אפיון שרפה ופיתוח דלק מודל מיקרו-צינורי בתאי דלק הלהבה בסיוע

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

תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC) חידושים דווחו בשנים האחרונות ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתפתח. בין היתרונות הרבים, SOFCs הפך ידוע צריך דלק גבוה, פליטה נמוכה וגמישות דלק מתונה לעומת טכניקות ייצור חשמל מבוסס בעירה אחרת ^1. יתר על כן, SOFCs הם מדרגים המאפשרים צריכת דלק גבוהה אפילו בקני מידה קטנות. למרבה הצער, מגבלות בתשתיות מימן נוכחיות יצרו צורך במערכות רפורמת דלק כי הם בדרך כלל לא יעילים. ההתפתחות האחרונה היא תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע הלהבה (MT-FFC) שדווח העבודה הקודם של המחבר ^2. MT-FFC הוא הדוגמה הראשונה של תא דלק להבה בסיוע (FFC) שבונה על היתרונות של תא דלק להבה ישירה המקורי (DFFC), אשר מספק הדור חום ודלק רפורמה באמצעות בעירה ^3. התקנת DFFC מציבה SOFC במגע ישיר עם להבה פתוחה envir הסביבהonment. הלהבה חלקית מתחמצנים דלקים פחמימניים כבדים כדי ליצור H ₂ ו- CO, אשר ניתן להשתמש בהם ישירות SOFC עם פוטנציאל פחות עבור coking פחמן לעומת מתאן טהור או פחמימנים כבדים אחרים. בנוסף, הלהבה מספקת את האנרגיה התרמית צורך להביא את SOFC לטמפרטורת ההפעלה שלה. שינוי שבוצע לאחרונה על DFFC המקורי התרחש ידי הזזת SOFC אל מחוץ לאזור הלהבה ותקשור שנפלט אל SOFC כדי ליצור את FFC ^2. בניגוד DFFC, הבעירה מתרחשת בתא סגור חלקית (במקום הסביבה) כך דלק יחס אוויר יכול להיות נשלט, והפיח יכול להיות מוזן ישירות לתא הדלק ללא שריפה שלמה התרחשות. יש FFCs יתרונות נוספים כולל ניצול דלק גבוה ויעילות חשמלית גבוהה לעומת DFFCs ^2.

כתחום מחקר המתעוררים, ניסיוני בטכניקות נדרשים שיכולים להעריך את הפוטנציאל של MT-FFCs עבור יישומי ייצור חשמל בעתיד. טכניקות אלה דורשים ניתוח חמצון חלקי, או בעירה עשיר-דלק, ואת הפליטה אשר זוהה כדרך לייצר H ₂ ו- CO, הידוע גם בשם גז סינתטי, יחד עם CO ₂ ו- H ₂ O. הסינגז ניתן להשתמש ישירות בתאי דלק לייצור חשמל. הניתוח של פליטה בעירה עשירי דלק כבר מבוסס היטב בשנים האחרונות בוצע באופן תיאורטי ^4, מחשוב ^5,6 ו ניסיוני ⁷ למטרות שונות. רבים מן המחקרים התיאורטיים חישובית יש לסמוך על ניתוח שיווי משקל כימי (CEA) כדי להעריך את מיני מוצר הבעירה כי הם אנרגטיים חיוביים, ומודלי קינטיקה כימיים עבור מנגנוני תגובה. בעוד שיטות אלה היו מאוד שימושיות, רבי טכנולוגיות מתפתחות יש לסמוך על טכניקות ניסוי במהלך מחקר ופיתוח. ניסיוני בטכניקות בדרך כלל לסמוך על anaתמוגה של הפליטה בעירה או באמצעות כרומטוגרפיה גזית (GC) ⁷ או ספקטרומטר מסה (MS) ^8. כך או הקו / מזרק GC או חללית MS מוכנס לתוך פליטת הבעירה ומדידות נלקחות להעריך את ריכוז המינים. יישום של שיטות ניסיוניות היה נפוץ בתחום ייצור חשמל בקנה מידה קטן. כמה דוגמאות כוללות combustors מיקרו אשר פותחו לפעול עם SOFCs תא בודד ^7,9 ו DFFCs ^10-15. הניתוח של פליטת הבעירה מתרחש תחת מגוון רחב של תנאי הפעלה כוללים טמפרטורות שונות, ספיקות ויחסי שקילות.

בתחום מחקר DFFC, דלק ו החמצון יכול להיות חלקי מעורבב מראש או שאינו מעורבב מראש, עם המבער פתוח הסביבה מבטיחה שריפה שלמה. עם צורך לנתח את הרכב הלהבה, MS נוצל בעבר במקרים רבים לניתוח מחקר בעירת DFFC ¹⁶. ההתפתחות האחרונה יותר של FFC שונה על ידי הסתמכות על בעירת premixed עם הצורב בסביבה סגורה חלקית למנוע חמצון מלא של הדלק. כתוצאה מכך, ניתוח של פליטת הבעירה בסביבה מבוקרת ללא דליפת אוויר נחוץ. ניסיוני בטכניקות שפותחו למטרה זו מסתמכות על הטכניקות הקודמות משמשות למחקר combustor מייקרו עם ניתוח GC של פליטת הבעירה על יחסי שקילות שונים. ניתוח GC מוביל אפיון של רכב פליטת בעירה (כלומר, אחוז עוצמת הקול של כל מרכיבי פליטה כולל ₂ CO, H ₂ O, N _2, וכו ') ניתוח זה מאפשר ערבוב של גזים נפרדים על פי היחסים נמדדים על ידי GC ליצור פליטת בעירת מודל עשיר דלק למחקר FFC בעתיד.

הפרוטוקולים לניתוח פליטת בעירה עשיר-דלק, מפתחת פליטת בעירת מודל עשיר דלק ולהחילing המפלט לבדיקת SOFC מוקמים במאמר זה. אתגרים ומגבלות נפוצים נדונים לטכניקות אלה.

Protocol

1. חישובים שרפים

1. בחר דלק לניתוח. הנה, לבחור מתאן כדלק ההתייחסות, אבל העקרונות הם להעברה של דלקים פחמימניים אחרים.
2. עם 1 חפרפרת של מתאן כדלק, משוואת איזון (1) עבור בעירת stoichiometric להגיע למשוואה (2).
   
   
3. חשב את יחס אוויר דלק עבור stoichiometric (F / A _stoich.) כמו במשוואה 3 עבור בעירה מתאן על ידי חלוקת המסה של מתאן על ידי המסה של האוויר. כדי לחשב, המונה הוא המספר מולי פעמים מתאן המסה הטוחנת של מתאן (16 גרם · mol ^-1) מכנה הוא המספר מולי פעמי חמצן המסה הטוחנת של חמצן (32 גרם · mol ^-1) בתוספת המספר מולי פעמי חנקן המסה של חנקן הטוחנת (28 גרם · mol ^-1).
   
4. על מנת לגוון את היחס השקיל (משוואת 4), להשתנות או את קצב זרימת האוויר, קצב זרימת הדלק או שניהם בו זמנית. בדרך כלל, לתקן אחד הכמויות ולגוון את השני. ברר אם לתקן או את קצב זרימת דלק או אוויר עבור הצורב. לצורך ניסוי זה, לתקן את קצב זרימת הדלק ב 10 ליטר / דקה ולאפשר את קצב זרימת האוויר להשתנות כלול בהגדרה זו.
   
5. עם קצב זרימת הדלק, f, קבועים (10 L / min), F / A _{סטואית.} מחושב (0.0583), ולאור הגדרת היחס השקיל, לחשב את קצב זרימת אוויר, עבור כל יחס שקיל להיבדק. משוואה (5) מספק דרך ישירה חישוב שיעור זרימת אוויר L / דקה עבור כל יחס שקיל ואת התוצאות מוצגות על יחס שקיל של 1 עבור ורכב.
   
   הערה: פלאם העליוןגבול היכולת (או גבול פיצוץ עליון) הוא היחס השקיל העשיר שיכול להישרף ללא מרווית ההלהבה בהיעדר זרז. יחסי שקילות גבוהים ניתן להשיג עם השימוש בקטליזאטור, אבל רק בעירה שאינה קטליטי מתוארת במאמר זה. התייעץ בספרות להעריך את גבול דליקות העליון על הדלק הנבחר.

2. הגדרת ניסוי האפיון שרפה

1. בחר בקרי זרימה המוניים (MFCs) עבור מתאן אוויר מבוסס על הספיקות שהושגו בשלב 1.5. היזהר בעת בחירת גודל MFC כדי להבטיח כי MFC לא יהיה לפעול בסוף הנמוך של הטווח שלו (<10% של ערך בהיקף מלא) במהלך הבדיקה. במקרה הספציפי הזה, השתמש 40 L / min ו -200 ליטר / דקה MFCs מתאן ואוויר, בהתאמה.
2. חבר את MFCs אל הטנקים מתאן אוויר דרך צינורות נחושת.
3. הגדר את הרגולטורים על הטנקים מתאן ואוויר ללחץ המתאים עבור MFC כמפורטעל ידי היצרן. במקרה זה, קבע את הלחץ 138 kPa (20 psi).
4. כייל את MFCs כדי להבטיח ספיקה מדויקת.
5. לבנות תא הבעירה. לצורך ניסוי זה, לפתח תא בעירה 914 מ"מ אורך בקוטר 168 מ"מ יציאה.
   1. יציאות מקדחה לניתוח פליטת בעירה עבור מיקום תרמי לאורכו של תא הבעירה. המספר המדויק ואת הרווחים הנדרשים תלוי בגודל של הלהבה ואת מטרות הניסוי. עבור התקנה זו, צמדי 5 החלל הראשונים להציב קרובים לאזור בעירה מזה 7 מ"מ. שטח 14 מ"מ זה מזה 6 הצמדים הסופיים. השתמש באותו והריווח של יציאות פליטה.
   2. הכנס את הצמדים מסוג K לתוך תא הבעירה באמצעות חורי הנמל. יישר את הקצה התרמי במרכז תא הבעירה. גודל החורים יציאת כך שיתאימו תרמי ולאטום עם ferrules ואגוזים מתכת בטמפרטורה גבוהה כדי למנוע דליפה.
6. קונטיקטect צמדים מסוג K ישירות למודול רכישת נתונים.
7. חבר את מודול רכישת נתונים למחשב באמצעות כונן USB.
8. צרף שסתום חד כיווני בנתיב הצינורות הנחושים מייד לאחר MFC הדלק ממש לפני הצורב. אוריינט את הצינור כדי זרימה שיכולה רק להתרחק MFC. השסתומים חד סטרי הם תכונה בטיחות חשוב למנוע חזרה פלאש.
9. בדקו את הצינורות נחושת לפני ואחרי התקנת MFC דליפות. השתמש במי סבון מיושמים עם מברשת על הצינורות כדי לזהות דליפות כמו דליפות תיצורנה בועות.
10. חבר את התא צורב בעירה אל בקרי זרימה ההמוניים באמצעות צינורות נחושת.
11. לאחר השלים התקנת תא הבעירה, בחר אחד נמלי הפליטה לבדיקה. חבר יציאה זו כדי צינורות נחושים המשתרעים לנמל ניתוח GC.
12. בחר מזרק כדי למשוך את הפליטה של ​​תא הבעירה ולאחר מכן לדחוף אותו לתוך GC לניתוח. לצורך ניסוי זה, להשתמש25 מ"ל מזרק.
13. מניחים שסתום משולש בקנה אחד עם הצינורות הנחושים חיבור יציאת הפליטה של ​​מכונת GC. חבר קצה אחד של שסתום דו כיווני אל GC, השני ליציאת הפליטה והשלישי המזרק 25 מ"ל. חבר את צינורות הנחושת אל שסתום 3 הכיוונים. השתמש המזרק למצוץ פליטת בעירה מהאולם ואז לדחוף אותו לתוך GC לניתוח.
14. חבר את שסתום 3-הדרך אל GC ומזרק. להניע את הבוכנה במזרק כדי להבטיח ביצוע מוצלח.
    הערה: סכימטי מפושט של ההתקנה מוצג באיור 1.

באיור 1. אפיון שרפה ניסיוני ההתקנה סכמטית. אפיון שרפה התקנה ניסיונית דלק מראה סכמטי, אוויר ותזרימי הפליטה (חיצים שחורים) ותזרימי נתונים (חצים אדומים). כיוון אחד שסתום משמש כדי למנוע חזרה פלאש. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. ניסוי אפיון שרפה

1. לפני הבדיקה, לדחוף את בוכנת המזרק ב מלא ולפתוח את השסתום המשולש בצד יציאת פליטה.
2. סובב את MFC האוויר על הראשון בקצב זרימה של 86.5 ליטר / דקה.
3. הפעל מתאן MFC על קצב זרימה של 10 ליטר / דקה. זה יוצר יחס שקילות מעורבבים מראש של 1.10, תערובת עשירה מעט, שהוא קל יותר להצית.
4. הפעל צמדים על דרך מודול המחשב להתחיל נתוני הקלטה.
5. להצית את התערובת בסוף תא הבעירה באמצעות מצית. לאחר הצתה, הלהבה צריכה לייצב בחזית הצורבת.
6. התאם את היחס השקיל על ידי התאמת קצב הזרימה של אוויר לאט מהערך הראשוני של 86.5 ליטר / דקה לערך הרצוי. תשמור על עצמך כדי לא לעבור מהר מדי או לצאת החוצה של flammabגבולות ility אשר יגרום מרווה להבה.
7. רשום את קריאת הטמפרטורה בקובץ נתונים לאחר הצמדים בטמפרטורות לייצב.
8. שוב, למשוך את הבוכנה במזרק כדי לחלץ פליטת בעירה מנמל הפליטה.
9. לאחר חילוץ פליטת הבעירה, פתח את השסתום המשולש לצד GC ולסגור את צד יציאת פליטה.
10. דחוף את הבוכנה במזרק עד שזה נסגר לחלוטין וכל הפליטה נשלח אל GC.
11. חזור על שלבי 3.8-3.10 עד שכל גזי השיורי הצינורות הנחושים חיבור היציאה אל GC מוסר. ניתוח פשוט של הנפח הפנימי של הצינורות הנחושים לעומת היקף המזרק יציין כמה פעמים על שלבי 3.8-3.10 צורך לחזור.
12. לאחר הסרת כל הגזים שיורית בצינור לחלץ מדגם פליטה סופי לניתוח. דחוף את גזי הפליטה לתוך GC ולהפוך את GC כדי ^7,17 מצב ניתוח.
13. רשמו את הנתוני GC ידי שמירתנתוני ניתוח GC.
14. חזור על שלבי 3.1-3.13 עד שכל יחסי השקילות הרצויות נבדקים.

פיתוח 4. הפליטה שרפה הדגם

1. מגרש את אחוז נפח מיני בעירת הפליטה להתבונן המגמות.
2. לקבוע את ערך הריכוז המנותק עבור פליטת בעירת מודל. בפיתוח דלק פליטת בעירת מודל לניתוח MT-FFC ראשונית, רק את הרכיבים המופיעים לממדים משמעותיים (> 1%) כלול ב- דלק המודל.
3. עבור דלק המודל לבחור רק יחסי שקילות שיוצרים מימן משמעותי וחד-תחמוצת הפחמן (> 1% לכל רכיב) הפליטה.
4. רשום את אחוז הנפח לכל אסיפת רכיבי גזי פליטת הקריטריונים של 4.3.

הגדרת בדיקות 5. תא דלק

1. קבע את טווחי קצב זרימה עבור כל גז. הכפל את אחוז הנפח המתקבל תוצאות ניתוח GC ידי tהוא בסך הכל קצב זרימה של פליטת בעירת מודל הרצויה בתוך כל תא דלק.
2. להעריך את טווח ספיקות עבור כל מין פליטת בעירה כדי לקבוע את זרימת מינימום והמקסימום עבור כל מין.
3. תזרים מטרים בחר פי אותם העקרונות המתוארים בשלב 2.1.
4. לבנות את מנגנון הבדיקה על ידי הצמדת תזרים מטרי בלוני הגז דרך צינורות נחושת.
5. הגדר את הרגולטורים לחצו גז לערך שנקבעו התזרים המטרים.
6. מניחים שסתומים חד כיווניים בנתיב צינורות נחושת במורד הזרם של כל מטר זרימה באמצעות גז דליק.
7. חבור את כל יציאות יציאת מד הזרימה יחד דרך צינורות נחושים סעפת.
8. הגדר את SOFC מיקרו-צינורי על החלק הפנימי של צינורות פלדה בעל קוטר פנימי רק גדול יותר מאשר הקוטר החיצוני של תא הדלק. חותם את תא דלק צינורות פלדה באמצעות דבק קרמיקה.
9. חבר את צינורות פלדה עם SOFC מיקרו-צינורי כדי חתיכה מ הקרמיקה עקשניתaterial להחזיק את תא דלק בכבשן.
10. לנצל את ^10,11 טכניקת 4 בדיקה עם חוטי תחושת איסוף המתח נוכחיים מחוברים SOFC מיקרו-צינורי עם 2 חוטים על האנודה ו -2 חוטים על הקתודה. ודא כי החוטים לא לחצות כל מכנסי יצירת אחרים.
11. חבר ארבעת החוטים עד ארבע חלליות של potentiostat ^10,11.
12. חבר את potentiostat למחשב ^10,11.
13. מניחים תרמי בכבשן עם קצה נגיעה החיצוני של ^10,11 אלקטרוליט SOFC מיקרו-צינורי.
14. צרף חוטי תרמי למודול רכישת נתונים.
15. חבר את מודול רכישת נתונים למחשב דרך יציאת USB.
    הערה: איור 2 הוא סכימטי פשוט מראה את התקנת בדיקות MT-FFC. עם דלק המודל שפותח ואת ההתקנה הוקמה עבור שליטה על זרימת דלק המודל לתא הדלק, בדיקות יכולות להמשיך על פי f הקונבנציונליUEL שיטות בדיקת תא. שיטות אלה מבוססות היטב בספרות לא תחזורנה על עצמו כאן.

איור 2. סכמטי ההתקנה בדיקות תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע להבה. המזומנים של H _2, CO, CO _2, N ₂ (חיצים שחורים) מוסדרים עם MFC ושסתום חד כיווני למניעת פלאש בחזרה. האלקטרונים זורמים (הקו הירוק) מן SOFC בכבשן אל potentiostat ובחזרה SOFC. זרימת נתונים תרמיים ונתוני אלקטרוכימיים מיוצגת על ידי חצים אדומים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוצאות

תא אפיון הבעירה צריך להיבדק לפני בדיקה על יחסי שקילות הרצוי עבור גב זרימת האוויר לתוך התא או דליפת אוויר אחרת במהלך בדיקה. תהליכי שריפה בתאים פתוחים ידועים להיות כמעט isobaric. כתוצאה מכך, לחץ בתוך תא הבעירה לא יכול להיות מספיק כדי לוודא ששום אוויר מן הס?...

Discussion

הפרוטוקול נדון כאן הוא גשר חשוב בין מחקר אפיון בעירה הקודם ובדיקת תא דלק. השימוש בעירה עבור דלק רפורמה ובדיקה תא דלק יושם במשך מספר שנים setups DFFC ^10-15. עם זאת, האפיון של תהליך בעירת DFFCs הוא מודאג בעיקר עם אפיון באתרו של רכב הלהבה ¹⁶ והשתמש MS ^8. ככל DFFC פת?...

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