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Engineering

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

Published: October 2, 2016 doi: 10.3791/54638

Introduction

技術が発展し続けている固体酸化物形燃料電池(SOFC)の技術革新は、近年報告されています。多くの利点の中で、SOFCのは、他の燃焼ベースの発電技術1に比べて低燃費、低排出ガスと適度な燃料柔軟性のために知られるようになりました。また、SOFCのは、小さなスケールで高い燃料効率を可能にするスケーラブルです。残念ながら、現在の水素インフラの制限は、多くの場合、非効率的である燃料改質システムの必要性を作成しました。最近の開発は、著者の前作2で報告されたマイクロ管状火炎補助燃料電池(MT-FFC)です。 MT-FFC燃焼3を介して改質発熱及び燃料を提供し、元の直接火炎型燃料電池(DFFC)の利点に基づいて構築火炎補助燃料電池(FFC)の最初の例です。 DFFCのセットアップは、周囲ENVIRに開放炎と直接接触してSOFCを配置しますonment。火炎は、部分的に純粋なメタンまたは他の重質炭化水素に比べて炭素コークス化にはあまり可能性を有するSOFCに直接使用することができるH 2およびCOを生成するために、より重い炭化水素燃料を酸化します。また、火炎がその動作温度にSOFCをもたらすために必要な熱エネルギーを提供します。元DFFCへの最近の変更は、火炎領域のうち、SOFCを移動し、FFC 2を作成するために、SOFCに燃焼排気をチャネリングすることによって発生しました。空気比に対して燃料を制御することができ、排気が直接完全燃焼が発生することなく、燃料電池に供給することができるようにDFFC異なり、燃焼が(代わりに、周囲の)部分的に囲まれたチャンバー内で起こります。 FFCはDFFCs 2と比較して高い燃料利用率と高い電気効率などの追加の利点を有しています。

研究の新興分野としては、必要とされている実験技術MT-FFの可能性を評価することができ将来の発電用途のためにCS。これらの技術は、CO 2とH 2 Oと一緒に、部分酸化、又は燃料リッチ燃焼、及びまた合成ガスとして知られているH 2およびCOを生成する方法として同定された排気ガスの分析を必要とします合成ガスは、発電用燃料電池に直接使用することができます。燃料リッチ燃焼排ガスの分析はよく近年確立され、多くの異なる目的のために、理論的に4、計算5,6及び実験7行われています。理論および計算の研究の多くは、反応機構のための燃焼生成物のエネルギー的に有利な種、および反応速度論モデルを評価するために、化学平衡分析(CEA)に依存していました。これらのメソッドは非常に有用であったが、多くの新興技術が研究開発中に実験技術に依存してきました。実験技術は、典型的には、アナに依存しますガスクロマトグラフ(GC)7または質量分析計(MS)のいずれかを使用して燃焼排ガスの溶解8。 GC線/注射器またはMSプローブのいずれかは、燃焼排ガス中に挿入され、測定値は、種の濃度を評価するために取られます。実験技術の適用は、小規模発電の分野で一般的でした。いくつかの例は、シングルチャンバ型SOFC 7,9及びDFFCs 10~15で動作するように開発されてきたマイクロ燃焼器を含みます。燃焼排ガスの分析は、異なる温度、流量および当量比を含む広範囲の動作条件の下で起こります。

DFFC研究の分野では、燃料と酸化剤は、完全燃焼を確実に周囲に開放バーナーで、部分的に予混合または非予混合することができます。火炎の組成を分析する必要性と、MSはDFFC研究および燃焼分析16のために多くの例で使用されています。 FFCのより最近の開発は、燃料の完全酸化を防止するために、部分的に囲まれた環境でバーナーで予混合燃焼に頼ることによって異なります。その結果、空気漏れのない制御された環境での燃焼排ガスの分析が必要とされています。この目的のために開発された実験技術は、様々な当量比での燃焼排気のGC分析とマイクロ燃焼器の研究のために使用される以前の技術に依存しています。 GC分析は、燃焼排ガス組成物の特性をもたらす( すなわち 、CO 2を含む各排気成分の体積%、H 2 O、N 2 )この分析は、によって測定比に従って別個のガスの混合を可能にしますGCは将来のFFCの研究のためのモデル燃料リッチ燃焼排気を作成します。

、燃料リッチ燃焼排ガスを分析するモデルの燃料リッチ燃焼排気を開発し、適用するためのプロトコルSOFCのテストのために排気をるが、本論文で確立されています。共通の課題と制限は、これらの技術のために議論されています。

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Protocol

1.燃焼計算

  1. 分析のための燃料を選択します。ここで、基準燃料としてメタンを選択しますが、原則は、他の炭化水素燃料に譲渡することはできません。
  2. ストイキ燃焼用の燃料としてメタン1モル、バランス式(1)で式を取得する(2)。
    式(1)
    式(2)
  3. 空気の質量によってメタンの質量を除することにより、化学量論のための燃空比(F / ストイキ。)メタン燃焼のための式(3)のように計算します。計算するために、分子は、メタン倍のモル数のメタンのモル質量(15・Gモル-1)であり、分母は、酸素倍のモル数の酸素のモル質量(32・Gモル-1)プラス窒素倍のモル数の窒素のモル質量(29・Gモル-1)。
    式3
  4. 当量比(式4)を変化させるために、空気流量、燃料流量、または同時に両方を変化させます。一般的に、数量の1を固定し、他を変えます。バーナー用の燃料や空気流量のいずれかを修正するかどうかを決定します。この実験では、10 L /分で燃料流量を固定し、空気流量がこの設定で変化することを可能にします。
    式4
  5. 固定された燃料流量、F、(10L /分)、F / ストイック有します。計算された(0.0583)、および当量比の定義が与えられ、空気流量を算出し、試験すべきそれぞれの当量比のために。式(5)それぞれの当量比はL /分の空気流量を計算する直接的な方法を提供し、その結果を化学量論は1の当量比について示されています。
    式(5)
    注:上部フラム能力制限(または上爆発限界)は、触媒の非存在下で火炎を消光することなく燃焼させることができる豊かな当量比です。高い当量比は、触媒の使用を得ることができるが、唯一の非触媒燃焼は、この論文に記載されています。選択された燃料の上限可燃限界を評価するための文献を参照してください。

2.燃焼特性評価実験のセットアップ

  1. ステップ1.5で得られた流量に基づいて、メタンと空気のためのマスフローコントローラ(MFCの)を選択します。テスト中にMFCがその範囲のローエンドで動作されないことを確実にするために(フルスケール値の<10%)をMFCのサイズを選択するときは注意してください。この特定のケースでは、それぞれ、メタンと空気を40リットル/分および200リットル/分のMFCを使用します。
  2. 銅管を経由してメタンと空気タンクにマスフローコントローラを接続します。
  3. 指定されているMFCのための適切な圧力にメタンと空気タンク上のレギュレータを設定メーカーによります。この場合、138キロパスカル(20 PSI)に圧力を設定します。
  4. 正確な流量を確保するためのMFCを校正。
  5. 燃焼室を構築します。この実験では、燃焼室168ミリメートル出口直径と長914ミリ開発します。
    1. 燃焼室の長さに沿って燃焼排ガス分析および熱電対の配置のためのポートをドリル。必要な正確な数と間隔は、炎の大きさと実験の目的に依存します。この設定の場合、空間最初の5の熱電対は、7ミリメートル離れて燃焼領域に最も近いを置きました。スペース最終6熱電対離れて14ミリメートル。排気ポートに同じ間隔を使用してください。
    2. ポートホールを介して燃焼室にK型熱電対を挿入します。燃焼室の中央に熱電対の先端を合わせます。サイズポート孔は、熱電対にフィットし、高温金属フェルールと漏れを防止するナットでシールします。
  6. コンECTデータ収集モジュールに直接的にK型熱電対。
  7. USBドライブを介してコンピュータにデータ取得モジュールを接続します。
  8. 直ちに燃料MFC後、ちょうどバーナーの前に銅管路内の一方向弁を取り付けます。オリエントその流れがMFCから離れることができるようにバルブ。一方向弁は、フラッシュバックを防止するための安全上重要な機能です。
  9. 漏れがないMFCのセットアップの前と後の銅管を確認してください。漏れが泡を作ると同じようにリークを検出するために、チューブにブラシで適用される石鹸水を使用してください。
  10. 銅管を介してマスフローコントローラに燃焼室と、バーナーを接続します。
  11. 燃焼室のセットアップが完了した後、試験用の排気ポートのいずれかを選択します。 GC分析ポートに拡張する銅管にこのポートを接続します。
  12. 燃焼室から排気を引き出し、その後、分析のためのGCにそれをプッシュするために注射器を選択します。この実験では、使用25mlのシリンジ。
  13. GCに排気ポートを接続する銅管に沿って三方弁を配置します。 GC、排気口に第25ミリリットル注射器に第三に二方弁の一方の端を接続します。 3ウェイバルブに銅管を接続します。室からの燃焼排ガスを吸うし、その後の分析のためのGCにそれをプッシュするために注射器を使用してください。
  14. GCおよび注射器に3方向バルブを接続してください。正常な動作を保証するために、シリンジプランジャを作動させます。
    注:設定の簡略図を図1に示されています。

図1
図1.燃焼特性評価実験の概略図。燃焼特性評価実験を示す概略図燃料、空気及び排気の流れ(黒矢印)と、データ・フロー(赤い矢印)。一方向弁は、フラッシュバックを防ぐために使用されます。

3.燃焼特性評価実験

  1. 試験前に、完全にシリンジプランジャーを押すと排気口側の三方弁を開きます。
  2. 86.5リットル/分の流量に最初のエアMFCをオンにします。
  3. 10リットル/分の流量に上メタンMFCをオンにします。これは、発火しやすいです1.10の予混合当量比、少しリッチな混合物を作成します。
  4. 記録データを開始するために、コンピュータモジュールを介して熱電対をオンにします。
  5. ブタンライターを用いて燃焼室の端部に混合物を点火します。点火後、炎がバーナーフロントで安定する必要があります。
  6. 所望の値に86.5リットル/分の初期値から徐々に空気の流量を調整することにより、当量比を調整します。あまりにも速く移動またはflammabの外に出ないように注意してください消炎を引き起こすilityを制限します。
  7. 熱電対の温度が安定した後、データファイルを読み込む温度を記録します。
  8. もう一度、排気ポートから燃焼排気ガスを抽出するために、シリンジのプランジャーを引きます。
  9. 燃焼排ガスを抽出した後、GC側に三方弁を開いて排気口側を閉じます。
  10. それは完全に閉じ、排気のすべてがGCに送信されてきたまではシリンジプランジャを押してください。
  11. GCへのポートを接続する銅管の残留ガスの全てが除去されるまで繰り返して、3.8から3.10を繰り返します。注射器の容積に比べて銅管の内部容積の単純な分析が繰り返されるべき3.8から3.10の必要性をステップ回数を示します。
  12. チューブ内のすべての残留ガスを除去した後、分析のための最終的な排気サンプルを抽出します。 GCに排気ガスを押して、分析モード7,17にGCの電源を入れます。
  13. 保存することで、GCデータを記録GC分析データ。
  14. 全ての所望の当量比がテストされるまで繰り返し、3.1から3.13を繰り返します。

モデル燃焼排気の4開発

  1. トレンドを観察する燃焼排ガス種の体積分率をプロットします。
  2. モデル燃焼排気のためのカットオフ濃度値を決定します。初期MT-FFC分析のためのモデル燃焼排ガスを燃料の開発に、かなりの割合(> 1%)に現れるだけのコンポーネントがモデル燃料に含まれています。
  3. モデル燃料の排気が大幅に水素と一酸化炭素(各成分について> 1%)を生成のみ当量比を選択します。
  4. 4.3の条件を満たし、排気ガス成分のそれぞれの音量の割合を記録します。

5.燃料電池のテストのセットアップ

  1. 各ガスの流量範囲を決定します。 tでGC分析結果から得られる体積百分率を掛け彼は、各燃料電池内の所望のモデル燃焼排ガスの流量を合計します。
  2. それぞれの種のための最大および最小流量を決定するために各燃焼排ガス種に対する流量の範囲を評価します。
  3. ステップ2.1で説明したのと同じ原理に基づいて流量計を選択します。
  4. 銅管を介してガスのタンクに流量計を取り付けることにより、試験装置を構築します。
  5. 流量計のための規定値へのガスの圧力調整器を設定します。
  6. 可燃性ガスを使用して、各流量計の下流の銅管路内に一方向弁を配置します。
  7. 銅管とマニホールドを介して一緒にすべての流量計の出口ポートを接続します。
  8. 燃料電池の外径よりもわずかに大きい内径を有する鋼管の内側にマイクロチューブ状SOFCを設定します。セラミック接着剤を用いた鋼管の燃料電池をシールします。
  9. セラミック耐火メートルの片にマイクロチューブ状SOFCとスチールチューブを接続します炉内の燃料電池を保持するaterial。
  10. アノード上の2ワイヤとカソード上の2線を有するマイクロチューブ状SOFCに接続された電流収集および電圧センスワイヤで4プローブ法10,11を利用しています。ワイヤが互いに作成ショーツ交差しないことを確認してください。
  11. ポテンショスタット10,11の4つのプローブに4本のワイヤを接続します。
  12. コンピュータ10,11にポテンショスタットを接続します。
  13. マイクロチューブ状SOFC電解質10,11の外側に触れる先端で炉内に熱電対を配置します。
  14. データ取得モジュールに熱電対のワイヤを取り付けます。
  15. USBポートを介してコンピュータにデータ収集モジュールを接続します。
    メモ: 図2は、MT-FFCテストのセットアップを簡略化して示す概略図です。開発されたモデルの燃料と燃料電池のモデル燃料の流れを制御するための確立された設定で、検査は、従来Fに従って進めることができますUEL細胞試験方法。これらの方法は、文献に十分に確立されており、ここでは繰り返しません。

図2
図2マイクロ管状火炎補助燃料電池試験のセットアップ概略図でH 2、CO、CO 2の流れ、N 2(黒矢印)は、MFCとフラッシュバックを防止するための一方向弁で調節されます。バックSOFCへのポテンショスタットとする炉内のSOFCからの電子の流れ(緑線)。熱電対のデータおよび電気化学的データの流れは、赤い矢印で表されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Representative Results

燃焼特性評価室は試験中のチャンバまたは他の空気漏れへの空気の逆流のための所望の当量比で試験前にチェックする必要があります。開いたチャンバ内の燃焼プロセスはほぼ同重体であることが知られています。その結果、燃焼室内の圧力は、外部環境からの空気は、チャンバの排気ポートまたは他の漏電点から燃焼室内に逆流しないことを保証するのに十分ではないかもしれません。何の逆流が発生していないことを確認するには、いくつかの実験的な技術があります。まず、非触媒バーナーのために、リッチ燃焼限界は、多くの燃料18,19のために確立されています。それは豊富な可燃限界に近づくまで点火した後、フローの当量比が徐々に調整されるべきです。リッチ可燃限界が消炎せずに大幅に超えることができる場合には、空気は、Tに逆流されるという証拠があります彼は、所望よりもリーン混合物が得られ、燃焼室3は 、1.85の当量比にドライメタン燃焼排気アップのために得られた最初の結果を示す図3に表示されていないが、炎が3.97の当量比にまで急冷しませんでした。 3.97の当量比を得るだけ1.64報告18のリッチ可燃限界、非触媒燃焼では不可能です。これらの結果は、そこに空気漏れが燃焼室内にあり、可能なソースは、排気口からの逆流であることを示しています。

図3
燃焼室への空気の逆流を防止する前に、図3 の初期燃焼排ガス特性決定。分析結果は、種のランダムな変動を示します。期待の傾向からのずれが不適切なミックスのいずれかを示し、INGや空気漏れ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

燃焼のための燃焼性の上限の検討は、逆流をチェックするための唯一の方法ではありません。 図3から第2の指示は、排気種のいくつかのための傾向が予想される傾向に従わないということです。 CEAは、温度、圧力、および当量比の異なる条件下でエネルギー的に好都合である製品に基づいて燃焼生成物を評価するために使用される一般的な技術です。 CEAは、この実験で観測可能であるべきである傾向を評価する方法を提供します。一般的な燃料の異なるCEA結果は、文献に見出すことができるか、このタスクのために開発されたソフトウェア・プログラムを使用して評価することができる。 図4をドライメタンcombustiにおける主要種に対するCEAの結果を示します排気上。ほとんど全ての排気種が予想される傾向から、図3ずれに示されているが、O 2は、おそらく最も重要です。そのほとんどは、燃焼生成物を形成するために、燃焼中に消費されるべきである1より大きい当量比で、非常に少ないO 2が期待されます。 O 2濃度は、当量比を低下させるために比べ1.75と1.85の当量比でO 2のより高い量を求める範囲の中で最も低くなり、一方は予想されません。これは、不完全な混合または燃焼室にO 2の逆流のいずれかの可能性の指標です。また、この範囲にわたって1体積%以上でCH 4を検出することもまた、不完全な混合の可能性を示すものです。 CEAの結果との比較を介して、トレンド分析は空気または可能な混合問題の逆流があるかどうかを示すことができます。

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図4 燃焼のメタン/空気製品の化学平衡分析化学平衡分析(CEA)の結果は、別の当量比における排気ガス組成物の熱力学的平衡の予測を示します。実験データは完全に一致していませんが、CEAは、予想される傾向の指標を提供する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

燃焼室の排気の空気の逆流を検出し、ディスカッションセクションで説明したように、燃焼室の排気口の一部をブロックすることによって防止されました。燃焼室の排気口の一部を遮断した後、リッチ燃焼限界は、燃焼室は約1.45の当量比を有していました。逆流を防止するとともに、燃焼排気は、 表1に示した当量比と燃料及び空気流量で評価した。 表1に示した流量は、プロトコルのステップ1.5において得られた式(5)を用いて、 図5は、乾式燃焼排ガス特性評価の結果を示します表1に示す条件。 図5は、これは結果のいくつかの検証を提供します。実際の傾向は、図4に示すCEAの結果と同等であることを確認します。しかし、1.45の当量比でCO 2など、CEAのトレンドから外れいくつかのポイントがあります。 1.45の当量比での誤差の一部は、燃焼器が排気サンプル中の火炎中での不安定性、可能焼入れおよび偏差をもたらすことができるリッチ燃焼限界近くで動作していることです。分析結果の再現性と正確性を確保するために繰り返されるべきです。豊富な-FL未満で動作(この設定では1.4の最大当量比の周りなど、)室のammability限界が推奨されます。

等量比 メタン流量(L /分) 空気流量(L /分)
0.80 10 119.0
0.90 10 105.8
1.00 10 95.0
1.05 10 90.6
1.10 10 86.5
1.15 10 82.8
1.20 10 79.3
1.25 10 76.1
1.30 10 73.2
1.35 70.5
1.40 10 68.0
1.45 10 65.7

変化する当量比で、表1燃焼特性化メタンと空気流量を求め流量の計算は、プロトコルのセクション1に記載されています。式(5)は、当量比と固定メタンの流量に基づいて空気流量を計算するために使用されます。

図5
メタン/空気燃焼排ガスから 図5 の燃焼特性評価分析。燃焼室への空気の逆流を防止した後に得られた改良された結果。傾向は結果の精度に自信を与えるCEAの予測に似ています。の複数のテスト期待の傾向からの逸脱が発生したときに排気が必要になることがあります。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

燃焼排気がリッチ可燃限界まで特徴付けられて、モデル燃焼排ガスは、MT-FFCの試験のために開発することができます。モデル燃焼排気ガスの開発は、排気種が研究のために最も関連しているその上に依存しています。たFFCの初期の研究では、主な関心は、電気化学的エネルギー変換のために利用可能な燃料の比較的少量の燃焼排ガス中の燃料電池の性能特性を理解しています。これらの特性は、ピーク電力密度、電流密度、開放電圧、燃料利用率および異なる当量比での効率及び動作温度を含みます。比較的小さい燃料濃度で動作させることは、Oであります多くの燃料電池は、燃料の高濃度及びCO 2、H 2 O及びとりわけ不活性ガスを含む他のガスの低濃度で動作としてたFFCを区別主な機能のNE。この評価を行うために1%以上の容量パーセントとの燃焼特性評価で検出された唯一のガスはモデル燃焼排ガスに含まれていました。その結果、唯一のH 2、CO、CO 2およびN 2は、メタン燃焼のモデル燃料リッチ燃焼排ガスを開発するために必要であった。 表2は、燃焼特性評価の評価の結果を示します。 300 ml /分の燃料電池のアノード側の合計流量は、それぞれの種の流量は、 表2に示されています

等量比 H 2体積% H -1) CO体積% CO(ミリリットル・分-1) CO 2体積% CO 2(ミリリットル・分-1) N 2体積% N 2(ミリリットル・分-1) 合計(ミリリットル・分-1)
1.10 1.1 3.2 2.4 7.2 11.3 34.0 85.2 255.6 300
1.15 1.8 5.4 3.2 9.7 10.6 31.9 84.4 253.1 300
1.20 4.3 12.9 4.6 13.8 10.0 29.9 81.1 243.4 300
1.25 6.4 19.1 5.6 16.7 9.2 27.6 78.9 236.6 300
1.30 8.0 24.0 6.5 19.5 8.5 25.6 77.0 230.9 300
1.35 11.5 34.6 8.0 24.1 8.3 24.8 72.2 216.5 300
1.40 12.4 37.3 8.7 26.2 7.6 22.7 71.3 213.8 300

表2 モデル燃焼排ガスの組成及び流量の燃焼特性評価のために得られた実験結果は、ボリュームPとして示されています検出された種のercents。燃料電池のためのモデル燃料リッチ燃焼排ガスの総流量300 ml /分に設定しました。それぞれの個々の種の流量は、全流量及びそれぞれの種の体積%を乗じて算出されます。

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Discussion

ここで説明するプロトコルは、前回の燃焼特性評価の研究と燃料電池試験の間の重要な橋です。燃料改質燃料電池試験用の燃焼の使用はDFFCセットアップ10-15に数年間適用されています。しかし、DFFCsにおける燃焼プロセスの特性は、火炎組成物16 のその場キャラクタリゼーションと主に関係しているとMS 8を使用しいます。 DFFCが周囲に開放されているように、排気組成物は、水とCO 2の大部分が構成され、排気の特徴付けは必要ありません。部分的に囲まれたチャンバー内で燃焼排ガスを特徴付けるための手順を最新のFFCの概念を開発するために( すなわち 、燃料-空気比を維持するものが)必要とされます。代わりにMSを使用しての、GCは、燃焼排ガス分析7に適用可能です。排気を特徴付けるた後、このEXH内に燃料電池を試験するための簡単な方法アウストが必要です。それは、完全に統合されたバーナーと、燃料電池試験装置を開発することは可能であるが、この手順は、種々の排気組成を有する燃料電池の性能の科学的調査のために適用することができる単純な最初のステップを提供します。燃焼特性評価手法が一般的であるが、FFCの研究への応用は重要な開発です。

この手順の中で最も重要なステップは、適切な安全措置が点火前に採取されたことを確認するためにあります。そして燃焼室に空気漏れがないことを確認します。一方向弁、および/または火炎アレスタならびに高温材料の使用は、装置や研究者の安全のために重要です。結果のセクションに示したように、燃焼室へ逆流または空気の他の漏れがある場合、誤った結果の広い範囲が発生する可能性があります。この逆流は、混合物の当量比を変化させ、異なる作成することができ図3に示すような結果を作成するパターンを混合します。

燃焼室への空気の存在する場合、逆流を決定するための2つの方法が既に記載されているが、これが発生しているかどうかを決定する第三の方法があります。炎は空気のためのMFCをオフにすると燃え続ける場合、このメソッドは、単純に評価します。この予混合燃焼プロセス中に燃焼反応のための唯一の空気はMFCを介して供給されます。燃料に残したまま点火後、空気の供給をオフにすることができます。火炎は、空気の非存在下で消滅します。燃焼が継続する場合には、逆流空気のを燃焼室内に発生しています。空気の流れは、バック燃焼室内に存在することを決定した後、空気の逆流を防止することに進む前に必要です。問題を修正することは比較的シンプルにすることができます。燃焼排気は、燃焼の上部に上昇する原因となる、熱いので、少ない浮力でありますチャンバー。チャンバ端部への空気の任意の逆流は、チャンバの底部に発生します。燃焼室の排気口の底部を遮断した後、上述の3つの技術には、空気がチャンバ内に逆流されないことを確実にするために再度実行することができます。この説明では、チャンバはすでに漏れをチェックされていることを前提としています。完全な混合はまた、検出されたメタンは微量であり、GCの測定が再現可能であることを保証することによって検証されるべきです。

燃焼排ガスを特徴付けるモデル燃焼排ガス組成物を開発した後、燃料電池試験用のアプリケーションの範囲が存在します。プロトコルセクションは、マイクロチューブ状SOFCのテストのためのこの技術の特定のアプリケーションを記述します。しかしながら、同じ基本的な手順は、平面より大きな管状のSOFCを含む他の燃料電池の形状をテストするために適用することができます。プロトコルはまた、幾何学的形状のいずれかのスタック設計のテストにも及びます。加えてプロトコルは、燃料としてメタンに限定されるものではありません。この方法はまた、燃料リッチ燃焼プロセスからH 2およびCOの生成のための重要な可能性を有する他のアルカンおよびアルコール燃料に拡張することができます。

記載されているプロトコルは、そののFFCのさらなる発展、多くのアプリケーションがありますが、この手法には限界があります。プロトコルは、異なる燃料リッチ燃焼プロセスと燃料で作動のSOFCの可能性を試験するために確立されています。燃料電池は、モデル燃料リッチ排気中の動作時の電位が観察されます。具体的には、有望な性能の重要な指標は、高電力密度、電流密度は、燃料利用率及び燃料電池において達成開回路電圧を含みます。しかし、存在する唯一の最も重要な種とモデル燃料の開発を行うことができる研究を制限します。例えば、長期試験のためのモデル燃焼排ガス中のSOFCを操作することは可能ですが、私tは、燃料電池の実際の長期的性能特性の最良の指標を提供しないかもしれません。長期的には、燃焼排ガス中の微量の種のいくつかは、SOFCの性能に有害になることがあります。これらの結果をテストすることは、実際のバーナーと完全燃焼排ガスとのSOFCの完全な統合を必要とします。これらの制限が存在するが、この技術はまだ発電の将来の源としてのFFCのパフォーマンスと可能性を評価するシンプルかつ制御手段を提供します。

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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

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References

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工学号116、マイクロ管状火炎補助燃料電池、マイクロ管状固体酸化物燃料電池、燃料リッチ燃焼、部分的酸化、燃焼特性評価、ガスクロマトグラフ、機械工学
マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発
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Milcarek, R. J., Garrett, M. J.,More

Milcarek, R. J., Garrett, M. J., Baskaran, A., Ahn, J. Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells. J. Vis. Exp. (116), e54638, doi:10.3791/54638 (2016).

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