Combustion Charakterisierung und Modell Kraftstoffentwicklung für Mikrorohr Flamme-unterstützte Brennstoffzellen
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
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Innovationen wurden in den letzten Jahren berichtet, wie die Technologie weiter zu entwickeln. Unter den vielen Vorteilen haben, SOFCs für hohe Kraftstoffeffizienz, geringe Emissionen und moderate Brennstoffflexibilität im Vergleich zu anderen Verbrennungs basierten Leistungserzeugungstechniken 1 bekannt geworden. Darüber hinaus sind SOFCs skalierbar so dass für hohe Kraftstoffeffizienz auch bei kleinen Skalen. Leider haben Einschränkungen in der aktuellen Wasserstoff-Infrastruktur ein Bedarf an Kraftstoffreformierung Systeme geschaffen, die oft ineffizient sind. Eine neuere Entwicklung ist die mikrotubulären flamm unterstützt Brennstoffzelle (mT-FFC) in des Autors früheren Arbeiten 2 berichtet. Der mT-FFC ist das erste Beispiel einer Flamme unterstützten Brennstoffzelle (FFC) , die auf die Vorteile der ursprünglichen direkten Flamme Brennstoffzelle (DFFC) baut, die 3 durch Verbrennung Reformierung Wärmeerzeugung und Treibstoff zur Verfügung stellt. Die DFFC Einrichtung platziert eine SOFC in direkten Kontakt mit einer Flamme offen für die Umgebungs environment. Die Flamme oxidiert teilweise schwerere Kohlenwasserstoffbrennstoffen H 2 und CO zu erzeugen, die in der SOFC mit weniger Potential für Kohlen Verkokung im Vergleich zu reinem Methan oder andere schwerere Kohlenwasserstoffe direkt verwendet werden kann. Zusätzlich stellt die Flamme die Wärmeenergie benötigt, um die SOFC auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Eine aktuelle Änderung der ursprünglichen DFFC erfolgte durch die SOFC aus dem Flammenbereich bewegt und das Verbrennungsabgas in die SOFC Kanalisierung des FFC 2 zu schaffen. Anders als bei der DFFC erfolgt die Verbrennung in einer teilweise umschlossenen Kammer (anstelle der Umgebungs), so dass der Kraftstoff-Luft-Verhältnis gesteuert werden kann und das Abgas kann direkt in die Brennstoffzelle eingespeist werden, ohne daß eine vollständige Verbrennung stattfindet. FFCs haben zusätzliche Vorteile wie hohe Brennstoffausnutzung und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zu DFFCs 2.
Als aufstrebender Bereich der Forschung werden experimentelle Techniken benötigt, die das Potenzial von mT-FF beurteilenCs für die zukünftige Energieerzeugung Anwendungen. Diese Techniken erfordern Analyse der partiellen Oxidation oder brennstoffreichen Verbrennung und der Abgas die als Weg identifiziert worden ist , zur Erzeugung von H 2 und CO, das auch als Synthesegas bekannt ist , zusammen mit CO 2 und H 2 O. Das Syngas kann direkt in den Brennstoffzellen für die Stromerzeugung verwendet werden. Die Analyse der brennstoffreichen Verbrennungsabgas wurde in den letzten Jahren gut etabliert und hat theoretisch 4 durchgeführt wird , berechnungs 5,6 und experimentell 7 für viele verschiedene Zwecke. Viele der theoretischen und rechnerischen Studien haben sich auf das chemische Gleichgewicht Analyse (CEA) stützte sich die Verbrennungsproduktspezies zu bewerten, die energetisch günstig sind, und chemische kinetische Modelle für Reaktionsmechanismen. Während diese Verfahren sehr nützlich gewesen sind, haben viele neue Technologien auf experimentelle Techniken in der Forschung und Entwicklung berufen. Experimentelle Techniken beruhen typischerweise auf anaLyse des Verbrennungsabgas unter Verwendung entweder eines Gaschromatographen (GC) 7 oder ein Massenspektrometer (MS) 8. Entweder die GC line / Spritze oder die MS-Sonde wird in das Verbrennungsabgas eingeführt und die Messungen nach dem Spezieskonzentration abzuschätzen. Die Anwendung der experimentellen Techniken wurde im Bereich der kleinen Stromerzeugung gemeinsam. Einige Beispiele umfassen Mikro Brennkammern , die entwickelt wurden mit Einkammer SOFCs 7,9 und DFFCs 10-15 zu betreiben. Die Analyse des Verbrennungsabgas tritt in einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen einschließlich unterschiedlichen Temperaturen, Durchflussraten und Äquivalenzverhältnisse.
Im Bereich der DFFC Forschung, Brennstoff und Oxidationsmittel können teilweise vorgemischt werden oder nicht vorgemischten, mit dem Brenner offen zur Umgebungs die vollständige Verbrennung gewährleistet. Mit einer Notwendigkeit , die Flamme Zusammensetzung zu analysieren, eine MS hat in vielen Fällen für DFFC Forschung und Verbrennungsanalyse 16 eingesetzt. Die neuere Entwicklung des FFC unterscheidet sich in einer teilweise geschlossenen Umgebung auf einer vorgemischten Verbrennung mit dem Brenner, indem sie sich eine vollständige Oxidation des Brennstoffes zu verhindern. Als Ergebnis zeigte die Analyse des Verbrennungsabgases in einer kontrollierten Umgebung frei von Luftleckage benötigt. Experimentelle Techniken für diesen Zweck entwickelt verlassen sich auf den früheren Techniken für die Mikrobrennkammer Forschung mit GC-Analyse des Verbrennungsabgases bei variierenden Äquivalenzverhältnissen verwendet. Die GC – Analyse führt zur Charakterisierung der Verbrennungsabgaszusammensetzung (dh der Volumenprozentsatz jedes Bestandabgas einschließlich CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Diese Analyse ermöglicht das Mischen der getrennten Gase nach den Verhältnissen durch die gemessene GC, um ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas für zukünftige FFC Forschung schaffen.
Die Protokolle für brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu analysieren, ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu entwickeln und anwendening den Auspuff für SOFC-Tests werden in diesem Papier hergestellt. Gemeinsame Herausforderungen und Einschränkungen sind für diese Techniken diskutiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll diskutiert hier ist eine wichtige Brücke zwischen früheren Verbrennungs Charakterisierung Forschung und Testen von Brennstoffzellen. Die Verwendung von Verbrennung für Kraftstoffreformierung und Brennstoffzellentest ist seit mehreren Jahren in DFFC Aufbauten 10-15 angewandt. Jedoch ist die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in DFFCs hauptsächlich mit in-situ Charakterisierung der Flammenzusammensetzung 16 und verwendet eine MS 8. Da die DFFC zur Umgebu…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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