Ein Protokoll zur Erstellung eines Modells für brennstoffreiche Verbrennungsabgase wird durch Verbrennungscharakterisierung entwickelt und für die Prüfung und Forschung von mikroröhrenförmigen flammenunterstützten Brennstoffzellen angewendet.
Methodenartikel
Ein Protokoll zur Erstellung eines Modells für brennstoffreiche Verbrennungsabgase wird durch Verbrennungscharakterisierung entwickelt und für die Prüfung und Forschung von mikroröhrenförmigen flammenunterstützten Brennstoffzellen angewendet.
Die verbrennungsbasierte Stromerzeugung wird seit vielen Jahren durch eine Reihe von Wärmekraftmaschinensystemen erreicht. In jüngster Zeit hat der Trend zur Stromerzeugung und Mikroverbrennung in kleinem Maßstab sowie die Entwicklung in der Brennstoffzellenforschung neue Möglichkeiten der Stromerzeugung geschaffen, die Festoxid-Brennstoffzellen mit offenen Flammen und Verbrennungsabgasen kombinieren. Anstatt sich auf die Hitze der Verbrennung zu verlassen, setzen diese Festoxid-Brennstoffzellensysteme auf die Neuformierung des Brennstoffs durch Verbrennung, um Synthesegas für die elektrochemische Stromerzeugung zu erzeugen. Es wurden Verfahren entwickelt, um die Verbrennungsnebenprodukte unter einer Vielzahl von Bedingungen zu bewerten. Während theoretische und rechnerische Verfahren zur Bewertung kraftstoffreicher Verbrennungsabgase in diesen Anwendungen entwickelt wurden, haben sich auch experimentelle Techniken entwickelt. Die experimentellen Verfahren beruhen häufig auf einem Gaschromatographen oder Massenspektrometer, einer Analyse der Flamme und des Abgases, um den Verbrennungsprozess als Brennstoffreformer und Mittel zur Wärmeerzeugung zu beurteilen. Die in diesen Bereichen entwickelten experimentellen Techniken wurden für die Entwicklung der mikroröhrenförmigen flammenunterstützten Brennstoffzelle erneut angewendet. Das in dieser Arbeit diskutierte Protokoll baut auf früheren Techniken auf, um ein Verfahren zur Charakterisierung von brennstoffreichen Verbrennungsabgasen zu spezifizieren und ein Modell für brennstoffreiche Verbrennungsabgase für den Einsatz in flammenunterstützten Brennstoffzellentests zu entwickeln. Die Entwicklung des Verfahrens und seine Anwendungen und Grenzen werden diskutiert.
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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1. Verbrennungs Berechnungen





2. Verbrennungs Charakterisierung Experimenteller Aufbau

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.
3. Verbrennung Charakterisierung Experiment
4. Entwicklung des Modells Verbrennungsabgas
5. Fuel Cell Testing-Setup

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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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...
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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 ...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wird durch eine Vereinbarung mit der Syracuse University unterstützt, die vom Syracuse Center of Excellence in Energy and Environmental Systems mit einer Finanzierung unter der Hauptpreisnummer DE-EE0006031 vom US-Energieministerium und einer entsprechenden Finanzierung unter der Fördernummer 53367 von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), Vertrag 61736 von NYSERDA, vergeben wurde, und eine Auszeichnung der Empire State Development's Division of Science, Technology and Innovation (NYSTAR) durch das Syracuse Center of Excellence unter der Fördernummer #C120183. Diese Arbeit wird durch das National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program unter der Fördernummer 1247399 unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Gas-Chromotograph | SRI Instruments, Inc. | SRI 8610C | |
| Thermoelemente vom Typ K | Omega | KQXL-116G-6 | |
| Thermoelement-Verlängerungskabel vom Typ K | in | EXTT-K-20-SLE-100 | |
| Massendurchflussregler | Omega | FMA5427 | 0-40 L/min (N2) Verwendet für Methan |
| Massendurchflussregler | Omega | FMA5443 | 0-200 L/min (N2) Verwendet für Luft |
| Massendurchflussregler | Omega | FMA5402A | 0-10 ml/min (N2) Verwendet für CO |
| Massendurchflussregler | Brooks Instrument | SLA5850 | 200 SCCM (Propan) Verwendet für CO2 |
| Massendurchflussregler | Brooks Instrument | SLA5850 | 5 L/min (Luft) Verwendet für N2 |
| Massendurchflussregler | Brooks Instrument | SLA5850 | 500 SCCM (N2) Verwendet für H2 |
| Regler | Harris Products Group | HP721-125-350-F | Methantankregler |
| Harris Products Group | HP702-050-590-E | Lufttankregler | |
| Airgas | Y11-SR145B | CO-Tank | |
| Regler | Harris Products Group | HP702-050-320-E | CO2Tank |
| Regler | Airgas | Y12-215B | N2 Tank |
| Regler | Harris Products Group | HP702-015-350-D | H2 Tank |
| Methan, komprimiert, Ultra hochreines | Airgas | UN1971 | Extrem entzündlich |
| Luft, verdichtet, Ultrareines | Luftgas | UN1002 | Nicht als gesundheitsgefährdend eingestuft. |
| CO, Komprimiert, Ultrahochreines | Airgas | UN1016 | Giftig durch Einatmen, hochentzündliches |
| CO2, Komprimiertes, Forschungstaugliches | Airgas | UN1013 | Erstickungsmittel in hohen |
| Konzentrationen N2, Komprimiert, Ultrahochreines | Airgas | UN1066 | Nicht als gesundheitsgefährdend eingestuft. |
| H2, Komprimiert, Ultrahochreines | Airgas | UN1049 | Extrem entflammbar, verbrennt mit unsichtbarer Flamme |
| Quellenmessgerät Tektronix, Inc. | Keithley 2420 | Anschluss an den Computer über USB Horizontaler | |
| Spaltrohrofen | MTI Corportation | OTF-1200X | |
| Datenerfassung | National | Instruments NI cDAQ-9172 | Anschluss an den Computer über USB-Thermoelementeingang |
| National Instruments | NI 9211 | Anschluss an cDAQ-9172 | |
| Computersteuerung für Massendurchflussregler | National Instruments | NI 9263 | Anschluss an cDAQ-9172 Computersteuerung für Massendurchflussregler |
| Prüfsoftware | National Instruments | LabVIEW 8.6 | |
| Ceramabond | Aremco | 552-VFG | 1 Pint |
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