Ottimizzazione del processo di produzione di matrici per celle a combustibile a carbonati fusi applicate alla decarbonizzazione

Abstract

Le celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) rappresentano una tecnologia promet- tente sia per la generazione sostenibile di energia che per la cattura selettiva della CO2. Tuttavia, l’attuale configurazione di queste celle presenta ancora diversi problemi che im- pediscono un funzionamento stabile a lungo termine. La matrice ceramica `e uno dei componenti piu` critici, poich ́e ha un forte impatto sul- le prestazioni della cella. Questa matrice fornisce supporto strutturale e trattiene i carbonati fusi che fungono da elettrolita, e deve possedere una buona resistenza meccanica nonostante la sua struttura porosa, un’elevata area superficiale specifica e una sufficiente capacita` di bagnarsi con l’elettrolita per evitare l’allagamento dell’elettrodo. La struttura della matrice, le sue caratteristiche principali e i problemi di degradazione vengono esaminati a partire dall’alluminato di litio (LiAlO2), che dara` il corpo alla ma- trice sinterizzata. Poich ́e le prestazioni della cella dipendono strettamente dalla produzione della matrice `e stato studiato in dettaglio il processo di produzione, tenendo conto dell’impatto ambien- tale in fase di scale-up. Questa tesi si focalizza sull’ottimizzazione del processo di produzione delle matrici delle MCFC, con l’obiettivo di migliorare le propriet`a meccaniche e operative della matrice, contribuendo alla decarbonizzazione.

Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) represent a promising technology for both sustainable energy generation and selective CO2 capture. However, the current configuration of these cells still presents several challenges that prevent stable long-term operation.

The ceramic matrix is one of the most critical components, as it greatly impacts the cell's performance. This matrix provides structural support and retains the molten carbonates that serve as the electrolyte. It must possess good mechanical strength despite its porous structure, a high specific surface area, and sufficient wettability with the electrolyte to prevent electrode flooding.

The matrix structure, its main characteristics, and degradation issues are examined, starting with lithium aluminate (LiAlO₂), which forms the body of the sintered matrix. Since the cell’s performance is closely linked to the production of the matrix, the manufacturing process has been studied in detail, considering the environmental impact during scale-up.

This thesis focuses on optimizing the production process of MCFC matrices, aiming to improve the mechanical and operational properties of the matrix, thus contributing to decarbonization.