マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発
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
技術が発展し続けている固体酸化物形燃料電池（SOFC）の技術革新は、近年報告されています。多くの利点の中で、SOFCのは、他の燃焼ベースの発電技術1に比べて低燃費、低排出ガスと適度な燃料柔軟性のために知られるようになりました。また、SOFCのは、小さなスケールで高い燃料効率を可能にするスケーラブルです。残念ながら、現在の水素インフラの制限は、多くの場合、非効率的である燃料改質システムの必要性を作成しました。最近の開発は、著者の前作2で報告されたマイクロ管状火炎補助燃料電池（MT-FFC）です。 MT-FFC燃焼3を介して改質発熱及び燃料を提供し、元の直接火炎型燃料電池（DFFC）の利点に基づいて構築火炎補助燃料電池（FFC）の最初の例です。 DFFCのセットアップは、周囲ENVIRに開放炎と直接接触してSOFCを配置しますonment。火炎は、部分的に純粋なメタンまたは他の重質炭化水素に比べて炭素コークス化にはあまり可能性を有するSOFCに直接使用することができるH 2およびCOを生成するために、より重い炭化水素燃料を酸化します。また、火炎がその動作温度にSOFCをもたらすために必要な熱エネルギーを提供します。元DFFCへの最近の変更は、火炎領域のうち、SOFCを移動し、FFC 2を作成するために、SOFCに燃焼排気をチャネリングすることによって発生しました。空気比に対して燃料を制御することができ、排気が直接完全燃焼が発生することなく、燃料電池に供給することができるようにDFFC異なり、燃焼が（代わりに、周囲の）部分的に囲まれたチャンバー内で起こります。 FFCはDFFCs 2と比較して高い燃料利用率と高い電気効率などの追加の利点を有しています。
研究の新興分野としては、必要とされている実験技術MT-FFの可能性を評価することができ将来の発電用途のためにCS。これらの技術は、CO 2とH 2 Oと一緒に、部分酸化、又は燃料リッチ燃焼、及びまた合成ガスとして知られているH 2およびCOを生成する方法として同定された排気ガスの分析を必要とします合成ガスは、発電用燃料電池に直接使用することができます。燃料リッチ燃焼排ガスの分析はよく近年確立され、多くの異なる目的のために、理論的に4、計算5,6及び実験7行われています。理論および計算の研究の多くは、反応機構のための燃焼生成物のエネルギー的に有利な種、および反応速度論モデルを評価するために、化学平衡分析（CEA）に依存していました。これらのメソッドは非常に有用であったが、多くの新興技術が研究開発中に実験技術に依存してきました。実験技術は、典型的には、アナに依存しますガスクロマトグラフ（GC）7または質量分析計（MS）のいずれかを使用して燃焼排ガスの溶解8。 GC線/注射器またはMSプローブのいずれかは、燃焼排ガス中に挿入され、測定値は、種の濃度を評価するために取られます。実験技術の適用は、小規模発電の分野で一般的でした。いくつかの例は、シングルチャンバ型SOFC 7,9及びDFFCs 10~15で動作するように開発されてきたマイクロ燃焼器を含みます。燃焼排ガスの分析は、異なる温度、流量および当量比を含む広範囲の動作条件の下で起こります。
DFFC研究の分野では、燃料と酸化剤は、完全燃焼を確実に周囲に開放バーナーで、部分的に予混合または非予混合することができます。火炎の組成を分析する必要性と、MSはDFFC研究および燃焼分析16のために多くの例で使用されています。 FFCのより最近の開発は、燃料の完全酸化を防止するために、部分的に囲まれた環境でバーナーで予混合燃焼に頼ることによって異なります。その結果、空気漏れのない制御された環境での燃焼排ガスの分析が必要とされています。この目的のために開発された実験技術は、様々な当量比での燃焼排気のGC分析とマイクロ燃焼器の研究のために使用される以前の技術に依存しています。 GC分析は、燃焼排ガス組成物の特性をもたらす（ すなわち 、CO 2を含む各排気成分の体積％、H 2 O、N 2 等 ）この分析は、によって測定比に従って別個のガスの混合を可能にしますGCは将来のFFCの研究のためのモデル燃料リッチ燃焼排気を作成します。
、燃料リッチ燃焼排ガスを分析するモデルの燃料リッチ燃焼排気を開発し、適用するためのプロトコルSOFCのテストのために排気をるが、本論文で確立されています。共通の課題と制限は、これらの技術のために議論されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明するプロトコルは、前回の燃焼特性評価の研究と燃料電池試験の間の重要な橋です。燃料改質燃料電池試験用の燃焼の使用はDFFCセットアップ10-15に数年間適用されています。しかし、DFFCsにおける燃焼プロセスの特性は、火炎組成物16 のその場キャラクタリゼーションと主に関係しているとMS 8を使用しています。 DFFCが周囲に開放されている…
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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