Produzione e caratterizzazione di fogli elettrolitici per celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC)

Abstract

La crescente domanda di soluzioni innovative per la riduzione dei gas serra e per la produzione di energia in modo sostenibile rende necessario lo sviluppo di nuove tecnologie. Il presente lavoro si inserisce nel contesto delle tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS), oggi considerate tra le strategie primarie per la decarbonizzazione dei processi industriali e in ambito navale. Nello specifico, la ricerca si focalizza sulle Celle a Combustibile a Carbonati Fusi (MCFCs), sistemi avanzati che si distinguono per la loro duplice funzionalità: la generazione di potenza elettrica e la simultanea cattura della CO2, un processo reso possibile dalle specifiche reazioni elettrochimiche che governano il dispositivo. Il presente lavoro di tesi sperimentale si focalizza sulla realizzazione e sull'ottimizzazione di fogli di elettrolita per le celle MCFCs. Durante le fasi di assemblaggio e di test della cella, la miscela elettrolitica di carbonati, destinata a fondere alle temperature di esercizio prossime ai 650°C, viene generalmente introdotta sotto forma di polvere, una modalità che rende più complessa la gestione della quantità di materiale nel sistema e il mantenimento di un adeguato contatto meccanico tra i componenti. Per superare tali criticità, il presente lavoro adotta la tecnica di produzione di nastri contenenti la polvere elettrolitica a basso impatto ambientale, seguendo metodologie già ampiamente consolidate e utilizzate per la realizzazione di matrici ceramiche destinate alle MCFCs. L’obiettivo principale della ricerca è la messa a punto di un componente che faciliti le operazioni di assemblaggio dello stack; in particolare, si è lavorato per ottenere fogli con un'elevata densità di carbonati, progettati per ridurre al minimo le variazioni di spessore all'interno della cella e prevenire la perdita di materiale causata dal flussaggio dei gas prima del raggiungimento della temperatura di fusione. Inoltre, vengono valutati diversi materiali

The growing demand for innovative solutions to reduce greenhouse gas emissions and generate energy sustainably necessitates the development of new technologies. This work falls within the scope of Carbon Capture and Storage (CCS) technologies, currently regarded as key strategies for decarbonizing industrial processes and maritime operations. Specifically, the research focuses on Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs), advanced systems distinguished by their dual functionality: electric power generation and simultaneous CO2 capture a process enabled by the specific electrochemical reactions governing the device. This experimental thesis focuses on the fabrication and optimization of electrolyte sheets for MCFCs. During cell assembly and testing, the carbonate electrolyte mixture—designed to melt at operating temperatures near 650°C—is typically introduced as a powder; this method complicates the management of material quantity within the system and makes it difficult to maintain adequate mechanical contact between components. To address these challenges, this work employs a low-environmental-impact tape-casting technique to produce sheets containing the electrolyte powder, utilizing methodologies that are already well-established for manufacturing ceramic matrices for MCFCs. The primary research objective is to develop a component that facilitates stack assembly; specifically, the work aimed to produce sheets with high carbonate density, designed to minimize thickness variations within the cell and prevent material loss caused by gas flow prior to reaching the melting temperature. Furthermore, various materials for producing the sheets are being evaluated, with the aim of identifying solutions that strike an appropriate balance between the technology's sustainability and the components' functionality. Following the synthesis process, specific functional analyses were conducted on the samples to assess the behavior of the produced sheets. These investigations made it po