Dimethyl ether reforming for high temperature PEM fuel cells

Abstract

Työ käsittelee synteettisen polttoaineen nimeltä dimetyylieetteri (DME) soveltuvuutta polttokennoille. Työssä on laaja kokeellinen osuus, joka on tehty Danmarks Tekniske Universitetin kemian osastolla Energy and Materials Science Group -tutkimusryhmässä.

Metanoli on toistaiseksi kenties lupaavin pienen mittakaavan polymeerielektrolyyttimembraani (PEM) -tyyppisten polttokennojen polttoaine. DME, kemialliselta kaavaltaan CH3OCH3, on huonelämpötilassa kaasumainen, helposti nesteytettävä metanolista jalostettu polttoaine. Se palaa puhtaasti dieselmoottorissa ja sitä voidaan käsitellä nestekaasun tavoin. DME:n valmistus vaatii energiaa, mutta metanoliin verrattuna DME:llä saavutetaan monta systeemiä yksinkertaistavaa etua.

Työssä rakennettiin ja kalibroitiin laboratorioon koejärjestely, jolla tuotettiin sekä metanolista että DME:stä sähköä reformeri-polttokennosysteemillä. Tutkimuksen pääpaino oli vertailla itse valmistettuja katalyyttimateriaaleja, jotka auttavat DME:n hajoamisreaktiota vetypitoiseksi kaasuksi.

Reformaattikaasun koostumukseen vaikuttavia parametreja on lukuisia ja niiden vaikutusta tutkitaan. Kaasun koostumus analysoitiin massaspektrometrillä ja kaasua syötettiin polttokennoon. Polttokennotyyppi on korkealämpötila PEM, joka kestää verrattain suuria epäpuhtausmääriä myrkyttymättä.

Koejärjestelyllä saavutettiin hyviä tuloksia metanolin reformoinnissa. DME:n reformoinnissa saavutettiin parhaimmillaan hyviä tuloksia, mutta toivottua reaktiota ei pystytty ylläpitämään kauan.

The work studies the suitability of the synthetic fuel dimethyl ether (DME) for fuel cells. The work includes a large experimental section, which has been done in Technical University of Denmark, Department of Chemistry, Energy and Materials Science Group.

Currently, methanol is seen as probably the most suitabl e fuel for small scale polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. DME, with a chemical formula of CH3OCH3 is a further synthesized fuel, which is a gas at room temperature but can be easily liquefied. It burns in a diesel motor with low emissions and can be handled as liquefied petroleum gas (LPG). Although synthesizing DME consumes energy, by doing so there are benefits gained when considering a fuel cell system.

In this work, a setup was built to produce electrical power from methanol and DME via a self-built reformer-fuel cell system. Self-made reformer catalysts which help the chemical reaction towards hydrogen-rich gas are under focus. There are numerous parameters affecting the reformate gas composition and this effect is studied. The reformate gas was analysed by a mass spectrometer and led to a fuel cell. The fuel cell type is a high temperature PEM, which has a considerable tolerance to high impurity levels without poisoning.

The setup worked well for methanol reforming. In DME reforming, a high hydrogen yield was gained but could not be sustained.