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dicembre 2016

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Un nuovo materiale ceramico per celle a combustibile


fuelcellUn nuovo materiale ceramico descritto sull'ultimo numero di “Science” potrebbe rappresentare un passo decisivo per le celle a combustibile a ossido solido, dispositivi che generano elettricità direttamente da un ampia gamma di combustibili liquidi e gassosi senza la necessità di separare l'idrogeno.


Sebbene la durata a lungo termine del nuovo materiale conduttore a ioni miscelati debba ancora essere dimostrata, il suo sviluppo potrebbe consentire di affrontare due dei maggiori problemi con questo tipo di celle: la tolleranza allo zolfo nei combustibili e la resistenza ai residui di carbonio.

Un ulteriore vantaggio sarebbe quello di garantire una conversione del combustibile in elettricità più efficiente di altre tecnologie convenzionali, e a temperature più basse, riducendo potenzialmente i costi dei materiali e di fabbricazione.

Come tutte le celle a combustibile, le celle a ossido solido (SOFC) utilizzano un processo elettrochimico per produrre elettricità ossidando un combustibile. Come dice il nome, i SOFC utilizzano un elettrolita ceramico, un materiale noto come zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ).

L'anodo della cella a combustibile utilizza un composto costituito da YSZ e nichel. Questo anodo fornisce un'eccellente attività catalitica per l'ossidazione del combustibile, una buona conducibilità per la raccolta della corrente generata, e la compatibilità dell'elettrolita contenuto nella cella, che è anch'esso YSZ.

Ma il materiale ha tre inconvenienti significativi: anche piccole quantità di zolfo presente nel combustibile contaminano l'anodo riducendone drasticamente l'efficienza, e gli idrocarburi determinano depositi di carbonio sull'anodo e poiché l'YSZ ha una conducibilità limitata a basse temperature.

Di conseguenza, i combustibili utilizzati nelle SOFC, come per esempio il gas propano, devono essere purificati per rimuovere lo zolfo, con un incremento notevole dei costi.

Inoltre, l'acqua in forma di vapore deve essere immessa in un reformer che converte gli idrocarburi in idrogeno e monossido di carbonio prima di alimentare le celle a combustibile, aggiungendo complessità al sistema e riducendone l'efficienza. Infine, l'operatività ad alta temperatura implica che le celle debbano essere costruite con materiali costosi.

Il nuovo materiale, denominato BZCYYb (Barium-Zirconium-Cerium-Yttrium-Ytterbium Oxide) e sviluppato di Meilin Liu della School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology, risolve tutti e tre i problemi dell'anodo, poiché tollera la presenza di solfuro di idrogeno in concentrazioni di 50 parti per milione, non accumula carbonio e può funzionare a temperature di “soli” 500 gradi Celsius.

Per questi motivi, potrebbe essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni; come rivestimento degli anodi a Ni-YSZ convenzionali, come sostituto dell'YSZ nell'anodo o dell'intero sistema elettrolitico.



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