에 대한 연소 특성 및 모델 연료 개발 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지
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
기술이 계속 개발 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 기술 혁신이 최근에보고되었다. 많은 장점 중의 SOFC 다른 연소 기반 발전 기술 1에 비해 높은 연료 효율, 낮은 연료 방출과 적당한 유연성 공지되었다. 또한,의 SOFC는 아주 작은 규모에서 높은 연료 효율을 허용하는 확장 성이다. 불행하게도, 현재 수소 인프라의 한계는 종종 비효율적 연료 개질 시스템에 대한 필요성을 만들었습니다. 최근의 개발은 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지 (MT-FFC)은 저자의 전작이보고있다. 마운트-FFC 연소 3 통해 발열 개질 연료를 제공 일본어 직화 형 연료 전지 (DFFC)의 장점에 기반 불꽃을 이용한 연료 전지 (FFC)의 첫번째 예이다. DFFC 설치는 주변 envir에 개방 불꽃과 직접 접촉하는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)를 배치onment. 화염은 부분적으로 순수한 메탄 또는 다른 무거운 탄화수소에 비해 탄소 코킹 덜 잠재적으로 SOFC에서 직접 사용할 수있는 H 2 CO를 생성하기 위해 탄화수소 연료를 산화시킨다. 또한, 상기 화염의 작동 온도로 SOFC 가져 필요한 열 에너지를 제공한다. 원래 DFFC에 대한 최근의 변화는 화염 영역 밖으로 SOFC를 이동하고, FFC (2)를 생성하기 위해 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 연소 배기 가스를 쏟아야에 의해 발생했습니다. DFFC 달리 연소 (대신 주위의) 부분 밀폐 챔버 내에서 대기와 비 연료를 제어 할 수 있고, 배기 가스가 직접 완전 연소가 발생하지 않고, 연료 전지에 공급 될 수 있도록 발생한다. FFCS는 높은 연료 사용 및 DFFCs 2에 비해 높은 전기 효율 등의 추가 장점이있다.
연구의 새로운 영역으로, 필요한 실험 기술 MT-FF의 가능성을 평가할 수있다미래 발전 애플리케이션을위한 고사. 이러한 기술은 CO 2 H 2 O와 함께, 부분 산화, 또는 연료 – 풍부 연소하고, 또한 합성 가스라고도 H 2 CO를 생성하는 방법으로 식별 된 배기 가스의 분석을 필요 합성 가스는 발전 용 연료 전지에 직접 사용할 수있다. 연료 – 풍부 연소 배기 가스의 분석은 또한 최근에 확립되었고, 많은 다른 목적을위한 이론적 4 계산적 5,6- 실험적 7 실시되었다. 이론 및 계산 연구의 대부분은 반응 메커니즘의 연소 제품 정력적으로 유리한 종, 화학 반응 속도 모델을 평가하기 위해 화학 평형 분석 (CEA)에 의존하고있다. 이러한 방법은 매우 유용되었지만, 많은 새로운 기술이 연구 개발 중에 실험 기술에 의존하고있다. 실험 기술은 일반적으로 아나에 의존하여 연소 배기 가스의 용해 중 가스 크로마토 그래피 (GC) (7) 또는 질량 분광계 (MS) 8. GC의 줄 / 주사기 또는 MS 프로브 중 하나는 연소 배기에 삽입되고, 측정은 화학 종의 농도를 평가하기 위해 수행된다. 실험 기술의 적용은 소규모 발전 분야에서 공통되고있다. 몇 가지 예는 단일 챔버의 SOFC 7,9 및 DFFCs 10 ~ 15 작동하기 위해 개발 된 마이크로 연소기를 포함한다. 연소 배기 가스의 분석은 상이한 온도, 유량 및 당량비를 포함한 다양한 작동 조건 하에서 발생한다.
DFFC 연구, 연료와 산화제의 영역에서 완전 연소를 보장 주위에 열린 버너, 부분적으로 혼합 또는 비 혼합 할 수 있습니다. 화염 조성물을 분석 할 필요 더불어, MS는 DFFC 연구 연소 분석 (16) 대부분의 경우에 사용 된. FFC의 최근 발전은 연료의 완전 산화를 방지하도록 부분적으로 밀폐 된 환경에서 예 혼합 버너의 연소에 의존하여 다르다. 그 결과, 공기 누출이없는 제어 된 환경에서, 연소 배기 가스의 분석이 필요하다. 이러한 목적을 위해 개발 된 기술은 다양한 실험 당량비에서 연소 배기의 GC 분석으로 마이크로 연소기 연구에 사용 된 이전의 기술에 의존한다. GC 분석의 결과,이 연소 배기 조성물의 특성 리드 (즉, CO (2)을 포함하여 각 배기 성분의 체적 %, H 2 O, N 2 등)이 분석에 의해 측정 된 비율에 따라 별도의 가스의 혼합을 허용 GC는 미래 FFC 연구를위한 모델 연료가 풍부한 연소 배기를 만들 수 있습니다.
연료가 풍부한 연소 배기 분석 모델의 연료가 풍부한 연소 배기를 개발 및 적용을위한 프로토콜SOFC 테스트를위한 배기를 보내고은이 논문에서 설정됩니다. 일반적인 문제 및 제한 사항이 기술에 대해 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기서 설명하는 프로토콜은 이전의 연소 특성 연구와 연료 전지 시험 간의 중요한 브리지이다. 개질 연료 및 연료 전지 테스트 연소 사용 DFFC 셋업 10-15에 수년간 적용되었다. 그러나 DFFCs에서 연소 과정의 특성이 염 조성물 (16)의 원위치 특성화 주로 우려 MS 및 8을 사용한다. DFFC가 주위에 개방 된 바와 같이, 배기 조성물은 주로 물 및 CO (2) 및 배기 특성이 ?…
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 |
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