Горение Характеристика и модель развития топлива для микро-трубчатые пламени при содействии топливных элементов
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
ТОТЭ (SOFC) инновации были зарегистрированы в последние годы, поскольку технология продолжает развиваться. Среди многих преимуществ, ТОТЭ стали известны высокой топливной эффективностью, низким уровнем выбросов и умеренной гибкости топлива по сравнению с другими методами сгорания на основе выработки электроэнергии 1. Кроме того, SOFCs масштабируемы позволяет высокой топливной эффективностью даже при малых масштабах. К сожалению, ограничения в существующей инфраструктуре водородной создали необходимость риформинга топлива систем, которые часто бывают неэффективными. Недавнее развитие микро-трубчатой пламени при содействии топливных элементах (Mt-ФФС) сообщили в авторской предыдущей работе 2. МТл-ФФС является первым примером пламени при содействии топливного элемента (FFC) , которая основывается на преимуществах первоначального прямого пламени топливного элемента (DFFC), которая обеспечивает генерацию тепла и риформинга топлива через 3 сгорания. Установка DFFC помещает ТОТЭ в непосредственном контакте с пламенем открытой для окружающей среды Environment. Пламя частично окисляет более тяжелых углеводородных топлив для создания Н 2 и СО, которые могут быть использованы непосредственно в ТОТЭ с меньшим потенциалом углерода коксования по сравнению с чистым метаном или других тяжелых углеводородов. Кроме того, пламя обеспечивает тепловую энергию, необходимую для приведения ТОТЭ до рабочей температуры. Недавнее изменение к первоначальному DFFC произошло путем перемещения ТОТЭ из зоны пламени и направления дымового на ТОТЭ для создания ФФС 2. В отличие от DFFC, происходит сгорание в частично закрытой камере (вместо температуры окружающей среды), так что топливо соотношение воздуха к можно контролировать и выхлопные газы могут быть непосредственно подается в топливный элемент, не происходит полное сгорание. FFCS имеют дополнительные преимущества , в том числе высокий коэффициент использования топлива и высокой электрической эффективностью по сравнению с DFFCs 2.
В качестве новой области исследований, необходимы экспериментальные методы, которые могут оценить потенциал Mt-FFCs для будущих применений выработки электроэнергии. Эти методы требуют анализа частичного окисления, или обогащенного топливом сгорания и выхлопа , которое было идентифицировано как способ генерации Н 2 и СО, также известный как синтез – газ, наряду с СО 2 и H 2 O. Синтез-газ может быть использован непосредственно в топливных элементах для производства электроэнергии. Анализ топлива богатых выхлопных газов сгорания , хорошо установлено в последние годы , и было проведено теоретически 4, в вычислительном отношении 5,6 и экспериментально 7 для различных целей. Многие из теоретических и расчетных исследований опирались на химическое равновесие анализа (CEA) для оценки видов продуктов сгорания, которые являются энергетически выгодным, а также химические кинетические модели механизмов реакции. Хотя эти методы были очень полезны, многие новые технологии полагались на экспериментальных методов в ходе исследований и разработок. Экспериментальные методы, как правило, полагаются на анализис выхлопе сгорания с использованием либо газовый хроматограф (ГХ) 7 или масс – спектрометр (MS) , 8. Либо ГХ линия / шприц или зонд МС вставляется в выхлоп сгорания и измерения проводятся с целью оценки концентрации видов. Применение экспериментальных методов было распространено в области малого масштаба производства электроэнергии. Некоторые примеры включают микро камеры сгорания , которые были разработаны для работы с однокамерных ТОТЭ и 7,9 DFFCs 10-15. Анализ выхлопных газов сгорания происходит в широком диапазоне условий эксплуатации, включая различных температур, скоростей потока и коэффициентов эквивалентности.
В области DFFC исследований, топлива и окислителя может быть частично предварительно перемешанной смеси или не с предварительным смешиванием, с горелкой, открытой для окружающей среды, что обеспечивает полное сгорание. При необходимости анализа состава пламени, МС используется во многих случаях для DFFC исследований и анализа сгорания 16, Более поздние развитие ФФС отличается, опираясь на предварительно перемешанной сгорания с горелкой в частично замкнутом пространстве, чтобы предотвратить полное окисление топлива. В результате анализа выхлопных газов сгорания в контролируемой среде, свободной от утечки воздуха необходим. Экспериментальные методы, разработанные для этой цели опираются на более ранние методы, используемые для исследования микро камеры сгорания с ГХ анализа выхлопных газов сгорания при различных соотношениях эквивалентности. ГХ – анализ приводит к характеристике дымовом состава (т.е. объемный процент каждого компонента выхлопного включая СО 2, Н 2 О, N 2, и т.д.) Этот анализ позволяет смешивание отдельных газов в соответствии с коэффициентами , измеренными GC создать модель топлива богатых выхлопных газов сгорания для будущих исследований FFC.
Протоколы для анализа топлива богатых выхлопных газов сгорания, разработка модели топлива богатых выхлопных газов сгорания и применятьИНГ выхлопные газы для тестирования ТОТЭ устанавливаются в этой статье. Общие проблемы и ограничения обсуждаются для этих методов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол обсуждается здесь является важным связующим звеном между предыдущими исследованиями определения характеристик горения и испытания топливных элементов. Использование сгорания для риформинга топлива и испытаний топливных элементов был применен в течение нескольких лет в DFF…
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).
