La spettroscopia di impedenza elettrochimica come strumento di diagnostica predittiva per celle e stacks ad ossidi solid (SOFC)

L'attività svolta è stata focalizzata sulla caratterizzazione elettrochimica e microstrutturale del sigillante vetroso, per pile a combustibile ad ossido solido, SOFC, studiandone l'interazione con componenti adiacenti. Le pile a combustibile sono considerate una delle più promettenti tecnologie per la produzione di energia pulita. Gli obiettivi delle attuali ricerche in questo ambito sono volti a ottenere delle densità di potenza e resistenza al degrado dei materiali adeguati avvicinando tale tecnologia alla commercializzazione. Dal punto di vista pratico, una cella a combustibile non ha la possibilità di generare una potenza sufficiente da poter essere utilizzata singolarmente. Per tale motivo è necessario impilare più celle fino al raggiungimento della potenza necessaria in base all' applicazione specifica. Tra i vari tipi di design per l'impilamento, la soluzione planare è sempre di più quella considerata per la produzione di questi sistemi in larga scala. Questa soluzione implica l'introduzione di diversi elementi, non funzionali alla reazione chimica, che svolgono funzioni strutturali e di contatto elettrico tra le singole celle, gli interconnettori. Allo stato dell'arte gli interconnettori sono costituiti da materiali metallici (acciai inossidabili, leghe a base Ni o Cr). L'introduzione degli interconnettori metallici prevede l'applicazione di un ulteriore componente, solitamente di natura vetrosa, il sigillante (sealing). Il sigillante vetroso ha la duplice funzione di garantire l'adesione tra cella e interconnettore, interconnettore e interconnettore e un'adeguata tenuta ai gas al fine di mantenere separati l'ambiente ossidante del catodo da quello riducente dell'anodo. Le elevate temperature di esercizio delle SOFC rendono inoltre necessario che i materiali utilizzati nel loro assemblaggio soddisfino requisiti di stabilità e compatibilità chimica e meccanica (284). Sia gli interconnettori che i sigillanti devono resistere all'azione di una doppia atmosfera (riducente al lato anodico e ossidante al lato catodico), elevate temperature (comprese tra i 600 e 900°C in base al tipo di cella e alle condizioni operative locali) e a stress meccanici causati da gradienti termici (587). Inoltre il sealing deve isolare elettricamente i diversi strati della pila a combustibile evitando perdite nella loro efficienza (8,9). L'interazione tra i materiali costituenti una pila a combustibile alle varie interfacce (sigillante8metallo, sigillante8elettrolita, in singola e doppia atmosfera) è oggetto di studio in quanto si ripercuote direttamente sulle prestazioni e affidabilità del sistema (5, 10813). In precedenti studi sono stati individuati i fattori che maggiormente influenzano l'efficacia e stabilità dei materiali strutturali delle pile a combustibile: porosità, cristallinità, stabilità chimica (diffusione di elementi, formazione di fasi non volute). Nel contesto della ricerca svolta sono stati testati dei campioni provenienti da una pila a combustibile utilizzata per 4000 ore analizzando l'evoluzione dei parametri sopraelencati. Parallelamente è stato sviluppato un design per dei campioni da laboratorio i quali, riproducendo le locali condizioni di esercizio di varie parti di una pila, hanno permesso di simulare l'invecchiamento dei materiali coinvolti senza la necessità di doverli testare in una pila funzionante. Il confronto dei risultati ottenuti dalla pila con quelli da simulazioni effettuate a livello di laboratorio ha permesso di comprendere parte dei fenomeni di degrado che intercorrono all'interfaccia interconnettore8sigillante e confermato la possibilità di testare i sigillanti esternamente a una pila evitando le problematiche di assemblaggio e garantendo una maggior riproducibilità del sistema.