Name: Combustione Caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari Celle a combustibile fiamma assistita (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Scopri la caratterizzazione della combustione per sviluppare un modello di scarico ricco di combustibile per testare celle a combustibile ad ossidi solidi. Questo metodo consente ricerche efficienti senza prototipi completi.

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Questo lavoro è supportato da un accordo con l'Università di Syracuse assegnato dal Syracuse Center of Excellence in Energy and Environmental Systems con finanziamenti con numero di premio DE-EE0006031 dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e finanziamenti corrispondenti con numero di premio 53367 dall'Autorità per la ricerca e lo sviluppo energetico dello Stato di New York (NYSERDA), contratto 61736 da NYSERDA, e un premio dalla Divisione di Scienza, Tecnologia e Innovazione (NYSTAR) dell'Empire State Development attraverso il Syracuse Center of Excellence, con il numero di premio #C120183. Questo lavoro è supportato dal National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program nell'ambito della sovvenzione n. 1247399.

1. I calcoli di combustione <ol><li> Selezionare combustibile per l&#39;analisi. Qui, scegliete il metano come combustibile di riferimento, ma i principi sono trasferibili ad altri idrocarburi. </li><li> Con 1 mole di metano come combustibile, equazione di bilancio (1) per la combustione stechiometrica per ottenere l&#39;equazione (2). <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li> Calcolare il rapporto aria-carburante stechiometrico per (F / A stoich.) Come nell&#39;equazione 3 per la combustione del metano dividendo la massa di metano dalla massa d&#39;aria. Per calcolare il numeratore è il numero di moli di metano volte la massa molare del metano (16 g · mol -1) e denominatore è il numero di moli di volte ossigeno massa molare di ossigeno (32 g · mol -1) più il numero di moli di tempi di azoto della massa molare di azoto (28 g · mol -1). <img alt="Equazione 3"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li> Al fine di variare il rapporto di equivalenza (equazione 4), variare sia la portata dell&#39;aria, la portata di combustibile o entrambi simultaneamente. In genere, fissare una delle grandezze e variare l&#39;altro. Determinare se fissare sia la portata di combustibile o aria per il bruciatore. Per questo esperimento, fissare il tasso del flusso di carburante a 10 L / min e lasciare che la portata d&#39;aria di variare in questa configurazione. <img alt="Equazione 4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li> Con il tasso di carburante di flusso, F, fisso (10 L / min), F / A stoica. calcolato (0,0583), e data la definizione del rapporto di equivalenza, calcolare la portata d&#39;aria, una per ciascun rapporto di equivalenza da testare. L&#39;equazione (5) fornisce un modo diretto di calcolo della portata d&#39;aria in l / min per ciascun rapporto di equivalenza ei risultati sono mostrati per un rapporto di equivalenza di 1 per stechiometria. <img alt="Equazione 5" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> NOTA: La Flamm superioreLimite capacità (o limite superiore di esplosione) è il rapporto di equivalenza ricco che può essere bruciato senza tempra la fiamma in assenza di un catalizzatore. i rapporti di equivalenza maggiori possono essere ottenuti con l&#39;uso di un catalizzatore, ma solo la combustione non catalitica è descritto in questo documento. Consultare la letteratura per valutare il limite di infiammabilità superiore per il carburante scelto. </li></ol> Setup 2. combustione caratterizzazione sperimentale <ol><li> Selezionare controllori di flusso di massa (MFC) per il metano e l&#39;aria in base ai tassi di flusso ottenuti nella Fase 1.5. Usare cautela quando si seleziona una dimensione MFC per garantire che il MFC non sarà operativo nella parte bassa della sua gamma (&lt;10% del valore di fondo scala) durante il test. Per questo caso specifico, usare 40 L / min e 200 l / min MFC rispettivamente per il metano e aria,. </li><li> Collegare le MFC ai serbatoi di metano e aria tramite tubi in rame. </li><li> Impostare i regolatori sui serbatoi di metano e aerei per la pressione appropriata per il MFC come specificatodal costruttore. In questo caso, impostare la pressione a 138 kPa (20 psi). </li><li> Calibrare le MFC per garantire portate accurate. </li><li> Costruire la camera di combustione. Per questo esperimento, sviluppare una camera di combustione 914 mm di lunghezza con un diametro di uscita 168 millimetri. <ol><li> porti trapano per analisi scarico della combustione e per il posizionamento della termocoppia lungo la lunghezza della camera di combustione. Il numero esatto e la distanza necessaria dipende dalle dimensioni della fiamma e le finalità dell&#39;esperimento. Per questa configurazione, spaziali primi 5 termocoppie posizionate più vicino alla zona di combustione 7 mm. Lo spazio gli ultimi 6 termocoppie 14 mm. Utilizzare la stessa distanza per le luci di scarico. </li><li> Inserire le termocoppie tipo K nella camera di combustione attraverso i fori della porta. Allineare la punta della termocoppia al centro della camera di combustione. Dimensioni dei fori delle porte per adattarsi alla termocoppia e sigillare con puntali in metallo ad alta temperatura e dadi per evitare perdite. </li></ol></li><li> Connect i K-tipo termocoppie direttamente al modulo di acquisizione dati. </li><li> Collegare il modulo di acquisizione dati al computer tramite l&#39;unità USB. </li><li> Attaccare una valvola unidirezionale nel percorso tubo di rame dopo il MFC carburante e appena prima del bruciatore. Orientare la valvola in modo che il flusso può muovere solo dalla MFC. Le valvole unidirezionali sono un importante elemento di sicurezza per prevenire il flash. </li><li> Controllare il tubo di rame, prima e dopo l&#39;installazione MFC per perdite. Usare acqua e sapone applicato con un pennello per il tubo per rilevare le perdite come perdite creerebbero bolle. </li><li> Collegare la camera di combustione e bruciatore ai controllori di flusso di massa tramite un tubo di rame. </li><li> Dopo aver completato la configurazione della camera di combustione, selezionare una delle luci di scarico per i test. Collegare questa porta per tubi di rame che si estende fino al porto di analisi GC. </li><li> Selezionare una siringa per tirare lo scarico dalla camera di combustione e spingerlo nel GC per l&#39;analisi. Per questo esperimento, utilizzare un25 ml siringa. </li><li> Inserire una valvola a tre vie in linea con i tubi di rame che collega la porta di scarico al GC. Collegare un&#39;estremità della valvola a due vie per il GC, la seconda per la luce di scarico ed il terzo alla siringa 25 ml. Collegare il tubo di rame alla valvola a 3 vie. Usare la siringa per aspirare gas di scarico della combustione dalla camera e poi spingerlo nella GC per l&#39;analisi. </li><li> Collegare la valvola a 3 vie per la GC e la siringa. Azionare lo stantuffo della siringa per garantire un funzionamento efficace. NOTA: Uno schema semplificato della configurazione è mostrata in Figura 1. </li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> Flussi di Figura 1. caratterizzazione combustione sperimentale impostazione schematica. La combustione caratterizzazione apparato sperimentale che mostra schema di carburante, aria e di scarico (frecce nere) e flussi di dati (frecce rosse). valvole unidirezionali sono utilizzati per prevenire il flash. <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. 3. Caratterizzazione combustione Experiment <ol><li> Prima della prova, spingere lo stantuffo della siringa completamente e aprire la valvola a tre vie sul lato scarico. </li><li> Ruotare il MFC aria su prima ad una portata di 86,5 L / min. </li><li> Ruotare metano MFC a una portata di 10 L / min. Questo crea un rapporto di equivalenza premiscelata di 1,10, un po miscela ricca, che è più facile da accendere. </li><li> Attivare termocoppie sul tramite il modulo computer per iniziare la registrazione dei dati. </li><li> Accendere la miscela alla fine della camera di combustione con un leggero butano. Dopo l&#39;accensione, la fiamma deve stabilizzarsi nella parte anteriore del bruciatore. </li><li> Regolare il rapporto di equivalenza regolando la portata di aria lentamente dal valore iniziale di 86,5 L / min al valore desiderato. Fare attenzione a non muoversi troppo velocemente o andare al di fuori del infiammlimiti ility che causerebbero fiamma tempra. </li><li> Registrare la lettura della temperatura in un file di dati dopo le termocoppie temperature stabilizzano. </li><li> Ancora una volta, tirare lo stantuffo della siringa per estrarre gas di scarico di combustione dalla luce di scarico. </li><li> Dopo l&#39;estrazione del gas di scarico di combustione, aprire la valvola a tre vie per il lato GC e chiudere il lato scarico. </li><li> Spingere lo stantuffo della siringa finché non chiude completamente e tutto il scarico è stato inviato al GC. </li><li> Ripetere i passaggi 3,8-3,10 finché tutti i gas residui del tubo di rame che collega il porto con il GC è stato rimosso. Una semplice analisi del volume interno del tubo di rame rispetto al volume della siringa indica quante volte i passaggi 3,8-3,10 bisogno di essere ripetuto. </li><li> Dopo aver rimosso tutti i gas residui nel tubo estrarre un campione di scarico finale per l&#39;analisi. Spingere il gas di scarico nel GC e girare il GC di modalità di analisi 7,17. </li><li> Registrare i dati di GC di risparmioi dati di analisi GC. </li><li> Ripetere i passaggi 3,1-3,13 fino a quando tutti i rapporti di equivalenza desiderati vengono testati. </li></ol> 4. Sviluppo del modello di combustione di scarico <ol><li> Tracciare il gas di scarico della combustione percentuale in volume specie per osservare le tendenze. </li><li> Determinare il valore di concentrazione limite per lo scarico modello di combustione. Nello sviluppo di un combustibile di scarico modello di combustione per l&#39;analisi iniziale MT-FFC, solo i componenti che appaiono in proporzioni significative (&gt; 1%) sono inclusi nel combustibile modello. </li><li> Per il combustibile modello di scegliere solo i rapporti di equivalenza che generano idrogeno significativa e monossido di carbonio (&gt; 1% per ogni componente) nello scarico. </li><li> Registrare la percentuale di volume per ciascuno dei componenti dei gas di scarico che soddisfano i criteri di 4.3. </li></ol> Imposta cellulare Test 5. Fuel <ol><li> Determinare gli intervalli di portata per ogni gas. Moltiplicare il volume percentuale ottenuta dai risultati delle analisi GC di tegli totale portata del gas di scarico di combustione modello desiderato all&#39;interno di ogni cella a combustibile. </li><li> Valutare la gamma di portate per ciascuna specie di scarico di combustione per determinare la portata massima e minima per ciascuna specie. </li><li> Selezionare i misuratori di portata in base agli stessi principi descritti al punto 2.1. </li><li> Costruire l&#39;apparato di test collegando i misuratori di portata ai serbatoi di gas via tubo di rame. </li><li> Impostare i regolatori di pressione del gas al valore prescritto per i misuratori di portata. </li><li> Posizionare valvole unidirezionali nel percorso tubo di rame valle di ciascun flussometro usando un gas combustibile. </li><li> Collegare tutte le porte di uscita flussometro insieme tramite tubo di rame ed un collettore. </li><li> Impostare la SOFC micro-tubolare all&#39;interno del tubo di acciaio avente un diametro interno appena più grande diametro esterno della cella a combustibile. Sigillare la cella a combustibile al tubo d&#39;acciaio con adesivo in ceramica. </li><li> Collegare il tubo d&#39;acciaio con micro-SOFC tubolare a un pezzo di ceramica refrattaria materiale per tenere la cella a combustibile nel forno. </li><li> Utilizzare il 4 Sonda tecnica 10,11 con fili di raccolta e di rilevamento di tensione di corrente collegati alla SOFC micro-tubolare a 2 fili sul l&#39;anodo e 2 fili sul catodo. Assicurarsi che i fili non si incrociano creando corti. </li><li> Collegare i quattro fili ai quattro sonde del potenziostato 10,11. </li><li> Collegare potenziostato al computer 10,11. </li><li> Inserire una termocoppia nel forno con la punta toccare l&#39;esterno del 10,11 SOFC elettrolita micro-tubolare. </li><li> Attaccare fili della termocoppia al modulo di acquisizione dati. </li><li> Collegare il modulo di acquisizione dati al computer tramite la porta USB. NOTA: la figura 2 è uno schema semplificato che mostra la configurazione di test mT-FFC. Con il combustibile modello sviluppato e la configurazione stabilita per controllare il flusso di carburante modello per la cella a combustibile, il test può procedere secondo f convenzionaleuel metodi di prova delle cellule. Questi metodi sono ben stabiliti in letteratura e non si ripeteranno qui. </li></ol><img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> Figura 2. Micro-tubolare fiamma assistita configurazione test fuel cell schematica. Flussi di H 2, CO, CO 2, N 2 (frecce nere) sono regolati con un MFC e una valvola unidirezionale per impedire un ritorno di fiamma. flusso elettroni (linea verde) dal SOFC nel forno alla potenziostato e di nuovo al SOFC. Flusso di dati termocoppia e dati elettrochimica è rappresentata da frecce rosse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

<ol><li>Gorte, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+developments+towards+commercialization+of+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+J%22%5BJournal%5D)">Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells.</a> AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).</li>
<li>Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-tubular+flame-assisted+fuel+cells+for+micro-combined+heat+and+power+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems.</a> J. Power Sources. 306, 148-151 (2016).</li>
<li>Horiuchi, M., Suganuma, S., Watanabe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+power+generation+directly+from+combustion+flame+of+gases%2C+liquids%2C+and+solids%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids.</a> J. Electrochem. Soc. 151 (9), A1402-A1405 (2004).</li>
<li>Starik, A. M., Kuleshov, P. S., Loukhovitski, B. I., Titova, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+study+of+partial+oxidation+of+methane+by+non-equilibrium+oxygen+plasma+to+produce+hydrogen+rich+syngas%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Theoretical study of partial oxidation of methane by non-equilibrium oxygen plasma to produce hydrogen rich syngas.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (32), 9872-9884 (2015).</li>
<li>Katta, V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+flames+established+with+jet+in+cross+flow+of+fuel-rich+combustion%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">On flames established with jet in cross flow of fuel-rich combustion.</a> Fuel. 150, 360-369 (2015).</li>
<li>Maruta, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extinction+limits+of+catalytic+combustion+in+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">Extinction limits of catalytic combustion in microchannels.</a> P. Combustion Institute. 29 (1), 957-963 (2002).</li>
<li>Ahn, J., Eastwood, C., Sitzki, L., Ronney, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gas-phase+and+catalytic+combustion+in+heat-recirculating+burners%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners.</a> P. Combustion Institute. 30 (2), 2463-2472 (2005).</li>
<li>Kӧhler, M., Oßwald, P., Xu, H., Kathrotia, T., Hasse, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Speciation+data+for+fuel-rich+methane+oxy-combustion+and+reforming+under+prototypical+partial+oxidation+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Science%22%5BJournal%5D)">Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions.</a> Chemical Engineering Science. 139, 249-260 (2016).</li>
<li>Ahn, J., Ronney, P. D., Shao, Z., Haile, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thermally+self-sustaining+miniature+solid+oxide+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fuel+Cell+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell.</a> J. Fuel Cell Science and Technology. 6 (4), 041004(2009).</li>
<li>Wang, K., Milcarek, R. J., Zeng, P., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flame-assisted+fuel+cells+running+methane%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Flame-assisted fuel cells running methane.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (13), 4659-4665 (2015).</li>
<li>Wang, K., Zeng, P., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+performance+direct+flame+fuel+cell+using+a+propane+flame%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">High performance direct flame fuel cell using a propane flame.</a> P. Combust. Inst. 32 (2), 3431-3437 (2011).</li>
<li>Wang, Y. Q., Shi, Y. X., Yu, X. K., Cai, N. S., Li, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integration+of+solid+oxide+fuel+cells+with+multi-element+diffusion+flame+burners%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Integration of solid oxide fuel cells with multi-element diffusion flame burners.</a> J. Electochem. Soc. 160 (11), F1241-F1244 (2013).</li>
<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>
<li>Sun, L., Hao, Y., Zhang, C., Ran, R., Shao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coking-free+direct-methanol-flame+fuel+cell+with+traditional+nickel-cermet+anode%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Coking-free direct-methanol-flame fuel cell with traditional nickel-cermet anode.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 35 (15), 7971-7981 (2010).</li>
<li>Zeng, P., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+sintering+temperature+on+the+performance+of+SrSc0.1Co0.9O3-%CE%B4+oxygen+semipermeable+membrane%5BTitle%5D)+AND+%22Braz.+J.+Chem.+Eng%22%5BJournal%5D)">Effects of sintering temperature on the performance of SrSc0.1Co0.9O3-δ oxygen semipermeable membrane.</a> Braz. J. Chem. Eng. 32 (3), 757-765 (2015).</li>
<li>Turns, S. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTurns%2C+SR+%22An+Introduction+to+Combustion%3A+Concepts+and+Applications%22">An Introduction to Combustion: Concepts and Applications</a>. , 2nd ed., McGraw-Hill. New York. (2000).</li>
<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il protocollo discusso qui è un importante ponte tra la ricerca precedente caratterizzazione di combustione e la sperimentazione di celle a combustibile. L&#39;uso di combustione per il carburante riforma e il test delle celle a combustibile è stata applicata da diversi anni in DFFC configurazioni 10-15. Tuttavia, la caratterizzazione del processo di combustione in DFFCs riguarda principalmente caratterizzazione in-situ della composizione di fiamma 16 e utilizza un MS 8. Poiché ...

Solido celle a combustibile ossido (SOFC) innovazioni sono stati segnalati negli ultimi anni come la tecnologia continua a svilupparsi. Tra i numerosi vantaggi, SOFC sono diventati noti per l&#39;efficienza del carburante alta, basse emissioni e flessibilità ridotto di carburante rispetto ad altre tecniche di produzione di energia di combustione basato 1. Inoltre, SOFC scalabili garantendo la massima efficienza del carburante anche a piccole scale. Purtroppo, le limitazioni in infrastrutture per l&#39;idrogeno corrente hanno creato la necessità di sistemi di alimentazione riforma che spesso sono inefficienti. Un recente sviluppo è il micro-tubolare celle a combustibile fiamma assistita (MT-FFC) ha riportato nel precedente lavoro dell&#39;autore 2. La MT-FFC è il primo esempio di una cella a combustibile fiamma assistita (FFC), che si basa sui benefici della cella a combustibile fiamma diretta originale (DFFC), che fornisce la generazione di calore e combustibile riforma tramite combustione 3. La configurazione DFFC pone un SOFC a diretto contatto con una fiamma aperta al envir ambientebiente. La fiamma ossida parzialmente idrocarburi più pesanti per creare H 2 e CO, che può essere utilizzato direttamente nel SOFC con minore potenziale di coking carbonica rispetto al puro metano o altri idrocarburi più pesanti. Inoltre, la fiamma fornisce l&#39;energia termica necessaria per portare il SOFC alla sua temperatura di esercizio. Una recente modifica all&#39;originale DFFC verificato spostando il SOFC fuori dalla regione di fiamma e canalizzare lo scarico di combustione al SOFC per creare il FFC 2. A differenza del DFFC, la combustione avviene in una camera parzialmente chiuso (anziché l&#39;ambiente) in modo che il rapporto tra carburante e aria può essere controllato e scarico può essere direttamente alimentato alla cella a combustibile senza combustione completa verificano. FFC hanno vantaggi aggiuntivi, tra cui l&#39;utilizzo di carburante e ad alto rendimento elettrico rispetto a DFFCs 2. Come un settore emergente della ricerca, tecniche sperimentali sono necessari in grado di valutare il potenziale di mt-FFCs per le future applicazioni di generazione di energia. Queste tecniche richiedono un&#39;analisi di ossidazione parziale, o la combustione ricca di combustibile e il gas di scarico che è stato identificato come un modo di generare H 2 e CO, noto anche come syngas, insieme con CO 2 e H 2 O. Il syngas possono essere utilizzati direttamente nelle celle a combustibile per la produzione di energia. L&#39;analisi dei gas di scarico di combustione ricchi di combustibile è stato ben definito negli ultimi anni ed è stata effettuata teoricamente 4, computazionalmente 5,6 e sperimentalmente 7 per vari scopi diversi. Molti degli studi teorici e computazionali hanno fatto affidamento su analisi equilibrio chimico (CEA) per valutare le specie di prodotti di combustione che sono energeticamente favorevole, e modelli cinetici chimici per meccanismi di reazione. Mentre questi metodi sono stati molto utili, molte tecnologie emergenti hanno fatto affidamento sulla tecniche sperimentali durante la ricerca e sviluppo. Tecniche sperimentali in genere si basano su analisi del gas di scarico di combustione utilizzando un gascromatografo (GC) 7 o uno spettrometro di massa (MS) 8. O il GC linea / siringa o la sonda MS viene inserito nello scarico di combustione e le misurazioni vengono effettuate per valutare la concentrazione di specie. L&#39;applicazione delle tecniche sperimentali è stato comune nel settore della produzione di energia su piccola scala. Alcuni esempi includono combustori micro che sono stati sviluppati per operare con singoli SOFC camera 7,9 e DFFCs 10-15. L&#39;analisi del gas di scarico di combustione avviene in un&#39;ampia gamma di condizioni operative comprese diverse temperature, portate e rapporti di equivalenza. Nel campo della ricerca DFFC, combustibile ed ossidante può essere parzialmente premiscelato o non premiscelata, con il bruciatore aperta verso l&#39;ambiente che garantisce la combustione completa. Con la necessità di analizzare la composizione di fiamma, un MS è stato utilizzato in molti casi per DFFC ricerca e combustione analisi 16. Il recente sviluppo più del FFC differisce basandosi sulla combustione premiscelata con il bruciatore in un ambiente parzialmente chiuso per impedire l&#39;ossidazione completa del combustibile. Di conseguenza, è necessaria l&#39;analisi del gas di scarico di combustione in un ambiente controllato privo di perdite d&#39;aria. Tecniche sperimentali sviluppati per questo scopo si basano sulle tecniche precedenti utilizzati per la ricerca di combustione micro con l&#39;analisi GC dei gas di scarico di combustione a diversi rapporti di equivalenza. L&#39;analisi GC porta alla caratterizzazione della composizione di scarico di combustione (cioè la percentuale in volume di ciascun componente dello scarico compreso CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Questa analisi consente per la miscelazione di gas separati secondo i rapporti misurati dal GC per creare uno scarico di combustione ricca di carburante del modello per la futura ricerca FFC. I protocolli per l&#39;analisi esausti di combustione ricchi di combustibile, sviluppando un modello ricco di combustibile scarico della combustione e applicazione lo scarico per il test SOFC sono stabiliti in questo documento. le sfide comuni e le limitazioni sono discussi in queste tecniche.

<table><tbody><tr><td>Cromotografo a gas</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>Termocoppie tipo K</td><td>Omega</td><td>KQXL-116G-6</td><td>Lunghezza personalizzata</td></tr><tr><td>Cavo di prolunga per termocoppia tipo K</td><td>Omega</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Omega</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N2) Utilizzato per metano</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Omega</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N2) Utilizzato per aria</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Omega</td><td>FMA5402A</td><td>0-10 ml/min (N2) Utilizzato per CO</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (propano) Utilizzato per CO2</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>5 L/min (Aria) Utilizzato per N2 </td></tr><tr><td>Regolatore di portata massica</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N2) Utilizzato per H2</td></tr><tr><td>Regolatore</td> Harris <td>Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td>Regolatore per serbatoio metano</td></tr><tr><td></td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-590-E</td><td>Serbatoio aria</td></tr><tr><td>Regolatore</td><td>Airgas</td><td>Y11-SR145B</td><td>Serbatoio CO</td></tr><tr><td>Regolatore</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-320-E</td><td>CO2 serbatoio</td></tr><tr><td>Regolatore</td><td>Airgas</td><td>Y12-215B</td><td>N2 serbatoio</td></tr><tr><td>Regolatore</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-015-350-D</td><td>H2 serbatoio</td></tr><tr><td>Metano, compresso, purissima Airgas</td><td></td><td>UN1971</td><td>Estremamente infiammabile</td></tr><tr><td>Aria, compressa, Ultra puro</td><td>Airgas</td><td>UN1002</td><td>Non classificato come pericoloso per la salute.</td></tr><tr><td>CO, Compresso, Purissimo</td><td>Airgas</td><td>UN1016</td><td>Tossico per inalazione, Estremamente infiammabile</td></tr><tr><td>CO2, Compresso, Grado di ricerca</td><td>Airgas</td><td>UN1013</td><td>Asfissiante ad alte concentrazioni</td></tr><tr><td>N2, Compresso, Purissimo</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td>Non classificato come pericoloso per la salute.</td></tr><tr><td>H2, compresso, Purissima purezza</td><td>Airgas</td><td>UN1049</td><td>Estremamente infiammabile, brucia con fiamma invisibile</td></tr><tr><td>Misuratore di sorgente</td><td>Tektronix, Inc.</td><td>Keithley 2420</td><td>Si collega al computer tramite USB</td></tr><tr><td>Forno tubolare diviso orizzontale</td><td>MTI Corportation</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>Acquisizione dati</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ-9172</td><td>Si collega al computer tramite</td></tr><tr><td>l'ingresso USB per termocoppia</td><td>National Instruments</td><td>NI 9211</td><td>Si collega a cDAQ-9172</td></tr><tr><td>Controllo computerizzato per controllori di flusso di massa</td><td>National Instruments</td><td>NI 9263</td><td>si collega a cDAQ-9172 Controllo computer per controllori di flusso di massa</td></tr><tr><td>Software di test</td><td>National</td><td>Instruments LabVIEW 8.6</td><td></td></tr><tr><td>Ceramabond</td><td>Aremco</td><td>552-VFG</td><td>1 Pint</td></tr></tbody></table>

combustione caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari celle a combustibile fiamma assistita

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

La generazione di energia basata sulla combustione è stata realizzata per molti anni attraverso una serie di sistemi di motori termici. Recentemente, il passaggio alla produzione di energia su piccola scala e alla microcombustione, nonché lo sviluppo della ricerca sulle celle a combustibile, hanno creato nuovi mezzi di generazione di energia che combinano celle a combustibile a ossidi solidi con fiamme libere e gas di scarico della combustione. Invece di fare affidamento sul calore della combustione, questi sistemi di celle a combustibile a ossidi solidi si basano sul reforming del combustibile attraverso la combustione per generare syngas per la generazione di energia elettrochimica. Sono state sviluppate procedure per valutare i sottoprodotti della combustione in un'ampia gamma di condizioni. Mentre sono state sviluppate procedure teoriche e computazionali per valutare i gas di scarico di combustione ricchi di carburante in queste applicazioni, sono emerse anche tecniche sperimentali. Le procedure sperimentali si basano spesso su un gascromatografo o su un'analisi spettrometrica di massa della fiamma e dei gas di scarico per valutare il processo di combustione come reformer di combustibile e mezzo di generazione di calore. Le tecniche sperimentali sviluppate in questi settori sono state nuovamente applicate per lo sviluppo della cella a combustibile micro-tubolare assistita da fiamma. Il protocollo discusso in questo lavoro si basa su tecniche passate per specificare una procedura per caratterizzare i gas di scarico di combustione ricchi di carburante e sviluppare un modello di scarico di combustione ricco di carburante da utilizzare nei test di celle a combustibile assistite da fiamma. Vengono discussi lo sviluppo della procedura e le sue applicazioni e limitazioni.

La camera di caratterizzazione di combustione deve essere controllato prima della prova ai rapporti di equivalenza desiderate per riflusso di aria nella camera o altre perdite d&#39;aria durante la prova. I processi di combustione in camere aperte sono noti per essere quasi isobarica. Come risultato, la pressione all&#39;interno della camera di combustione può non essere sufficiente a garantire che l&#39;aria dall&#39;ambiente esterno è back-fluisce nella camera di combustione dalla came...

Un protocollo per la creazione di un modello di scarico di combustione ricco di carburante viene sviluppato attraverso la caratterizzazione della combustione e viene applicato per i test e la ricerca di celle a combustibile assistite da fiamma micro-tubolare.

Combustione Caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari Celle a combustibile fiamma assistita

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'obiettivo generale di questo esperimento di caratterizzazione della combustione è sviluppare un'espulsione di combustione modello mescolando le specie di scarico di interesse al fine di testare una cella a combustibile a ossido solido nella miscela. Questo maxsold può aiutare a rispondere a domande fondamentali nel campo delle celle a combustibile a ossido solido, come ad esempio se si forma una combustione meno ricca anziché un reformer di combustibile endotermico. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo sviluppare un'espulsione di combustione modello per i test delle celle a combustibile senza dover effettivamente realizzare un intero bruciatore e un prototipo di cella a combustibile.La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché la procedura di allestimento sperimentale, le precauzioni di sicurezza e la risoluzione dei problemi potrebbero risultare difficili da comprendere leggendo esclusivamente un manoscritto. Costruire l'apparato di caratterizzazione utilizzando una camera di combustione preparata su un banco dotato di fonti di aria e di metano come combustibile. Selezionare i regolatori di portata in base alle portate precedentemente determinate.Per questo esperimento, utilizzare un regolatore da 40 litri al minuto per il metano. Utilizzare un regolatore da 200 litri al minuto per l'aria. Successivamente, procurarsi un tubo di rame e collegarlo all'uscita della sorgente di metano.Da lì, collegare il tubo al regolatore di portata massica del combustibile. Analogamente, collegare il regolatore di portata massica dell'aria alla sua sorgente. Per motivi di sicurezza, aggiungere una valvola unidirezionale dopo il regolatore di portata del metano.Orientare la valvola in modo da consentire il flusso solo in uscita dal regolatore e collegarla all'uscita del regolatore. Successivamente, utilizzare un tubo di rame per unire i flussi provenienti dal regolatore dell'aria e da quello del combustibile. Far entrare i flussi provenienti dai regolatori in un raccordo a T.Come ulteriori misure di sicurezza, posizionare un arrestatore di fiamma e una valvola unidirezionale aggiuntiva dopo il connettore a T. In questa configurazione, la valvola unidirezionale viene collegata per prima al connettore a T, orientata in modo da permettere il flusso lontano dal connettore a T. Successivamente viene posizionato l'arrestatore di fiamma.Alle bombole delle sorgenti dei gas, impostare i regolatori alle pressioni appropriate. Per questo esperimento, la pressione è di 138 chilopascal. Al banco, procurarsi una soluzione rivelatrice di perdite per verificare l'eventuale fuoriuscita di gas da tutti i tubi.Con i regolatori di flusso accesi, applicare la soluzione per la rilevazione delle perdite con un pennello sul tubo di rame. Assicurarsi che non vi siano bolle, che indicherebbero una perdita. A questo punto, rivolgere l'attenzione alla camera di combustione e al bruciatore ad essa collegato.Questa camera è dotata di termocoppie di tipo K già posizionate, con le punte al centro della camera. I portelli lungo la lunghezza della camera consentono sia l'analisi dei gas di scarico della combustione sia il posizionamento delle termocoppie. Fissare le termocoppie utilizzando raccordi a compressione adatti al loro diametro.Per aggiungere una termocoppia, iniziare dal gambo del raccordo a compressione già inserito nella parete della camera. Inserire un apposito fermo metallico per alte temperature nel gambo. Successivamente, avvitare il dado di compressione, attraverso cui è fatto passare la sonda della termocoppia, sul gambo.Spingere la sonda della termocoppia fino a quando la sua estremità si trova al centro della camera. Quindi serrare il dado di compressione per sigillare la camera e prevenire perdite da questa apertura. Collegare le termocoppie all'elaboratore per l'acquisizione dati e il controllo.Ritornare per collegare l'uscita dei regolatori di flusso massico al bruciatore della camera di combustione. A tale scopo, utilizzare tubi di rame per inviare il flusso dalla valvola unidirezionale alla camera di combustione. L'aggiunta finale è l'apparatura per la prova dei gas di scarico, che è già stata assemblata in questa sede.Per questo, un porto di scarico nella camera permette ai gas di fluire nel tubo di rame. Questo tubo va verso una valvola a tre vie. Un'uscita della valvola è un tubo che conduce a un cromatografo a gas.L'altro collegamento in uscita è un tubo che va a una siringa da 25 millilitri utilizzata per aspirare e deviare i gas di scarico. L'allestimento può ora essere utilizzato per la caratterizzazione. Prima del test, preparare la siringa e la valvola a tre vie.Prima, spingere completamente il pistone della siringa. Quindi assicurarsi che la valvola a tre vie sia aperta sul lato del porto di scarico. Recarsi al computer per avviare il flusso di combustibile e aria e iniziare l'acquisizione dei dati.Avviare il flusso d'aria e il flusso di metano utilizzando una miscela ricca per facilitare l'accensione. Prendere un accendino a butano e spostarsi all'estremit&agrave; della camera di combustione. Quando &egrave; sicuro farlo, accendere la miscela.Prima di procedere, eseguire un controllo visivo per assicurarsi che la fiamma si sia stabilizzata davanti al bruciatore. La fiamma cambia mentre il flusso d'aria viene regolato lentamente al valore desiderato per evitare l'estinzione della fiamma. Nel frattempo, monitorare le temperature delle termocoppie e registrare i dati di temperatura quando queste si stabilizzano.Ora, recarsi alla siringa collegata alla valvola a tre vie. Tirare indietro lo stantuffo per estrarre il gas residuo e i fumi dal porto di scarico. Utilizzare la valvola a tre vie per aprire il lato del cromatografo a gas e chiudere il lato del porto di scarico.Continuare spingendo lo stantuffo fino a quando tutti i gas di scarico non sono stati inviati al cromatografo a gas. Riportare la valvola in posizione per consentire alla siringa di prelevare ulteriori gas residui e scaricarli. Continuare a estrarre il gas e a iniettarlo nel cromatografo a gas fino a quando tutti i gas residui non sono stati rimossi.Una volta rimossi tutti i gas residui, prelevare un campione finale di scarico per l'analisi. Ruotare la valvola a tre vie e spingere il gas di scarico nel cromatografo a gas. Eseguire l'analisi cromatografica e registrare i dati.Proseguire selezionando un altro valore di portata d'aria e ripetendo l'analisi per il nuovo rapporto di equivalenza. Questi risultati dell'analisi di equilibrio chimico della combustione di metano e aria forniscono le previsioni termodinamiche sulla composizione dei gas di scarico a diversi rapporti di equivalenza. L'asse verticale sinistro si riferisce alla percentuale in volume del gas azoto, rappresentata in nero.L'asse verticale destro riporta la scala della percentuale in volume per i prodotti di scarico e altre molecole. Questa analisi non corrisponderà necessariamente in modo perfetto ai dati sperimentali, ma dovrebbe indicare le tendenze attese e l'ordine di grandezza dei risultati. I dati iniziali dell'esperimento per la camera di combustione non seguivano le tendenze previste dall'analisi dell'equilibrio chimico.Ad esempio, i dati relativi all'ossigeno molecolare in rosso indicano una concentrazione elevata a rapporti di equivalenza elevati rispetto a rapporti di equivalenza bassi. Questo potrebbe indicare un mescolamento incompleto o un flusso inverso nella camera di combustione, fenomeno confermato da altri dati. Quando il flusso inverso viene identificato ed evitato, i dati risultano più coerenti con le tendenze previste dall'analisi dell'equilibrio chimico.Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come caratterizzare un gas di scarico da combustione e di come costruire un modello di estrattore per la combustione per testare una cella a combustibile. Non dimenticare che lavorare con la combustione può essere estremamente pericoloso e che è sempre necessario adottare precauzioni come arresta fiamma, valvole unidirezionali e altri dispositivi di protezione individuale durante l'esecuzione di questa procedura. Dopo questa procedura, altre metodologie, come l'integrazione di una cella a combustibile e un bruciatore, possono aiutare a rispondere ad ulteriori domande riguardo la stabilità delle prestazioni a lungo termine, il deposito di carbonio e l'efficienza complessiva del sistema della cella a combustibile assistita da fiamma.

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Il gas prelevato da fiamme scala di laboratorio con l'analisi on-line di tutte le specie di spettrometria di massa è un potente metodo per indagare la complessa miscela di composti chimici che si verificano durante i processi di combustione. Accoppiato con sintonizzabile ionizzazione morbida con radiazione di sincrotrone vuoto ultravioletta generata, questa tecnica fornisce informazioni isomero risolta e potenzialmente privo di frammento spettri di massa.

Esperimenti di fiamma alla Advanced Light Source: nuove informazioni sui processi fuliggine Formazione

Viene presentato un protocollo per condurre esperimenti sulle onde termoelettriche. Vengono descritte la sintesi di compositi ibridi di un combustibile chimico e di un materiale micro/nanostrutturato, la produzione di un generatore di onde termoelettriche e i metodi per misurare i fenomeni fisici corrispondenti.

Preparazione e valutazione dei compositi ibridi di combustibile chimico e multi-walled nanotubi di carbonio nello studio di termoelettrico Waves

Descriviamo l'uso di micro-termocoppie per stimare i gradienti di temperatura locali in fiamme di diffusione dello strato limite laminare costante. Per estensione dell'analogia di Reynolds, i gradienti di temperatura locali possono essere ulteriormente utilizzati per stimare i tassi di combustione di massa locali e i flussi di calore in tali fiamme con elevata precisione.

Metodologia sperimentale per la stima della locale Calore flussi e masterizzazione Tariffe a Steady limite laminare Fiamme strato di diffusione

Un protocollo di rilevamento della velocità di fiamma di una miscela reattiva composta tetraiodine nonoxide (I 4 O 9) e alluminio (Al) è presentato. Un metodo per risolvere cinetica di reazione mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC) è anche presentato. Si è constatato che I 4 O 9 è 150% più reattivo altri (V) ossidi di iodio.

Cinetica di reazione e la combustione di Dynamics I<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; E miscele di alluminio

Un'indagine della chimica ossidativa combustione di biocarburanti romanzo, componenti del carburante o carburanti jet tramite il confronto di speciazione quantitativa dei dati sono presentati. I dati possono essere utilizzati per la convalida del modello cinetico e consente strategie di valutazione di carburante. Questo manoscritto descrive il reattore di flusso ad alta temperatura atmosferica e dimostra le sue capacità.

Chimica della combustione di combustibili: speciazione quantitativa di dati ottenuti da un reattore di flusso ad alta temperatura atmosferica con accoppiato fascio molecolare spettrometro di massa

Presentiamo un protocollo per la concentrazione dell'analisi della risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile, un nuovo metodo promettente per studiare la dinamica delle celle a combustibile.

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Migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando un nuovo grano combustibile con una struttura elicoiale annidata

Vi presentiamo una piattaforma unica per la caratterizzazione di superfici di elettrodo nelle celle combustibile ad ossidi solidi (SOFC), che permette di esecuzione simultanea di più tecniche di caratterizzazione...

Probing e mapping superfici di elettrodo nelle celle di combustibile ad ossidi solidi

Dimostriamo come determinare la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli semiconduttori in modo quantitativo utilizzando la spettroscopia Raman impiegando un multi-particella modello fononi confinamento analiticamente definiti. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le altre tecniche di analisi dimensione come microscopia elettronica a trasmissione e la spettroscopia di fotoluminescenza.

Caratterizzazione di nanocristalli Dimensione distribuzione utilizzando Spettroscopia Raman con un Multi-particella Phonon confinamento Modello

Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare celle solari a film sottile organico utilizzando uno stampo dispositivo a induzione mini slot e le relative caratterizzazioni struttura in linea con le tecniche di scattering di sincrotrone.

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Scopri la caratterizzazione della combustione per sviluppare un modello di scarico ricco di combustibile per testare celle a combustibile ad ossidi solidi. Questo metodo consente ricerche efficienti senza prototipi completi.

Combustione Caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari Celle a combustibile fiamma assistita

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