Ottimizzazione del processo di produzione di matrici per celle a combustibile a carbonati fusi: dalle materie prime alla validazione in cella in una prospettiva di scale-up

Abstract

Le celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) sono sistemi elettrochimici ad alta temperatura che possono contribuire alla decarbonizzazione dei settori ad alta intensità energetica, combinando produzione di energia elettrica e separazione elettrochimica dell’anidride carbonica. Il loro funzionamento si basa su un elettrolita a carbonati fusi trattenuto all’interno di una matrice ceramica porosa, che deve garantire continuità ionica, separazione dei compartimenti gassosi, isolamento elettronico, ritenzione dell’elettrolita e adeguata stabilità meccanica. Le prestazioni della matrice dipendono non solo dal materiale ceramico, generalmente alluminato di litio, ma anche dall’intero processo produttivo.

La tesi analizza l’ottimizzazione di un processo di tape casting per la produzione di matrici destinate alle MCFC, dalla selezione delle materie prime fino alla validazione in una cella completa. Sono stati studiati le caratteristiche della polvere, la compatibilità dei solventi, la scelta di disperdenti e antischiuma, il rapporto tra legante e plastificante, le condizioni di macinazione, la reologia della sospensione, il colaggio, l’essiccamento e il trattamento termico. Particolare attenzione è stata dedicata alla sostituzione della formulazione originaria a base di DBP con un sistema contenente PEG e alla semplificazione della sequenza produttiva in vista di un futuro scale-up.

I risultati mostrano che una formulazione più razionale e un processo meglio organizzato possono migliorare la stabilità della sospensione, la qualità dei nastri verdi e la riproducibilità della produzione. Le matrici ottenute hanno mostrato una struttura porosa accessibile, compatibile con la ritenzione dei carbonati fusi, e sono state integrate con successo in una MCFC operativa, senza introdurre penalizzazioni resistive rispetto al benchmark considerato.

Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) are high-temperature electrochemical systems that can support the decarbonisation of energy-intensive sectors by combining electricity generation with electrochemical carbon dioxide separation. Their operation relies on a molten carbonate electrolyte retained within a porous ceramic matrix, which must ensure ionic continuity, separation of the gas compartments, electronic insulation, electrolyte retention and adequate mechanical stability. The performance of this component depends not only on the ceramic material, generally lithium aluminate, but also on the entire manufacturing route.

This thesis investigates the optimisation of a tape-casting process for the production of MCFC matrices, from raw-material selection to validation in a complete cell. The study considers powder characteristics, solvent compatibility, dispersant and defoamer selection, the balance between binder and plasticizer, milling conditions, slurry rheology, casting, drying and thermal treatment. Particular attention was given to replacing the original DBP-based formulation with a PEG-containing system and to simplifying the production sequence in view of future scale-up.

The results show that a more rational formulation and a better-organised process can improve slurry stability, green-tape quality and production reproducibility. The resulting matrices exhibited an accessible porous structure compatible with molten-carbonate retention and were successfully integrated into an operating MCFC, without introducing an additional resistive penalty compared with the selected benchmarck.