The current study is the part of an ongoing project aiming to design and develop high performance, steam tolerant, non-pyrophoric WGS catalyst(s) to be used in a demo-scale fuel processor producing PEM grade hydrogen for PEM fuel cells. The current work involves (i) testing and optimizing WGS performance of ZrO2 supported Pt-based trimetallic formulations, (ii) deriving a simple power law type WGS kinetic expression for the high performance sample. The performance tests were conducted under the flow of ideal and realistic feeds, and in the tests H2O/CO ratio for each type of feed and temperature were used as the experimental parameters. In this context, a series of Pt-Re-V/ZrO2 catalysts, whose Pt content was fixed at 1wt.% but Re and V loadings varied as 0.5 or 1 wt.%, were prepared by incipient-to-wetness impregnation method. All the catalysts were characterized by SEM, X-ray diffraction, XPS and Raman spectroscopy. The WGS performance of the freshly reduced catalysts were determined at 300, 350 and 400 ºC in terms of their CO conversion activity and net H2 production ability. XPS and Raman spectroscopy revealed that VO2 and polyvanadate surface species were present in the catalysts but no bulk V2O5 crystals, indicating that vanadium was well-dispersed on the surface. All the catalyst performances were found reasonable in terms of providing high CO conversion and stability under ideal feed conditions. The highest CO conversion rate for realistic feed was achieved over 1Pt-1Re-0.5V/ZrO2 catalyst at 300 °C for H2O/CO ratio of 16.2. The kinetic tests were performed over 1Pt-1Re-0.5V/ZrO2 catalyst at 300 °C under atmospheric pressure. Initial reaction rates were obtained by varying residence time and the partial pressure of CO, H2O, H2, CO2 and CH4 in the feed stream. A power-law type rate expression, whose kinetic constants calculated through applying non-linear regression analysis on MATLABTM environment, was proposed. The reaction orders with respect to CO, H2O, H2 and CO2 were estimated as 0.96, -0.62, -0.30 and -0.77, respectively, and apparent activation energy was predicted as 58.09 kj/mol between 300-350 °C.

Mevcut çalışma, PEM yakıt hücreleri için PEM dereceli hidrojen üreten demo ölçekli bir yakıt işlemcisinde kullanılacak yüksek performanslı, buhara dayanıklı, piroforsuz WGS katalizörleri tasarlamak ve geliştirmek için devam etmekte olan bir projenin parçasıdır. Bu çalışma (i) Pt bazlı trimetalik formülasyonların ZrO2 desteği üzerinde WGS performansının test edilmesini ve optimizasyonunu, (ii) yüksek performans gösteren numune için basit güç yasası tipi WGS kinetik ifadelerinin türetilmesini içermektedir. Performans testleri ideal ve gerçekçi besleme akışı altında gerçekleştirilmekte ve deneylerde, her bir besleme tipi için H2O/CO oranı ve sıcaklık deney parametreleri olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda incipient-to-wetness empregnasyon yöntemi yoluyla Pt yüklemesi kütlece %1 olarak sabit tutulan, Re ve V yüklemeleri ise %0.5 ve %1 olarak değiştirilen Pt-Re-V/ZrO2 katalizörleri hazırlanmıştır. Taze indirgenmiş katalizörlerin 300, 350 ve 400 °C sıcaklıklarında, CO dönüşümü ve net H2 üretim kabiliyeti açısından su-gaz değişimi reaksiyon aktivitesi ölçülmüştür. Sonuçlara göre, XPS ve Raman spektroskopisi VO2 ve polivanadat yüzey türlerinin katalizörde mevcut olduğunu, ancak V2O5 kristallerinin bulunmadığını ortaya koyarak, vanadyumun yüzey üzerinde iyi dağıldığını göstermiştir. Tüm katalizörler ideal besleme koşulları altında yüksek CO dönüşümü ve kararlılık sağlamaları açısından makul bulunmuştur. Gerçekçi besleme koşullarında en yüksek CO dönüşümü H2O/CO oranı 16.2 iken 1Pt-1Re-0.5V/ZrO2 katalizörü üzerinde 300 °C'de elde edilmiştir. Kinetik testler atmosferik basınç altında 300 °C'de 1Pt-1Re-0.5V/ZrO2 katalizörü üzerinde gerçekleştirilmiştir. Başlangıç reaksiyon hızları, reaktördeki kalış sürelerinin ve besleme akışındaki CO, H2O, H2, CO2 ve CH4 kısmi basınçlarının değiştirilmesiyle elde edilmiştir. Kinetik sabitlerinin MATLABTM ortamında doğrusal olmayan regresyon analizi uygulanarak bulunduğu bir güç yasası tipi hız ifadesi önerilmiştir. CO, H2O, H2 ve CO2'ye göre reaksiyon dereceleri sırasıyla 0.96, -0.62, -0.30 ve -0.77 olarak hesaplanmış ve görünür aktivasyon enerjisi 300-350 °C arasında 58.09 kj/mol olarak tahmin edilmiştir.