Abbiamo visto che fondamentalmente le PEMFC hanno due gravi limitazioni: il platino, usato come catalizzatore, viene irreversibilmente deteriorato nelle sue prestazioni dal monossido di carbonio; inoltre, le basse temperature richieste non permettono la cogenerazione a detrimento dell’efficienza totale. Le SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), che vedremo in questo articolo, superano entrambi questi limiti.
Una SOFC utilizza come elettrolita un composto ceramico che può operare alle alte temperature: circa 800-1000 ° C. A queste temperature non è più necessario un catalizzatore costituito da un metallo prezioso come nelle PEMFC. Tra i numerosi vantaggi delle SOFC si possono annoverare elevata efficienza (60-65%), stabilità a lungo termine, flessibilità nella scelta del carburante (non è più necessario l’uso di idrogeno puro), basse emissioni (ma non nulle) e costi moderati. Tuttavia, a causa della sua elevata temperatura operativa, i tempi di start-up sono più lunghi delle PEM (è adatta a usi continuativi che non prevedano lo spegnimento del sistema) e si possono verificare problemi di stabilità meccanica e chimica.
Le tipiche celle a combustibile a ossido solido (SOFC) sono costituite da un elettrodo in cui confluisce l’ossigeno (catodo), un elettrodo in cui confluisce il combustibile (anodo) e un elettrolita conduttore di ioni ossigeno inserito tra i due elettrodi. Il materiale tipico per il catodo è il cristallo di manganite di lantanio drogato con stronzio (LSM) che ha la proprietà di essere un buon conduttore alla alte temperature pur mantenendo stabilità chimica-cristallina con l’elettrolita e, essendo poroso, lasciar passare l’ossigeno. L’elettrolita è allo stato solido e il materiale più utilizzato è una ceramica di ossido di zirconio (zirconia) stabilizzato ittrio (YSZ). La zirconia pura, al cambiamento di temperatura, cambia struttura cristallina rendendola meccanicamente fragile, quindi deve essere stabilizzata aggiungendo l’ossido di ittrio. La caratteristica principale di questa ceramica è l’alta resistività elettrica; è una barriera per i gas ma è un ottimo vettore per gli ioni ossigeno in quanto il drogante crea delle lacune sfruttate dagli anioni per migrare. L'anodo è poroso e quindi adatto al trasporto dei gas reagenti e dei prodotti dalla reazione. Può essere usata una struttura di nichel in polvere che svolge il triplo ruolo di catalizzatore per la reazione nell'anodo, conduttore degli elettroni prodotti e supporto meccanico per la zirconia stabilizzata con ittria, depositata sul nichel per formare un sottile strato che ben si sposa con l’elettrolita, utilizzata per condurre gli ioni ossigeno .
Il combustibile contenente miscele di idrogeno e monossido di carbonio, così come verrebbe creato mediante il reforming di idrocarburi, alimenta l’anodo. L'aria, ricca di ossigeno, alimenta il catodo. L’ossigeno scomposto in ioni (anioni) viene trasferito verso l’anodo tramite l’elettrolita solido. In realtà vi è un quarto componente lo stack oltre ai tre citati, l’interconnessione tra le celle. Essa è utilizzata per collegare tra loro celle adiacenti. A questo scopo viene utilizzato ossido di lantanio cromite drogato con manganese che, ad alta temperatura, diventa un ottimo conduttore elettrico.
L’elettrolita allo stato solido (e non liquido come in altre FC) riduce notevolmente eventuali problemi di corrosione. In questo modo si può arrivare a una vita dei moduli che supera le 35000 ore di funzionamento.
Le SOFC possono avere efficienze superiori al 60% quando convertono il combustibile in elettricità; se viene sfruttato anche il calore prodotto nella reazione, la loro efficienza complessiva può salire ulteriormente. Il sistema ha tre principali flussi gassosi: l’alimentazione, l’aria e i gas di scarico. Il gas di alimentazione viene pressurizzato da un compressore e fluisce nella SOFC come combustibile. L'aria viene pressurizzata da una micro turbina e fluisce nella FC (e nel mentre, genera corrente tramite un alternatore). Il combustibile residuo viene pressurizzato da un blower di riciclo, una parte ritorna alla SOFC, il resto scorre nella camera di combustione con l'aria di scarico. Nello scambiatore di calore rigenerativo, il gas di scarico proveniente dalla camera di combustione passa attraverso uno scambiatore di calore per scaldare l’aria destinata a fluire nella SOFC e quindi viene emesso nell'aria.
I componenti ausiliari necessari per il corretto funzionamento del sistema e il condizionamento della tensione generata costituiscono il cosiddetto bilancio dell'impianto (in inglese BoP: Balance of Plant) e costituiscono gran parte del sistema complessivo. È possibile distinguere tra componenti BoP caldi e freddi in base alle condizioni operative. Nella progettazione di una SOFC si fa lo sforzo di fare in modo che i componenti ausiliari consumino, in parte o totalmente, energia di recupero anziché energia primaria. I componenti BoP sono utilizzati per fornire combustibile e ossidante allo stack e comprende pompe, blower e compressori; comprendono anche scambiatori di calore per portare i flussi di gas alla giusta temperatura e alimentare gli evaporatori. I flussi di gas spesso necessitano di filtrazione e umidificazione e i gas di scarico possono contenere una quantità significativa di componenti combustibili, che di solito vengono bruciati in un combustore catalitico. Tutti i flussi di gas sono regolati da sistemi di controllo per gli attuatori, per i regolatori di velocità dei blower, per le valvole e i regolatori di pressione. Lo start-up delle SOFC utilizza bruciatori per riscaldare il sistema durante l'avvio. Poiché le celle a combustibile generano corrente continua con tensione e corrente variabili, sono utilizzate apparecchiature di condizionamento della potenza, come gli inverter da CC a CA, per la generazione di elettricità alla tensione e alla frequenza adatta agli utilizzatori.
Nonostante ciò, i moduli SOFC sono molto compatti e quindi, per esempio un sistema da 200-300 kW ha un ingombro approssimativamente equivalente a quello di un mezzo container standard.
Le SOFC possono sfruttare diverse fonti di energia tra le quali, gas naturale o biogas. Per quelle che funzionano con gas naturale o biogas, la piccola quantità di CO2 generata durante il processo elettrochimico è del 50% inferiore rispetto alle emissioni generate con sistemi a combustione interna. Il combustibile deve essere desolforato e ossidato al di sotto della temperatura necessaria alla generazione di NOx. Pertanto, le emissioni di NOx e SOx dell’intero sistema è trascurabile.
I materiali utilizzati nelle SOFC, paragonati a quelle PEFC, hanno costi contenuti e la densità di potenza è vicina a quella delle PEFC. L'elevata temperatura operativa consente l'utilizzo della maggior parte del calore residuo per la cogenerazione, ma ha anche i suoi svantaggi. L’espansione termica può provocare disallineamento tra i materiali e compromettere la sigillatura tra celle ponendo forti vincoli nella scelta dei materiali e comporta difficili processi di fabbricazione, le celle impiegano più tempo per avviarsi e raggiungere la temperatura di esercizio, devono essere costruite con materiali robusti e resistenti al calore e devono essere schermate per prevenire la dispersione di calore.
Le SOFC risolvono bene i problemi dovuti alla presenza di carbonio, ma non di zolfo. L’acido solfidrico innesca meccanismi di avvelenamento dei materiali responsabili del processo catalitico, soprattutto del nichel con la creazione di solfuri di nichel. L’effetto macroscopico è una riduzione drastica delle potenze d’uscita e della tensione operativa della cella. La necessità di desulfurazione complica i componenti BoP e la loro richesta di energia. L'acido solfidrico può essere rimosso efficacemente da un flusso di gas a temperature moderate tra 300° e 550 ° C, è molto più complicato eliminare lo zolfo dal Diesel.
Come abbiamo visto, la tecnologia è a buon punto e molto promettente nel processo di elettrificazione e abbattimento delle emissioni al quale tutto il mondo ormai sta puntando.
Nel prossimo articolo vedremo alcuni accorgimenti e implicazioni riguardanti la sicurezza delle fuel cell a bordo di un natante.