दहन विशेषता और मॉडल ईंधन के विकास के लिए माइक्रो-ट्यूबलर लौ की मदद से ईंधन कोशिकाओं
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
ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) नवाचारों हाल के वर्षों में सूचित किया गया के रूप में प्रौद्योगिकी को विकसित करने के लिए जारी कर दिया है। कई फायदे के अलावा, SOFCs अन्य दहन आधारित विद्युत उत्पादन तकनीक 1 की तुलना में उच्च ईंधन दक्षता, कम उत्सर्जन और मध्यम ईंधन लचीलेपन के लिए जाना जाता हो गए। इसके अलावा, SOFCs भी छोटे पैमाने पर स्केलेबल उच्च ईंधन दक्षता के लिए अनुमति दे रहे हैं। दुर्भाग्य से, वर्तमान हाइड्रोजन के बुनियादी ढांचे में सुधार सीमाओं ईंधन प्रणाली है कि अक्सर अक्षम हैं के लिए एक जरूरत बन गया है। हाल ही में एक विकास सूक्ष्म ट्यूबलर लौ की मदद से ईंधन सेल (एमटी FFC) लेखक के पिछले काम 2 में सूचना दी है। एमटी FFC एक लौ की मदद से ईंधन सेल (FFC) मूल प्रत्यक्ष लौ ईंधन सेल (DFFC) है, जो गर्मी पीढ़ी और ईंधन के दहन 3 के माध्यम से सुधार प्रदान करता है के लाभों पर बनाता है कि का पहला उदाहरण है। DFFC सेटअप एक लौ के साथ सीधे संपर्क में एक SOFC परिवेश के वातावरण के लिए खुले स्थानोंonment। लौ आंशिक रूप से एच 2 और सीओ, जो सीधे शुद्ध मीथेन या अन्य भारी हाइड्रोकार्बन की तुलना में कार्बन कोकिंग के लिए कम क्षमता के साथ SOFC में इस्तेमाल किया जा सकता बनाने के लिए भारी हाइड्रोकार्बन ईंधन ऑक्सीकरण होता। इसके अलावा, लौ तापीय ऊर्जा अपने ऑपरेटिंग तापमान को SOFC लाने की जरूरत है। मूल DFFC करने के लिए हाल ही में एक परिवर्तन लौ क्षेत्र से बाहर SOFC चलती है और SOFC दहन निकास channeling FFC 2 बनाने के द्वारा हुई। DFFC के विपरीत, दहन एक आंशिक रूप से संलग्न चैम्बर (परिवेश के बजाय) में इतना है कि हवा के अनुपात में ईंधन से नियंत्रित किया जा सकता है और निकास सीधे पूरा दहन होने वाली बिना ईंधन सेल को खिलाया जा सकता होती है। FFCs उच्च ईंधन के उपयोग और उच्च विद्युत क्षमता DFFCs 2 की तुलना सहित अतिरिक्त लाभ है।
अनुसंधान के एक उभरते क्षेत्र के रूप में, प्रयोगात्मक तकनीक की जरूरत है एमटी एफएफ की क्षमता का आकलन कर सकते हैं किभविष्य विद्युत उत्पादन अनुप्रयोगों के लिए CS। इन तकनीकों में आंशिक ऑक्सीकरण, या ईंधन युक्त दहन, और निकास जो एच 2 और सीओ भी सिनगैस के रूप में जाना पैदा करने का एक तरीका के रूप में पहचान की गई है के विश्लेषण की आवश्यकता होती है, सीओ 2 और एच 2 ओ के साथ सिनगैस सीधे बिजली उत्पादन के लिए ईंधन की कोशिकाओं में इस्तेमाल किया जा सकता है। ईंधन युक्त दहन निकास के विश्लेषण अच्छी तरह से हाल के वर्षों में स्थापित किया गया है और कई अलग अलग उद्देश्यों के लिए सैद्धांतिक रूप से 4, 5,6 computationally और प्रयोगात्मक 7 बाहर किया गया है। सैद्धांतिक और कम्प्यूटेशनल अध्ययनों से कई प्रतिक्रिया तंत्र के लिए दहन उत्पाद प्रजाति है कि उर्जा अनुकूल हैं, और रासायनिक गतिज मॉडल का आकलन करने के लिए रासायनिक संतुलन विश्लेषण (सीईए) पर भरोसा किया है। इन तरीकों में बहुत उपयोगी हो गया है, वहीं कई उभरती प्रौद्योगिकियों के अनुसंधान और विकास के दौरान प्रयोगात्मक तकनीक पर भरोसा किया है। प्रायोगिक तकनीक को आम तौर पर एना पर भरोसाका उपयोग कर दहन निकास की सेल या तो एक गैस chromatograph (जीसी) 7 या एक मास स्पेक्ट्रोमीटर (एमएस) 8। या तो जीसी लाइन / सिरिंज या एमएस जांच दहन निकास में डाला जाता है और माप प्रजातियों एकाग्रता का आकलन करने के लिए लिया जाता है। प्रयोगात्मक तकनीक के इस्तेमाल से छोटे पैमाने पर बिजली उत्पादन के क्षेत्र में आम हो गया है। कुछ उदाहरण सूक्ष्म combustors कि एकल कक्ष SOFCs 7.9 और DFFCs 10-15 के साथ संचालित करने के लिए विकसित किया गया है शामिल हैं। दहन निकास के विश्लेषण अलग तापमान, प्रवाह दरों और अनुपातों तुल्यता सहित परिचालन की स्थिति की एक विस्तृत श्रृंखला के तहत होता है।
DFFC अनुसंधान, ईंधन और ऑक्सीडेंट के क्षेत्र में, आंशिक रूप से premixed या गैर premixed हो सकता है बर्नर परिवेश जो पूरा दहन सुनिश्चित करने के लिए खोलने के साथ। लौ संरचना का विश्लेषण करने के लिए एक आवश्यकता के साथ, एक एमएस DFFC अनुसंधान और विश्लेषण दहन 16 के लिए कई मामलों में इस्तेमाल किया गया है। निगम के अधिक हाल ही में विकास ईंधन की पूरी ऑक्सीकरण रोकने के लिए एक आंशिक रूप से संलग्न वातावरण में बर्नर के साथ premixed दहन पर भरोसा करके अलग है। नतीजतन, हवा रिसाव से मुक्त एक नियंत्रित वातावरण में दहन निकास के विश्लेषण की जरूरत है। इस उद्देश्य के लिए विकसित की प्रयोगात्मक तकनीक पहले अलग-अलग अनुपात में तुल्यता दहन निकास की जीसी विश्लेषण के साथ सूक्ष्म combustor अनुसंधान के लिए इस्तेमाल की तकनीक पर भरोसा करते हैं। जीसी विश्लेषण दहन निकास रचना के लक्षण वर्णन की ओर जाता है (यानी, सीओ 2 सहित प्रत्येक निकास घटक की मात्रा प्रतिशत, एच 2 ओ, एन 2, आदि) के इस विश्लेषण के अनुपात के द्वारा मापा के अनुसार अलग गैसों के मिश्रण के लिए अनुमति देता है जीसी भविष्य FFC के अनुसंधान के लिए एक मॉडल ईंधन युक्त दहन निकास बनाने के लिए।
ईंधन युक्त दहन निकास का विश्लेषण, एक मॉडल ईंधन युक्त दहन निकास को विकसित करने और लागू करने के लिए प्रोटोकॉलSOFC परीक्षण के लिए निकास आईएनजी इस पत्र में स्थापित कर रहे हैं। आम चुनौतियों और सीमाओं इन तकनीकों के लिए चर्चा कर रहे हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल यहाँ चर्चा पिछले दहन लक्षण वर्णन अनुसंधान और ईंधन सेल परीक्षण के बीच एक महत्वपूर्ण पुल है। ईंधन में सुधार और ईंधन सेल परीक्षण के लिए दहन का उपयोग DFFC setups 10-15 में कई वर्षों के लिए लागू किया गया…
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).
