Reversible SOFC-SOEC Cells

Project leaders

Massimo Viviani, Daria Evgenieva Vladikova

Agreement

BULGARIA - BAS - Bulgarian Academy of Sciences

Call

CNR/BAS 2013-2015

Department

Energy and Transportation

Thematic area

Engineering, ICT and technologies for energy and transportation

Status of the project

New

Research proposal

L'idrogeno può svolgere un ruolo essenziale per il raggiungimento degli obiettivi strategici di Europa 2020 (riduzione del 20% delle emissioni di gas serra, 20% dell’energia da fonti rinnovabili, aumento del 20% nell’efficienza energetica). Esso infatti costituisce un vettore energetico estremamente versatile, che trova impiego in molti sistemi per la produzione di energia elettrica senza emissioni nocive, come le celle a combustibile a ossido solido (SOFC).
 Anche gli elettrolizzatori ad ossidi solidi (SOEC), basati sulla tecnologia SOFC, mostrano diversi vantaggi rispetto agli elettrolizzatori alcalini e polimerici (PEM), quali: (i) non richiedono l’impiego di metalli preziosi (a differenza delle PEM), (ii) richiedono meno energia poichè operano a temperature più favorevoli per la termodinamica e la cinetica della reazione di separazione della molecola d’acqua, (iii) possono raggiungere elevate efficienze, senza emissioni nocive se alimentate con energia proveniente da fonti rinnovabili (solare, eolico, geotermico,..) o da una fonte di calore disperso come le reazioni nucleari, (iv) sono meno sensibili alle instabilità e contaminazioni, (v) possono operare ad alta pressione. Inoltre, gli elettrolizzatori basati su conduttori protonici (pSOEC) presentano potenzialmente ulteriori vantaggi, quali: (i) consentono di produrre idrogeno secco e quindi eliminare la necessità di essiccamento prima dello stoccaggio e (ii) operano a temperature intermedie (600 °C), con riduzione dei fenomeni di degrado.
Vale la pena ricordare che, nonostante gli importanti vantaggi delle pSOEC, i risultati non risultano ancora soddisfacenti. Ciò è dovuto alla scarsa comprensione dei fenomeni microscopici e al limitato sviluppor dei materiali. Recentemente si è assistito ad un aumento delle attività sulle pSOFC negli Stati Uniti. Una direzione promettente per lo sviluppo dei sistemi alimentati con energie rinnovabili è l'approccio reversibile in cui il dispositivo opera alternativamente in modalità SOFC e SOEC, cioè producendo o accumulando energia. Pertanto, gli obiettivi principali della presente proposta sono: (i) una conoscenza più approfondita dei fenomeni che determinano la scissione dell'acqua in materiali porosi a conduzione protonica, (ii) lo sviluppo di celle a combustibile ad alta temperatura a conduzione protonica in grado di funzionare in regime reversibile, (iii) l'introduzione di nuovi materiali conduttori protonici.
Recentemente è stato introdotto un nuovo design SOFC, noto come IDEAL-Cell, secondo l'acronimo di un progetto europeo del 7° PQ conclusosi con successo alcuni mese fa, con l’attiva partecipazione di entrambi i proponenti. La cella IDEAL elimina lo svantaggio principale delle SOFC classiche che consiste nella diluizione del combustibile con l'acqua prodotta. L’architettura è basata su tre camere indipendenti per idrogeno, ossigeno ed vapore acqueo rispettivamente e risulta adatta alla realizzazione di SOEC grazie alla separazione del vapore dai due gas generati. Il cuore della cella IDEAL è il compartimento del vapore che, grazie alla scoperta di due nuovi fenomeni, può essere realizzato in forma di un unico strato  poroso di composizione omogenea. Il progetto prevede di studiare i principali meccanismi che regolano le due modalità di funzionamento. La loro reversibilità sarà studiata su celle SOFC tradizionali a conduzione protonica e  su celle a tre camere (IDEAL-Cell). Per l'indagine dei meccanismi e la determinazione dei fattori limitanti saranno applicate procedure sofisticate basate sulla spettroscopia di impedenza elettrochimica, utilizzando la lunga esperienza e la competenza dei partner coinvolti.
La collaborazione sosterrà l'attuazione di progetti a livello nazionale (i due gruppi hanno presentato progetti nazionali relativi a materiali e dispositivi a conduzione protonica, che includono la partecipazione del partner straniero). Essa garantirà inoltre l'accumulo di conoscenze, pratiche e di esperienze a livello europeo per la preparazione di un progetto di collaborazione nel prossimo programma quadro "Horizon 2020".
 
 

Research goals

La collaborazione tra il gruppo di ricerca italiano e quello bulgaro è iniziata nel 2001. Essa si basa su interessi comuni nel campo dei materiali elettroceramici, in particolare sulle analisi per spettroscopia di impedenza. La collaborazione in atto ha riguardato l'applicazione dell’analisi differenziale dell’impedenza (DIA), una tecnica avanzata per  analisi dei dati l'impedenza, sviluppato dal team bulgaro, sui materiali electroceramici preparati e misurati presso l'Istituto per l'Energetica e le Interfasi – UoS Genova. I primi risultati ottenuti sono stati presentati nel 2002 alla conferenza Electtroceramics VIII e pubblicati nel Journal of the European Ceramic Society. In seguito la collaborazione ha riguardato il settore delle fonti di energia, grazie ad un progetto UE-FP5 coordinato da IEES (Centre of excellence on portable emergency sources, 2003-2006). Il dottor Viviani è stato membro dell’Advisory Board del progetto e ha contrbuito come lecturer nell’ambito di Workshops organizzati dal Centro di Eccellenza. I risultati sono stati riportati a 3 conferenze internazionali e pubblicati in 3 articoli in comune. Il team italiano ha partecipato alla monografia “Portable and Emergency energy sources” edito dal partner bulgaro. Tali attività sono state seguite da un progetto bilaterale CNR-BAS "Studio di celle  SOFC mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica" (2007-2009), che ha rafforzato le ricerche nel settore e la creazione di una nuova generazione di giovani scienziati attraverso la formazione di dottorandi e post-doc. Complessivamente il progetto ha prodotto 7 pubblicazioni comuni, tra cui due capitoli di libro. Questa collaborazione ha avviato la partecipazione al progetto EU-FP7  IDEAL-Cell (Inovative Dual mEmbrAne fuel Cell, 2008-2011). Il progetto bilaterale seguente (Materiali ad Architettura avanzata per sistemi energetici 2010-2012) ha rafforzato la realizzazione del progetto europeo e ha contribuito agli ottimi risultati conseguiti. Pochi mesi fa il dottor Viviani è stato eletto membro del Comitato Consultivo di IEES dal Consiglio Scientifico dell’Istituto.
 La proposta di ricerca comune nel bando di collaborazione CNR-BAS 2013-2015 ha come  obiettivi: (i) la realizzazione di celle a combustibile ad alta temperatura reversibili,  (ii) il rafforzamento dell'attività dei progetti nazionali presentati dai due gruppi (OPERA - Reversible proton conduction Solid Oxide Fuel Cell for Hydrogen Generation and Conversion FFNNIPO_12_00805 (BG) e INCYPIT – Innovative Ceramic and hYbrid Protonic materials for Intermediate Temperature fuel cells FIRB_2012 (It), nel caso venissero finanziati, (iii) la formazione comune dei giovani ricercatori (dottorandi e post-Doc), (iv) la preparazione di nuove proposte progettuali nell'8° Programma Quadro dell'Unione Europea.

Last update: 21/11/2024