Combustion Caractérisation et élaboration d'un modèle de carburant pour les micro-piles à combustible tubulaires assistée Flame-
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
pile à combustible à oxyde solide (SOFC) innovations ont été rapportés au cours des dernières années que la technologie continue de se développer. Parmi les nombreux avantages, les SOFC sont devenus connus pour un rendement énergétique élevé, de faibles émissions et la flexibilité de carburant modérée par rapport à d' autres techniques de production d'énergie de combustion sur la base 1. En outre, les SOFC sont évolutives permettant un rendement énergétique élevé, même à petite échelle. Malheureusement, les limitations dans l'infrastructure de l'hydrogène en cours ont créé un besoin pour des systèmes de carburant de reformage qui sont souvent inefficaces. Un développement récent est la pile à combustible assistée flamme micro-tubulaire (mT-FFC) a rapporté dans les travaux antérieurs de l'auteur 2. Le mT-FFC est le premier exemple d'une pile à combustible assistée flamme (FFC) qui se fonde sur les avantages de la cellule d' origine de la flamme directe de carburant (DFFC), qui fournit la production de chaleur et de reformage de combustible par combustion 3. La configuration DFFC place une SOFC en contact direct avec une flamme ouverte à l'envir ambianteonnement. La flamme s'oxyde partiellement combustibles hydrocarbures plus lourds pour créer H 2 et du CO, qui peut être utilisé directement dans la SOFC avec moins de risques de cokéfaction du carbone par rapport au méthane pur ou d' autres hydrocarbures plus lourds. En outre, la flamme fournit l'énergie thermique nécessaire pour amener la SOFC à sa température de fonctionnement. Un changement récent à la DFFC originale est produite en déplaçant la SOFC hors de la zone de flamme et de canaliser les gaz d' échappement de combustion à la SOFC pour créer le FCF 2. A la différence du DFFC, la combustion se produit dans une chambre partiellement fermée (au lieu de la température ambiante), de sorte que le rapport du combustible à l'air peut être contrôlé et le gaz d'échappement peut être directement introduit dans la pile à combustible sans se produit une combustion complète. CPF ont des avantages supplémentaires , y compris l' utilisation de carburant élevée et une efficacité électrique par rapport à DFFCs 2.
En tant que domaine de recherche, les techniques expérimentales sont nécessaires permettant d'évaluer le potentiel de mT-FFCs pour les futures applications de production d'énergie. Ces techniques nécessitent une analyse d'oxydation partielle ou de combustion riche en combustible, et les gaz d' échappement qui a été identifié comme un moyen de génération de H 2 et CO, également connu sous le nom de gaz de synthèse, de même que le CO 2 et H 2 O. Le gaz de synthèse peut être utilisé directement dans les piles à combustible pour la production d'électricité. L'analyse des gaz d'échappement de combustion riche en combustible a été bien établie au cours des dernières années et a été réalisée théoriquement 4, informatiquement 5,6 et expérimentalement 7 pour de nombreuses fins différentes. Bon nombre des études théoriques et informatiques se sont appuyés sur l'analyse de l'équilibre chimique (CEA) pour évaluer les espèces de produits de combustion qui sont énergétiquement favorable, et les modèles cinétiques chimiques pour les mécanismes de réaction. Bien que ces méthodes ont été très utiles, de nombreuses technologies émergentes se sont appuyés sur des techniques expérimentales pendant la recherche et le développement. Les techniques expérimentales reposent généralement sur anala lyse des gaz d' échappement de combustion utilisant un chromatographe en phase gazeuse (GC) 7 ou un spectromètre de masse (MS) 8. Soit la GC ligne / seringue ou la sonde MS est insérée dans l'échappement de combustion et les mesures sont prises pour évaluer la concentration des espèces. L'application des techniques expérimentales a été commune dans le domaine de la petite production d'électricité à grande échelle. Voici quelques exemples de micro combustion qui ont été développés pour fonctionner avec SOFC simple chambre 7,9 et DFFCs 10-15. L'analyse des gaz d'échappement de combustion se produit dans une large gamme de conditions de fonctionnement, y compris des températures, des débits et des rapports d'équivalence.
Dans le domaine de la recherche DFFC, le combustible et l'oxydant peut être partiellement pré-mélangé ou non pré-mélangé avec le brûleur ouvert à l'atmosphère ambiante qui assure une combustion complète. Avec la nécessité d'analyser la composition de la flamme, un MS a été utilisé dans de nombreux cas pour DFFC la recherche et l' analyse de combustion 16. Le développement plus récent de la FFC diffère en se basant sur la combustion pré-mélangée avec le brûleur dans un environnement partiellement fermé pour empêcher l'oxydation complète du carburant. Par conséquent, l'analyse des gaz d'échappement de combustion dans un environnement contrôlé exempt de fuites d'air est nécessaire. Les techniques expérimentales développées à cet effet reposent sur les techniques antérieures utilisées pour la recherche de combustion micro avec une analyse de GC de l'échappement de combustion à des rapports d'équivalence variables. L'analyse par GC conduit à la caractérisation de la composition des gaz d'échappement de combustion ( par exemple, le pour cent en volume de chaque constituant d'échappement comprenant du CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Cette analyse permet de mélanger des gaz séparés en fonction des rapports mesurés par le GC pour créer un modèle d'échappement de combustion riche en combustible pour les futures recherches FFC.
Les protocoles d'analyse de gaz d'échappement de combustion riche en combustible, le développement d'un modèle d'échappement de combustion riche en combustible et appliquerment les gaz d'échappement pour les tests SOFC sont établis dans le présent document. défis et limites communes sont discutées pour ces techniques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole décrit ici est un pont important entre la recherche de la caractérisation de la combustion précédente et les essais de piles à combustible. L'utilisation de la combustion pour le carburant de reformage et d' essais de piles à combustible a été appliquée pendant plusieurs années dans les configurations DFFC 10-15. Cependant, la caractérisation du processus de combustion dans DFFCs est principalement lié à la caractérisation in situ de la composition de la flamme <sup…
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
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