Verbranding Karakterisatie en Model Fuel Development voor Micro-buis-Flame bijgestaan ​​Fuel Cells

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

Vaste oxide brandstofcel (SOFC) innovaties zijn gemeld in de afgelopen jaren als de technologie zich blijft ontwikkelen. Onder de vele voordelen, hebben SOFC bekend om zijn hoge brandstofefficiëntie, lage uitstoot en matige flexibiliteit brandstof in vergelijking met andere verbranding gebaseerde elektriciteitsproductie technieken ¹ geworden. Verder SOFCs zijn schaalbaar waardoor hoge brandstofefficiëntie, zelfs op kleine schaal. Helaas, beperkingen in de huidige waterstof infrastructuur hebben er behoefte aan brandstof hervorming van systemen die vaak inefficiënt. Een recente ontwikkeling is de micro-buis-flame bijgestaan brandstofcel (mT-FFC) gemeld bij de auteur eerdere werk ^2. De mT-FFC is het eerste voorbeeld van een vlam ondersteunde brandstofcel (FFC) dat voortbouwt op de voordelen van de oorspronkelijke directe vlam brandstofcel (DFFC), die warmte en brandstof reformeren via verbranding ³ verschaft. De DFFC opstelling plaatst een SOFC in direct contact met een vlam open naar de omgevingslucht mililieu. De vlam oxideert gedeeltelijk zwaardere koolwaterstoffen tot _H2 en CO, die rechtstreeks aan de SOFC kan worden gebruikt met minder kans op koolstof cokesvorming in vergelijking met zuiver methaan of andere koolwaterstoffen zwaarder maken. Bovendien, de vlam levert de thermische energie die nodig is om de SOFC op bedrijfstemperatuur te brengen. Een recente wijziging in de originele DFFC opgetreden door de SOFC uit de vlam regio verplaatsen en het kanaliseren van de verbranding uitlaat aan de SOFC aan de FFC ² te maken. In tegenstelling tot de DFFC de verbranding plaatsvindt in een gedeeltelijk omsloten ruimte (in plaats van de omgevingslucht), zodat de brandstof-luchtverhouding kunnen worden gecontroleerd en de uitlaatgassen kan direct worden toegevoerd aan de brandstofcel zonder volledige verbranding optreedt. FFCS hebben extra voordelen, waaronder een hoge bezettingsgraad brandstof en hoog elektrisch rendement in vergelijking met DFFCs ^2.

Als een opkomende gebied van onderzoek, experimentele technieken nodig die het potentieel van mT-FF te beoordelenCs voor de toekomstige productie toepassingen. Deze technieken vereisen analyse van gedeeltelijke oxidatie of brandstofrijke verbranding en de uitlaat die is geïdentificeerd als een manier van het genereren _H2 en CO, ook bekend als syngas, tezamen met _CO2 en _H2O Het syngas kan direct gebruikt worden in de brandstofcellen voor energieopwekking. De analyse van de brandstof-rijke verbranding uitlaat is goed ingeburgerd in de afgelopen jaren en is theoretisch ^4, computationeel ^5,6 en experimenteel ⁷ uitgevoerd voor vele verschillende doeleinden. Veel van de theoretische en computationele studies hebben vertrouwd op chemisch evenwicht analyse (CEA) om de verbranding product soorten die energetisch gunstig zijn, en chemische kinetische modellen beoordelen voor reactie mechanismen. Hoewel deze methoden zeer nuttig zijn, hebben veel nieuwe technologieën aangevoerde experimentele technieken in onderzoek en ontwikkeling. Experimentele technieken doorgaans rekenen op analysis van de verbrandingsgassen met behulp van een gaschromatograaf (GC) ⁷ of een massaspectrometer (MS) ^8. Ofwel de lijn GC / MS spuit of sonde in de verbrandingskamer uitlaat geplaatst en de meting van de soort concentratie te beoordelen. Toepassing van de experimentele technieken is gemeenschappelijk op het gebied van kleinschalige energieopwekking. Enkele voorbeelden zijn micro branders die ontwikkeld zijn om te werken met een enkele kamer SOFC ^7,9 en DFFCs ^10-15. De analyse van de verbrandingsgassen gebeurt onder uiteenlopende bedrijfsomstandigheden waaronder verschillende temperaturen, stroomsnelheden en equivalentieverhoudingen.

Op het gebied van DFFC onderzoek, brandstof en oxidant kan gedeeltelijk voorgemengde of niet voorgemengd worden, met de brander open naar de omgevingslucht die de volledige verbranding. Met een behoefte aan de vlam samenstelling te analyseren, is een MS gebruikt in vele gevallen voor DFFC onderzoek en verbrandingsanalyse ¹⁶. De recente ontwikkeling van de FFC verschilt beroep op voorgemengde verbranding met de brander in een gedeeltelijk omsloten omgeving om volledige oxidatie van de brandstof te voorkomen. Hierdoor is de analyse van de verbrandingsgassen in een gecontroleerde omgeving zonder luchtlekkage nodig. Experimentele technieken die hiervoor steunen op de eerdere technieken voor micro verbrandingsinrichting onderzoek met GC-analyse van de verbrandingsgassen bij variërende equivalentieverhoudingen. De GC-analyse leidt tot karakterisering van de verbrandingsgassen samenstelling (dat wil zeggen, het volumepercentage van elk bestanddeel van het uitlaatgas zoals _{CO2, H2O, N2,} enz.) Deze analyse maakt menging van afzonderlijke gassen volgens de verhouding gemeten met het GC om een ​​model brandstof-rijke verbranding uitlaat voor toekomstig FFC onderzoek te creëren.

De protocollen voor het analyseren van de brandstof-rijke verbranding uitlaat, het ontwikkelen van een model brandstof-rijke verbranding uitlaat en toe te passening de uitlaat voor SOFC testen zijn vastgelegd in deze krant. Gemeenschappelijke uitdagingen en beperkingen worden besproken voor deze technieken.

Protocol

1. Combustion Berekeningen Selecteer brandstof voor analyse. Hier kiest u methaan als de referentie brandstof, maar de principes zijn overdraagbaar naar andere koolwaterstoffen. Met 1 mol methaan als brandstof, saldo vergelijking (1) voor stoichiometrische verbranding vergelijking te krijgen (2). Bereken de brandstof-luchtverhouding voor …

Representative Results

De verbranding karakterisering ruimte moeten worden gecontroleerd voorafgaand aan het testen op de gewenste equivalentieverhoudingen voor back-stroming van lucht in de kamer of andere lucht lekkage tijdens het testen. Verbrandingsprocessen in de open kamers worden bekend bijna isobarisch te zijn. Hierdoor kan de druk in de verbrandingskamer niet voldoende om te voorkomen dat lucht uit de externe omgeving weer vloeiend in de verbrandingskamer uit de kamer uitlaatpoort of andere lekken zij…

Discussion

Het protocol hier wordt besproken is een belangrijke brug tussen de vorige verbranding karakterisering onderzoek en brandstofcel testen. Het gebruik van de verbranding van de brandstof hervorming en brandstofcel testen is aangevraagd voor een aantal jaren in DFFC setups ^10-15. De karakterisatie van het verbrandingsproces in DFFCs is vooral om in-situ karakterisering van de vlam samenstelling ¹⁶ en gebruikt een MS ^8. Aangezien de DFFC open naar de omgeving, de uitlaatgas samenste…

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