Name: Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Poznaj metodę charakterystyki spalania i opracowania modelu spalin dla testowania ogniw paliwowych tlenku stałego bez budowy pełnych prototypów palników.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca jest wspierana przez umowę z Uniwersytetem Syracuse przyznaną przez Syracuse Center of Excellence in Energy and Environmental Systems z finansowaniem w ramach głównej nagrody numer DE-EE0006031 od Departamentu Energii USA i uzupełniającym finansowaniem w ramach nagrody numer 53367 od New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), kontrakt 61736 od NYSERDA, oraz nagroda przyznana przez Empire State Development's Division of Science, Technology and Innovation (NYSTAR) za pośrednictwem Syracuse Center of Excellence, pod numerem nagrody #C120183. Praca ta jest wspierana przez National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program w ramach grantu nr 1247399.

1. Obliczenia spalania
<ol>
	<li>Wybierz paliwo do analizy. W tym przypadku jako paliwo odniesienia wybrano metan, jednak zasady te można przenieść na inne paliwa węglowodorowe.</li>
	<li>Przyjmując 1 mol metanu jako paliwo, zbilansuj równanie (1) dla spalania stechiometrycznego, aby otrzymać równanie (2). 
	<img alt="Równanie spalania, wzór reakcji chemicznej, proces utleniania metanu, stechiometria." src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 1"> 
	<img alt="Reakcja spalania: CH₄ + 2(O₂ + 3,76N₂) → CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂; równanie chemiczne." src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 2"></li>
	<li>Oblicz stosunek paliwa do powietrza dla stechiometrii (F/Astechiom.) jak w równaniu 3 dla spalania metanu, dzieląc masę metanu przez masę powietrza. Aby obliczyć tę wartość, w liczniku należy podać liczbę moli metanu pomnożoną przez masę molową metanu (16 g·mol-1) a mianownikiem jest liczba moli tlenu pomnożona przez masę molową tlenu (32 g·mol-1) plus liczba moli azotu pomnożona przez masę molową azotu (28 g·mol-1). 
	<img alt="Równanie stechiometryczne: obliczanie stosunku mas cząsteczkowych; wzór reakcji chemicznych." src="/files/ftp_upload/54638/54638eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 3"></li>
	<li>Aby zmienić stosunek równoważności (równanie 4), należy zmodyfikować przepływ powietrza, przepływ paliwa lub oba te parametry jednocześnie. Zazwyczaj jedną z tych wartości pozostawia się stałą, zmieniając drugą. Należy zdecydować, czy dla palnika ustalić stały przepływ paliwa, czy powietrza. W tym doświadczeniu ustalono przepływ paliwa na poziomie 10 L/min, dopuszczając zmianę przepływu powietrza w danej konfiguracji. 
	<img alt="Schemat równania równowagi statycznej, Φ=F/A / F/A_stoic, istotny dla analizy mechanicznej." src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 4"></li>
	<li>Przy stałym natężeniu przepływu paliwa, f (10 L/min), F/Astoickiobliczone (0,0583), a następnie, opierając się na definicji stosunku równoważności, oblicz przepływ powietrza, a, dla każdego badanego stosunku równoważności. Równanie (5) umożliwia bezpośrednie obliczenie przepływu powietrza w L/min dla każdego stosunku równoważności, a wyniki przedstawiono dla stosunku równoważności wynoszącego 1 w przypadku stechiometrii. 
	<img alt="Wzór na obliczenie stosunku paliwa do powietrza; prezentacja zależności między natężeniem przepływu objętościowego a gęstością." src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 5"> 
	UWAGA: Górna granica palności (lub górna granica wybuchowości) to najwyższy stosunek ekwiwalentny, przy którym możliwe jest spalanie bez wygaszenia płomienia w obecności katalizatora. Wyższe stosunki ekwiwalentne można uzyskać przy użyciu katalizatora, jednak w niniejszej pracy opisano wyłącznie spalanie niekatalityczne. W celu ustalenia górnej granicy palności dla wybranego paliwa należy zapoznać się z literaturą przedmiotu.</li>
</ol>
2. Układ eksperymentalny do charakterystyki spalania
<ol>
	<li>Wybierz sterowniki przepływu masowego (MFC) dla metanu i powietrza na podstawie wartości przepływów uzyskanych w kroku 1.5. Należy zachować ostrożność przy wyborze rozmiaru MFC, aby upewnić się, że urządzenie nie będzie pracować w dolnym zakresie swojej skali (&lt; 10% wartości pełnej skali) podczas testów. W tym konkretnym przypadku należy zastosować MFC o wydajności odpowiednio 40 L/min dla metanu i 20 L/min dla powietrza.</li>
	<li>Podłącz MFC do zbiorników z metanem i powietrzem za pomocą miedzianych rurek.</li>
	<li>Ustaw regulatory na zbiornikach z metanem i powietrzem na ciśnienie odpowiednie dla danego MFC, zgodnie ze specyfikacją producenta. W tym przypadku ustaw ciśnienie na 138 kPa (20 psi).</li>
	<li>Zkalibruj MFC, aby zapewnić dokładność pomiarów przepływu.</li>
	<li>Zbuduj komorę spalania. W tym doświadczeniu należy przygotować komorę spalania o długości 914 mm i średnicy wylotu 168 mm.
	<ol>
		<li>Wywierć otwory do analizy spalin oraz do rozmieszczenia termopar wzdłuż długości komory spalania. Dokładna liczba i rozmieszczenie zależą od wielkości płomienia i celów eksperymentu. W tej konfiguracji pierwsze 5 termopar umieszczonych najbliżej strefy spalania należy rozmieścić co 7 mm. Pozostałe 6 termopar należy rozmieścić co 14 mm. Zastosuj taki sam odstęp dla portów wylotowych.</li>
		<li>Wprowadź termopary typu K do komory spalania przez otwory portowe. Wyrównaj końcówkę termopary do środka komory spalania. Dobierz rozmiar otworów portowych tak, aby pasowały do termopary, a następnie uszczelnij je wysokotemperaturowymi tulejkami metalowymi i nakrętkami, aby zapobiec nieszczelnościom.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podłącz termopary typu K bezpośrednio do modułu akwizycji danych.</li>
	<li>Podłącz moduł akwizycji danych do komputera za pomocą dysku USB.</li>
	<li>Zamontuj zawór jednokierunkowy w miedzianym przewodzie bezpośrednio za MFC paliwa i tuż przed palnikiem. Zorientuj zawór tak, aby przepływ mógł odbywać się tylko w kierunku oddalenia od MFC. Zawory jednokierunkowe są istotnym elementem bezpieczeństwa zapobiegającym cofaniu się płomienia.</li>
	<li>Sprawdź szczelność miedzianych rurek przed i za układem MFC. Do wykrywania nieszczelności użyj wody z mydłem naniesionej pędzlem na rurki; w miejscach nieszczelności pojawią się pęcherzyki powietrza.</li>
	<li>Podłącz komorę spalania i palnik do sterowników przepływu masowego za pomocą miedzianych rurek.</li>
	<li>Po zakończeniu konfiguracji komory spalania wybierz jeden z portów wylotowych do testów. Podłącz ten port do miedzianej rurki prowadzącej do portu analizy GC.</li>
	<li>Wybierz strzykawkę do pobierania spalin z komory spalania, a następnie wprowadzenia ich do GC w celu analizy. W tym doświadczeniu użyj strzykawki o pojemności 25 ml.</li>
	<li>Umieść zawór trójdrożny w linii miedzianych rurek łączących port wylotowy z GC. Jeden koniec zaworu podłącz do GC, drugi do portu wylotowego, a trzeci do strzykawki 25 ml. Podłącz miedziane rurki do zaworu trójdrożnego. Użyj strzykawki, aby zassać spaliny z komory, a następnie wprowadzić je do GC do analizy.</li>
	<li>Podłącz zawór trójdrożny do GC i strzykawki. Poruszaj tłokiem strzykawki, aby upewnić się, że układ działa prawidłowo. 
	UWAGA: Uproszczony schemat układu przedstawiono na Rysunku 1.</li>
</ol>
<img alt="Schemat chromatografii gazowej; komora spalania, przepływomierz, termopary, akwizycja danych." src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rysunek 1. Schemat układu doświadczalnego do charakterystyki spalania. Schemat układu eksperymentalnego do charakterystyki spalania, przedstawiający przepływy paliwa, powietrza i spalin (czarne strzałki) oraz przepływy danych (czerwone strzałki). Zawory zwrotne są stosowane w celu zapobiegania cofaniu się płomienia. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
3. Eksperyment charakterystyki spalania
<ol>
	<li>Przed wykonaniem testu w pełni wciśnij tłok strzykawki i otwórz zawór trójdrożny od strony portu wylotowego.</li>
	<li>Włącz najpierw MFC powietrza, ustawiając natężenie przepływu na 86,5 L/min.</li>
	<li>Włącz MFC metanu, ustawiając natężenie przepływu na 10 L/min. Tworzy to wstępnie zmieszany stosunek równoważności wynoszący 1,10, co stanowi mieszankę lekko bogatą, która jest łatwiejsza do zapłonu.</li>
	<li>Włącz termopary za pomocą modułu komputerowego, aby rozpocząć rejestrację danych.</li>
	<li>Zapal mieszankę na końcu komory spalania za pomocą zapalniczki butanowej. Po zapłonie płomień powinien ustabilizować się przed palnikiem.</li>
	<li>Koryguj stosunek równoważności, powoli zmieniając natężenie przepływu powietrza z wartości początkowej 86,5 L/min do wartości pożądanej. Należy uważać, aby nie robić tego zbyt szybko i nie wykraczać poza granice palności, co mogłoby spowodować zgaśnięcie płomienia.</li>
	<li>Po ustabilizowaniu się temperatur termopar zapisz odczyt temperatury w pliku danych.</li>
	<li>Ponownie odciągnij tłok strzykawki, aby pobrać spaliny z portu wylotowego.</li>
	<li>Po pobraniu spalin otwórz zawór trójdrożny od strony GC i zamknij stronę portu wylotowego.</li>
	<li>Wciśnij tłok strzykawki aż do całkowitego zamknięcia, tak aby wszystkie spaliny zostały przesłane do GC.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 3.8–3.10 do momentu usunięcia wszystkich pozostałości gazów z miedzianego przewodowania łączącego port z GC. Prosta analiza objętości wewnętrznej miedzianych rurek w stosunku do objętości strzykawki pozwoli określić, ile razy należy powtórzyć kroki 3.8–3.10.</li>
	<li>Po usunięciu wszystkich pozostałych gazów z przewodów pobierz końcową próbkę spalin do analizy. Wprowadź gaz wylotowy do GC i przełącz GC w tryb analizy7,17.</li>
	<li>Zarejestruj dane GC poprzez zapisanie wyników analizy GC.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 3.1–3.13 aż do przetestowania wszystkich pożądanych stosunków równoważności.</li>
</ol>
4. Opracowanie modelowych spalin z procesu spalania
<ol>
	<li>Nanieś na wykres procentową zawartość objętościową składników spalin, aby zaobserwować trendy.</li>
	<li>Wyznacz wartość stężenia odcięcia dla modelowych spalin spalania. Przy opracowywaniu modelowego paliwa do spalin dla wstępnej analizy mT-FFC do modelowego paliwa wlicza się tylko te składniki, które występują w istotnych proporcjach (&gt;1%).</li>
	<li>W przypadku paliwa modelowego wybierz tylko te stosunki równoważności, które generują istotne ilości wodoru i tlenku węgla (&gt;1% dla każdego składnika) w spalinach.</li>
	<li>Zapisz procentową zawartość objętościową każdego ze składników gazów wylotowych spełniających kryteria z punktu 4.3.</li>
</ol>
5. Układ do testowania ogniw paliwowych
<ol>
	<li>Wyznacz zakresy natężenia przepływu dla każdego gazu. Pomnóż procent objętościowy uzyskany z wyników analizy GC przez całkowite natężenie przepływu spalin modelowych pożądane w każdym ogniwie paliwowym.</li>
	<li>Oceń zakres natężeń przepływu dla każdego składnika spalin, aby wyznaczyć maksymalny i minimalny przepływ dla każdego składnika.</li>
	<li>Wybierz przepływomierze zgodnie z zasadami opisanymi w kroku 2.1.</li>
	<li>Zbuduj aparat testowy, łącząc przepływomierze z butlami z gazem za pomocą miedzianych rurek.</li>
	<li>Ustaw regulatory ciśnienia gazu na wartości określone dla przepływomierzy.</li>
	<li>Umieść zawory zwrotne w miedzianych przewodach za każdym przepływomierzem gazu palnego.</li>
	<li>Połącz wszystkie porty wylotowe przepływomierzy za pomocą miedzianych rurek i kolektora.</li>
	<li>Umieść mikrorurkowe SOFC wewnątrz stalowej rurki o średnicy wewnętrznej nieco większej od średnicy zewnętrznej ogniwa paliwowego. Uszczelnij ogniwo paliwowe w stalowej rurce, używając kleju ceramicznego.</li>
	<li>Połącz stalową rurkę z mikrokanalikowym ogniwem SOFC z fragmentem ceramicznego materiału ogniotrwałego, aby unieruchomić ogniwo paliwowe w piecu.</li>
	<li>Zastosuj technikę czterooporową10,11 z podłączonymi przewodami pomiarowymi prądu i napięcia do mikro tubularnego ogniwa SOFC (2 przewody na anodzie i 2 przewody na katodzie). Należy upewnić się, że przewody nie krzyżują się, co mogłoby spowodować zwarcia.</li>
	<li>Podłącz cztery przewody do czterech sond potencjostatu.10,11.</li>
	<li>Podłącz potencjostat do komputera10,11.</li>
	<li>Umieść termoparę w piecu tak, aby końcówka dotykała zewnętrznej powierzchni elektrolitu mikrotytubularnego ogniwa SOFC.10,11.</li>
	<li>Podłącz przewody termopary do modułu akwizycji danych.</li>
	<li>Podłącz moduł akwizycji danych do komputera za pomocą portu USB. 
	UWAGA: Rysunek 2 jest uproszczony schemat przedstawiający układ testowy mT-FFC. Po opracowaniu modelu paliwa i przygotowaniu układu do kontroli przepływu paliwa modelowego do ogniwa paliwowego, testy mogą być prowadzone zgodnie z konwencjonalnymi metodami badania ogniw paliwowych. Metody te są dobrze opisane w literaturze i nie będą tutaj przytaczane.</li>
</ol>
<img alt="Schemat kontroli przepływu masowego dla układu SOFC: przepływy H2, CO, CO2, N2, potencjostat, akwizycja danych." src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
Rysunek 2. Schemat układu testowego mikrorurkowego ogniwa paliwowego wspomaganego płomieniem. Przepływy H2, CO, CO2, N2 (czarne strzałki) są regulowane za pomocą MFC i zaworu jednokierunkowego w celu zapobiegania cofaniu się przepływu. Elektrony płyną (zielona linia) z SOFC w piecu do potencjostatu i z powrotem do SOFC. Przepływ danych z termopary oraz danych elektrochemicznych przedstawiono za pomocą czerwonych strzałek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Omawiany tutaj protokół jest ważnym pomostem między wcześniejszymi badaniami charakterystyki spalania a testami ogniw paliwowych. Wykorzystanie spalania do reformingu paliwa i testowania ogniw paliwowych jest stosowane od kilku lat w konfiguracjach DFFC10-15. Jednak charakterystyka procesu spalania w DFFC dotyczy przede wszystkim charakterystyki składu płomienia in situ 16 i wykorzystuje MS8. Ponieważ DFFC jest otwarty na otoczenie, skład spalin składa się głównie z wody i CO<sub...

Innowacje w zakresie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC) zostały zgłoszone w ostatnich latach, ponieważ technologia ta nadal się rozwija. Wśród wielu zalet, ogniwa SOFC stały się znane z wysokiej efektywności paliwowej, niskiej emisji i umiarkowanej elastyczności paliwa w porównaniu z innymi technikami wytwarzania energii opartej naspalaniu1. Co więcej, ogniwa SOFC są skalowalne, co pozwala na wysoką oszczędność paliwa nawet przy małych skalach. Niestety, ograniczenia w obecnej infrastrukturze wodorowej stworzyły zapotrzebowanie na systemy reformingu paliw, które często są nieefektywne. Najnowszym osiągnięciem jest mikrorurowe ogniwo paliwowe wspomagane płomieniem (mT-FFC), opisane w poprzedniej pracy autora2. mT-FFC jest pierwszym przykładem ogniwa paliwowego wspomaganego płomieniem (FFC), które opiera się na zaletach oryginalnego ogniwa paliwowego z bezpośrednim płomieniem (DFFC), które zapewnia wytwarzanie ciepła i reforming paliwa poprzez spalanie3. Konfiguracja DFFC umieszcza SOFC w bezpośrednim kontakcie z płomieniem otwartym na otoczenie. Płomień częściowo utlenia cięższe paliwa węglowodorowe, tworzącH2 i CO, które mogą być stosowane bezpośrednio w SOFC z mniejszym potencjałem koksowania węgla w porównaniu z czystym metanem lub innymi cięższymi węglowodorami. Ponadto płomień dostarcza energię cieplną potrzebną do doprowadzenia SOFC do temperatury roboczej. Niedawna zmiana w oryginalnym DFFC nastąpiła poprzez przeniesienie SOFC z obszaru płomienia i skierowanie spalin do SOFC w celu utworzenia FFC2. W przeciwieństwie do DFFC, spalanie odbywa się w częściowo zamkniętej komorze (zamiast w otoczeniu), dzięki czemu stosunek paliwa do powietrza może być kontrolowany, a spaliny mogą być bezpośrednio doprowadzane do ogniwa paliwowego bez całkowitego spalania. FFC mają dodatkowe zalety, w tym wysokie zużycie paliwa i wysoką sprawność elektryczną w porównaniu z DFFC2.
Jako rozwijający się obszar badań, potrzebne są techniki eksperymentalne, które mogą ocenić potencjał mT-FFC dla przyszłych zastosowań wytwarzania energii. Techniki te wymagają analizy częściowego utleniania lub spalania bogatego w paliwo oraz spalin, które zostały zidentyfikowane jako sposób wytwarzaniaH2 i CO, znanych również jako gaz syntezowy, wraz z CO2 i H2O. Gaz syntezowy może być wykorzystywany bezpośrednio w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii. Analiza spalin spalinowych bogatych w paliwo jest w ostatnich latach dobrze ugruntowana i jest przeprowadzana teoretycznie4, obliczeniowo5,6 i doświadczalnie7 dla wielu różnych celów. Wiele badań teoretycznych i obliczeniowych opierało się na analizie równowagi chemicznej (CEA) w celu oceny gatunków produktów spalania, które są energetycznie korzystne, oraz chemicznych modelach kinetycznych dla mechanizmów reakcji. Chociaż metody te były bardzo przydatne, wiele nowych technologii opierało się na technikach eksperymentalnych podczas badań i rozwoju. Techniki eksperymentalne zazwyczaj opierają się na analizie spalin ze spalania przy użyciu chromatografu gazowego (GC)7 lub spektrometru masowego (MS)8. Do układu wydechowego ze spalania wprowadza się przewód/strzykawkę GC lub sondę MS i wykonuje się pomiary w celu oceny stężenia tych gatunków. Zastosowanie technik eksperymentalnych jest powszechne w dziedzinie wytwarzania energii na małą skalę. Niektóre przykłady obejmują mikrokomory spalania, które zostały opracowane do pracy z jednokomorowymi SOFC7,9 i DFFC10-15. Analiza spalin ze spalania odbywa się w szerokim zakresie warunków pracy, w tym w różnych temperaturach, natężeniach przepływu i współczynnikach równoważności.
W obszarze badań DFFC, paliwo i utleniacz mogą być częściowo wstępnie zmieszane lub niepremiksowane, z palnikiem otwartym na otoczenie, co zapewnia całkowite spalanie. Ze względu na potrzebę analizy składu płomienia, MS był używany w wielu przypadkach do badań DFFC i analizy spalania16. Nowsze opracowanie FFC różni się tym, że opiera się na wstępnym spalaniu z palnikiem w częściowo zamkniętym środowisku, aby zapobiec całkowitemu utlenieniu paliwa. W związku z tym konieczna jest analiza spalin spalania w kontrolowanym środowisku wolnym od wycieków powietrza. Techniki eksperymentalne opracowane w tym celu opierają się na wcześniejszych technikach stosowanych w badaniach mikrokomór spalania z analizą GC spalin spalania przy różnych współczynnikach równoważności. Analiza GC prowadzi do scharakteryzowania składu spalin podczas spalania (tj. procentowej objętości każdego składnika spalin, w tym CO2,H2O, N2 itp.) Analiza ta pozwala na mieszanie oddzielnych gazów zgodnie ze stosunkami zmierzonymi przez GC w celu stworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo dla przyszłych badań FFC.
Protokoły analizy spalin spalinowych bogatych w paliwo, opracowania modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo i zastosowania spalin do testów SOFC są ustalone w tym artykule. Omówiono typowe wyzwania i ograniczenia dotyczące tych technik.

<table><tbody><tr><td>Chromatograf gazowy</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>Termopary typu</td><td>K Omega</td><td>KQXL-116G-6</td><td>Niestandardowa długość</td></tr><tr><td>przedłużacza termopary typu</td><td>K Omega</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Omega</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N2) Używany do metanu</td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Omega</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N2) Używany do powietrza</td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Omega</td><td>FMA5402A</td><td>0-10 ml / min (N2) Używany do CO</td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (Propan) Używany do regulatora przepływu masowego CO2</td></tr> <tr><td>Brooks</td><td>Instrument</td><td>SLA5850</td><td>5 l/min (powietrze) Używany do N2 </td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N2) Używany do regulatora H2</td></tr><tr><td>Regulator</td> Harris <td>Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td>Reduktor zbiornika metanu</td></tr><tr><td></td><td>Harris Grupa produktów</td><td>HP702-050-590-E</td><td></td></tr><tr><td>Reduktor</td> zbiornika powietrza <td>Airgas</td><td>Y11-SR145B</td><td>Zbiornik CO</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Grupa Produktów</td><td>HP702-050-320-E</td><td>Zbiornik CO2</td></tr><tr><td>Reduktor</td><td>Airgas</td><td>Y12-215B</td><td>Zbiornik N2</td></tr><tr><td>Regulator</td> Harris <td>Products Group</td><td>HP702-015-350-D</td><td>Zbiornik H2</td></tr><tr><td>Metan, sprężony, ultra wysokiej czystości</td><td>Airgas</td><td>UN1971</td><td>Ekstremalnie łatwopalny</td></tr><tr><td>Powietrze, sprężone, ultra czysty</td><td>gaz powietrzny</td><td>UN1002</td><td>Nie klasyfikowane jako niebezpieczne dla zdrowia.</td></tr><tr><td>CO, Sprężony, Ultra wysokiej czystości</td><td>Gaz powietrzny</td><td>UN1016</td><td>Toksyczny przez wdychanie, Skrajnie łatwopalny</td></tr><tr><td>CO2, Sprężony, klasy badawczej</td><td>Gaz powietrzny</td><td>UN1013</td><td>Duszący w wysokich stężeniach</td></tr><tr><td>N2, Sprężony, Ultra wysokiej czystości</td><td></td><td>Airgas UN1066</td><td>Nie sklasyfikowany jako niebezpieczny dla zdrowia.</td></tr><tr><td>H2, sprężony, Gaz</td><td>powietrzny</td> o ultra wysokiej czystości <td>UN1049</td><td>Skrajnie łatwopalny, pali się niewidzialnym płomieniem</td></tr><tr><td>Miernik źródła</td><td>Tektronix, Inc.</td><td>Keithley 2420</td><td>Łączy się z komputerem przez USB</td></tr><tr><td>Poziomy piec rurowy dzielony</td><td>MTI Korportacja</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>Akwizycja danych</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ-9172</td><td>Łączy się z komputerem przez USB</td></tr><tr><td>Wejście termopary</td><td>National</td><td>Instruments NI 9211</td><td>Łączy się z cDAQ-9172</td></tr><tr><td>Sterowanie komputerowe dla regulatorów przepływu masowego</td><td>National Instruments</td><td>NI 9263</td><td>Łączy się z cDAQ-9172 Sterowanie komputerowe dla regulatorów przepływu masowego</td></tr><tr><td>Oprogramowanie testujące</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 litr</td></tr></tbody></table>

charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

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

Wytwarzanie energii opartej na spalaniu jest realizowane od wielu lat za pomocą wielu systemów silników cieplnych. Niedawny ruch w kierunku wytwarzania energii na małą skalę i mikrospalania, a także rozwój badań nad ogniwami paliwowymi stworzyły nowe sposoby wytwarzania energii, które łączą ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem z otwartym ogniem i spalinami ze spalania. Zamiast polegać na cieple spalania, te systemy ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem opierają się na reformowaniu paliwa poprzez spalanie w celu wytworzenia gazu syntezowego do elektrochemicznego wytwarzania energii. Opracowano procedury oceny ubocznych produktów spalania w szerokim zakresie warunków. Chociaż opracowano procedury teoretyczne i obliczeniowe do oceny bogatych w paliwo spalin spalania w tych zastosowaniach, pojawiły się również techniki eksperymentalne. Procedury eksperymentalne często opierają się na analizie płomienia i spalin za pomocą chromatografu gazowego lub spektrometru masowego w celu oceny procesu spalania jako reformingu paliwa i sposobu wytwarzania ciepła. Techniki eksperymentalne opracowane w tych dziedzinach zostały ponownie zastosowane do opracowania mikrorurowego ogniwa paliwowego wspomaganego płomieniem. Protokół omówiony w tej pracy opiera się na wcześniejszych technikach w celu określenia procedury charakteryzowania spalin spalinowych bogatych w paliwo i opracowania modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo do wykorzystania w testach ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem. Omówiono rozwój procedury oraz jej zastosowania i ograniczenia.

Przed przystąpieniem do testów przy pożądanych stosunkach równoważności należy sprawdzić komorę charakterystyki spalania pod kątem cofania się powietrza do komory lub innych wycieków powietrza podczas testów. Procesy spalania w komorach otwartych są znane jako procesy niemal izobaryczne. W konsekwencji ciśnienie w komorze spalania może być niewystarczające, aby zapewnić, że powietrze z otoczenia zewnętrznego nie cofnie się do komory spalania przez wylot spalin lub inne punkty nieszczelnoś...

Protokół tworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo jest rozwijany poprzez charakterystykę spalania i jest stosowany do testowania i badań ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem mikrorurowym.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

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

Ogólnym celem tego eksperymentu z charakterystyki spalania jest opracowanie modelowych spalin poprzez mieszanie wybranych składników spalin w celu przetestowania tlenkowego ogniwa paliwowego w tej mieszaninie. To podejście może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie tlenkowych ogniw paliwowych, na przykład, czy zamiast endotermicznego reformera paliwa tworzy się uboższy proces spalania. Główną zaletą tej techniki jest możliwość opracowania modelowych spalin do testowania ogniw paliwowych bez konieczności budowania pełnego prototypu palnika i ogniwa paliwowego.Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ procedura przygotowania układu eksperymentalnego, środki ostrożności oraz rozwiązywanie problemów mogą być trudne do zrozumienia na podstawie samego tekstu publikacji. Zbuduj aparat charakteryzujący, wykorzystując przygotowaną komorę spalania na stanowisku z dostępem do źródeł powietrza i paliwa w postaci metanu. Dobierz regulatory przepływu masy na podstawie wcześniej określonych wartości natężeń przepływu.W tym doświadczeniu należy użyć regulatora metanu o przepływie 40 litrów na minutę. Należy użyć regulatora powietrza o przepływie 200 litrów na minutę. N

combustion-characterization-model-fuel-development-for-micro-tubular

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Pobieranie próbek gazu z płomieni na skalę laboratoryjną z analizą online wszystkich gatunków za pomocą spektrometrii mas to skuteczna metoda badania złożonej mieszaniny związków chemicznych występujących podczas procesów spalania. W połączeniu z przestrajalną miękką jonizacją za pomocą generowanego przez synchrotron promieniowania próżniowo-ultrafioletowego, technika ta dostarcza informacji o rozdzielczości izomerów i potencjalnie wolnych od fragmentów widm masowych.

Eksperymenty z płomieniem w zaawansowanym źródle światła: nowe spojrzenie na procesy tworzenia sadzy

Przedstawiono protokół przeprowadzania eksperymentów z falami termoenergetycznymi. Opisano syntezę hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i materiału mikro/nanostrukturalnego, wytwarzanie generatora fal termoenergetycznych oraz metody pomiaru odpowiadających im zjawisk fizycznych.

Otrzymywanie i ocena hybrydowych kompozytów paliwa chemicznego i wielościennych nanorurek węglowych w badaniach fal termoenergetycznych

Opisujemy użycie mikro-termopar do szacowania lokalnych gradientów temperatury w stałych laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy granicznej. Rozszerzając analogię Reynoldsa, lokalne gradienty temperatury mogą być dalej wykorzystywane do oszacowania lokalnego tempa spalania masy i strumieni ciepła w takich płomieniach z dużą dokładnością.

Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej

Przedstawiono protokół pomiaru prędkości płomienia mieszaniny reaktywnej złożonej z beztlenku tetrajodu (I4O9) i aluminium (Al). Przedstawiono również metodę określania kinetyki reakcji za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Stwierdzono, że I4O9 jest o 150% bardziej reaktywny niż inne tlenki jodu(V).

Kinetyka reakcji i dynamika spalania mieszanin I4O9 i glinu

Przedstawiono badanie chemii spalania oksydacyjnego nowych biopaliw, składników paliw lub paliw do silników odrzutowych poprzez porównanie ilościowych danych specjacyjnych. Dane mogą być wykorzystane do walidacji modelu kinetycznego i umożliwiają strategię oceny paliwa. Manuskrypt ten opisuje atmosferyczny reaktor przepływowy o wysokiej temperaturze i demonstruje jego możliwości.

Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną

Przedstawiamy protokół analizy odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych, obiecującą nową metodę badania dynamiki ogniw paliwowych.

Przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych

Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.

Poprawa wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowego ziarna paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej

Prezentujemy unikalną platformę do charakteryzowania powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), która umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu technik charakteryzacji (np. spektroskopia Ramana in situ i mikroskopia z sondą skaningową wraz z pomiarami elektrochemicznymi). Uzupełniające informacje uzyskane dzięki tym analizom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji i degradacji elektrod, dostarczając informacji na temat racjonalnego projektowania lepszych...

Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Pokazujemy, jak określić rozkład wielkości nanokryształów półprzewodnikowych w sposób ilościowy za pomocą spektroskopii Ramanowskiej, wykorzystując analitycznie zdefiniowany model uwięzienia wielocząsteczkowych fononów. Uzyskane wyniki są doskonale zgodne z innymi technikami analizy wielkości, takimi jak transmisyjna mikroskopia elektronowa i spektroskopia fotoluminescencyjna.

Charakterystyka rozkładu wielkości nanokryształów za pomocą spektroskopii Ramana z wielocząsteczkowym modelem uwięzienia fononów

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Poznaj metodę charakterystyki spalania i opracowania modelu spalin dla testowania ogniw paliwowych tlenku stałego bez budowy pełnych prototypów palników.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

Przeglądaj więcej filmów