Combustione Caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari Celle a combustibile fiamma assistita
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
Solido celle a combustibile ossido (SOFC) innovazioni sono stati segnalati negli ultimi anni come la tecnologia continua a svilupparsi. Tra i numerosi vantaggi, SOFC sono diventati noti per l'efficienza del carburante alta, basse emissioni e flessibilità ridotto di carburante rispetto ad altre tecniche di produzione di energia di combustione basato 1. Inoltre, SOFC scalabili garantendo la massima efficienza del carburante anche a piccole scale. Purtroppo, le limitazioni in infrastrutture per l'idrogeno corrente hanno creato la necessità di sistemi di alimentazione riforma che spesso sono inefficienti. Un recente sviluppo è il micro-tubolare celle a combustibile fiamma assistita (MT-FFC) ha riportato nel precedente lavoro dell'autore 2. La MT-FFC è il primo esempio di una cella a combustibile fiamma assistita (FFC), che si basa sui benefici della cella a combustibile fiamma diretta originale (DFFC), che fornisce la generazione di calore e combustibile riforma tramite combustione 3. La configurazione DFFC pone un SOFC a diretto contatto con una fiamma aperta al envir ambientebiente. La fiamma ossida parzialmente idrocarburi più pesanti per creare H 2 e CO, che può essere utilizzato direttamente nel SOFC con minore potenziale di coking carbonica rispetto al puro metano o altri idrocarburi più pesanti. Inoltre, la fiamma fornisce l'energia termica necessaria per portare il SOFC alla sua temperatura di esercizio. Una recente modifica all'originale DFFC verificato spostando il SOFC fuori dalla regione di fiamma e canalizzare lo scarico di combustione al SOFC per creare il FFC 2. A differenza del DFFC, la combustione avviene in una camera parzialmente chiuso (anziché l'ambiente) in modo che il rapporto tra carburante e aria può essere controllato e scarico può essere direttamente alimentato alla cella a combustibile senza combustione completa verificano. FFC hanno vantaggi aggiuntivi, tra cui l'utilizzo di carburante e ad alto rendimento elettrico rispetto a DFFCs 2.
Come un settore emergente della ricerca, tecniche sperimentali sono necessari in grado di valutare il potenziale di mt-FFCs per le future applicazioni di generazione di energia. Queste tecniche richiedono un'analisi di ossidazione parziale, o la combustione ricca di combustibile e il gas di scarico che è stato identificato come un modo di generare H 2 e CO, noto anche come syngas, insieme con CO 2 e H 2 O. Il syngas possono essere utilizzati direttamente nelle celle a combustibile per la produzione di energia. L'analisi dei gas di scarico di combustione ricchi di combustibile è stato ben definito negli ultimi anni ed è stata effettuata teoricamente 4, computazionalmente 5,6 e sperimentalmente 7 per vari scopi diversi. Molti degli studi teorici e computazionali hanno fatto affidamento su analisi equilibrio chimico (CEA) per valutare le specie di prodotti di combustione che sono energeticamente favorevole, e modelli cinetici chimici per meccanismi di reazione. Mentre questi metodi sono stati molto utili, molte tecnologie emergenti hanno fatto affidamento sulla tecniche sperimentali durante la ricerca e sviluppo. Tecniche sperimentali in genere si basano su analisi del gas di scarico di combustione utilizzando un gascromatografo (GC) 7 o uno spettrometro di massa (MS) 8. O il GC linea / siringa o la sonda MS viene inserito nello scarico di combustione e le misurazioni vengono effettuate per valutare la concentrazione di specie. L'applicazione delle tecniche sperimentali è stato comune nel settore della produzione di energia su piccola scala. Alcuni esempi includono combustori micro che sono stati sviluppati per operare con singoli SOFC camera 7,9 e DFFCs 10-15. L'analisi del gas di scarico di combustione avviene in un'ampia gamma di condizioni operative comprese diverse temperature, portate e rapporti di equivalenza.
Nel campo della ricerca DFFC, combustibile ed ossidante può essere parzialmente premiscelato o non premiscelata, con il bruciatore aperta verso l'ambiente che garantisce la combustione completa. Con la necessità di analizzare la composizione di fiamma, un MS è stato utilizzato in molti casi per DFFC ricerca e combustione analisi 16. Il recente sviluppo più del FFC differisce basandosi sulla combustione premiscelata con il bruciatore in un ambiente parzialmente chiuso per impedire l'ossidazione completa del combustibile. Di conseguenza, è necessaria l'analisi del gas di scarico di combustione in un ambiente controllato privo di perdite d'aria. Tecniche sperimentali sviluppati per questo scopo si basano sulle tecniche precedenti utilizzati per la ricerca di combustione micro con l'analisi GC dei gas di scarico di combustione a diversi rapporti di equivalenza. L'analisi GC porta alla caratterizzazione della composizione di scarico di combustione (cioè la percentuale in volume di ciascun componente dello scarico compreso CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Questa analisi consente per la miscelazione di gas separati secondo i rapporti misurati dal GC per creare uno scarico di combustione ricca di carburante del modello per la futura ricerca FFC.
I protocolli per l'analisi esausti di combustione ricchi di combustibile, sviluppando un modello ricco di combustibile scarico della combustione e applicazione lo scarico per il test SOFC sono stabiliti in questo documento. le sfide comuni e le limitazioni sono discussi in queste tecniche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo discusso qui è un importante ponte tra la ricerca precedente caratterizzazione di combustione e la sperimentazione di celle a combustibile. L'uso di combustione per il carburante riforma e il test delle celle a combustibile è stata applicata da diversi anni in DFFC configurazioni 10-15. Tuttavia, la caratterizzazione del processo di combustione in DFFCs riguarda principalmente caratterizzazione in-situ della composizione di fiamma 16 e utilizza un MS 8. Poich…
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).
