Sviluppo di elettrodi di nichel per celle a combustibile a carbonati fusi: ottimizzazione del processo di produzione e caratterizzazione delle prestazioni

Abstract

Il lavoro di tesi si inserisce nel contesto delle tecnologie per la riduzione delle emissioni di gas serra e per la transizione energetica sostenibile, con particolare riferimento alle strategie di Carbon Capture and Storage (CCS). In questo ambito, le Celle a Combustibile a Carbonati Fusi (MCFC) rappresentano una tecnologia avanzata e innovativa, capace di coniugare la produzione di energia elettrica ad alta efficienza con la cattura attiva della CO₂. Questa caratteristica deriva dalle reazioni elettrochimiche che avvengono all’interno della cella, in cui la CO₂ non è un sottoprodotto ma un componente indispensabile al ciclo operativo. Le MCFC operano a temperature elevate (600–700 °C), condizione che assicura cinetiche rapide, buona tolleranza alle impurezze del combustibile e la possibilità di utilizzare il calore residuo per cogenerazione, raggiungendo efficienze globali molto elevate.

Il progetto di ricerca è stato focalizzato sulla realizzazione e caratterizzazione di elettrodi in nichel, materiale di riferimento per le MCFC, con l’obiettivo di ottimizzarne la microstruttura. La tecnica scelta per la fabbricazione è stata l’elettrodeposizione, considerata un’alternativa versatile e scalabile rispetto ai metodi tradizionali di sinterizzazione. Tale approccio consente di modulare con precisione lo spessore del rivestimento, la porosità e la morfologia del deposito, parametri chiave per garantire la ritenzione capillare dell’elettrolita e l’efficienza dei processi elettrochimici.

Sono stati utilizzati come substrati principalmente feltri e reti di nichel, scelti per le loro proprietà geometriche e per la compatibilità con l’applicazione in cella. Variando i parametri di deposizione – densità di corrente, tempo, composizione del bagno e pH – è stato possibile ottenere rivestimenti con caratteristiche differenti, analizzate tramite tecniche di caratterizzazione morfologica e funzionale. In particolare, è stata posta attenzione al raggiungimento di una porosità ot

This thesis work is framed within the context of technologies aimed at reducing greenhouse gas emissions and enabling a sustainable energy transition, with a specific focus on Carbon Capture and Storage (CCS) strategies. In this framework, Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) emerge as an advanced and innovative technology, capable of combining high-efficiency electricity generation with the active capture of CO₂. This unique feature arises from the electrochemical reactions inside the cell, where CO₂ is not a by-product but an essential component of the operational cycle. MCFCs operate at elevated temperatures (600–700 °C), which ensures fast kinetics, high tolerance to fuel impurities, and the possibility of exploiting the residual heat for cogeneration, thus achieving overall efficiencies up to 70–90%.

The research project was focused on the synthesis and characterization of nickel-based electrodes, the reference material for MCFCs, with the aim of optimizing their microstructural and morphological properties. The chosen fabrication method was electrodeposition, considered a versatile and scalable alternative to conventional sintering processes. This technique allows precise control over the coating thickness, porosity, and surface morphology—key parameters to ensure capillary retention of the molten carbonate electrolyte and efficient electrochemical performance.

Nickel felts and meshes were primarily used as substrates due to their favorable geometric properties and suitability for cell applications. By tuning electrodeposition parameters such as current density, deposition time, bath composition, and pH, different surface morphologies were achieved and subsequently characterized using structural and electrochemical techniques. A particular focus was placed on achieving an adequate porosity, which is essential for electrolyte retention and for establishing the so-called triple phase boundary, where the solid electrode, liquid electrolyte, and gaseous reactants