Caracterización y la combustión de combustible Modelo de Desarrollo para la Micro-tubulares de llama con ayuda de Pilas de Combustible

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

Sólido de pilas de combustible de óxido (SOFC) innovaciones se han reportado en los últimos años como la tecnología sigue desarrollándose. Entre las muchas ventajas, las SOFC han dado a conocer por alta eficiencia de combustible, bajas emisiones y flexibilidad de combustible moderado en comparación con otras técnicas de generación de energía a base de combustión ^1. Por otra parte, las SOFC son escalables lo que permite una alta eficiencia de combustible, incluso a pequeñas escalas. Por desgracia, las limitaciones en la infraestructura de hidrógeno actual han creado la necesidad de reformar los sistemas de combustible que son a menudo ineficaces. Un desarrollo reciente es el micro-tubo de llama con ayuda de pila de combustible (MT-FFC) informó que en trabajos anteriores del autor ^2. El MT-FFC es el primer ejemplo de una pila de combustible de la llama asistida (FFC) que se basa en los beneficios de la pila de combustible de llama directa de la original (DFFC), que proporciona la generación de calor y combustible a través de la reforma de combustión ^3. La configuración DFFC coloca una SOFC en contacto directo con una llama abierta al medio amb ambientalAMBIENTE. La llama se oxida parcialmente los combustibles de hidrocarburos más pesados para crear H ₂ y CO, que puede ser utilizado directamente en la SOFC con menos potencial para la coquización de carbono en comparación con el metano puro o de otros hidrocarburos más pesados. Además, la llama proporciona la energía térmica necesaria para llevar la SOFC a su temperatura de funcionamiento. Un cambio reciente a la DFFC original, se produjo moviendo el SOFC fuera de la región de la llama y la canalización de los gases de escape de combustión a la SOFC para crear el FFC ^2. A diferencia de la DFFC, la combustión se produce en una cámara de parcialmente cerrado (en lugar de la temperatura ambiente) de modo que la relación de combustible a aire puede ser controlada y el tubo de escape puede ser alimentado directamente a la pila de combustible sin que se produzca la combustión completa. FFC tienen ventajas adicionales, incluyendo una alta utilización de combustible y alto rendimiento eléctrico en comparación con DFFCs ^2.

Como un área emergente de la investigación, se necesitan técnicas experimentales que pueden evaluar el potencial de MT-FFCs para futuras aplicaciones de generación de energía. Estas técnicas requieren análisis de oxidación parcial, o la combustión rica en combustible, y los gases de escape que ha sido identificada como una manera de generar H ₂ y CO, también conocido como gas de síntesis, junto con CO ₂ y H ₂ O. El gas de síntesis se pueden utilizar directamente en las células de combustible para la generación de energía. El análisis de combustión de escape rico en combustible ha sido bien establecida en los últimos años y se ha llevado a cabo teóricamente ^4, computacionalmente ^5,6 y experimentalmente ⁷ para muchos propósitos diferentes. Muchos de los estudios teóricos y computacionales se han basado en el análisis del equilibrio químico (CEA) para evaluar las especies de productos de combustión que son energéticamente favorable, y los modelos de cinética química de los mecanismos de reacción. Si bien estos métodos han sido muy útiles, muchas tecnologías emergentes se han basado en técnicas experimentales durante la investigación y el desarrollo. Las técnicas experimentales normalmente se basan en anala lisis de la combustión de escape utilizando un cromatógrafo de gases (GC) ⁷ o un espectrómetro de masas (MS) ^8. O bien el GC línea / jeringa o la sonda de MS se inserta en el tubo de escape de combustión y se toman mediciones para evaluar la concentración de especies. La aplicación de las técnicas experimentales ha sido común en el ámbito de la generación de energía a pequeña escala. Algunos ejemplos incluyen micro cámaras de combustión que han sido desarrollados para funcionar con SOFC cámara única y ^7,9 DFFCs ^10-15. El análisis de los gases de escape de combustión se produce en una amplia gama de condiciones de funcionamiento incluyendo diferentes temperaturas, caudales y relaciones de equivalencia.

En el área de investigación DFFC, combustible y el oxidante puede ser parcialmente premezclada o no premezclada, con el quemador abierto al ambiente que asegura la combustión completa. Con la necesidad de analizar la composición de la llama, una MS se ha utilizado en muchos casos para la investigación y el análisis de combustión DFFC ¹⁶. El desarrollo más reciente del FFC difiere apoyándose en combustión premezclada con el quemador en un entorno parcialmente cerrado para evitar la oxidación completa del combustible. Como resultado, se necesita un análisis de los gases de escape de combustión en un entorno controlado libre de fugas de aire. técnicas experimentales desarrolladas para este fin se basan en las técnicas anteriores utilizadas para la investigación micro cámara de combustión con el análisis de GC de los gases de escape de combustión a diferentes relaciones de equivalencia. El análisis de GC conduce a la caracterización de la composición de combustión de escape (es decir, el porcentaje en volumen de cada componente de escape incluyendo CO _2, H ₂ O, N _2, etc.) Este análisis permite para la mezcla de los gases separados de acuerdo con las relaciones de medidas por el GC para crear una rica en combustible de escape de combustión modelo para futuras investigaciones FFC.

Los protocolos para el análisis de escape de la combustión rica en combustible, el desarrollo de un modelo rico en combustible de escape de combustión y aplicaring los gases de escape para las pruebas de SOFC se establecen en este documento. retos y limitaciones comunes se discuten para estas técnicas.

Protocol

1. Cálculos de Combustión Seleccione el combustible para su análisis. A continuación, elija el metano como combustible de referencia, pero los principios son transferibles a otros combustibles de hidrocarburos. Con 1 mol de metano como combustible, ecuación de balance (1) para la combustión estequiométrica para obtener la ecuación (2). …

Representative Results

La cámara de combustión caracterización debe ser revisado antes de las pruebas en las relaciones de equivalencia deseados para el reflujo de aire en la cámara u otra fuga de aire durante la prueba. Los procesos de combustión en las cámaras abiertas son conocidos por ser casi isobárico. Como resultado, la presión dentro de la cámara de combustión no puede ser suficiente para asegurar que no hay aire desde el entorno externo es back-que fluye en la cámara de combustión desde el…

Discussion

El protocolo descrito aquí es un puente importante entre la investigación anterior caracterización de combustión y las pruebas de células de combustible. El uso de la combustión de combustible para la reforma y las pruebas de pila de combustible se ha aplicado desde hace varios años en configuraciones DFFC ^10-15. Sin embargo, la caracterización del proceso de combustión en DFFCs se refiere principalmente a la caracterización in-situ de la composición de la llama ¹⁶ y utiliza una…

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