Methanol electrolyser and direct methanol fuel cell for marine applications
Authors:   , Meca Lopez Vladimir Luis 
Published: November 2024

Energy sources and the energy transport play crucial roles globally. From fossil fuels to renewable energy, they form the backbone of the world energy infrastructure. Efficient distribution of energy relies on various transportation methods, including electrical grids, pipelines and maritime transport systems. Furthermore, advancements in sustainable and efficient transportation technologies, coupled with the transition towards cleaner and renewable energy sources, are reshaping the global energy landscape and shaping the future of energy and transportation worldwide. Amidst this context, the use of methanol as energy vector emerges, central topic of this doctoral thesis. Recent decades have witnessed heightened interest in methanol, particularly in maritime transportation and fuel cell applications, as well as its more recent role in hydrogen production, evolving it beyond just an energy vector to a hydrogen carrier. The main aim of this doctoral thesis is to explore the viability of methanol as an energy vector for marine applications, analysing the economic feasibility of e-methanol as a hydrogen carrier and experimentally studying the use of methanol for electricity generation via Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs) and hydrogen production through Methanol Electrolysis Cells (MECs). This thesis conducts a technoeconomic study comparing the use of e-methanol and liquefied hydrogen as energy vectors transporting both fuels by ship. Additionally, two alternatives for obtaining hydrogen at the destination are compared: methanol reforming process and methanol electrolysis. The study sheds light on when it is advantageous to produce hydrogen locally or import it, and which vector is preferable in each scenario. Within the scope of methanol utilization as an energy vector, DMFCs offer a means to generate electrical energy from methanol. The operational conditions and geometry of the anode flow field significantly influence DMFC performance. Therefore, this thesis evaluates the combined influence in the DMFC behaviour of DMFC temperature, methanol concentration and the volumetric flow rate of methanol solution introduced into the DMFC. Furthermore, a series of anode serpentine channel geometries are designed as a preliminary step towards experimentally assessing its impact on DMFC performance. As for methanol utilization as a hydrogen vector, there has been increased interest in MECs viability as hydrogen production systems from methanol over the past two decades.

This thesis conducts for the first time an experimental study on the influence of operational conditions, akin to what has been done for DMFCs, and geometrical parameters (open ratio, channel width and channel depth) of the anode serpentine flow field, applying the Response Surface Methodology to analyse experimental results. Additionally, it includes an experimental study on different non-noble metal-based electrodes, important components of MECs, conducted during the stay at the Università degli Studi di Palermo, Italy.

Through these studies, the significance of operational conditions on the performance of both devices and the feasibility and potential of methanol as an energy and hydrogen vector for marine applications are underscored. The study concludes that e-methanol is a competitive option at certain hydrogen mass flow rates transported, especially when incorporating technological improvements. Key processes impacting viability include hydrogen liquefaction, methanol synthesis and methanol electrolysis. Regarding the use of this methanol in DMFCs and MECs, optimal methanol concentration and devices temperature significantly enhance DMFC and MEC performance. Furthermore, improvements in electrodes and geometric configurations of the anode flow field enable enhancement of the methanol electrolysis process, contributing to the development of sustainable hydrogen production technologies.

RESUMEN

Las fuentes de energía y el transporte de esta energía juegan roles cruciales a nivel global. Desde los combustibles fósiles hasta la energía renovable, conforman la columna vertebral de la infraestructura energética mundial. La distribución de la energía depende de diversos métodos de transporte, como redes eléctricas, oleoductos y sistemas de transporte marítimo. Los avances en tecnologías de transporte sostenible y la transición hacia fuentes de energía más limpias y renovables, remodelan el panorama energético global y dan forma al futuro de la energía y el transporte a nivel mundial. En este contexto, emerge el uso de metanol como vector energético, tema central de esta tesis doctoral. Las últimas décadas son testigo de un aumento en el interés por el metanol, especialmente en el transporte marítimo, aplicaciones de pilas de combustible y su reciente papel en la producción de hidrógeno, destacando su relevancia como vector energético y portador de hidrógeno. El objetivo principal de esta tesis es explorar la viabilidad del e-metanol como vector energético en aplicaciones marítimas, analizando la viabilidad económica del metanol como vector de hidrógeno y estudiando experimentalmente el empleo de metanol para la generación de electricidad mediante Pilas de Combustible de Metanol Directo (DMFCs) y producción de hidrógeno con Celdas de Electrólisis de Metanol (MECs). Esta tesis desarrolla un estudio tecnoeconómico comparando el uso de metanol e hidrógeno licuado como vectores energéticos, transportándolos por barco. Además, compara dos alternativas para obtener hidrógeno en destino: reformado de metanol y electrólisis de metanol. El estudio arroja luz sobre cuándo es económicamente rentable producir hidrógeno localmente o importarlo, y qué vector es preferible en cada caso. Dentro del uso de metanol como vector energético, las DMFCs permiten generar electricidad a partir de metanol. Las condiciones operativas y la geometría del canal del ánodo influyen significativamente en el rendimiento de las DMFC. Por ello, esta tesis evalúa la influencia combinada en el comportamiento de este dispositivo, de la temperatura de la DMFC, la concentración de metanol y el flujo volumétrico de metanol introducido en la DMFC. Además, se diseñan una serie de geometrías de canales en serpentín de ánodo como un paso preliminar hacia la evaluación de su impacto en el comportamiento de una DMFC. En cuanto al uso de metanol como vector de hidrógeno, en las últimas dos décadas ha aumentado el interés en la viabilidad de las MECs como sistemas de producción de hidrógeno a partir de metanol.

Esta tesis realiza por primera vez un estudio experimental sobre la influencia en una MEC de las condiciones operativas, análogo al realizado para DMFC, y los parámetros geométricos (open ratio, ancho de canal y profundidad de canal) del canal en serpentín del ánodo, aplicando la Metodología de Superficies de Respuesta. Además, incluye el estudio experimental de electrodos con metales no nobles, componentes importantes de las MECs, realizado durante la estancia en la Università degli Studi di Palermo, Italia.

A través de estos estudios, se resalta la importancia de las condiciones operativas en ambos dispositivos y la viabilidad y potencial del metanol como vector energético y de hidrógeno para aplicaciones marítimas. Se concluye que el e-metanol es una opción competitiva para ciertos flujos másicos de hidrógeno transportado y al incorporar mejoras tecnológicas. Procesos clave que impactan en la viabilidad incluyen la licuefacción de hidrógeno, la síntesis de metanol y la electrólisis de metanol. En cuanto al uso de este metanol en DMFCs y MECs, la concentración óptima de metanol y la temperatura mejoran significativamente su comportamiento. Además, avances en los electrodos y en la geometría del campo de flujo permiten potenciar el proceso de electrólisis de metanol, contribuyendo al desarrollo de tecnologías sostenibles de producción de hidrógeno.