Pile a combustibile ad ossido solido (SOFC)

Le pile a combustibile ad ossido solido sono dispositivi in grado di produrre energia elettrica da un combustibile. Sono denominate SOFC che è l’acronimo di Solid Oxide Fuel Cell

Sono note per:

• elevata efficienza di conversione da chimica a elettrica (fino all’80%)
• versatilità nell’assunzione di carburante (idrogeno, gas naturale, metanolo e altri prodotti petroliferi
• funzionamento relativamente rispettoso dell’ambiente.

Le pile a combustibile ad ossido solido hanno un elevato potenziale, ma non sono ancora prodotte in serie, a causa di problemi tecnologici ed economici.

Lo scienziato svizzero Emil Baur e il suo collega H. Preis sperimentarono gli elettroliti di ossido solido alla fine degli anni ’30, utilizzando materiali come zirconio, ittrio, cerio, lantanio e tungsteno. I loro progetti non erano elettricamente conduttivi come sperato e, secondo quanto riferito, sperimentavano reazioni chimiche indesiderate tra gli elettroliti e vari gas, incluso il monossido di carbonio.

Negli anni ’40, il russo OK Davtyan aggiunse sabbia di monazite a una miscela di carbonato di sodio, triossido di tungsteno e vetro di soda “per aumentare la conduttività e la resistenza meccanica”. I progetti di Davtyan, tuttavia, subirono anche reazioni chimiche indesiderate e una durata di vita breve.

Verso la fine degli anni ’50, la ricerca sulla tecnologia degli ossidi solidi iniziò ad accelerare presso il Central Technical Institute dell’Aia, nei Paesi Bassi, la Consolidation Coal Company, in Pennsylvania, e la General Electric, a Schenectady, New York. Una discussione del 1959 sulle celle a combustibile notò che i problemi con gli elettroliti solidi includevano una resistenza elettrica interna relativamente elevata, fusione e cortocircuito dovuti alla semiconduttività. Sembra che molti ricercatori abbiano iniziato a credere che le celle a combustibile a carbonati fusi mostrassero maggiori promesse a breve termine.

Tuttavia, non tutti hanno rinunciato alle  pile a combustibile ad ossido solido . La promessa di una cella ad alta temperatura che tollerasse il monossido di carbonio e utilizzasse un elettrolita solido stabile continuava ad attirare una modesta attenzione. I ricercatori della Westinghouse, ad esempio, hanno sperimentato una cella che utilizzava ossido di zirconio e ossido di calcio nel 1962.

Più recentemente, l’aumento dei prezzi dell’energia e i progressi nella tecnologia dei materiali hanno rinvigorito il lavoro sulle  pile a combustibile ad ossido solido, e un recente rapporto ha rilevato che circa 40 aziende lavorano su queste celle a combustibile

Componenti delle pile a combustibile ad ossido solido

Elettrolita

Le pile a combustibile ad ossido solido utilizzano un ossido di materiale ceramico come elettrolita come la zirconia drogata con ossido di ittrio (III) YSZ. Nel 1899 Nernst scoprì per primo che la zirconia ovvero l’ossido di zirconio (IV) ZrO₂ era un conduttore di ioni ossigeno.

Le caratteristiche di un elettrolita sono:

• Minima conduttività elettronica
• Elevata conduttività ionica
• Reattività chimica con i materiali del catodo e dell’anodo
• Stabilità nelle atmosfere ossidanti e riducenti
• Temperatura di esercizio
• Impermeabilità per evitare la miscelazione delle alimentazioni di combustibile e gas ossidante

La zirconia drogata con ossido di ittrio necessita di una temperatura di esercizio di circa 1000°C. Questa elevata temperatura impone severi requisiti ai materiali utilizzati nella costruzione della cella. La temperatura di esercizio è principalmente controllata dalla natura dell’elettrolita, ovvero dallo spessore dello strato di elettrolita e dalla sua conduttività ionica.

Pertanto, la temperatura di esercizio può essere abbassata con due metodi possibili. Il primo consiste nel diminuire lo spessore dello strato di elettrolita e il secondo è cercare altri materiali elettrolitici che abbiano una maggiore conduttività degli ioni di ossigeno. Più recentemente sono utilizzati altri elettroliti efficienti a temperature minori. Ad esempio LaSrGaMgO (LSGM) è utilizzata a 800°C

Anodo

L’anodo delle  pile a combustibile ad ossido solido è uno strato poroso sull’elettrolita in cui il combustibile idrogeno è ossidato dagli ioni ossigeno che si diffondono attraverso l’elettrolita, producendo acqua ed elettricità.

La semireazione che avviene all’anodo è:
2 H₂ + 2 O^2- → 2 H₂O + 4 e^–
Il materiale dell’anodo deve soddisfare la seguente serie di requisiti:

• Poroso
• Elettricamente conduttivo
• Stabile in atmosfera riducente
• Conduttivo ionico
• Reattività chimica con l’elettrolita

L’anodo è composto da un metallo poiché il combustibile che si avvicina all’anodo è un agente riducente. Tuttavia, il materiale non deve ossidarsi al momento dell’operazione pertanto i metalli utilizzati sono cobalto, nichel e metalli nobili. Il nichel è il metallo più utilizzato a causa del suo costo relativamente basso rispetto ad altri. Per facilitare il flusso del combustibile all’elettrolita, l’anodo deve rimanere poroso alla temperatura di esercizio.

Catodo

Il catodo delle  pile a combustibile ad ossido solido è uno strato poroso sull’elettrolita dove avviene la riduzione dell’ossigeno per produrre ioni ossigeno, che a loro volta sono diffusi attraverso l’elettrolita. La semireazione che avviene all’anodo è:
O₂ + 4 e^– →  2 O^2-

Il materiale del catodo deve soddisfare la seguente serie di requisiti:

• Elettronicamente conduttivo
• Promuovere la riduzione dell’ossigeno
• Poroso
• Stabile in atmosfera ossidante
• Conduttivo ionico
• Chimicamente inerte con l’elettrolita

Il mantenimento di questi criteri a temperature di esercizio elevate limita l’opzione del materiale del catodo agli ossidi elettronicamente conduttivi o ai metalli nobili. A causa dell’alto costo dei metalli nobili, sono utilizzati esclusivamente ossidi elettronicamente conduttivi

La manganite di lantanio LaMnO₃ drogato con stronzio (LSM) è la specie più utilizzata e ha un coefficiente di espansione termica paragonabile all’YSZ.

Substrato di connessione

Lo strato di connessione consente il contatto elettrico tra l’anodo e il catodo. Deve quindi avere un’elevata conduttività elettrica nell’atmosfera ossidante al catodo così come nell’atmosfera riducente all’anodo ed essere stabile in entrambe le atmosfere all’aumentare della temperatura di esercizio. Pertanto, l’interconnessione deve soddisfare la seguente serie di condizioni.

• Altamente elettricamente conduttivo
• Chimicamente inerte con il catodo, l’anodo o l’elettrolita
• Stabile in atmosfere ossidanti e riducenti

Tali requisiti limitano fortemente la scelta dei materiali, in particolare alle alte temperature di esercizio delle SOFC a base di YSZ. La maggior parte delle SOFC a base di zirconia utilizza cromite di lantanio LaCrO₃ Poiché sono in fase di sviluppo SOFC a temperatura più bassa, sono presi in considerazione altri materiali come SrTiO₂