Introduction
Faststoffoksidbrenselcelle (SOFC) nyvinninger er rapportert i de siste årene etter hvert som teknologien fortsetter å utvikle seg. Blant de mange fordeler, har SOFCs blitt kjent for høy drivstoffeffektivitet, lave utslipp og moderat drivstoff fleksibilitet i forhold til andre forbrennings basert kraftproduksjon teknikker 1. Videre SOFC er skalerbar slik at for høy drivstoffeffektivitet selv på små skalaer. Dessverre har begrensningene i nåværende hydrogeninfrastruktur skapt et behov for brenselreformersystemer som ofte er ineffektive. En ny utvikling er mikro-rørformet flamme-assistert brenselcelle (mT-FFC) rapporterte i forfatterens tidligere arbeid 2. MT-FFC er det første eksempelet på en flamme-assistert brenselcelle (FFC) som bygger på fordelene ved den opprinnelige direkte flamme brenselcelle (DFFC), som gir varmeutvikling og drivstoff reformere via forbrenning tre. Den DFFC oppsettet plasserer en SOFC i direkte kontakt med en flamme åpent til det omgivende envirtes. Flammen delvis oksyderer tyngre hydrokarbonbrennstoffer for å skape H 2 og CO, som kan anvendes direkte i SOFC med mindre fare for karbonkoksdannelse sammenlignet med ren metan eller andre tyngre hydrokarboner. I tillegg gir den flammen den termiske energi som er nødvendig for å bringe den SOFC til dens driftstemperatur. En nylig endring i den opprinnelige DFFC inntraff ved å bevege SOFC ut av flammeområde og kanalisere forbrenningen eksos til SOFC for å skape den FFC 2. I motsetning til DFFC, skjer forbrenningen i et delvis lukket kammer (i stedet for den omgivende), slik at drivstoffet til luftforholdet kan reguleres og eksos kan mates direkte til brenselcellen uten fullstendig forbrenning oppstår. FFC- har flere fordeler, inkludert høy drivstoffutnyttelse og høy elektrisk virkningsgrad sammenlignet med DFFCs to.
Som en voksende forskningsområde, eksperimentelle teknikker er nødvendig som kan vurdere potensialet i mT-FFCs for fremtidige kraftproduksjon applikasjoner. Disse teknikkene krever analyse av partiell oksidasjon, eller brennstoff-rik forbrenning, og eksos som har blitt identifisert som en måte å generere H2 og CO, også kjent som syntesegass, sammen med CO2 og H2O Syntesegassen kan brukes direkte i brenselceller for kraftproduksjon. Analysen av brennstoffrike forbrennings eksos blitt vel etablert i de senere år og har vært utført teoretisk 4, beregningsmessig og eksperimentelt 5,6 7 til mange forskjellige formål. Mange av de teoretiske og beregnings studier har støttet seg på kjemisk likevekt analyse (CEA) for å vurdere forbrenningsprodukt arter som er energisk gunstig, og kjemiske kinetiske modeller for reaksjonsmekanismer. Selv om disse metodene har vært veldig nyttig, har mange nye teknologier som grunnlag eksperimentelle teknikker under forskning og utvikling. Eksperimentelle teknikker vanligvis stole på analysis av forbrenningseksos enten ved hjelp av en gasskromatograf (GC) 7 eller et massespektrometer (MS) 8. Enten GC linje / sprøyte eller MS sonde settes inn i forbrenningseksos og målinger utføres for å vurdere den art konsentrasjon. Anvendelse av de eksperimentelle teknikker har vært vanlig i området av småskala kraftproduksjon. Noen eksempler er mikro brennerne som er utviklet for å fungere med enkeltkammer SOFCs 7,9 og DFFCs 10-15. Analysen av forbrenningseksos skjer under et bredt område av driftsbetingelser, inkludert forskjellige temperaturer, strømningshastigheter og ekvivalens-forhold.
I området av DFFC forskning, brensel og oksidant kan være delvis forblandet eller ikke-forhåndsblandet, med brenneren åpen til den omgivende som sikrer en fullstendig forbrenning. Med et behov for å analysere flamme sammensetning, har en MS vært brukt i mange tilfeller for DFFC forskning og forbrenning analyse 16. Den nyere utvikling av funksjonskoden er forskjellig ved å stole på forblandet forbrenning med brenneren i en delvis lukket miljø for å hindre fullstendig oksydasjon av brennstoffet. Som et resultat, er nødvendig for analyse av forbrenningseksos i et kontrollert miljø fritt for luftlekkasje. Eksperimentelle metoder som er utviklet for dette formål er avhengige av de tidligere teknikker som brukes for mikroforbrenningskammeret forskning med GC-analyse av forbrenningseksos ved varierende ekvivalens forhold. GC-analyse fører til karakterisering av forbrenningseksos sammensetning (dvs. volumprosenten av hver bestanddel eksos inkludert CO2, H2O, N2, etc.) Denne analysen gjør det mulig for blanding av forskjellige gasser i henhold til de forhold som målt ved GC for å lage en modell drivstoff-rikt forbrenning eksos for fremtidig FFC forskning.
Protokollene for analyse av drivstoff-rikt forbrenning eksos, utvikle en modell drivstoff-rikt forbrenning eksos og anvendeing eksos for SOFC testing er etablert i dette papiret. Felles utfordringer og begrensninger som er omtalt for disse teknikkene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forbrennings Beregninger
- Velg drivstoff for analyse. Her kan du velge metan som referanse drivstoff, men prinsippene er overførbare til andre hydrokarbon drivstoff.
- Med 1 mol metan som brensel, balanse ligning (1) for støkiometrisk forbrenning for å få ligning (2).
- Beregn brennstoff-luft-forholdet for støkiometrisk (F / A støkiometrisk.) Som i ligning 3 for metan forbrenning ved å dividere massen av metan ved massen av luft. Å beregne, er telleren antall mol metan ganger den molare massen av metan (16 g · mol -1) og nevneren er antallet mol av oksygen ganger den molare massen av oksygen (32 g · mol-1) pluss det antall mol nitrogen ganger den molare massen av nitrogen (28 g · mol -1).
- For å variere likeverdighet ratio (ligning 4), varierer enten luftmengde, mengde drivstoff eller begge deler samtidig. Vanligvis feste en av de mengder og variere den andre. Avgjør om å fikse enten bensin eller luftmengde for brenneren. For dette eksperimentet, fikse drivstoff strømningshastighet på 10 l / min og la den luftmengden til å variere i dette oppsettet.
- Med mengde drivstoff, f, fast (10 L / min), F / A stoiske. beregnet (0,0583), og gitt definisjonen av ekvivalens-forhold, beregning av luftstrømningsmengden, en for hver ekvivalens-forhold som skal testes. Ligning (5) tilveiebringer en direkte vei for beregning av luftstrømningshastighet i l / min for hver ekvivalens-forhold og resultatene er vist for en tilsvarende forhold på en for støkiometri.
MERK: Den øvre flammevne grense (eller øvre eksplosjonsgrense) er den rikeste ekvivalensforholdet som kan brennes uten å slukke flammen i fravær av en katalysator. Høyere ekvivalens-forhold kan oppnås ved bruk av en katalysator, men bare ikke-katalytisk forbrenning er beskrevet i denne artikkelen. Consult litteraturen for å vurdere den øvre brennbarhetsgrensen for drivstoff valgt.
2. Forbrenning Karakterisering Forsøksoppsett
- Velg masse kontrollere (MFC) for metan og luft basert på strømningsrater oppnådd i trinn 1.5. Vær forsiktig når du velger en MFC størrelse for å sikre at MFC ikke skal operere i den lave enden av sitt utvalg (<10% av full skalaverdi) under testing. For dette spesifikke tilfellet bruker 40 L / min og 200 L / min MFCer for metan og luft, henholdsvis.
- Koble MFC til metan og luftflasker via kobberrør.
- Sett regulatorer på metan og luftflasker til riktig trykk for MFC-maskinen som er spesifisertav produsenten. I så fall stiller trykket til 138 kPa (20 psi).
- Kalibrere MFCer for å sikre nøyaktige strømningshastigheter.
- Konstruer brennkammeret. I dette eksperiment utvikle et forbrenningskammer 914 mm lange med en utgangsdiameter 168 mm.
- Bore porter for forbrenning avgassanalyse og for termo plassering langs lengden av forbrenningskammeret. Det nøyaktige antall og avstand som trengs avhenger av størrelsen av flammen, og hensiktene med forsøket. For dette oppsettet, plass de første 5 termo plasseres nærmest forbrennings region 7 mm fra hverandre. Space slutt 6 termo 14 mm fra hverandre. Bruk samme avstanden for eksosportene.
- Sett i de K-type termoelementer inn i forbrenningskammeret via porthullene. Juster termo spiss i sentrum av forbrenningskammeret. Størrelse porthullene til å passe på termo og forsegle med høy temperatur metall hylser og nøtter for å hindre lekkasje.
- Connect K-type termo direkte til datamodulen.
- Koble datamodulen til datamaskinen via USB-stasjonen.
- Fest en enveis ventil i kobberrøret banen umiddelbart etter at drivstoffet MFC og like før brenneren. Orienter ventilen slik at flyten kan bare bevege seg bort fra MFC-maskinen. Enveis ventiler er en viktig sikkerhetsfunksjon for å hindre flash tilbake.
- Sjekk kobberrør før og etter MFC oppsett for lekkasjer. Bruk såpevann påføres med pensel til slangen for å oppdage lekkasjer som lekkasjer ville skape bobler.
- Koble forbrenningskammeret og brenneren til den massestrøm kontrollere via kobberrør.
- Etter endt forbrenningskammeret oppsett, velg en av eksosportene for testing. Koble denne porten til kobberrør som strekker seg til GC analyse port.
- Velge en sprøyte for å trekke avgassene fra forbrenningskammeret og deretter skyve den inn i GC for analyse. For dette eksperimentet, kan du bruke en25 ml sprøyte.
- Plasser en tre-veis ventil i samsvar med kobberrøret som forbinder avgassåpningen til GC. Koble den ene enden av den to-veis ventil til GC, den andre utløpsporten og den tredje til 25 ml sprøyte. Koble kobberrør til 3-veis ventil. Bruk sprøyte til å suge forbrenning eksos fra kammeret og skyv den inn i GC for analyse.
- Koble den tre-veis ventil til GC og sprøyten. Aktivere sprøytestempelet for å sikre en vellykket operasjon.
MERK: En forenklet skjematisk av oppsettet er vist i figur 1.
3. Forbrenning Karakterisering Experiment 4. Utvikling av Model Combustion Eksos 5. Fuel Cell Testing Setup 
Figur 1. Forbrenning karakterisering eksperimentelle oppsettet skjematisk. Combustion karakterisering eksperimentelle oppsettet skjematisk viser drivstoff, luft og eksosstrømmer (svarte piler) og datastrømmer (røde piler). Enveis ventiler brukes for å hindre flash tilbake.
MERK: Figur 2 er et forenklet skjema som viser mT-FFC testing oppsett. Med modellen drivstoff utviklet og oppsettet etablert for styring av modellen brennstoffstrømmen til brenselcellen, kan testing fortsette i henhold til konvensjonell fUEL celle testmetoder. Disse fremgangsmåtene er vel etablert i litteraturen og vil ikke bli gjentatt her. 
Figur 2. Mikro rørformet flamme-assistert brenselcelle testing oppsett skjematisk. Strømmer av H2, CO, CO2, er N-2 (sorte piler) reguleres med en MFC og en enveisventil for å forhindre flammetilbakeslag. Elektroner strømnings (grønn linje) fra SOFC i ovnen til potensiostaten og tilbake til SOFC. Flyt av termo data og elektro data er representert med røde piler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forbrenningskammeret karakterisering bør kontrolleres før testing ved de ønskede ekvivalens-forhold for tilbakestrømning av luft inn i kammeret, eller andre luftlekkasje under testing. Forbrenningsprosesser i åpne kammere er kjent for å være nesten isobar. Som et resultat, kan trykket inne i forbrenningskammeret ikke være nok til å sikre at ingen luft fra det ytre miljø er tilbake-strømmer inn i forbrenningskammeret fra kammeret eksosporten eller andre lekkasjepunkter. Det er flere eksperimentelle teknikker for å bekrefte at ingen tilbakestrømning skjer. Først, for en ikke-katalytisk brenner, de rike antennelighet grensene er godt etablert i mange brensel 18,19. Etter tenning, bør ekvivalensen forholdet mellom strømnings justeres langsomt inntil den nærmer seg den rike brennbarhetsgrense. Hvis de rike brennbarhetsgrensen kan overskrides betydelig uten flamme leskende, så det er bevis for at luft tilbake-strømmer inn than forbrenningskammeret resulterer i en magrere blanding enn ønskelig. Figur 3 viser de første resultatene som oppnås for tørr metan forbrenning eksos opp til en likeverdig forhold på 1,85. Selv om det ikke er vist i figur 3, har flammen slukker ikke opp til en ekvivalens-forhold på 3,97. Med et rikt brennbarhetsgrense på bare 1,64 rapportert 18, skaffe et ekvivalens-forhold på 3,97 er ikke mulig med ikke-katalytisk forbrenning. Disse resultatene indikerer at det er luftlekkasje inn i forbrenningskammeret, og en mulig kilde er tilbakestrømning fra eksosutløpet.
Analyseresultatene før hindre tilbakestrømning av luft inn i forbrenningskammeret viser tilfeldige svingninger av arter figur 3. Utgangsforbrenningseksos karakterisering.. Avvik fra forventede trender indikerer enten feil blandinging eller luftlekkasje. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Undersøkelse av den øvre grensen for brennbarhet for brenneren er ikke den eneste måten å søke etter tilbakestrømning. En annen indikasjon på figur 3 er at de trender for flere av avgas artene ikke følger forventede tendenser. CEA er en vanlig teknikk som benyttes for å vurdere de forbrenningsprodukter basert på hvilke produkter er energimessig gunstig under forskjellige betingelser for temperatur, trykk, og ekvivalens-forhold. CEA gir en måte å vurdere trender som bør være observerbar i dette eksperimentet. Ulike CEA resultater for vanlige brensel kan finnes i litteraturen eller kan vurderes ved hjelp programvare som er utviklet for denne oppgaven. Figur 4 viser CEA resultater for de primære arter i tørr metan forbren på eksos. Mens nesten alle eksos arter vist i figur 3 avviker fra forventede trender, O 2 er kanskje det viktigste. Ved ekvivalens-forhold større enn 1, er meget lite O 2 forventet da det meste av det skal konsumeres i løpet av forbrenningen under dannelse av forbrenningsprodukter. Mens O 2-konsentrasjonen er lav i det meste av området, å oppnå en høyere mengde av O 2 ved et ekvivalens-forhold på 1,75 og 1,85 i forhold til lavere ekvivalens-forhold er ikke forventet. Dette er en mulig indikasjon på enten ufullstendig blanding eller tilbakestrømning av O 2 inn i forbrenningskammeret. Videre, oppdager CH 4 på 1 volumprosent eller høyere i denne serien er også en mulig indikasjon på ufullstendig blanding. Trendanalyse gjennom sammenligning med CEA resultatene kan bidra til å indikere om det er tilbakestrømning av luft eller mulige blandingsproblemer.
p_upload / 54638 / 54638fig4.jpg "/>
Figur 4. Kjemisk likevekt analyse av metan / luftforbrenningsprodukter. Kjemisk likevekt analyse (CEA) Resultatene viser termodynamiske likevekts prediksjoner for eksosgassammensetningen ved forskjellige ekvivalens-forhold. Mens eksperimentelle data ikke stemmer helt, gir CEA en indikasjon på forventet utvikling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilbakestrømning av luft i forbrenningskammeret eksos ble detektert og hindret ved å blokkere en del av forbrenningskammeret eksosporten som er beskrevet i diskusjonen delen. Etter blokkering av en del av forbrenningskammeret eksosporten rik-brennbarhetsgrensen hadde en ekvivalens-forhold på ca. 1,45 til forbrenningskammeret. Med tilbakestrømning forhindres, forbrenningseksos ble vurdert ved likevektsforhold og brensel- og luftstrømningshastigheter som vist i tabell 1. Strømningshastighetene som er vist i tabell 1 ble oppnådd i trinn 1.5 i protokollen ved å bruke ligning 5. Figur 5 viser resultatene av den tørre forbrenningseksos karakterisering for betingelser som vist i tabell 1. Figur 5 bekrefter at trendene er sammenlignbare med CEA resultatene vist i figur 4. Dette tilveiebringer noen validering av resultatene. Men det er noen punkter som avviker fra CEA trender som CO 2 på en likeverdig forhold på 1,45. En del av feil ved en ekvivalens-forhold på 1,45 er at brenneren er i drift nær den rike-brennbarhetsgrensen, noe som kan føre til ustabiliteter i flammen, mulig quenching og avvik i eksosprøven. Analysen bør gjentas for å sikre repeterbarhet og nøyaktighet av resultatene. Opererer under rik flammability grense av kammeret (for eksempel rundt en maksimal ekvivalens-forhold på 1,4 i dette oppsettet) anbefales.
| likeverdighet ratio | Metan strømningshastighet (l / min) | Luftmengde (l / min) |
| 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 |
Tabell 1. Forbrennings karakterisering metan og luftmengder på varierende likeverdighet forholdstall. Beregning av de nødvendige strømningsrater er omtalt i kapittel 1 i protokollen. Ligning 5 blir brukt til å beregne luftmengder basert på ekvivalens-forhold og en fast metan strømningshastighet.
Figur 5. Forbrennings karakterisering analyse fra metan / luftforbrenningseksos. Forbedrede resultater som ble oppnådd etter å forhindre tilbakestrømning av luft inn i forbrenningskammeret. Trendene er lik CEA spådommer som gir tillit til nøyaktigheten av resultatene. Flere tester aveksos kan være nødvendig ved avvik fra den forventede trender oppstår. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Med forbrenningseksos karakterisert opp til den rike brennbarhetsgrense, kan modellen forbrenningseksos utvikles for mT-FFC testing. Utvikling av modellen forbrenningseksos er avhengig av hvilken eksos arter som er mest relevante for studien. I innledende studier av fleksible funksjonskodene, er hoved interesse for å forstå brenselcelle ytelse egenskaper i forbrenning eksos med relativt små mengder drivstoff tilgjengelig for elektrokjemisk energi konvertering. Disse egenskapene inkluderer peak strømtetthet, strømtetthet, åpen krets spenning, drivstoffutnyttelse og effektivitet på ulike likeverdighet forhold og driftstemperaturer. Opererer i en forholdsvis liten brennstoffkonsentrasjon er one av de primære funksjonene som skilte fleksible funksjons så mange brenselceller operere med høye konsentrasjoner av brensel og lave konsentrasjoner av andre gasser, inkludert CO2, H2O og inerte gasser blant andre. For å gjøre denne vurderingen bare gasser som registreres i forbrennings karakterisering med volumprosenter over 1% ble inkludert i modellen forbrenning eksos. Som et resultat, kun H 2, ble CO, CO2 og N2 er nødvendig for å utvikle en modell brennstoffrike forbrenningseksos for metanforbrenning. Tabell 2 viser resultatene for forbrennings karakterisering vurdering. For en total strømningshastighet på anodesiden i brenselcellen på 300 ml / min, blir strømningshastighetene for hver art også vist i tabell 2.
| likeverdighet Ratio | H 2 volum% | H | CO volum% | CO (ml · min -1) | CO 2 volum% | CO 2 (ml · min -1) | N 2 volum% | N 2 (ml · min -1) | Total (ml · min -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 |
Tabell 2. Modell forbrenning eksos sammensetning og strømningsrater. Eksperimentelle resultater som oppnås for forbrenning karakteristikk er vist som volum percents av de oppdagede arter. Den totale strømningshastighet på modell brennstoffrike forbrenningseksos for brenselceller ble satt til 300 ml / min. Strømningshastigheten for hver enkelt art er beregnet ved å multiplisere den totale strømningshastighet og volumprosenten av hver art.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollen diskutert her er en viktig bro mellom tidligere forbrenning karakterisering forskning og brenselcelle testing. Bruk av forbrennings for drivstoff reformere og brenselcelle testing har blitt brukt i flere år i DFFC oppsett 10-15. Imidlertid, er karakteriseringen av forbrenningsprosessen i DFFCs primært opptatt med in-situ karakterisering av de flamme preparatet 16 og bruker en MS-8. Ettersom DFFC er åpent for det omgivende, eksos sammensetningen består hovedsakelig av vann og CO2 og karakterisering av eksos er ikke nødvendig. For å utvikle den siste FFC konseptet en prosedyre for å karakterisere forbrenning eksos i en delvis lukket kammer (dvs. en som opprettholder drivstoff-luft-forhold) er nødvendig. I stedet for å bruke en MS, er en GC anvendelig for forbrenning avgassanalyse 7. Etter som karakteriserer eksos, en enkel metode for testing av brenselceller innenfor dette exhAust er nødvendig. Selv om det er mulig å utvikle et fullstendig integrert brenner og brenselcelletestapparat, gir denne fremgangsmåten en enkel innledende trinn som kan anvendes for vitenskapelig undersøkelse av brenselcellen ytelse med varierende eksos sammensetninger. Mens forbrennings karakterisering tilnærmingen er vanlig, sin søknad for FFC forskning er en viktig utvikling.
De mest kritiske trinn i denne prosedyren er å sikre at riktige sikkerhetsforanstaltninger har blitt tatt før tenning; og for å sikre at det ikke er noen luftlekkasje inn i forbrenningskammeret. Bruken av enveisventiler og / eller flammesperrer samt høye temperatur materialer er viktig for sikkerheten av innretningen og forskerne. Som vist i resultatene delen, kan et bredt spekter av ukorrekte resultater forekomme hvis det er tilbake-strømning eller annen lekkasje av luft inn i forbrenningskammeret. Denne tilbakestrømning endrer ekvivalensforholdet av blandingen og kan skape forskjelligeblande mønstre som skaper resultater som de som er vist i Figur 3.
Mens to metoder for å bestemme om det ikke er tilbakestrømning av luft inn i forbrenningskammeret er allerede beskrevet, det er en tredje måte å avgjøre om dette skjer. Denne fremgangsmåte vurderer bare hvis flammen fortsetter å brenne når maskinen for luft er slått av. I denne ferdigblandet forbrenningsprosessen bare luft for forbrenningsreaksjoner tilføres gjennom maskinen. Etter tenning, kan lufttilførselen slås av når drivstoffet er igjen på. Flammen slukker i fravær av luft. Hvis forbrenningen fortsetter, så tilbakestrømning av luft inn i forbrenningskammeret skjer. Etter å ha bestemt at det er tilbakestrømning av luft inn i forbrenningskammeret, hindrer tilbakestrømning av luft er nødvendig før fortsetter. Fikse problemet kan være relativt enkel. Forbrennings eksos er varm og derfor mindre oppdrift, noe som får den til å stige til toppen av forbrenningskammeret. Enhver tilbakestrømning av luft inn i kamrene slutt vil forekomme ved bunnen av kammeret. Etter blokkering den nedre delen av forbrenningskamre utblåsningsåpningen, til de tre ovenfor beskrevne teknikker kan bli utført på nytt sikre at ingen luft blir tilbake-strømmer inn i kammeret. Denne diskusjonen antar at kammeret har allerede blitt sjekket for lekkasjer. Fullstendig blanding bør også sjekkes ved å sikre at enhver metan oppdaget er i spormengder og GC målingene er repeterbare.
Etter karakteriserer forbrenning eksos og utvikling av modellen forbrenning eksos sammensetning, er det en rekke programmer for brenselcelle testing. Protokollen delen beskriver spesifikke anvendelsen av denne teknikken for mikro rørformet SOFC testing. Imidlertid kan de samme grunnleggende fremgangsmåten anvendes for å teste andre brenselcelle geometrier inkludert plane og større rørformede SOFC. Protokollen omfatter også testing stabelen design for enten geometri. I tillegg, Protokollen ikke er begrenset til metan som brennstoff. Fremgangsmåten kan utvides til andre alkaner og alkoholbrennstoffer som også har betydelig potensial for generering av H2 og CO fra brennstoffrike forbrenningsprosesser.
Mens den protokoll som er beskrevet har mange anvendelser som videre utvikling av funksjonskodene, er det begrensninger i denne teknikken. Protokollen er etablert for å teste muligheten for drifts SOFCs i ulike drivstoffrike forbrenningsprosesser og drivstoff. Potensialet er observert når brenselceller opererer i modellen drivstoff rik eksos. Nærmere bestemt nøkkel indikatorer på lovende resultater omfatter høy strømtetthet, strømtetthet, drivstoffutnyttelse og tomgangsspenning oppnådd i brenselcellen. Men utvikling av en modell drivstoff med bare de mest betydningsfulle artene tilstede begrenser studier som kan gjennomføres. For eksempel, operere SOFC i modellen forbrenningseksos for langtidstesting er mulig, men jegt kan ikke gi den beste indikasjon på selve langtidsytelseskarakteristikkene til brenselcellen. På lang sikt, kan noen av spor artene i forbrenningseksos bli skadelig for SOFC ytelse. Testing av disse resultatene krever full integrering av SOFC med en faktisk brenner og den fullstendige forbrenning eksos. Selv om disse begrensningene er til stede, gir teknikken fortsatt en enkel og kontrollert måte å vurdere funksjonskodene ytelse og potensial som en fremtidig kilder til kraftproduksjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- Gorte, R. J. Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells. AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).
- Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems. J. Power Sources. 306, 148-151 (2016).
- Horiuchi, M., Suganuma, S., Watanabe, M. Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids. J. Electrochem. Soc. 151 (9), A1402-A1405 (2004).
- Starik, A. M., Kuleshov, P. S., Loukhovitski, B. I., Titova, N. S. Theoretical study of partial oxidation of methane by non-equilibrium oxygen plasma to produce hydrogen rich syngas. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (32), 9872-9884 (2015).
- Katta, V. R., et al. On flames established with jet in cross flow of fuel-rich combustion. Fuel. 150, 360-369 (2015).
- Maruta, K., et al. Extinction limits of catalytic combustion in microchannels. P. Combustion Institute. 29 (1), 957-963 (2002).
- Ahn, J., Eastwood, C., Sitzki, L., Ronney, P. D. Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners. P. Combustion Institute. 30 (2), 2463-2472 (2005).
- Kӧhler, M., Oßwald, P., Xu, H., Kathrotia, T., Hasse, C. Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions. Chemical Engineering Science. 139, 249-260 (2016).
- Ahn, J., Ronney, P. D., Shao, Z., Haile, S. M. A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Science and Technology. 6 (4), 041004 (2009).
- Wang, K., Milcarek, R. J., Zeng, P., Ahn, J. Flame-assisted fuel cells running methane. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (13), 4659-4665 (2015).
- Wang, K., Zeng, P., Ahn, J. High performance direct flame fuel cell using a propane flame. P. Combust. Inst. 32 (2), 3431-3437 (2011).
- Wang, Y. Q., Shi, Y. X., Yu, X. K., Cai, N. S., Li, S. Q. Integration of solid oxide fuel cells with multi-element diffusion flame burners. J. Electochem. Soc. 160 (11), F1241-F1244 (2013).
- Horiuchi, M., et al. Performance of a solid oxide fuel cell couple operated via in situ catalytic partial oxidation of n-butane. J. Power Sources. 189 (2), 950-957 (2009).
- Wang, Y., et al. The study of portable direct-flame solid oxide fuel cell (DF-SOFC) stack with butane fuel. J. Fuel Chem. Technol. 42 (9), 1135-1139 (2014).
- Wang, K., et al. A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame. J. Power Sources. 177 (1), 33-39 (2008).
- Sun, L., Hao, Y., Zhang, C., Ran, R., Shao, Z. Coking-free direct-methanol-flame fuel cell with traditional nickel-cermet anode. Int. J. Hydrogen Energy. 35 (15), 7971-7981 (2010).
- Zeng, P., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Effects of sintering temperature on the performance of SrSc0.1Co0.9O3-δ oxygen semipermeable membrane. Braz. J. Chem. Eng. 32 (3), 757-765 (2015).
- Turns, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. , 2nd ed., McGraw-Hill. New York. (2000).
- Glassman, I., Yetter, R. A., Glumac, N. G. Combustion. , 4th ed., Academic Press. Waltham, MA. (2015).
