Name: Caracterización y la combustión de combustible Modelo de Desarrollo para la Micro-tubulares de llama con ayuda de Pilas de Combustible (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Aprende a caracterizar la combustión rica en combustible para desarrollar un modelo de gases de escape destinado a probar pilas de combustible de óxido sólido sin necesidad de construir prototipos completos.

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Este trabajo está respaldado por un acuerdo con la Universidad de Syracuse otorgado por el Centro de Excelencia en Sistemas de Energía y Medio Ambiente de Syracuse con fondos bajo el número de adjudicación principal DE-EE0006031 del Departamento de Energía de EE. UU. y fondos equivalentes bajo el número de adjudicación 53367 de la Autoridad de Investigación y Desarrollo Energético del Estado de Nueva York (NYSERDA), contrato 61736 de NYSERDA, y un premio de la División de Ciencia, Tecnología e Innovación de Empire State Development (NYSTAR) a través del Centro de Excelencia de Syracuse, bajo el premio número #C120183. Este trabajo cuenta con el apoyo del Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención No. 1247399.

1. Cálculos de Combustión <ol><li> Seleccione el combustible para su análisis. A continuación, elija el metano como combustible de referencia, pero los principios son transferibles a otros combustibles de hidrocarburos. </li><li> Con 1 mol de metano como combustible, ecuación de balance (1) para la combustión estequiométrica para obtener la ecuación (2). <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="Ecuación 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li> Calcular la relación aire-combustible estequiométrica para (F / A stoich.) Como en la ecuación 3 para la combustión de metano dividiendo la masa de metano por la masa de aire. Para calcular, el numerador es el número de moles de metano veces la masa molar de metano (16 g · mol -1) y el denominador es el número de moles de oxígeno veces la masa molar de oxígeno (32 g · mol -1) más el número de moles de nitrógeno veces la masa molar del nitrógeno (28 g · mol -1). <img alt="Ecuación 3"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li> Con el fin de variar la relación de equivalencia (ecuación 4), o bien variar la tasa de flujo de aire, el caudal de combustible o ambos simultáneamente. Por lo general, fijar una de las cantidades y variar el otro. Determinar si para fijar o bien la tasa de flujo de combustible o aire para el quemador. Para este experimento, fijar la tasa de flujo de combustible a 10 L / min y permita que el caudal de aire para variar en esta configuración. <img alt="Ecuación 4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li> Con la tasa de flujo de combustible, f, fijo (10 L / min), F / A estoico. calculado (0,0583), y dada la definición de la relación de equivalencia, calcular la tasa de flujo de aire, a, para cada relación de equivalencia a ensayar. La ecuación (5) proporciona una forma directa de calcular el caudal de aire en l / min para cada relación de equivalencia y se muestran los resultados para una relación de equivalencia de 1 de estequiometría. <img alt="Ecuación 5" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> NOTA: La Flamm superiorlímite de capacidad (o límite superior de explosividad) es la relación de equivalencia más rico que puede ser quemado sin apagar la llama en ausencia de un catalizador. relaciones de equivalencia más altas se pueden obtener con el uso de un catalizador, pero sólo la combustión no catalítica se describe en este documento. Consultar la literatura para evaluar el límite superior de inflamabilidad del combustible elegido. </li></ol> 2. Configuración de combustión Caracterización Experimental <ol><li> Seleccionar los controladores de flujo de masa (MFC) para el metano y aire en función de las velocidades de flujo obtenidos en el paso 1.5. Tenga cuidado al seleccionar un tamaño de MFC para asegurar que el equipo MFC no estará operando en el extremo inferior de su rango (&lt;10% del valor final) durante la prueba. Para este caso específico, utilice 40 L / min y 200 l / min MFC para el metano y aire, respectivamente. </li><li> Conectar los MFC a los tanques de metano y aire a través de la tubería de cobre. </li><li> Ajuste los reguladores en los tanques de metano y aire a la presión adecuada para el MFC como se especificapor el fabricante. En este caso, ajuste la presión a 138 kPa (20 psi). </li><li> Calibrar los MFC para garantizar velocidades de flujo precisas. </li><li> La construcción de la cámara de combustión. Para este experimento, el desarrollo de una cámara de combustión 914 mm de largo con un diámetro de salida de 168 mm. <ol><li> puertos de taladro para el análisis de combustión de escape y para la colocación de termopar a lo largo de la longitud de la cámara de combustión. El número exacto y la separación necesaria depende del tamaño de la llama y los efectos del experimento. Para esta configuración, el espacio de los primeros 5 termopares colocados más cerca de la región de combustión 7 mm. Espacio de los últimos 6 termopares 14 mm de separación. Utilice el mismo espaciamiento de los orificios de escape. </li><li> Insertar los termopares de tipo K en la cámara de combustión a través de los orificios. Alinear la punta del termopar en el centro de la cámara de combustión. Tamaño los orificios para encajar el termopar y sellan con casquillos de metal de alta temperatura y tuercas para evitar fugas. </li></ol></li><li> Connect los termopares de tipo K directamente al módulo de adquisición de datos. </li><li> Conectar el módulo de adquisición de datos al ordenador a través de la unidad USB. </li><li> Adjuntar una válvula de una vía en la ruta de la tubería de cobre inmediatamente después de la MFC combustible y justo antes del quemador. Oriente la válvula de manera que el flujo sólo puede alejarse de la MFC. Las válvulas unidireccionales son una importante característica de seguridad para evitar retroceso de la llama. </li><li> Compruebe la tubería de cobre antes y después de la configuración de MFC que no haya fugas. Use agua jabonosa aplicada con un pincel a la tubería para detectar fugas como fugas crearían burbujas. </li><li> Conectar la cámara de combustión y el quemador a los controladores de flujo de masa a través de la tubería de cobre. </li><li> Después de completar la configuración de la cámara de combustión, seleccione una de las lumbreras de escape para las pruebas. Conectar este puerto a la tubería de cobre que se extiende hasta el puerto de análisis GC. </li><li> Seleccione una jeringa para extraer los gases de escape de la cámara de combustión hasta que quede en el GC para su análisis. Para este experimento, utilizar una25 ml de la jeringa. </li><li> Colocar una válvula de tres vías en línea con la tubería de cobre que conecta el puerto de escape a la GC. Conectar un extremo de la válvula de dos vías para la GC, el segundo a la lumbrera de escape y la tercera a la jeringa 25 ml. Conectar la tubería de cobre a la válvula de 3 vías. Utilice la jeringa para aspirar escape de la combustión desde la cámara hasta que quede en el GC para su análisis. </li><li> Conectar la válvula de 3 vías para la GC y la jeringa. Accionar el émbolo de la jeringa para asegurar la operación con éxito. NOTA: un esquema simplificado de la configuración se muestra en la Figura 1. </li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> Flujos de la Figura 1. Caracterización experimental de combustión configuración esquemática caracterización de combustión. Configuración experimental esquema que muestra de combustible, de aire y de escape (flechas negras) y los flujos de datos (flechas rojas). válvulas unidireccionales se utilizan para evitar retroceso de la llama. <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Experimento 3. Caracterización de combustión <ol><li> Antes del ensayo, empujar el émbolo de la jeringa en totalmente y abrir la válvula de tres vías en el lado del puerto de escape. </li><li> Girar el MFC de aire en primer lugar a una velocidad de flujo de 86,5 L / min. </li><li> Girar MFC metano a una velocidad de flujo de 10 L / min. Esto crea una relación premezclada equivalencia de 1,10, una mezcla ligeramente rica, que es más fácil de encender. </li><li> Girar termopares en medio del módulo de ordenador para comenzar la grabación de datos. </li><li> Encender la mezcla al final de la cámara de combustión utilizando un encendedor de butano. Después de la ignición, la llama se estabilice en la parte delantera del quemador. </li><li> Ajustar la relación de equivalencia mediante el ajuste de la velocidad de flujo de aire lentamente desde el valor inicial de 86,5 L / min en el valor deseado. Tenga cuidado de no mover demasiado rápido o ir fuera de la flammability límites que causarían la extinción de la llama. </li><li> Registre la lectura de la temperatura en un archivo de datos después de los termopares temperaturas estabilizan. </li><li> Una vez más, tirar del émbolo de la jeringa para extraer de combustión de escape de la lumbrera de escape. </li><li> Después de extraer los gases de escape de combustión, abra la válvula de tres vías para el lado GC y cerrar el lado del puerto de escape. </li><li> Empuje el émbolo de la jeringa hasta que se cierra por completo y todos los gases de escape ha sido enviada a la GC. </li><li> Repetir los pasos 3.8 a 3.10 hasta que todos los gases residuales en la tubería de cobre que conecta el puerto hasta el GC se elimina. Un simple análisis del volumen interno de la tubería de cobre en comparación con el volumen de la jeringa indicará cuántas veces los pasos 3.8 a 3.10 necesidad de ser repetido. </li><li> Después de eliminar todos los gases residuales en el tubo de escape extraer una muestra final para el análisis. Empuje los gases de escape en el GC y gire el GC a 7,17 modo de análisis. </li><li> Registrar los datos de GC por el ahorrolos datos de análisis de GC. </li><li> Repita los pasos 3.1 a 3.13 hasta que todas las relaciones de equivalencia deseados se ponen a prueba. </li></ol> 4. Desarrollo de la combustión de escape Modelo <ol><li> Trazar el porcentaje en volumen especie de escape de combustión para observar las tendencias. </li><li> Determinar el valor de la concentración de corte para el escape del modelo de combustión. En el desarrollo de un combustible de escape modelo de combustión para el análisis inicial MT-FFC, sólo los componentes que aparecen en proporciones significativas (&gt; 1%) se incluyen en el combustible modelo. </li><li> Para el modelo de combustible seleccionar sólo aquellos que generan relaciones de equivalencia de hidrógeno y monóxido de carbono significativa (&gt; 1% para cada componente) en el escape. </li><li> Registrar el porcentaje de volumen para cada uno de los componentes de los gases de escape reunión los criterios de 4,3. </li></ol> 5. Configuración de combustible Prueba de la célula <ol><li> Determinar los rangos de caudal para cada gas. Multiplicar el porcentaje de volumen obtenido a partir de los resultados del análisis GC por tél total de velocidad de flujo de los gases de escape modelo de combustión deseada dentro de cada célula de combustible. </li><li> Evaluar el rango de velocidades de flujo para cada especie de escape de la combustión para determinar el caudal máximo y mínimo para cada especie. </li><li> Seleccione medidores de flujo de acuerdo con los mismos principios descritos en el paso 2.1. </li><li> Construir el aparato de ensayo con la fijación de los medidores de flujo a los tanques de gas a través de la tubería de cobre. </li><li> Ajuste los reguladores de presión de gas con el valor prescrito para los medidores de flujo. </li><li> Coloque válvulas de una vía en la trayectoria de la tubería de cobre aguas abajo de cada medidor de flujo usando un gas combustible. </li><li> Conectar todos los puertos de salida del medidor de flujo juntos a través de la tubería de cobre y un colector. </li><li> Ajuste el micro-SOFC tubular en el interior de la tubería de acero con un diámetro interior apenas mayor que el diámetro exterior de la pila de combustible. Sellar la pila de combustible a la tubería de acero usando adhesivo de cerámica. </li><li> Conectar el tubo de acero con micro-SOFC tubular a una pieza de cerámica refractaria material para mantener la pila de combustible en el horno. </li><li> Utilizar la técnica de 4 10,11 sonda con alambres de recogida y detección de voltaje de corriente conectados a la micro-SOFC tubular con 2 cables en el ánodo y 2 cables en el cátodo. Asegúrese de que los cables no se cruzan entre sí, creando cortos. </li><li> Conectar los cuatro cables a los cuatro sondas de la potenciostato 10,11. </li><li> Conectar el potenciostato al ordenador 10,11. </li><li> Colocar un termopar en el horno con la punta tocando el exterior del 10,11 micro-SOFC tubular electrolito. </li><li> Una los cables del termopar al módulo de adquisición de datos. </li><li> Conectar el módulo de adquisición de datos al ordenador a través del puerto USB. NOTA: La Figura 2 es un esquema simplificado que muestra la configuración de prueba MT-FFC. Con el modelo de combustible desarrollado y establecido la configuración para controlar el flujo de combustible modelo para la pila de combustible, la prueba puede proceder de acuerdo con f convencionalUEL métodos de ensayo celular. Estos métodos están bien establecidos en la literatura y no se repetirán aquí. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> Figura 2. Micro-tubular de la llama con ayuda de pruebas de configuración esquemática de pila de combustible. Flujos de H2, CO, CO2, N2 (flechas negras) están regulados con un MFC y una válvula unidireccional para evitar un retroceso de llama. Los electrones de flujo (línea verde) de la SOFC en el horno para el potenciostato y de nuevo a la SOFC. Flujo de datos y los datos de termopar electroquímica está representado por las flechas rojas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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<li>Horiuchi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+of+a+solid+oxide+fuel+cell+couple+operated+via+in+situ+catalytic+partial+oxidation+of+n-butane%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Performance of a solid oxide fuel cell couple operated via in situ catalytic partial oxidation of n-butane.</a> J. Power Sources. 189 (2), 950-957 (2009).</li>
<li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+study+of+portable+direct-flame+solid+oxide+fuel+cell+%28DF-SOFC%29+stack+with+butane+fuel%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fuel+Chem.+Technol%22%5BJournal%5D)">The study of portable direct-flame solid oxide fuel cell (DF-SOFC) stack with butane fuel.</a> J. Fuel Chem. Technol. 42 (9), 1135-1139 (2014).</li>
<li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-performance+no-chamber+fuel+cell+operated+on+ethanol+flame%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame.</a> J. Power Sources. 177 (1), 33-39 (2008).</li>
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<li>Glassman, I., Yetter, R. A., Glumac, N. G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGlassman%2C+I+%22Combustion%22">Combustion</a>. , 4th ed., Academic Press. Waltham, MA. (2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El protocolo descrito aquí es un puente importante entre la investigación anterior caracterización de combustión y las pruebas de células de combustible. El uso de la combustión de combustible para la reforma y las pruebas de pila de combustible se ha aplicado desde hace varios años en configuraciones DFFC 10-15. Sin embargo, la caracterización del proceso de combustión en DFFCs se refiere principalmente a la caracterización in-situ de la composición de la llama 16 y utiliza una MS 8....

Sólido de pilas de combustible de óxido (SOFC) innovaciones se han reportado en los últimos años como la tecnología sigue desarrollándose. Entre las muchas ventajas, las SOFC han dado a conocer por alta eficiencia de combustible, bajas emisiones y flexibilidad de combustible moderado en comparación con otras técnicas de generación de energía a base de combustión 1. Por otra parte, las SOFC son escalables lo que permite una alta eficiencia de combustible, incluso a pequeñas escalas. Por desgracia, las limitaciones en la infraestructura de hidrógeno actual han creado la necesidad de reformar los sistemas de combustible que son a menudo ineficaces. Un desarrollo reciente es el micro-tubo de llama con ayuda de pila de combustible (MT-FFC) informó que en trabajos anteriores del autor 2. El MT-FFC es el primer ejemplo de una pila de combustible de la llama asistida (FFC) que se basa en los beneficios de la pila de combustible de llama directa de la original (DFFC), que proporciona la generación de calor y combustible a través de la reforma de combustión 3. La configuración DFFC coloca una SOFC en contacto directo con una llama abierta al medio amb ambientalAMBIENTE. La llama se oxida parcialmente los combustibles de hidrocarburos más pesados para crear H 2 y CO, que puede ser utilizado directamente en la SOFC con menos potencial para la coquización de carbono en comparación con el metano puro o de otros hidrocarburos más pesados. Además, la llama proporciona la energía térmica necesaria para llevar la SOFC a su temperatura de funcionamiento. Un cambio reciente a la DFFC original, se produjo moviendo el SOFC fuera de la región de la llama y la canalización de los gases de escape de combustión a la SOFC para crear el FFC 2. A diferencia de la DFFC, la combustión se produce en una cámara de parcialmente cerrado (en lugar de la temperatura ambiente) de modo que la relación de combustible a aire puede ser controlada y el tubo de escape puede ser alimentado directamente a la pila de combustible sin que se produzca la combustión completa. FFC tienen ventajas adicionales, incluyendo una alta utilización de combustible y alto rendimiento eléctrico en comparación con DFFCs 2. Como un área emergente de la investigación, se necesitan técnicas experimentales que pueden evaluar el potencial de MT-FFCs para futuras aplicaciones de generación de energía. Estas técnicas requieren análisis de oxidación parcial, o la combustión rica en combustible, y los gases de escape que ha sido identificada como una manera de generar H 2 y CO, también conocido como gas de síntesis, junto con CO 2 y H 2 O. El gas de síntesis se pueden utilizar directamente en las células de combustible para la generación de energía. El análisis de combustión de escape rico en combustible ha sido bien establecida en los últimos años y se ha llevado a cabo teóricamente 4, computacionalmente 5,6 y experimentalmente 7 para muchos propósitos diferentes. Muchos de los estudios teóricos y computacionales se han basado en el análisis del equilibrio químico (CEA) para evaluar las especies de productos de combustión que son energéticamente favorable, y los modelos de cinética química de los mecanismos de reacción. Si bien estos métodos han sido muy útiles, muchas tecnologías emergentes se han basado en técnicas experimentales durante la investigación y el desarrollo. Las técnicas experimentales normalmente se basan en anala lisis de la combustión de escape utilizando un cromatógrafo de gases (GC) 7 o un espectrómetro de masas (MS) 8. O bien el GC línea / jeringa o la sonda de MS se inserta en el tubo de escape de combustión y se toman mediciones para evaluar la concentración de especies. La aplicación de las técnicas experimentales ha sido común en el ámbito de la generación de energía a pequeña escala. Algunos ejemplos incluyen micro cámaras de combustión que han sido desarrollados para funcionar con SOFC cámara única y 7,9 DFFCs 10-15. El análisis de los gases de escape de combustión se produce en una amplia gama de condiciones de funcionamiento incluyendo diferentes temperaturas, caudales y relaciones de equivalencia. En el área de investigación DFFC, combustible y el oxidante puede ser parcialmente premezclada o no premezclada, con el quemador abierto al ambiente que asegura la combustión completa. Con la necesidad de analizar la composición de la llama, una MS se ha utilizado en muchos casos para la investigación y el análisis de combustión DFFC 16. El desarrollo más reciente del FFC difiere apoyándose en combustión premezclada con el quemador en un entorno parcialmente cerrado para evitar la oxidación completa del combustible. Como resultado, se necesita un análisis de los gases de escape de combustión en un entorno controlado libre de fugas de aire. técnicas experimentales desarrolladas para este fin se basan en las técnicas anteriores utilizadas para la investigación micro cámara de combustión con el análisis de GC de los gases de escape de combustión a diferentes relaciones de equivalencia. El análisis de GC conduce a la caracterización de la composición de combustión de escape (es decir, el porcentaje en volumen de cada componente de escape incluyendo CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Este análisis permite para la mezcla de los gases separados de acuerdo con las relaciones de medidas por el GC para crear una rica en combustible de escape de combustión modelo para futuras investigaciones FFC. Los protocolos para el análisis de escape de la combustión rica en combustible, el desarrollo de un modelo rico en combustible de escape de combustión y aplicaring los gases de escape para las pruebas de SOFC se establecen en este documento. retos y limitaciones comunes se discuten para estas técnicas.

<table><tbody><tr><td>Cromógrafo de gases</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>Termopares tipo K</td><td>Omega</td><td>KQXL-116G-6</td><td>Longitud personalizada</td></tr><tr><td>Cable de extensión de termopar tipo K</td><td>Omega</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>Omega</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N2) Utilizado para metano</td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>Omega</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N2) Se utiliza para el aire</td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>Omega FMA5402A</td><td></td><td>0-10 ml/min (N2) Utilizado para</td></tr><tr><td>CO Controlador de flujo másico</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (propano) Utilizado para CO2</td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>Brooks Instrument SLA5850</td><td></td><td>5 L/min (Aire) Utilizado para N2 </td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N2) utilizado para H2</td></tr><tr><td>Regulador</td> Harris <td>Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td>Regulador de tanque de metano</td></tr><tr><td></td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-590-E Tanque de</td><td>aire</td></tr><tr><td>Regulador</td> de <td>gas de aire</td><td>Y11-SR145B</td><td>Tanque</td></tr> <tr>de CO<td>Regulador</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-320-E</td><td>Tanque de CO2</td></tr><tr><td>Regulador</td><td>Airgas</td><td>Y12-215B</td><td>Tanque N2</td></tr><tr><td>Regulador</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-015-350-D</td><td>Tanque H2</td></tr><tr><td>Metano, Comprimido, Ultra alta pureza</td><td>Airgas</td><td>UN1971</td><td>Extremadamente inflamable</td></tr><tr><td>Aire Comprimido, Gas Aire ultrapuro</td><td></td><td>UN1002</td><td>No clasificado como peligroso para la salud.</td></tr><tr><td>CO, Comprimido, Gas aéreo de ultra alta pureza</td><td></td><td>UN1016</td><td>Tóxico por inhalación, Extremadamente inflamable</td></tr><tr><td>CO2, Comprimido Grado de investigación</td><td>Airgas</td><td>UN1013</td><td>Asfixiante en altas concentraciones</td></tr><tr><td>N2, Comprimido, Ultra alta pureza</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td>No clasificado como peligroso para la salud.</td></tr><tr><td>H2, comprimido, Pureza ultra alta</td><td>Airgas</td><td>UN1049</td><td>Extremadamente inflamable, se quema con llama invisible</td></tr><tr><td>Medidor de fuente</td><td>Tektronix, Inc.</td><td>Keithley 2420</td><td>Se conecta a la computadora a través de USB</td></tr><tr><td>Horno de tubo dividido horizontal</td><td>MTI Corportación</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>Adquisición de datos</td> National <td>Instruments</td><td>NI cDAQ-9172</td><td>Se conecta a la computadora a través de USB</td></tr><tr><td>Entrada de termopar</td><td>National Instruments</td><td>NI 9211</td><td>Se conecta a cDAQ-9172</td></tr><tr><td>Control por computadora para controladores de flujo másico</td><td>National Instruments</td><td>NI 9263</td><td>se conecta a cDAQ-9172 Control por computadora para controladores de flujo másico</td></tr><tr><td>Software de pruebas</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 8.6</td><td></td></tr><tr><td>Ceramabond</td><td>Aremco</td><td>552-VFG</td><td>1 pinta</td></tr></tbody></table>

caracterización y la combustión de combustible modelo de desarrollo para la micro-tubulares de llama con ayuda de pilas de combustible

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

La generación de energía basada en la combustión se ha logrado durante muchos años a través de una serie de sistemas de motores térmicos. Recientemente, un movimiento hacia la generación de energía a pequeña escala y la microcombustión, así como el desarrollo en la investigación de pilas de combustible, ha creado nuevos medios de generación de energía que combinan celdas de combustible de óxido sólido con llamas abiertas y gases de combustión. En lugar de depender del calor de la combustión, estos sistemas de pilas de combustible de óxido sólido se basan en el reformado del combustible a través de la combustión para generar gas de síntesis para la generación de energía electroquímica. Se desarrollaron procedimientos para evaluar los subproductos de la combustión en una amplia gama de condiciones. Si bien se han desarrollado procedimientos teóricos y computacionales para evaluar los gases de escape de combustión ricos en combustible en estas aplicaciones, también han surgido técnicas experimentales. Los procedimientos experimentales a menudo se basan en un cromatógrafo de gases o un espectrómetro de masas de la llama y el escape para evaluar el proceso de combustión como reformador de combustible y medio de generación de calor. Las técnicas experimentales desarrolladas en estas áreas se han aplicado de nuevo para el desarrollo de la pila de combustible microtubular asistida por llama. El protocolo discutido en este trabajo se basa en técnicas pasadas para especificar un procedimiento para caracterizar los gases de escape de combustión ricos en combustible y desarrollar un modelo de escape de combustión rico en combustible para su uso en pruebas de celdas de combustible asistidas por llama. Se discute el desarrollo del procedimiento y sus aplicaciones y limitaciones.

La cámara de combustión caracterización debe ser revisado antes de las pruebas en las relaciones de equivalencia deseados para el reflujo de aire en la cámara u otra fuga de aire durante la prueba. Los procesos de combustión en las cámaras abiertas son conocidos por ser casi isobárico. Como resultado, la presión dentro de la cámara de combustión no puede ser suficiente para asegurar que no hay aire desde el entorno externo es back-que fluye en la cámara de combustión desde el puerto de c...

Se desarrolla un protocolo para crear un modelo de escape de combustión rico en combustible a través de la caracterización de la combustión y se aplica para pruebas e investigación de pilas de combustible asistidas por llama microtubular.

Caracterización y la combustión de combustible Modelo de Desarrollo para la Micro-tubulares de llama con ayuda de Pilas de Combustible

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

El objetivo general de este experimento de caracterización de la combustión es desarrollar un gas de escape de combustión modelo mezclando las especies de interés para probar una celda de combustible de óxido sólido con dicha mezcla. Este maxsold puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de las celdas de combustible de óxido sólido, como si se está formando una combustión menos rica en lugar de un reformador de combustible endotérmico. La principal ventaja de esta técnica es que podemos desarrollar un gas de escape de combustión modelo para pruebas de celdas de combustible sin necesidad de desarrollar un quemador completo ni un prototipo de celda de combustible.La demostración visual de este método es fundamental, ya que el procedimiento de configuración experimental, las precauciones de seguridad y la resolución de problemas pueden ser difíciles de entender únicamente mediante la lectura de un manuscrito. Construya el aparato de caracterización utilizando una cámara de combustión preparada en un banco con fuentes de aire y combustible de metano. Seleccione los controladores de flujo másico según los caudales previamente determinados.Para este experimento, utilice un controlador de 40 litros por minuto para metano. Utilice un controlador de 200 litros por minuto para aire. A continuación, obtenga un tubo de cobre y conéctelo a la salida de la fuente de metano.A continuación, conecte el tubo al controlador de flujo másico de combustible. De manera similar, conecte el controlador de flujo másico de aire a su fuente. Por seguridad, agregue una válvula unidireccional después del controlador de flujo de metano.Oriente la válvula para permitir el flujo únicamente en dirección opuesta al controlador y conéctela a la salida del controlador. A continuación, utilice tubería de cobre para combinar los flujos del aire y del controlador de flujo de combustible. Dirija los flujos provenientes de los controladores hacia un conector en T.Como medidas de seguridad adicionales, coloque un arrestador de llama y otra válvula unidireccional después del conector en T. En este montaje, la válvula unidireccional se conecta primero al conector en T, orientada para permitir el flujo alejándose del conector en T. A continuación va el arrestador de llama.En los tanques de origen para los gases, ajuste los reguladores a las presiones adecuadas. Para este experimento, se trata de 138 kilopascal. De regreso en la bancada, obtenga solución detectora de fugas para probar todos los tubos en busca de fugas.Con los controladores de flujo encendidos, aplique la solución de detección de fugas con un pincel sobre el tubo de cobre. Asegúrese de que no haya burbujas, ya que indicarían una fuga. En este momento, dirija la atención a la cámara de combustión y al quemador conectado.Esta cámara tiene termopares del tipo K ya instalados, con sus puntas en el centro de la cámara. Los orificios a lo largo de la longitud de la cámara permiten tanto el análisis de los gases de combustión como la colocación de los termopares. Monte los termopares utilizando racores de compresión que coincidan con su diámetro.Para instalar un termopar, comience con el vástago del racor de compresión que ya está en la pared de la cámara. Coloque un ferullo metálico adecuado para altas temperaturas dentro del vástago. A continuación, introduzca la tuerca de compresión, con la sonda del termopar insertada a través de ella, en el vástago.Introduzca la sonda del termopar hasta que su extremo quede en el centro de la cámara. Luego apriete la tuerca de compresión para sellar la cámara y evitar fugas por esta abertura. Conecte los termopares al sistema informático para la adquisición de datos y control.Vuelva a conectar la salida de los controladores de flujo másico al quemador de la cámara de combustión. Para ello, utilice tubos de cobre para enviar el flujo desde la válvula unidireccional hasta la cámara de combustión. La última adición es el equipo para analizar los gases de escape, que ya ha sido ensamblado aquí.Para ello, un puerto de escape en la cámara permite que los gases fluyan hacia el tubo de cobre. Este tubo va hacia una válvula de tres vías. Una de las salidas de la válvula es un tubo que conduce a un cromatógrafo de gases.La otra salida es un tubo que va a una jeringa de 25 mililitros utilizada para extraer y redirigir el escape. Ahora el montaje puede utilizarse para la caracterización. Antes de la prueba, prepare la jeringa y la válvula de tres vías.Primero, empuje completamente el émbolo de la jeringa. Luego asegúrese de que la válvula de tres vías esté abierta en el lado del puerto de escape. Pase a la computadora para iniciar el flujo de combustible y aire y comenzar la recolección de datos.Inicie el flujo de aire y el flujo de metano utilizando una mezcla rica para facilitar la ignición. Tome un encendedor de butano y muévase al extremo de la cámara de combustión. Cuando sea seguro hacerlo, encienda la mezcla.Antes de continuar, realice una verificación visual para asegurarse de que la llama se haya estabilizado en la salida del quemador. Esta llama cambia a medida que el flujo de aire se ajusta lentamente al valor deseado para evitar la extinción de la llama. Mientras tanto, supervise las temperaturas del termopar y registre los datos de temperatura cuando las temperaturas se estabilicen.Ahora, diríjase a la jeringa conectada a la válvula de tres vías. Retire el émbolo para extraer el gas residual y los gases de escape a través del puerto de escape. Utilice la válvula de tres vías para abrir el lado del cromatógrafo de gases y cerrar el lado del puerto de escape.Continúe presionando el émbolo hasta que todo el gas de escape haya sido enviado al cromatógrafo de gases. Devuelva la válvula para permitir que la jeringa extraiga más gas residual y escape. Continúe extrayendo gas e inyectándolo en el cromatógrafo de gases hasta que se hayan eliminado todos los gases residuales.Una vez que se hayan eliminado todos los gases residuales, extraiga una muestra final del escape para su análisis. Gire la válvula de tres vías y dirija el gas de escape hacia el cromatógrafo de gases. Realice el análisis mediante cromatografía de gases y registre los datos.Continúe seleccionando otra velocidad de flujo de aire y repitiendo el análisis para la nueva relación de equivalentes. Estos resultados del análisis de equilibrio químico de la combustión de metano y aire proporcionan las predicciones termodinámicas del equilibrio en la composición del gas de escape a diferentes relaciones de equivalentes. El eje vertical izquierdo corresponde al porcentaje en volumen de gas nitrógeno, representado en negro.El eje vertical derecho muestra la escala del porcentaje en volumen para los productos de escape y otras moléculas. Este análisis no coincidirá necesariamente de forma perfecta con los datos experimentales, pero debería indicar las tendencias esperadas y la magnitud de los resultados. Los datos iniciales del experimento para la cámara de combustión no siguieron las tendencias esperadas según el análisis de equilibrio químico.Por ejemplo, los datos de oxígeno molecular en rojo sugieren una alta concentración a relaciones de equivalencia altas en comparación con relaciones de equivalencia bajas. Esto podría indicar una mezcla incompleta o un flujo inverso en la cámara de combustión, lo cual fue corroborado por otros datos. Cuando se identifica y evita el flujo inverso, los datos son más consistentes con las tendencias esperadas del análisis de equilibrio químico.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo caracterizar un escape de combustión y de cómo construir un extractor de combustión modelo para pruebas de celdas de combustible. No olvide que trabajar con combustión puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones, como el uso de un arrestador de llamas, válvulas unidireccionales y otros equipos de protección personal, al realizar este procedimiento. Después de este procedimiento, otros métodos, como integrar una celda de combustible y un quemador juntos, pueden ayudar a responder preguntas adicionales sobre la estabilidad del rendimiento a largo plazo, la deposición de carbono y la eficiencia total del sistema de la celda de combustible asistida por llama.

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