Introduction
Fastoxidbrændselscelle (SOFC) innovationer er blevet rapporteret i de senere år som teknologien fortsætter med at udvikle. Blandt de mange fordele, er SOFC blevet kendt for høj brændstofeffektivitet, lave emissioner og moderat brændstof fleksibilitet i forhold til andre forbrændingsprocesser baseret elproduktion teknikker 1. Endvidere SOFC er skalerbare muliggør høj brændstofeffektivitet selv ved små skalaer. Desværre har begrænsninger i nuværende brint infrastruktur skabt et behov for brændstof reformere systemer, der ofte er ineffektiv. En nyere udvikling er mikro-rørformede flamme-assisteret brændselscelle (mT-FFC) rapporteret i forfatterens tidligere arbejde 2. MT-FFC er det første eksempel på en flamme-assisteret brændselscelle (FFC), der bygger på fordelene ved den oprindelige direkte flamme brændselscelle (DFFC), som giver varmeudvikling og brændstof reformering via forbrænding 3. Den DFFC setup placerer en SOFC i direkte kontakt med en flamme åben til den omgivende envirjøet. Flammen delvist oxiderer tungere carbonhydridbrændstoffer at skabe H2 og CO, som kan anvendes direkte i det SOFC med mindre potentiale for carbon forkoksning forhold til ren methan eller andre tungere carbonhydrider. Desuden flammen tilvejebringer den termiske energi, der kræves for at bringe SOFC til sin driftstemperatur. En nylig ændring til den oprindelige DFFC indtraf ved bevægelse af SOFC ud af flammen regionen og kanalisere forbrændingsudstødningsgassen til SOFC at oprette FFC 2. I modsætning til DFFC, forbrændingen sker i en delvis lukket kammer (i stedet for den omgivende), således at brændstoffet til luft forholdet kan styres og udstødningssystemer direkte kan tilføres til brændselscellen uden fuldstændig forbrænding forekommende. FFC'er har yderligere fordele, herunder høj udnyttelse af brændslet og høj elektrisk virkningsgrad i forhold til DFFCs 2.
Som en spirende forskningsområde, er der behov for eksperimentelle teknikker, der kan vurdere potentialet i mT-FFCs til fremtidige kraftværker applikationer. Disse teknikker kræver analyse af partiel oxidation eller brændstof-rige forbrænding, og udstødning som er blevet identificeret som en måde at generere H2 og CO, også kendt som syntesegas, sammen med CO 2 og H 2 O. De syntesegas kan anvendes direkte i brændselsceller til elproduktion. Analysen af brændstof-rige forbrændingsudstødningsgassen er blevet veletableret i de seneste år og er blevet udført teoretisk 4, beregningsmæssigt 5,6 og eksperimentelt 7 til mange forskellige formål. Mange af de teoretiske og beregningsmæssige undersøgelser har påberåbt sig kemisk ligevægt analyse (CEA) for at vurdere forbrænding produkt arter, som er energisk gunstige, og kemiske kinetiske modeller for reaktionsmekanismer. Mens disse metoder har været meget nyttige, har mange nye teknologier påberåbes eksperimentelle teknikker under forskning og udvikling. Eksperimentelle teknikker typisk afhængige af analyse af forbrændingsudstødningsgassen anvendelse af enten en gaskromatograf (GC) 7 eller et massespektrometer (MS) 8. Enten GC linje / sprøjte eller MS proben indsættes i forbrændingsrøggas og er taget målinger til vurdering koncentrationen arten. Anvendelse af de eksperimentelle teknikker har været almindelig inden for små kraftværker. Nogle eksempler kan nævnes mikro brændkamre, der er udviklet til at fungere med en enkelt kammer SOFC 7,9 og DFFCs 10-15. Analysen af forbrændingsrøggassen sker under en lang række driftsbetingelser, herunder forskellige temperaturer, strømningshastigheder og ækvivalensforhold.
På området DFFC forskning, brændstof og oxidant kan være delvist forblandet eller ikke-forblandet, med brænderen åben til den omgivende, som sikrer fuldstændig forbrænding. Med et behov for at analysere flammen sammensætning, har en MS været anvendt i mange tilfælde for DFFC forskning og forbrænding analyse 16. Den nyere udvikling af FFC afviger ved at satse på forblandet forbrænding med brænderen i en delvist lukket miljø for at forhindre fuldstændig oxidation af brændstoffet. Som følge heraf er der behov analyse forbrændingsrøggassens i et kontrolleret miljø fri for utætheder. Eksperimentelle teknikker udviklet til dette formål, er afhængige af de tidligere teknikker, der anvendes til micro forbrændingskammer forskning med GC-analyse forbrændingsrøggassens ved varierende ækvivalensforhold. GC analyse fører til karakterisering forbrændingsrøggassens sammensætning (dvs. den rumfangsprocent af hver udstødningskomponent herunder CO2, H2O, N2, etc.) Denne analyse giver mulighed for blanding af separate gasser ifølge forholdene målt ved den GC at skabe en model brændstof-rige forbrændingsrøggas for fremtidig FFC forskning.
Protokollerne til analyse brændstof-rige forbrændingsrøggas, at udvikle en model brændstof-rige forbrændingsrøggas og anvendeing udstødningen for SOFC test er etableret i dette papir. Fælles udfordringer og begrænsninger diskuteres for disse teknikker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forbrænding Beregninger
- Vælg brændstof til analyse. Her vælger metan som referencebrændstof, men principperne kan overføres til andre kulbrinte brændstoffer.
- Med 1 mol methan som brændstof, balance ligning (1) for støkiometrisk forbrænding at få ligning (2).
- Beregn brændstof-luft-forholdet for støkiometrisk (F / A støk.) Som i ligning 3 for methan forbrænding ved at dividere massen af methan med massen af luft. For at beregne, at tælleren er antallet af mol methan gange den molære masse af methan (16 g · mol-1) og nævneren er antallet af mol oxygen gange den molære masse af oxygen (32 g · mol-1) plus antallet af mol nitrogen gange den molære masse af nitrogen (28 g · mol-1).
- For at variere ækvivalensforhold (ligning 4), varierer enten luftmængden, strømningshastigheden brændstof eller begge samtidigt. Typisk fastsætte en af de mængder og varierer den anden. Afgør om at fastsætte enten brændstof eller luftmængden til brænderen. Til dette forsøg fastsætte strømningshastigheden brændstof ved 10 l / min og tillade luftmængden at variere i denne opsætning.
- Med strømningshastigheden brændstof, f, fikseret (10 L / min), F / A stoic. beregnet (0,0583), og i betragtning af definitionen af ækvivalensforhold, beregne strømningshastighed en for hver ækvivalensforhold, der skal testes. Ligning (5) giver en direkte måde at beregne luftmængden i L / min for hver ækvivalens forholdet, og resultaterne er vist for en ækvivalens forholdet 1 til støkiometri.
BEMÆRK: Den øverste Flammevne grænse (eller øvre eksplosionsgrænse) er den rigeste ækvivalens ratio, der kan brændes uden quenching flammen i fravær af en katalysator. Højere ækvivalensforhold kan opnås med anvendelse af en katalysator, men kun ikke-katalytisk forbrænding er beskrevet i dette dokument. Rådfør litteraturen at vurdere øvre antændelsesgrænse for den valgte brændstof.
2. Forbrænding Karakterisering forsøgsopstilling
- Vælg massestrøm controllere (MFC'er) til metan og luft baseret på flowhastigheder opnået i trin 1.5. Vær forsigtig, når du vælger en MFC størrelse for at sikre, at MFC'en ikke vil være i drift i den lave ende af sit sortiment (<10% af fuld skalavisning) under testen. Til dette specifikke tilfælde, bruge 40 l / min og 200 L / min MFC'er for metan og luft.
- Tilslut MFC'er til metan og lufttanke via kobberrør.
- Indstil regulatorerne på metan og lufttanke til passende tryk for MFC som specificeretaf fabrikanten. I dette tilfælde skal du indstille trykket til 138 kPa (20 psi).
- Kalibrer de MFC'er at sikre nøjagtige strømningshastigheder.
- Konstruere forbrændingskammeret. Til dette forsøg udvikle et forbrændingskammer 914 mm lang med en 168 mm exit diameter.
- Bor porte til forbrændingsrøggas analyse og til termoelement placering langs længden af forbrændingskammeret. Det nøjagtige antal og spredning nødvendig afhænger af størrelsen af flammen og formålene med forsøget. Til denne opsætning, plads de første 5 termoelementer placeret tættest på forbrændingen region 7 mm fra hinanden. Plads de sidste 6 termoelementer 14 mm. Brug den samme afstand til udstødning porte.
- Sæt K-type termoelementer ind i forbrændingskammeret via port huller. Juster termoelement spids i midten af forbrændingskammeret. Størrelse havnen huller til at passe til termoelement og forsegle med høj temperatur metal tyller og nødder for at forebygge lækage.
- Connect K-type termoelementer direkte til datafangst modulet.
- Tilslut datafangst modulet til computeren via USB-drevet.
- Vedhæfte en envejsventil i kobberrør sti umiddelbart efter brændstof MFC og lige før brænderen. Vend ventilen, så strømmen kun kan bevæge sig væk fra MFC'en. De en-vejs ventiler er en vigtig sikkerhedsforanstaltning for at forhindre flash back.
- Kontroller kobberrør før og efter MFC setup for utætheder. Sæbevand påføres med en pensel på slangen for at detektere udsivning så lækager ville skabe bobler.
- Slut forbrændingskammeret og brænder til massestrømmen controllere via kobberrør.
- Efter at have afsluttet forbrændingskammeret setup, vælge en af udstødning porte til test. Forbind denne port til kobberrør der strækker sig til GC-analyse port.
- Vælg en sprøjte til at trække udstødningen fra forbrændingskammeret og skub den ind i GC til analyse. Til dette eksperiment skal du bruge en25 ml sprøjte.
- Placer en trevejsventil på linje med kobberrør forbinder udstødningsåbningen til GC. Slut den ene ende af den to-vejs ventil til GC, den anden til udstødningsporten og den tredje til den 25 ml sprøjte. Slut kobberrør til 3-vejs ventil. Brug sprøjten til at suge forbrændingen udstødning fra kammeret og skub det ind i GC til analyse.
- Tilslut 3-vejs ventil til GC og sprøjte. Aktivere sprøjtens stempel at sikre en vellykket operation.
BEMÆRK: En forenklet skematisk af opsætningen er vist i figur 1.
3. Forbrænding Karakterisering Experiment 4. Udvikling af model Forbrænding udstødning 5. Fuel Cell Test Setup 
Figur 1. Forbrænding karakterisering forsøgsopstilling skematisk. Forbrænding karakterisering forsøgsopstilling skematisk viser brændstof, luft og udstødning strømme (sorte pile) og datastrømme (røde pile). Envejsventiler anvendes til at forhindre slå tilbage.
BEMÆRK: Figur 2 er et forenklet skematisk viser mT-FFC test setup. Med modellen brændstof udviklet og opsætningen med henblik på kontrol af modellen brændstoftilførslen til brændselscellen, kan testning fortsætte i overensstemmelse med konventionel fUEL celle testmetoder. Disse metoder er velkendte i litteraturen og vil ikke blive gentaget her. 
Figur 2. Mikro-rørformet flamme-assisteret setup brændselscelle test skematisk. Flow af H2, CO, CO2, N2 (sorte pile) reguleres med en MFC og en envejsventil til at forhindre slå tilbage. Elektroner flow (grøn linje) fra SOFC'en i ovnen til potentiostat og tilbage til SOFC. Flow af termoelement data og elektrokemiske data er repræsenteret ved røde pile. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forbrændingen karakterisering kammer bør kontrolleres før test på de ønskede ækvivalensforhold for back-flow af luft ind i kammeret eller anden luft lækage under test. Forbrændingsprocesser i åbne kamre er kendt for at være næsten isobarisk. Som et resultat heraf kan trykket inden i forbrændingskammeret ikke være nok til at sikre, at ingen luft fra det eksterne miljø er back-strømmer ind i forbrændingskammeret fra kammeret udstødningsåbningen eller andre lækagepunkter. Der er flere eksperimentelle teknikker til at bekræfte, at ingen tilbageløb forekommer. Først for en ikke-katalytisk brænder, de rige-Eksplosionsgrænse er veletablerede for mange brændsler 18,19. Efter tænding, bør ækvivalensen forholdet strømningen justeres langsomt, indtil den nærmer sig rige antændelsesgrænse. Hvis de rige antændelsesgrænse kan overskrides væsentligt uden flamme quenching, så er der tegn på, at luften er back-strømmer ind than forbrændingskammeret resulterer i en slankere blanding end ønsket. Figur 3 viser de første resultater opnået for tør metan forbrænding udstødning op til en ækvivalens forholdet 1,85. Selvom det ikke er vist i figur 3, havde flammen ikke udslukke op til en ækvivalens forholdet 3,97. Med en rig antændelsesgrænse på kun 1,64 rapporterede 18, at opnå en ækvivalens forholdet 3,97 er ikke muligt med ikke-katalytisk forbrænding. Disse resultater indikerer, at der er luft lækage ind i forbrændingskammeret og en mulig kilde er tilbage-strømning fra udstødningsåbningen.
Figur 3. Indledende forbrændingsrøggas karakterisering. Analyseresultater før forhindre tilbagestrømning af luft ind i forbrændingskammeret show tilfældige udsving af arter. Afvigelse fra tendenser forventes angiver enten forkert mixing eller utætheder. Klik her for at se en større version af dette tal.
Undersøgelse af de øvre grænser for brændbarhed for brændkammeret er ikke den eneste måde at tjekke for tilbageløb. En anden indikation af figur 3, er, at tendenserne for flere af udstødning arter ikke følger forventede tendenser. CEA er en almindelig teknik, der bruges til at vurdere forbrændingsprodukterne baseret på hvilke produkter er energetisk gunstig under forskellige betingelser for temperatur, tryk og ækvivalensforhold. CEA giver en måde at vurdere tendenser, der bør være observerbare i dette eksperiment. Forskellige CEA resultater for almindelige brændstoffer kan findes i litteraturen eller kan vurderes ved hjælp af software-programmer, der er udviklet til denne opgave. Figur 4 viser CEA-resultater for de primære arter i tør metan forbrændin på udstødning. Mens næsten alle udstødning arter vist i figur 3 afviger fra forventede tendenser, O 2 er måske den vigtigste. Ved ækvivalensforhold større end en, der forventes meget lidt O 2 som det meste af det bør indtages under forbrænding at danne forbrændingsprodukter. Mens O 2 koncentrationen er lav i det meste af området, opnåelse af et højere mængde O 2 ved en ækvivalens forholdet 1,75 og 1,85 sammenlignet med lavere ækvivalensforhold forventes ikke. Dette er en mulig indikation på enten ufuldstændig blanding eller tilbagestrømning af O 2 ind i forbrændingskammeret. Desuden, afsløre CH 4 ved en volumen procent eller højere i hele dette område er også en mulig indikation af ufuldstændig blanding. Trend analyse gennem sammenligning med CEA resultater kan hjælpe oplyse, om der er back-flow af luft eller mulige blandingsforhold problemer.
p_upload / 54.638 / 54638fig4.jpg "/>
Figur 4. Kemisk ligevægt analyse af methan / luft forbrændingsprodukter. Kemisk ligevægt analyse (CEA) resultater viser termodynamisk ligevægt forudsigelser for udstødningsgassens sammensætning ved forskellige ækvivalensforhold. Mens eksperimentelle data ikke passer perfekt, CEA giver en indikation af tendenser forventede. Klik her for at se en større version af dette tal.
Tilbagestrømning af luft ved forbrændingskammeret udstødning blev detekteret og forebygges ved at blokere en del af forbrændingskammeret udstødningsport som beskrevet i afsnittet diskussion. Efter blokering af en del af forbrændingskammeret udstødningsporten havde rig-antændelsesgrænse en ækvivalens forhold på ca. 1,45 til forbrændingskammeret. Med back-flow forhindret, forbrændingenudstødning blev vurderet ved ækvivalensforhold og brændstof og luft strømningshastigheder vist i tabel 1. Strømningshastighederne vist i tabel 1, blev opnået i trin 1.5 i protokol ved at anvende ligning 5. Figur 5 viser resultaterne af den tørre forbrændingsrøggas karakterisering for betingelser vist i tabel 1. Figur 5 bekræfter, at den faktiske udvikling er sammenlignelige med CEA resultater vist i figur 4. Dette giver nogle validering af resultaterne. Men der er nogle punkter, der afviger fra CEA tendenser såsom CO 2 ved en ækvivalens forholdet 1,45. En portion af fejlen ved et ækvivalensforhold på 1,45 er, at brændkammeret kører nær den rige-antændelsesgrænse, hvilket kan resultere i ustabilitet i flammen, muligt quenching og afvigelser i prøveudtagning. Analysen bør gentages for at sikre repeterbarhed og nøjagtighed af resultaterne. Betjening under de rige-flanbefales ammability grænse af kammeret (fx omkring en maksimal ækvivalens forhold på 1,4 i denne opsætning).
| ækvivalensforhold | Methan strømningshastighed (L / min) | Luftmængde (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 |
Tabel 1. Forbrænding karakterisering metan og luft flowhastigheder på varierende ækvivalensforhold. Beregning af de nødvendige strømningshastigheder diskuteres i afsnit 1 i protokollen. Ligning 5 anvendes til at beregne luftstrømningsrater baseret på ækvivalens forholdet og en fast metan flow.
Figur 5. Forbrænding karakterisering analyse fra methan / luft forbrændingsrøggas. Forbedrede resultater opnået efter forhindre tilbagestrømning af luft ind i forbrændingskammeret. Tendenserne ligner CEA forudsigelser giver tillid til nøjagtigheden af resultaterne. Flere test afudstødningen kan være nødvendig, når afvigelser fra den forventede udvikling opstår. Klik her for at se en større version af dette tal.
Med forbrændingen udstødning karakteriseret op til de rige antændelsesgrænse, kan modellen forbrænding udstødning udvikles til mT-FFC test. Udvikling af modellen forbrændingsrøggas er afhængig af hvilken udstødning arter er mest relevante for undersøgelsen. I indledende undersøgelser af FFC'er, den vigtigste interesse er at forstå de celle ydeevne brændstof i forbrændingen udstødning med relativt små mængder af brændstof til rådighed for elektrokemisk energi konvertering. Disse egenskaber omfatter peak effekttæthed, strømtæthed, tomgangsspænding, brændstof udnyttelse og effektivitet ved forskellige ækvivalensforhold og driftstemperaturer. Opererer i et relativt lille koncentration brændstof er one af de primære funktioner, der adskiller FFC'er så mange brændselsceller opererer med høje koncentrationer af brændstof og lave koncentrationer af andre gasser, herunder CO2, H2O og inerte gasser blandt andre. For at gøre denne vurdering kun gasser detekteres i forbrændingen karakterisering med volumen procenter over 1% blev inkluderet i modellen forbrænding udstødning. Som et resultat, kun H2, blev CO, CO2 og N2 er nødvendig for at udvikle en model brændstof-rige forbrændingsrøggas for metan forbrænding. Tabel 2 viser resultaterne af vurderingen forbrænding karakterisering. For en samlet strømningshastighed på anodesiden af brændselscellen på 300 ml / min, er strømningshastighederne for hver art også vist i tabel 2.
| ækvivalensforhold | H 2 volumen% | H | CO volumen% | CO (ml · min -1) | CO 2 bind% | CO 2 (ml · min -1) | N2 volumen% | N2 (ml · min-1) | I alt (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 |
Tabel 2. Model forbrænding udstødning sammensætning og flow. Eksperimentelle resultater opnået for forbrænding karakterisering vises som volumen percents af de fundne arter. Den totale strømningshastighed af model brændstof-rige forbrændingsrøggas for brændselscellerne blev sat til 300 ml / min. Strømningshastigheden af hver enkelt art beregnes ved at gange det samlede strømningshastighed og volumen procent af hver art.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollen diskuteres her er en vigtig bro mellem tidligere forbrænding karakterisering forskning og brændselscelle test. Brugen af forbrænding til brændstof reformere og brændselscelle test har været anvendt i flere år i DFFC opsætninger 10-15. Men karakterisering af forbrændingsprocessen i DFFCs sig primært med in-situ karakterisering af flammen sammensætning 16 og bruger en MS 8. Da DFFC er åben til den omgivende, udstødningssystemet sammensætning består hovedsageligt af vand og CO2 og karakterisering af udstødningen er ikke nødvendig. For at udvikle den nylige FFC konceptet en fremgangsmåde for karakterisering forbrændingsudstødningsgassen i en delvis lukket kammer (dvs. en, der fastholder det brændstof-luft-forhold) er nødvendig. Stedet for at bruge en MS, et GC gælder for forbrændingsrøggas analyse 7. Efter karakterisering udstødningen, en simpel metode til afprøvning brændselsceller inden denne EXHAust er nødvendig. Selv om det er muligt at udvikle en fuldt integreret brænder og brændselscelle test apparater, denne procedure giver en enkel indledende skridt, der kan anvendes til videnskabelig undersøgelse af brændselscellen ydeevne med varierende udstødning kompositioner. Mens forbrændingen karakterisering tilgang er fælles, sin ansøgning om FFC forskning er en vigtig udvikling.
De mest kritiske trin i denne procedure er at sikre, at de rette sikkerhedsforanstaltninger er taget før antændelse; og for at sikre, at der ikke er luft lækage ind i forbrændingskammeret. Brugen af en-vejs ventiler og / eller Flammefælder samt høj temperatur materialer er vigtig for sikkerheden for apparatet og forskerne. Som vist i resultatafsnittet, kan en lang række ukorrekte resultater opstå, hvis der er back-flow eller anden lækage af luft ind i forbrændingskammeret. Denne back-flow ændrer ækvivalens forholdet mellem blandingen og kan skabe forskelligeblanding, der skaber resultater som dem vist i figur 3.
Mens to metoder til bestemmelse, om der er tilbage-strømning af luft ind i forbrændingskammeret, er allerede blevet beskrevet, er der en tredje måde at afgøre, om dette sker. Denne metode simpelthen vurderer hvis flammen fortsætter med at brænde, når MFC for luft er slukket. I denne forblandet forbrændingsproces den eneste luft til forbrændingsreaktioner tilføres gennem maskinen. Efter tænding, kan lufttilførslen slukkes, mens brændstoffet tilbage på. Flammen vil slukke i fravær af luft. Hvis forbrændingen fortsætter, derefter tilbage-strømning af luft ind i forbrændingskammeret forekommer. Efter at have fastslået, at der er tilbage-strømning af luft ind i forbrændingskammeret, forhindrer tilbagestrømning af luft er nødvendig, før der fortsættes. Fastsættelse af problemet kan være relativt enkel. Forbrændingsudstødningsgassen er varmt og derfor mindre opdrift, hvilket får den til at stige til toppen af forbrændingenkammer. Enhver tilbagestrømning af luft ind i kamrene ende vil forekomme ved bunden af kammeret. Efter blokering bundsektionen af forbrændingskamre udstødningsåbningen, at de tre teknikker beskrevet ovenfor kan udføres igen sikre, at ingen luft er tilbage-strømmende ind i kammeret. Denne diskussion antager, at kammeret allerede er blevet kontrolleret for lækager. Komplet blanding bør også kontrolleres ved at sikre, at enhver metan opdaget i spormængder og GC målinger er repeterbare.
Efter at karakterisere forbrændingen udstødning og udvikle den model forbrænding udstødning sammensætning, er der en række applikationer til brændselscelle test. Protokollen afsnit beskriver specifik anvendelse af denne teknik til mikro-rørformede SOFC test. Dog kan den samme grundlæggende procedure anvendes til at teste andre brændselscelle geometrier herunder plane og større rørformede SOFC. Protokollen omfatter også teste stack design til enten geometri. Desuden, Er protokollen ikke begrænset til methan som brændstof. Metoden kan udvides til andre alkaner og alkohol brændstoffer, der også har et betydeligt potentiale for generering af H2 og CO fra brændstof-rige forbrændingsprocesser.
Mens den beskrevne protokol har mange anvendelsesmuligheder, at yderligere udvikling af FFC'er, der er begrænsninger for denne teknik. Protokollen er blevet etableret for at teste muligheden for drift SOFC i forskellige brændstof-rige forbrændingsprocesser og brændstoffer. Potentialet er observeret, når brændselsceller operere i model brændstof-rige udstødning. Konkret de vigtigste indikatorer for lovende resultater omfatter høj effekttæthed, strømtæthed, brændstof udnyttelse og tomgangsspænding opnået i brændselscellen. Men udvikling af en model brændstof med kun de væsentligste arter begrænser undersøgelser, der kan foretages. For eksempel driver de SOFC i modellen forbrændingsudstødningsgassen for langsigtet test er mulig, men dett kan ikke give den bedste indikation af den faktiske langsigtede ydeevne af brændselscellen. På lang sigt kan nogle af de sporstoffer i forbrændingsrøggassen blive skadelig for SOFC ydeevne. Test disse resultater kræver fuld integration af SOFC med et virkeligt brænder og fuldstændig forbrænding udstødning. Mens disse begrænsninger er til stede, teknikken giver stadig en enkel og kontrolleret midler til vurdering FFC'er ydeevne og potentiale som en fremtidig kilde til elproduktion.
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).
