A highly efficient autothermal microchannel reactor for ammonia decomposition: Analysis of hydrogen production in transient and steady-state regimes

制氢 核工程 稳态(化学) 甲烷转化炉 化学 氨生产 体积流量 吸热过程 材料科学 热力学 蒸汽重整 催化作用 工程类 物理 物理化学 吸附 有机化学 生物化学
作者
Nicolaas Engelbrecht,Steven Chiuta,Dmitri Bessarabov
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:386: 47-55 被引量:68
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.03.043
摘要

The experimental evaluation of an autothermal microchannel reactor for H2 production from NH3 decomposition is described. The reactor design incorporates an autothermal approach, with added NH3 oxidation, for coupled heat supply to the endothermic decomposition reaction. An alternating catalytic plate arrangement is used to accomplish this thermal coupling in a cocurrent flow strategy. Detailed analysis of the transient operating regime associated with reactor start-up and steady-state results is presented. The effects of operating parameters on reactor performance are investigated, specifically, the NH3 decomposition flow rate, NH3 oxidation flow rate, and fuel-oxygen equivalence ratio. Overall, the reactor exhibits rapid response time during start-up; within 60 min, H2 production is approximately 95% of steady-state values. The recommended operating point for steady-state H2 production corresponds to an NH3 decomposition flow rate of 6 NL min−1, NH3 oxidation flow rate of 4 NL min−1, and fuel-oxygen equivalence ratio of 1.4. Under these flows, NH3 conversion of 99.8% and H2 equivalent fuel cell power output of 0.71 kWe is achieved. The reactor shows good heat utilization with a thermal efficiency of 75.9%. An efficient autothermal reactor design is therefore demonstrated, which may be upscaled to a multi-kW H2 production system for commercial implementation.
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