FUEL CELLS A CARBONATI FUSI

Le fuel cell a carbonati fusi (MCFC) fanno parte delle categoria di fuel cell che lavorano a temperatura elevata. L’alta temperatura di funzionamento permette loro di essere alimentate con il gas naturale direttamente, senza l'esigenza del reforming del combustibile, e di essere usate con gas combustibile come il metano.
Sviluppate nella metà degli anni '60, hanno incrementato nel corso degli anni le loro prestazioni aumentando la resistenza fino a raggiungere rendimenti elettrici del 60% (riferiti al poter calorifico del metano).
Le MCFC lavorano secondo principi abbastanza diversi rispetto alle altre fuel cell.
Queste usano un elettrolita composto da una miscela fusa di sali di carbonato. Attualmente sono usate due miscele: carbonato di litio e carbonato di potassio, o carbonato di litio e carbonato di sodio imbibiti in una matrice porosa costituita da alluminato di litio.
Per arrivare alla fusione dei sali di carbonato e realizzare l'alta mobilità degli ioni attraverso l'elettrolita, MCFCs funzionano ad alte temperature (650°C). Una volta riscaldati ad una temperatura intorno a 650°C, questi sali si fondono e diventano conduttori: gli ioni (CO32-) scorrono dal catodo all'anodo, dove si uniscono con l'idrogeno per dare acqua, anidride carbonica e elettroni. Questi elettroni sono indirizzati tramite un circuito esterno di nuovo al catodo, generando corrente elettrica e calore come sottoprodotto.

Fig.1 Rappresentazione schematica dello svolgimento della reazione

Anodo

H2+CO32- ® H2O + CO2 + 2e-

Catodo

½O2 + CO2 + 2e- ® CO3=

L'alta temperatura di funzionamento di MCFCs presenta sia vantaggi che svantaggi se confrontata alle temperature di lavoro di PAFC e PEMFC. Il reforming del combustibile del gas naturale può così avvenire internamente, eliminando l'esigenza di un processing esterno del combustibile.
Vantaggi supplementari includono la capacità di usare i materiali standard per costruzione, quali fogli d’acciaio inossidabile che permettono l'uso di catalizzatori al nichel depositati sugli elettrodi. Il calore prodotto da una MCFC può essere usato per generare vapore ad alta pressione che è impiegato in molte applicazioni industriali e commerciali. L’alta temperatura e la chimica dell' elettrolita presentano però anche degli svantaggi. La prima richiede un tempo significativo per raggiungere le condizioni ottimali di lavoro ed inoltre non può che rispondere lentamente ad una richiesta di variazione dell’alimentazione. Queste caratteristiche rendono MCFCs più adatte ad applicazioni che richiedono potenza costante. L'elettrolita carbonato può anche causare i problemi di corrosione degli elettrodi[1].

Gli elettrodi

Nella costruzione delle prime celle, erano utilizzati metalli preziosi per gli elettrodi, ma con lo sviluppo della tecnologia il nichel si è dimostrato adeguato a questo tipo di utilizzo: come metallo all’anodo e come ossido al catodo. Gli elettrodi devono essere porosi per permettere ai gas di reazione di raggiungere l’interfaccia elettrolita-elettrodo e la struttura dei pori è controllata con attenzione per minimizzare la perdita di elettrolita. La reazione agli elettrodi conta su un equilibrio delle pressioni all’interno dei pori.

CATODO: la ricerca va verso il contenimento della dissoluzione di NiO che è esaltata da questo tipo di cella. Nonostante siano disponibili ossidi di altri metalli o materiali ceramici che non si dissolvono nell’elettrolita, questi hanno una conducibilità elettrica molto inferiore e per questo è ancora preferito il NiO composito con altri materiali.

ANODO: il problema è contenere il “creepage” (crepaggio) del materiale e si fa aggiungendo Cr o Cu in polvere durante la lavorazione del Ni fuso che stabilizza il nichel[2][3].

Elettrolita

All’inizio degli anni '90 è stato trovato che, usando una miscela eutettica di Li2CO3/K2CO3, vi era una concentrazione di ioni potassio nei pressi del catodo che causava una più rapida corrosione con graduale deperimento della cella. Queste considerazioni hanno spostato l’interesse degli studiosi sulla ricerca di nuovi materiali per l’elettrolita. Recenti studi hanno indicato la capacità di ioni calcio, bario e sodio di ridurre la corrosività nei confronti nel catodo di NiO. E vengono aggiunti in quantità variabili. Questo ha portato ad un allungamento della vita del 15%-20% rispetto al materiale precedente[2][3].

Rivestimento

Si utilizzano piastre di acciaio inox rivestite di allumina per assicurare la protezione dalla corrosione nelle zone di guarnizione dove viene fatto fluire il gas[2][3].





Torna su



Bibliografia

[1] Carette,L.; Friedirch, A.; Stimming, U.;Chemphyschem.2000, 1,161-193.
[2] Dicks,A.L.; Curr opin solid state mat sci. 2004, 8, 379-383.
[3] Yuh,C.; Farooque, J.M.; Maru, H. ; J. Pow. Sour. 1995,56, 1-10.