에 대한 연소 특성 및 모델 연료 개발 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지

요약

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.

초록

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.

서문

기술이 계속 개발 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 기술 혁신이 최근에보고되었다. 많은 장점 중의 SOFC 다른 연소 기반 발전 기술 ^1에 비해 높은 연료 효율, 낮은 연료 방출과 적당한 유연성 공지되었다. 또한,의 SOFC는 아주 작은 규모에서 높은 연료 효율을 허용하는 확장 성이다. 불행하게도, 현재 수소 인프라의 한계는 종종 비효율적 연료 개질 시스템에 대한 필요성을 만들었습니다. 최근의 개발은 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지 (MT-FFC)은 저자의 ^{전작이보고있다.} 마운트-FFC 연소 ³ 통해 발열 개질 연료를 제공 일본어 직화 형 연료 전지 (DFFC)의 장점에 기반 불꽃을 이용한 연료 전지 (FFC)의 첫번째 예이다. DFFC 설치는 주변 envir에 개방 불꽃과 직접 접촉하는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)를 배치onment. 화염은 부분적으로 순수한 메탄 또는 다른 무거운 탄화수소에 비해 탄소 코킹 덜 잠재적으로 SOFC에서 직접 사용할 수있는 H ₂ CO를 생성하기 위해 탄화수소 연료를 산화시킨다. 또한, 상기 화염의 작동 온도로 SOFC 가져 필요한 열 에너지를 제공한다. 원래 DFFC에 대한 최근의 변화는 화염 영역 밖으로 SOFC를 이동하고, FFC ^(2)를 생성하기 위해 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 연소 배기 가스를 쏟아야에 의해 발생했습니다. DFFC 달리 연소 (대신 주위의) 부분 밀폐 챔버 내에서 대기와 비 연료를 제어 할 수 있고, 배기 가스가 직접 완전 연소가 발생하지 않고, 연료 전지에 공급 될 수 있도록 발생한다. FFCS는 높은 연료 사용 및 DFFCs ^2에 비해 높은 전기 효율 등의 추가 장점이있다.

연구의 새로운 영역으로, 필요한 실험 기술 MT-FF의 가능성을 평가할 수있다미래 발전 애플리케이션을위한 고사. 이러한 기술은 CO ₂ H ₂ O와 함께, 부분 산화, 또는 연료 - 풍부 연소하고, 또한 합성 가스라고도 H ₂ CO를 생성하는 방법으로 식별 된 배기 가스의 분석을 필요 합성 가스는 발전 용 연료 전지에 직접 사용할 수있다. 연료 - 풍부 연소 배기 가스의 분석은 또한 최근에 확립되었고, 많은 다른 목적을위한 이론적 ⁴ 계산적 ^5,6- 실험적 ⁷ 실시되었다. 이론 및 계산 연구의 대부분은 반응 메커니즘의 연소 제품 정력적으로 유리한 종, 화학 반응 속도 모델을 평가하기 위해 화학 평형 분석 (CEA)에 의존하고있다. 이러한 방법은 매우 유용되었지만, 많은 새로운 기술이 연구 개발 중에 실험 기술에 의존하고있다. 실험 기술은 일반적으로 아나에 의존하여 연소 배기 가스의 용해 중 가스 크로마토 그래피 (GC) ⁽⁷⁾ 또는 질량 분광계 (MS) ^8. GC의 줄 / 주사기 또는 MS 프로브 중 하나는 연소 배기에 삽입되고, 측정은 화학 종의 농도를 평가하기 위해 수행된다. 실험 기술의 적용은 소규모 발전 분야에서 공통되고있다. 몇 가지 예는 단일 챔버의 SOFC ^7,9 및 DFFCs ^{10 ~ 15} 작동하기 위해 개발 된 마이크로 연소기를 포함한다. 연소 배기 가스의 분석은 상이한 온도, 유량 및 당량비를 포함한 다양한 작동 조건 하에서 발생한다.

DFFC 연구, 연료와 산화제의 영역에서 완전 연소를 보장 주위에 열린 버너, 부분적으로 혼합 또는 비 혼합 할 수 있습니다. 화염 조성물을 분석 할 필요 더불어, MS는 DFFC 연구 연소 분석 ⁽¹⁶⁾ 대부분의 경우에 사용 된. FFC의 최근 발전은 연료의 완전 산화를 방지하도록 부분적으로 밀폐 된 환경에서 예 혼합 버너의 연소에 의존하여 다르다. 그 결과, 공기 누출이없는 제어 된 환경에서, 연소 배기 가스의 분석이 필요하다. 이러한 목적을 위해 개발 된 기술은 다양한 실험 당량비에서 연소 배기의 GC 분석으로 마이크로 연소기 연구에 사용 된 이전의 기술에 의존한다. GC 분석의 결과,이 연소 배기 조성물의 특성 리드 (즉, CO _(2)을 포함하여 각 배기 성분의 체적 %, H ₂ O, N ₂ 등)이 분석에 의해 측정 된 비율에 따라 별도의 가스의 혼합을 허용 GC는 미래 FFC 연구를위한 모델 연료가 풍부한 연소 배기를 만들 수 있습니다.

연료가 풍부한 연소 배기 분석 모델의 연료가 풍부한 연소 배기를 개발 및 적용을위한 프로토콜SOFC 테스트를위한 배기를 보내고은이 논문에서 설정됩니다. 일반적인 문제 및 제한 사항이 기술에 대해 설명합니다.

프로토콜

1. 연소 계산

1. 분석을 위해 연료를 선택합니다. 여기서, 상기 기준 연료로서 메탄을 선택하지만 원리는 다른 탄화수소 연료의 양도.
2. 화학 양 론적 연소를위한 연료로 메탄 1 몰, 대차 식 (1)로 방정식을 얻을 수 (2).
   
   
3. 공기의 질량에 의해 메탄의 질량을 나눔으로써 화학량위한 연료 공기 비율 (F / A _stoich.) 메탄 연소를위한 수학 식 3과 같이 계산. 계산하려면 분자 메탄 배의 몰수 메탄의 몰 질량 (16g · 몰 ^-1)와 분모 산소 배의 몰수의 산소의 몰 질량 (32g · 몰 ^-1) 플러스 질소 배의 몰수 질소의 몰 질량 (28g · 몰 ^-1).
   
4. 당량비 (식 4)를 변화시키기 위해, 공기 유량, 연료 유량 또는 동시에 둘 다를. 일반적으로 수량 중 하나를 수정하고 다른 다릅니다. 버너의 연료 또는 공기 흐름 속도를 수정할지 여부를 결정합니다. 이 실험을 위해, 10 L / 분에서 연료 유속을 고정하고, 공기 유량이 설정에서 다양 할 수있다.
   
5. 고정 연료 유량, F (/ 분으로 10 L), F / A와 _금욕. (0.0583)을 계산하고, 당량비의 정의를 소정의 공기 유량을 계산 A, 각각의 당량비가 테스트 될 때까지. 식 (5) 각각의 당량비에 대한 L / 분으로 공기 유량을 산출하는 직접적인 방법을 제공하며, 그 결과를 화학량 1의 당량비를 위해 도시된다.
   
   참고 : 위 FLAMM기능 제한 (또는 폭발 상한값)는 촉매의 부재하에 화염 담금질없이 레코딩 할 수있는 부유 당량비이다. 더 높은 당량비는 촉매를 사용하여 수득 될 수 있지만, 비 촉매 연소는이 문서에서 설명된다. 선택된 연료에 대한 상부 가연성 한계를 평가하기 위해 문헌을 참조하십시오.

2. 연소 특성 실험 설정

1. 단계 150에서 획득 된 유량에 기초하여 메탄과 공기 질량 흐름 제어기 (MFC의)을 선택한다. MFC 크기를 선택할 때 MFC는 범위의 로우 엔드에서 작동되지 않습니다 (<풀 스케일 값의 10 %) 테스트 중에 않도록주의하십시오. 이 특정한 경우에, 각각 메탄과 공기, 40 L / 분 200 L / 분 MFC를 사용합니다.
2. 구리 튜브를 통해 메탄과 공기 탱크에 MFC를 연결합니다.
3. 지정된 MFC에 해당하는 압력에 메탄과 공기 탱크에 대한 규제를 설정제조업체가. 이 경우, 138 kPa로 (20 PSI)로 압력을 설정한다.
4. 정확한 유속을 보장하기 위해 MFC의 교정.
5. 연소실을 구성합니다. 이 실험을 위해, 연소실에게 168mm 출구 직경 길이 914mm을 개발한다.
   1. 연소 배기 가스 분석 및 연소 챔버의 길이를 따라 배치 열전대 드릴 포트. 필요한 정확한 개수 및 간격은 불꽃의 크기 및 실험의 목적에 의존한다. 이 설정의 경우, 공간 처음 5 열전대는 7mm 떨어져 연소 영역에 가장 가까운 위치. 공간 14mm 떨어져 최종 6 열전대. 배기 포트에 대해 동일한 간격을 사용한다.
   2. 포트 비아홀 연소실 내로 K 형 열전대를 삽입한다. 연소실의 중심에 열전쌍 팁 정렬. 크기 포트 구멍이 열전대에 맞게 고온 금속 페룰 누출을 방지하기 위해 너트로 밀봉한다.
6. 코네티컷요법 데이터 획득 모듈에 직접 K 형 열전대.
7. USB 드라이브를 통해 컴퓨터에 데이터 수집 모듈을 연결한다.
8. 즉시 연료 MFC 후 바로 버너 전에 구리 배관 경로에 일방향 밸브를 장착. 그 흐름은 멀리 MFC에서 이동할 수 있도록 밸브의 방향. 일방향 밸브는 플래시 백을 방지하기 위해 중요한 안전 장치이다.
9. 이전과 누수에 대한 MFC 설치 후 구리 튜브를 확인합니다. 누수가 거품을 생성하는 것처럼 누수를 감지하는 튜브에 브러시로 적용 비눗물을 사용합니다.
10. 구리 튜브를 통해 질량 유량 컨트롤러에 연소실과 버너를 연결합니다.
11. 연소실 설정을 완료 한 후, 테스트를위한 배기 포트 중 하나를 선택한다. GC의 분석 포트로 확장 구리 배관에이 포트를 연결합니다.
12. 연소실에서 배기를 끌어 후 분석을위한 GC로 밀어 주사기를 선택합니다. 이 실험 들어를 사용25 ml를 주사기.
13. GC의에 배기구를 연결하는 구리 배관 라인에 삼방 밸브를 배치했다. GC의 배기 포트에 제 2 및 제 25 ㎖ 주사기로 1/3 양방향 밸브의 한쪽 끝을 연결한다. 3 방 밸브에 구리 배관을 연결한다. 챔버에서 연소 배기 가스를 흡입 한 후 분석을위한 GC로 밀어 주사기를 사용합니다.
14. GC의 주사기에 3 방향 밸브를 연결합니다. 성공적인 작동을 보장하기 위해 주사기 플런저를 작동.
    주 : 설치의 개략도가도 1에 도시되어있다.

그림 1. 연소 특성 실험 장치 개략도. 연소 특성 실험 장치 개략적으로 보여주는 연료, 공기 및 배기 흐름 (검은 색 화살표) 및 데이터 흐름 (빨간색 화살표). 일방향 밸브는 플래시 백을 방지하기 위해 사용된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 연소 특성 실험

1. 테스트 전에 완전에서 주사기 플런저를 밀어 넣고, 배기 포트 측의 삼방 밸브를 연다.
2. 86.5 L / 분의 유속으로 제에 공기 MFC 돌려.
3. 10 L / min의 유량에서 메탄 MFC 돌려. 이 발화하기 쉬운 1.10의 혼합 당량비 약간 풍부한 혼합물을 생성한다.
4. 데이터 기록을 시작하기 위해 컴퓨터 모듈을 통해 열전대를 켭니다.
5. 라이터 부탄을 사용하여 연소 챔버의 단부에서 혼합물을 점화. 점화 후, 화염 버너 앞쪽 안정화한다.
6. 원하는 값으로 86.5 L / 분의 초기 값으로부터 서서히 공기의 유량을 조절함으로써 당량비를 조정한다. 너무 빨리 이동하지 않도록주의 또는 flammab의 외부 이동화염 담금질을 일으킬 것 ility 제한.
7. 온도가 안정 열전대 후 데이터 파일의 온도 값을 기록한다.
8. 마찬가지로, 상기 배기구로부터의 연소 배기 가스를 추출하기 위해 주사기 플런저를 당긴다.
9. 연소 배기 가스를 추출 후, GC 측으로 삼방 밸브를 개방하고, 배기 포트 측을 닫는다.
10. 완전히 닫히고 배기 모두가 GC로 전송되었습니다 때까지 주사기 플런저를 밀어 넣습니다.
11. GC의 포트를 연결하는 구리 배관 내의 잔류 가스가 모두 제거 될 때까지 반복 3.8-3.10 단계. 횟수를 나타내는 것이다 주사기의 체적에 비해 구리 튜브의 내부 용적의 간단한 분석이 반복 될 필요 3.8-3.10 단계.
12. 튜브의 모든 잔류 가스를 제거한 후 분석에 대한 최종 배기 샘플을 추출합니다. GC의에 배기 가스를 밀어 분석 모드 ^7,17로 GC를 켭니다.
13. 저장에 의한 GC 데이터를 기록GC 분석의 데이터를 포함한다.
14. 원하는 모든 동등한 비율이 테스트 될 때까지 반복 3.1-3.13 단계를 반복합니다.

모델 연소 배기 4. 개발

1. 동향을 관찰 할 수있는 연소 배기 종 볼륨 비율을 플롯.
2. 모델 연소 배기 가스에 대한 차단 농도 값을 결정합니다. 초기 MT-FFC 분석 모델 연소 배기 연료 개발에서, 구성 요소 만이 상당한 비율로 나타나는 (> 1 %) 모델 연료에 포함된다.
3. 모델 연료 배기 상당한 수소 및 일산화탄소 (각 구성 요소> 1 %)를 생성 만 동등한 비율을 선택한다.
4. 배기 가스 성분 회의 4.3의 조건마다 체적 율을 기록한다.

5. 연료 전지 테스트 설정

1. 각 가스의 유량 범위를 결정한다. t하여 GC 분석 결과로부터 얻어진 체적 율을 곱그 각각의 연료 전지에서의 바람직한 모델 연소 배기 가스의 유량을 총.
2. 각 종에 대한 최대 및 최소 유량을 결정하기 위해 각각의 연소 배기 종 유량의 범위를 평가한다.
3. 2.1 단계에서 설명한 동일한 원칙에 따라 선택 유량계.
4. 구리 배관을 통해 가스 탱크 유량계를 부착하여 검사 장치를 구축.
5. 유량계에 대한 소정 값에 가스 압력 조절기를 설정한다.
6. 가연성 기체를 사용하여 각 유량계의 하류 구리 튜빙 경로에 일방향 밸브를 배치했다.
7. 구리 배관 및 매니 폴드를 통해 함께 모든 유량계 출력 포트를 연결합니다.
8. 상기 연료 전지의 외부 직경보다 단지 큰 내경을 갖는 스틸 튜브의 내부에 미세 관형 SOFC를 설정한다. 세라믹 접착제를 사용하여 스틸 튜브에 연료 전지를 밀봉.
9. 세라믹 내화 m의 조각에 마이크로 관형 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)와 스틸 튜브를 연결합니다퍼니스에서 연료 전지를 유지하도록 aterial.
10. 양극에 2 선)과 음극 (2 와이어 마이크로 관형 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 연결된 현재의 수집 및 전압 감지 와이어 4 프로브 기술 ^{10, 11을} 사용합니다. 와이어가 서로 작성 반바지를 교차하지 않도록해야합니다.
11. 텐쇼 ^{10, 11의} 네 프로브에 네 개의 와이어를 연결합니다.
12. 컴퓨터 ^{10, 11에} 텐쇼를 연결합니다.
13. 마이크로 튜브형 SOFC 전해질 ^{(10, 11)의} 외관을 터치 팁과 노에 열전대를 놓습니다.
14. 데이터 수집 모듈에 열전대 와이어를 연결합니다.
15. USB 포트를 통해 컴퓨터에 데이터 수집 모듈을 연결한다.
    참고 :도 2는 MT-FFC 테스트 설정을 도시하는 개략도이다. 개발 모델 연료 및 연료 전지 모델의 연료 흐름을 제어하기위한 설정에 설정된 테스트는 종래의 F에 따라 진행할 수있다셀 테스트 방법 UEL. 이러한 방법은 잘 문헌에 설립하고 여기에 반복되지 않을 것이다.

도 2 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지 시험 설치 개략도. H _2, CO, CO _2의 흐름, N ₂ (검은 화살표)는 MFC 다시 플래시를 방지하는 일방향 밸브로 조절된다. 다시 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 전자의 텐쇼에로의 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)의 흐름 (녹색 선)합니다. 열전대 데이터 및 전기 데이터의 흐름이 빨간색 화살표로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

결과

연소 특성 챔버는 이전 테스트 동안 챔버 또는 다른 공기 누출에 공기의 역류에 대해 원하는 동등한 비율에서 테스트로 확인해야합니다. 오픈 챔버에서 연소 공정은 거의 등압 것으로 알려져있다. 그 결과, 연소실 내의 압력은 외부 환경으로부터의 공기가 상기 챔버 배출구 또는 다른 누설 지점에서 연소 챔버로 다시 흐르는 없다는 것을 보장하기에 충분하지 않을 수있다...

토론

여기서 설명하는 프로토콜은 이전의 연소 특성 연구와 연료 전지 시험 간의 중요한 브리지이다. 개질 연료 및 연료 전지 테스트 연소 사용 DFFC 셋업 ^10-15에 수년간 적용되었다. 그러나 DFFCs에서 연소 과정의 특성이 염 조성물 ^(16)의 원위치 특성화 주로 우려 MS 및 ^{8을 사용한다.} DFFC가 주위에 개방 된 바와 같이, 배기 조성물은 주로 물 및 CO ₍₂₎ 및 배기 특성이 ?...

자료

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