Il mondo delle SOFC, o celle a combustibile ad ossidi solidi

Articolo a cura di Riccardo MELLONE

Le celle a combustibile (Fuel Cells) sono dei dispositivi elettrochimici in grado di operare una conversione diretta da energia chimica ad energia elettrica. Sotto forma di corrente continua fra due elettrodi, fra cui viene mantenuta una differenza di potenziale.

Uno dei principali vantaggi è il raggiungimento di rendimenti di conversione elevati. Evitando le irreversibilità di combustione tipiche dei cicli termodinamici.

Celle a combustibile ad alta temperatura

Le SOFC rientrano nella categoria delle celle a combustibile ad alta temperatura, con un range compreso tra i 600 e i 1000 °C.

Vantaggi:

• Flessibilità nell’utilizzo dei combustibili: non solo idrogeno ma anche metano e monossido di carbonio;
• Possibilità di effettuare la reazione di reforming del metano [CH4+H20 = CO + 3H2] direttamente nel lato anodico della cella, semplificando il layout dell’impianto;
• Possibilità di sfruttare il calore ad alta temperatura rilasciato dalla cella per impieghi cogenerativi (CHP) oppure in combinazione a cicli di miro-turbine a gas.

Svantaggi:

• Riduzione della tensione reversibile  (E_nernst);
• Riduzione della massima efficienza ideale;

Principali caratteristiche e limiti operativi

Le SOFC utilizzano come elettrolita un ossido metallico (YSZ, ossido di zirconio stabilizzato con ittirio) il cui reticolo cristallino presenta delle porosità attraverso le quali possono migrare gli ioni O⁼ quando la temperatura è sufficientemente elevata.

Vengono così eliminati i problemi di gestione delle differenti fasi a contatto fra di loro (gas-liquido-solido) e le  perdite attraverso l’elettrolita.

Catodo e Anodo sono realizzati in materiali ceramici, non essendo possibile utilizzare materiali più economici a causa delle alte temperature.

Le alte temperature raggiunte dalle celle pongono dei limiti dovuti alla stabilità chimica dei materiali e resistenza meccanica dovuti agli sforzi causati dalle dilatazioni termiche. Per mitigare questi problemi soluzioni a più bassa temperatura basate su differenti materiali sono attualmente in fase di studio.

Queste celle, grazie alla elevata temperatura di esercizio non necessitano l’uso di un catalizzatore per alimentare la reazione, riducendone il costo di esercizio.

Operativamente sono necessari alcuni minuti prima che il sistema raggiunga la temperatura alla quale l’elettrolita solido può permettere il passaggio degli ioni. La richiesta di un tempo di start-up abbastanza lungo, insieme alle dimensioni medie del sistema non permettono l’applicazione delle SOFC nel settore dei trasporti, sono invece consigliate per applicazioni stazionarie caratterizzate da continuità operativa.

Generazione distribuita

Partendo dal presupposto che l’efficienza del processo elettrochimico non risente di effetti di scala, la fabbricazione di celle di dimensione considerevole risulta svantaggiosa in quanto aumentano i problemi strutturali, di distribuzione dei reagenti e di controllo della temperatura. Le celle vengono quindi assemblate in moduli che possono raggiungere potenze dell’ordine delle centinaia di KW.

Queste considerazioni insieme alla virtuale assenza di inquinanti allo scarico hanno reso le SOFC molto attraenti per applicazioni di generazione distribuita.

Cicli ibridi con SOFC pressurizzate ed  integrate con micro-turbine a gas possono raggiungere efficienze comprese fra il 60-70%.

Schema di impianto con celle a combustibile

• Lo scambiatore di calore ha il compito di smaltire il calore uscente dal sistema riscaldando la corrente di reagenti;
• L’esausto anodico contiene specie non  ancora completamente ossidate, il combustore ha il compito di completare l’ossidazione sfruttando l’ossigeno contenuto nell’esausto catodico;
• La portata d’aria in ingresso al compressore è fissata per ottenere una TIT di 900-950 °C, che permette di utilizzare un espansore non raffreddato;
• l’impatto ambientale del ciclo è particolarmente ridotto in quanto le celle ossidano il combustibile in assenza di fiamma, senza produzione di inquinanti come NOx. Il combustore ha un input termico limitato e quindi ha un impatto ridotto sulle emissioni totali;- ad ostacolare la diffusione di questa tecnologia sono attualmente problemi legati al costo elevato delle SOFC [€/kw]