Ecco come le nanoparticelle giganti possono causare l'effetto sputtering nei SOFC:
1. Formazione di nanoparticelle giganti:durante il funzionamento di una SOFC, il gas combustibile (solitamente idrogeno) reagisce con gli ioni di ossigeno sull'anodo per produrre vapore acqueo e rilasciare elettroni. Questi elettroni fluiscono attraverso il circuito esterno, generando una corrente elettrica. Tuttavia, in determinate condizioni, soprattutto a temperature operative elevate, il materiale dell’anodo (tipicamente nichel) può iniziare ad agglomerarsi e formare nanoparticelle giganti.
2. Processo di sputtering:le nanoparticelle giganti formate sulla superficie dell'anodo sono esposte all'ambiente ad alta temperatura e possono diventare altamente mobili. Queste nanoparticelle possono essere spruzzate o espulse dalla superficie dell'anodo a causa di collisioni con molecole di gas ad alta energia o ioni presenti nel gas combustibile.
3. Deposizione sul catodo:le nanoparticelle spruzzate possono viaggiare attraverso l'elettrolita e depositarsi sulla superficie del catodo. Poiché il catodo è solitamente costituito da un materiale poroso, le nanoparticelle possono accumularsi nei suoi pori, bloccando la superficie attiva e ostacolando la reazione di riduzione dell'ossigeno.
4. Degrado delle prestazioni:l'accumulo di nanoparticelle sulla superficie del catodo ostruisce il flusso di ossigeno verso i siti attivi del catodo. Di conseguenza, la velocità della reazione di riduzione dell’ossigeno diminuisce, portando ad una riduzione delle prestazioni complessive della cella. Questo fenomeno è comunemente osservato come una caduta di tensione nel tempo nelle SOFC.
5. Maggiore resistenza della cella:la presenza di nanoparticelle sulla superficie del catodo aumenta anche la resistenza interna della cella. Questo perché le nanoparticelle agiscono come barriere, ostacolando il trasferimento di elettroni e ioni tra il catodo e l'elettrolita. L'aumento della resistenza contribuisce ulteriormente alla diminuzione delle prestazioni delle celle.
6. Stabilità a lungo termine:l'effetto sputter causato dalle nanoparticelle giganti può avere un impatto significativo sulla stabilità e sulla durata a lungo termine delle SOFC. L'esposizione prolungata alle alte temperature e al gas combustibile può accelerare la formazione e lo spruzzamento di nanoparticelle, portando a un graduale degrado delle prestazioni delle celle nel tempo.
Ridurre al minimo la formazione e l’impatto delle nanoparticelle giganti è una sfida chiave nello sviluppo di SOFC durevoli e ad alte prestazioni. Sono state studiate varie strategie, come l'ottimizzazione della microstruttura dell'anodo, la modifica della composizione del carburante e l'incorporazione di tecniche di mitigazione delle nanoparticelle, per affrontare l'effetto sputtering e migliorare le prestazioni complessive e la stabilità delle SOFC.
