LA3.4.2 – Sviluppo di stack innovativi SOFC con caratteristiche di “fuel flexibility” alimentati con miscele di idrogeno e gas naturale per applicazioni stazionarie CHP- combined heat and power

Obiettivo 3: Celle a Combustibile

REFERENTE/I

Massimiliano Lo Faro – CNR

massimiliano.lofaro@cnr.it

Attività

Dalla cella commerciale a uno stack SOFC compatto, flessibile e adatto alla cogenerazione

La linea di attività sviluppa stack a celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) capaci di utilizzare idrogeno, syngas e combustibili rinnovabili riducendo la necessità di complessi sistemi esterni di reforming e desolforazione. L’approccio mantiene la struttura delle celle commerciali a base di Ni-YSZ e introduce sull’anodo un sottile strato funzionale di perovskite exsoluta e ceria drogata. Questo strato agisce come processore catalitico interno: favorisce la conversione del combustibile, limita la deposizione di carbonio e aumenta la tolleranza ai composti solforati. Le attività comprendono selezione e sintesi dei materiali, scale-up dei batch, formulazione degli inchiostri, deposizione mediante spray coating, fabbricazione di celle a larga area, scelta dei sigillanti e assemblaggio di un ministack da tre celle. L’obiettivo finale è dimostrare un dispositivo fuel-flexible per produzione combinata di elettricità e calore (CHP), con maggiore semplicità impiantistica e potenziale riduzione di costi e ingombri.​

Figura 1

Concetto: coating funzionale su cella commerciale​


Risultati

Materiali, processi e celle a larga area sviluppati lungo il percorso verso il ministack​

Sono state selezionate perovskiti exsolute a base di cobalto-ferrite modificate con Ni e integrate con ceria drogata, ottenendo

materiali bifunzionali con conduzione mista e capacità di trasferimento dell’ossigeno. La procedura di sintesi è stata portata a batch di almeno 200 g e sono stati ottimizzati slurry e trattamenti termici per il coating di celle commerciali. I test hanno confermato il funzionamento con H₂, syngas, propano, metanolo, glicerolo ed etanolo; nell’ambito delle configurazioni esaminate, la cella commerciale rivestita ha mostrato le prestazioni più favorevoli e assenza di danni irreversibili dopo l’alimentazione con metano. Prove catalitiche con H₂S fino a 80 ppm e analisi CHNS-O hanno verificato contenuti residui di carbonio e zolfo compatibili con i target progettuali. È stato quindi definito un protocollo riproducibile per celle planari da 25 cm², basato su spray coating, interlayer d’oro, cicli termici controllati e sigillanti compressivi, raggiungendo le milestone previste senza scostamenti tecnico-scientifici significativi.​

Figura 2

Concettualizzazione, visualizzazione, realizzazione e validazione elettrochimica in condizioni multifuel

FIG. 3 –  Validazione in modalità fuel cell con differenti miscele combustibili, finalizzata alla caratterizzazione della fuel flexibility e delle prestazioni elettriche del generatore SOFC
 

Team di ricerca

Gruppo di ricerca e personale coinvolto nelle attività sperimentali e di validazione

S. Vecino-Mantilla​
S. C. Zignani​
F. Matos de Oliveira​
Z. Hafsi​
E. Gallo​
M. V. Barp​
L. G. Zandavalli​

S. Sofi
A. Nicita

Responsabile della linea di attività​: Massimiliano Lo Faro​

Workflow sperimentale integrato


Documenti

Le attività hanno prodotto nove articoli su riviste internazionali indicizzate, dedicati allo sviluppo di perovskiti a media e alta entropia, elettrodi exsoluti, SOFC fuel-flexible, utilizzo diretto di bioetanolo e biogas, modellazione CFD e metodi integrati machine learning-DFT. Tutte le pubblicazioni riportano nei ringraziamenti il finanziamento del progetto POR H2 AdP MASE/ENEA, PNRR Missione 2, Componente 2, Investimento 3.5, CUP B93C22000630006.

Pubblicazioni selezionate:

• Vecino-Mantilla et al., Ceramics International 50 (2024), 684–691.

• Vecino-Mantilla and Lo Faro, Electrochimica Acta 464 (2023), 142927.

• Hafsi et al., International Journal of Hydrogen Energy 95 (2024), 1126–1136.

• Vecino-Mantilla and Lo Faro, International Journal of Hydrogen Energy 95 (2024), 1151–1157.

• Matos de Oliveira et al., Chemical Engineering Journal 514 (2025), 162981.

• Barp et al., Electrochimica Acta 538 (2025), 146964.

• Hafsi et al., Energy Conversion and Management (2025), 120116.

• Vecino-Mantilla et al., Journal of the European Ceramic Society (2026), 118389.

• Barp et al., Materials Reports: Energy (2026), 100444.

Altri prodotti e disseminazione

Oltre alle nove pubblicazioni indicizzate, i risultati sono stati valorizzati attraverso un capitolo scientifico dedicato all’elettrolisi assistita da bioetanolo, comunicazioni a congressi nazionali e internazionali, keynote e invited lectures, seminari, presentazioni durante giornate di approfondimento e ulteriori documenti scientifici attualmente in revisione o in preparazione per la sottomissione.