Il ricercatore Dong Ding sta sviluppando celle a combustibile a carbonio diretto presso l'Energy Innovation Laboratory dell'INL. Credito:Idaho National Laboratory
I progressi nella tecnologia delle celle a combustibile alimentate da carbonio solido potrebbero rendere la generazione di elettricità da risorse come carbone e biomassa più pulita ed efficiente, secondo un nuovo documento pubblicato dai ricercatori dell'Idaho National Laboratory.
Il design delle celle a combustibile incorpora innovazioni in tre componenti:l'anodo, l'elettrolita e il carburante. Insieme, questi progressi consentono alla cella a combustibile di utilizzare circa tre volte più carbonio rispetto ai precedenti progetti di celle a combustibile a carbone diretto (DCFC).
Le celle a combustibile funzionano anche a temperature più basse e hanno mostrato densità di potenza massima più elevate rispetto ai precedenti DCFC, secondo l'ingegnere dei materiali INL Dong Ding. I risultati appaiono nell'edizione di questa settimana della rivista Materiale avanzato .
Considerando che le celle a combustibile a idrogeno (ad es. membrana a scambio protonico (PEM) e altre celle a combustibile) generano elettricità dalla reazione chimica tra idrogeno puro e ossigeno, I DCFC possono utilizzare qualsiasi numero di risorse a base di carbonio per il carburante, compreso il carbone, Coca Cola, catrame, biomasse e rifiuti organici.
Poiché i DCFC utilizzano combustibili facilmente disponibili, sono potenzialmente più efficienti delle tradizionali celle a combustibile a idrogeno. "Puoi saltare la fase ad alta intensità energetica della produzione di idrogeno, "Ding ha detto.
Ma i precedenti progetti DCFC presentano diversi inconvenienti:richiedono temperature elevate, da 700 a 900 gradi Celsius, il che li rende meno efficienti e meno durevoli. Ulteriore, in conseguenza di quelle alte temperature, sono in genere costruiti con materiali costosi in grado di sopportare il calore.
I ricercatori Dong Ding (a sinistra) e Ting He sviluppano celle a combustibile a carbone diretto presso l'Energy Innovation Laboratory dell'INL. Credito:Idaho National Laboratory
Anche, i primi progetti DCFC non sono in grado di utilizzare efficacemente il combustibile di carbonio.
Ding e i suoi colleghi hanno affrontato queste sfide progettando una vera cella a combustibile a carbone diretto in grado di funzionare a temperature più basse, inferiori a 600 gradi Celsius. La cella a combustibile utilizza carbonio solido, che viene finemente macinato e iniettato tramite un flusso d'aria nella cella. I ricercatori hanno affrontato la necessità di alte temperature sviluppando un elettrolita utilizzando materiali altamente conduttivi:ossido di cerio drogato e carbonato. Questi materiali mantengono le loro prestazioni a temperature più basse.
Prossimo, hanno aumentato l'utilizzo del carbonio sviluppando un design anodico tessile in ceramica 3-D che intreccia fasci di fibre insieme come un pezzo di stoffa. Le fibre stesse sono cave e porose. Tutte queste caratteristiche si combinano per massimizzare la quantità di superficie disponibile per una reazione chimica con il combustibile a base di carbonio.
Finalmente, i ricercatori hanno sviluppato un combustibile composito costituito da carbonio solido e carbonato. "Alla temperatura di esercizio, quel composito è fluido, "Ding ha detto. "Può facilmente fluire nell'interfaccia."
Il carbonato fuso trasporta il carbonio solido nelle fibre cave e nei fori dell'anodo, aumentando la densità di potenza della cella a combustibile.
La cella a combustibile risultante appare come un verde, batteria per orologi in ceramica spessa circa quanto un pezzo di cartoncino. Un quadrato più grande misura 10 centimetri per lato. Le celle a combustibile possono essere impilate una sopra l'altra a seconda dell'applicazione. Il Materiale avanzato journal ha pubblicato un video abstract qui:
La tecnologia ha il potenziale per un migliore utilizzo dei combustibili di carbonio, come carbone e biomasse, perché le celle a combustibile a carbone diretto producono anidride carbonica senza la miscela di altri gas e particolati presenti nel fumo delle centrali elettriche a carbone, Per esempio. Ciò semplifica l'implementazione di tecnologie di cattura del carbonio, disse Ding.
Il design avanzato DCFC ha già attirato l'attenzione dell'industria. Ding e i suoi colleghi stanno collaborando con Storagenergy, con sede a Salt Lake City, Inc., per richiedere un'opportunità di finanziamento del Dipartimento di ricerca sull'innovazione per le piccole imprese (SBIR)-Small Business Technology Transfer (STTR). I risultati saranno annunciati a febbraio 2018. Anche un'azienda canadese nel settore dell'energia ha mostrato interesse per queste tecnologie DCFC.
