Celle a Combustibile e Idrogeno
Referente: Claudia Paoletti

Le celle a combustibile sono dispositivi che convertono direttamente l’energia chimica di un combustibile in energia elettrica senza passare attraverso la combustione in modo pulito, poiché non ci sono emissioni di contaminanti, ed efficiente. La loro efficienza – essendo modulabili come le batterie – è relativamente indipendente dalla scala del dispositivo ma, contrariamente alle batterie, non sono inficiate da cicli di carica/scarica e generano potenza costantemente fintanto che è alimentato il combustibile, costituito prevalentemente da idrogeno, in alcuni casi gas naturale o biogas.

Le competenze ed attività possono distinguersi in alcuni settori specifici:

Fuel Cells

L’ENEA possiede competenze ed esperienza sia sulle celle a combustibile a bassa temperatura che su quelle ad alta temperatura. Con riferimento ai sistemi operanti a temperature più basse come le celle polimeriche (PEMFC) e quelle a metanolo diretto (DMFC), utilizzate principalmente nell’elettronica di consumo e nei sistemi di potenza portatili, le attività di ricerca e sviluppo sono concentrate sul perfezionamento dei materiali elettrodici e sulla riduzione dei costi di componenti di cella, sul loro processo di fabbricazione e sul testing di monocelle e stack. E’ stato studiato e ottimizzato ogni componente di cella dai Gas Diffusion Layers (GDL) alla membrana polimerica, dai piatti bipolari al materiale elettrodico.

Per quanto riguarda i sistemi ad alta temperatura un laboratorio dedicato studia e caratterizza principalmente celle a combustibile ad ossidi solidi e a carbonati fusi. Questa tipologia di celle può rientrare nella catena “Biomass or waste – to – Energy”, poiché è in grado di essere alimentata direttamente con biogas proveniente dai processi di digestione anaerobica.

Sono in corso attività per caratterizzare le celle a combustibile ad alta temperatura per il loro utilizzo in modalità inversa, convertendo l’elettricità (eventualmente in eccesso, proveniente da impianti eolici o fotovoltaici) in combustibile.

Nello specifico, con riferimento alle celle a combustibile ad alta temperatura, si svolgono attività di:

• caratterizzazione elettrochimica di materiali e componenti;
• valutazione della prestazione di celle e stack attraverso test avanzati di caratterizzazione “in – operando” come misure localizzate e combinate di spettroscopia di impedenza elettrochimica e analisi di gas;
• valutazione degli effetti su celle e stack dei contaminanti presenti nel combustibile e nelle miscele di combustibili;
• valutazione delle prestazioni di stack module e cogeneratori calore – potenza di piccola scala;
• elettrolisi ad alta temperatura e co-elettrolisi per accumulo energetico con celle a combustibile fatte lavorare in modalità inversa.

Catalisi e reforming

Con lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile è stato necessario individuare combustibili, e relativi processi per produrli, con le specifiche richieste per l’alimentazione delle stesse. Attività di R&D nello studio dei processi catalitici per la produzione di idrogeno a partire da diversi combustibili (Fuel Processing) sono in corso da numerosi anni.

Tali attività, condotte in particolare nell’ambito del ‘Reaction Engineering’, comprendono preparazione, caratterizzazione ed analisi di campioni catalitici. Tali catalizzatori sono impiegati in test dinamici utilizzando reattori in scala da laboratorio.

Corrosione e rivestimenti protettivi

L’attività di R&D tecnologico nel settore della corrosione e rivestimenti protettivi dei materiali riguarda soprattutto la risoluzione di problematiche di corrosione e degradazione funzionale degli interconnettori di celle a combustibile e di elettrolizzatori a carbonati fusi e a ossidi solidi. Le competenze comprendono lo studio e la produzione di nuovi materiali maggiormente performanti e l’esperienza nella loro caratterizzazione specifica, utilizzando apparecchiature di eccellenza per test in doppia atmosfera (riducente e ossidante).

Negli ultimi anni è stato studiato un innovativo processo di rivestimento degli acciai inossidabili che evita la necessità di ricorrere a costose e complicate tecniche di deposizione. Il processo converte direttamente la superficie metallica dell’interconnettore in un ossido ceramizzato dalle elevate caratteristiche protettive e di conduzione elettrica nelle condizioni di utilizzo. Il processo continua ad essere oggetto di studi approfonditi per aumentarne il livello di maturità tecnologica e migliorarne le caratteristiche di utilizzo negli ambienti di riferimento.