احتراق توصيف ونموذج التنمية وقود الصغرى أنبوبي خلايا الوقود بمساعدة لهب

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

تم الإبلاغ الصلبة أكسيد خلايا الوقود (SOFC) الابتكارات في السنوات الأخيرة، حيث لا تزال هذه التكنولوجيا لتطوير. من بين العديد من المزايا، أصبحت SOFCs المعروف لكفاءة الوقود العالية، انخفاض الانبعاثات والمرونة وقود معتدلة بالمقارنة مع غيرها من الاحتراق أساس تقنيات توليد الطاقة ^1. وعلاوة على ذلك، SOFCs قابلة للتغيير مما يسمح لكفاءة الوقود العالية حتى في المقاييس الصغيرة. للأسف، قد خلقت القيود في البنية التحتية الهيدروجين الحالية الحاجة إلى أنظمة الوقود إصلاح التي غالبا ما تكون غير فعالة. ومن التطورات الحديثة هي بمساعدة لهب خلايا الوقود الصغيرة أنبوبي (MT-FFC) ذكرت في عمل البلاغ السابق ^2. وMT-الأولى للتمويل هو المثال الأول من خلية وقود بمساعدة لهب (الأولى للتمويل) أن يبني على الفوائد من اللهب المباشر خلايا الوقود الأصلي (DFFC)، التي تنص على توليد الحرارة والوقود إصلاح عن طريق احتراق ^3. الإعداد DFFC يضع SOFC في اتصال مباشر مع اللهب المكشوف لعضو هيئة الجائزة مدير المحيطةonment. الشعلة يتأكسد جزئيا الوقود الهيدروكربوني أثقل لخلق H ₂ و CO، والتي يمكن استخدامها مباشرة في SOFC مع أقل احتمال الكوك الكربون مقارنة الميثان النقي أو غيرها من الهيدروكربونات الأثقل. وبالإضافة إلى ذلك، الشعلة يوفر الطاقة الحرارية اللازمة لتحقيق SOFC إلى درجة حرارة التشغيل. حدث التغيير الأخير إلى DFFC الأصلي عن طريق تحريك SOFC من منطقة الشعلة وتوجيه عوادم الاحتراق إلى SOFC لإنشاء FFC ^2. وخلافا للDFFC، يحدث الاحتراق في غرفة مغلقة جزئيا (بدلا من المحيط) بحيث الوقود لنسبة الهواء يمكن السيطرة عليها، والعادم ويمكن تغذية مباشرة إلى خلايا الوقود دون احتراق كامل يحدث. FFCS لها مزايا إضافية بما في ذلك استخدام وقود عالية وكفاءة الكهربائية عالية مقارنة DFFCs ^2.

كمجال الناشئة من الأبحاث، هناك حاجة إلى تقنيات التجريبية التي يمكن تقييم إمكانات MT-FFخدمات العملاء لتطبيقات توليد الطاقة في المستقبل. تتطلب هذه التقنيات تحليل الأكسدة الجزئية، أو الاحتراق الغنية الوقود والعادم والتي تم تحديدها على أنها وسيلة لتوليد H ₂ و CO، المعروف أيضا باسم الغاز المتزايد، جنبا إلى جنب مع CO ₂ و H ₂ O. الغاز الصنعي يمكن استخدامها مباشرة في خلايا الوقود لتوليد الطاقة. تحليل احتراق العادم الغنية الوقود قد تم راسخة في السنوات الأخيرة، وقد نفذت نظريا ^4، حسابيا ^5،6 وتجريبيا ⁷ لأغراض عديدة مختلفة. وقد اعتمدت العديد من الدراسات النظرية والحسابية على تحليل الاتزان الكيميائي (CEA) لتقييم الأنواع المنتج الاحتراق مواتية بقوة، والنماذج الحركية الكيميائية لآليات التفاعل. في حين أن هذه الأساليب كانت مفيدة جدا، وقد اعتمدت العديد من التكنولوجيات الناشئة على التقنيات التجريبية خلال البحث والتطوير. تعتمد تقنيات تجريبية عادة على آناتحلل من عوادم الاحتراق سواء باستخدام الكروماتوجرافي الغاز (GC) ⁷ أو مطياف الكتلة (MS) ^8. يتم إدخال إما GC خط / حقنة أو التحقيق MS في عادم الاحتراق ويتم أخذ القياسات لتقييم تركيز الأنواع. وقد تم تطبيق تقنيات تجريبية مشتركة في مجال توليد الطاقة على نطاق صغير. وتشمل بعض الأمثلة الاحتراق الصغيرة التي تم تطويرها للعمل مع SOFCs غرفة واحدة ^7،9 وDFFCs ^10-15. يحدث تحليل العادم الاحتراق تحت مجموعة واسعة من ظروف التشغيل بما في ذلك درجات حرارة مختلفة، ومعدلات التدفق ونسب التكافؤ.

في مجال DFFC البحوث والوقود والمؤكسد يمكن أن يكون الممزوجة مسبقا جزئيا أو غير الممزوجة مسبقا، مع الموقد مفتوحة إلى المحيط الذي يضمن الاحتراق الكامل. مع الحاجة إلى تحليل تكوين لهب، وقد تم استخدام MS في كثير من الحالات لDFFC البحوث والاحتراق تحليل ¹⁶. تطوير أكثر حداثة من الأولى للتمويل تختلف بالاعتماد على الاحتراق خلط مع الموقد في بيئة مغلقة جزئيا لمنع أكسدة كاملة من الوقود. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى تحليل للعادم الاحتراق في بيئة تسيطر عليها خالية من تسرب الهواء. تقنيات تجريبية وضعت لهذا الغرض تعتمد على التقنيات السابقة تستخدم للبحوث الاحتراق الجزئي مع تحليل GC للعادم الاحتراق متفاوتة في نسب التكافؤ. تحليل GC يؤدي إلى توصيف التركيب عادم الاحتراق (أي نسبة حجم كل المكونة العادم بما في ذلك CO ₂ و H ₂ O، N _2، الخ) وهذا التحليل يسمح لخلط الغازات منفصلة وفقا لنسب تقاس GC لخلق نموذج الغنية وقود العادم الاحتراق للبحوث الأولى للتمويل في المستقبل.

البروتوكولات لتحليل احتراق العادم الغنية الوقود، ووضع نموذج الغنية وقود الاحتراق العادم وتطبيقجي العادم لاختبار SOFC تقام في هذه الورقة. وتناقش التحديات والقيود مشتركة لهذه التقنيات.

Protocol

1. الحسابات الاحتراق

1. حدد الوقود لتحليلها. هنا، اختر الميثان كوقود المرجعية، ولكن المبادئ قابلة للتحويل إلى الوقود الهيدروكربوني الأخرى.
2. مع 1 مول من غاز الميثان كوقود، والتوازن المعادلة (1) للاحتراق متكافئة للحصول على المعادلة (2).
   
   
3. حساب نسبة الوقود والهواء عن القياس المتكافئ (F / A _stoich.) كما في المعادلة 3 للاحتراق الميثان بقسمة كتلة من غاز الميثان من الكتلة للهواء. لحساب والبسط هو عدد مولات مرات الميثان الكتلة المولية لغاز الميثان (16 ز · مول ^-1) والقاسم المشترك هو عدد مولات مرات الأكسجين الكتلة المولية للأكسجين (32 ز · مول ^-1)، بالإضافة إلى عدد مولات مرات النيتروجين الكتلة المولية من النيتروجين (28 ز · مول ^-1).
   
4. من أجل تختلف نسبة التكافؤ (المعادلة 4)، تختلف إما معدل تدفق الهواء، ومعدل تدفق الوقود أو كليهما في وقت واحد. عادة، وتحديد واحد من كميات وتختلف الآخر. تحديد ما إذا كان لإصلاح أي وقود أو الهواء معدل التدفق للالموقد. لهذه التجربة، وتحديد معدل تدفق الوقود بنسبة 10 لتر / دقيقة، والسماح للمعدل تدفق الهواء إلى تختلف في هذا الإعداد.
   
5. مع معدل تدفق الوقود، و، الثابتة (10 لتر / دقيقة)، F / A _{المتحمل.} حساب (0.0583)، ونظرا لتعريف نسبة التكافؤ، وحساب معدل تدفق الهواء، لذلك، لكل نسبة التكافؤ لفحصها. المعادلة (5) يوفر وسيلة مباشرة لحساب معدل تدفق الهواء في لتر / دقيقة لكل نسبة التكافؤ وأظهرت نتائج لنسبة تعادل 1 للرياضيات الكيمياء.
   
   ملاحظة: FLAMM العلياحد القدرة (أو حد الانفجار العلوي) هو أغنى نسبة التكافؤ التي يمكن نسخها دون إطفاء اللهب في حالة عدم وجود الحافز. ويمكن الحصول على نسب التكافؤ أعلى مع استخدام محفز، لكنه يوصف إلا الاحتراق غير الحفاز في هذه الورقة. الرجوع إلى الأدب لتقييم الحد القابلية للاشتعال العلوي للوقود الذي تم اختياره.

الإعداد 2. الاحتراق توصيف التجريبية

1. اختر تحكم تدفق الجماهيري تنتج الشركة لغاز الميثان والهواء على أساس معدلات التدفق التي تم الحصول عليها في الخطوة 1.5. توخي الحذر عند اختيار حجم MFC للتأكد من أن MFC لن يتم تشغيله في نهاية منخفضة من مجموعتها (<10٪ من قيمة مقياس كاملة) أثناء الاختبار. لهذه الحالة المحددة، واستخدام 40 لتر / دقيقة و 200 لتر / دقيقة الأجهزة متعددة الاستخدام للغاز الميثان والهواء، على التوالي.
2. ربط الأجهزة متعددة الاستخدام للغاز الميثان والهواء الدبابات عبر أنابيب النحاس.
3. تعيين المنظمين على غاز الميثان والهواء دبابات على الضغط المناسب لMFC كما هو محددمن قبل الشركة المصنعة. في هذه الحالة، تعيين الضغط إلى 138 كيلو باسكال (20 رطل).
4. معايرة الأجهزة متعددة الاستخدام لضمان معدلات تدفق دقيقة.
5. بناء غرفة الاحتراق. لهذه التجربة، ووضع غرفة الاحتراق 914 ملم طويلة مع قطر خروج 168 ملم.
   1. الموانئ الحفر لتحليل العادم الاحتراق ولوضع الحرارية على طول غرفة الاحتراق. يعتمد العدد الدقيق وتباعد اللازمة على حجم الشعلة وأغراض التجربة. لهذا الإعداد، الفضاء المزدوجات الحرارية 5 الأولى وضعت الأقرب إلى المنطقة احتراق 7 ملم على حدة. الفضاء النهائية 6 المزدوجات الحرارية 14 ملم على حدة. استخدام نفس تباعد لمنافذ العادم.
   2. إدراج المزدوجات الحرارية K-نوع في غرفة الاحتراق عبر فتحات الميناء. محاذاة طرف الحرارية في مركز حجرة الاحتراق. حجم الثقوب ميناء لتناسب الحرارية وختم مع الحلقات المعدنية وارتفاع درجة الحرارة والمكسرات لمنع التسرب.
6. كونيتيكتإلخ ك من نوع المزدوجات الحرارية مباشرة إلى وحدة الحصول على البيانات.
7. ربط وحدة الحصول على البيانات إلى جهاز الكمبيوتر عبر محرك الأقراص USB.
8. إرفاق صمام باتجاه واحد في مسار أنابيب النحاس مباشرة بعد MFC الوقود، وقبل أن الموقد. توجيه صمام بحيث تدفق لا يمكن إلا أن الابتعاد عن MFC. صمامات ذات اتجاه واحد هي ميزة أمان هامة لمنع فلاش الظهر.
9. تحقق من أنابيب النحاس قبل وبعد الإعداد MFC للكشف عن التسربات. استخدام الماء والصابون تطبق مع فرشاة لأنابيب للكشف عن التسريبات كما تسرب من شأنه أن يخلق فقاعات.
10. ربط غرفة الاحتراق والموقد إلى وحدات تحكم السريان عبر أنابيب النحاس.
11. بعد الانتهاء من إعداد غرفة الاحتراق، اختر واحدا من الموانئ العادم للاختبار. ربط هذا الميناء لأنابيب النحاس الذي يمتد إلى ميناء تحليل GC.
12. حدد حقنة لسحب العادم من غرفة الاحتراق ومن ثم دفعها إلى GC لتحليلها. لهذه التجربة، واستخدام25 مل المحاقن.
13. وضع صمام ثلاثي في ​​خط مع أنابيب النحاس ربط منفذ العادم إلى GC. قم بتوصيل أحد اتجاهين صمام إلى GC، والثانية لمنفذ العادم، والثالث إلى الحقنة 25 مل. توصيل أنابيب النحاس إلى 3 في اتجاه وصمام. استخدام حقنة لامتصاص عوادم الاحتراق من الغرفة ومن ثم دفعها إلى GC لتحليلها.
14. ربط 3-الطريقة صمام إلى GC والمحاقن. تحفيز المكبس حقنة لضمان نجاح العملية.
    ملاحظة: يتم عرض تخطيطي مبسط من الإعداد في الشكل 1.

الشكل 1. الاحتراق توصيف التجريبية الإعداد التخطيطي. التدفقات الاحتراق توصيف الإعداد التجريبية الوقود الاداء التخطيطي والهواء والعادم (الأسهم السوداء) وتدفق البيانات (الأسهم الحمراء). وتستخدم في اتجاه واحد الصمامات لمنع فلاش الظهر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. الاحتراق توصيف تجربة

1. قبل الاختبار، ودفع المكبس حقنة في كامل وفتح ثلاثي صمام على الجانب منفذ العادم.
2. تحويل MFC جوية على أول من معدل تدفق 86.5 لتر / دقيقة.
3. تحويل MFC الميثان إلى معدل التدفق من 10 لتر / دقيقة. وهذا يخلق نسبة خلط التكافؤ من 1.10، وهي مزيج غني قليلا، وهو أسهل لإشعال.
4. تحويل المزدوجات الحرارية على طريق وحدة جهاز الكمبيوتر لبدء تسجيل البيانات.
5. إشعال الخليط في نهاية غرفة الاحتراق باستخدام ولاعة غاز البوتان. بعد اشتعال، يجب الشعلة تستقر في الجبهة الموقد.
6. ضبط نسبة التكافؤ عن طريق ضبط معدل تدفق الهواء ببطء من القيمة الأولية من 86.5 لتر / دقيقة إلى القيمة المطلوبة. الحرص على عدم التحرك بسرعة جدا أو الخروج من flammabحدود ility التي من شأنها أن تسبب اللهب التبريد.
7. تسجيل قراءة درجة الحرارة في ملف البيانات بعد المزدوجات الحرارية درجات الحرارة تستقر.
8. مرة أخرى، وسحب الغواص حقنة لاستخراج العادم الاحتراق من منفذ العادم.
9. بعد استخراج عوادم الاحتراق، فتح ثلاثي صمام إلى الجانب القبرصي اليوناني وإغلاق الجانب منفذ العادم.
10. دفع المكبس حقنة حتى أن يتم إغلاقه تماما وجميع من العادم تم إرسالها إلى مجلس الحكم.
11. كرر الخطوات من 3،8-3،10 حتى تتم إزالة جميع الغازات المتبقية في أنابيب النحاس الذي يربط بين الميناء إلى GC. تحليل بسيط من حجم الداخلي للأنابيب النحاس مقارنة مع حجم الحقنة وبيان عدد مرات الخطوات 3،8-3،10 حاجة لتكرارها.
12. بعد إزالة جميع الغازات المتبقية في أنابيب استخراج عينة العادم النهائية للتحليل. دفع الغاز العادم في GC وتحويل GC إلى وضع تحليل ^7،17.
13. تسجيل البيانات عن طريق توفير GCتحليل البيانات GC.
14. كرر الخطوات من 3،1-3،13 حتى يتم اختبار جميع النسب التكافؤ المنشود.

4. تطوير العادم نموذج الاحتراق

1. رسم عادم الاحتراق نسبة حجم الأنواع لمراقبة الاتجاهات.
2. تحديد قطع قيمة تركيز لالعادم نموذج الاحتراق. في تطوير وقود العادم نموذج الاحتراق لتحليل أولي MT-الأولى للتمويل، إلا أن المكونات التي تظهر في نسب كبيرة مدرجة (> 1٪) في وقود نموذجية.
3. للوقود نموذج فقط تحديد تلك النسب التكافؤ التي تولد الهيدروجين كبير وأول أكسيد الكربون (> 1٪ لكل مكون) في العادم.
4. تسجيل نسبة حجم لكل من الاجتماع مكونات غاز العادم معايير 4.3.

إعداد اختبار خلية 5. الوقود

1. تحديد نطاقات معدل التدفق لكل غاز. مضاعفة نسبة حجم تم الحصول عليها من نتائج تحليل GC كتبها tكان معدل تدفق العادم نموذج الاحتراق المطلوبة داخل كل خلية الوقود.
2. تقييم مجموعة من معدلات التدفق لكل نوع العادم الاحتراق لتحديد التدفق الأقصى والحد الأدنى لكل الأنواع.
3. اختر تدفق متر وفقا لنفس المبادئ هو موضح في الخطوة 2.1.
4. بناء جهاز الفحص عن طريق ربط تدفق متر لخزانات الغاز عبر أنابيب النحاس.
5. ضبط ضغط الغاز إلى القيمة المقررة للتدفق متر.
6. وضع صمامات ذات اتجاه واحد في طريق أنابيب النحاس المصب لكل تدفق متر باستخدام غاز قابل للاحتراق.
7. ربط جميع منافذ الخروج تدفق متر معا عبر أنابيب النحاس ومتعددة.
8. تعيين SOFC الصغيرة أنبوبي في داخل أنابيب الصلب وجود القطر الداخلي أكبر من مجرد القطر الخارجي للخلية وقود ل. ختم خلية الوقود لأنابيب الصلب باستخدام لاصق السيراميك.
9. ربط أنابيب الصلب مع SOFC الصغيرة أنبوبي إلى قطعة من م صهر السيراميكaterial لعقد خلايا الوقود في الفرن.
10. الاستفادة من تقنية ^10،11 4 التحقيق مع مجموعة والشعور الجهد الأسلاك الحالية متصلا SOFC الصغيرة أنبوبي مع 2 الأسلاك على الأنود و 2 الأسلاك على الكاثود. تأكد من أن الأسلاك لا يعبرون كل أخرى شورت خلق.
11. توصيل الأسلاك الأربعة لتحقيقات أربعة من potentiostat ^10،11.
12. ربط potentiostat إلى الكمبيوتر ^10،11.
13. وضع الحرارية في الفرن مع طرف لمس السطح الخارجي للSOFC بالكهرباء ^10،11 الصغيرة أنبوبي.
14. نعلق الأسلاك الحرارية إلى وحدة الحصول على البيانات.
15. ربط وحدة الحصول على البيانات إلى جهاز الكمبيوتر عبر منفذ USB.
    ملاحظة: الرقم 2 هو تخطيطي مبسط يبين إعداد الاختبار MT-الأولى للتمويل. مع الوقود نموذج تم تطويره وإعداد المنشأة للسيطرة على تدفق الوقود نموذج لخلية الوقود، يمكن اختبار يسير وفقا لو التقليديةاا طرق الاختبار الخلية. وتنشأ هذه الأساليب جيدا في الأدب ولن تتكرر هنا.

الشكل 2. مايكرو أنبوبي بمساعدة لهب التخطيطي إعداد اختبار خلايا الوقود. التدفقات من H _2، CO، CO _2، N ₂ (الأسهم السوداء) وينظم مع MFC وفي اتجاه واحد صمام لمنع فلاش الظهر. تدفق الإلكترونات (الخط الأخضر) من SOFC في الفرن لpotentiostat والعودة إلى SOFC. ويمثل تدفق البيانات الحرارية والبيانات الكهروكيميائية التي كتبها السهام الحمراء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

النتائج

يجب فحص غرفة الاحتراق توصيف قبل الاختبار في نسب التكافؤ المطلوب لعودة تدفق الهواء في غرفة أو غيرها من تسرب الهواء أثناء الاختبار. ومن المعروف أن عمليات الاحتراق في غرف مفتوحة ليكون مساوي الضغط تقريبا. ونتيجة لذلك، الضغط داخل غرفة الاحتراق قد لا يكو?...

Discussion

بروتوكول مناقشتها هنا هو جسر مهم بين البحوث توصيف الاحتراق السابق واختبار خلايا الوقود. وقد تم تطبيق استخدام الاحتراق للوقود إصلاح واختبار خلايا الوقود لعدة سنوات في الاجهزة DFFC ^10-15. ومع ذلك، فإن توصيف عملية الاحتراق في DFFCs بشكل اساسي مع توصيف في الموقع من ت...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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