Name: マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: 学ぶマイクロ管状火炎補助燃料電池用の燃焼特性評価とモデル燃焼排気開発手法。空気とメタンを用いた固体酸化物形燃料電池の効率的なテスト方法を視覚的に解説し、研究の簡略化に貢献します。

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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。

1.燃焼計算<ol><li>分析のための燃料を選択します。ここで、基準燃料としてメタンを選択しますが、原則は、他の炭化水素燃料に譲渡することはできません。 </li><li>ストイキ燃焼用の燃料としてメタン1モル、バランス式（1）で式を取得する（2）。 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li>空気の質量によってメタンの質量を除することにより、化学量論のための燃空比（F / ストイキ。）メタン燃焼のための式（3）のように計算します。計算するために、分子は、メタン倍のモル数のメタンのモル質量（15・Gモル-1）であり、分母は、酸素倍のモル数の酸素のモル質量（32・Gモル-1）プラス窒素倍のモル数の窒素のモル質量（29・Gモル-1）。 <img alt="式3"SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li>当量比（式4）を変化させるために、空気流量、燃料流量、または同時に両方を変化させます。一般的に、数量の1を固定し、他を変えます。バーナー用の燃料や空気流量のいずれかを修正するかどうかを決定します。この実験では、10 L /分で燃料流量を固定し、空気流量がこの設定で変化することを可能にします。 <img alt="式4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li>固定された燃料流量、F、（10L /分）、F / ストイック有します。計算された（0.0583）、および当量比の定義が与えられ、空気流量を算出し、試験すべきそれぞれの当量比のために。式（5）それぞれの当量比はL /分の空気流量を計算する直接的な方法を提供し、その結果を化学量論は1の当量比について示されています。 <img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> 注：上部フラム能力制限（または上爆発限界）は、触媒の非存在下で火炎を消光することなく燃焼させることができる豊かな当量比です。高い当量比は、触媒の使用を得ることができるが、唯一の非触媒燃焼は、この論文に記載されています。選択された燃料の上限可燃限界を評価するための文献を参照してください。 </li></ol> 2.燃焼特性評価実験のセットアップ<ol><li>ステップ1.5で得られた流量に基づいて、メタンと空気のためのマスフローコントローラ（MFCの）を選択します。テスト中にMFCがその範囲のローエンドで動作されないことを確実にするために（フルスケール値の&lt;10％）をMFCのサイズを選択するときは注意してください。この特定のケースでは、それぞれ、メタンと空気を40リットル/分および200リットル/分のMFCを使用します。 </li><li>銅管を経由してメタンと空気タンクにマスフローコントローラを接続します。 </li><li>指定されているMFCのための適切な圧力にメタンと空気タンク上のレギュレータを設定メーカーによります。この場合、138キロパスカル（20 PSI）に圧力を設定します。 </li><li>正確な流量を確保するためのMFCを校正。 </li><li>燃焼室を構築します。この実験では、燃焼室168ミリメートル出口直径と長914ミリ開発します。 <ol><li>燃焼室の長さに沿って燃焼排ガス分析および熱電対の配置のためのポートをドリル。必要な正確な数と間隔は、炎の大きさと実験の目的に依存します。この設定の場合、空間最初の5の熱電対は、7ミリメートル離れて燃焼領域に最も近いを置きました。スペース最終6熱電対離れて14ミリメートル。排気ポートに同じ間隔を使用してください。 </li><li>ポートホールを介して燃焼室にK型熱電対を挿入します。燃焼室の中央に熱電対の先端を合わせます。サイズポート孔は、熱電対にフィットし、高温金属フェルールと漏れを防止するナットでシールします。 </li></ol></li><li>コンECTデータ収集モジュールに直接的にK型熱電対。 </li><li> USBドライブを介してコンピュータにデータ取得モジュールを接続します。 </li><li>直ちに燃料MFC後、ちょうどバーナーの前に銅管路内の一方向弁を取り付けます。オリエントその流れがMFCから離れることができるようにバルブ。一方向弁は、フラッシュバックを防止するための安全上重要な機能です。 </li><li>漏れがないMFCのセットアップの前と後の銅管を確認してください。漏れが泡を作ると同じようにリークを検出するために、チューブにブラシで適用される石鹸水を使用してください。 </li><li>銅管を介してマスフローコントローラに燃焼室と、バーナーを接続します。 </li><li>燃焼室のセットアップが完了した後、試験用の排気ポートのいずれかを選択します。 GC分析ポートに拡張する銅管にこのポートを接続します。 </li><li>燃焼室から排気を引き出し、その後、分析のためのGCにそれをプッシュするために注射器を選択します。この実験では、使用25mlのシリンジ。 </li><li> GCに排気ポートを接続する銅管に沿って三方弁を配置します。 GC、排気口に第25ミリリットル注射器に第三に二方弁の一方の端を接続します。 3ウェイバルブに銅管を接続します。室からの燃焼排ガスを吸うし、その後の分析のためのGCにそれをプッシュするために注射器を使用してください。 </li><li> GCおよび注射器に3方向バルブを接続してください。正常な動作を保証するために、シリンジプランジャを作動させます。 注：設定の簡略図を図1に示されています。 </li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> 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。 <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot;ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;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。 3.燃焼特性評価実験<ol><li>試験前に、完全にシリンジプランジャーを押すと排気口側の三方弁を開きます。 </li><li> 86.5リットル/分の流量に最初のエアMFCをオンにします。 </li><li> 10リットル/分の流量に上メタンMFCをオンにします。これは、発火しやすいです1.10の予混合当量比、少しリッチな混合物を作成します。 </li><li>記録データを開始するために、コンピュータモジュールを介して熱電対をオンにします。 </li><li>ブタンライターを用いて燃焼室の端部に混合物を点火します。点火後、炎がバーナーフロントで安定する必要があります。 </li><li>所望の値に86.5リットル/分の初期値から徐々に空気の流量を調整することにより、当量比を調整します。あまりにも速く移動またはflammabの外に出ないように注意してください消炎を引き起こすilityを制限します。 </li><li>熱電対の温度が安定した後、データファイルを読み込む温度を記録します。 </li><li>もう一度、排気ポートから燃焼排気ガスを抽出するために、シリンジのプランジャーを引きます。 </li><li>燃焼排ガスを抽出した後、GC側に三方弁を開いて排気口側を閉じます。 </li><li>それは完全に閉じ、排気のすべてがGCに送信されてきたまではシリンジプランジャを押してください。 </li><li> GCへのポートを接続する銅管の残留ガスの全てが除去されるまで繰り返して、3.8から3.10を繰り返します。注射器の容積に比べて銅管の内部容積の単純な分析が繰り返されるべき3.8から3.10の必要性をステップ回数を示します。 </li><li>チューブ内のすべての残留ガスを除去した後、分析のための最終的な排気サンプルを抽出します。 GCに排気ガスを押して、分析モード7,17にGCの電源を入れます。 </li><li>保存することで、GCデータを記録GC分析データ。 </li><li>全ての所望の当量比がテストされるまで繰り返し、3.1から3.13を繰り返します。 </li></ol>モデル燃焼排気の4開発<ol><li>トレンドを観察する燃焼排ガス種の体積分率をプロットします。 </li><li>モデル燃焼排気のためのカットオフ濃度値を決定します。初期MT-FFC分析のためのモデル燃焼排ガスを燃料の開発に、かなりの割合（&gt; 1％）に現れるだけのコンポーネントがモデル燃料に含まれています。 </li><li>モデル燃料の排気が大幅に水素と一酸化炭素（各成分について&gt; 1％）を生成のみ当量比を選択します。 </li><li> 4.3の条件を満たし、排気ガス成分のそれぞれの音量の割合を記録します。 </li></ol> 5.燃料電池のテストのセットアップ<ol><li>各ガスの流量範囲を決定します。 tでGC分析結果から得られる体積百分率を掛け彼は、各燃料電池内の所望のモデル燃焼排ガスの流量を合計します。 </li><li>それぞれの種のための最大および最小流量を決定するために各燃焼排ガス種に対する流量の範囲を評価します。 </li><li>ステップ2.1で説明したのと同じ原理に基づいて流量計を選択します。 </li><li>銅管を介してガスのタンクに流量計を取り付けることにより、試験装置を構築します。 </li><li>流量計のための規定値へのガスの圧力調整器を設定します。 </li><li>可燃性ガスを使用して、各流量計の下流の銅管路内に一方向弁を配置します。 </li><li>銅管とマニホールドを介して一緒にすべての流量計の出口ポートを接続します。 </li><li>燃料電池の外径よりもわずかに大きい内径を有する鋼管の内側にマイクロチューブ状SOFCを設定します。セラミック接着剤を用いた鋼管の燃料電池をシールします。 </li><li>セラミック耐火メートルの片にマイクロチューブ状SOFCとスチールチューブを接続します炉内の燃料電池を保持するaterial。 </li><li>アノード上の2ワイヤとカソード上の2線を有するマイクロチューブ状SOFCに接続された電流収集および電圧センスワイヤで4プローブ法10,11を利用しています。ワイヤが互いに作成ショーツ交差しないことを確認してください。 </li><li>ポテンショスタット10,11の4つのプローブに4本のワイヤを接続します。 </li><li>コンピュータ10,11にポテンショスタットを接続します。 </li><li>マイクロチューブ状SOFC電解質10,11の外側に触れる先端で炉内に熱電対を配置します。 </li><li>データ取得モジュールに熱電対のワイヤを取り付けます。 </li><li> USBポートを介してコンピュータにデータ収集モジュールを接続します。 メモ： 図2は、MT-FFCテストのセットアップを簡略化して示す概略図です。開発されたモデルの燃料と燃料電池のモデル燃料の流れを制御するための確立された設定で、検査は、従来Fに従って進めることができますUEL細胞試験方法。これらの方法は、文献に十分に確立されており、ここでは繰り返しません。 </li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">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。</a>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>ガスクロモトグラフ</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>K型熱電対</td><td>オメガ</td><td>KQXL-116G-6</td><td>カスタム長</td></tr><tr><td>K型熱電対延長線</td><td>オメガ</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td><td>オメガ</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N2) メタンに使用</td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td><td>オメガ</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N2</サブ>) 空気に使用</td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td><td>オメガ</td><td>FMA5402A</td><td>0-10 ml/min (N2) CO</td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td>に使用 <td>ブルックスインスツルメント</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (プロパン) CO2</td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td>に使用 <td>ブルックスインスツルメント</td><td>SLA5850</td><td>5 L/min (エア) N2</subに使用></td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td><td>ブルックスインスツルメント</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N2) H2</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td>メタンタンク</td></tr><tr><td>レギュレータ</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-590-E</td><td>エア</td></tr><tr><td></td><td>ガス</td><td>Y11-SR145B</td><td>COタンク</td></tr><tr><td>レギュレータ</td>ー <td>ハリス製品グループ</td><td>HP702-050-320-E</td><td>CO2タンク</td></tr><tr><td>レギュレータ</td>ー <td>エアガス</td><td>Y12-215B</td><td>N2タンク</td></tr><tr><td>レギュレータ</td>ー <td>ハリス製品グループ</td><td>HP702-015-350-D</td><td>H2タンク</td></tr><tr><td>メタン、圧縮、 超高純度</td><td>エアガス</td><td>UN1971</td><td>非常に可燃性</td></tr><tr><td>空気、圧縮、 Ultra pure</td><td>Airgas</td><td>UN1002</td><td>健康に有害であるとは分類されていません。</td></tr><tr><td>CO、圧縮、 超高純度</td><td>エアガス</td><td>UN1016</td>吸入<td>による毒性、非常に可燃性</td></tr>CO<tr><td>2、圧縮、 研究グレードの</td><td>エアガス</td><td>UN1013</td>高<td>濃度の窒息剤</td></tr><tr><td>N2、圧縮、 超高純度</td><td>エアガス</td><td>UN1066</td>健康<td>に有害であると分類されていません。</td></tr><tr><td>H2、圧縮、 超高純度</td><td>エアガス</td><td>UN1049</td><td>非常に可燃性で、目に見えない炎で燃える</td></tr><tr><td>ソースメーター</td><td>テクトロニクス株式会社</td><td>ケースレー2420</td>型 <td>USB経由でコンピュータに接続</td></tr><tr><td>水平分割管状炉</td><td>MTI Corportation</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>データ集録</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>NI cDAQ-9172</td> USB<td></td></tr><tr><td>熱電対入力</td>経由でコンピュータに接続 <td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>NI 9211</td><td>cDAQ-9172に接続</td></tr><tr><td>マスフローコントローラ用コンピュータ制御</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>NI 9263</td>を<td>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</td></tr><tr><td>テストソフトウェア</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 Pint</td></tr></tbody></table>

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

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

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。

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...

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。

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

この燃焼特性評価実験の全般的な目的は、関心のある排気成分を混合することでモデル燃焼排気ガスを開発し、その混合物を用いて固体酸化物形燃料電池を試験することである。この手法は、吸熱的な燃料リフォーマーの代わりに、よりリッチな燃焼が形成されているかなど、固体酸化物形燃料電池分野における重要な疑問を解決するのに役立つ。本手法の主な利点は、バーナーと燃料電池のプロトタイプ全体を実際に製作することなく、燃料電池試験用のモデル燃焼排気ガスを開発できる点にある。実験装置のセットアップ手順、安全上の注意点、およびトラブルシューティングは、原稿を読むだけでは理解することが困難な場合があるため、本手法の視覚的なデモンストレーションは極めて重要です。空気源とメタン燃料が備わったベンチで、準備した燃焼室を用いて特性評価装置を構築します。あらかじめ決定した流量に基づいて、マスフローコントローラを選定してください。この実験では、メタン用に40 L/minのコントローラーを使用します。空気には200 L/minのコントローラーを使用してください。次に、銅管を用意し、それをメタン源の出口に接続します。そこから、チューブを燃料質量流量コントローラーに接続します。同様に、空気質量流量コントローラーをその供給源に接続します。安全のため、メタン流量コントローラーの後段に逆止弁を取り付けてください。バルブをコントローラーから離れる方向にのみ流れが許可されるように向きを合わせ、コントローラーの出力に接続します。次に、銅チューブを使用して、空気フローコントローラーと燃料フローコントローラーからの流れを統合します。コントローラーからの流れがT字型コネクタに入るようにしてください。さらなる安全対策として、T字コネクタの後にフレームアレスターと別のワンウェイバルブを設置します。この構成では、まずワンウェイバルブをT字コネクタに接続し、T字コネクタから離れる方向に流れるよう向きを調整します。その次にフレームアレスターを設置します。ガスの供給タンクにおいて、レギュレーターを適切な圧力に設定します。本実験では、138 kilopascalに設定してください。ベンチに戻り、すべてのチューブに漏れがないか確認するため、漏れ検知液を用意します。フローコントローラーをオンにした状態で、銅管にブラシで漏れ検知液を塗布します。漏れを示す気泡が発生していないことを確認してください。次に、燃焼室とそれに接続されたバーナーを確認します。このチャンバーにはK型熱電対があらかじめ設置されており、その先端はチャンバーの中心に配置されています。チャンバーの長手方向に沿ったポートは、燃焼排気分析と熱電対の両方に対応しています。熱電対は、その直径に適合するコンプレッションフィッティングを使用して固定してください。熱電対を取り付けるには、まずチャンバー壁に既に設置されているコンプレッションフィッティングのステムから始めます。適切な高温用金属フェルールをステムに挿入します。次に、熱電栓プローブを通したコンプレッションナットをステムに下げて装着します。熱電対プローブを、先端がチャンバーの中心に達するまで押し込みます。次に、コンプレッションナットを締め、この開口部からの漏れがないようチャンバーを密閉します。データ収集および制御を行うため、熱電対をコンピューターセットアップに接続します。マスフローコントローラーの出力を燃焼室バーナーに接続します。このため、ワンウェイバルブから燃焼室まで銅管を用いて流量を導きます。最後に、すでに組み立て済みの排気テスト用ハードウェアを取り付けます。このため、チャンバー内の排気ポートからガスを銅管へ流します。この管は三方コックへと繋がっています。バルブの出力の一方は、ガスクロマトグラフへと至るチューブになっています。もう一方の出力は、排気の吸引および転送に使用する25 milliliterのシリンジに接続されるチューブです。これでセットアップを特性評価に使用することができます。テストを行う前に、シリンジと三方コックを準備してください。まず、シリンジプランジャーを完全に押し込みます。次に、3方バルブが排気ポート側に開いていることを確認します。コンピューターへ移動し、燃料と空気の流れを開始させ、データ収集を開始します。点火しやすくするため、リッチな混合気を用いて空気の流れとメタンの流れを開始します。ブタンライターを用意し、燃焼室の端へ移動します。安全が確認でき次第、混合気に点火してください。次に進む前に、バーナー前面で炎が安定しているか目視で確認してください。炎が消えるのを防ぐため、空気流量を目的の値までゆっくりと調整する間、炎の状態は変化します。その間、熱電対の温度を監視し、温度が安定した時点で温度データを記録してください。次に、3方バルブに接続されたシリンジを操作します。プランジャーを後方に引き、残留ガスを抽出して排気ポートから排出します。3方バルブを使用して、ガスクロマトグラフ側を開き、排気ポート側を閉じます。プランジャーを押し、すべての排気をガスクロマトグラフに送り出します。バルブを戻して、シリンジでさらに残留ガスと排気を抽出します。残留ガスがすべて除去されるまで、ガスの抽出とガスクロマトグラフへの注入を繰り返します。すべての残留ガスが除去されたら、分析用の最終排気サンプルを採取します。3方コックを回し、排気ガスをガスクロマトグラフに導入します。ガスクロマトグラフ分析を行い、データを記録します。別の空気流量を選択し、新しい当量比について解析を繰り返します。メタンと空気の燃焼に関する化学平衡解析のこれらの結果は、異なる当量比における排ガス組成の熱力学的平衡予測を示しています。左の垂直軸は窒素ガスの体積パーセントであり、黒色でプロットされています。右側の垂直軸は、排気生成物およびその他の分子の体積百分率スケールを示しています。この解析結果は、必ずしも実験データと完全に一致するとは限りませんが、期待される傾向と結果の大きさを示すはずです。燃焼室の初期実験データは、化学平衡解析から期待される傾向とは一致しませんでした。例えば、赤色で示された分子状酸素のデータは、低い等量比と比較して、高い等量比で濃度が高くなることを示唆しています。これは、燃焼室における不完全な混合または逆流の可能性を示すものであり、他のデータによっても裏付けられました。逆流を特定し防止したところ、データは化学平衡分析から予想される傾向とより一致するようになりました。このビデオを視聴することで、燃焼排ガスの特性評価方法と、燃料電池試験用のモデル燃焼排ガス抽出装置の構築方法について十分に理解できるはずです。燃焼を伴う作業は極めて危険であるため、本手順を実施する際は、逆火防止器、逆止弁、およびその他の個人用保護具などの予防策を必ず講じてください。本手順に続き、燃料電池とバーナーを統合させるなどの他の手法を用いることで、火炎補助燃料電池の長期的な性能安定性、カーボン析出、およびシステム全体の効率に関するさらなる疑問を明らかにすることができます。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

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