Obiettivo 1: Produzione di idrogeno verde e pulito
REFERENTE/I
Stefano Frangini – ENEA
stefano.frangini@enea.it
Attività
Gli elettrolizzatori a carbonati fusi operano a 650°C e producono H2 misto a CO (miscele syngas) utilizzando gli stessi principi e la tecnologia delle Celle a Combustibile a Carbonati Fusi (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), tecnologia ormai matura, ma che puo’ offrire ancora interessanti opportunità di sviluppo. Scopo di tale attività è quello di contribuire al miglioramento della sostenibilità ambientale ed economica delle celle di elettrolisi MCFC attraverso la ricerca di soluzioni tecnologicamente avanzate ed innovative in grado di apportare un aumento significativo delle prestazioni e durata dei materiali e dei relativi componenti di cella. Le attività si sono concentrate sull’ ottimizzazione dei due componenti considerati fra i più critici per il funzionamento dei sistemi MCFC ovvero i collettori di corrente catodici (in acciaio inox) e la matrice elettrolitica (in aluminato di litio). Una seconda linea di attività riguarda lo studio di nuovi processi di elettrolisi a carbonati fusi svincolati dalla tecnologia MCFC e pertanto capaci di operare a temperature 100-150°C inferiori rispetto alle MCFC al fine di favorire la generazione di idrogeno puro invece che di syngas.
L’ attività ha pertanto come obiettivo principale: i) lo sviluppo di rivestimenti innovativi privi di metalli strategici o tossici per la protezione dei collettori di corrente MCFC (coatings a base carboniosa del tipo DLC (Diamond-Like Carbons) ed ii) il miglioramento del processo produttivo (colatura su nastro, tape casting) della matrice ceramica al fine di migliorarne le prestazioni rispetto allo stato dell’ arte e al contempo di accentuare il carattere di sostenibilità del processo produttivo (uso di chemicals a basso/nullo impatto ambientale).
Figura 1
Flow-chart del processo di tape casting
Attività svolte sui collettori di corrente
● preparati una serie di campioni di acciaio inox 316L ricoperti con DLC drogato con vari tenori di Si o Si/N e con spessori del rivestimento compresi fra 5 e 10 µm. Deposizione mediante Plasma Enhanced CVD (PE-CVD).
● effettuati studi di stabilità termica fino a 700°C mediante tecniche di gravimetria al fine di valutare l’ effetto dei droganti sulla stabilità termica dei coating DLC in aria e in carbonati fusi.
● Effettuate misure di conducibilità elettrica dei coatings DLC fra 200 e 700°C.
● Caratterizzazione post-test mediante XRD, FT-IR e SEM/EDX.
Attività svolte sull’ elettrolisi in carbonato fuso a T<550°C
- prove di elettrolisi effettuate fra 480 e 550°C in sale eutettico ternario basso fondente (carbonato di Li/Na/K).
- analisi dei gas prodotti e della purezza di H2 effettuata mediante analizzatore portatile NDIR per syngas (NDIR, Non-Dispersive InfraRed analysis).
Attività svolte sulla matrice elettrolitica
- studi teorici e di revisione del processo produttivo di tape casting con particolare attenzione allo sviluppo di una formulazione innovativa dell’ impasto (slurry) perseguendo due scopi principali: basso impatto ambientale e migliorata compatibilità chimica dei componenti critici di impasto (solvente, legante, plastificante). Studi basati su analisi della letteratura, valutazione del rischio chimico/ambientale di ogni componente considerato ed utilizzo di modelli teorici/termodinamici basati sulla teoria dei parametri di solubilità di Hansen.
- prove sperimentali di ottimizzazione dell’ impasto e deposizione tape casting sono state effettuate partendo da polvere ceramica commerciale di γ-LiAlO2 appositamente sviluppata per matrici MCFC dalla Cyprus Foote Mineral Co.
- prove di caratterizzazione dell’ impasto e del tape mediante analisi delle polveri con granulometro laser, viscosimetria, SEM/EDX, prove di sinterizzazione delle matrici «as-prepared».
- prove di testing in cella MCFC su alcuni campioni selezionati.
Risultati
Si osserva una buona stabilità del coating DLC-Si in aria a questa T, sebbene con qualche perdita di materiale carbonioso per evaporazione. Resistenza elettrica (@650°C)= 11 ohm cm-1 Buona stabilità anche in carbonato fuso. Risultati che aprono prospettive per lo sviluppo di coatings «green» e senza CRMs (Critical Raw Materials) applicabili a tutte le varie tecnologie di collettori di corrente ad alte T(MCFC, SOFC e P-SOFC).
Si osserva un importante miglioramento delle prestazioni della cella MCFC con la nostra matrice
Figura 2
Esposizione in aria a 650°C di un coating DLC drogato con 16 at % Si
Figura 3
Prove di testing in corso presso KTH (Royal Institute of Technology, Stoccolma): Primi risultati con cella di 3 cm2
Team di ricerca
Stefano Frangini – ENEA
Livia Della Seta – ENEA
PhD candidate – IRFAN
Massimiliano Della Pietra – ENEA
Silvia Lo Conte – ENEA
Simone Mataloni – ENEA
In collaborazione con:
Ing. Domenico Stocchi – Il Sentiero International Campus, Schio (VI) (https:// www.ilsentierointernationalcampus.com; ), gruppo ECOR International (https://www.ecor-international.com).
Documenti
S. Frangini, M. Della Pietra, D. Pumiglia, S. Mataloni, F. Santoni «Application of NDIR-TDLAS spectroscopy for rapid vapor and multi-gas analysis in high-temperature fuel cell/electrolyzer cells», Conference paper, EFCF 2024 (16th European SOFC & SOE Forum, Lucern, 2-5 July 2024), https://doi 10.5281/zenodo.15705366.
