Name: Combustion Caractérisation et élaboration dun modèle de carburant pour les micro-piles à combustible tubulaires assistée Flame- (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Découvrez la caractérisation de la combustion pour développer un modèle d'échappement destiné aux tests de piles à combustible à oxyde solide. Cette méthode permet d'étudier les processus de combustion sans construire de prototypes complets de brûleurs.

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Ce travail est soutenu par un accord avec l’Université de Syracuse attribué par le Centre d’excellence de Syracuse en systèmes énergétiques et environnementaux avec un financement sous le numéro de prime DE-EE0006031 du Département de l’énergie des États-Unis et un financement de contrepartie sous le numéro de prix 53367 de l’Autorité de recherche et de développement énergétiques de l’État de New York (NYSERDA), contrat 61736 de NYSERDA, et un prix de la Division des sciences, de la technologie et de l’innovation (NYSTAR) de l’Empire State Development par l’intermédiaire du Centre d’excellence de Syracuse, sous le numéro de prix #C120183. Ce travail est soutenu par le programme de bourses de recherche supérieure de la National Science Foundation dans le cadre de la subvention n° 1247399.

1. Les calculs de combustion <ol><li> Sélectionnez le carburant pour l&#39;analyse. Ici, choisissez le méthane comme combustible de référence, mais les principes sont transférables à d&#39;autres combustibles hydrocarbonés. </li><li> Avec 1 mole de méthane comme combustible, l&#39;équation d&#39;équilibrage (1) pour la combustion stoechiométrique pour obtenir l&#39;équation (2). <img alt="L&#39;équation 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="équation 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li> Calculer le rapport air-carburant stoechiométrique pour (F / A stoich.) Comme dans l&#39; équation 3 pour la combustion du méthane en divisant la masse du méthane par la masse d&#39;air. Pour calculer le numérateur est le nombre de moles de temps de méthane de la masse molaire de méthane (16 g.mol -1) , et le dénominateur est le nombre de moles de temps de l&#39; oxygène de la masse molaire de l&#39; oxygène (32 g.mol -1) plus le nombre de moles de l&#39; azote multiplié par la masse molaire de l&#39; azote (28 g · mol -1). <img alt="l&#39;équation 3"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li> Pour faire varier le rapport d&#39;équivalence (équation 4), modifier soit le débit d&#39;écoulement d&#39;air, le débit d&#39;écoulement de carburant, ou les deux simultanément. En règle générale, fixer une des quantités et de modifier l&#39;autre. Déterminer si de fixer soit le débit de carburant ou de l&#39;air pour le brûleur. Pour cette expérience, fixer le taux d&#39;écoulement de carburant à 10 L / min et permet le débit d&#39;air pour faire varier dans cette configuration. <img alt="l&#39;équation 4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li> Avec le taux de carburant de débit, f, fixe (10 L / min), F / A stoïques. calculé (0,0583), et compte tenu de la définition du rapport d&#39;équivalence, calculer le débit d&#39;air, un, pour chaque rapport d&#39;équivalence à tester. L&#39;équation (5) fournit un moyen direct de calculer le débit d&#39;air en L / min pour chaque rapport d&#39;équivalence et les résultats sont présentés pour un rapport d&#39;équivalence de 1 pour stoechiométrie. <img alt="l&#39;équation 5" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> NOTE: Le flamm supérieurelimite de capacité (ou limite supérieure d&#39;explosion) est la plus riche rapport d&#39;équivalence qui peut être brûlé sans trempe la flamme en l&#39;absence d&#39;un catalyseur. des rapports d&#39;équivalence supérieurs peuvent être obtenus avec l&#39;utilisation d&#39;un catalyseur, mais seulement une combustion non catalytique est décrit dans le présent document. Consultez la documentation pour évaluer la limite supérieure d&#39;inflammabilité du combustible choisi. </li></ol> Configuration 2. Combustion Caractérisation expérimentale <ol><li> Sélectionnez régulateurs de débit massique (MFC) pour le méthane et l&#39;air sur la base des débits obtenus à l&#39;étape 1.5. Faites preuve de prudence lors de la sélection d&#39;une taille de MFC pour veiller à ce que le MFC ne sera pas opérant à l&#39;extrémité inférieure de sa gamme (&lt;10% de la valeur pleine échelle) au cours des essais. Pour ce cas précis, utiliser 40 L / min et 200 L / min MFCs pour le méthane et l&#39;air, respectivement. </li><li> Connecter les MFCs aux réservoirs de méthane et de l&#39;air par l&#39;intermédiaire d&#39;un tube en cuivre. </li><li> Réglez les régulateurs sur les réservoirs de méthane et de l&#39;air à la pression appropriée pour le MFC comme spécifiépar le fabricant. Dans ce cas, régler la pression à 138 kPa (20 psi). </li><li> Calibrer les MFCs pour assurer des débits précis. </li><li> Construire la chambre de combustion. Pour cette expérience, développer une chambre de combustion de 914 mm de long avec un diamètre de sortie 168 mm. <ol><li> orifices des trous pour l&#39;analyse des gaz d&#39;échappement de combustion et un thermocouple pour le placement le long de la longueur de la chambre de combustion. Le nombre exact et l&#39;espacement nécessaire dépend de la taille de la flamme et les besoins de l&#39;expérience. Pour cette configuration, l&#39;espace des 5 premières thermocouples placés le plus proche de la région de combustion 7 mm. Espacez les 6 derniers thermocouples 14 mm d&#39;intervalle. Utiliser le même espacement entre les orifices d&#39;échappement. </li><li> Insérez les thermocouples de type K dans la chambre de combustion via les trous de port. Aligner la pointe du thermocouple au centre de la chambre de combustion. Taille des trous de port pour adapter le thermocouple et sceller avec des embouts et des écrous pour empêcher les fuites métalliques haute température. </li></ol></li><li> Connecticutect des thermocouples de type K directement au module d&#39;acquisition de données. </li><li> Connecter le module d&#39;acquisition de données à l&#39;ordinateur via le lecteur USB. </li><li> Fixer une valve unidirectionnelle dans le trajet d&#39;un tube de cuivre immédiatement après le MFC de carburant et juste avant le brûleur. Orientez la vanne de sorte que le flux ne peut se déplacer loin du MFC. Les clapets anti-retour sont un élément important de sécurité pour éviter un retour de flamme. </li><li> Vérifiez la tuyauterie de cuivre avant et après l&#39;installation MFC pour les fuites. Utiliser de l&#39;eau savonneuse appliqué avec une brosse au tube pour détecter les fuites que les fuites seraient créer des bulles. </li><li> Connecter la chambre de combustion et le brûleur aux régulateurs de débit massique par l&#39;intermédiaire d&#39;un tube en cuivre. </li><li> Après avoir terminé la configuration de la chambre de combustion, sélectionnez l&#39;un des ports d&#39;échappement pour les essais. Raccorder cet orifice à un tube de cuivre qui se prolonge vers l&#39;orifice d&#39;analyse par GC. </li><li> Sélectionnez une seringue pour tirer l&#39;échappement de la chambre de combustion et poussez-le dans le GC pour l&#39;analyse. Pour cette expérience, on utilise une25 ml seringue. </li><li> Placer une vanne à trois voies conforme à la tuyauterie en cuivre reliant l&#39;orifice d&#39;échappement vers le CPG. Connecter une extrémité de la vanne à deux voies au CPG, le second à l&#39;orifice d&#39;échappement et la troisième à la seringue 25 ml. Connecter le tube de cuivre à la vanne 3 voies. Utilisez la seringue pour aspirer échappement de combustion de la chambre, puis la pousser dans le GC pour l&#39;analyse. </li><li> Branchez le vanne 3 voies à la GC et la seringue. Actionner le piston de la seringue pour assurer un fonctionnement efficace. REMARQUE: Un schéma simplifié de l&#39;installation est représentée sur la figure 1. </li></ol><img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> Flux Figure 1. Caractérisation de combustion expérimentale configuration schématique. Caractérisation de combustion dispositif expérimental schéma montrant carburant, d&#39; air et d&#39; échappement (flèches noires) et des flux de données (flèches rouges). valves à sens unique sont utilisés pour empêcher un retour de flamme. <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. 3. Combustion Caractérisation Experiment <ol><li> Avant l&#39;essai, pousser le piston de la seringue à fond et ouvrir la vanne à trois voies sur le côté de l&#39;orifice d&#39;échappement. </li><li> Tournez le MFC de l&#39;air lors de la première à un taux de 86,5 L / min. </li><li> Transformer le méthane MFC à un débit de 10 L / min. Cela crée un rapport d&#39;équivalence pré-mélangée de 1,10, un mélange légèrement riche, ce qui est plus facile à enflammer. </li><li> Tournez thermocouples via le module d&#39;ordinateur pour commencer l&#39;enregistrement des données. </li><li> Ignite le mélange à la fin de la chambre de combustion à l&#39;aide d&#39;un briquet au butane. Après l&#39;allumage, la flamme devrait se stabiliser à l&#39;avant du brûleur. </li><li> Régler le rapport d&#39;équivalence en ajustant le débit d&#39;air de s&#39;écouler lentement à partir de la valeur initiale de 86,5 L / min à la valeur désirée. Prenez soin de ne pas aller trop vite ou aller à l&#39;extérieur de l&#39;flammablimites de ilité qui provoqueraient la flamme trempe. </li><li> Notez la lecture de la température dans un fichier de données après les thermocouples températures stabilisent. </li><li> Encore une fois, tirer le piston de la seringue pour extraire les gaz d&#39;échappement de combustion provenant de l&#39;orifice d&#39;échappement. </li><li> Après l&#39;extraction du gaz d&#39;échappement de combustion, ouvrir la vanne à trois voies du côté GC et fermer le côté de l&#39;orifice d&#39;échappement. </li><li> Poussez le piston de la seringue jusqu&#39;à ce qu&#39;il se ferme complètement et tous les gaz d&#39;échappement a été envoyé à la GC. </li><li> Répéter les étapes 03.08 à 03.10 jusqu&#39;à ce que tous les gaz résiduels dans le tube de cuivre reliant l&#39;orifice à la GC est enlevé. Une simple analyse du volume interne du tube de cuivre par rapport au volume de la seringue indiquera combien de fois les étapes 03/08 au 03/10 besoin d&#39;être répétée. </li><li> Après avoir enlevé tous les gaz résiduels dans le tube extrait d&#39;un échantillon d&#39;échappement final pour l&#39;analyse. Poussez les gaz d&#39;échappement dans le GC et tourner le GC en mode d&#39;analyse 7,17. </li><li> Enregistrer les données du GC en économisantles données d&#39;analyse par GC. </li><li> Répétez les étapes 03.01 à 03.13 jusqu&#39;à ce que tous les rapports d&#39;équivalence souhaités sont testés. </li></ol> 4. Développement de l&#39;échappement Modèle Combustion <ol><li> Tracer le pourcentage du volume des espèces d&#39;échappement de combustion pour observer les tendances. </li><li> Déterminer la valeur de la concentration limite pour l&#39;échappement modèle de combustion. Dans le développement d&#39;un carburant d&#39;échappement modèle de combustion pour l&#39;analyse initiale mT-FFC, seuls les composants apparaissant dans des proportions importantes (&gt; 1%) sont inclus dans le carburant du modèle. </li><li> Pour le carburant du modèle ne sélectionner que les rapports d&#39;équivalence qui génèrent de l&#39;hydrogène significatif et du monoxyde de carbone (&gt; 1% pour chaque composant) dans l&#39;échappement. </li><li> Noter le pourcentage de volume pour chacun des composants de gaz d&#39;échappement répondant aux critères de 4,3. </li></ol> 5. Fuel Setup Cell Test <ol><li> Déterminer les plages de débit pour chaque gaz. Multiplier le pourcentage volumique obtenu à partir des résultats de l&#39;analyse par GC til taux total des gaz d&#39;échappement de combustion modèle souhaité à l&#39;intérieur de chaque pile à combustible de l&#39;écoulement. </li><li> Évaluer la gamme de débits pour chaque espèce d&#39;échappement de combustion pour déterminer le débit maximum et minimum pour chaque espèce. </li><li> Sélectionner des compteurs de débit selon les mêmes principes décrits dans l&#39;étape 2.1. </li><li> Construire l&#39;appareil d&#39;essai en fixant les débitmètres aux réservoirs de gaz par l&#39;intermédiaire d&#39;un tube en cuivre. </li><li> Réglez les régulateurs de pression de gaz à la valeur prescrite pour les débitmètres. </li><li> Placer des clapets anti-retour dans le trajet d&#39;un tube en cuivre en aval de chaque débitmètre à l&#39;aide d&#39;un gaz combustible. </li><li> Connecter tous les ports de sortie du débitmètre entre eux par des tubes en cuivre et un collecteur. </li><li> Fixer les micro-SOFC tubulaire à l&#39;intérieur d&#39;un tube en acier ayant un diamètre intérieur juste supérieur à un diamètre externe de la pile à combustible. Sceller la pile à combustible au tube en acier en utilisant un adhésif céramique. </li><li> Raccorder les tubes d&#39;acier avec des micro-tubulaire SOFC à un morceau de m céramique réfractaireatériau pour maintenir la pile à combustible dans le four. </li><li> Utiliser la technique 4 sonde 10,11 avec collecte et de détection de tension des fils de courant connectés au micro-tubulaire SOFC avec 2 fils sur l&#39;anode et 2 fils sur la cathode. Assurez-vous que les fils ne se croisent pas les uns les autres courts métrages créant. </li><li> Connectez les quatre fils aux quatre sondes du potentiostat 10,11. </li><li> Branchez le potentiostat à l&#39;ordinateur 10,11. </li><li> Placer un thermocouple dans le four avec la pointe de toucher l&#39;extérieur du micro-tubulaire SOFC électrolyte 10,11. </li><li> Attacher les fils du thermocouple au module d&#39;acquisition de données. </li><li> Connecter le module d&#39;acquisition de données à l&#39;ordinateur via le port USB. REMARQUE: la figure 2 est un schéma simplifié montrant la configuration de test mT-FCF. Avec le carburant du modèle mis au point et la mise en place pour commander l&#39;écoulement de carburant du modèle pour la pile à combustible, l&#39;essai peut se poursuivre selon f conventionneluel méthodes de test des cellules. Ces méthodes sont bien établies dans la littérature et ne seront pas répétés ici. </li></ol><img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> Figure 2. Micro-tubulaire configuration de test de pile à combustible schématique assisté à la flamme. Flux de H 2, CO, CO 2, N 2 (flèches noires) sont réglées avec un MFC et un clapet anti-retour pour éviter un retour de flamme. Electrons débit (ligne verte) de la SOFC dans le four au potentiostat et revenir à la SOFC. Flux de données de thermocouple et les données électrochimique est représenté par des flèches rouges. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le protocole décrit ici est un pont important entre la recherche de la caractérisation de la combustion précédente et les essais de piles à combustible. L&#39;utilisation de la combustion pour le carburant de reformage et d&#39; essais de piles à combustible a été appliquée pendant plusieurs années dans les configurations DFFC 10-15. Cependant, la caractérisation du processus de combustion dans DFFCs est principalement lié à la caractérisation in situ de la composition de la flamme 16 et u...

pile à combustible à oxyde solide (SOFC) innovations ont été rapportés au cours des dernières années que la technologie continue de se développer. Parmi les nombreux avantages, les SOFC sont devenus connus pour un rendement énergétique élevé, de faibles émissions et la flexibilité de carburant modérée par rapport à d&#39; autres techniques de production d&#39;énergie de combustion sur la base 1. En outre, les SOFC sont évolutives permettant un rendement énergétique élevé, même à petite échelle. Malheureusement, les limitations dans l&#39;infrastructure de l&#39;hydrogène en cours ont créé un besoin pour des systèmes de carburant de reformage qui sont souvent inefficaces. Un développement récent est la pile à combustible assistée flamme micro-tubulaire (mT-FFC) a rapporté dans les travaux antérieurs de l&#39;auteur 2. Le mT-FFC est le premier exemple d&#39;une pile à combustible assistée flamme (FFC) qui se fonde sur les avantages de la cellule d&#39; origine de la flamme directe de carburant (DFFC), qui fournit la production de chaleur et de reformage de combustible par combustion 3. La configuration DFFC place une SOFC en contact direct avec une flamme ouverte à l&#39;envir ambianteonnement. La flamme s&#39;oxyde partiellement combustibles hydrocarbures plus lourds pour créer H 2 et du CO, qui peut être utilisé directement dans la SOFC avec moins de risques de cokéfaction du carbone par rapport au méthane pur ou d&#39; autres hydrocarbures plus lourds. En outre, la flamme fournit l&#39;énergie thermique nécessaire pour amener la SOFC à sa température de fonctionnement. Un changement récent à la DFFC originale est produite en déplaçant la SOFC hors de la zone de flamme et de canaliser les gaz d&#39; échappement de combustion à la SOFC pour créer le FCF 2. A la différence du DFFC, la combustion se produit dans une chambre partiellement fermée (au lieu de la température ambiante), de sorte que le rapport du combustible à l&#39;air peut être contrôlé et le gaz d&#39;échappement peut être directement introduit dans la pile à combustible sans se produit une combustion complète. CPF ont des avantages supplémentaires , y compris l&#39; utilisation de carburant élevée et une efficacité électrique par rapport à DFFCs 2. En tant que domaine de recherche, les techniques expérimentales sont nécessaires permettant d&#39;évaluer le potentiel de mT-FFCs pour les futures applications de production d&#39;énergie. Ces techniques nécessitent une analyse d&#39;oxydation partielle ou de combustion riche en combustible, et les gaz d&#39; échappement qui a été identifié comme un moyen de génération de H 2 et CO, également connu sous le nom de gaz de synthèse, de même que le CO 2 et H 2 O. Le gaz de synthèse peut être utilisé directement dans les piles à combustible pour la production d&#39;électricité. L&#39;analyse des gaz d&#39;échappement de combustion riche en combustible a été bien établie au cours des dernières années et a été réalisée théoriquement 4, informatiquement 5,6 et expérimentalement 7 pour de nombreuses fins différentes. Bon nombre des études théoriques et informatiques se sont appuyés sur l&#39;analyse de l&#39;équilibre chimique (CEA) pour évaluer les espèces de produits de combustion qui sont énergétiquement favorable, et les modèles cinétiques chimiques pour les mécanismes de réaction. Bien que ces méthodes ont été très utiles, de nombreuses technologies émergentes se sont appuyés sur des techniques expérimentales pendant la recherche et le développement. Les techniques expérimentales reposent généralement sur anala lyse des gaz d&#39; échappement de combustion utilisant un chromatographe en phase gazeuse (GC) 7 ou un spectromètre de masse (MS) 8. Soit la GC ligne / seringue ou la sonde MS est insérée dans l&#39;échappement de combustion et les mesures sont prises pour évaluer la concentration des espèces. L&#39;application des techniques expérimentales a été commune dans le domaine de la petite production d&#39;électricité à grande échelle. Voici quelques exemples de micro combustion qui ont été développés pour fonctionner avec SOFC simple chambre 7,9 et DFFCs 10-15. L&#39;analyse des gaz d&#39;échappement de combustion se produit dans une large gamme de conditions de fonctionnement, y compris des températures, des débits et des rapports d&#39;équivalence. Dans le domaine de la recherche DFFC, le combustible et l&#39;oxydant peut être partiellement pré-mélangé ou non pré-mélangé avec le brûleur ouvert à l&#39;atmosphère ambiante qui assure une combustion complète. Avec la nécessité d&#39;analyser la composition de la flamme, un MS a été utilisé dans de nombreux cas pour DFFC la recherche et l&#39; analyse de combustion 16. Le développement plus récent de la FFC diffère en se basant sur la combustion pré-mélangée avec le brûleur dans un environnement partiellement fermé pour empêcher l&#39;oxydation complète du carburant. Par conséquent, l&#39;analyse des gaz d&#39;échappement de combustion dans un environnement contrôlé exempt de fuites d&#39;air est nécessaire. Les techniques expérimentales développées à cet effet reposent sur les techniques antérieures utilisées pour la recherche de combustion micro avec une analyse de GC de l&#39;échappement de combustion à des rapports d&#39;équivalence variables. L&#39;analyse par GC conduit à la caractérisation de la composition des gaz d&#39;échappement de combustion ( par exemple, le pour cent en volume de chaque constituant d&#39;échappement comprenant du CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Cette analyse permet de mélanger des gaz séparés en fonction des rapports mesurés par le GC pour créer un modèle d&#39;échappement de combustion riche en combustible pour les futures recherches FFC. Les protocoles d&#39;analyse de gaz d&#39;échappement de combustion riche en combustible, le développement d&#39;un modèle d&#39;échappement de combustion riche en combustible et appliquerment les gaz d&#39;échappement pour les tests SOFC sont établis dans le présent document. défis et limites communes sont discutées pour ces techniques.

<table><tbody><tr><td>Chromotographe en phase gazeuse</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouples de type K</td><td>Omega</td><td>KQXL-116G-6</td><td></td></tr><tr><td>Fil d’extension de thermocouple de type K de longueur</td> personnalisée <td>Omega</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Omega</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N2) Utilisé pour le méthane</td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Omega</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N2) Utilisé pour l’air</td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Omega</td><td>FMA5402A</td><td>0-10 ml/min (N2) Utilisé pour le CO</td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (Propane) Utilisé pour le CO2</td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>5 L/min (Air) Utilisé pour N2 </td></tr><tr><td>Régulateur de débit massique</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N2) Utilisé pour H2</td></tr><tr><td>Régulateur</td><td>Harris Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td></td></tr><tr><td>Régulateur</td> de réservoir de méthane <td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-590-E</td> Régulateur de <td>réservoir d’air</td></tr><tr><td></td><td>Airgas</td><td>Y11-SR145B</td><td>Réservoir</td></tr> <tr>de CO<td>Régulateur</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-320-E</td><td>CO2</td></tr><tr><td>Régulateur</td><td>Airgas</td><td>Y12-215B</td><td>N2 Détendeur</td></tr> Harris <tr><td></td><td>Products Group</td><td>HP702-015-350-D</td><td>H2</td></tr><tr><td>Réservoir Méthane, Compressé, Ultra haute pureté</td><td>Airgas</td><td>UN1971</td><td>Extrêmement Inflammable</td></tr><tr><td>Air, comprimé, Ultra pur</td><td>Airgas</td><td>UN1002</td><td>Non classé comme dangereux pour la santé.</td></tr><tr><td>CO, Compressé, Ultra haute pureté</td><td></td><td>Airgas UN1016</td><td>Toxique par inhalation, Extrêmement inflammable</td></tr><tr><td>CO2, Compressé, Research grade</td><td>Airgas</td><td>UN1013</td><td>Asphyxiant à des concentrations élevées</td></tr><tr><td>N2, Compressé, Ultra haute pureté</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td>Non classé comme dangereux pour la santé.</td></tr><tr><td>H2, Compressé, Ultra haute pureté</td><td>Airgas</td><td>UN1049</td><td>Extrêmement inflammable, brûle avec une flamme invisible</td></tr><tr><td>Sourcemètre</td><td>Tektronix, Inc.</td><td>Keithley 2420</td><td>Se connecte à l’ordinateur via USB</td></tr><tr><td>Four tubulaire fendu horizontal</td><td>MTI Corportation</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>Acquisition de données</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ-9172</td><td>Se connecte à l’ordinateur via</td></tr><tr><td>l’entrée de thermocouple</td><td>USB National Instruments</td><td>NI 9211</td><td>Se connecte au cDAQ-9172</td></tr> Contrôle <tr><td>par ordinateur pour les contrôleurs de débit massique</td><td>National Instruments</td><td>NI 9263</td><td>Se connecte au cDAQ-9172 Contrôle par ordinateur pour contrôleurs de débit massique</td></tr><tr><td>Logiciel de test</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 pinte</td></tr></tbody></table>

combustion caractérisation et élaboration d&#39;un modèle de carburant pour les micro-piles à combustible tubulaires assistée flame-

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

La production d’énergie par combustion est réalisée depuis de nombreuses années par un certain nombre de systèmes de moteurs thermiques. Récemment, l’évolution vers la production d’énergie à petite échelle et la microcombustion, ainsi que le développement de la recherche sur les piles à combustible, ont créé de nouveaux moyens de production d’énergie qui combinent des piles à combustible à oxyde solide avec des flammes nues et des gaz d’échappement. Au lieu de s’appuyer sur la chaleur de la combustion, ces systèmes de piles à combustible à oxyde solide reposent sur le reformage du combustible par combustion pour générer du gaz de synthèse pour la production d’énergie électrochimique. Des procédures ont été élaborées pour évaluer les sous-produits de combustion dans un large éventail de conditions. Bien que des procédures théoriques et informatiques aient été développées pour évaluer les gaz d’échappement de combustion riches en carburant dans ces applications, des techniques expérimentales ont également émergé. Les procédures expérimentales reposent souvent sur l’analyse de la flamme et des gaz d’échappement par chromatographe en phase gazeuse ou par spectromètre de masse pour évaluer le processus de combustion en tant que reformeur de combustible et moyen de production de chaleur. Les techniques expérimentales développées dans ces domaines ont été réappliquées pour le développement de la pile à combustible microtubulaire assistée par flamme. Le protocole discuté dans ce travail s’appuie sur des techniques antérieures pour spécifier une procédure de caractérisation des gaz d’échappement à combustion riche en combustible et l’élaboration d’un modèle d’échappement à combustion riche en combustible à utiliser dans les essais de piles à combustible assistées par flamme. L’élaboration de la procédure, ses applications et ses limites sont abordées.

La chambre de caractérisation de combustion doit être vérifiée avant l&#39;essai dans les rapports d&#39;équivalence souhaités pour le reflux de l&#39;air dans la chambre ou une autre fuite d&#39;air pendant l&#39;essai. Les procédés de combustion dans des chambres ouvertes sont connus pour être à peu près isobare. En conséquence, la pression dans la chambre de combustion peut ne pas être suffisant pour garantir que l&#39;air de l&#39;environnement extérieur est de nouveau fluide dans la...

Un protocole pour la création d’un modèle d’échappement de combustion riche en combustible est développé par caractérisation de la combustion et est appliqué aux essais et à la recherche de piles à combustible micro-tubulaires assistées par flamme.

Combustion Caractérisation et élaboration d&#39;un modèle de carburant pour les micro-piles à combustible tubulaires assistée Flame-

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

L'objectif général de cette expérience de caractérisation de la combustion est d'élaborer un échappement de combustion modélisé en mélangeant les espèces d'intérêt afin de tester une pile à combustible à oxyde solide dans ce mélange. Ce dispositif peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des piles à combustible à oxyde solide, comme de savoir si une combustion moins riche se forme plutôt qu’un reformeur de carburant endothermique. Le principal avantage de cette technique est que nous pouvons élaborer un échappement de combustion modélisé pour les essais de pile à combustible sans devoir concevoir un brûleur complet ni un prototype de pile à combustible.La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car la procédure de configuration expérimentale, les précautions de sécurité et la résolution des problèmes peuvent être difficiles à comprendre en lisant uniquement un manuscrit. Assemblez l'appareil de caractérisation en utilisant une chambre de combustion préparée sur un banc équipé de sources d'air et de combustible méthane. Sélectionnez les débitmètres massiques en fonction des débits déterminés précédemment.Pour cette expérience, utilisez un régulateur de 40 litres par minute pour le méthane. Utilisez un régulateur de 200 litres par minute pour l'air. Ensuite, procurez-vous un tube en cuivre et reliez-le à la sortie de la source de méthane.Ensuite, reliez le tube au débitmètre massique de carburant. De la même manière, reliez le débitmètre massique d'air à sa source. Par mesure de sécurité, ajoutez un clapet anti-retour après le débitmètre de méthane.Orientez la vanne de manière à ce qu'elle permette l'écoulement uniquement en direction opposée au régulateur, puis reliez-la à la sortie du régulateur. Ensuite, utilisez un tube en cuivre pour combiner les flux provenant du régulateur d'air et de celui du combustible. Faites entrer les flux provenant des régulateurs dans un raccord en T.En guise de mesures de sécurité supplémentaires, placez un pare-flamme et une autre vanne unidirectionnelle après le raccord en T. Dans ce montage, la vanne unidirectionnelle est reliée en premier au raccord en T, orientée de manière à permettre l'écoulement à l'écart du raccord en T. Le pare-flamme vient ensuite.Aux réservoirs source des gaz, régler les détendeurs sur les pressions appropriées. Pour cette expérience, la pression est de 138 kilopascal. Revenez ensuite au poste de travail et procurez-vous une solution de détection de fuites afin de tester l'ensemble des tuyaux pour détecter d'éventuelles fuites.Avec les régulateurs de débit activés, appliquez la solution de détection de fuites à l’aide d’un pinceau sur le tube en cuivre. Assurez-vous qu’aucune bulle n’apparaît, ce qui indiquerait une fuite. À ce stade, portez votre attention sur la chambre de combustion et sur le brûleur qui y est fixé.Cette chambre est équipée de thermocouples de type K déjà en place, dont les extrémités se trouvent au centre de la chambre. Des orifices le long de la longueur de la chambre permettent d'effectuer l'analyse des gaz d'échappement de la combustion et d'installer les thermocouples. Montez les thermocouples à l'aide de raccords à compression adaptés à leur diamètre.Pour installer un thermocouple, commencez par le raccord en compression déjà fixé dans la paroi de la chambre. Insérez un ferule métallique approprié résistant aux hautes températures dans le raccord. Ensuite, vissez l'écrou de compression, dans lequel le thermocouple a été préalablement inséré, sur le raccord.Introduire la sonde de thermocouple jusqu'à ce que son extrémité se trouve au centre de la chambre. Ensuite, serrer l'écrou de compression pour étanchéifier la chambre et éviter les fuites par cette ouverture. Connecter les thermocouples au système informatique pour l'acquisition de données et la commande.Revenez pour relier la sortie des débitmètres massiques au brûleur de la chambre de combustion. Pour cela, utilisez un tube en cuivre afin d'acheminer le flux depuis la vanne unidirectionnelle jusqu'à la chambre de combustion. Le dernier ajout concerne le matériel permettant de tester les gaz d'échappement, qui a déjà été assemblé ici.À cette fin, un orifice d'évacuation dans la chambre permet aux gaz de s'écouler vers le tube en cuivre. Ce tube se connecte à un robinet à trois voies. Une sortie du robinet est un tube menant à un chromatographe en phase gazeuse.La sortie secondaire est un tube qui se connecte à une seringue de 25 millilitres utilisée pour aspirer et rediriger les gaz d'échappement. Le dispositif peut désormais être utilisé pour la caractérisation. Avant les essais, préparez la seringue et le robinet à trois voies.Tout d'abord, enfoncer complètement le piston de la seringue. Ensuite, s'assurer que le robinet trois voies est ouvert du côté du port d'échappement. Passer à l'ordinateur pour démarrer l'écoulement du carburant et de l'air, et commencer la collecte des données.Commencez le débit d'air et le débit de méthane en utilisant un mélange riche pour faciliter l'allumage. Prenez un briquet au butane et déplacez-vous à l'extrémité de la chambre de combustion. Lorsque cela est sécuritaire, allumez le mélange.Avant de poursuivre, effectuez un contrôle visuel pour vous assurer que la flamme s'est stabilisée au niveau de l'orifice du brûleur. Cette flamme évolue au fur et à mesure que le débit d'air est progressivement ajusté à la valeur souhaitée afin d'éviter d'éteindre la flamme. Pendant ce temps, surveillez les températures des thermocouples et enregistrez les données de température lorsque celles-ci atteignent une valeur stable.Maintenant, rendez-vous à la seringue connectée au robinet trois voies. Tirez le piston pour extraire le gaz résiduel et les gaz d'échappement par le port d'évacuation. Utilisez le robinet trois voies pour ouvrir le côté du chromatographe en phase gazeuse et fermer le côté du port d'évacuation.Continuez en enfonçant le piston jusqu'à ce que tous les gaz d'échappement aient été transférés vers le chromatographe en phase gazeuse. Revenez à la position initiale de la vanne pour permettre à la seringue de prélever davantage de gaz résiduels et d'échappement. Poursuivez le prélèvement de gaz et son injection dans le chromatographe en phase gazeuse jusqu'à ce que tous les gaz résiduels soient éliminés.Lorsque tous les gaz résiduels ont été éliminés, prélève un échantillon final d'échappement pour analyse. Tourne le robinet à trois voies et pousse le gaz d'échappement dans le chromatographe en phase gazeuse. Effectue l'analyse par chromatographie en phase gazeuse et enregistre les données.Continuez en choisissant un autre débit de flux d'air et en répétant l'analyse pour le nouveau rapport d'équivalence. Ces résultats de l'analyse d'équilibre chimique de la combustion du méthane et de l'air fournissent les prédictions thermodynamiques de la composition des gaz d'échappement à différents rapports d'équivalence. L'axe vertical gauche concerne le pourcentage volumique du gaz azote, tracé en noir.L'axe vertical droit indique l'échelle du pourcentage en volume des produits d'échappement et des autres molécules. Cette analyse ne correspondra pas nécessairement parfaitement aux données expérimentales, mais devrait indiquer les tendances et l'ordre de grandeur des résultats attendus. Les données expérimentales initiales pour la chambre de combustion ne suivaient pas les tendances prévues par l'analyse d'équilibre chimique.Par exemple, les données relatives à l'oxygène moléculaire en rouge suggèrent une concentration élevée à des rapports d'équivalence élevés par rapport à des rapports d'équivalence faibles. Cela peut indiquer un mélange incomplet ou un écoulement rétrograde dans la chambre de combustion, phénomène confirmé par d'autres données. Lorsque l'écoulement rétrograde est identifié et empêché, les données sont plus cohérentes avec les tendances attendues d'après une analyse d'équilibre chimique.Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de caractériser un échappement de combustion et de construire un modèle d'extraiteur de combustion pour les tests de pile à combustible. N'oubliez pas que le travail avec la combustion peut être extrêmement dangereux et que des précautions telles que l'utilisation d'un pare-flamme, de clapets anti-retour et d'autres équipements de protection individuelle doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure. Après 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 concernant la stabilité du rendement à long terme, le dépôt de carbone et l'efficacité globale du système de la pile à combustible assistée par flamme.

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