Pilhas de Combustível assistida por chama de combustão Caracterização e Modelo de Desenvolvimento Combustível para Micro-tubulares

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

células de combustível de óxido sólido (SOFC) inovações foram relatados nos últimos anos, a tecnologia continua a desenvolver. Entre as muitas vantagens, SOFCs se tornaram conhecidos por eficiência de combustível de alta, baixas emissões e flexibilidade de combustível moderado em comparação com outras técnicas de geração de energia de combustão com base ^1. Além disso, SOFCs são escaláveis ​​permitindo alta eficiência de combustível, mesmo em pequenas escalas. Infelizmente, as limitações na infra-estrutura de hidrogênio atual criaram uma necessidade de sistemas de combustível reforma que muitas vezes são ineficientes. Um desenvolvimento recente é o assistida por chama célula de combustível micro-tubular (MT-FFC) relatou em trabalhos anteriores do autor ^2. O MT-FFC é o primeiro exemplo de uma célula de combustível assistida por chama (FFC) que se baseia nos benefícios da célula original de combustível chama directa (DFFC), que prevê a geração de calor e combustível reforma através de combustão ^3. A configuração DFFC coloca uma SOFC em contato direto com uma chama aberta ao envir ambienteente. A chama oxida parcialmente combustíveis de hidrocarbonetos mais pesados para a criação de H ₂ e CO, que pode ser utilizado directamente no SOFC com menos potencial de coque de carbono comparado com o metano puro ou outros hidrocarbonetos mais pesados. Além disso, a chama fornece a energia térmica necessária para trazer o SOFC a sua temperatura de funcionamento. A recente mudança para o DFFC inicial ocorreu movendo o SOFC para fora da região da chama e a canalização de gases de escape de combustão para a SOFC para criar o FFC ^2. Ao contrário do DFFC, a combustão ocorre em uma câmara parcialmente fechado (em vez do ambiente), de modo que o combustível a proporção de ar pode ser controlada e os gases de escape pode ser directamente alimentado à célula de combustível, sem que ocorre a combustão completa. FFCs têm vantagens adicionais, incluindo a utilização de combustível de alta e alta eficiência elétrica em comparação com DFFCs ^2.

Como uma área emergente de pesquisa, técnicas experimentais são necessários que pode avaliar o potencial da MT-FFCs para futuras aplicações de geração de energia. Estas técnicas requerem análise de oxidação parcial, ou de combustão rica em combustível, e os gases de escape que tenha sido identificado como uma forma de gerar H ₂ e CO, também conhecido como gás de síntese, juntamente com CO ₂ e H ₂ O. Os gás de síntese pode ser utilizado directamente nas células de combustível para a geração de energia. A análise dos gases de escape de combustão ricas em combustível tem sido bem estabelecida nos últimos anos e tem sido levada a cabo, teoricamente, ^4, computacionalmente ^5,6 e ⁷ experimentalmente para muitas finalidades diferentes. Muitos dos estudos teóricos e computacionais têm contado com análise de equilíbrio químico (CEA) para avaliar as espécies de produtos de combustão que são energeticamente favorável, e modelos de cinética química de mecanismos de reação. Embora estes métodos têm sido muito úteis, muitas tecnologias emergentes têm invocado técnicas experimentais durante a pesquisa e desenvolvimento. técnicas experimentais normalmente contam com analise dos gases de escape de combustão utilizando um cromatógrafo de fase gasosa (GC) ⁷ ou um espectrómetro de massa (MS) ^8. Tanto a linha de GC / seringa ou a sonda MS é inserido no escape de combustão e as medições são efectuadas para avaliar a concentração de espécies. A aplicação das técnicas experimentais tem sido comum na área de geração de energia em pequena escala. Alguns exemplos incluem micro câmaras de combustão que têm sido desenvolvidos para operar com SOFCs de câmara única e ^7,9 DFFCs ^10-15. A análise dos gases de escape de combustão ocorre sob uma ampla gama de condições de funcionamento, incluindo diferentes temperaturas, as taxas de fluxo e as relações de equivalência.

Na área de investigação DFFC, combustível e oxidante podem ser parcialmente pré-misturada ou não pré-misturado, com o queimador aberto para o ambiente, o que assegura uma combustão completa. Com a necessidade de se analisar a composição da chama, um EM tem sido utilizado em muitos casos para DFFC investigação e análise de combustão ¹⁶. O desenvolvimento mais recente do FFC difere por depender de combustão pré-misturado com o queimador em um ambiente parcialmente fechado para evitar a oxidação completa do combustível. Como resultado, é necessária a análise dos gases de escape de combustão num ambiente controlado, isentas de fugas de ar. técnicas experimentais desenvolvidos para este fim contar com as técnicas anteriores utilizadas para a investigação micro combustor com a análise GC dos gases de escape de combustão em relações de equivalência variados. A análise de GC leva a caracterização da composição de escape de combustão (isto é, a percentagem em volume de cada constituinte de escape, incluindo _{CO2, H2O, N2,} etc) Esta análise permite a mistura de gases separados de acordo com as relações medidas pela GC para criar um modelo rico em combustível de escape de combustão para futuras pesquisas FFC.

Os protocolos para a análise de escape de combustão rico em combustível, desenvolvendo um modelo rico em combustível de escape de combustão e aplicaring escape para testes SOFC são estabelecidos neste documento. desafios e limitações comuns são discutidos para estas técnicas.

Protocol

1. Cálculos de combustão Escolha de combustível para análise. Aqui, escolha metano como combustível de referência, mas os princípios são transferíveis para outros combustíveis de hidrocarbonetos. Com um mole de metano como o combustível, o equilíbrio equação (1) para a combustão estequiométrica para obter a equação (2). Calcul…

Representative Results

A câmara de combustão caracterização devem ser verificados antes do teste nas proporções de equivalência desejadas para o refluxo de ar para dentro da câmara ou de outro fugas de ar durante o teste. Os processos de combustão em câmaras abertas são conhecidos por serem quase isobaric. Como resultado, a pressão no interior da câmara de combustão, pode não ser suficiente para assegurar que nenhum ar do ambiente externo é de back-fluir para dentro da câmara de combustão a p…

Discussion

O protocolo discutido aqui é uma ponte importante entre a investigação caracterização de combustão anterior e testes de célula de combustível. O uso da combustão de combustíveis reforma e testes de célula de combustível tem sido aplicado há vários anos em DFFC setups ^10-15. No entanto, a caracterização do processo de combustão em DFFCs é principalmente preocupado com a caracterização no local da composição de chama ¹⁶ e utiliza uma MS ^8. Como o DFF…

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