Titolo della tesi: Development of Advanced Electrolyte-Supporting Ceramic Matrices for High-Performance Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs)
Riassunto
La matrice elettrolitica rappresenta un componente fondamentale delle celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC), poiché è responsabile sia della conduzione ionica sia della sigillatura dei gas. La matrice deve essere completamente impregnata di elettrolita ed essere in grado di trattenere i carbonati fusi. Essendo un elemento chiave per ottenere elevate prestazioni delle MCFC, l’obiettivo principale di questo lavoro è stato il miglioramento delle prestazioni delle celle attraverso l’ottimizzazione della struttura porosa e della conducibilità ionica della matrice elettrolitica. Un secondo obiettivo è stato lo sviluppo di un processo di fabbricazione della matrice mediante tape casting più sostenibile. È stata impiegata la tecnica del tape casting con una formulazione ottimizzata ed ecocompatibile della sospensione (slurry) per produrre nastri ceramici verdi uniformi e sottili, con spessore controllato nell’intervallo 0,2–0,7 mm e una nuova struttura porosa della matrice. In particolare, l’ottimizzazione dei parametri di processo ha consentito di ottenere una matrice di LiAlO₂ con una porosità più fine rispetto ai processi convenzionali di fabbricazione. La porosità della nuova matrice risultava concentrata nell’intervallo mesoporoso, ben al di sotto della dimensione media dei pori di 200–300 nm tipica delle matrici convenzionali. La nuova matrice ha inoltre mostrato elevata flessibilità e buona integrità meccanica. Le caratteristiche dei nastri sono state analizzate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), diffrazione a raggi X (XRD) e analisi Brunauer-Emmett-Teller (BET). Infine, sono stati effettuati quattro test su celle button utilizzando matrici fabbricate con spessori di 0,45 mm, 0,5 mm e 0,68 mm. I risultati sperimentali hanno evidenziato una bassa resistenza interna delle celle e una densità di corrente significativamente superiore rispetto alle celle MCFC convenzionali, indicando un notevole miglioramento della conducibilità ionica della matrice, probabilmente dovuto a un effetto di elettrolita composito indotto dalla struttura mesoporosa della nuova matrice. In conclusione, questa tesi ha dimostrato il forte effetto benefico di una struttura mesoporosa della matrice nel migliorare le prestazioni delle celle MCFC oltre lo stato dell’arte della tecnologia attuale.