yanma Karakterizasyonu ve Model Yakıt Kalkınma Micro-tübüler Alev destekli Yakıt Hücreleri

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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.

Protokol

1. Yanma Hesaplamaları

1. analiz için yakıt seçin. Burada, referans yakıt olarak metan seçer, ancak prensipler diğer hidrokarbon yakıtlara devredilemez.
2. stokiyometrik yanma için yakıt olarak metan 1 mol, denge denklemi (1) ile denklemi elde etmek için (2).
   
   
3. Hava kütlesi ile metan kütlesini bölerek stokiyometrik için yakıt-hava oranını (F / A _stoich.) Metan yanması için Denklem 3'te olduğu gibi hesaplayın. Hesaplamak için, pay metan kez mol sayısı metan mol kütlesi (16 g · ^mol-1) ve payda oksijen kez mol sayısı oksijen mol kütlesi (32 g · ^mol-1) artı azot kez mol sayısı azot molar kütlesi (28 g · ^mol-1).
   
4. ekivalan oranının (denklem 4) değiştirilmesi için, hava akış hızı, yakıt akış hızı ya da aynı anda her ikisine birden değişir. Tipik olarak, miktarların birini düzeltmek ve diğer değişir. brülör yakıt veya hava debisini ya düzeltmek için belirleyin. Bu deney için, 10 L / dak yakıt akış hızı düzeltmek ve hava debisi bu kurulum değişir sağlar.
   
5. Sabit yakıt akış hızı, f, (/ dakika 10 L), F / A _soğukkanlı ile. (0.0583) hesaplanır ve ekivalan oranı tanımı verilen hava akış oranını hesaplamak A, her bir ekivalan oranı test edilmesi için. Denklem (5) Her denklik oranı L / dak hava akış oranını hesaplarken doğrudan bir yol sağlar ve sonuçları stokiyometri için 1 bir denklik oranı gösterilmiştir.
   
   NOT: Üst Flammkabiliyeti limiti (veya üst patlama limiti), bir katalizör olmadan alev söndürmesiz yanmış olabilir zengin ekivalan oranıdır. Daha yüksek ekivalan oranlarında bir katalizörün kullanımı ile elde edilebilir, ancak olmayan katalitik yanma bu yazıda açıklanmıştır. Seçilen yakıt için üst alevlenme sınırını değerlendirmek için literatürüne bakın.

2. Yanma Karakterizasyonu Deneysel Kurulum

1. Adım 1.5 elde edilen akış oranlarına dayalı metan ve hava için kütle akış kontrol (MFC) seçin. MFC boyutu seçilirken, MFC kendi aralığının düşük ucunda çalışan olmayacak (
2. bakır boru aracılığı ile metan ve hava tanklarına MFC'ler bağlayın.
3. belirtildiği gibi MFC için uygun basınca metan ve hava tanklarında regülatörleri ayarlayınüretici tarafından. Bu durumda, 138 kPa (20 psi) basıncı ayarlamak.
4. doğru akış oranları sağlamak için MFC'ler kalibre.
5. yanma odası oluşturmak. Bu deney için, bir yanma haznesi 168 mm çıkış çapı uzunluğunda 914 mm geliştirmek.
   1. yanma egzoz analizi için ve yanma odasının uzunluğu boyunca termokupl yerleştirilmesi için matkap bağlantı noktaları. gerekli kesin sayısı ve aralığı, alev büyüklüğü ve deney amaçları bağlıdır. Bu kurulum için, uzay ilk 5 termokupl 7 mm aralıklı yanma bölgeye yakın yerleştirilir. Uzay 14 mm aralıklı son 6 termokupl. Egzoz bağlantı noktaları için aynı mesafeyi kullanın.
   2. liman delikleri ile yanma odasına K-tipi termokupl yerleştirin. Yanma odasının ortasına termokupl ucu aynı hizaya getirin. Boyut liman delikleri termokupl uygun ve yüksek sıcaklık metal Ferüllü ve sızıntıyı önlemek için fındık ile mühür.
6. idarevb veri toplama modülüne doğrudan K-tipi termokupl.
7. USB sürücü ile bilgisayara veri toplama modülünü bağlayın.
8. hemen yakıt MFC sonra sadece brülör önce bakır boru yolu tek yönlü bir valf takın. Bu akış sadece birkaç MFC hareket böylece vana yönlendirmek. tek yönlü valfler flaş geri önlemek için önemli bir güvenlik özelliğidir.
9. öncesi ve sızıntılara karşı MFC kurulumundan sonra bakır boru kontrol edin. sızıntı kabarcıklar oluşturmak gibi sızıntıları tespit etmek için boru bir fırça ile uygulanır sabunlu su kullanın.
10. bakır boru aracılığı ile kütle akış kontrol için yanma odası ve brülör bağlayın.
11. Yanma odası kurulumu tamamladıktan sonra, test için egzoz bağlantı noktalarından birini seçin. GC analizi noktasına uzanan bakır boru için bu porta bağlayın.
12. Yanma odasından egzoz çekin ve daha sonra analiz için GC içine itmek için bir şırınga seçin. Bu deney için, bir kullanımı25 ml şırınga.
13. GC egzoz bağlantı portu, bakır boru ile uygun olarak, üç yönlü bir valf yerleştirin. GC, egzoz portuna ikinci ve 25 ml şırınga üçüncü iki yollu vana bir ucunu. 3-yollu vana bakır boru bağlayın. odasından yanma egzoz emmek ve sonra analiz için GC içine itmek için şırınga kullanın.
14. GC ve şırıngaya 3-yollu vanayı bağlayın. Başarılı çalışmasını sağlamak için şırınga pistonu harekete.
    Not: bir düzeneğin basitleştirilmiş şematik, Şekil 1 'de gösterilmiştir.

Şekil 1. Yanma karakterizasyonu deney düzeneği şematik. Yanma karakterizasyonu deney düzeneği şematik gösteren yakıt, hava ve egzoz akımları (siyah oklar) ve veri akışları (kırmızı oklar). Tek yönlü vanalar flaş geri önlemek için kullanılır. bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

3. Yanma Karakterizasyonu Deneyi

1. Testten önce, tam olarak şırınga pistonu itmek ve egzoz portu tarafında üç yollu vanasını açın.
2. 86.5 L / dakika bir akış hızında ilk hava MFC açın.
3. 10 L / dakikalık bir akış hızı ile metan MFC açın. Bu tutuşturmak daha kolaydır 1.10 bir önceden karıştırılmış denklik oranı, biraz zengin bir karışım oluşturur.
4. kayıt verilerini başlamak için bilgisayar modülü üzerinden ısıl açın.
5. hafif bütan kullanarak yanma odası sonunda karışımını ateşlemek. Kontak açıldıktan sonra alev brülör ön stabilize edilmelidir.
6. istenen değere 86.5 L / dakika başlangıç ​​değerinden yavaş havanın akış hızını ayarlayarak toluilen ayarlayın. Çok hızlı hareket etmeye özen gösterin ya da flammab dışına gitmekalev söndürme neden olur ility sınırlar.
7. sıcaklıklar stabilize termokupl sonra bir veri dosyasında sıcaklık okuma kaydedin.
8. Bir kez daha, egzoz limanından yanma egzoz ayıklamak için şırınga pistonu çekin.
9. Yanma egzoz ayıkladıktan sonra, GC tarafına üç yollu vanasını açın ve egzoz portu tarafını kapatın.
10. tamamen kapanır ve egzoz tüm GC gönderildi kadar şırınga pistonu itin.
11. GC bağlantı noktasını bağlayan bakır boru artık gazların tüm çıkarılana kadar tekrarlayın 3.8-3.10 adımları. kaç kez gösterecektir şırınga hacmine göre bakır boru iç hacminin basit bir analizi tekrarlanması için 3,8-3,10 ihtiyacını adımları.
12. boru içinde kalan tüm gazların çıkarılması sonra analiz için son bir egzoz numunesi alır. GC içine egzoz gazını itin ve analiz modu ^7,17 GC çevirin.
13. kaydederek GC verilerini kaydetmekGC analizi verileri.
14. İstenen tüm denklik oranları test kadar tekrarlayın 3.1-3.13 adımları.

Model Yanma Egzoz 4. Kalkınma

1. eğilimleri gözlemlemek için yanma egzoz tür hacim yüzdesi çizilir.
2. Model yanma egzoz kesilmiş konsantrasyon değerini belirler. Başlangıç ​​MT-FFC analiz için örnek bir yanma atık yakıt geliştirirken, sadece parçalar önemli oranlarda ortaya çıkan (>% 1) modeli yakıt dahil edilir.
3. Model yakıt için egzoz önemli hidrojen ve karbon monoksit (her bir bileşen için>% 1) oluşturmak yalnızca denklik oranlarını seçin.
4. Egzoz gazı bileşenleri toplantının 4.3 kriterleri her biri için ses yüzdesini kaydedin.

5. Yakıt Hücresi Test Kurulumu

1. Her gaz için akış hızı aralıklarını belirleyin. t GC analizi sonuçlarından elde edilen hacim yüzdesi çarpınO her bir yakıt hücre içinde istenen model yanma egzoz akış hızını toplam.
2. her tür için maksimum ve minimum akış belirlemek için her yanma egzoz türler için akış hızlarının aralığı değerlendirin.
3. Adım 2.1 açıklanan aynı esaslara göre seçin akış metre.
4. bakır boru aracılığı ile gaz tankları akış metre takarak test cihazı oluşturun.
5. akış ölçerler için öngörülen değere gaz basınç regülatörleri ayarlayın.
6. yanıcı bir gaz kullanılarak, her bir akış metre aşağı doğru, bakır boru yolu, tek yönlü valfler yerleştirin.
7. bakır boru ve bir manifoldu yoluyla hep birlikte debimetre çıkış portları bağlayın.
8. Yakıt hücresinin dış çapından biraz daha büyük bir iç çapa sahip olan çelik borunun içine mikro-tüp şeklindeki SOFC ayarlayın. seramik yapıştırıcı kullanılarak çelik boru için yakıt hücresi mühür.
9. Seramik refrakter m parçasına mikro boru SOFC çelik boru iletişimefırında yakıt hücresi tutmak aterial.
10. Anot 2 teller ve katot üzerinde 2 kablo ile mikro tübüler SOFC bağlı akım toplama ve gerilim duygusu telleri ile 4 prob tekniği ^10,11 yararlanın. teller birbirine oluşturarak şort geçmemesine dikkat edin.
11. Potentiyostat ^10,11 dört prob dört teli bağlayın.
12. Bilgisayara ^10,11 ile potansiyostatı bağlayın.
13. Mikro tübüler SOFC elektrolit ^10,11 dışını dokunmadan ucu ile fırında bir termokupl yerleştirin.
14. veri toplama modülüne termokupl kablolarını takın.
15. USB portundan bilgisayara veri toplama modülünü bağlayın.
    Not: Şekil 2, MT-FFC test kurulumu gösteren basitleştirilmiş bir şemasıdır. geliştirilen model yakıt ve yakıt hücresine modeli, yakıt akışını kontrol etmek için kurulan kurulum ile, test alışılmış f göre gerçekleştirilebilirHücre test yöntemleri UEL. Bu yöntemler literatürde iyi kurulmuş ve burada tekrar edilmeyecektir.

Şekil 2. Mikro tübüler alev destekli yakıt hücresi test kurulum şematik. H _2, CO, CO ₂ Akımları, _N2 (siyah oklar) Bir MFC ve geri flaş önlemek için tek yönlü vana ile düzenlenir. geri SOFC için Elektronlar potentiyostat için fırında SOFC akış (yeşil hat) ve. Termokupl verileri ve elektrokimyasal veri akışı kırmızı oklarla temsil edilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Sonuçlar

Yanma karakterizasyonu odası öncesinde test sırasında odası veya diğer hava kaçağı içine hava geri akışı için istenen denklik oranlarında test kontrol edilmelidir. Açık odalarında yanma süreçleri neredeyse izobarik olduğu bilinmektedir. Bunun bir sonucu olarak, yanma odası içindeki basınç, dış ortamdan hava bölmesi, egzoz bağlantı veya başka bir sızıntı noktalarından yanma odasına geri akan olmasını sağlamak için yeterli olmayabilir. hiçbir geri a...

Tartışmalar

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

Malzemeler

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