Le celle a combustibile ad ossidi solidi, SOFC

Cap. 1 Le celle a combustibile - 1 - 1. LE CELLE A COMBUSTIBILE Le celle a combustibile sono i più efficienti dispositivi elettrochimici in grado di convertire energia chimica di un combustibile in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Si tratta quindi di generatori che non risentono delle limitazioni del ciclo di Carnot e che pertanto sono ritenuti capaci di rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali. Il principio di funzionamento non è nuovo in quanto scoperto nel 1839 del fisico inglese W.Grove, durante un esperimento di elettrolisi all’inverso con elettrodi di platino immersi in acido solforico diluito. In tempi successivi furono sperimentate celle a sali fusi (Becquerel 1855), con elettrolita alcalino (Bacon 1932) e con elettrolita solido realizzato da miscele di ossidi (Baur e Preis 1937). L’interesse verso le Fuel Cells è in crescita a causa della loro versatilità di utilizzo, che consente di applicarle in ambiti stazionari e mobili, di piccole, medie o grandi dimensioni, a temperature diverse, fino a rendere possibile anche il loro impiego in ambito cogenerativo, per la produzione in parallelo di elettricità e calore. 1.1 Principio di funzionamento Una Fuel Cell è una cella elettrochimica che, al contrario di un’ordinaria batteria, è alimentata in continuo. Essa consta di un elettrodo per l’ossidazione (anodo), uno per la riduzione (catodo) e di uno strato elettrolitico isolante elettronico, ad alta conducibilità ionica, che permette lo scambio ionico nel sistema. Questo strato, di minimo spessore per minimizzare le perdite ohmiche, costituisce anche una barriera fisica tra il combustibile e l’ossidante, i quali sono in contatto con gli elettrodi entrambi porosi e gas permeabili. Se i reagenti fossero posti fra loro in diretto contatto, l’energia si libererebbe in maniera disordinata, cioè sotto forma di agitazione termica, calore. Se però si divide la reazione chimica in due reazioni elettrochimiche interponendo tra i reagenti un elettrolita di opportuna conducibilità ionica, si impone alla reazione chimica globale un ritmo lento ed ordinato. 1 La porosità degli elettrodi è necessaria per garantire una maggiore superficie rispetto alla struttura liscia, incrementando così il numero di siti di reazione e quindi la densità di corrente. Nelle celle a bassa temperatura gli ioni positivi migrano dall’anodo al catodo attraverso l’elettrolita (fatta eccezione per le celle alcaline la cui specie portatrice di carica è OH - ), Per quanto riguarda le celle ad alta temperatura le specie portatrici di carica e che quindi