Experimental characterization of an anion exchange membrane electrolyser and ancillary component

According to the latest annual report of the International Energy Agency, hydrogen will play a key role in the energy transition to meet the European objectives for 2050 for carbon neutrality. Electrolysers powered by energy from renewable sources are candidates for a primary role in the medium term. This thesis work, carried out at the Energy Conversion and Storage Laboratory (LabX) of the Department of Energy of the Politecnico di Milano, has the objective of characterizing the performance of an anion exchange membrane electrolyser. This technology tries to exploit the advantages of the more known and present in the market PEM and Alkaline electrolysis. In the first phase, the focus of the work is testing the machine, aiming at creating a performance map, while identifying potential anomalies in the operation; in the second phase the goal is the analysis of the performance through the calculation of the electrical efficiency, stack efficiency and the one of the whole system at the external effects. The experimental campaign allowed to identify critical issues and implement corrections; in the final tests, the stack performs properly, but the overall electric efficiency appears lower than the expected 60%, with a maximum system efficiency around 42.5%. A second objective of this work is the preliminary design of a meter based on the Venturi effect that can be easily installed in series with small size electrolysers. Since there is no specific regulation for this component of low dimensions, the reference used is the existing regulations on the subject for larger devices. The instrument will require a calibration with another meter in order to build the correlation curve of the pressure drop vs volumetric flow rate and then to be used alone on the line. The paper concludes with the calculation of the measurement error that this new instrument could guarantee.

Secondo l'ultimo report annuale dell'agenzia internazionale dell'energia, l'idrogeno occuperà un ruolo fondamentale nella transizione energetica per rispettare gli obiettivi europei al 2050 per la neutralità carbonica. Gli elettrolizzatori alimentati tramite energia da fonti rinnovabili si candidano ad un ruolo primario nel medio periodo. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Laboratorio di Energy Conversion and Storage (LabX) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, ha l'obiettivo di caratterizzare le perfomance di un elettrolizzatore con membrana a scambio anionico. Questa tecnologia si pone nel mezzo tra le più note elettrolisi di tipo PEM e alcalina, cercando di sfruttare i vantaggi di entrambe. Nella prima fase ci si è concentrati nella ricerca di malfunzionamenti e anomalie del sistema, mentre in secondo luogo nell'analisi delle performance attraverso il calcolo dell'efficienza elettrica, dello stack e dell'intero sistema agli effetti esterni. La campagna sperimentale ha permesso di individuare alcune anomalie e implementare delle correzioni. Nei test finali, il sistema lavora correttamente, tuttavia l'efficienza è minore di quella attesa (60%), assestandosi attorno a un valore massimo del 42.5%. Un secondo obiettivo di questo lavoro è la progettazione preliminare di un misuratore basato sull'effetto Venturi che possa essere facilmente installabile in serie a elettrolizzatori di piccola taglia. Non esistendo una normativa specifica per questo componente ci si è affidati per quanto possibile alle esistenti normative sul tema per componenti di maggiori dimensioni. Lo strumento necessiterà di una calibrazione con un misuratore già presente in modo da costruire la correlazione della curva perdite di carico vs portata volumetrica per poi essere utilizzato in solitaria. L'elaborato si conclude con il calcolo dell'errore di misura che questo nuovo strumento potrebbe garantire.