אפיון שרפה ופיתוח דלק מודל מיקרו-צינורי בתאי דלק הלהבה בסיוע
Summary
A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.
Abstract
Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.
Introduction
תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC) חידושים דווחו בשנים האחרונות ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתפתח. בין היתרונות הרבים, SOFCs הפך ידוע צריך דלק גבוה, פליטה נמוכה וגמישות דלק מתונה לעומת טכניקות ייצור חשמל מבוסס בעירה אחרת 1. יתר על כן, SOFCs הם מדרגים המאפשרים צריכת דלק גבוהה אפילו בקני מידה קטנות. למרבה הצער, מגבלות בתשתיות מימן נוכחיות יצרו צורך במערכות רפורמת דלק כי הם בדרך כלל לא יעילים. ההתפתחות האחרונה היא תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע הלהבה (MT-FFC) שדווח העבודה הקודם של המחבר 2. MT-FFC הוא הדוגמה הראשונה של תא דלק להבה בסיוע (FFC) שבונה על היתרונות של תא דלק להבה ישירה המקורי (DFFC), אשר מספק הדור חום ודלק רפורמה באמצעות בעירה 3. התקנת DFFC מציבה SOFC במגע ישיר עם להבה פתוחה envir הסביבהonment. הלהבה חלקית מתחמצנים דלקים פחמימניים כבדים כדי ליצור H 2 ו- CO, אשר ניתן להשתמש בהם ישירות SOFC עם פוטנציאל פחות עבור coking פחמן לעומת מתאן טהור או פחמימנים כבדים אחרים. בנוסף, הלהבה מספקת את האנרגיה התרמית צורך להביא את SOFC לטמפרטורת ההפעלה שלה. שינוי שבוצע לאחרונה על DFFC המקורי התרחש ידי הזזת SOFC אל מחוץ לאזור הלהבה ותקשור שנפלט אל SOFC כדי ליצור את FFC 2. בניגוד DFFC, הבעירה מתרחשת בתא סגור חלקית (במקום הסביבה) כך דלק יחס אוויר יכול להיות נשלט, והפיח יכול להיות מוזן ישירות לתא הדלק ללא שריפה שלמה התרחשות. יש FFCs יתרונות נוספים כולל ניצול דלק גבוה ויעילות חשמלית גבוהה לעומת DFFCs 2.
כתחום מחקר המתעוררים, ניסיוני בטכניקות נדרשים שיכולים להעריך את הפוטנציאל של MT-FFCs עבור יישומי ייצור חשמל בעתיד. טכניקות אלה דורשים ניתוח חמצון חלקי, או בעירה עשיר-דלק, ואת הפליטה אשר זוהה כדרך לייצר H 2 ו- CO, הידוע גם בשם גז סינתטי, יחד עם CO 2 ו- H 2 O. הסינגז ניתן להשתמש ישירות בתאי דלק לייצור חשמל. הניתוח של פליטה בעירה עשירי דלק כבר מבוסס היטב בשנים האחרונות בוצע באופן תיאורטי 4, מחשוב 5,6 ו ניסיוני 7 למטרות שונות. רבים מן המחקרים התיאורטיים חישובית יש לסמוך על ניתוח שיווי משקל כימי (CEA) כדי להעריך את מיני מוצר הבעירה כי הם אנרגטיים חיוביים, ומודלי קינטיקה כימיים עבור מנגנוני תגובה. בעוד שיטות אלה היו מאוד שימושיות, רבי טכנולוגיות מתפתחות יש לסמוך על טכניקות ניסוי במהלך מחקר ופיתוח. ניסיוני בטכניקות בדרך כלל לסמוך על anaתמוגה של הפליטה בעירה או באמצעות כרומטוגרפיה גזית (GC) 7 או ספקטרומטר מסה (MS) 8. כך או הקו / מזרק GC או חללית MS מוכנס לתוך פליטת הבעירה ומדידות נלקחות להעריך את ריכוז המינים. יישום של שיטות ניסיוניות היה נפוץ בתחום ייצור חשמל בקנה מידה קטן. כמה דוגמאות כוללות combustors מיקרו אשר פותחו לפעול עם SOFCs תא בודד 7,9 ו DFFCs 10-15. הניתוח של פליטת הבעירה מתרחש תחת מגוון רחב של תנאי הפעלה כוללים טמפרטורות שונות, ספיקות ויחסי שקילות.
בתחום מחקר DFFC, דלק ו החמצון יכול להיות חלקי מעורבב מראש או שאינו מעורבב מראש, עם המבער פתוח הסביבה מבטיחה שריפה שלמה. עם צורך לנתח את הרכב הלהבה, MS נוצל בעבר במקרים רבים לניתוח מחקר בעירת DFFC 16. ההתפתחות האחרונה יותר של FFC שונה על ידי הסתמכות על בעירת premixed עם הצורב בסביבה סגורה חלקית למנוע חמצון מלא של הדלק. כתוצאה מכך, ניתוח של פליטת הבעירה בסביבה מבוקרת ללא דליפת אוויר נחוץ. ניסיוני בטכניקות שפותחו למטרה זו מסתמכות על הטכניקות הקודמות משמשות למחקר combustor מייקרו עם ניתוח GC של פליטת הבעירה על יחסי שקילות שונים. ניתוח GC מוביל אפיון של רכב פליטת בעירה (כלומר, אחוז עוצמת הקול של כל מרכיבי פליטה כולל 2 CO, H 2 O, N 2, וכו ') ניתוח זה מאפשר ערבוב של גזים נפרדים על פי היחסים נמדדים על ידי GC ליצור פליטת בעירת מודל עשיר דלק למחקר FFC בעתיד.
הפרוטוקולים לניתוח פליטת בעירה עשיר-דלק, מפתחת פליטת בעירת מודל עשיר דלק ולהחילing המפלט לבדיקת SOFC מוקמים במאמר זה. אתגרים ומגבלות נפוצים נדונים לטכניקות אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול נדון כאן הוא גשר חשוב בין מחקר אפיון בעירה הקודם ובדיקת תא דלק. השימוש בעירה עבור דלק רפורמה ובדיקה תא דלק יושם במשך מספר שנים setups DFFC 10-15. עם זאת, האפיון של תהליך בעירת DFFCs הוא מודאג בעיקר עם אפיון באתרו של רכב הלהבה 16 והשתמש MS 8. ככל DFFC פת?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by an agreement with Syracuse University awarded by the Syracuse Center of Excellence in Energy and Environmental Systems with funding under prime award number DE-EE0006031 from the US Department of Energy and matching funding under award number 53367 from the New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), contract 61736 from NYSERDA, and an award from Empire State Development’s Division of Science, Technology and Innovation (NYSTAR) through the Syracuse Center of Excellence, under award number #C120183. This work is supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. 1247399.
Materials
| Gas chromotograph | SRI Instruments, Inc. | SRI 8610C | |
| K type thermocouples | Omega | KQXL-116G-6 | Custom length |
| K type thermocouple extension wire | Omega | EXTT-K-20-SLE-100 | |
| Mass flow controller | Omega | FMA5427 | 0-40 L/min (N2) Used for methane |
| Mass flow controller | Omega | FMA5443 | 0-200 L/min (N2) Used for air |
| Mass flow controller | Omega | FMA5402A | 0-10 mL/min (N2) Used for CO |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 200 SCCM (Propane) Used for CO2 |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 5 L/min (Air) Used for N2 |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 500 SCCM (N2) Used for H2 |
| Regulator | Harris Products Group | HP721-125-350-F | Methane tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-050-590-E | Air tank |
| Regulator | Airgas | Y11-SR145B | CO tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-050-320-E | CO2 tank |
| Regulator | Airgas | Y12-215B | N2 tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-015-350-D | H2 tank |
| Methane, Compressed , Ultra high purity |
Airgas | UN1971 | Extremely Flammable |
| Air, Compressed, Ultra pure |
Airgas | UN1002 | Not classified as hazardous to health. |
| CO, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1016 | Toxic by inhalation, Extremely flammable |
| CO2, Compressed, Research grade |
Airgas | UN1013 | Asphyxiant in high concentrations |
| N2, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1066 | Not classified as hazardous to health. |
| H2, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1049 | Extremely flammable, burns with invisible flame |
| Source meter | Tektronix, Inc. | Keithley 2420 | Connects to computer via USB |
| Horizontal split tube furnace | MTI Corportation | OTF-1200X | |
| Data acquisition | National Instruments | NI cDAQ-9172 | Connects to computer via USB |
| Thermocouple input | National Instruments | NI 9211 | Connects to cDAQ-9172 |
| Computer control for Mass Flow Controllers | National Instruments | NI 9263 | Connects to cDAQ-9172 Computer control for Mass Flow Controllers |
| Testing software | National Instruments | LabVIEW 8.6 | |
| Ceramabond | Aremco | 552-VFG | 1 Pint |
References
- Gorte, R. J. Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells. AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).
- Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems. J. Power Sources. 306, 148-151 (2016).
- Horiuchi, M., Suganuma, S., Watanabe, M. Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids. J. Electrochem. Soc. 151 (9), A1402-A1405 (2004).
- Starik, A. M., Kuleshov, P. S., Loukhovitski, B. I., Titova, N. S. Theoretical study of partial oxidation of methane by non-equilibrium oxygen plasma to produce hydrogen rich syngas. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (32), 9872-9884 (2015).
- Katta, V. R., et al. On flames established with jet in cross flow of fuel-rich combustion. Fuel. 150, 360-369 (2015).
- Maruta, K., et al. Extinction limits of catalytic combustion in microchannels. P. Combustion Institute. 29 (1), 957-963 (2002).
- Ahn, J., Eastwood, C., Sitzki, L., Ronney, P. D. Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners. P. Combustion Institute. 30 (2), 2463-2472 (2005).
- Kӧhler, M., Oßwald, P., Xu, H., Kathrotia, T., Hasse, C. Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions. Chemical Engineering Science. 139, 249-260 (2016).
- Ahn, J., Ronney, P. D., Shao, Z., Haile, S. M. A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Science and Technology. 6 (4), 041004 (2009).
- Wang, K., Milcarek, R. J., Zeng, P., Ahn, J. Flame-assisted fuel cells running methane. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (13), 4659-4665 (2015).
- Wang, K., Zeng, P., Ahn, J. High performance direct flame fuel cell using a propane flame. P. Combust. Inst. 32 (2), 3431-3437 (2011).
- Wang, Y. Q., Shi, Y. X., Yu, X. K., Cai, N. S., Li, S. Q. Integration of solid oxide fuel cells with multi-element diffusion flame burners. J. Electochem. Soc. 160 (11), F1241-F1244 (2013).
- Horiuchi, M., et al. Performance of a solid oxide fuel cell couple operated via in situ catalytic partial oxidation of n-butane. J. Power Sources. 189 (2), 950-957 (2009).
- Wang, Y., et al. The study of portable direct-flame solid oxide fuel cell (DF-SOFC) stack with butane fuel. J. Fuel Chem. Technol. 42 (9), 1135-1139 (2014).
- Wang, K., et al. A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame. J. Power Sources. 177 (1), 33-39 (2008).
- Sun, L., Hao, Y., Zhang, C., Ran, R., Shao, Z. Coking-free direct-methanol-flame fuel cell with traditional nickel-cermet anode. Int. J. Hydrogen Energy. 35 (15), 7971-7981 (2010).
- Zeng, P., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Effects of sintering temperature on the performance of SrSc0.1Co0.9O3-δ oxygen semipermeable membrane. Braz. J. Chem. Eng. 32 (3), 757-765 (2015).
- Turns, S. R. . An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. , (2000).
- Glassman, I., Yetter, R. A., Glumac, N. G. . Combustion. , (2015).
