Modelli di deterioramento dell’anodo nelle celle a combustibile
Le celle a combustibile convertono l’energia chimica presente nelle molecole in energia elettrica senza combustione. Le SOFC sono in grado di convertire una varietà di combustibili come ad esempio gas naturale, gas illuminante, biogas o idrogeno in elettricità. Inoltre, esse hanno delle efficienze molto elevate e bassi costi legati ai materiali. Il principale ostacolo a un’ampia penetrazione sul mercato è stato il deterioramento dell’anodo e, anche se dei grossi sforzi sono stati compiuti per contrastarlo, il problema ha continuato a rappresentare una sfida. Un grande consorzio multinazionale ha lanciato il progetto ROBANODE (Understanding and minimizing anode degradation in hydrogen and natural gas fuelled SOFCs), finanziato dall’UE, per condurre approfonditi studi sperimentali e di modellazione a supporto di un’importante svolta. Essi si sono concentrati su anodi modificati all’avanguardia in cermet basati sul nichel (Ni). La cella a combustibile è formata dall’ossido solido o materiale ceramico dell’elettrolita incastrato tra un anodo e un catodo, in sostanza i rivestimenti dell’elettrolita. Vicino all’anodo il combustibile si ossida. Oltre alle eccellenti efficienze e alla flessibilità per quanto riguarda il combustibile, le temperature di funzionamento molto elevate facilitano il reforming del combustibile direttamente dentro la cella a combustibile senza il bisogno di un reforming esterno. Nelle SOFC alimentate a idrogeno, il deterioramento dell’anodo è caratterizzato soprattutto da cambiamenti microstrutturali. Nelle SOFC alimentate con gas naturale o altri idrocarburi, deposizione di carbonio e avvelenamento da zolfo sono i principali tipi di degradazione che colpiscono sia l’attività elettrochimica che quella catalitica per il reforming interno. I ricercatori intendevano consentire delle modifiche mirate degli anodi in cermet basati sul nichel per ogni tipo di combustibile in modo da ottenere i cambiamenti desiderati nelle proprietà. L’ampia campagna sperimentale e il lavoro teorico di ROBANODE hanno portato allo sviluppo di due modelli matematici capaci di simulare i processi chiave durante il deterioramento dell’anodo nelle SOFC. Inoltre, le modifiche suggerite per aumentare la durata stanno suscitando l’interesse dell’industria, in particolare riguardo al promettente comportamento resistente a carbonio e zolfo degli anodi a base di nichel modificati con oro durante il reforming con vapore ricco di metano. Ci si aspetta che l’applicabilità commerciale del metodo di modifica mediante polvere compensi il maggiore costo dovuto all’utilizzo dell’oro. Il lavoro è stato divulgato in modo ampio in prestigiose rivista a revisione paritaria e conferenze internazionali. ROBANODE ha migliorato le conoscenze che dovrebbero aumentare la durata degli anodi delle SOFC, portando a una più diffusa accettazione da parte del mercato di questo fornitore di elettricità con basse emissioni.
Parole chiave
Deterioramento anodo, celle a combustibile a ossido solido, gas naturale, elettricità, idrogeno
