Ossidazione ad alte T di FSS per SOFC

Le misure termogravimetriche, effettuate su campioni di AISI 441 e Crofer22 APU, costituiscono il fulcro dell'analisi cinetica di ossidazione. Queste prove, condotte fino a 1000 ore di invecchiamento a temperature di 750°C, 800°C e 850°C, hanno permesso di calcolare la costante cinetica di ossidazione. Tuttavia, l'importanza di queste misure risiede nella loro capacità di fornire informazioni sulla velocità di crescita dello strato di ossido superficiale. È fondamentale sottolineare che i dati termogravimetrici, rappresentati dalle curve di aumento di peso, devono essere integrati con altri dati, in particolare la quantificazione dell'evaporazione del cromo, un fenomeno che causa una perdita di massa dal campione e influenza significativamente i risultati. La precisione delle misure è stata garantita da una bilancia analitica con un errore nell'ordine di 10⁻⁵ g cm⁻², considerato accettabile per l'analisi. L'analisi delle curve di aumento di peso ha permesso di ricavare la costante parabolica k, fornendo indicazioni cruciali sulla cinetica di ossidazione dei due acciai inossidabili ferritici studiati. La scelta di effettuare le prove a tre diverse temperature ha permesso di analizzare l'effetto della temperatura sulla velocità di ossidazione e di comprendere meglio il comportamento dei materiali in diverse condizioni operative, tipiche delle applicazioni SOFC.

Un aspetto cruciale dello studio è la quantificazione dell'evaporazione del cromo, un fenomeno che contribuisce significativamente alla degradazione degli interconnettori SOFC. Per affrontare questo aspetto, è stato messo a punto un innovativo sistema di misura in grado di quantificare il cromo evaporato sia in operando che ex situ. La tecnica in operando, una novità assoluta nel campo, prevede il monitoraggio del diossido di carbonio (CO₂) rilasciato dalla reazione tra le specie volatili del cromo e il carbonato di calcio, permettendo così la quantificazione diretta del cromo evaporato durante il processo di ossidazione. L'utilizzo di un sensore a infrarossi (DFRobot) e di un Arduino Uno per la gestione del sensore e la raccolta dati (termocoppie e sensore di umidità inclusi) ha consentito la misurazione online del CO₂ fino a 5000 ppm. La tecnica ex situ, più tradizionale, si basa sulla quantificazione spettrofotometrica del cromato di sodio formatosi dopo la reazione. Questo sistema, testato con misure a diversi tempi (10, 50 e 100 ore e successive misure su campioni pre-ossidati per tempi più lunghi), ha dimostrato un'elevata efficienza (circa il 92% con analisi ICP-AES). La metodologia in operando, oggetto di uno studio di fattibilità, si prefigge l'obiettivo di fornire una quantificazione accurata e riproducibile dell'evaporazione del cromo, essenziale per una comprensione completa dei meccanismi di degradazione degli acciai utilizzati negli interconnettori SOFC. L'utilizzo di una soluzione 1M di NaOH nel gorgogliatore ha permesso di controllare l'umidità e ridurre l'interferenza della CO₂ ambientale.

Per valutare le prestazioni degli interconnettori SOFC, è stata determinata l'Area Specific Resistance (ASR) mediante uno strumento appositamente progettato (RLT 0 - Real Life Tester). Questo strumento, già utilizzato in precedenti lavori, impiega un sistema a quattro fili per misurare la resistenza elettrica dei campioni, utilizzando retine d'oro per garantire un contatto ottimale e una distribuzione uniforme della corrente. La scelta dell'oro è dovuta alla sua elevata conducibilità elettrica e stabilità alle alte temperature. Le misure di ASR sono state effettuate a diverse temperature, permettendo di calcolare l'energia di attivazione per la conducibilità elettronica dell'ossido. Questa grandezza, misurata in Ω cm, è un parametro fondamentale per caratterizzare il comportamento elettrico degli interconnettori durante i processi ossidativi, fornendo informazioni sulla loro capacità di condurre elettricità e quindi di garantire un funzionamento efficiente della pila a combustibile. In questo studio, a differenza di lavori precedenti, i campioni sono stati caratterizzati senza flusso di gas, semplificando il protocollo sperimentale. L'analisi dei dati ottenuti ha permesso di correlare le variazioni di ASR con la composizione e la morfologia degli strati di ossido, contribuendo alla comprensione dei meccanismi di degradazione.