Introduction
تم الإبلاغ الصلبة أكسيد خلايا الوقود (SOFC) الابتكارات في السنوات الأخيرة، حيث لا تزال هذه التكنولوجيا لتطوير. من بين العديد من المزايا، أصبحت SOFCs المعروف لكفاءة الوقود العالية، انخفاض الانبعاثات والمرونة وقود معتدلة بالمقارنة مع غيرها من الاحتراق أساس تقنيات توليد الطاقة 1. وعلاوة على ذلك، SOFCs قابلة للتغيير مما يسمح لكفاءة الوقود العالية حتى في المقاييس الصغيرة. للأسف، قد خلقت القيود في البنية التحتية الهيدروجين الحالية الحاجة إلى أنظمة الوقود إصلاح التي غالبا ما تكون غير فعالة. ومن التطورات الحديثة هي بمساعدة لهب خلايا الوقود الصغيرة أنبوبي (MT-FFC) ذكرت في عمل البلاغ السابق 2. وMT-الأولى للتمويل هو المثال الأول من خلية وقود بمساعدة لهب (الأولى للتمويل) أن يبني على الفوائد من اللهب المباشر خلايا الوقود الأصلي (DFFC)، التي تنص على توليد الحرارة والوقود إصلاح عن طريق احتراق 3. الإعداد DFFC يضع SOFC في اتصال مباشر مع اللهب المكشوف لعضو هيئة الجائزة مدير المحيطةonment. الشعلة يتأكسد جزئيا الوقود الهيدروكربوني أثقل لخلق H 2 و CO، والتي يمكن استخدامها مباشرة في SOFC مع أقل احتمال الكوك الكربون مقارنة الميثان النقي أو غيرها من الهيدروكربونات الأثقل. وبالإضافة إلى ذلك، الشعلة يوفر الطاقة الحرارية اللازمة لتحقيق SOFC إلى درجة حرارة التشغيل. حدث التغيير الأخير إلى DFFC الأصلي عن طريق تحريك SOFC من منطقة الشعلة وتوجيه عوادم الاحتراق إلى SOFC لإنشاء FFC 2. وخلافا للDFFC، يحدث الاحتراق في غرفة مغلقة جزئيا (بدلا من المحيط) بحيث الوقود لنسبة الهواء يمكن السيطرة عليها، والعادم ويمكن تغذية مباشرة إلى خلايا الوقود دون احتراق كامل يحدث. FFCS لها مزايا إضافية بما في ذلك استخدام وقود عالية وكفاءة الكهربائية عالية مقارنة DFFCs 2.
كمجال الناشئة من الأبحاث، هناك حاجة إلى تقنيات التجريبية التي يمكن تقييم إمكانات MT-FFخدمات العملاء لتطبيقات توليد الطاقة في المستقبل. تتطلب هذه التقنيات تحليل الأكسدة الجزئية، أو الاحتراق الغنية الوقود والعادم والتي تم تحديدها على أنها وسيلة لتوليد H 2 و CO، المعروف أيضا باسم الغاز المتزايد، جنبا إلى جنب مع CO 2 و H 2 O. الغاز الصنعي يمكن استخدامها مباشرة في خلايا الوقود لتوليد الطاقة. تحليل احتراق العادم الغنية الوقود قد تم راسخة في السنوات الأخيرة، وقد نفذت نظريا 4، حسابيا 5،6 وتجريبيا 7 لأغراض عديدة مختلفة. وقد اعتمدت العديد من الدراسات النظرية والحسابية على تحليل الاتزان الكيميائي (CEA) لتقييم الأنواع المنتج الاحتراق مواتية بقوة، والنماذج الحركية الكيميائية لآليات التفاعل. في حين أن هذه الأساليب كانت مفيدة جدا، وقد اعتمدت العديد من التكنولوجيات الناشئة على التقنيات التجريبية خلال البحث والتطوير. تعتمد تقنيات تجريبية عادة على آناتحلل من عوادم الاحتراق سواء باستخدام الكروماتوجرافي الغاز (GC) 7 أو مطياف الكتلة (MS) 8. يتم إدخال إما GC خط / حقنة أو التحقيق MS في عادم الاحتراق ويتم أخذ القياسات لتقييم تركيز الأنواع. وقد تم تطبيق تقنيات تجريبية مشتركة في مجال توليد الطاقة على نطاق صغير. وتشمل بعض الأمثلة الاحتراق الصغيرة التي تم تطويرها للعمل مع SOFCs غرفة واحدة 7،9 وDFFCs 10-15. يحدث تحليل العادم الاحتراق تحت مجموعة واسعة من ظروف التشغيل بما في ذلك درجات حرارة مختلفة، ومعدلات التدفق ونسب التكافؤ.
في مجال DFFC البحوث والوقود والمؤكسد يمكن أن يكون الممزوجة مسبقا جزئيا أو غير الممزوجة مسبقا، مع الموقد مفتوحة إلى المحيط الذي يضمن الاحتراق الكامل. مع الحاجة إلى تحليل تكوين لهب، وقد تم استخدام MS في كثير من الحالات لDFFC البحوث والاحتراق تحليل 16. تطوير أكثر حداثة من الأولى للتمويل تختلف بالاعتماد على الاحتراق خلط مع الموقد في بيئة مغلقة جزئيا لمنع أكسدة كاملة من الوقود. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى تحليل للعادم الاحتراق في بيئة تسيطر عليها خالية من تسرب الهواء. تقنيات تجريبية وضعت لهذا الغرض تعتمد على التقنيات السابقة تستخدم للبحوث الاحتراق الجزئي مع تحليل GC للعادم الاحتراق متفاوتة في نسب التكافؤ. تحليل GC يؤدي إلى توصيف التركيب عادم الاحتراق (أي نسبة حجم كل المكونة العادم بما في ذلك CO 2 و H 2 O، N 2، الخ) وهذا التحليل يسمح لخلط الغازات منفصلة وفقا لنسب تقاس GC لخلق نموذج الغنية وقود العادم الاحتراق للبحوث الأولى للتمويل في المستقبل.
البروتوكولات لتحليل احتراق العادم الغنية الوقود، ووضع نموذج الغنية وقود الاحتراق العادم وتطبيقجي العادم لاختبار SOFC تقام في هذه الورقة. وتناقش التحديات والقيود مشتركة لهذه التقنيات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الحسابات الاحتراق
- حدد الوقود لتحليلها. هنا، اختر الميثان كوقود المرجعية، ولكن المبادئ قابلة للتحويل إلى الوقود الهيدروكربوني الأخرى.
- مع 1 مول من غاز الميثان كوقود، والتوازن المعادلة (1) للاحتراق متكافئة للحصول على المعادلة (2).
- حساب نسبة الوقود والهواء عن القياس المتكافئ (F / A stoich.) كما في المعادلة 3 للاحتراق الميثان بقسمة كتلة من غاز الميثان من الكتلة للهواء. لحساب والبسط هو عدد مولات مرات الميثان الكتلة المولية لغاز الميثان (16 ز · مول -1) والقاسم المشترك هو عدد مولات مرات الأكسجين الكتلة المولية للأكسجين (32 ز · مول -1)، بالإضافة إلى عدد مولات مرات النيتروجين الكتلة المولية من النيتروجين (28 ز · مول -1).
- من أجل تختلف نسبة التكافؤ (المعادلة 4)، تختلف إما معدل تدفق الهواء، ومعدل تدفق الوقود أو كليهما في وقت واحد. عادة، وتحديد واحد من كميات وتختلف الآخر. تحديد ما إذا كان لإصلاح أي وقود أو الهواء معدل التدفق للالموقد. لهذه التجربة، وتحديد معدل تدفق الوقود بنسبة 10 لتر / دقيقة، والسماح للمعدل تدفق الهواء إلى تختلف في هذا الإعداد.
- مع معدل تدفق الوقود، و، الثابتة (10 لتر / دقيقة)، F / A المتحمل. حساب (0.0583)، ونظرا لتعريف نسبة التكافؤ، وحساب معدل تدفق الهواء، لذلك، لكل نسبة التكافؤ لفحصها. المعادلة (5) يوفر وسيلة مباشرة لحساب معدل تدفق الهواء في لتر / دقيقة لكل نسبة التكافؤ وأظهرت نتائج لنسبة تعادل 1 للرياضيات الكيمياء.
ملاحظة: FLAMM العلياحد القدرة (أو حد الانفجار العلوي) هو أغنى نسبة التكافؤ التي يمكن نسخها دون إطفاء اللهب في حالة عدم وجود الحافز. ويمكن الحصول على نسب التكافؤ أعلى مع استخدام محفز، لكنه يوصف إلا الاحتراق غير الحفاز في هذه الورقة. الرجوع إلى الأدب لتقييم الحد القابلية للاشتعال العلوي للوقود الذي تم اختياره.
الإعداد 2. الاحتراق توصيف التجريبية
- اختر تحكم تدفق الجماهيري تنتج الشركة لغاز الميثان والهواء على أساس معدلات التدفق التي تم الحصول عليها في الخطوة 1.5. توخي الحذر عند اختيار حجم MFC للتأكد من أن MFC لن يتم تشغيله في نهاية منخفضة من مجموعتها (<10٪ من قيمة مقياس كاملة) أثناء الاختبار. لهذه الحالة المحددة، واستخدام 40 لتر / دقيقة و 200 لتر / دقيقة الأجهزة متعددة الاستخدام للغاز الميثان والهواء، على التوالي.
- ربط الأجهزة متعددة الاستخدام للغاز الميثان والهواء الدبابات عبر أنابيب النحاس.
- تعيين المنظمين على غاز الميثان والهواء دبابات على الضغط المناسب لMFC كما هو محددمن قبل الشركة المصنعة. في هذه الحالة، تعيين الضغط إلى 138 كيلو باسكال (20 رطل).
- معايرة الأجهزة متعددة الاستخدام لضمان معدلات تدفق دقيقة.
- بناء غرفة الاحتراق. لهذه التجربة، ووضع غرفة الاحتراق 914 ملم طويلة مع قطر خروج 168 ملم.
- الموانئ الحفر لتحليل العادم الاحتراق ولوضع الحرارية على طول غرفة الاحتراق. يعتمد العدد الدقيق وتباعد اللازمة على حجم الشعلة وأغراض التجربة. لهذا الإعداد، الفضاء المزدوجات الحرارية 5 الأولى وضعت الأقرب إلى المنطقة احتراق 7 ملم على حدة. الفضاء النهائية 6 المزدوجات الحرارية 14 ملم على حدة. استخدام نفس تباعد لمنافذ العادم.
- إدراج المزدوجات الحرارية K-نوع في غرفة الاحتراق عبر فتحات الميناء. محاذاة طرف الحرارية في مركز حجرة الاحتراق. حجم الثقوب ميناء لتناسب الحرارية وختم مع الحلقات المعدنية وارتفاع درجة الحرارة والمكسرات لمنع التسرب.
- كونيتيكتإلخ ك من نوع المزدوجات الحرارية مباشرة إلى وحدة الحصول على البيانات.
- ربط وحدة الحصول على البيانات إلى جهاز الكمبيوتر عبر محرك الأقراص USB.
- إرفاق صمام باتجاه واحد في مسار أنابيب النحاس مباشرة بعد MFC الوقود، وقبل أن الموقد. توجيه صمام بحيث تدفق لا يمكن إلا أن الابتعاد عن MFC. صمامات ذات اتجاه واحد هي ميزة أمان هامة لمنع فلاش الظهر.
- تحقق من أنابيب النحاس قبل وبعد الإعداد MFC للكشف عن التسربات. استخدام الماء والصابون تطبق مع فرشاة لأنابيب للكشف عن التسريبات كما تسرب من شأنه أن يخلق فقاعات.
- ربط غرفة الاحتراق والموقد إلى وحدات تحكم السريان عبر أنابيب النحاس.
- بعد الانتهاء من إعداد غرفة الاحتراق، اختر واحدا من الموانئ العادم للاختبار. ربط هذا الميناء لأنابيب النحاس الذي يمتد إلى ميناء تحليل GC.
- حدد حقنة لسحب العادم من غرفة الاحتراق ومن ثم دفعها إلى GC لتحليلها. لهذه التجربة، واستخدام25 مل المحاقن.
- وضع صمام ثلاثي في خط مع أنابيب النحاس ربط منفذ العادم إلى GC. قم بتوصيل أحد اتجاهين صمام إلى GC، والثانية لمنفذ العادم، والثالث إلى الحقنة 25 مل. توصيل أنابيب النحاس إلى 3 في اتجاه وصمام. استخدام حقنة لامتصاص عوادم الاحتراق من الغرفة ومن ثم دفعها إلى GC لتحليلها.
- ربط 3-الطريقة صمام إلى GC والمحاقن. تحفيز المكبس حقنة لضمان نجاح العملية.
ملاحظة: يتم عرض تخطيطي مبسط من الإعداد في الشكل 1.
3. الاحتراق توصيف تجربة 4. تطوير العادم نموذج الاحتراق إعداد اختبار خلية 5. الوقود 
الشكل 1. الاحتراق توصيف التجريبية الإعداد التخطيطي. التدفقات الاحتراق توصيف الإعداد التجريبية الوقود الاداء التخطيطي والهواء والعادم (الأسهم السوداء) وتدفق البيانات (الأسهم الحمراء). وتستخدم في اتجاه واحد الصمامات لمنع فلاش الظهر.
ملاحظة: الرقم 2 هو تخطيطي مبسط يبين إعداد الاختبار MT-الأولى للتمويل. مع الوقود نموذج تم تطويره وإعداد المنشأة للسيطرة على تدفق الوقود نموذج لخلية الوقود، يمكن اختبار يسير وفقا لو التقليديةاا طرق الاختبار الخلية. وتنشأ هذه الأساليب جيدا في الأدب ولن تتكرر هنا. 
الشكل 2. مايكرو أنبوبي بمساعدة لهب التخطيطي إعداد اختبار خلايا الوقود. التدفقات من H 2، CO، CO 2، N 2 (الأسهم السوداء) وينظم مع MFC وفي اتجاه واحد صمام لمنع فلاش الظهر. تدفق الإلكترونات (الخط الأخضر) من SOFC في الفرن لpotentiostat والعودة إلى SOFC. ويمثل تدفق البيانات الحرارية والبيانات الكهروكيميائية التي كتبها السهام الحمراء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يجب فحص غرفة الاحتراق توصيف قبل الاختبار في نسب التكافؤ المطلوب لعودة تدفق الهواء في غرفة أو غيرها من تسرب الهواء أثناء الاختبار. ومن المعروف أن عمليات الاحتراق في غرف مفتوحة ليكون مساوي الضغط تقريبا. ونتيجة لذلك، الضغط داخل غرفة الاحتراق قد لا يكون كافيا لضمان عدم وجود الهواء من البيئة الخارجية يعود تتدفق-في غرفة الاحتراق من ميناء غرفة العادم أو نقاط التسرب أخرى. هناك العديد من التقنيات التجريبية للتأكد من عدم تدفقهم يحدث. أولا، لناسخ غير الحفاز، حدود الغنية القابلية للاشتعال راسخة للعديد من الوقود 18،19. بعد اشتعال، ونسبة تعادل تدفق ينبغي تعديل ببطء حتى وهي تقترب من حد الاشتعال الغنية. إذا كان من الممكن تجاوز حد الاشتعال غنية إلى حد كبير دون تبريد اللهب، ثم هناك أدلة على أن الهواء هو العودة تتدفق-في تيكان غرفة الاحتراق مما أدى إلى خليط أصغر حجما مما هو مرغوب فيه. ويبين الشكل 3 النتائج الأولية التي تم الحصول عليها في الفصل الجاف الميثان احتراق العادم تصل إلى نسبة تعادل 1.85. على الرغم من عدم ظهور في الشكل (3)، فإن لهب لا تطفئ تصل إلى نسبة تعادل 3.97. مع حد الاشتعال الغنية فقط 1.64 أفاد 18، الحصول على نسبة تعادل 3.97 غير ممكن مع الاحتراق غير الحفزي. وتشير هذه النتائج إلى أن هناك تسرب الهواء الى غرفة الاحتراق ومصدرا محتملا هو عودة تدفق من منفذ العادم.
الشكل 3. الأولية عادم الاحتراق التوصيف. تحليل النتائج السابقة لمنع عودة تدفق الهواء إلى غرفة الاحتراق تظهر تقلبات عشوائية من الأنواع. الانحراف عن الاتجاهات المتوقعة يشير إما مزيج غير لائقجي أو الهواء تسرب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
النظر في الحدود العليا من القابلية للاشتعال للاحتراق ليست الطريقة الوحيدة للتأكد من ارتجاع. ومن المؤشرات الثاني من الشكل (3) هو أن الاتجاهات بالنسبة للعديد من الأنواع العادم لا تتبع الاتجاهات المتوقعة. CEA هو أسلوب شائع يستخدم لتقييم المنتجات القابلة للاحتراق التي على أساسها المنتجات مواتية بقوة في ظل ظروف مختلفة من درجة الحرارة والضغط، ونسبة التكافؤ. يوفر CEA وسيلة لتقييم الاتجاهات التي ينبغي أن تكون ملاحظتها في هذه التجربة. النتائج CEA مختلفة لأنواع الوقود شيوعا يمكن العثور عليها في الأدب أو يمكن تقييمها باستخدام البرامج المتقدمة لهذه المهمة. يبين الشكل 4 CEA ينتج عن الأنواع الأولية في الميثان combusti الجاف على العادم. بينما الأنواع العادم كلها تقريبا هو مبين في الشكل 3 تبتعد عن الاتجاهات المتوقعة، O 2 وربما كان الأكثر أهمية. في نسب التكافؤ أكبر من 1، ومن المتوقع القليل جدا يا (2)، أكثر من ذلك يجب أن تستهلك خلال عملية الاحتراق لتشكيل المنتجات القابلة للاحتراق. في حين أن تركيز O 2 منخفض في معظم مجموعة، والحصول على مبلغ أعلى من O 2 في نسبة تعادل 1.75 و 1.85 مقابل خفض نسب التكافؤ وليس من المتوقع. وهذا مؤشر الممكن إما خلط ناقصة أو عودة تدفق من O 2 في غرفة الاحتراق. وعلاوة على ذلك، كشف CH 4 في 1 حجم بالمئة أو أكثر في جميع أنحاء هذا النطاق أيضا مؤشر الممكن خلط غير مكتملة. تحليل الاتجاهات من خلال المقارنة مع نتائج CEA يمكن أن تساعد في تحديد ما إذا كانت هناك عودة تدفق الهواء أو مشاكل خلط المحتملة.
p_upload / 54638 / 54638fig4.jpg "/>
الشكل 4. تحليل التوازن الكيميائي للمنتجات الميثان / هواء الاحتراق. تحليل الاتزان الكيميائي (CEA) أظهرت النتائج التوقعات التوازن الحرارية لتكوين غاز العادم في نسب التكافؤ مختلفة. في حين لا يتطابق مع البيانات التجريبية تماما، يوفر CEA مؤشرا على الاتجاهات المتوقعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تم الكشف عن عودة تدفق الهواء في العادم غرفة الاحتراق ومنعها عن طريق حجب جزء من منفذ العادم غرفة الاحتراق كما هو موضح في قسم المناقشة. بعد حجب جزء من منفذ العادم غرفة الاحتراق زيارتها الحد الغنية القابلية للاشتعال نسبة تعادل ما يقرب من 1.45 لغرفة الاحتراق. مع عودة تدفق منعت، والاحتراقوجرى تقييم العادم في نسب التكافؤ ومعدلات استهلاك الوقود وتدفق الهواء هو مبين في الجدول 1. وقد تم الحصول على معدلات تدفق هو مبين في الجدول رقم 1 في الخطوة 1.5 من البروتوكول باستخدام معادلة 5. الشكل 5 يظهر نتائج الجاف عادم الاحتراق توصيف ل الشروط المبينة في الجدول 1. ويؤكد الشكل 5 أن الاتجاهات الفعلية قابلة للمقارنة مع نتائج CEA هو مبين في الشكل (4). وهذا يوفر بعض المصادقة على النتائج. ومع ذلك، هناك بعض النقاط التي تحيد عن الاتجاهات CEA مثل CO 2 في نسبة تعادل 1.45. جزء من الخطأ في نسبة تعادل 1.45 هو أن الاحتراق يعمل بالقرب من الحد الغنية القابلية للاشتعال، والذي يمكن أن يؤدي إلى عدم الاستقرار داخل اللهب، تبريد والانحرافات الممكن في العينة العادم. وينبغي تكرار التحليل للتأكد من التكرار ودقة النتائج. تعمل تحت الغنية فلوريداويوصى حد ammability الغرفة (على سبيل المثال، حول الحد الأقصى لنسبة تعادل 1.4 في هذا الإعداد).
| نسبة التكافؤ | معدل تدفق غاز الميثان (لتر / دقيقة) | معدل تدفق الهواء (لتر / دقيقة) |
| 0.80 | 10 | 119.0 |
| 0.90 | 10 | 105.8 |
| 1.00 | 10 | 95.0 |
| 1.05 | 10 | 90.6 |
| 1.10 | 10 | 86.5 |
| 1.15 | 10 | 82.8 |
| 1.20 | 10 | 79.3 |
| 1.25 | 10 | 76.1 |
| 1.30 | 10 | 73.2 |
| 1.35 | 70.5 | |
| 1.40 | 10 | 68.0 |
| 1.45 | 10 | 65.7 |
الجدول الميثان توصيف وتدفق الهواء معدلات 1. الاحتراق في متفاوتة نسب التكافؤ. حساب معدلات التدفق المطلوبة يتم مناقشتها في المادة 1 من البروتوكول. وتستخدم المعادلة 5 لحساب معدلات تدفق الهواء على أساس نسبة التكافؤ ومعدل تدفق غاز الميثان ثابتة.
الرقم تحليل توصيف 5. الاحتراق الناتجة عن عادم غاز الميثان / احتراق الهواء. تحسين النتائج التي تم الحصول عليها بعد منع عودة تدفق الهواء الى غرفة الاحتراق. اتجاهات مماثلة لتوقعات CEA توفير الثقة في دقة النتائج. اختبارات متعددة للقد تكون هناك حاجة إلى العادم عندما تحدث انحرافات عن الاتجاهات المتوقعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
مع عوادم الاحتراق تتميز تصل إلى حد الاشتعال غنية، يمكن تطويرها العادم نموذج الاحتراق لاختبار MT-الأولى للتمويل. تطوير عادم الاحتراق نموذج تعتمد عليها الأنواع العادم هي الأكثر ملاءمة لهذه الدراسة. في الدراسات الأولية لFFCS، الاهتمام الرئيسي يتمثل في فهم خصائص أداء خلايا الوقود في العادم الاحتراق مع كميات صغيرة نسبيا من الوقود المتاحة لتحويل الطاقة الكهروكيميائية. وتشمل هذه الخصائص كثافة ذروة السلطة، كثافة التيار، الجهد الدائرة المفتوحة، واستخدام الوقود والكفاءة في النسب التكافؤ مختلفة ودرجات حرارة التشغيل. تعمل في تركيز وقود صغيرة نسبيا هو سشمال شرق من الميزات الأساسية التي ميزت FFCS كما تعمل على العديد من خلايا الوقود مع تركيزات عالية من الوقود وتركيزات منخفضة من الغازات الأخرى بما في ذلك CO 2 و H 2 O والغازات الخاملة وغيرها. لجعل هذا التقييم فقط الغازات المكتشفة في توصيف الاحتراق مع النسب المئوية حجم فوق أدرجت 1٪ في العادم نموذج الاحتراق. ونتيجة لذلك، H 2 فقط، كانت هناك حاجة CO، CO 2 و N 2 إلى تطوير نموذج الغنية وقود العادم الاحتراق للاحتراق غاز الميثان. ويبين الجدول 2 نتائج التقييم توصيف الاحتراق. لمعدل التدفق الكلي على الجانب الموجب للخلية وقود من 300 مل / دقيقة، وتظهر معدلات تدفق من كل نوع كما في الجدول 2.
| نسبة التكافؤ | H 2 حجم٪ | H | CO حجم٪ | CO (مل · دقيقة -1) | CO 2 حجم٪ | CO 2 (مل · دقيقة -1) | N 2 حجم٪ | N 2 (مل · دقيقة -1) | الإجمالي (مل · دقيقة -1) |
| 1.10 | 1.1 | 3.2 | 2.4 | 7.2 | 11.3 | 34.0 | 85.2 | 255.6 | 300 |
| 1.15 | 1.8 | 5.4 | 3.2 | 9.7 | 10.6 | 31.9 | 84.4 | 253.1 | 300 |
| 1.20 | 4.3 | 12.9 | 4.6 | 13.8 | 10.0 | 29.9 | 81.1 | 243.4 | 300 |
| 1.25 | 6.4 | 19.1 | 5.6 | 16.7 | 9.2 | 27.6 | 78.9 | 236.6 | 300 |
| 1.30 | ثمانية | 24.0 | 6.5 | 19.5 | 8.5 | 25.6 | 77.0 | 230.9 | 300 |
| 1.35 | 11.5 | 34.6 | ثمانية | 24.1 | 8.3 | 24.8 | 72.2 | 216.5 | 300 |
| 1.40 | 12.4 | 37.3 | 8.7 | 26.2 | 7.6 | 22.7 | 71.3 | 213.8 | 300 |
ويبين الجدول 2. نموذج عادم الاحتراق تكوين وتدفق أسعار الفائدة. النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها لتوصيف الاحتراق من حيث حجم التجارة صercents من الأنواع المكتشفة. تم تعيين معدل التدفق الكلي للنموذج الغنية وقود الاحتراق العادم للخلايا الوقود إلى 300 مل / دقيقة. يتم حساب معدل تدفق كل الأنواع الفردية عن طريق ضرب معدل التدفق الكلي وحجم في المئة من كل الأنواع.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بروتوكول مناقشتها هنا هو جسر مهم بين البحوث توصيف الاحتراق السابق واختبار خلايا الوقود. وقد تم تطبيق استخدام الاحتراق للوقود إصلاح واختبار خلايا الوقود لعدة سنوات في الاجهزة DFFC 10-15. ومع ذلك، فإن توصيف عملية الاحتراق في DFFCs بشكل اساسي مع توصيف في الموقع من تكوين الشعلة 16 ويستخدم MS 8. وبما أن DFFC منفتح على المحيط، وتكوين العادم يتكون في معظمه من الماء وثاني أكسيد الكربون (2) وليس هناك حاجة إلى توصيف العادم. من أجل تطوير مفهوم الأولى للتمويل مؤخرا إجراء لوصف عادم الاحتراق في غرفة مغلقة جزئيا (أي واحد أن يحافظ على نسبة الوقود والهواء) هو مطلوب. بدلا من استخدام MS، وهو GC ينطبق على تحليل العادم احتراق 7. بعد تميز العادم، طريقة بسيطة لاختبار خلايا الوقود في هذا EXHAUST ذلك ضروريا. في حين أنه من الممكن تطوير جهاز متكامل الموقد وخلايا الوقود اختبار، ويوفر هذا الإجراء خطوة أولية بسيطة يمكن تطبيقها للتحقيق العلمي لأداء خلايا الوقود مع اختلاف التراكيب العادم. في حين أن نهج توصيف الاحتراق هو شائع، وتطبيقه للبحوث الأولى للتمويل هو تطور مهم.
الخطوات الأكثر أهمية في هذا الإجراء هي لضمان أن احتياطات السلامة المناسبة قد اتخذت قبل الإشعال. ولضمان عدم وجود تسرب الهواء الى غرفة الاحتراق. استخدام صمامات ذات اتجاه واحد و / أو مانعات اللهب فضلا عن مواد ارتفاع في درجة الحرارة مهم لسلامة الجهاز والباحثين. كما هو موضح في قسم النتائج، يمكن أن تحدث مجموعة واسعة من نتائج غير صحيحة إذا كان هناك عودة تدفق أو تسرب الآخر من الهواء إلى غرفة الاحتراق. هذا التدفق الخلفي يغير نسبة التكافؤ من الخليط ويمكن أن تخلق مختلفةخلط الأنماط التي خلق نتائج مثل تلك التي تظهر في الشكل (3).
في حين طريقتين لتحديد ما إذا كانت هناك عودة تدفق الهواء الى غرفة الاحتراق وقد تم بالفعل وصفها، هناك طريقة ثالثة لتحديد ما إذا كان هذا يحدث. هذه الطريقة بتقييم ببساطة إذا استمر الشعلة لحرق عند تشغيل MFC للهواء خارج. في هذه العملية الاحتراق قبل مختلطة يتم تزويد الهواء الوحيد للتفاعلات الاحتراق من خلال MFC. بعد اشتعال، يمكن أن تحول العرض الجوي قبالة بينما يتم ترك الوقود على. سوف الشعلة اطفاء في غياب الهواء. وإذا استمر الاحتراق، ثم عودة تدفق الهواء الى غرفة الاحتراق يحدث. بعد تحديد أن هناك عودة تدفق الهواء الى غرفة الاحتراق، ومنع تدفق الخلفي من الهواء الضروري قبل المتابعة. يمكن إصلاح المشكلة تكون بسيطة نسبيا. عوادم الاحتراق حار وبالتالي أقل المزدهر، الذي يؤدي إلى الارتفاع إلى الأعلى من الاحتراقغرفة. سوف تحدث أي عودة تدفق الهواء إلى نهاية غرف في الجزء السفلي من الغرفة. بعد حجب القسم السفلي من غرف الاحتراق منفذ العادم، والتقنيات الثلاث المذكورة أعلاه لا يمكن أن يؤديها مرة أخرى لضمان عدم وجود الهواء الخلفي المتدفقة-في الغرفة. تفترض هذه المناقشة أن الغرفة قد تم التحقق من وجود تسرب. وينبغي أيضا أن يتم التحقق منها خلط كامل عن طريق ضمان أن أي غاز الميثان المكتشف بكميات ضئيلة والقياسات GC للتكرار.
بعد تميز عادم الاحتراق وتطوير تركيبة نموذج الاحتراق العادم، وهناك مجموعة من التطبيقات للاختبار خلايا الوقود. يصف القسم بروتوكول تطبيق معين من هذه التقنية ل-أنبوبي الصغيرة اختبار SOFC. ومع ذلك، يمكن تطبيق نفس الإجراء الأساسي لاختبار هندستها خلية الوقود الأخرى بما في ذلك مستو وSOFCs أنبوبي أكبر. يمتد البروتوكول أيضا لاختبار تصاميم كومة إما الهندسة. بالإضافة الىوالبروتوكول لا يقتصر على غاز الميثان كوقود. ويمكن تمديد هذه الطريقة إلى الألكانات الأخرى وقود الكحول التي لديها أيضا إمكانيات كبيرة لجيل من H 2 CO ومن عمليات الاحتراق الغنية الوقود.
بينما بروتوكول صفها العديد من التطبيقات التي تعزز تطوير FFCS، هناك قيود على هذه التقنية. تم إنشاء بروتوكول لاختبار إمكانية SOFCs العاملة في مختلف عمليات الاحتراق الغنية الوقود والوقود. ويلاحظ إمكانية عندما تعمل على خلايا الوقود في العادم الغنية وقود نموذجية. على وجه التحديد، فإن المؤشرات الرئيسية لأداء واعد وتشمل كثافة عالية الطاقة، والكثافة الحالية، واستخدام الوقود والجهد الدائرة المفتوحة التي تحققت في خلية الوقود. ومع ذلك، وتطوير وقود نموذج فقط مع الأنواع أهم الحالية تحد من الدراسات التي يمكن أن تتم. على سبيل المثال، تشغيل SOFCs في العادم نموذج الاحتراق لاختبار المدى الطويل هو ممكن، ولكن أنار قد لا توفر أفضل مؤشر على خصائص الأداء على المدى الطويل الفعلية للخلية وقود. وعلى المدى الطويل، بعض الأنواع النادرة في عوادم الاحتراق يمكن أن تصبح ضارة على أداء SOFCs. اختبار هذه النتائج تتطلب التكامل التام لSOFC مع ناسخ الفعلي وعادم الاحتراق الكامل. في حين أن هذه القيود موجودة، هذه التقنية لا يزال يوفر وسيلة بسيطة وتسيطر عليها لتقييم أداء FFCS ويحتمل أن يكون في المستقبل إلى مناطق توليد الطاقة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gas chromotograph | SRI Instruments, Inc. | SRI 8610C | |
| K type thermocouples | Omega | KQXL-116G-6 | Custom length |
| K type thermocouple extension wire | Omega | EXTT-K-20-SLE-100 | |
| Mass flow controller | Omega | FMA5427 | 0-40 L/min (N2) Used for methane |
| Mass flow controller | Omega | FMA5443 | 0-200 L/min (N2) Used for air |
| Mass flow controller | Omega | FMA5402A | 0-10 ml/min (N2) Used for CO |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 200 SCCM (Propane) Used for CO2 |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 5 L/min (Air) Used for N2 |
| Mass flow controller | Brooks Instrument | SLA5850 | 500 SCCM (N2) Used for H2 |
| Regulator | Harris Products Group | HP721-125-350-F | Methane tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-050-590-E | Air tank |
| Regulator | Airgas | Y11-SR145B | CO tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-050-320-E | CO2 tank |
| Regulator | Airgas | Y12-215B | N2 tank |
| Regulator | Harris Products Group | HP702-015-350-D | H2 tank |
| Methane, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1971 | Extremely Flammable |
| Air, Compressed, Ultra pure |
Airgas | UN1002 | Not classified as hazardous to health. |
| CO, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1016 | Toxic by inhalation, Extremely flammable |
| CO2, Compressed, Research grade |
Airgas | UN1013 | Asphyxiant in high concentrations |
| N2, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1066 | Not classified as hazardous to health. |
| H2, Compressed, Ultra high purity |
Airgas | UN1049 | Extremely flammable, burns with invisible flame |
| Source meter | Tektronix, Inc. | Keithley 2420 | Connects to computer via USB |
| Horizontal split tube furnace | MTI Corportation | OTF-1200X | |
| Data acquisition | National Instruments | NI cDAQ-9172 | Connects to computer via USB |
| Thermocouple input | National Instruments | NI 9211 | Connects to cDAQ-9172 |
| Computer control for Mass Flow Controllers | National Instruments | NI 9263 | Connects to cDAQ-9172 Computer control for Mass Flow Controllers |
| Testing software | National Instruments | LabVIEW 8.6 | |
| Ceramabond | Aremco | 552-VFG | 1 Pint |
References
- Gorte, R. J. Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells. AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).
- Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems. J. Power Sources. 306, 148-151 (2016).
- Horiuchi, M., Suganuma, S., Watanabe, M. Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids. J. Electrochem. Soc. 151 (9), A1402-A1405 (2004).
- Starik, A. M., Kuleshov, P. S., Loukhovitski, B. I., Titova, N. S. Theoretical study of partial oxidation of methane by non-equilibrium oxygen plasma to produce hydrogen rich syngas. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (32), 9872-9884 (2015).
- Katta, V. R., et al. On flames established with jet in cross flow of fuel-rich combustion. Fuel. 150, 360-369 (2015).
- Maruta, K., et al. Extinction limits of catalytic combustion in microchannels. P. Combustion Institute. 29 (1), 957-963 (2002).
- Ahn, J., Eastwood, C., Sitzki, L., Ronney, P. D. Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners. P. Combustion Institute. 30 (2), 2463-2472 (2005).
- Kӧhler, M., Oßwald, P., Xu, H., Kathrotia, T., Hasse, C. Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions. Chemical Engineering Science. 139, 249-260 (2016).
- Ahn, J., Ronney, P. D., Shao, Z., Haile, S. M. A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Science and Technology. 6 (4), 041004 (2009).
- Wang, K., Milcarek, R. J., Zeng, P., Ahn, J. Flame-assisted fuel cells running methane. Int. J. Hydrogen Energy. 40 (13), 4659-4665 (2015).
- Wang, K., Zeng, P., Ahn, J. High performance direct flame fuel cell using a propane flame. P. Combust. Inst. 32 (2), 3431-3437 (2011).
- Wang, Y. Q., Shi, Y. X., Yu, X. K., Cai, N. S., Li, S. Q. Integration of solid oxide fuel cells with multi-element diffusion flame burners. J. Electochem. Soc. 160 (11), F1241-F1244 (2013).
- Horiuchi, M., et al. Performance of a solid oxide fuel cell couple operated via in situ catalytic partial oxidation of n-butane. J. Power Sources. 189 (2), 950-957 (2009).
- Wang, Y., et al. The study of portable direct-flame solid oxide fuel cell (DF-SOFC) stack with butane fuel. J. Fuel Chem. Technol. 42 (9), 1135-1139 (2014).
- Wang, K., et al. A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame. J. Power Sources. 177 (1), 33-39 (2008).
- Sun, L., Hao, Y., Zhang, C., Ran, R., Shao, Z. Coking-free direct-methanol-flame fuel cell with traditional nickel-cermet anode. Int. J. Hydrogen Energy. 35 (15), 7971-7981 (2010).
- Zeng, P., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Effects of sintering temperature on the performance of SrSc0.1Co0.9O3-δ oxygen semipermeable membrane. Braz. J. Chem. Eng. 32 (3), 757-765 (2015).
- Turns, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. , 2nd ed., McGraw-Hill. New York. (2000).
- Glassman, I., Yetter, R. A., Glumac, N. G. Combustion. , 4th ed., Academic Press. Waltham, MA. (2015).
