Forbrenning Karakterisering og Modell Fuel Development for Micro-rørformede Flame-assistert Brenselceller

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

Faststoffoksidbrenselcelle (SOFC) nyvinninger er rapportert i de siste årene etter hvert som teknologien fortsetter å utvikle seg. Blant de mange fordeler, har SOFCs blitt kjent for høy drivstoffeffektivitet, lave utslipp og moderat drivstoff fleksibilitet i forhold til andre forbrennings basert kraftproduksjon teknikker ^1. Videre SOFC er skalerbar slik at for høy drivstoffeffektivitet selv på små skalaer. Dessverre har begrensningene i nåværende hydrogeninfrastruktur skapt et behov for brenselreformersystemer som ofte er ineffektive. En ny utvikling er mikro-rørformet flamme-assistert brenselcelle (mT-FFC) rapporterte i forfatterens tidligere arbeid ^2. MT-FFC er det første eksempelet på en flamme-assistert brenselcelle (FFC) som bygger på fordelene ved den opprinnelige direkte flamme brenselcelle (DFFC), som gir varmeutvikling og drivstoff reformere via forbrenning ^tre. Den DFFC oppsettet plasserer en SOFC i direkte kontakt med en flamme åpent til det omgivende envirtes. Flammen delvis oksyderer tyngre hydrokarbonbrennstoffer for å skape H ₂ og CO, som kan anvendes direkte i SOFC med mindre fare for karbonkoksdannelse sammenlignet med ren metan eller andre tyngre hydrokarboner. I tillegg gir den flammen den termiske energi som er nødvendig for å bringe den SOFC til dens driftstemperatur. En nylig endring i den opprinnelige DFFC inntraff ved å bevege SOFC ut av flammeområde og kanalisere forbrenningen eksos til SOFC for å skape den FFC ^2. I motsetning til DFFC, skjer forbrenningen i et delvis lukket kammer (i stedet for den omgivende), slik at drivstoffet til luftforholdet kan reguleres og eksos kan mates direkte til brenselcellen uten fullstendig forbrenning oppstår. FFC- har flere fordeler, inkludert høy drivstoffutnyttelse og høy elektrisk virkningsgrad sammenlignet med DFFCs ^to.

Som en voksende forskningsområde, eksperimentelle teknikker er nødvendig som kan vurdere potensialet i mT-FFCs for fremtidige kraftproduksjon applikasjoner. Disse teknikkene krever analyse av partiell oksidasjon, eller brennstoff-rik forbrenning, og eksos som har blitt identifisert som en måte å generere _H2 og CO, også kjent som syntesegass, sammen med _CO2 og _H2O Syntesegassen kan brukes direkte i brenselceller for kraftproduksjon. Analysen av brennstoffrike forbrennings eksos blitt vel etablert i de senere år og har vært utført teoretisk ^4, beregningsmessig og eksperimentelt ^{5,6 7} til mange forskjellige formål. Mange av de teoretiske og beregnings studier har støttet seg på kjemisk likevekt analyse (CEA) for å vurdere forbrenningsprodukt arter som er energisk gunstig, og kjemiske kinetiske modeller for reaksjonsmekanismer. Selv om disse metodene har vært veldig nyttig, har mange nye teknologier som grunnlag eksperimentelle teknikker under forskning og utvikling. Eksperimentelle teknikker vanligvis stole på analysis av forbrenningseksos enten ved hjelp av en gasskromatograf (GC) ⁷ eller et massespektrometer (MS) ^8. Enten GC linje / sprøyte eller MS sonde settes inn i forbrenningseksos og målinger utføres for å vurdere den art konsentrasjon. Anvendelse av de eksperimentelle teknikker har vært vanlig i området av småskala kraftproduksjon. Noen eksempler er mikro brennerne som er utviklet for å fungere med enkeltkammer SOFCs ^7,9 og DFFCs ^10-15. Analysen av forbrenningseksos skjer under et bredt område av driftsbetingelser, inkludert forskjellige temperaturer, strømningshastigheter og ekvivalens-forhold.

I området av DFFC forskning, brensel og oksidant kan være delvis forblandet eller ikke-forhåndsblandet, med brenneren åpen til den omgivende som sikrer en fullstendig forbrenning. Med et behov for å analysere flamme sammensetning, har en MS vært brukt i mange tilfeller for DFFC forskning og forbrenning analyse ¹⁶. Den nyere utvikling av funksjonskoden er forskjellig ved å stole på forblandet forbrenning med brenneren i en delvis lukket miljø for å hindre fullstendig oksydasjon av brennstoffet. Som et resultat, er nødvendig for analyse av forbrenningseksos i et kontrollert miljø fritt for luftlekkasje. Eksperimentelle metoder som er utviklet for dette formål er avhengige av de tidligere teknikker som brukes for mikroforbrenningskammeret forskning med GC-analyse av forbrenningseksos ved varierende ekvivalens forhold. GC-analyse fører til karakterisering av forbrenningseksos sammensetning (dvs. volumprosenten av hver bestanddel eksos inkludert _{CO2, H2O, N2,} etc.) Denne analysen gjør det mulig for blanding av forskjellige gasser i henhold til de forhold som målt ved GC for å lage en modell drivstoff-rikt forbrenning eksos for fremtidig FFC forskning.

Protokollene for analyse av drivstoff-rikt forbrenning eksos, utvikle en modell drivstoff-rikt forbrenning eksos og anvendeing eksos for SOFC testing er etablert i dette papiret. Felles utfordringer og begrensninger som er omtalt for disse teknikkene.

Protocol

1. Forbrennings Beregninger Velg drivstoff for analyse. Her kan du velge metan som referanse drivstoff, men prinsippene er overførbare til andre hydrokarbon drivstoff. Med 1 mol metan som brensel, balanse ligning (1) for støkiometrisk forbrenning for å få ligning (2). Beregn brennstoff-luft-forholdet for støkiometrisk (F / A støkiometris…

Representative Results

Forbrenningskammeret karakterisering bør kontrolleres før testing ved de ønskede ekvivalens-forhold for tilbakestrømning av luft inn i kammeret, eller andre luftlekkasje under testing. Forbrenningsprosesser i åpne kammere er kjent for å være nesten isobar. Som et resultat, kan trykket inne i forbrenningskammeret ikke være nok til å sikre at ingen luft fra det ytre miljø er tilbake-strømmer inn i forbrenningskammeret fra kammeret eksosporten eller andre lekkasjepunkter. Det er …

Discussion

Protokollen diskutert her er en viktig bro mellom tidligere forbrenning karakterisering forskning og brenselcelle testing. Bruk av forbrennings for drivstoff reformere og brenselcelle testing har blitt brukt i flere år i DFFC oppsett ^10-15. Imidlertid, er karakteriseringen av forbrenningsprosessen i DFFCs primært opptatt med in-situ karakterisering av de flamme preparatet ¹⁶ og bruker en ^MS-8. Ettersom DFFC er åpent for det omgivende, eksos sammensetningen består hovedsakeli…

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