燃烧特性参数和模型燃料开发的微型管状火焰辅助燃料电池

摘要

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.

摘要

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.

引言

固体氧化物燃料电池（SOFC）的革新已报道在近年来随着技术的不断发展。在众多的优势，固体氧化物燃料电池已经成为众所周知的高燃油效率，低排放和燃油适中灵活性相对于其他基于燃发电技术^1。此外，固体氧化物燃料电池是可伸缩的，可用于高燃油效率，即使在小尺度。不幸的是，在当前的氢基础设施的限制已经创建需要一种通常低效的燃料重整系统。最近的发展是微型管状火焰辅助燃料电池（MT-FFC）在笔者的前期工作²的报道。所述MT-FFC是建立在原有的火焰直接型燃料电池（DFFC），其提供热量和燃料通过燃烧³重整的好处的火焰辅助燃料电池（FFC）的第一个例子。该DFFC设置放在与火焰直接接触到开放环境ENVIR一个SOFConment。火焰的部分氧化较重烃类燃料来创建_的 H ₂和CO，它可以直接用较少潜在相比纯甲烷或其它较重的烃可以使用在固体氧化物燃料电池为碳焦化。另外，该火焰提供以使固体氧化物燃料电池，以它的工作温度所需要的热能。原来的DFFC最近发生的变化通过移动SOFC出火焰区和窜燃烧废气的SOFC创建FFC ^2。不像DFFC，燃烧发生在一个部分封闭的腔室（而不是环境温度），以便可以控制燃料与空气的比值和排气，可直接供给到燃料电池不完全燃烧的发生。 FFCS具有其他优势，包括高燃料利用率和电机效率高相比DFFCs ^2。

作为一个新兴的研究领域，需要的实验技术，可以评估MT-FF的潜力CS为未来的发电应用。这些技术需要部分氧化，或富燃料燃烧，并已被鉴定为产生_的 H ₂和CO，也被称为合成气的一种方式的排气分析，用CO ₂和H ₂ O沿合成气可以直接在燃料电池发电中使用。富燃料燃烧废气的分析已经很好地建立在近年来已进行了理论上^4，计算^5,6-和实验⁷用于许多不同的目的。许多理论和计算研究都依赖于化学平衡分析（CEA），以评估燃烧产物品种是积极有利的，和化学动力学模型反应机理。虽然这些方法非常有用，许多新兴技术都在实验技术的研究和开发过程中依赖。实验技术通常依赖于ANA利用燃烧废气的裂解任一气体色谱仪^（GC）7或质谱仪^（MS）8。无论在GC线/注射器或MS探针插入燃烧废气和测量以评估物种的浓度。实验技术的应用在小规模发电的区域已经屡见不鲜。一些实例包括已开发了单室固体氧化物燃料电池^7,9和DFFCs ^10-15操作微燃烧器。在宽范围的操作条件，包括不同的温度，流速和当量比发生燃烧废气的分析。

在DFFC研究，燃料和氧化剂的区域可以是部分预混合或非预混，与燃烧器开放以保证完全燃烧的环境。与需要分析火焰组合物中，MS已经在许多情况下用于DFFC研究和燃烧分析¹⁶。的FFC的最近发展通过在部分封闭的环境依靠预混合燃烧与燃烧器，以防止燃料的完全氧化而不同。其结果是，需要在从漏气自由受控环境燃烧废气的分析。为此目的开发的实验技术依赖于用于微燃烧室研究与在不同当量比的燃烧排气的GC分析较早的技术。 GC分析导致燃烧废气组合物的表征（ 即 ，每个排气组分包括_二氧化碳的体积％，H ₂ O，N ₂ 等 ）该分析允许根据由测得的比率分离气体的混合GC创造未来FFC研究的典范富燃料燃烧废气。

分析富燃料燃烧废气，发展模式富燃料燃烧废气和应用协议ING的SOFC测试排气建立在本文中。共同的挑战和限制对这些技术进行讨论。

研究方案

1.燃烧计算

1. 分析选择的燃料。在这里，选择甲烷作为基准燃料，但原则是转移到其他烃类燃料。
2. 与1摩尔甲烷作为燃料，平衡公式（1）为化学计量燃烧来获得等式（2）。
   
   
3. 通过空气的质量除以甲烷的质量计算化学计算如等式3为甲烷燃烧的燃料-空气比（F / A _{化学计量）。}来计算，该分子是甲烷倍摩尔数甲烷的摩尔质量（16·G·摩尔^-1），分母是氧倍摩尔的氧的摩尔质量数（32·G·摩尔^-1）加的氮倍摩尔数氮的摩尔质量（28·G·摩尔^-1）。
   
4. 为了改变当量比（方程4），变化或者空气流量，燃料流量或同时两者。通常情况下，固定量之一并改变另一个。确定是否修复无论是对燃烧器的燃料或空气的流量。对于本实验，修正燃料流量在10升/分钟，并允许空气流速在此设置而变化。
   
5. 随着燃料流速F，固定（10升/分），F / A _坚忍 。计算的（0.0583），并考虑到当量比的定义，计算出空气流量，一个，对于每个要测试的当量比。公式（5）提供了计算的气流速度在升/分的每个当量比的一个直接的方法和结果示为1的化学计量当量比。
   
   注:上FLAMM能力的限制（或爆炸上限）是最丰富的当量比即可以在不存在催化剂的骤冷火焰中燃烧。更高的当量比可以通过使用催化剂来获得，但仅非催化燃烧在本文中描述。查阅文献，评估选择的燃料燃烧上限。

2.燃烧特性实验装置

1. 选择基于在步骤1.5中得到的流速为甲烷和空气质量流量控制器（微型燃料电池）。选择MFC大小时要小心，以确保MFC不会在其范围的低端测试期间（<满刻度值的10％）运行。对于这个特定的情况下，使用40升/分和200升/分钟的MFC分别为甲烷和空气。
2. 通过铜管连接微型燃料电池的甲烷和空气罐。
3. 按照规定设置甲烷和空气罐为MFC适当的压力调节器由制造商。在这种情况下，将压力设置为138千帕（20磅）。
4. 校准微型燃料电池，以确保准确的流量。
5. 构造燃烧室。在这个实验中，制定了燃烧室914毫米长着168毫米出口直径。
   1. 钻头端口燃烧废气分析和沿着燃烧室的长度热电偶放置。所需的确切数目和间隔取决于火焰的尺寸和实验的目的。对于这种设置，第一空间5热电偶置于最靠近燃烧区域隔开7mm左右。空间的最后6热电偶除了14毫米。使用相同的间距排气口。
   2. 经由端口孔插入的K型热电偶入燃烧室。对准热电偶尖端在燃烧室的中心。尺寸端口孔，以适应热电偶和高温金属套圈和螺母以防止泄漏密封。
6. 康涅狄格州等的K型热电偶直接向数据采集模块。
7. 通过USB驱动器连接数据采集模块到计算机。
8. 燃料MFC的后立即和刚好在燃烧器之前附着在铜管路径的单向阀。定向阀，使流只能移动从MFC路程。该单向阀是一个重要的安全功能，以防止闪回。
9. 检查前后MFC设置有泄漏后铜管。使用用毛笔应用肥皂水管道检测泄漏的泄漏会产生气泡。
10. 通过铜管连接燃烧室和燃烧器的质量流量控制器。
11. 完成燃烧室设置后，选择测试排气口之一。连接该端口延伸到GC分析端口铜管。
12. 选择注射器从燃烧室拉排气然后将它推入GC进行分析。对于这个实验中，使用一个25毫升注射器。
13. 放置在与排气口连接到GC铜管线一个三通阀。双向阀的一端连接到GC中，第二到排气口和第三至25毫升注射器。铜管连接到三通阀。用注射器从室吸燃烧废气，然后将其推入GC进行分析。
14. 连接阀到GC和注射器3路。驱动注射器推杆，以确保手术成功。
    注意:安装的简化示意图如图1所示。

图1的燃烧特性的实验装置示意图。燃烧特性的实验装置示意图，显示燃料，空气和排气流量（黑色箭头）和数据流（红色箭头）。单向阀用于防止回火。 点击此处查看该图的放大版本。

3.燃烧特性试验

1. 在测试之前，推针筒柱塞在完全打开的排气口侧的三通阀。
2. 打开第一空气MFC到86.5升/分钟的流速。
3. 打开甲烷的MFC上的10升/分钟的流速。这产生1.10预混当量比，稍微富混合物，这是更容易点燃。
4. 打开热电偶上通过计算机模块，开始记录数据。
5. 用丁烷打火机点燃在燃烧室的端部的混合物。点火后，火焰应该在燃烧器前稳定。
6. 通过从86.5升/分钟的初始值调节空气的流速缓慢，以所需的值调整量比。小心不要太快移动或去flammab之外ility限制这将导致火焰熄灭。
7. 记录在数据文件中的温度读数温度稳定后，热电偶。
8. 再次，拉针筒柱塞以从排气口抽取燃烧废气。
9. 抽取燃烧废气后，打开阀门到GC侧三通和关闭排气口侧。
10. 推针筒柱塞，直到它完全关闭并且所有的排气的已发送到GC。
11. 直到所有连接端口到GC铜管的残余气体的去除重复步骤3.8-3.10。铜管的内部容积相比，注射器的体积将指示多少次的一个简单的分析步骤3.8-3.10需要重复。
12. 在油管删除所有剩余气体后提取用于分析的最终排气样。推废气入GC和转动的GC分析模式^7,17。
13. 记录通过保存的数据GC在GC分析数据。
14. 直到所有想要当量比进行测试，重复步骤3.1-3.13。

4.模型燃烧废气的发展

1. 画出燃烧废气种体积百分数来观察的趋势。
2. 确定模型燃烧废气截止浓度值。在开发初期MT-FFC分析模型燃烧废气的燃料，仅部件中出现显著比例（> 1％）被包括在模型中的燃料。
3. 为模型的燃料仅选择产生在排气显著氢气和一氧化碳（每个组件> 1％）的那些等价比率。
4. 记录每个排气组件会议4.3的标准的体积百分比。

5.燃料电池测试设置

1. 确定流率范围为每种气体。乘以从用t的GC分析的结果所获得的体积百分比他总计每个燃料电池内所需的模型燃烧废气的流速。
2. 评估流速为每个燃烧排气物种的范围，以确定每个物种的最大和最小流量。
3. 根据在步骤2.1中描述的相同的原则选择流量计。
4. 通过经由铜管连接流量计的气罐构建测试装置。
5. 设置气体压力调节器，以用于流量计的规定值。
6. 放置的单向阀在使用可燃性气体的每个流量计下游的铜管路径。
7. 连接所有流量计出境口岸在一起，通过铜管和多方面的。
8. 上设置具有内部直径只比所述燃料电池的外部直径大的钢管内的微管式SOFC。密封燃料电池用陶瓷粘合剂的钢管。
9. 具有微管式SOFC的钢管连接到一块陶瓷耐火米aterial保持在炉中的燃料电池。
10. 利用与连接到微管式SOFC用在阳极2线和阴极2线的电流收集和电压感测线的4探针技术^10,11。确保线不会相互交叉创建短裤。
11. 把四根导线连接到恒电位仪^10,11的四个探头。
12. 稳压器连接到计算机^10,11。
13. 放置一个热电偶在与尖端接触微管式SOFC电解质^10,11的外部的炉中。
14. 附加热电偶线到数据采集模块。
15. 通过USB端口连接数据采集模块到计算机。
    注: 图2是示出了MT-FFC测试设置的简化示意图。与开发的模型的燃料和用于控制模型燃料流至燃料电池建立的设置，测试可根据常规˚F继续UEL电池测试方法。这些方法是公建立在文献中和在此将不再重复。

的H _{2，CO，CO 2} 图2微管状火焰辅助燃料电池测试设置示意图。流动N _2（黑色箭头）与一个MFC和一个单向阀，以防止回火调节。从SOFC在炉内的电子流（绿线）的电位和回向SOFC。热电偶数据和电化学数据流由红色箭头表示。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

燃烧特性室应当在期望当量比为空气的逆流进入测试期间的腔室或其他空气泄漏测试之前进行检查。在开室燃烧过程被称为是几乎同量异序。其结果是，燃烧室内的压力可能不足以确保无来自外部环境的空气是回流入从室排气口或其它渗漏点燃烧室。有几个实验技术，以确认没有逆流发生。首先，对于一个非催化燃烧器，富-可燃性限值是公建立了许多燃料^18,19。?...

讨论

这里讨论的协议是以往的燃烧特性的研究和燃料电池测试之间的重要桥梁。燃料重整和燃料电池测试使用燃烧的已DFFC设置^10-15已应用数年。然而，在DFFCs燃烧过程的表征主要涉及原位火焰组合物¹⁶的特性，并使用MS ^8。作为DFFC是开放的环境中，排气组合物由主要是水和CO _2，而不是所需要的排气的表征。为了开发最近FFC概念的过程用于在部分封闭的腔室表征燃?...

材料

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