Un team di ricercatori della DTU ha riprogettato le celle a combustibile SOC utilizzando la stampa 3D e la geometria giroide. Il gruppo ha ottenuto una potenza specifica superiore a 1 W/g e una densità di potenza volumetrica di otre 3 W/cm3
I vantaggi della stampa 3D nella realizzazione delle fuel cell
La produzione additiva contagia anche il mondo delle celle a combustibile. Un gruppo di scienziati in Danimarca ha messo a punto nuove fuel cell a ossido solido stampate, superando con questo approccio due note sfide tecniche di questa tecnologia: la ridotta compattezza e l’elevato peso specifico.
Il lavoro è frutto della collaborazione interdisciplinare tra diversi dipartimenti dell’Università Tecnica della Danimarca (DTU) e offre nei suoi risultati un’interessante promessa per le applicazioni aerospaziali.
Spiega il ricercatore Venkata Karthik Nadimpalli del DTU Construct e coautore della pubblicazione: “Attualmente, utilizzare la conversione energetica basata sull’elettricità, come batterie e celle a combustibile, non ha senso per le applicazioni aerospaziali. Ma il nostro nuovo design per fuel cell cambia le cose. È il primo a dimostrare il rapporto Watt/grammi – o potenza specifica – necessario per il settore aerospaziale, utilizzando una tecnologia sostenibile ed ecologica“.
Come funzionano le SOC?
Tra le diverse tecnologie di celle a combustibile, le celle a ossidi solidi (SOC – solid oxide cells) offrono due innegabili vantaggi: efficienze di conversione che superano il 90% e la capacità di funzionare in modalità reversibile, passando dalla produzione di elettricità a quella di elettrolisi a seconda delle esigenze. Inoltre, vantano una maggiore flessibilità di combustibile rispetto ad altri tipi di fuel cell, come quelle a membrana elettrolitica polimerica o ad acido fosforico.
Lo svantaggio principale? L’elevata temperatura di esercizio – tipicamente oltre i 600 °C – che si traduce in tempi di avviamento più lunghi e problemi di compatibilità meccanica e chimica. Ma non si tratta dell’unico “contro”.
Generalmente una SOFC è composta da tre elementi principali: l’anodo, detto anche “elettrodo combustibile“, il catodo o “elettrodo aria/ossigeno” e l’elettrolita. All’anodo, l’idrogeno viene ossidato, mentre al catodo viene ridotto l’ossigeno. Entrambi sono separati da una membrana elettrolitica a tenuta di gas.
Una volta realizzata la cella, è necessaria un’interconnessione elettrica per collegarla ad altre unità simili e formare una pila. Un passaggio questo che aggiunge inevitabilmente volume e pesantezza. I componenti metallici costituiscono infatti oltre il 75% del peso di un sistema a celle a combustibile.
La soluzione della DTU: celle a ossido solido stampate
È a questo livello che si inserisce la ricerca della DTU. Gli scienziati hanno riprogettato le SOC utilizzando la stampa 3D e la geometria giroide per aumentarne la leggerezza e la compattezza. Nel dettaglio, il team ha stampato una cella a combustibile completamente in ceramica, sfruttando una struttura nota come “superficie minima triplamente periodica” (TPMS). Si tratta di una struttura matematicamente ottimizzata per ottenere la massima superficie e il minimo peso.
La nuova fuel cell SOC stampata – chiamata “monolitica giroidale a ossido solido” o “il monolite” – vanta una potenza specifica di oltre 1 W/g e una densità di potenza volumetrica di 3 W/cm³.
Ci sono molti altri motivi per cui le celle a ossido solido stampate potrebbero rappresentare una svolta. Oltre a ridurre significativamente il peso, il sistema consente ai gas di fluire in modo efficiente attraverso la cella, migliora la distribuzione del calore e ne aumenta la stabilità meccanica.
Non solo. Passando alla modalità elettrolisi, hanno prodotto idrogeno a una velocità quasi 10 volte superiore rispetto ai progetti convenzionali.
“Abbiamo testato il sistema anche in condizioni estreme, con sbalzi di temperatura di 100 °C – spiegano gli scienziati – e siamo passati ripetutamente dalla modalità a celle a combustibile a quella a elettrolisi. Le celle a combustibile hanno resistito in modo impressionante, senza mostrare segni di cedimento strutturale o separazione degli strati”.
Per saperne di più, leggi l’articolo Monolithic gyroidal solid oxide cells by additive manufacturing, pubblicato su Nature Energy.
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