Development and characterization of an aqueous phase methanol reformer for a fuel cell system

Abstract

This master's thesis investigates the performance of a methanol fuelled aqueous phase reformer (APR) as a hydrogen production method for a 5 kW combined heat and power system, which is based on high temperature proton-exchange membrane fuel cell technology (HT-PEMFC).

The literature review introduces the high temperature proton-exchange membrane fuel cell technology and the principles of the aqueous phase reforming. The focus is on review of the operation conditions, the reforming phenomena, and the catalyst materials.

The experimental part represents the structure of the test bench system, describes the performed experiments, and evaluates the results. The test bench setup was targeted to reach 10 % of the hydrogen production capacity of the full scale system. The performance of two chosen catalysts, Ni/CeO2-ZrO2 and Pt/Al2O3, are investigated in the conditions of 160-190 C and 10-40 bar. The temperature conditions base on the temperature of the waste heat produced in the fuel cell system.

The experiments with Ni/CeO2-ZrO2 catalyst failed due to the low activity and deactivation of the catalyst. With the Pt/Al2O3 catalyst, the highest achieved hydrogen production rate was 2.05 mmol/min and it was reported at conditions of 189.2 C and 26.1 bar(g). This was only 0.23 % of the hydrogen demand of the full scale system. When temperature conditions were in range of 160-180 C, the reached production rates were significantly lower.

Overall, the achieved hydrogen production rates were too low to meet the requirements of the final application. It appeared that activities of the tested catalysts were not high enough in the test conditions. In future, either research of novel catalysts or experiments in higher temperatures are required, to improve the performance of the APR system. However, if temperature conditions are elevated, the APR could not be heated with the waste heat of the HT-PEMFC system.

Tässä diplomityössä tutkitaan metanolikäyttöisen vesifaasireformerin toimintaa vedyn tuotantomenetelmänä 5 kW:n sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmälle, joka perustuu korkean lämpötilan protoninvaihtopolttokennoteknologiaan.

Kirjallisuuskatsauksessa esitellään korkean lämpötilan protoninvaihtopolttokennojen ja vesifaasireformoinnin toimintaperiaatteet. Katsauksessa keskitytään toimintaolosuhteisiin, reformointi-ilmiöihin ja katalyyttimateriaaleihin.

Työn kokeellisessa osassa esitellään testiaseman rakenne ja suoritetut koeajot, sekä arvioidaan niissä saavutetut tulokset. Testiaseman tavoiteltiin saavuttavan 10 % täyden mittakaavan laitteiston vedyntuotantotavoitteesta. Kahden katalyytin, Ni/CeO2-ZrO2 ja Pt/Al2O3, toimintaa testattiin 160-190 C ja 10-40 bar olosuhdealueella. Lämpötila-alue perustui polttokennojärjestelmän tuottaman hukkalämmön lämpötilaan.

Koeajot Ni/CeO2-ZrO2-katalyytillä epäonnistuivat katalyytin matalan aktiivisuuden ja deaktivoitumisen vuoksi. Pt/Al2O3-katalyytillä, korkein saavutettu vedyn tuotantotahti oli 2.05 mmol/min, 189.2 C ja 26.1 bar(g) olosuhteissa. Saavutettu tuotantomäärä oli vain 0.23 % täyden mittakaavan systeemin tavoitteesta. Kun koeajojen lämpötila-alueena oli 160-180 C, saavutetut tulokset olivat merkittävästi matalampia.

Kokonaisuudessaan, kokeissa saavutetut vedyn tuotantomäärät olivat liian matalia saavuttaakseen systeemille asetettuja tavoitteita. Kokeissa ilmeni, että käytettyjen katalyyttien aktiivisuus oli liian matala käytetyissä koeolosuhteissa. Tulevaisuudessa, jotta vesifaasireformerin suorituskykyä voidaan parantaa, tarvitaan joko uudenlaisten katalyyttien tai korkeampien lämpötilaolosuhteiden tutkimusta. Kuitenkin, mikäli tutkimuslämpötilaa nostetaan, korkean lämpötilan protoninvaihtopolttokennojen hukkalämpöä ei voida käyttää vesifaasireformerin lämmityksen.