SCOPUS
SCIE
Ammonia as an efficient CO<sub>X</sub>-free hydrogen carrier: Fundamentals and feasibility analyses for fuel cell applications
저자
Cha, Junyoung ; Jo, Young Suk ; Jeong, Hyangsoo ; Han, Jonghee ; Nam, Suk Woo ; Song, Kwang Ho ; Yoon, Chang Won
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2018
작성언어
-주제어
등재정보
SCOPUS,SCIE
자료형태
학술저널
수록면
194-204(11쪽)
제공처
<P><B>Abstract</B></P> <P>A CO<SUB>X</SUB>-free 1 kW-class hydrogen power pack fueled by liquid ammonia is presented. For applications in a practical-scale hydrogen production system in conjunction with a polymer electrolyte membrane fuel cell, Ru catalysts supported on La-doped alumina (Ru/La(x)-Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB>) were pelletized by varying the lanthanum doping content (x mol%) to control catalytic activities. An optimized Ru(1.06 wt%)/La(20)-Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> pellet catalyst presents a >99.7% conversion efficiency at 500 °C under a gas hourly space velocity of 5000 mL g<SUB>cat</SUB> <SUP>−1</SUP> h<SUP>−1</SUP>. Various materials were screened to remove residual ammonia from the product stream, and the X zeolite was chosen as a highly capable adsorbent. Based on the synthesized catalyst and screened adsorbent, a power pack consisting of a dehydrogenation reactor, an adsorbent tower, and a 1 kW-class polymer electrolyte membrane fuel cell was designed and manufactured. The as-integrated system can convert 9 L min<SUP>−1</SUP> of ammonia into 13.4 L min<SUP>−1</SUP> of hydrogen, powering a 1 kW-class fuel-cell continuously for >2 h without any performance degradation. To achieve autothermal and CO<SUB>X</SUB>-free operations, heat required for ammonia dehydrogenation was provided by unutilized hydrogen from the fuel cell, drastically increasing the overall efficiency of the system to >49% while removing the external heat source, isobutane. Finally, a drone tethered to the system was operated, demonstrating the feasibility of an elongated flight time of >4 h, much longer than 14 min with Li-polymer battery loaded on the drone. The system is expected to meet the United States Department of Energy’s 2020 gravimetric and volumetric hydrogen storage targets of 4.5 wt% and 30 gH<SUB>2</SUB> L<SUP>−1</SUP> at system weights of 43 kg and 50 kg, respectively.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Pelletized Ru/La-Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> catalysts have superior NH<SUB>3</SUB> dehydrogenation activity. </LI> <LI> The CO<SUB>x</SUB>-free H<SUB>2</SUB> generator is integrated to produce hydrogen on demand from NH<SUB>3</SUB>. </LI> <LI> The H<SUB>2</SUB> generator powers a 1 kW-class fuel cell without performance degradation. </LI> <LI> Reformer efficiency of >84% is achieved by recirculating H<SUB>2</SUB> from a fuel cell. </LI> <LI> A potential H<SUB>2</SUB> storage density of the system is ca. 7.0 wt% (system based). </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>
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