Combustion Caractérisation et élaboration d'un modèle de carburant pour les micro-piles à combustible tubulaires assistée Flame-

L’objectif global de cette expérience de caractérisation de la combustion est de développer un modèle de gaz d’échappement en mélangeant les espèces d’échappement d’intérêt afin de tester une pile à combustible à oxyde solide dans le mélange. Ce maxsold peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines des piles à combustible à oxyde solide, par exemple si moins de combustion riche se forme au lieu d’un reformeur de combustible endothermique. Le principal avantage de cette technique est que nous pouvons développer un modèle d’échappement de combustion pour les tests de piles à combustible sans développer un prototype complet de brûleur et de pile à combustible.

La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car la procédure de configuration expérimentale, les précautions de sécurité et le dépannage peuvent être difficiles à comprendre en lisant uniquement un manuscrit. Construire l’appareil de caractérisation à l’aide d’une chambre de combustion préparée sur un banc avec des sources d’air et de méthane. Sélectionnez les régulateurs de débit massique en fonction des débits préalablement déterminés.

Pour cette expérience, utilisez un contrôleur de méthane de 40 litres par minute. Utilisez un contrôleur de 200 litres par minute pour l’air. Ensuite, procurez-vous un tube en cuivre et connectez-le à la sortie de la source de méthane.

De là, connectez le tube au régulateur de débit massique de carburant. De même, connectez le régulateur de débit d’air massique à sa source. Pour plus de sécurité, ajoutez une vanne unidirectionnelle après le régulateur de débit de méthane.

Orientez la vanne pour ne permettre l’écoulement que du contrôleur et connectez-la à la sortie du contrôleur. Ensuite, utilisez des tubes en cuivre pour fusionner les flux de l’air et les contrôleurs de débit de carburant. Faites entrer les flux des contrôleurs dans un connecteur T.

Comme mesures de sécurité supplémentaires, placez un pare-flammes et une autre vanne unidirectionnelle après le connecteur en T. Dans cette configuration, la vanne unidirectionnelle est d’abord connectée au connecteur en T, orientée pour permettre l’écoulement loin du connecteur en T. Le pare-flammes est le suivant.

Au niveau des réservoirs de gaz à la source, réglez les régulateurs aux pressions appropriées. Pour cette expérience, cela représente 138 kilopascals. De retour au banc, procurez-vous une solution de détection de fuites pour tester tous les tubes à la recherche de fuites.

Avec les régulateurs de débit allumés, appliquez la solution de détection de fuites à l’aide d’une brosse sur le tube en cuivre. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles qui indiqueraient une fuite. À ce stade, portez votre attention sur la chambre de combustion et son brûleur attaché.

Cette chambre a des thermocouples de type K déjà en place, avec leurs pointes au centre de la chambre. Les orifices le long de la longueur de la chambre permettent à la fois l’analyse des gaz d’échappement et les thermocouples. Montez les thermocouples à l’aide de raccords à compression adaptés à leur diamètre.

Pour ajouter un thermocouple, commencez par la tige du raccord à compression qui se trouve déjà dans la paroi de la chambre. Placez un métal sauvage approprié à haute température dans la tige. Ensuite, abaissez l’écrou de compression à l’aide d’une sonde à thermocouple enfilée à travers celui-ci sur la tige.

Poussez la sonde du thermocouple jusqu’à ce que son extrémité soit au centre de la chambre. Serrez ensuite l’écrou de compression pour sceller la chambre contre les fuites de cette ouverture. Connectez les thermocouples à la configuration de l’ordinateur pour l’acquisition et le contrôle des données.

Retournez pour connecter la sortie des régulateurs de débit massique au brûleur de la chambre de combustion. Pour cela, utilisez un tube en cuivre pour envoyer le flux de la vanne unidirectionnelle à la chambre de combustion. Le dernier ajout est le matériel pour tester l’échappement, qui a déjà été assemblé ici.

Pour cela, un orifice d’échappement dans la chambre permet aux gaz de s’écouler dans le tube de cuivre. Ce tube passe dans une vanne à trois voies. L’une des sorties de la vanne est un tube menant à un chromatographe en phase gazeuse.

L’autre sortie est un tube qui va à une seringue de 25 millilitres utilisée pour aspirer et rediriger les gaz d’échappement. La configuration peut maintenant être utilisée pour la caractérisation. Avant le test, préparez la seringue et la valve à trois voies.

Tout d’abord, enfoncez complètement le piston de la seringue. Assurez-vous ensuite que la soupape à trois voies est ouverte du côté de l’orifice d’échappement. Passez à l’ordinateur pour démarrer la circulation du carburant et de l’air et commencer la collecte de données.

Initiez le flux d’air et le flux de méthane à l’aide d’un mélange riche pour faciliter l’allumage. Prenez un briquet au butane et déplacez-vous à l’extrémité de la chambre de combustion. Lorsqu’il est possible de le faire en toute sécurité, allumez le mélange.

Avant de continuer, effectuez une vérification visuelle pour vous assurer que la flamme s’est stabilisée à l’avant du brûleur. Cette flamme change lorsque le débit d’air est lentement ajusté à la valeur souhaitée pour éviter d’éteindre la flamme. Pendant ce temps, surveillez les températures du thermocouple et enregistrez les données de température lorsque les températures se stabilisent.

Maintenant, allez à la seringue connectée à la valve à trois voies. Tirez le piston vers l’arrière pour extraire les gaz résiduels et les gaz d’échappement de l’orifice d’échappement. Utilisez la soupape à trois voies pour ouvrir le côté du chromatographe en phase gazeuse et fermer le côté de l’orifice d’échappement.

Continuez en poussant le piston jusqu’à ce que tous les gaz d’échappement aient été envoyés au chromatographe en phase gazeuse. Retournez la valve pour permettre à la seringue d’extraire plus de gaz résiduels et d’échappement. Continuez à extraire le gaz et à l’injecter dans le chromatographe en phase gazeuse jusqu’à ce que tous les gaz résiduels soient éliminés.

Lorsque tous les gaz résiduels ont été éliminés, prélever un dernier échantillon de gaz d’échappement pour analyse. Tournez la vanne à trois voies et poussez les gaz d’échappement dans le chromatographe en phase gazeuse. Effectuez l’analyse par chromatographe en phase gazeuse et enregistrez les données.

Poursuivez en choisissant un autre débit d’air et en répétant l’analyse pour le nouveau rapport d’équivalents. Ces résultats pour l’analyse de l’équilibre chimique du méthane et de la combustion de l’air donnent les prédictions d’équilibre thermodynamique de la composition des gaz d’échappement à différents rapports équivalents. L’axe vertical de gauche représente le pourcentage en volume d’azote gazeux, représenté en noir.

L’axe vertical de droite donne l’échelle en pourcentage de volume pour les produits d’échappement et autres molécules. Cette analyse ne correspondra pas nécessairement parfaitement aux données de l’expérience, mais devrait indiquer les tendances attendues et l’ampleur des résultats. Les données expérimentales initiales de la chambre de combustion n’ont pas suivi les tendances attendues de l’analyse de l’équilibre chimique.

Par exemple, les données moléculaires sur l’oxygène en rouge suggèrent une concentration élevée à des rapports d’équivalence élevés par rapport à des rapports d’équivalence faibles. Il s’agit peut-être d’une indication d’un mélange incomplet ou d’un reflux dans la chambre de combustion, que d’autres données ont corroboré. Lorsque le refoulement est identifié et évité, les données étaient plus cohérentes avec les tendances attendues de l’analyse de l’équilibre chimique.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de caractériser un échappement à combustion et de construire un modèle d’échappement à combustion pour les tests de piles à combustible. N’oubliez pas que travailler avec la combustion peut être extrêmement dangereux et que des précautions telles qu’un pare-flammes, des vannes unidirectionnelles et d’autres équipements de protection individuelle doivent toujours être utilisées lors de cette procédure. En suivant cette procédure, d’autres méthodes, comme l’intégration d’une pile à combustible et d’un brûleur, peuvent aider à répondre à des questions supplémentaires sur la stabilité des performances à long terme, le dépôt de carbone et l’efficacité totale du système de la pile à combustible assistée par flamme.