Progressi della ricerca sui connettori a piastre resistenti all'usura in ferrite
Nel 1997, Hitachi Metal Company ha sviluppato il materiale metallico Fe-22Cr, lega ferritica ZMG232 per connettori SOFC con una temperatura operativa di 1000 gradi. Il materiale ferritico è stato selezionato come connettore SOFC perché ha un coefficiente di dilatazione termica inferiore rispetto all'austenite, che è più simile al materiale del componente SOFC. L'azienda ha quindi adottato una serie di misure di miglioramento del processo, come la riduzione del contenuto di ossidi e impurità, e nel 2005 ha sviluppato la lamiera resistente all'usura ZMG232L.
La piastra resistente all'usura ZMG232L può formare uno strato denso di ossido Cr2O3 nell'ambiente di lavoro, quindi ha allo stesso tempo una buona conduttività elettrica intrinseca, ma ha anche un'eccezionale resistenza all'ossidazione. Sebbene la resistenza all'ossidazione del connettore possa essere ottenuta anche formando uno strato di ossido Al2O3, Al2O3 non ha conduttività elettrica alla temperatura operativa della piastra resistente all'usura ZMG232L, quindi la lega dello strato di ossido Cr2O3 con piccola resistenza alle alte temperature è adatta per Materiali metallici del connettore SOFC.
Con il continuo sviluppo della SOFC, sono stati proposti requisiti più elevati per i materiali metallici dei connettori, per migliorare ulteriormente la resistenza all'ossidazione e ridurre la quantità di evaporazione del cromo generata dai materiali metallici per ridurre l'impatto sulle prestazioni dei componenti di generazione di energia. Sulla base della piastra resistente all'usura ZMG232L, Hitachi Metal Company ha realizzato il progetto di una pellicola e una lega di densificazione composta da uno strato di spinello e uno strato di ossido di cromo con conduttività elettrica aggiungendo elementi di lega e componenti di ottimizzazione, e ha sviluppato una nuova piastra resistente all'usura ZMG232G10 in lega con la resistenza all'ossidazione e la conduttività elettrica sono aumentate di circa 2 volte.
Di seguito vengono brevemente introdotti la struttura dello strato di ossido e il design della lega della piastra resistente all'usura ZMG232G10.
Quando la piastra resistente all'usura ZMG232L viene trattata termicamente in un'atmosfera ossidante, sulla superficie del pezzo si forma uno strato di ossido a doppio strato, lo strato superficiale è lo strato di ossido (Mn, Cr) 3O4, lo strato interno (matrice) è lo strato di ossido Cr2O3. La resistenza all'ossidazione dipende dallo strato di ossido Cr2O3, ma l'evaporazione dell'elemento Cr in esso contenuto porterà al deterioramento delle prestazioni dell'elemento generatore di energia, sebbene lo strato di ossido (Mn,Cr) 3O4 avrà un certo effetto inibitorio sull’evaporazione del Cr, ma il tasso di ossidazione di (Mn,Cr) 3O4 rende limitato l’effetto protettivo.
Per risolvere i problemi di cui sopra, nella progettazione della lega vengono adottate le seguenti misure.
1) Migliorare la resistenza all'ossidazione: ridurre il contenuto di Mn e ridurre il tasso di ossidazione di (Mn, Cr) 3O4;
2) Inibire l'evaporazione del Cr: aggiungere Cu, il Cu si diffonde nello strato di ossido (Mn,Cr) 3O4, densificando lo strato di ossido (Mn,Cr) 3O4.
Grazie alle misure di progettazione della composizione di cui sopra, la piastra resistente all'usura ZMG232G10 ha una migliore resistenza all'ossidazione rispetto alla piastra resistente all'usura ZMG232L e la quantità di evaporazione del Cr è ridotta.
Piastra antiusura ZMG232G10 e altri confronti tra piastre antiusura
Per commercializzare le SOFC è necessario ridurre il costo di produzione di ciascun componente. Negli ultimi anni è stata studiata l'applicazione della piastra resistente all'usura in ferrite nei connettori SOFC. La resistenza all'ossidazione del connettore a piastra resistente all'usura ZMG232G10 sviluppato da Hitachi Metal Company è stata confrontata con altre piastre resistenti all'usura e il campione di prova aveva uno spessore di 10 mm. Poiché più sottile è lo spessore della piastra, peggiore è la resistenza all'ossidazione della lega, è necessario prestare attenzione alla progettazione dello spessore quando la piastra resistente all'usura viene utilizzata come materiale del connettore SOFC. Quando si utilizza ZMG232G10 come materiale del connettore SOFC, è possibile utilizzare un materiale più sottile rispetto alla normale piastra resistente all'usura.
Minore è l'incremento dell'ossidazione che cambia nel tempo, migliore è la resistenza all'ossidazione, ad esempio la resistenza all'ossidazione della piastra antiusura ZMG232G10 è significativamente migliore di SUS430. In circostanze normali, l'incremento di ossidazione dello strato di ossido che forma la lega aumenta secondo la regola parabolica con l'aumento del tempo, ma l'incremento di ossidazione di SUS430 aumenta bruscamente con l'aumento del tempo nel trattamento di ossidazione iniziale. Prima del tempo di ossidazione di 2500 ore, la tendenza al cambiamento dell'incremento di ossidazione di SUS444 è sostanzialmente la stessa di quella di ZMG232G10, ma dopo l'aumento, l'incremento di ossidazione di SUS444 diminuisce rapidamente, il che è il risultato della scheggiatura del suo strato di ossidazione con resistenza all'ossidazione. Il confronto sopra mostra che rispetto alle piastre resistenti all'usura ZMG232G10, SUS430 e SUS444 hanno una scarsa resistenza all'ossidazione.
