On Board Hydrogen Generation for Fuel Cell Powered Electric Cars. a Review of Various Available Techniques

Production d'hydrogène embarquée pour véhicules électriques à piles. Aperçu de différentes techniques envisageables

Institut Français du Pétrole

Abstract

Various methods allowing onboard hydrogen generation for fuel cell powered electric cars are reviewed. The following primary fuels are considered : ammonia, methanol, ethanol, and hydrocarbons. The catalytic cracking of ammonia allows generation of a CO2-free mixture containing 75% hydrogen, which is consequently suitable without subsequent purification for the supply of alkaline fuel cells. The problems posed by this primary fuel are toxicity in the event of leaks and the risk of generating nitrogen oxides in the catalytic combustion of the cell effluent. Methanol, ethanol, and the liquid or gas hydrocarbons also allow the generation of hydrogen-rich mixes, either by catalytic steam reforming or by partial oxidation. The gas obtained in this way contains a large amount of CO2 and CO, however, and its use requires a prior purification treatment. Except for use in high-temperature cells, the CO concentration must be reduced to a very low level (a few ppm). The CO2, however, may be kept for the supply of acid electrolyte cells, although it must be eliminated for use with alkaline cells. All these methods are commonly used in industry, but the design of small fully automated facilities allowing fast frequent starting and stopping as well as continuous load variations without loss of performance or pollutant emissions is still a very delicate and uncertain matter.

Résumé

Différents procédés permettant la production embarquée d'hydrogène pour véhicules électriques à piles à combustible sont passés en revue. Les combustibles primaires suivants sont considérés : ammoniac, méthanol, éthanol et hydrocarbures. Le craquage catalytique de l'ammoniac permet l'obtention d'un mélange à 75 % d'hydrogène, exempt de CO2 et convenant donc sans purification ultérieure pour l'alimentation des piles alcalines. Avec ce combustible primaire, les problèmes sont la toxicité en cas de fuite et le risque de production d'oxydes d'azote lors de la combustion catalytique de l'effluent de la pile. Le méthanol, l'éthanol et les hydrocarbures liquides ou gazeux permettent également la production de mélanges riches en hydrogène, soit par vaporéformage catalytique, soit par oxydation partielle. Le gaz obtenu contient toutefois beaucoup de CO2 et de CO et son usage nécessite un traitement d'épuration préalable. Sauf pour l'usage dans les piles à haute température, la concentration du CO doit être abaissée à un niveau très bas (quelques ppm). Le CO2 peut toutefois être conservé pour l'alimentation des piles à électrolyte acide, son élimination n'étant nécessaire que pour les piles alcalines. La mise en oeuvre de ces divers procédés est courante au niveau industriel. Mais la réalisation d'installations entièrement automatisées, de petite taille, acceptant des démarrages et des arrêts très rapides et fréquents ainsi que des variations permanentes de charge sans perte de rendement ni émissions de polluants, reste encore très délicate et incertaine.