Anion exchange membrane water electrolysis for low-cost hydrogen production: experimental review of a 5cm2 AEM water electrolyser

This work addresses the possibility of producing hydrogen through Anion Exchange Membrane water electrolysis. A first description of the available electrolysis technologies presents their main features and explains their differences, pros and cons. Then, AEMWE is introduced, highlighting possible advantages that could derive from the adoption of such technology in the sustainable energy transition scenario we’re living. A bibliographic review takes then place, in which tested components and previous studies’ results are presented. Secondly, the main operating parameters of AEMWE are introduced and analysed in order to obtain an optimized setting configuration to operate this kind of electrochemical devices and get the best performance out of it. A third part covers the different aspects on which further improvements can be done to increase the durability of such devices, so that it could get closer to the actual best available technology on a long lifetime scale. Next, a chapter about Electrochemical Impedance Spectroscopy recalls the method’s principles and reasons why it covers such an important role in electrochemistry. Following, the experimental part presents the laboratory instruments and characterization tools I used to perform my tests at the LAPLACE Laboratory of the INP ENSEEIHT university of Toulouse. Results are then presented and commented. Finally, the thesis is concluded with a reflection on how further advancements are needed, as technologies like this are fundamental for our future and decarbonization path for human survival.

Questo lavoro affronta la possibilità di produrre idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua con membrane a scambio anionico. Una prima descrizione delle tecnologie di elettrolisi disponibili ne presenta le caratteristiche principali, spiegandone le differenze, i pro e i contro. Viene poi introdotta l'AEMWE, evidenziando i possibili vantaggi che potrebbero derivare dall'adozione di tale tecnologia nello scenario di transizione energetica sostenibile di cui facciamo parte. Segue una rassegna bibliografica, in cui vengono presentati i componenti testati e i risultati di studi precedenti. Vengono poi introdotti e analizzati i principali parametri operativi dell'AEMWE, per arrivare ad una configurazione operativa che ne ottimizzi le prestazioni. Una terza parte tratta i diversi aspetti su cui è possibile apportare ulteriori miglioramenti per aumentare la durata di questi dispositivi, in modo da avvicinarsi alla migliore tecnologia disponibile su una scala di lunga durata. Successivamente, un capitolo sulla spettroscopia di impedenza elettrochimica ricorda i principi del metodo e le ragioni per cui ricopre un ruolo così importante nell'elettrochimica. In seguito, la parte sperimentale presenta gli strumenti di laboratorio e di caratterizzazione che ho utilizzato per eseguire i miei test presso il Laboratorio LAPLACE dell'Università INP ENSEEIHT di Tolosa. I risultati sono poi presentati e commentati. Infine, la tesi si conclude con una riflessione sulla necessità di ulteriori progressi, poiché tecnologie come questa sono fondamentali per il nostro futuro e per il percorso di decarbonizzazione per la sopravvivenza umana.