Introduction
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Innovationen wurden in den letzten Jahren berichtet, wie die Technologie weiter zu entwickeln. Unter den vielen Vorteilen haben, SOFCs für hohe Kraftstoffeffizienz, geringe Emissionen und moderate Brennstoffflexibilität im Vergleich zu anderen Verbrennungs basierten Leistungserzeugungstechniken 1 bekannt geworden. Darüber hinaus sind SOFCs skalierbar so dass für hohe Kraftstoffeffizienz auch bei kleinen Skalen. Leider haben Einschränkungen in der aktuellen Wasserstoff-Infrastruktur ein Bedarf an Kraftstoffreformierung Systeme geschaffen, die oft ineffizient sind. Eine neuere Entwicklung ist die mikrotubulären flamm unterstützt Brennstoffzelle (mT-FFC) in des Autors früheren Arbeiten 2 berichtet. Der mT-FFC ist das erste Beispiel einer Flamme unterstützten Brennstoffzelle (FFC) , die auf die Vorteile der ursprünglichen direkten Flamme Brennstoffzelle (DFFC) baut, die 3 durch Verbrennung Reformierung Wärmeerzeugung und Treibstoff zur Verfügung stellt. Die DFFC Einrichtung platziert eine SOFC in direkten Kontakt mit einer Flamme offen für die Umgebungs environment. Die Flamme oxidiert teilweise schwerere Kohlenwasserstoffbrennstoffen H 2 und CO zu erzeugen, die in der SOFC mit weniger Potential für Kohlen Verkokung im Vergleich zu reinem Methan oder andere schwerere Kohlenwasserstoffe direkt verwendet werden kann. Zusätzlich stellt die Flamme die Wärmeenergie benötigt, um die SOFC auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Eine aktuelle Änderung der ursprünglichen DFFC erfolgte durch die SOFC aus dem Flammenbereich bewegt und das Verbrennungsabgas in die SOFC Kanalisierung des FFC 2 zu schaffen. Anders als bei der DFFC erfolgt die Verbrennung in einer teilweise umschlossenen Kammer (anstelle der Umgebungs), so dass der Kraftstoff-Luft-Verhältnis gesteuert werden kann und das Abgas kann direkt in die Brennstoffzelle eingespeist werden, ohne daß eine vollständige Verbrennung stattfindet. FFCs haben zusätzliche Vorteile wie hohe Brennstoffausnutzung und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zu DFFCs 2.
Als aufstrebender Bereich der Forschung werden experimentelle Techniken benötigt, die das Potenzial von mT-FF beurteilenCs für die zukünftige Energieerzeugung Anwendungen. Diese Techniken erfordern Analyse der partiellen Oxidation oder brennstoffreichen Verbrennung und der Abgas die als Weg identifiziert worden ist , zur Erzeugung von H 2 und CO, das auch als Synthesegas bekannt ist , zusammen mit CO 2 und H 2 O. Das Syngas kann direkt in den Brennstoffzellen für die Stromerzeugung verwendet werden. Die Analyse der brennstoffreichen Verbrennungsabgas wurde in den letzten Jahren gut etabliert und hat theoretisch 4 durchgeführt wird , berechnungs 5,6 und experimentell 7 für viele verschiedene Zwecke. Viele der theoretischen und rechnerischen Studien haben sich auf das chemische Gleichgewicht Analyse (CEA) stützte sich die Verbrennungsproduktspezies zu bewerten, die energetisch günstig sind, und chemische kinetische Modelle für Reaktionsmechanismen. Während diese Verfahren sehr nützlich gewesen sind, haben viele neue Technologien auf experimentelle Techniken in der Forschung und Entwicklung berufen. Experimentelle Techniken beruhen typischerweise auf anaLyse des Verbrennungsabgas unter Verwendung entweder eines Gaschromatographen (GC) 7 oder ein Massenspektrometer (MS) 8. Entweder die GC line / Spritze oder die MS-Sonde wird in das Verbrennungsabgas eingeführt und die Messungen nach dem Spezieskonzentration abzuschätzen. Die Anwendung der experimentellen Techniken wurde im Bereich der kleinen Stromerzeugung gemeinsam. Einige Beispiele umfassen Mikro Brennkammern , die entwickelt wurden mit Einkammer SOFCs 7,9 und DFFCs 10-15 zu betreiben. Die Analyse des Verbrennungsabgas tritt in einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen einschließlich unterschiedlichen Temperaturen, Durchflussraten und Äquivalenzverhältnisse.
Im Bereich der DFFC Forschung, Brennstoff und Oxidationsmittel können teilweise vorgemischt werden oder nicht vorgemischten, mit dem Brenner offen zur Umgebungs die vollständige Verbrennung gewährleistet. Mit einer Notwendigkeit , die Flamme Zusammensetzung zu analysieren, eine MS hat in vielen Fällen für DFFC Forschung und Verbrennungsanalyse 16 eingesetzt. Die neuere Entwicklung des FFC unterscheidet sich in einer teilweise geschlossenen Umgebung auf einer vorgemischten Verbrennung mit dem Brenner, indem sie sich eine vollständige Oxidation des Brennstoffes zu verhindern. Als Ergebnis zeigte die Analyse des Verbrennungsabgases in einer kontrollierten Umgebung frei von Luftleckage benötigt. Experimentelle Techniken für diesen Zweck entwickelt verlassen sich auf den früheren Techniken für die Mikrobrennkammer Forschung mit GC-Analyse des Verbrennungsabgases bei variierenden Äquivalenzverhältnissen verwendet. Die GC - Analyse führt zur Charakterisierung der Verbrennungsabgaszusammensetzung (dh der Volumenprozentsatz jedes Bestandabgas einschließlich CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Diese Analyse ermöglicht das Mischen der getrennten Gase nach den Verhältnissen durch die gemessene GC, um ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas für zukünftige FFC Forschung schaffen.
Die Protokolle für brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu analysieren, ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu entwickeln und anwendening den Auspuff für SOFC-Tests werden in diesem Papier hergestellt. Gemeinsame Herausforderungen und Einschränkungen sind für diese Techniken diskutiert.
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Protocol
1. Verbrennungs Berechnungen
- Wählen Sie Kraftstoff für die Analyse. Wählen Sie hier Methan als Bezugskraftstoff, aber die Prinzipien sind übertragbar auf andere Kohlenwasserstoffbrennstoffen.
- Mit 1 Mol Methan als Brennstoff, Gleichgewichtsgleichung (1) für eine stöchiometrische Verbrennung zu erhalten, die Gleichung (2).
- Berechnen des Kraftstoff-Luft - Verhältnis für eine stöchiometrische (F / A stöch.) , Wie in Gleichung 3 für die Methanverbrennung durch die Masse von Methan durch die Masse von Luft geteilt wird . Zu berechnen, der Zähler ist die Anzahl der Mole von Methan - fache molare Masse von Methan (16 g · mol -1) und der Nenner ist die Anzahl der Mol Sauerstoff - fache molare Masse von Sauerstoff (32 g · mol -1) zuzüglich die Anzahl der Mole von Stickstoff - fache molare Masse von Stickstoff (28 g · mol -1).
- Um das Äquivalenzverhältnis (Gleichung 4) zu variieren, variieren auch die Luftströmungsrate, der Kraftstoffdurchflussrate oder beides gleichzeitig. Typischerweise fix eine der Größen und variieren die anderen. Bestimmen Sie, ob entweder die Kraftstoff oder Luftdurchsatz für den Brenner zu beheben. Für dieses Experiment, fixieren Sie die Kraftstoff-Strömungsrate bei 10 l / min und damit der Luftdurchsatz in diesem Setup zu variieren.
- Mit der Kraftstoffdurchsatz, f, fixiert (10 l / min), F / A - stoisch. berechnet (0,0583), und die Bestimmung des Äquivalenzverhältnisses gegeben, die Berechnung der Luftströmungsgeschwindigkeit, eine für jede Äquivalenzverhältnis geprüft werden. Gleichung (5) stellt einen direkten Weg für die Berechnung der Luftströmungsrate in L / min für jede Äquivalenzverhältnis und die Ergebnisse sind für ein Äquivalenzverhältnis von 1 für Stöchiometrie gezeigt.
HINWEIS: Die obere FlammFähigkeit Grenze (oder obere Explosionsgrenze) ist die reichste Äquivalenzverhältnis, das ohne Abschrecken der Flamme in der Abwesenheit eines Katalysators verbrannt werden kann. Höheren Äquivalenzverhältnissen kann unter Verwendung eines Katalysators erhalten werden, jedoch nur nicht-katalytischen Verbrennung wird in diesem Papier beschrieben. Lesen Sie die Literatur, die die obere Zündgrenze für den Brennstoff gewählt, um beurteilen zu können.
2. Verbrennungs Charakterisierung Experimenteller Aufbau
- Wählen Sie Massendurchflussregler (MFCs) für Methan und Luft auf der Basis der Durchflussraten, erhalten in Schritt 1.5. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie eine MFC Größe der Auswahl, um sicherzustellen, dass das MFC nicht am unteren Ende seines Bereichs (<10% vom Endwert) während der Prüfung in Betrieb sein. Für diesen spezifischen Fall verwenden 40 l / min und 200 l / min MFCs für Methan und Luft sind.
- Schließen Sie die MFCs an die Methan und Lufttanks über Kupferrohre.
- Stellen Sie die Regler auf die Methan und Luftbehälter an den entsprechenden Druck für das MFC wie angegebendurch den Hersteller. In diesem Fall den Druck auf 138 kPa (20 psi).
- Kalibrieren Sie die MFCs genaue Durchflussraten zu gewährleisten.
- Konstruieren Sie die Brennkammer. Für dieses Experiment wurde eine Brennkammer 914 mm lang mit einem 168 mm Austrittsdurchmesser zu entwickeln.
- Bohrer Ports für Verbrennungsabgasanalyse und für Thermoelement-Anordnung entlang der Länge der Verbrennungskammer. Die genaue Anzahl und der Abstand benötigt wird, hängt von der Größe der Flamme und die Zwecke des Experiments. Für diese Einrichtung, Raum die ersten 5 Thermoelemente am nächsten an der Verbrennungsbereich 7 mm auseinander gesetzt. Raum der letzten 6 Thermoelemente 14 mm auseinander. Verwenden Sie den gleichen Abstand für die Auslasskanäle.
- Legen Sie die K-Typ-Thermoelemente in die Verbrennungskammer über die Anschlusslöcher. Richten Sie die Thermoelementspitze in der Mitte der Brennkammer. Größe der Anschlusslöcher das Thermoelement zu passen und Dichtung mit hoher Temperatur Metallhülsen und Muttern Auslaufen zu verhindern.
- Connect die K-Typ-Thermoelemente direkt mit dem Datenerfassungsmodul.
- Schließen Sie das Datenerfassungsmodul an den Computer über den USB-Laufwerk.
- Bringen Sie ein Einwegventil auf dem Weg Kupferrohr unmittelbar nach dem Kraftstoff MFC und kurz vor dem Brenner. Richten Sie das Ventil, so dass der Fluss nur weg von der MFC bewegen kann. Die Einwegventile sind eine wichtige Sicherheitsfunktion Blitz zurück zu verhindern.
- Überprüfen Sie die Kupferrohr vor und nach dem MFC-Setup auf undichte Stellen. Verwenden Sie Seifenwasser aufgetragen mit einem Pinsel auf die Rohrlecks zu erfassen, wie Lecks Blasen schaffen würde.
- Schließen Sie die Brennkammer und Brenner zu den Massendurchflussregler über Kupferleitungen.
- die Brennkammer Setup, wählen Sie eine der Auslasskanäle für die Prüfung Nach Abschluss. Verbinden Sie diesen Anschluss an Kupferrohren, die mit dem GC-Analyse-Port erstreckt.
- Wählen Sie eine Spritze, die die Abgase aus der Verbrennungskammer zu ziehen und drücken Sie dann in die GC für die Analyse. Für dieses Experiment verwenden ein25-ml-Spritze.
- Platzieren ein Dreiwegeventil in Übereinstimmung mit dem Kupferrohr die Auslaßöffnung mit dem GC verbindet. Ein Ende des Zweiwegeventils mit dem GC, der zweiten in die Abgasöffnung und der dritten in die 25 ml-Spritze. Verbinden der Kupferrohre an die 3-Wege-Ventil. Verwenden Sie die Spritze Verbrennungsabgas aus der Kammer zu saugen und dann schieben in den GC für die Analyse.
- Die 3-Wege-Ventil mit dem GC und Spritze. Betätigen, um den Spritzenkolben erfolgreichen Betrieb sicherzustellen.
HINWEIS: Ein vereinfachtes Schema des Aufbaus ist in 1 gezeigt.
3. Verbrennung Charakterisierung Experiment 4. Entwicklung des Modells Verbrennungsabgas 5. Fuel Cell Testing-Setup 
Abbildung 1. Die Verbrennung Charakterisierung Versuchsaufbau schematisch. Combustion Charakterisierung Versuchsaufbau schematische Darstellung , Kraftstoff-, Luft- und Abgasströme (schwarze Pfeile) und Datenströme (rote Pfeile). Einwegventile werden verwendet, Blitz zurück zu verhindern.
ANMERKUNG: Abbildung 2 ist ein vereinfachtes Schema der mT-FFC - Test - Setup zeigt. Mit dem Modell Kraftstoff entwickelt und die für die Steuerung des Modells Brennstoffströmung zu der Brennstoffzelle etabliert Setup können Tests nach herkömmlichen f vorgehenuel Zelle Testmethoden. Diese Verfahren sind in der Literatur gut etabliert und werden hier nicht wiederholt werden. 
Abbildung 2. mikrotubulären Flamme-unterstützte Brennstoffzellentestaufbau schematisch. Flüsse von H 2, CO, CO 2, N 2 (schwarze Pfeile) sind mit einem MFC geregelt und ein Einwegventil Blitz zurück zu verhindern. Elektronen fließen (grüne Linie) von der SOFC in dem Ofen mit dem Potentiostaten und zurück zu der SOFC. Durchfluss von Thermoelement - Daten und elektrochemischen Daten wird durch rote Pfeile dargestellt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Representative Results
Die Verbrennungskammer Charakterisierung sollte bei den gewünschten Äquivalenzverhältnissen für die Rückströmung der Luft in die Kammer oder eine andere Luftverlust während des Tests vor dem Test überprüft werden. Verbrennungsprozesse in offenen Kammern sind dafür bekannt, fast isobar zu sein. Rück fließt in die Verbrennungskammer aus der Kammer Auslassanschluss oder andere Leckstellen Als Ergebnis kann nicht ausreichen, um Druck innerhalb der Verbrennungskammer, um sicherzustellen, dass keine Luft von der äußeren Umgebung ist. Es gibt verschiedene experimentelle Techniken, um zu bestätigen, dass kein Rückfluss auftritt. Erstens, für eine nicht-katalytischen Brenner, die reichen entflammbaren Grenzwerte sind für viele Brennstoffe 18,19 gut etabliert. Nach der Zündung sollte das Äquivalenzverhältnis der Strömung langsam eingestellt werden, bis sie die reiche Entflammbarkeit Grenze nähert. Wenn die Reichen können Entflammbarkeitsgrenze deutlich ohne Flamme Abschrecken überschritten werden, dann gibt es Hinweise darauf, dass Luft zurückfließenden in ter Brennkammer in einem magereren Gemisch führt , als erwünscht ist . Abbildung 3 zeigt die ersten Ergebnisse für trockene Methanverbrennungsabgas bis zu einem Äquivalenzverhältnis von 1,85 erhalten. Obwohl nicht in Figur 3 dargestellt, hat die Flamme auslöschen nicht zu einem Äquivalenzverhältnis von 3,97 auf. Mit einer reichen Entflammbarkeitsgrenze von nur 1,64 18 gemeldet, erhalten ein Äquivalenzverhältnis von 3,97 ist nicht möglich , mit nicht-katalytischen Verbrennung. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Luftleckage in die Verbrennungskammer ist und eine mögliche Quelle ist Rückstrom aus dem Abgasauslaß.
Abbildung 3. Anfängliche Verbrennung Abgascharakterisierung. Die Analyseergebnisse vor Rückfluss von Luft in die Verbrennungskammer zeigen zufällige Schwankungen der Arten zu verhindern. Eine Abweichung von den erwarteten Trends zeigt entweder falsche Mischunging oder Luftverlust. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Untersuchung der oberen Grenzen der Entflammbarkeit für die Brennkammer ist nicht der einzige Weg für die Rückströmung zu überprüfen. Eine zweite Anzeige von Abbildung 3 ist , dass die Trends für mehrere der Abgasarten folgen nicht erwarteten Trends. CEA ist eine übliche Technik, die die Verbrennungsprodukte zur Beurteilung verwendet wird, auf deren Basis Produkte unter verschiedenen Bedingungen von Temperatur, Druck und Äquivalenzverhältnis energetisch günstig sind. CEA bietet eine Möglichkeit, Trends der Beurteilung, die in diesem Experiment beobachtet werden sollte. Verschiedene CEA Ergebnisse für gemeinsame Brennstoffe sind in der Literatur zu finden oder können unter Verwendung von Software - Programme für diese Aufgabe entwickelt bewertet werden. Abbildung 4 zeigt die CEA - Ergebnisse für die primäre Spezies in trockenen Methan combusti auf Auspuff. Während fast alle Abgasarten in Abbildung 3 abweichen von der erwarteten Trends gezeigt, O 2 ist vielleicht der wichtigste. Bei Äquivalenzverhältnissen größer als 1 ist , sehr wenig O 2 wird erwartet , da die meisten davon sollten bei der Verbrennung verbraucht werden Verbrennungsprodukte zu bilden. Während die O 2 -Konzentration im größten Teil des Bereichs niedrig ist, eine höhere Menge an O 2 bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,75 und 1,85 im Vergleich zu erhalten Äquivalenzverhältnisse zu senken , ist nicht zu erwarten. Dies ist eine mögliche Indikation entweder unvollständige Vermischung oder Rückfluss von O 2 in die Verbrennungskammer. Weiterhin CH Erfassung 4 bei 1 Volumenprozent oder mehr in diesem Bereich ist auch ein möglicher Hinweis auf unvollständige Vermischung. Trendanalyse durch den Vergleich mit CEA Ergebnisse können dazu beitragen, zeigen an, ob es den Rückfluss von Luft oder mögliche Mischprobleme.
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Abbildung 4. Das chemische Gleichgewicht Analyse von Methan / Luft Verbrennungsprodukte. Das chemische Gleichgewicht Analyse (CEA) Ergebnisse zeigen , thermodynamischen Gleichgewicht Prognosen für die Abgaszusammensetzung bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen. Während experimentellen Daten nicht perfekt passt, bietet CEA einen Hinweis auf erwartete Entwicklungen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Rückströmung von Luft an der Verbrennungskammer Abgas wurde durch Blockieren eines Teils der Verbrennungskammer Auslassanschluss erkannt und verhindert, wie in der Diskussion beschrieben. Nach der Blockierung ein Äquivalenzverhältnis von hatte einen Teil der Brennkammer Austrittsöffnung der fetten Entflammbarkeitsgrenze etwa 1,45 für die Brennkammer. Mit Rückströmung verhindert wird, die VerbrennungAuspuff an den Äquivalenzverhältnisse und Kraftstoff- und Luftdurchflussraten in Tabelle 1 gezeigt bewertet. Die Strömungsgeschwindigkeiten in Tabelle 1 gezeigt wurden in Schritt 1.5 des Protokolls erhalten Gleichung 5. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der trockenen Verbrennungsabgas Charakterisierung für die gezeigten Bedingungen in Tabelle 1, Fig . 5 bestätigt , dass die aktuellen Trends vergleichbar sind Ergebnisse CEA in 4 gezeigt ist . Dies stellt eine Validierung der Ergebnisse. Allerdings gibt es einige Punkte , die aus CEA Trends wie CO 2 bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,45 abweichen. Ein Teil des Fehlers bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,45 ist, daß die Brennkammer in der Nähe des Rich-Entflammbarkeitsgrenze arbeitet, die in Instabilitäten innerhalb der Flamme möglich Abschrecken und Abweichungen in der Abgasprobe führen kann. Die Analyse sollte die Wiederholbarkeit und die Genauigkeit der Ergebnisse sicherzustellen wiederholt werden. Betrieb unter den Reichen-flammability Grenze der Kammer (zB um eine maximale Äquivalenzverhältnis von 1,4 in diesem Setup) wird empfohlen.
| Das Äquivalenzverhältnis | Methan - Durchflussrate (L / min) | Luftdurchsatz (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 |
Tabelle 1. Die Verbrennung Charakterisierung Methan und Luftströmungsraten bei unterschiedlichen Äquivalenzverhältnisse. Berechnung der erforderlichen Durchflussraten wird in Abschnitt 1 des Protokolls diskutiert. Gleichung 5 wird verwendet, um die Luftströmungsraten auf dem Äquivalenzverhältnis und einem festen Methan-Durchflussrate zu berechnen.
Abbildung 5. Die Verbrennung Charakterisierung Analyse von Methan / Luft - Verbrennungsabgas. Verbesserte Ergebnisse erhalten nach Rückfluss von Luft in den Brennraum zu verhindern. Die Trends sind ähnlich CEA Vorhersagen Bereitstellung Vertrauen in die Genauigkeit der Ergebnisse. Mehrere Testsdas Abgas kann erforderlich sein , wenn Abweichungen von den erwarteten Entwicklungen auftreten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Mit dem Verbrennungsabgas zu dem reichen Entflammbarkeitsgrenze gekennzeichnet, kann der Modellverbrennungsabgas für mT-FFC-Tests entwickelt werden. Entwicklung des Modells Verbrennungsabgas ist abhängig von dem Abgasarten für die Studie am relevantesten sind. In ersten Studien von FFC, ist das Hauptinteresse der Brennstoffzellenleistungsmerkmalen der Verbrennungsabgas mit relativ geringen Mengen an Brennstoff für die elektrochemische Energieumwandlung in das Verständnis. Diese Eigenschaften umfassen Spitzenleistungsdichte, die Stromdichte, die Leerlaufspannung, Kraftstoffausnutzung und Effizienz bei verschiedenen Äquivalenzverhältnisse und Betriebstemperaturen. in einem relativ geringen Kraftstoffkonzentration Betrieb ist one der primären Funktionen , die FFCs so viele Brennstoffzellen arbeiten mit hohen Konzentrationen von Brennstoff und niedrige Konzentrationen anderer Gase einschließlich CO 2, H 2 O und Inertgasen unter anderem aus. Um diese Einschätzung nur in der Verbrennungs Charakterisierung erfasst Gase mit Volumenanteilen von über 1% wurden in der Modellverbrennungsabgas enthalten. Als Ergebnis wurden nur H 2, CO, CO 2 und N 2 benötigt ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas für die Methanverbrennung zu entwickeln. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Verbrennungs Charakterisierung Beurteilung. Für eine Gesamtdurchflussmenge auf der Anodenseite der Brennstoffzelle von 300 ml / min, die Fließgeschwindigkeiten der einzelnen Arten sind ebenfalls in Tabelle 2 gezeigt.
| Äquivalenzverhältnis | H 2 Vol% | H | CO Volumen% | CO (ml · min -1) | CO 2 Vol% | CO 2 (ml · min -1) | N 2 Vol% | 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 |
Tabelle 2. Modellverbrennungsabgaszusammensetzung und Strömungsgeschwindigkeiten. Die experimentellen Ergebnisse für die Verbrennung Charakterisierung erhalten werden als Volumen p gezeigtercents der detektierten Spezies. Der Gesamtdurchsatz von Modellbrennstoffreichen Verbrennungsabgas für die Brennstoffzellen wurde auf 300 ml / min eingestellt. Die Durchflussrate jeder einzelnen Spezies wird durch Multiplizieren der Gesamtströmungsrate und die Volumenprozent von jeder Spezies berechnet.
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Discussion
Das Protokoll diskutiert hier ist eine wichtige Brücke zwischen früheren Verbrennungs Charakterisierung Forschung und Testen von Brennstoffzellen. Die Verwendung von Verbrennung für Kraftstoffreformierung und Brennstoffzellentest ist seit mehreren Jahren in DFFC Aufbauten 10-15 angewandt. Jedoch ist die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in DFFCs hauptsächlich mit in-situ Charakterisierung der Flammenzusammensetzung 16 und verwendet eine MS 8. Da die DFFC zur Umgebungs offen ist, besteht die Abgaszusammensetzung größtenteils aus Wasser und CO 2 und Charakterisierung des Abgases ist nicht erforderlich. Um den jüngsten FFC Konzept ein Verfahren zur Charakterisierung des Verbrennungsabgas in einer teilweise geschlossenen Kammer (dh einer, der das Kraftstoff-Luft - Verhältnis unterhält) wird zu entwickeln , benötigt. Statt eine MS zu verwenden, ist ein GC für Verbrennungsabgasanalyse 7 anwendbar. Nach dem Abgas zu charakterisieren, ein einfaches Verfahren zum Testen Brennstoffzellen in diesem exhaust notwendig. Während es möglich ist, einen vollständig integrierten Brenner und Brennstoffzelle Testvorrichtung zu entwickeln, bietet dieses Verfahren einen einfachen ersten Schritt, die für wissenschaftliche Untersuchung der Brennstoffzellenleistung mit unterschiedlichen Abgaszusammensetzungen angewendet werden können. Während die Verbrennung Charakterisierung Ansatz üblich ist, ist ihre Anwendung für FFC Forschung eine wichtige Entwicklung.
Die wichtigsten Schritte in diesem Verfahren sind, um sicherzustellen, dass angemessene Sicherheitsvorkehrungen vor der Zündung entnommen wurden; und um sicherzustellen, dass es keine Luftleckage in die Verbrennungskammer ist. Die Verwendung von Einwegventilen und / oder Flammensperren sowie Hochtemperatur-Materialien ist wichtig für die Sicherheit der Vorrichtung und die Forscher. Wie im Ergebnisteil gezeigt ist, kann eine Vielzahl von fehlerhaften Ergebnissen auftreten, wenn Rückströmung oder andere Leckage von Luft in die Verbrennungskammer ist. Diese Rückströmung verändert das Äquivalenzverhältnis der Mischung und kann verschiedene erstellenMischmuster , die solche Ergebnisse wie in Abbildung 3 zu erstellen.
Während zwei Verfahren zur Bestimmung, ob Rückströmung von Luft in die Verbrennungskammer ist bereits beschrieben worden ist, gibt es eine dritte Möglichkeit zur Bestimmung, ob dies auftritt. Diese Methode bewertet einfach, wenn die Flamme weiterbrennt, wenn der MFC für Luft ausgeschaltet ist. In diesem vorgemischten Verbrennungsprozess ist die einzige Luft für Verbrennungsreaktionen durch die MFC geliefert. Nach dem Zünden kann die Luftzufuhr abgeschaltet werden, während der Kraftstoff eingeschaltet bleibt. Die Flamme wird in der Abwesenheit von Luft löschen. Wenn die Verbrennung andauert, dann Rückfluss von Luft in die Verbrennungskammer auftritt. Nach der Bestimmung, dass es den Rückfluss von Luft in die Verbrennungskammer, wobei die Rückströmung von Luft verhindert wird, bevor Verfahrens erforderlich ist. das Problem zu lösen kann relativ einfach sein. Das Verbrennungsabgas ist heiß und daher weniger lebhaft, was es bewirkt, dass die Spitze der Verbrennung steigenKammer. Jeder Rückfluss von Luft in die Kammern Ende wird an der Unterseite der Kammer auftreten. den unteren Abschnitt der Verbrennungskammern Auslassanschluss Nach dem Blockieren werden die drei oben beschriebenen Techniken können erneut durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass keine Luft in die Kammer wieder fließfähig. Diese Diskussion geht davon aus, dass die Kammer bereits auf Dichtigkeit geprüft. Vollständiges Mischen sollte auch, indem sichergestellt wird überprüft werden, dass jede Methan in Spurenmengen nachgewiesen wird, und die GC-Messungen sind reproduzierbar.
das Verbrennungsabgas und Entwicklung des Modells Verbrennungsabgaszusammensetzung Nach der Charakterisierung, gibt es eine Reihe von Anwendungen für Brennstoffzellen-Tests. Der Protokoll Abschnitt beschreibt spezifische Anwendung dieser Technik für die Mikrorohrförmigen SOFC-Tests. Allerdings kann die gleiche grundlegende Verfahren für die Prüfung anderer Brennstoffzellen-Geometrien mit planar aufgebracht werden und größere Rohr SOFCs. Das Protokoll erstreckt sich auch auf die Prüfung Stapelkonstruktionen für entweder Geometrie. In ErgänzungWird das Protokoll auf Methan als Brennstoff beschränkt. Das Verfahren kann auf andere Alkane und Alkoholbrennstoffe erweitert werden , die auch ein erhebliches Potenzial für die Erzeugung von H 2 und CO aus brennstoffreichen Verbrennungsprozessen haben.
Während die beschriebene Protokoll viele Anwendungen, die weiter die Entwicklung von FFCs, gibt es Einschränkungen dieser Technik hat. Das Protokoll wurde gegründet, um die Möglichkeit von Betriebs SOFCs zu testen, in verschiedenen brennstoffreichen Verbrennungsprozessen und Kraftstoffe. Das Potential wird beobachtet, wenn Brennstoffzellen in Modell brennstoffreichen Abgas betreiben. Insbesondere gehören zu den wichtigsten Indikatoren für viel versprechende Leistung mit hoher Leistungsdichte, Stromdichte, Brennstoffausnutzung und die Leerlaufspannung in der Brennstoffzelle erreicht. Allerdings ist die Entwicklung eines Modells Kraftstoff nur mit den wichtigsten Arten vorhanden begrenzt die Studien, die durchgeführt werden können. Zum Beispiel ist die SOFC in der Modellverbrennungsabgas für Langzeittests Betrieb möglich, aber it kann die beste Anzeige der aktuellen langfristigen Leistungseigenschaften der Brennstoffzelle nicht zur Verfügung stellen. Auf lange Sicht können einige der Spurenarten im Verbrennungsabgas zu der SOFC Leistung schädlich geworden. diese Ergebnisse Testen erfordert die vollständige Integration der SOFC mit einem tatsächlichen Brenner und die vollständige Verbrennung Auspuff. Während diese Einschränkungen vorhanden sind, liefert die Technik immer noch eine einfache und kontrollierte mittels FFC Leistung und Potenzial als zukünftige Quellen der Stromerzeugung zu beurteilen.
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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 |
References
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