Hydrogen production study using autothermal reforming of biodiesel and other hydrocarbons for fuel cell applications

Abstract

During the last few years concerns with distribution, supply and cost of conventional liquid fuels increased considerably. Several developed countries are seriously considering using hydrogen (no fossil combustible) as an automotive energy source as part of the global effort to preserve the environment. An alternative methodology to provide renewable source energy in the transportation sector is Autothermal Reforming (ATR) in combination with fuel cell technologies. Presently, the department of Chemical Engineering of the University of Puerto Rico (UPRM) in collaboration with Argonne National Laboratory (ANL) works in the development of a reforming catalyst characterization program. The purpose of this research is to study the viability of using a new catalyst to convert Biodiesel, Glycerin and Methanol to a hydrogen rich product gas and compare their production potential, identify the conditions for the accumulation of coke and determine the influence of reactor temperature and water to carbon and oxygen to carbon ratios. A Basket Stirred Tank Reactor (BSTR) and Plug Flow Reactor (PFR) with Pt and Rh-based catalysts synthesized at ANL were used. Hydrogen can be produced from vegetables oils and glycerol by catalytic ATR using Pt-based catalyst. Exit gas concentrations of 45%, 26% and 20% H2 for methanol, glycerol and biodiesel respectively were obtained. The use of catalyst and increases in reactor temperatures favors H2 production for ATR of methanol and biodiesel. In glycerol experiments without catalyst, it was observed that at 0.4 O2/C and 0.5 O2/C and 900 °F the highest hydrogen concentration was obtained. Also, H2 was obtained from biodiesel at temperatures higher than 950°F. All biodiesel and glycerol experiments performed had shown coke formation. In ATR methanol, coke formation was not detected in the fittings. In addition, Scanning Electron Microscopy (SEM) was used for surfaces analysis on Pt-based catalysts. Soot deposition on catalyst surface was detected in all samples analyzed. Also, Rh-based catalysts did not increase hydrogen production. Heavy solvents were detected below 4500 ppm in the liquid organic waste.

Durante los últimos años, la preocupación por la distribución, el suministro y los costos de los combustibles líquidos convencionales se ha incrementado. Muchos países desarrollados están considerando seriamente el uso de hidrógeno (combustible no fúsil) como una fuente de energía para aplicaciones automotrices como parte del esfuerzo global para conservar el ambiente. Una metodología alterna para proveer una fuente de energía renovable en el ·rea de transportación es la combinación de la reformación auto térmica (ATR*) con la tecnología de celdas de combustibles. Actualmente, el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Puerto Rico (UPRM), en colaboración con el Laboratorio Nacional Argonne, trabaja en el desarrollo de la caracterización de catalizadores usados en procesos de reformación. El propósito de esta investigación es estudiar la viabilidad de usar nuevos catalizadores para convertir Biodiesel, Glicerina y Metanol en un producto gaseoso rico en hidrógeno; comparar su potencial de producción, identificando las condiciones para la acumulación de carbono y determinar la influencia de la temperatura del reactor y de las razones agua/carbono (H2O/C) y oxígeno/carbono (O2/C). Para ello se usaron un reactor de agitación continua (BSTR*), un reactor de flujo pistón (PFR*) además de catalizadores a base de Pt y Rh sintetizados en ANL. Es posible producir hidrógeno a partir de aceites vegetales y glicerina utilizando ATR y catalizadores a base de Pt. En experimentos usando metanol, glicerina y biodiesel como combustibles se obtuvieron concentraciones de gases de salida de 45%, 26% y 20% de H2 respectivamente. El uso de catalizador en base platino al igual que el incremento de la temperatura del reactor favorece la producción de hidrógeno en experimentos con metanol y biodiesel. En experimentos con glicerina se observó que a 0.4 O2/C y 0.5 O2/C y 900°F se obtuvo la mayor concentración de hidrógeno. También se obtuvo H2 a partir del biodiesel a temperaturas mayores de 950°F. Todos los experimentos realizados con biodiesel y glicerina mostraron formación de carbón. Sin embargo, con metanol, el sistema de tuberías no evidencia presencia de carbón. Además, se practica microscopía de barrido de electrones (SEM*) para analizar la superficie de los catalizadores a base de Pt. Se percibió deposición de carbón en la superficie de todas las muestras analizadas. Por otro lado, los catalizadores a base de Rh no aumentaron la producción de hidrógeno. Se detectaron solventes pesados por debajo de 4500 ppm en el residuo orgánico líquido.