Förbrännings karakterisering och modell Fuel utveckling för Micro-rörformiga Flame-assisterad bränsleceller

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

Fastoxidbränsleceller (SOFC) innovationer har rapporterats under de senaste åren som tekniken fortsätter att utvecklas. Bland de många fördelarna har SOFCs blivit kända för hög bränsleeffektivitet, låga utsläpp och måttlig bränsleflexibilitet jämfört med andra förbränningsbaserad elproduktion tekniker ^1. Dessutom SOFCs är skalbara möjliggör hög bränsleeffektivitet även vid små skalor. Tyvärr har begränsningar i tillgänglig väteinfrastruktur skapat ett behov av bränslereformeringssystem som ofta är ineffektiva. En ny utveckling är mikro rörformiga flamma assisterad bränslecell (MT-FFC) rapporterade i författarens tidigare arbete ^2. MT-FFC är det första exemplet på en flamma assisterad bränslecell (FFC) som bygger på fördelarna med den ursprungliga öppen låga bränslecell (DFFC), som ger värme och bränsle reformering via förbränning ^3. Den DFFC inställning placerar en SOFC i direkt kontakt med en flamma öppet för omgivnings invjön. Lågan oxiderar delvis tyngre kolvätebränslen för att skapa _H2 och CO, som kan användas direkt i SOFC med mindre potential för kol koks jämfört med ren metan eller andra tyngre kolväten. Dessutom ger lågan den värmeenergi som behövs för att SOFC till dess driftstemperatur. En färsk förändring till det ursprungliga DFFC inträffade genom att flytta SOFC ur lågan regionen och kanalisera förbränningsavgasema till SOFC att skapa FFC ^2. Till skillnad från den DFFC, sker förbränningen i en delvis sluten kammare (i stället för den omgivande) så att bränslet till luftförhållandet kan kontrolleras och avgas direkt kan matas till bränslecellen utan fullständig förbränning inträffar. FFC har ytterligare fördelar, inklusive hög bränsleutnyttjande och hög elektrisk verkningsgrad jämfört med DFFCs ^2.

Som en framväxande forskningsområde, experimentella tekniker behövs som kan bedöma potentialen av mt-FFCs för framtida kraftproduktion. Dessa tekniker kräver analys av partiell oxidation, eller bränslerika förbrännings, och avgaserna som har identifierats som ett sätt att generera _H2 och CO, även känd som syntesgas, tillsammans med _CO2 och _H2O Syntesgasen kan användas direkt i bränsleceller för elproduktion. Analysen av bränslerika förbränningsavgas har väl etablerat under de senaste åren och har genomförts teoretiskt ^4, beräknings ^5,6 och experimentellt ⁷ för många olika ändamål. Många av de teoretiska och beräknings studier har förlitat sig på kemisk jämviktsanalys (CEA) att bedöma förbränningsprodukt arter som är energimässigt gynnsamma, och kinetik modeller för reaktionsmekanismer. Även om dessa metoder har varit till stor nytta, har många nya tekniker åberopas experimentella tekniker under forskning och utveckling. Experimentella tekniker förlitar sig vanligtvis på Analys av förbränningsavgasema med användning av antingen en gaskromatograf (GC) ⁷ eller en masspektrometer (MS) ^8. Antingen GC linje / spruta eller MS sonden är införd in i förbränningsavgas och mätningar görs för att utvärdera koncentrationen arter. Tillämpningen av de experimentella tekniker har varit vanligt i området av småskalig kraftproduktion. Några exempel är mikrobrännkammare som har utvecklats för att fungera med enkelkammar SOFCs ^7,9 och DFFCs ^10-15. Analysen av förbränningsavgasema sker under ett brett spektrum av driftsförhållanden, inklusive olika temperaturer, flödeshastigheter och ekvivalensförhållanden.

Inom området DFFC forskning, bränslet och oxidanten kan vara delvis förblandade eller icke-färdigblandad, med brännaren öppen till den omgivande vilket säkerställer fullständig förbränning. Med ett behov av att analysera flamman kompositionen har en MS använts i många fall för DFFC forskning och förbränningsanalys ¹⁶. Den nyare utvecklingen av FFC avviker med att förlita sig på förblandad förbränning med brännaren i en delvis sluten miljö för att förhindra fullständig oxidation av bränslet. Som ett resultat, behövs analys av förbränningsavgasema i en kontrollerad miljö fri från luftläckage. Experimentella tekniker som utvecklats för detta ändamål är beroende av de tidigare tekniker som används för mikroförbränningsforskning med GC-analys av förbränningsavgas vid varierande ekvivalensförhållanden. GC analys leder till karakterisering av förbränningsavgasema kompositionen (dvs., den volymprocent av varje avgasbeståndsdel inklusive _{CO2, H2O, N2,} etc.) Denna analys gör det möjligt för blandning av separata gaser i enlighet med de förhållanden som uppmätts av den GC för att skapa en modell bränslerika förbränningsavgas för framtida FFC forskning.

De protokoll för analys av bränslerika förbränningsavgaser, utveckla en modell bränslerik förbränningsavgasema och tillämpaing avgas för SOFC-testning är etablerade i detta dokument. Gemensamma utmaningar och begränsningar diskuteras för dessa tekniker.

Protocol

1. Förbrännings Beräkningar Välj bränsle för analys. Här väljer metan som referensbränsle, men principerna kan överföras till andra kolvätebränslen. Med 1 mol metan som bränslet, balansekvation (1) för stökiometrisk förbränning för att få ekvation (2). Beräkna bränsle-luftförhållandet för stökiometrisk (F / A stöki…

Representative Results

Förbrännings karakterisering Kammaren bör kontrolleras före testning vid de önskade ekvivalensförhållanden för back-flöde av luft in i kammaren eller andra luftläckage under testningen. Förbränningsprocesser i öppna kamrar är kända för att vara nästan isobarisk. Som ett resultat kan trycket inuti förbränningskammaren inte att vara tillräckligt för att säkerställa att ingen luft från den yttre miljön är tillbaka-strömmar in i förbränningskammaren från kammare…

Discussion

Protokollet diskuteras här är en viktig bro mellan tidigare förbrännings karakterisering forskning och bränslecellsprovning. Användningen av förbränning för bränsle reformering och bränslecell tester har använts i flera år i DFFC inställningar ^10-15. Emellertid är karakteriseringen av förbränningsprocessen i DFFCs huvudsakligen om in-situ karakterisering av lågan kompositionen ¹⁶ och använder en MS ^8. Eftersom DFFC är öppen mot den omgivande, består avgasko…

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