A モデルは、燃焼特性評価を通じて開発され、マイクロチューブラー火炎アシスト燃料電池の試験と研究に適用されます。
方法論記事
A モデルは、燃焼特性評価を通じて開発され、マイクロチューブラー火炎アシスト燃料電池の試験と研究に適用されます。
燃焼ベースの発電は、長年にわたって多くの熱機関システムを通じて達成されてきました。近年、燃料電池研究の発展とともに、小規模発電やマイクロ燃焼への移行が進み、固体酸化物形燃料電池と裸火や燃焼排気を組み合わせた新たな発電手段が生まれています。これらの固体酸化物燃料電池システムは、燃焼熱に頼るのではなく、燃焼によって燃料を再形成し、電気化学発電用の合成ガスを生成します。さまざまな条件下で燃焼副産物を評価するための手順が開発されました。これらのアプリケーションで燃料に富む燃焼排気を評価するための理論的および計算的手順が開発されている一方で、実験技術も登場しています。実験手順では、多くの場合、ガスクロマトグラフまたは質量分析計による火炎と排気の分析に依存して、燃料改質器および発熱手段としての燃焼プロセスを評価します。これらの分野で開発された実験技術は、マイクロチューブラー火炎アシスト燃料電池の開発に新たに適用されました。この作業で説明したプロトコルは、燃料に富む燃焼排気の特性評価と、火炎支援燃料電池試験で使用するためのモデル燃料に富む燃焼排気を開発するための手順を指定するための過去の手法に基づいています。手順の開発とその適用と制限について説明します。
技術が発展し続けている固体酸化物形燃料電池(SOFC)の技術革新は、近年報告されています。多くの利点の中で、SOFCのは、他の燃焼ベースの発電技術1に比べて低燃費、低排出ガスと適度な燃料柔軟性のために知られるようになりました。また、SOFCのは、小さなスケールで高い燃料効率を可能にするスケーラブルです。残念ながら、現在の水素インフラの制限は、多くの場合、非効率的である燃料改質システムの必要性を作成しました。最近の開発は、著者の前作2で報告されたマイクロ管状火炎補助燃料電池(MT-FFC)です。 MT-FFC燃焼3を介して改質発熱及び燃料を提供し、元の直接火炎型燃料電池(DFFC)の利点に基づいて構築火炎補助燃料電池(FFC)の最初の例です。 DFFCのセットアップは、周囲ENVIRに開放炎と直接接触してSOFCを配置しますonment。火炎は、部分的に純粋なメタンまたは他の重質炭化水素に比べて炭素コークス化にはあまり可能性を有するSOFCに直接使用することができるH 2およびCOを生成するために、より重い炭化水素燃料を酸化します。また、火炎がその動作温度にSOFCをもたらすために必要な熱エネルギーを提供します。元DFFCへの最近の変更は、火炎領域のうち、SOFCを移動し、FFC 2を作成するために、SOFCに燃焼排気をチャネリングすることによって発生しました。空気比に対して燃料を制御することができ、排気が直接完全燃焼が発生することなく、燃料電池に供給することができるようにDFFC異なり、燃焼が(代わりに、周囲の)部分的に囲まれたチャンバー内で起こります。 FFCはDFFCs 2と比較して高い燃料利用率と高い電気効率などの追加の利点を有しています。
研究の新興分野としては、必要とされている実験技術MT-FFの可能性を評価することができ将来の発電用途のためにCS。これらの技術は、CO 2とH 2 Oと一緒に、部分酸化、又は燃料リッチ燃焼、及びまた合成ガスとして知られているH 2およびCOを生成する方法として同定された排気ガスの分析を必要とします合成ガスは、発電用燃料電池に直接使用することができます。燃料リッチ燃焼排ガスの分析はよく近年確立され、多くの異なる目的のために、理論的に4、計算5,6及び実験7行われています。理論および計算の研究の多くは、反応機構のための燃焼生成物のエネルギー的に有利な種、および反応速度論モデルを評価するために、化学平衡分析(CEA)に依存していました。これらのメソッドは非常に有用であったが、多くの新興技術が研究開発中に実験技術に依存してきました。実験技術は、典型的には、アナに依存しますガスクロマトグラフ(GC)7または質量分析計(MS)のいずれかを使用して燃焼排ガスの溶解8。 GC線/注射器またはMSプローブのいずれかは、燃焼排ガス中に挿入され、測定値は、種の濃度を評価するために取られます。実験技術の適用は、小規模発電の分野で一般的でした。いくつかの例は、シングルチャンバ型SOFC 7,9及びDFFCs 10~15で動作するように開発されてきたマイクロ燃焼器を含みます。燃焼排ガスの分析は、異なる温度、流量および当量比を含む広範囲の動作条件の下で起こります。
DFFC研究の分野では、燃料と酸化剤は、完全燃焼を確実に周囲に開放バーナーで、部分的に予混合または非予混合することができます。火炎の組成を分析する必要性と、MSはDFFC研究および燃焼分析16のために多くの例で使用されています。 FFCのより最近の開発は、燃料の完全酸化を防止するために、部分的に囲まれた環境でバーナーで予混合燃焼に頼ることによって異なります。その結果、空気漏れのない制御された環境での燃焼排ガスの分析が必要とされています。この目的のために開発された実験技術は、様々な当量比での燃焼排気のGC分析とマイクロ燃焼器の研究のために使用される以前の技術に依存しています。 GC分析は、燃焼排ガス組成物の特性をもたらす( すなわち 、CO 2を含む各排気成分の体積%、H 2 O、N 2 等 )この分析は、によって測定比に従って別個のガスの混合を可能にしますGCは将来のFFCの研究のためのモデル燃料リッチ燃焼排気を作成します。
、燃料リッチ燃焼排ガスを分析するモデルの燃料リッチ燃焼排気を開発し、適用するためのプロトコルSOFCのテストのために排気をるが、本論文で確立されています。共通の課題と制限は、これらの技術のために議論されています。
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1.燃焼計算





2.燃焼特性評価実験のセットアップ

図1.燃焼特性評価実験の概略図。燃焼特性評価実験を示す概略図燃料、空気及び排気の流れ(黒矢印)と、データ・フロー(赤い矢印)。一方向弁は、フラッシュバックを防ぐために使用されます。
3.燃焼特性評価実験
モデル燃焼排気の4開発
5.燃料電池のテストのセットアップ

図2マイクロ管状火炎補助燃料電池試験のセットアップ概略図でH 2、CO、CO 2の流れ、N 2(黒矢印)は、MFCとフラッシュバックを防止するための一方向弁で調節されます。バックSOFCへのポテンショスタットとする炉内のSOFCからの電子の流れ(緑線)。熱電対のデータおよび電気化学的データの流れは、赤い矢印で表されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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燃焼特性評価室は試験中のチャンバまたは他の空気漏れへの空気の逆流のための所望の当量比で試験前にチェックする必要があります。開いたチャンバ内の燃焼プロセスはほぼ同重体であることが知られています。その結果、燃焼室内の圧力は、外部環境からの空気は、チャンバの排気ポートまたは他の漏電点から燃焼室内に逆流しないことを保証するのに十分ではないかもしれません。何の逆流が発生していないことを確認するには、いくつかの実験的な技術があります。まず、非触媒バーナーのために、リッチ燃焼限界は、多くの燃料18,19のために確立されています。それは豊富な可燃限界に近づくまで点火した後、フローの当量比が徐々に調整されるべきです。リッチ可燃限界が消炎せずに大幅に超えることができる場合には、空気は、Tに逆流されるという証拠があります彼は、所望よりもリーン混合物が得られ、燃焼室3は 、1.85の当量比にドライメタン燃焼排気アップのために得られた最初の結果を示す図 。 図3に表示されてい...
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ここで説明するプロトコルは、前回の燃焼特性評価の研究と燃料電池試験の間の重要な橋です。燃料改質燃料電池試験用の燃焼の使用はDFFCセットアップ10-15に数年間適用されています。しかし、DFFCsにおける燃焼プロセスの特性は、火炎組成物16 のその場キャラクタリゼーションと主に関係しているとMS 8を使用しています。 DFFCが周囲に開放されているように、排気組成物は、水とCO 2の大部分が構成され、排気の特徴付けは必要ありません。部分的に囲まれたチャンバー内で燃焼排ガスを特徴付けるための手順を最新のFFCの概念を開発するために( すなわち 、燃料-空気比を維持するものが)必要とされます。代わりにMSを使用しての、GCは、燃焼排ガス分析7に適用可能です。排気を特徴付けるた後、このEXH内に燃料電池を試験するための簡単な方法アウストが必要です。それは、完全に統合されたバーナーと、燃料電池試験装置を開発することは可能であるが、この手順は、種々の排気組成を有する燃料電池の性能の...
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著者らは開示するものは何もない。
この作業は、シラキュース・センター・オブ・エクセレンス・イン・エネルギー・アンド・エンバイロメンタル・システムズによって授与されたシラキュース大学との合意によって支えられており、米国エネルギー省からのプライム賞番号DE-EE0006031の下での資金提供と、ニューヨーク州エネルギー研究開発局(NYSERDA)からの賞番号53367、NYSERDAからの契約61736の下でのマッチング資金によってサポートされています。 エンパイアステート・デベロップメントの科学・技術・イノベーション部門(NYSTAR)から、シラキュース・センター・オブ・エクセレンスを通じて、賞番号 #C120183 で賞を受賞しました。この研究は、全米科学財団の大学院研究フェローシッププログラム(助成金第1247399号)の支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ガスクロモトグラフ | SRI Instruments, Inc. | SRI 8610C | |
| K型熱電対 | オメガ | KQXL-116G-6 | カスタム長 |
| K型熱電対延長線 | オメガ | EXTT-K-20-SLE-100 | |
| マスフローコントローラー | オメガ | FMA5427 | 0-40 L/min (N2) メタンに使用 |
| マスフローコントローラー | オメガ | FMA5443 | 0-200 L/min (N2) 空気に使用 |
| マスフローコントローラー | オメガ | FMA5402A | 0-10 ml/min (N2) CO |
| マスフローコントローラー | ブルックスインスツルメント | SLA5850 | 200 SCCM (プロパン) CO2 |
| マスフローコントローラー | ブルックスインスツルメント | SLA5850 | 5 L/min (エア) N2 |
| マスフローコントローラー | ブルックスインスツルメント | SLA5850 | 500 SCCM (N2) H2 |
| Regulator | Harris Products Group | HP721-125-350-F | メタンタンク |
| レギュレータ | Harris Products Group | HP702-050-590-E | エア |
| ガス | Y11-SR145B | COタンク | |
| レギュレータ | ハリス製品グループ | HP702-050-320-E | CO2タンク |
| レギュレータ | エアガス | Y12-215B | N2タンク |
| レギュレータ | ハリス製品グループ | HP702-015-350-D | H2タンク |
| メタン、圧縮、 超高純度 | エアガス | UN1971 | 非常に可燃性 |
| 空気、圧縮、 Ultra pure | Airgas | UN1002 | 健康に有害であるとは分類されていません。 |
| CO、圧縮、 超高純度 | エアガス | UN1016 | による毒性、非常に可燃性 |
| 2、圧縮、 研究グレードの | エアガス | UN1013 | 濃度の窒息剤 |
| N2、圧縮、 超高純度 | エアガス | UN1066 | に有害であると分類されていません。 |
| H2、圧縮、 超高純度 | エアガス | UN1049 | 非常に可燃性で、目に見えない炎で燃える |
| ソースメーター | テクトロニクス株式会社 | ケースレー2420 | USB経由でコンピュータに接続 |
| 水平分割管状炉 | MTI Corportation | OTF-1200X | |
| データ集録 | ナショナルインスツルメンツ | NI cDAQ-9172 | |
| 熱電対入力 | ナショナルインスツルメンツ | NI 9211 | cDAQ-9172に接続 |
| マスフローコントローラ用コンピュータ制御 | ナショナルインスツルメンツ | NI 9263 | cDAQ-9172 に接続 マスフローコントローラ用コンピュータ制御 |
| テストソフトウェア | National Instruments | LabVIEW 8.6 | |
| Ceramabond | Aremco | 552-VFG | 1 Pint |
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