhodném palivu, případně nevhodném ředění paliva vznik sazí, případně deaktivace až zničení katalyzátoru i anody.

LITERATURA:
1. Larminie J., Dicks A.: Fuel Cell Systems Explained. Wiley, Chichester, 2001.
2. Appleby A.J., Foulkes F.R.: A Fuel Cell Handbook. 2.vyd., Kreiger , Huntington, 1993.
3. Haynes C.: J. Power Sources 92, 199 (2001).
4. Demin A., Tsiakaras P.: Int. J. Hydrogen Energy 26, 1103 (2001).
5. Peelen W.H.A., Hemmes K., de Wit J. H. W.: High Temp. Mater. Process. 2, 471 (1998).
6. Lutz A.E., Larson R.S., Keller J.O.: Int. J. Hydrogen Energy, 27, 1103 (2002).
7. Barin I. : Thermochemical Data of Pure Substances. 3. vyd. VCH, Weinheim, 1995.
8. de Haart L.G.J., Vinke I.C., Janke A., Ringel H. Tietz F.: v knize Solid Oxide Fuel Cells VII, H. Yokokawa, S.C. Singhal Ed., PV 2001-16, str. 111. The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington 2001.
9. Bosio B., Costamagna P., Parodi F., Passalacqua B.: J. Power Sources 74, 175 (1998).
10. Mathur A., Bali S., Balakrishnan M., Perumal R., Batra V.: Int. J. Energy Res. 23, 1177 (1999).
11. Lobachyov K.V., Richter H.J.: Energy Convers. Mgmt. 39, 1931 (1998).
12. Dicks A.L., Siddle A.: Assessment of Commercial Prospects of Molten Carbonate Fuel Cells. ETSU Report No. F/03/00168/REP, AEA Technology, Harwell, 1999.
13. Lobachyov K., Richter H.J.: J. Energy Resources Technol. 118, 285 (1996).
14. Lowrie F.L., Rawlings R.D.: J. Eur. Ceram. Soc. 20, 751 (2000).
15. McEvoy A.J.: J. Mater. Sci. 36, 1087 (2001).
16. Veyo S.E., Forbes C.A.: Proceedings of the 3 rd European Solid Oxide Fuel Cell Forum in Lausanne str. 79 (1998).
17. Biedenkopf P., Spiegel M., Grabke H.J.: Materials Corrosion 48, 488 (1997).
18. Kunz H.R.: J. Electrochem. Soc. 134, 105 (1987).
19. Yamamoto O : Elektrochim. Acta 45, 2423 (2000).
20. Tiffé E.I., Weber A,., Herbstritt D.: J. Eur. Ceram. Soc. 21, 1805 (2001).
21. Feng M., Goodenough J., Huank K., Milliken C.: J. Power Sources 63, 47 (1996).
22. Murray E.P., Tsai T., Barnett S.A.: Nature 400 , 649 (1999).
23. Das D., Edwards J., Kindermann L., Hilpert K., Putz G.: US patent 5 824 429, Int. Cl. H01M 4/90, 1998.
24. Isenberg H.O.: US patent 4 490 444, Int. Cl. H01M 8/12 , 1984.
25. Greiner H.: US patent 6 156 448, Int. Cl. H01M 8/12 , 2000.
26. Ringel H.: US patent 5 932 366, Int. Cl. H01M 8/12 , 1999.
27. Batawi E., Honegger K.: US patent 5 932 368, Int. Cl. H01M 4/86 , 1999.
28. Alderucci V., Antonucci P.L., Maggio G., Giordano N., Antonucci V.: Int. J. Hydrogen Energy 19, 369 (1994).
29. Novikov G.I., Gamanovič N. M.: Ž. Prikl. Chim. 70, 1098 (1997).
30. Clarke S.H., Dicks A.L., Pointon K., Smith T.A., Swan A.: Catal. Today 38, 411 (1997).
31. Dicks A.L.: J. Power Sources 71, 111 (1998) .
32. Gür T.M., Huggins R.A.: US Patent 5 376 469, Int. Cl. H01M 8/12, 1994.
33. Wolk R.H., McDaniel J.: Energy Convers. and Manag. 33, 705 (1992).
34. Lobachyov K.V., Richter J.: Energy Convers. Mgmt. 38, 1693 (1997).
35. McIllveen D.R., Williams B.C., McMullan J.T.: Renewable Energy 19, 223 (2000).
36. Jansen D., Mozaffarian M.: Energy Convers. Mgmt. 38, 957 (1997).
37. Ahmed S., Krumpelt M.: Int. J. Hydrogen Energy 26, 291 (2001).
38. Kriechbaum K., Filip G.: US patent 6 136 462, Int. Cl. H01M 8/04, 2000.
39. Nielsen J.R., Christiansen L.J., Petersen K.A.: US patent 5 688 609, Int. Cl. H01M 8/10, 1997.
40. Hsu M.S.: US patent 5 747 185, Int. Cl. H01M 8/02, 1998.
41. Bevc F.: Proc. Inst. Mech. Engrs. 211, Part A , 359 (1997).
42. Hassmann K., Heidug W.K., Veyo S.: Brennstoff-Wärme-Kraft 51 , 40 (1999).
43. Wolfe D., Minh N., Meister K., Matulich D.: US patent 5 968 680, Int. Cl. H01M 8/04, 1999.
44. StockA.: US patent 6 124 050, Int. Cl. H01M 8/04, 2000.