Celle a combustibile completamente ceramiche
Le SOFC, in confronto ad altre celle a combustibile, sono particolarmente flessibili in termini di compatibilità al combustibile poiché possono usare diversi idrocarburi per produrre elettricità. Questo rende le SOFC molto adatte alla cogenerazione stazionaria di calore e agli impianti di alimentazione che funzionano con gas naturale o con altri idrocarburi combustibili. Le SOFC convenzionali sono afflitte da tre problemi principali come conseguenza dei materiali usati per l’anodo, ovvero il nichel (Ni) sotto forma di cermet compositi di nichel. Nello specifico, esse sono sensibili alla formazione di depositi carboniosi (coking), alla disattivazione causata da tracce di zolfo (spesso presenti nelle condutture di gas naturale) e al guasto dell’elettrodo durante la riossidazione. Gli scienziati hanno iniziato il progetto SCOTAS-SOFC (Sulphur, carbon, and re-oxidation tolerant anodes and anode supports for solid oxide fuel cells), finanziato dall’UE, per superare questi problemi. Essi hanno integrato nuovi materiali, ovvero titanati di stronzio, in progettazioni esistenti e collaudate di SOFC e hanno sviluppato processi di fabbricazione convenienti e scalabili a livello industriale. Il team di SCOTAS-SOFC si è concentrato su progettazioni completamente ceramiche per le SOFC e, nello specifico, su celle a combustibile anodo-supportate ed elettrolita-supportate con temperature di funzionamento comprese rispettivamente tra 700-800 °C e 850-900 °C. Tre differenti materiali basati sul titanato di stronzio sono stati presi in considerazione per gli anodi: titanato di stronzio sostituito con lantanio e calcio, titanato di stronzio sostituito da ittrio e titanato di stronzio modificato da niobio. Per le prove sono state fabbricate celle anodo-supportate con metodi scalabili a livello industriale. I test iniziali hanno dimostrato delle prestazioni promettenti, oltre a una grave degradazione dopo parecchie ore di funzionamento. Quando gli anodi venivano permeati con elettrocatalizzatori, come il nichel assieme al cerio modificato da gadolinio, era possibile mantenere delle prestazioni stabili. Sono state quindi fabbricare celle elettrolita-supportate da 100 cm2 che sono state testate per quanto riguarda la resistenza all’esposizione allo zolfo. Le nuove celle a combustibile hanno dimostrato di essere resistenti alla riossidazione dell’anodo una volta cessata la loro attività, sia con che senza l’abbassamento della temperatura della cella. Ma soprattutto è stata dimostrata per la prima volta un’efficienza del 21 % in una SOFC ceramica basata sull’anodo. I risultati di SCOTAS-SOFC hanno dimostrato la fattibilità del nuovo concetto di cella e il suo potenziale per migliorare la resistenza delle SOFC. Anche se un ulteriore lavoro di ricerca e sviluppo è necessario prima che gli anodi ceramici possano competere con gli anodi Ni-cermet all’avanguardia, una porta è stata aperta all’utilizzo delle SOFC nella cogenerazione di calore ed energia elettrica.
Parole chiave
Ceramico, cella a combustibile, SOFC, titanato stronzio, cogenerazione calore ed energia, SCOTAS-SOFC
