Forbrænding Karakterisering og Model Fuel Development for Micro-rørformede Flame-assisteret Brændselsceller
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
Fastoxidbrændselscelle (SOFC) innovationer er blevet rapporteret i de senere år som teknologien fortsætter med at udvikle. Blandt de mange fordele, er SOFC blevet kendt for høj brændstofeffektivitet, lave emissioner og moderat brændstof fleksibilitet i forhold til andre forbrændingsprocesser baseret elproduktion teknikker 1. Endvidere SOFC er skalerbare muliggør høj brændstofeffektivitet selv ved små skalaer. Desværre har begrænsninger i nuværende brint infrastruktur skabt et behov for brændstof reformere systemer, der ofte er ineffektiv. En nyere udvikling er mikro-rørformede flamme-assisteret brændselscelle (mT-FFC) rapporteret i forfatterens tidligere arbejde 2. MT-FFC er det første eksempel på en flamme-assisteret brændselscelle (FFC), der bygger på fordelene ved den oprindelige direkte flamme brændselscelle (DFFC), som giver varmeudvikling og brændstof reformering via forbrænding 3. Den DFFC setup placerer en SOFC i direkte kontakt med en flamme åben til den omgivende envirjøet. Flammen delvist oxiderer tungere carbonhydridbrændstoffer at skabe H2 og CO, som kan anvendes direkte i det SOFC med mindre potentiale for carbon forkoksning forhold til ren methan eller andre tungere carbonhydrider. Desuden flammen tilvejebringer den termiske energi, der kræves for at bringe SOFC til sin driftstemperatur. En nylig ændring til den oprindelige DFFC indtraf ved bevægelse af SOFC ud af flammen regionen og kanalisere forbrændingsudstødningsgassen til SOFC at oprette FFC 2. I modsætning til DFFC, forbrændingen sker i en delvis lukket kammer (i stedet for den omgivende), således at brændstoffet til luft forholdet kan styres og udstødningssystemer direkte kan tilføres til brændselscellen uden fuldstændig forbrænding forekommende. FFC'er har yderligere fordele, herunder høj udnyttelse af brændslet og høj elektrisk virkningsgrad i forhold til DFFCs 2.
Som en spirende forskningsområde, er der behov for eksperimentelle teknikker, der kan vurdere potentialet i mT-FFCs til fremtidige kraftværker applikationer. Disse teknikker kræver analyse af partiel oxidation eller brændstof-rige forbrænding, og udstødning som er blevet identificeret som en måde at generere H2 og CO, også kendt som syntesegas, sammen med CO 2 og H 2 O. De syntesegas kan anvendes direkte i brændselsceller til elproduktion. Analysen af brændstof-rige forbrændingsudstødningsgassen er blevet veletableret i de seneste år og er blevet udført teoretisk 4, beregningsmæssigt 5,6 og eksperimentelt 7 til mange forskellige formål. Mange af de teoretiske og beregningsmæssige undersøgelser har påberåbt sig kemisk ligevægt analyse (CEA) for at vurdere forbrænding produkt arter, som er energisk gunstige, og kemiske kinetiske modeller for reaktionsmekanismer. Mens disse metoder har været meget nyttige, har mange nye teknologier påberåbes eksperimentelle teknikker under forskning og udvikling. Eksperimentelle teknikker typisk afhængige af analyse af forbrændingsudstødningsgassen anvendelse af enten en gaskromatograf (GC) 7 eller et massespektrometer (MS) 8. Enten GC linje / sprøjte eller MS proben indsættes i forbrændingsrøggas og er taget målinger til vurdering koncentrationen arten. Anvendelse af de eksperimentelle teknikker har været almindelig inden for små kraftværker. Nogle eksempler kan nævnes mikro brændkamre, der er udviklet til at fungere med en enkelt kammer SOFC 7,9 og DFFCs 10-15. Analysen af forbrændingsrøggassen sker under en lang række driftsbetingelser, herunder forskellige temperaturer, strømningshastigheder og ækvivalensforhold.
På området DFFC forskning, brændstof og oxidant kan være delvist forblandet eller ikke-forblandet, med brænderen åben til den omgivende, som sikrer fuldstændig forbrænding. Med et behov for at analysere flammen sammensætning, har en MS været anvendt i mange tilfælde for DFFC forskning og forbrænding analyse 16. Den nyere udvikling af FFC afviger ved at satse på forblandet forbrænding med brænderen i en delvist lukket miljø for at forhindre fuldstændig oxidation af brændstoffet. Som følge heraf er der behov analyse forbrændingsrøggassens i et kontrolleret miljø fri for utætheder. Eksperimentelle teknikker udviklet til dette formål, er afhængige af de tidligere teknikker, der anvendes til micro forbrændingskammer forskning med GC-analyse forbrændingsrøggassens ved varierende ækvivalensforhold. GC analyse fører til karakterisering forbrændingsrøggassens sammensætning (dvs. den rumfangsprocent af hver udstødningskomponent herunder CO2, H2O, N2, etc.) Denne analyse giver mulighed for blanding af separate gasser ifølge forholdene målt ved den GC at skabe en model brændstof-rige forbrændingsrøggas for fremtidig FFC forskning.
Protokollerne til analyse brændstof-rige forbrændingsrøggas, at udvikle en model brændstof-rige forbrændingsrøggas og anvendeing udstødningen for SOFC test er etableret i dette papir. Fælles udfordringer og begrænsninger diskuteres for disse teknikker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen diskuteres her er en vigtig bro mellem tidligere forbrænding karakterisering forskning og brændselscelle test. Brugen af forbrænding til brændstof reformere og brændselscelle test har været anvendt i flere år i DFFC opsætninger 10-15. Men karakterisering af forbrændingsprocessen i DFFCs sig primært med in-situ karakterisering af flammen sammensætning 16 og bruger en MS 8. Da DFFC er åben til den omgivende, udstødningssystemet sammensætning består hoved…
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).
