yanma Karakterizasyonu ve Model Yakıt Kalkınma Micro-tübüler Alev destekli Yakıt Hücreleri
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
teknoloji geliştirmeye devam ettikçe katı oksit yakıt hücresi (SOFC) yenilikler son yıllarda bildirilmiştir. Birçok avantajları arasında, SOFC diğer yanma tabanlı enerji üretim teknikleri 1 ile karşılaştırıldığında yüksek yakıt verimliliği, düşük emisyon ve orta yakıt esnekliği için bilinen haline gelmiştir. Ayrıca, SOFC hatta küçük ölçeklerde yüksek yakıt verimliliği sağlayan büyütülebilir. Ne yazık ki, mevcut hidrojen altyapısı sınırlamalar genellikle verimsiz yakıt reform sistemleri için bir ihtiyaç yaratmıştır. Son zamanlarda gelişme mikro tübüler alev destekli yakıt hücresi (mT-FFC) yazarın daha önceki çalışmaları 2 olduğu bildirilmiştir. MT-FFC yanma 3 aracılığıyla reform ısı üretimine ve yakıt sağlar orijinal doğrudan alev yakıt hücresi (DFFC), faydaları üzerine inşa alev destekli yakıt hücresi (FFC) ilk örneğidir. DFFC ayar çevre Envir açık bir alev ile doğrudan temas halinde olan bir SOFC yerleştirironment. Alev kısmen saf metan veya diğer daha ağır hidrokarbon göre C-koklaştırma için daha az potansiyele sahip SOFC doğrudan kullanılabilir H2 ve CO oluşturmak için daha ağır hidrokarbon yakıtların okside eder. Buna ek olarak alev kendi çalışma sıcaklığına SOFC getirmek için gerekli ısı enerji sağlar. Orijinal DFFC için yeni bir değişiklik alev bölge dışına SOFC hareketli ve FFC 2 oluşturmak için SOFC yanma egzoz kanalize ederek meydana geldi. DFFC farklı olarak, yanma (yerine ortam içinde) kısmen kapalı bir oda içinde, hava oranı, yakıt kontrol edilebilir ve egzoz doğrudan tam yanma meydana gelmeden yakıt hücresine beslenebilir ortaya çıkar. FFCs yüksek yakıt kullanımı ve DFFCs 2 ile karşılaştırıldığında yüksek elektriksel verimlilik gibi ek avantajları var.
Araştırma gelişmekte olan bir alanda olduğu gibi, gerekli deneysel teknikler mT-FF potansiyelini değerlendirmek olduğunuGelecekteki enerji üretim uygulamaları için Cs. Bu teknikler, CO2 ve H2O ile birlikte, kısmi oksidasyon ya da yakıt bakımından zengin yanma ve ayrıca sentez gazı olarak da bilinen H2 ve CO, üretilmesi için bir yol olarak tanımlanmıştır egzoz analizini gerektirir Sentez gazı, enerji üretimi için yakıt hücrelerinde doğrudan kullanılabilir. Yakıt zengin yanma egzoz analizi de son yıllarda kurulmuştur ve çok farklı amaçlar için teorik olarak 4, hesaplama 5,6 ve deneysel 7 yürütülmektedir. Teorik ve sayısal çalışmaların çoğu reaksiyon mekanizmaları için yanma ürünü enerjik elverişli türler ve kimyasal kinetik modelleri değerlendirmek için kimyasal denge analizi (CEA) yararlanmıştır. bu yöntemler çok yararlı olabilirdi, birçok gelişmekte olan teknolojiler araştırma ve geliştirme sırasında deneysel teknikler üzerine yararlanmıştır. Deneysel teknikler genellikle Ana güveniyorkullanmak suretiyle yanma egzoz parçalama ya da bir gaz kromatograf (GC) 7 ya da kütle spektrometresi (MS), 8. GC hattı / şırınga veya MS prob Ya yanma egzoz sokulur ve ölçümler türlerin konsantrasyonunun değerlendirmek için alınır. Deneysel tekniklerin uygulanması küçük ölçekli elektrik üretimi alanında yaygın olmuştur. Bazı örnekler tek odacık SOFC 7,9 ve DFFCs 10-15 ile çalışmak üzere geliştirilmiş olan mikro yakma cihazlarım içerir. Yanma egzoz analizi, farklı sıcaklıklarda, akış oranları ve ekivalan oranlarında içeren çalışma koşulları geniş altında oluşur.
DFFC araştırma, yakıt ve oksidanın alanında tam yanma sağlar ortam açık brülör kısmen önceden karıştırılmış ya da olmayan önceden karıştırılmış olabilir. Alev kompozisyon analiz etmek için ihtiyacı olan bir MS DFFC araştırma ve yanma analizleri 16 pek çok durumda kullanılmaktadır. FFC en son gelişmeler yakıtın toplam oksidasyonunu engellemek için kısmen kapalı bir ortamda brülör ile önceden karıştırılmış yanma dayanarak değişmektedir. Bunun bir sonucu olarak, hava kaçağı arındırılmış kontrollü bir ortamda yanma egzoz analizi gereklidir. Bu amaçla geliştirilen deneysel teknikler değişen denklik oranlarda yanma egzoz GC analizi ile mikro yakıcı araştırma için kullanılan önceki tekniklere dayanmaktadır. GC analizi, yanma egzoz bileşimin özelliklerinin neden olur (yani, CO2 dahil olmak üzere her çıkış bileşenin hacim yüzdesi, H2 O, N 2, vs.) Bu analiz ile ölçülen oranına göre farklı gazların karıştırma sağlar GC gelecek FFC araştırma için bir model yakıt bakımından zengin yanma egzoz oluşturun.
Yakıt açısından zengin yanma egzoz analiz model yakıt bakımından zengin yanma egzoz geliştirilmesi ve uygulamak için protokollerSOFC test için egzoz ing Bu yazıda kurulmuştur. Ortak zorluklar ve sınırlamalar bu teknikler için tartışılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada tartışılan protokol önceki yanma karakterizasyonu araştırma ve yakıt hücresi test arasında önemli bir köprüdür. Reformasyon yakıt ve yakıt hücresi testleri için yanma kullanımı DFFC kurulumları 10-15 birkaç yıldır uygulanmıştır. Bununla birlikte, DFFCs yanma işleminin karakterizasyonu alev bileşimin 16 yerinde karakterizasyonu ile ilgilidir ve bir MS 8 kullanır. DFFC ortama açık olduğu gibi, egzoz kompozisyonu çoğunlukla su ve CO 2</…
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).
