احتراق توصيف ونموذج التنمية وقود الصغرى أنبوبي خلايا الوقود بمساعدة لهب
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
تم الإبلاغ الصلبة أكسيد خلايا الوقود (SOFC) الابتكارات في السنوات الأخيرة، حيث لا تزال هذه التكنولوجيا لتطوير. من بين العديد من المزايا، أصبحت SOFCs المعروف لكفاءة الوقود العالية، انخفاض الانبعاثات والمرونة وقود معتدلة بالمقارنة مع غيرها من الاحتراق أساس تقنيات توليد الطاقة 1. وعلاوة على ذلك، SOFCs قابلة للتغيير مما يسمح لكفاءة الوقود العالية حتى في المقاييس الصغيرة. للأسف، قد خلقت القيود في البنية التحتية الهيدروجين الحالية الحاجة إلى أنظمة الوقود إصلاح التي غالبا ما تكون غير فعالة. ومن التطورات الحديثة هي بمساعدة لهب خلايا الوقود الصغيرة أنبوبي (MT-FFC) ذكرت في عمل البلاغ السابق 2. وMT-الأولى للتمويل هو المثال الأول من خلية وقود بمساعدة لهب (الأولى للتمويل) أن يبني على الفوائد من اللهب المباشر خلايا الوقود الأصلي (DFFC)، التي تنص على توليد الحرارة والوقود إصلاح عن طريق احتراق 3. الإعداد DFFC يضع SOFC في اتصال مباشر مع اللهب المكشوف لعضو هيئة الجائزة مدير المحيطةonment. الشعلة يتأكسد جزئيا الوقود الهيدروكربوني أثقل لخلق H 2 و CO، والتي يمكن استخدامها مباشرة في SOFC مع أقل احتمال الكوك الكربون مقارنة الميثان النقي أو غيرها من الهيدروكربونات الأثقل. وبالإضافة إلى ذلك، الشعلة يوفر الطاقة الحرارية اللازمة لتحقيق SOFC إلى درجة حرارة التشغيل. حدث التغيير الأخير إلى DFFC الأصلي عن طريق تحريك SOFC من منطقة الشعلة وتوجيه عوادم الاحتراق إلى SOFC لإنشاء FFC 2. وخلافا للDFFC، يحدث الاحتراق في غرفة مغلقة جزئيا (بدلا من المحيط) بحيث الوقود لنسبة الهواء يمكن السيطرة عليها، والعادم ويمكن تغذية مباشرة إلى خلايا الوقود دون احتراق كامل يحدث. FFCS لها مزايا إضافية بما في ذلك استخدام وقود عالية وكفاءة الكهربائية عالية مقارنة DFFCs 2.
كمجال الناشئة من الأبحاث، هناك حاجة إلى تقنيات التجريبية التي يمكن تقييم إمكانات MT-FFخدمات العملاء لتطبيقات توليد الطاقة في المستقبل. تتطلب هذه التقنيات تحليل الأكسدة الجزئية، أو الاحتراق الغنية الوقود والعادم والتي تم تحديدها على أنها وسيلة لتوليد H 2 و CO، المعروف أيضا باسم الغاز المتزايد، جنبا إلى جنب مع CO 2 و H 2 O. الغاز الصنعي يمكن استخدامها مباشرة في خلايا الوقود لتوليد الطاقة. تحليل احتراق العادم الغنية الوقود قد تم راسخة في السنوات الأخيرة، وقد نفذت نظريا 4، حسابيا 5،6 وتجريبيا 7 لأغراض عديدة مختلفة. وقد اعتمدت العديد من الدراسات النظرية والحسابية على تحليل الاتزان الكيميائي (CEA) لتقييم الأنواع المنتج الاحتراق مواتية بقوة، والنماذج الحركية الكيميائية لآليات التفاعل. في حين أن هذه الأساليب كانت مفيدة جدا، وقد اعتمدت العديد من التكنولوجيات الناشئة على التقنيات التجريبية خلال البحث والتطوير. تعتمد تقنيات تجريبية عادة على آناتحلل من عوادم الاحتراق سواء باستخدام الكروماتوجرافي الغاز (GC) 7 أو مطياف الكتلة (MS) 8. يتم إدخال إما GC خط / حقنة أو التحقيق MS في عادم الاحتراق ويتم أخذ القياسات لتقييم تركيز الأنواع. وقد تم تطبيق تقنيات تجريبية مشتركة في مجال توليد الطاقة على نطاق صغير. وتشمل بعض الأمثلة الاحتراق الصغيرة التي تم تطويرها للعمل مع SOFCs غرفة واحدة 7،9 وDFFCs 10-15. يحدث تحليل العادم الاحتراق تحت مجموعة واسعة من ظروف التشغيل بما في ذلك درجات حرارة مختلفة، ومعدلات التدفق ونسب التكافؤ.
في مجال DFFC البحوث والوقود والمؤكسد يمكن أن يكون الممزوجة مسبقا جزئيا أو غير الممزوجة مسبقا، مع الموقد مفتوحة إلى المحيط الذي يضمن الاحتراق الكامل. مع الحاجة إلى تحليل تكوين لهب، وقد تم استخدام MS في كثير من الحالات لDFFC البحوث والاحتراق تحليل 16. تطوير أكثر حداثة من الأولى للتمويل تختلف بالاعتماد على الاحتراق خلط مع الموقد في بيئة مغلقة جزئيا لمنع أكسدة كاملة من الوقود. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى تحليل للعادم الاحتراق في بيئة تسيطر عليها خالية من تسرب الهواء. تقنيات تجريبية وضعت لهذا الغرض تعتمد على التقنيات السابقة تستخدم للبحوث الاحتراق الجزئي مع تحليل GC للعادم الاحتراق متفاوتة في نسب التكافؤ. تحليل GC يؤدي إلى توصيف التركيب عادم الاحتراق (أي نسبة حجم كل المكونة العادم بما في ذلك CO 2 و H 2 O، N 2، الخ) وهذا التحليل يسمح لخلط الغازات منفصلة وفقا لنسب تقاس GC لخلق نموذج الغنية وقود العادم الاحتراق للبحوث الأولى للتمويل في المستقبل.
البروتوكولات لتحليل احتراق العادم الغنية الوقود، ووضع نموذج الغنية وقود الاحتراق العادم وتطبيقجي العادم لاختبار SOFC تقام في هذه الورقة. وتناقش التحديات والقيود مشتركة لهذه التقنيات.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكول مناقشتها هنا هو جسر مهم بين البحوث توصيف الاحتراق السابق واختبار خلايا الوقود. وقد تم تطبيق استخدام الاحتراق للوقود إصلاح واختبار خلايا الوقود لعدة سنوات في الاجهزة DFFC 10-15. ومع ذلك، فإن توصيف عملية الاحتراق في DFFCs بشكل اساسي مع توصيف في الموقع من ت…
Disclosures
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).
