Methanol reforming in pd alloy membrane reactor for production of hydrogen

The urgent need for sustainable and renewable energy technologies is driven by anthropogenic climate change and the depletion of fossil fuel reserves. Hydrogen (H2) has emerged as a promising clean energy carrier due to its ability to generate only water as a byproduct when utilized in fuel cells. However, challenges related to hydrogen storage and transportation hinder its widespread adoption. Methanol (CH3OH), a liquid at ambient conditions with a high carbon-to-hydrogen (C/H) ratio and low reforming temperature, offers a viable alternative as a hydrogen carrier. It can be synthesized from biomass and reformed on demand to produce hydrogen via methanol steam reforming (MSR). To facilitate low-carbon hydrogen production, membrane-based technologies are increasingly being explored. These systems enhance process selectivity, reduce energy consumption and system complexity, and suppress coke formation, while enabling the generation of high-purity hydrogen suitable for proton exchange membrane (PEM) fuel cells. Among membrane materials, palladium-based membranes are particularly notable for their exceptional hydrogen selectivity and permeability. This thesis investigates the performance of various palladium-based membranes through gas permeation experiments, focusing on hydrogen permeance, membrane integrity (leakage), and selectivity. A Pd-Au alloy membrane is subjected to 150 hours of alloying under gas permeation conditions, followed by its application in MSR-based gas separation experiments. The membrane reactor's performance is benchmarked against that of a conventional reforming reactor, with comparisons drawn in terms of energy efficiency. Further, the influence of individual gas components on membrane performance is systematically evaluated, considering metrics such as hydrogen permeance, recovery, and purity. The high-purity hydrogen produced is subsequently utilized in PEM fuel cells for marine applications. Based on scanning electron microscopy (SEM) analysis, a novel membrane reactor design is proposed and scaled up to achieve a hydrogen production capacity of 10 Nm³/h. This research significantly contributes to the enhancement of hydrogen production technologies by successfully demonstrating the effectiveness of Pd alloy membrane reactors in methanol reforming. It provides new perspectives into membrane-catalyst interactions, reaction kinetics, and hydrogen selectivity under optimized conditions. In terms of industry, the results help create compact, energy-efficient systems for decentralized hydrogen production, which is in line with international initiatives for clean energy and lower carbon emissions

L'urgente necessità di tecnologie energetiche sostenibili e rinnovabili è dettata dai cambiamenti climatici di origine antropica e dall'esaurimento delle riserve di combustibili fossili. L'idrogeno (H2) si è affermato come promettente vettore di energia pulita grazie alla sua capacità di generare solo acqua come sottoprodotto quando utilizzato nelle celle a combustibile. Tuttavia, le sfide relative allo stoccaggio e al trasporto dell'idrogeno ne ostacolano l'adozione su larga scala. Il metanolo (CH3OH), un liquido a temperatura ambiente con un elevato rapporto carbonio-idrogeno (C/H) e una bassa temperatura di reforming, offre una valida alternativa come vettore di idrogeno. Può essere sintetizzato dalla biomassa e riformato su richiesta per produrre idrogeno tramite reforming a vapore del metanolo (MSR). Per facilitare la produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio, si stanno esplorando sempre più le tecnologie a membrana. Questi sistemi migliorano la selettività del processo, riducono il consumo energetico e la complessità del sistema e sopprimono la formazione di coke, consentendo al contempo la generazione di idrogeno ad alta purezza adatto per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM). Tra i materiali per membrane, le membrane a base di palladio sono particolarmente degne di nota per la loro eccezionale selettività e permeabilità all'idrogeno. Questa tesi indaga le prestazioni di diverse membrane a base di palladio attraverso esperimenti di permeazione di gas, concentrandosi sulla permeabilità all'idrogeno, sull'integrità della membrana (perdite) e sulla selettività. Una membrana in lega Pd-Au viene sottoposta a 150 ore di trattamento di lega in condizioni di permeazione di gas, seguita dalla sua applicazione in esperimenti di separazione di gas basati su MSR. Le prestazioni del reattore a membrana vengono confrontate con quelle di un reattore di reforming convenzionale, con confronti in termini di efficienza energetica. Inoltre, l'influenza dei singoli componenti gassosi sulle prestazioni della membrana viene valutata sistematicamente, considerando parametri quali permeabilità, recupero e purezza dell'idrogeno. L'idrogeno ad alta purezza prodotto viene successivamente utilizzato in celle a combustibile PEM per applicazioni marine. Sulla base dell'analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM), viene proposto un nuovo design di reattore a membrana e scalato per raggiungere una capacità di produzione di idrogeno di 10 Nm³/h. Questa ricerca contribuisce in modo significativo al miglioramento delle tecnologie di produzione di idrogeno, dimostrando con successo l'efficacia dei reattori a membrana in lega di palladio nel reforming del metanolo. Fornisce nuove prospettive sulle interazioni membrana-catalizzatore, sulla cinetica di reazione e sulla selettività dell'idrogeno in condizioni ottimizzate. In termini industriali, i risultati contribuiscono alla creazione di sistemi compatti ed efficienti dal punto di vista energetico per la produzione decentralizzata di idrogeno, in linea con le iniziative internazionali per l'energia pulita e la riduzione delle emissioni di carbonio.