Introduction
Fastoxidbränsleceller (SOFC) innovationer har rapporterats under de senaste åren som tekniken fortsätter att utvecklas. Bland de många fördelarna har SOFCs blivit kända för hög bränsleeffektivitet, låga utsläpp och måttlig bränsleflexibilitet jämfört med andra förbränningsbaserad elproduktion tekniker 1. Dessutom SOFCs är skalbara möjliggör hög bränsleeffektivitet även vid små skalor. Tyvärr har begränsningar i tillgänglig väteinfrastruktur skapat ett behov av bränslereformeringssystem som ofta är ineffektiva. En ny utveckling är mikro rörformiga flamma assisterad bränslecell (MT-FFC) rapporterade i författarens tidigare arbete 2. MT-FFC är det första exemplet på en flamma assisterad bränslecell (FFC) som bygger på fördelarna med den ursprungliga öppen låga bränslecell (DFFC), som ger värme och bränsle reformering via förbränning 3. Den DFFC inställning placerar en SOFC i direkt kontakt med en flamma öppet för omgivnings invjön. Lågan oxiderar delvis tyngre kolvätebränslen för att skapa H2 och CO, som kan användas direkt i SOFC med mindre potential för kol koks jämfört med ren metan eller andra tyngre kolväten. Dessutom ger lågan den värmeenergi som behövs för att SOFC till dess driftstemperatur. En färsk förändring till det ursprungliga DFFC inträffade genom att flytta SOFC ur lågan regionen och kanalisera förbränningsavgasema till SOFC att skapa FFC 2. Till skillnad från den DFFC, sker förbränningen i en delvis sluten kammare (i stället för den omgivande) så att bränslet till luftförhållandet kan kontrolleras och avgas direkt kan matas till bränslecellen utan fullständig förbränning inträffar. FFC har ytterligare fördelar, inklusive hög bränsleutnyttjande och hög elektrisk verkningsgrad jämfört med DFFCs 2.
Som en framväxande forskningsområde, experimentella tekniker behövs som kan bedöma potentialen av mt-FFCs för framtida kraftproduktion. Dessa tekniker kräver analys av partiell oxidation, eller bränslerika förbrännings, och avgaserna som har identifierats som ett sätt att generera H2 och CO, även känd som syntesgas, tillsammans med CO2 och H2O Syntesgasen kan användas direkt i bränsleceller för elproduktion. Analysen av bränslerika förbränningsavgas har väl etablerat under de senaste åren och har genomförts teoretiskt 4, beräknings 5,6 och experimentellt 7 för många olika ändamål. Många av de teoretiska och beräknings studier har förlitat sig på kemisk jämviktsanalys (CEA) att bedöma förbränningsprodukt arter som är energimässigt gynnsamma, och kinetik modeller för reaktionsmekanismer. Även om dessa metoder har varit till stor nytta, har många nya tekniker åberopas experimentella tekniker under forskning och utveckling. Experimentella tekniker förlitar sig vanligtvis på Analys av förbränningsavgasema med användning av antingen en gaskromatograf (GC) 7 eller en masspektrometer (MS) 8. Antingen GC linje / spruta eller MS sonden är införd in i förbränningsavgas och mätningar görs för att utvärdera koncentrationen arter. Tillämpningen av de experimentella tekniker har varit vanligt i området av småskalig kraftproduktion. Några exempel är mikrobrännkammare som har utvecklats för att fungera med enkelkammar SOFCs 7,9 och DFFCs 10-15. Analysen av förbränningsavgasema sker under ett brett spektrum av driftsförhållanden, inklusive olika temperaturer, flödeshastigheter och ekvivalensförhållanden.
Inom området DFFC forskning, bränslet och oxidanten kan vara delvis förblandade eller icke-färdigblandad, med brännaren öppen till den omgivande vilket säkerställer fullständig förbränning. Med ett behov av att analysera flamman kompositionen har en MS använts i många fall för DFFC forskning och förbränningsanalys 16. Den nyare utvecklingen av FFC avviker med att förlita sig på förblandad förbränning med brännaren i en delvis sluten miljö för att förhindra fullständig oxidation av bränslet. Som ett resultat, behövs analys av förbränningsavgasema i en kontrollerad miljö fri från luftläckage. Experimentella tekniker som utvecklats för detta ändamål är beroende av de tidigare tekniker som används för mikroförbränningsforskning med GC-analys av förbränningsavgas vid varierande ekvivalensförhållanden. GC analys leder till karakterisering av förbränningsavgasema kompositionen (dvs., den volymprocent av varje avgasbeståndsdel inklusive CO2, H2O, N2, etc.) Denna analys gör det möjligt för blandning av separata gaser i enlighet med de förhållanden som uppmätts av den GC för att skapa en modell bränslerika förbränningsavgas för framtida FFC forskning.
De protokoll för analys av bränslerika förbränningsavgaser, utveckla en modell bränslerik förbränningsavgasema och tillämpaing avgas för SOFC-testning är etablerade i detta dokument. Gemensamma utmaningar och begränsningar diskuteras för dessa tekniker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Förbrännings Beräkningar
- Välj bränsle för analys. Här väljer metan som referensbränsle, men principerna kan överföras till andra kolvätebränslen.
- Med 1 mol metan som bränslet, balansekvation (1) för stökiometrisk förbränning för att få ekvation (2).
- Beräkna bränsle-luftförhållandet för stökiometrisk (F / A stökiometrisk.) Som i ekvation 3 för metanförbränning genom att dividera massan av metan genom massan av luft. Att beräkna, är täljaren antalet mol av metan gånger den molära massan av metan (16 g · mol -1) och nämnare är antalet mol av syre gånger den molära massan av syre (32 g · mol -1) plus antalet mol av kväve gånger den molära massan av kväve (28 g · mol -1).
- För att variera ekvivalensförhållandet (ekvation 4), varierar antingen flödeshastigheten, flödeshastigheten bränsle eller båda samtidigt luft. Typiskt, fixa en av de kvantiteter och variera den andra. Bestäm om att fastställa antingen bränsle eller luftflödet till brännaren. För detta experiment, fixera bränsleflödeshastighet vid 10 L / min och tillåter flödeshastigheten luften att variera i denna installation.
- Med flödeshastigheten av drivmedel, f, fasta (10 L / min), F / A stoic. beräknat (0,0583), och med tanke på definitionen av ekvivalensförhållandet, beräkna luftflödeshastigheten, en för varje ekvivalensförhållande som skall testas. Ekvation (5) ger en direkt sätt att beräkna flödeshastigheten luft i L / min för varje ekvivalensförhållandet och resultaten visas för ett ekvivalensförhållande av 1 för stökiometri.
OBS: Den övre Flammförmåga gräns (eller övre explosionsgränsen) är den rikaste ekvivalensförhållande som kan brännas utan släckning av lågan i frånvaro av en katalysator. Högre ekvivalensförhållanden kan erhållas med användning av en katalysator, men bara icke-katalytisk förbränning har beskrivits i detta dokument. Konsul litteraturen för att bedöma den övre brännbarhetsgränsen för bränslet som väljs.
2. Förbrännings karakterisering experimentuppställning
- Välj massflödeskontrollorgan (MFC) för metan och luft baserat på de flödeshastigheter som erhållits i steg 1,5. Var försiktig när du väljer en MFC storlek för att säkerställa att maskinen inte kommer att arbeta vid den lägre delen av sitt sortiment (<10% av slutvärdet) under testningen. För detta specifika fall, använder 40 L / min och 200 l / min MFC för metan och luft, respektive.
- Anslut MFC till metan och lufttankarna via kopparrör.
- Ställ in regulatorerna på metan och lufttankar till rätt tryck för maskinen enligtav tillverkaren. I så fall in trycket till 138 kPa (20 psi).
- Kalibrera MFC att säkerställa korrekta flödeshastigheter.
- Konstruera i förbränningskammaren. För detta experiment, utveckla en förbränningskammare 914 mm lång med en 168 mm utloppsdiameter.
- Borr portar för förbränningsavgasanalys och för termo placering längs längden av förbränningskammaren. Det exakta antalet och inbördes avstånd som behövs beror på storleken på flamman och tillämpningen av experimentet. För denna inställning, utrymme de första 5 termoelement placeras närmast förbränningsområdet 7 mm från varandra. Utrymme de sista 6 termoelement 14 mm från varandra. Använda samma avstånd för avgasportarna.
- Sätt i K-typ termoelement in i förbränningskammaren via porthålen. Rikta in termoelementets spets i centrum av förbränningskammaren. Storlek porthålen för att passa termoelement och täta med hög temperatur metallhylsor och muttrar för att förhindra läckage.
- connect K-typ termoelement direkt till datainsamlingsenheten.
- Anslut datainsamlingsmodulen till datorn via USB-enheten.
- Bifoga en en-vägsventil i kopparrörsvägen omedelbart efter att bränsle MFC och strax före brännaren. Orientera ventilen så att flödet endast kan röra sig bort från maskinen. De envägsventiler är en viktig säkerhetsfunktion för att förhindra flash tillbaka.
- Kontrollera kopparrör före och efter MFC installationen för läckage. Använd tvål och vatten appliceras med en borste för att slangen att upptäcka läckor som läckage skulle skapa bubblor.
- Ansluta förbränningskammaren och brännaren för att de massflödeskontrollorgan via kopparrör.
- Efter avslutad förbränningskammaren inställningsprogrammet, välj en av avgasportarna för testning. Anslut denna port till kopparrör som sträcker sig till GC-analysen porten.
- Välj en spruta för att dra i avgaserna från förbränningskammaren och tryck sedan in den i GC för analys. För detta experiment använda en25 ml spruta.
- Placera en trevägsventil i linje med kopparrör som förbinder avgasporten till GC. Anslut den ena änden av tvåvägsventilen till GC, den andra till avgasporten och den tredje till 25 ml sprutan. Anslut kopparrör till 3-vägsventilen. Använd sprutan för att suga förbrännings avgaserna från kammaren och skjut in den i GC för analys.
- Anslut den 3-vägsventilen till GC och sprutan. Påverka sprutkolven för att säkerställa framgångsrik drift.
ANMÄRKNING: En förenklad schematisk bild av installationen visas i figur 1.
3. Förbrännings Karakterisering Experiment 4. Utveckling av modell förbränningsavgasema 5. Fuel Cell Test Setup 
Figur 1. Förbrännings karakterisering experimentuppställning schema. Förbrännings karakterisering experimentuppställning visar schematiskt bränsle, luft och avgasflöden (svarta pilar) och dataflöden (röda pilar). Envägsventiler används för att förhindra flash tillbaka.
OBS: Figur 2 är ett förenklat schema som visar testning setup mT-FFC. Med modellen bränsle utvecklats och inställnings fastställas för kontroll av modellen bränsleflödet till bränslecellen, kan provning fortskrida enligt konventionell fUEL cell testmetoder. Dessa metoder är väl etablerade i litteraturen och kommer inte att upprepas här. 
Figur 2. Micro-tubulär flamma assisterad bränslecell testa installationsschemat. Flöden av H2, CO, CO2, är N2 (svarta pilar) regleras med en MFC och en envägsventil för att förhindra flash tillbaka. Elektroner flöde (grön linje) från SOFC i ugnen till potentiostat och tillbaka till SOFC. Flöde av termodata och elektro data representeras av röda pilar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förbrännings karakterisering Kammaren bör kontrolleras före testning vid de önskade ekvivalensförhållanden för back-flöde av luft in i kammaren eller andra luftläckage under testningen. Förbränningsprocesser i öppna kamrar är kända för att vara nästan isobarisk. Som ett resultat kan trycket inuti förbränningskammaren inte att vara tillräckligt för att säkerställa att ingen luft från den yttre miljön är tillbaka-strömmar in i förbränningskammaren från kammaren avgasporten eller andra punkter läckage. Det finns flera experimentella tekniker för att bekräfta att ingen återströmning sker. Först för en icke-katalytisk brännare, de rika antändningsgränser är väl etablerad i många bränslen 18,19. Efter antändning, bör ekvivalensförhållandet av flödet justeras långsamt tills den närmar sig rika brännbarhetsgränsen. Om de rika brännbarhetsgränsen kan överskridas avsevärt utan låga släckning, så finns det bevis för att luften back-strömmar in than förbränningskammaren resulterar i en magrare blandning än önskat. Figur 3 visar de första resultaten som erhölls för torr metanförbränningsavgas upp till ett ekvivalensförhållande på 1,85. Även om det inte visas i figur 3, hade lågan inte släcka upp till ett ekvivalensförhållande av 3,97. Med en rik brännbarhetsgränsen på endast 1,64 rapporterade 18, erhållande av ett ekvivalensförhållande på 3,97 är inte möjligt med icke-katalytisk förbränning. Dessa resultat tyder på att det finns luftläckage in i förbränningskammaren och en möjlig källa är tillbaka-flöde från avgasutloppet.
Figur 3. Första förbränningsavgas karakterisering. Analysresultat före förhindra backflöde av luft in i förbränningskammaren visar slumpmässiga variationer av arter. Avvikelse från förväntade trender indikerar antingen felaktig mixIng eller luftläckage. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Undersökning av de övre gränserna för antändbarhet för förbrännaren är inte det enda sättet att kontrollera för returflöde. En andra indikation från figur 3 är att trenderna för flera av arterna avgas inte följer förväntade trender. CEA är en vanlig teknik som används för att bedöma de förbränningsprodukter baserade på vilka produkter är energimässigt gynnsamma under olika villkor för temperatur, tryck och ekvivalensförhållandet. CEA är ett sätt att bedöma trender som bör vara observerbara i detta experiment. Olika CEA resultat för vanliga bränslen kan hittas i litteraturen eller kan bedömas med hjälp av program som utvecklats för denna uppgift. Figur 4 visar CEA resultat för primärarten i torr metan brännbara på avgas. Medan nästan alla avgas arter visas i figur 3 avviker från förväntade trender, är O 2 kanske den viktigaste. Vid ekvivalensförhållanden större än 1, är mycket liten O2 förväntas eftersom de flesta av det bör konsumeras under förbränning för att bilda förbränningsprodukter. Medan O 2-koncentrationen är låg i de flesta av intervallet, varvid en högre mängd O2 vid ett ekvivalensförhållande av 1,75 och 1,85 i jämförelse med lägre ekvivalensförhållanden förväntas inte. Detta är en möjlig indikation på antingen ofullständig blandning eller tillbakaflöde av O 2 in i förbränningskammaren. Dessutom upptäcka CH4 vid en volymprocent eller högre under hela detta område är också en möjlig indikation på ofullständig blandning. Trendanalyser genom jämförelse med CEA resultat kan bidra till att ange om det finns back-flöde av luft eller eventuella blandningsproblem.
p_upload / 54.638 / 54638fig4.jpg "/>
Figur 4. Kemisk jämviktsanalys av metan / luftförbränningsprodukter. Kemisk jämviktsanalys (CEA) Resultaten visar termodynamiska jämvikts prognoser för avgaskompositionen vid olika ekvivalensförhållanden. Även experimentella data inte stämmer perfekt, ger CEA en indikation på förväntade trender. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tillbakaflöde av luft vid förbränningskammarens avgas detekterades och hindras genom att blockera en del av förbränningskammaren avgasporten som beskrivits i diskussionen avsnittet. Efter blockering av en del av förbränningskammaren avgasport de rika-brännbarhetsgränsen hade ett ekvivalensförhållande på cirka 1,45 för förbränningskammaren. Med backflöde förhindras, förbränningsavgas bedömdes vid ekvivalensförhållanden och bränsle- och luftflödena som visas i tabell 1. Flödeshastigheterna som visas i tabell 1 erhölls i steg 1.5 i protokollet med hjälp av ekvation 5. Figur 5 visar resultaten av den torra förbränningsavgas karakterisering för betingelser som visas i tabell 1. Figur 5 bekräftar att de faktiska utvecklingen är jämförbara med CEA resultat som visas i figur 4. Detta ger viss validering av resultaten. Men det finns några punkter som avviker från CEA trender som CO2 vid ett ekvivalensförhållande av 1,45. En del av felet vid ett ekvivalensförhållande av 1,45 är att brännkammaren arbetar nära de rika-brännbarhetsgränsen, vilket kan resultera i instabiliteter i den flamma, möjligt härdning och avvikelser i avgasprovet. Analysen bör upprepas för att säkerställa repeterbarhet och noggrannhet av resultaten. Rörelse under de rika-flammability gräns av kammaren (t.ex. omkring en maximal ekvivalensförhållande av 1,4 i denna installation) rekommenderas.
| ekvivalensförhållande | Metan flödeshastighet (L / min) | Luftflödet (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. Förbrännings karakterisering metan och luftflöden på varierande ekvivalensförhållanden. Beräkning av de erforderliga flöden diskuteras i avsnitt 1 i protokollet. Ekvation 5 används för att beräkna luftflödena baserade på ekvivalensförhållandet och en fast metanflödeshastighet.
Figur 5. Förbrännings karakterisering analys från metan / luftförbränningsavgaser. Förbättrade resultat som erhållits efter att förhindra backflöde av luft in i förbränningskammaren. Trenderna liknar CEA förutsägelser ger förtroende för riktigheten i resultaten. Flera tester avavgas kan behövas när avvikelser från den förväntade trender uppstår. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Med förbränningsavgaskännetecknad upp till den rika brännbarhetsgränsen kan modellen förbränningsavgasema utvecklas för mT-FFC testning. Utveckling av modellen förbränningsavgasema är beroende av vilken avgas arter som är mest relevanta för studien. I initiala studier av FFC-koder, är den främsta intresse för att förstå bränslecellen prestandakarakteristika i förbränningsavgasema med relativt små mängder bränsle, som kan elektrokemisk energiomvandling. Dessa egenskaper inkluderar toppeffekttäthet, strömtäthet, öppen kretsspänning, bränsleutnyttjande och effektivitet vid olika ekvivalensförhållanden och driftstemperaturer. Verkar i en relativt liten bränslekoncentration är one av de primära funktioner som skiljer FFC så många bränsleceller arbetar med höga koncentrationer av bränsle och låga koncentrationer av andra gaser inklusive CO2, H2O och inerta gaser bland annat. För att göra denna bedömning endast gaser som upptäckts i förbrännings karakterisering med volymprocent över 1% ingick i modellen förbränningsavgasema. Som ett resultat, bara H2, var CO, CO2 och N2 som behövs för att utveckla en modell bränslerika förbränningsavgas för metanförbränning. Tabell 2 visar resultaten av förbrännings karakterisering bedömning. För en total flödeshastighet på anodsidan i bränslecellen av 300 ml / min, är flödeshastigheterna för varje art som även visas i tabell 2.
| ekvivalensförhållande | H 2 volym% | H | CO volym% | CO (ml • min -1) | CO 2 volym% | CO 2 (ml · min -1) | N 2 volym% | 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. Modellförbränningsavgas sammansättning och flödeshastigheter. Experimentella resultat som erhållits för förbrännings karakterisering visas som volymen percents av det detekterade ämnet. Den totala flödeshastigheten av modell bränslerik förbränningsavgasema för bränslecellerna var satt till 300 ml / min. Flödeshastigheten för varje enskild art beräknas genom att multiplicera den totala flödeshastigheten och volymen procent av varje art.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet diskuteras här är en viktig bro mellan tidigare förbrännings karakterisering forskning och bränslecellsprovning. Användningen av förbränning för bränsle reformering och bränslecell tester har använts i flera år i DFFC inställningar 10-15. Emellertid är karakteriseringen av förbränningsprocessen i DFFCs huvudsakligen om in-situ karakterisering av lågan kompositionen 16 och använder en MS 8. Eftersom DFFC är öppen mot den omgivande, består avgaskompositionen till största delen av vatten och CO2 och behövs ej karakteriseringen av avgaserna. För att utveckla den nyligen FFC konceptet ett förfarande för karakterisering av förbränningsavgasema i en delvis sluten kammare (dvs, ett som bibehåller bränsle-luftförhållandet) behövs. Istället för att använda en MS, är en GC tillämpas för förbränningsavgasanalys 7. Efter karakterisering av avgaserna, en enkel metod för att testa bränsleceller inom denna exhAust är nödvändig. Även om det är möjligt att utveckla en helt integrerad brännare och bränslecelltestapparaten, ger detta förfarande ett enkelt första steg som kan appliceras för vetenskaplig undersökning av bränslecellprestanda med varierande sammansättningar avgas. Medan förbrännings karakterisering tillvägagångssätt är vanligt, är dess ansökan om FFC forskning en viktig utveckling.
De mest kritiska stegen i den här proceduren är att säkerställa att riktiga säkerhetsåtgärder har vidtagits före antändning; och för att säkerställa att det inte finns något luftläckage in i förbränningskammaren. Användningen av envägsventiler och / eller flamskydd samt högtemperaturmaterial är viktigt för säkerheten av apparaten och forskarna. Såsom visas i resultatdelen, kan ett brett spektrum av felaktiga resultat uppstå om det finns back-flöde eller annat läckage av luft in i förbränningskammaren. Detta tillbakaflöde förändrar ekvivalensförhållande av blandningen och kan skapa olikablanda mönster som skapar resultat som de som visas i figur 3.
Medan två metoder för att bestämma om det finns back-flöde av luft in i förbränningskammaren har redan beskrivits, det finns en tredje man kan bestämma om detta sker. Denna metod bedömer helt enkelt om flamman fortsätter att brinna när MFC för luft är avstängd. I denna förblandade förbränningsprocessen den enda luft för förbränningsreaktioner tillförs genom maskinen. Efter tändning, kan lufttillförseln vara avstängd när bränslet är kvar på. Lågan slocknar i frånvaro av luft. Om förbränningen fortsätter, då back-flöde av luft in i förbränningskammaren sker. Efter bestämning att det finns back-flöde av luft in i förbränningskammaren, vilket förhindrar backströmnings av luft är nödvändig innan man fortsätter. Fastställande av problemet kan vara relativt enkel. Förbränningsavgasema är varmt och därför mindre flytförmåga, vilket får den att stiga till toppen av förbränningskammare. Något tillbakaflöde av luft in i kamrarna änden kommer att inträffa vid botten av kammaren. Efter blockering den nedre delen av förbränningskamrarna avgasport, till de tre ovan beskrivna teknikerna kan utföras igen se till att ingen luft back-strömmar in i kammaren. Denna diskussion förutsätter att kammaren redan har kontrollerats för läckor. Fullständig blandning bör också kontrolleras genom att säkerställa att alla metan detekteras i spårmängder och mätningarna GC är repeterbara.
Efter att karakterisera förbränningsavgasema och utveckla modellen förbränningsavgassammansättning, det finns en rad olika applikationer för bränslecellsprovning. Avsnittet protokoll beskriver specifik tillämpning av denna teknik för mikro tubulär SOFC testning. Däremot kan samma grundläggande förfarande tillämpas för att testa andra bränslecell geometrier inklusive plan och större rörformiga SOFCs. Protokollet omfattar även testa stack mönster för antingen geometri. Dessutom, Protokollet inte är begränsad till metan som bränslet. Metoden kan utvidgas till andra alkaner och alkoholbränslen som också har en betydande potential för alstring av H2 och CO från bränslerika förbränningsprocesser.
Medan det protokoll som beskrivs har många tillämpningar som ytterligare utveckling av FFC-koder, det finns begränsningar för denna teknik. Protokollet har upprättats för att testa möjligheten att rörelse SOFCs i olika bränslerika förbränningsprocesser och bränslen. Potentialen observeras när bränsleceller arbetar i modellbränslerika avgaser. Specifikt nyckeltal lovande prestanda innefattar hög effekttäthet, strömtäthet, bränsleutnyttjande och tomgångsspänning uppnås i bränslecellen. Men utvecklingen av en modell bränsle med endast de mest betydelsefulla arter som finns begränsar studier som kan genomföras. Till exempel, som verkar de SOFCs i modellen förbränningsavgasema för långtidstestning är möjligt, men jagt kanske inte den bästa indikationen av de faktiska långsiktiga prestanda hos bränslecellen. På lång sikt kan en del av spårämnen i förbränningsavgas bli skadligt för SOFCs prestanda. Testa dessa resultat kräver fullständig integrering av SOFC med en faktisk brännaren och fullständig förbränning avgassystem. Även om dessa begränsningar är närvarande, ger tekniken fortfarande ett enkelt och kontrollerat sätt att bedöma FFC prestanda och potential som en framtida kraftkällor generation.
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).
