Autothermal reforming (ATR) for fuel cells in automotive applications

Abstract

Autothermal reforming of liquid fuels had been demonstrated to be feasible for use in fuel cell vehicles. One of the main problems with reforming systems is that the concentration product of carbon monoxide has to be less that 20ppm to avoid the contamination of the PEM Fuel Cell. The University of Puerto Rico in collaboration with Argonne National Laboratory (ANL) is developing and implementing a Reforming Catalyst Characterization Program to help in the development of a better performance of the fuel processor. The specific objectives of this study were to establish the feasibility of using a Pt-based catalyst to: 1) convert methanol and isooctane to a hydrogen-rich product gas; 2) study the effects of O2/fuel and H2O/C ratios, and reactor temperature that maximize the selectivity to H2; 3) compare experimental gas product concentrations with simulation equilibrium results. A bench-scale basket stirred tank reactor (BSTR) was used to perform the reforming experiments; and a gas chromatograph with a thermal conductivity detector was used to perform the exit gas analyses. The best condition (O2/fuel=0.39 and H2O/C=0.76, 900°F) of the reforming process in the range studied was observed when a higher H2 (59.8%) and minimal CO2 (14.6%) and CO (12.6%) concentrations were obtained. At an O2/fuel=0.5 and H2O/C=1.12 (dry basis) ratios and 900°F, the maximum H2 concentration found was nearly 60%, which is the maximum theoretically concentration that can be reached at equilibrium. No methane or coke formation was observed. The Pt- catalyst used promoted methanol decomposition rather than reforming because the H2/(CO+CO2) ratios calculated at each level and temperature were frequently between 1 and 2 (decomposition ratio).

La reformación autotermal de combustibles líquidos ha demostrado ser viable para aplicaciones en los vehículos que utilizarán celdas de combustible. Uno de los problemas que tienen los sistemas de reformación, es que la concentración de CO en el producto tiene que ser menor de 20ppm para no contaminar la celda de combustible que utiliza como electrolito una membrana (PEMFC, por sus siglas en inglés). La Universidad de Puerto Rico, en colaboración con el Laboratorio Nacional Argonne está desarrollando e implementando un programa de caracterización de catalizadores capaces de reformar. Los objetivos específicos de este estudio fueron establecer la viabilidad de usar un catalizador de platino para: 1) convertir metanol e isooctano a un producto rico en hidrógeno; 2) estudiar los efectos de diferentes razones de O2/fuel y H2O/C, junto con la temperatura de reacción que maximicen la selectividad de H2; 3) comparar las concentraciones experimentales obtenidas del gas con los resultados obtenidos de la simulación hecha para los productos en equilibrio. Para hacer este proceso se utilizó un reactor de flujo continuo. Un cromatógrafo de gases con un detector de conductividad termal fue utilizado para llevar a cabo el análisis de los gases que salían del reactor. La mejor condición (O2/fuel=0.39 y H2O/C=0.76) del proceso estudiado, fue observado cuando se produjo la mayor concentración de H2 (59.8%), junto con las mínimas concentraciones producidas de CO (14.6%) y CO2 (12.6%). No se observó formación de metano ni de carbón. El catalizador utilizado no reformó el metanol y sólo promovió la descomposición del alcohol, ya que la razones de H2/(CO+CO2) calculadas para cada nivel y temperatura fueron valores entre 1 y 2.