Introduction
תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC) חידושים דווחו בשנים האחרונות ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתפתח. בין היתרונות הרבים, SOFCs הפך ידוע צריך דלק גבוה, פליטה נמוכה וגמישות דלק מתונה לעומת טכניקות ייצור חשמל מבוסס בעירה אחרת 1. יתר על כן, SOFCs הם מדרגים המאפשרים צריכת דלק גבוהה אפילו בקני מידה קטנות. למרבה הצער, מגבלות בתשתיות מימן נוכחיות יצרו צורך במערכות רפורמת דלק כי הם בדרך כלל לא יעילים. ההתפתחות האחרונה היא תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע הלהבה (MT-FFC) שדווח העבודה הקודם של המחבר 2. MT-FFC הוא הדוגמה הראשונה של תא דלק להבה בסיוע (FFC) שבונה על היתרונות של תא דלק להבה ישירה המקורי (DFFC), אשר מספק הדור חום ודלק רפורמה באמצעות בעירה 3. התקנת DFFC מציבה SOFC במגע ישיר עם להבה פתוחה envir הסביבהonment. הלהבה חלקית מתחמצנים דלקים פחמימניים כבדים כדי ליצור H 2 ו- CO, אשר ניתן להשתמש בהם ישירות SOFC עם פוטנציאל פחות עבור coking פחמן לעומת מתאן טהור או פחמימנים כבדים אחרים. בנוסף, הלהבה מספקת את האנרגיה התרמית צורך להביא את SOFC לטמפרטורת ההפעלה שלה. שינוי שבוצע לאחרונה על DFFC המקורי התרחש ידי הזזת SOFC אל מחוץ לאזור הלהבה ותקשור שנפלט אל SOFC כדי ליצור את FFC 2. בניגוד DFFC, הבעירה מתרחשת בתא סגור חלקית (במקום הסביבה) כך דלק יחס אוויר יכול להיות נשלט, והפיח יכול להיות מוזן ישירות לתא הדלק ללא שריפה שלמה התרחשות. יש FFCs יתרונות נוספים כולל ניצול דלק גבוה ויעילות חשמלית גבוהה לעומת DFFCs 2.
כתחום מחקר המתעוררים, ניסיוני בטכניקות נדרשים שיכולים להעריך את הפוטנציאל של MT-FFCs עבור יישומי ייצור חשמל בעתיד. טכניקות אלה דורשים ניתוח חמצון חלקי, או בעירה עשיר-דלק, ואת הפליטה אשר זוהה כדרך לייצר H 2 ו- CO, הידוע גם בשם גז סינתטי, יחד עם CO 2 ו- H 2 O. הסינגז ניתן להשתמש ישירות בתאי דלק לייצור חשמל. הניתוח של פליטה בעירה עשירי דלק כבר מבוסס היטב בשנים האחרונות בוצע באופן תיאורטי 4, מחשוב 5,6 ו ניסיוני 7 למטרות שונות. רבים מן המחקרים התיאורטיים חישובית יש לסמוך על ניתוח שיווי משקל כימי (CEA) כדי להעריך את מיני מוצר הבעירה כי הם אנרגטיים חיוביים, ומודלי קינטיקה כימיים עבור מנגנוני תגובה. בעוד שיטות אלה היו מאוד שימושיות, רבי טכנולוגיות מתפתחות יש לסמוך על טכניקות ניסוי במהלך מחקר ופיתוח. ניסיוני בטכניקות בדרך כלל לסמוך על anaתמוגה של הפליטה בעירה או באמצעות כרומטוגרפיה גזית (GC) 7 או ספקטרומטר מסה (MS) 8. כך או הקו / מזרק GC או חללית MS מוכנס לתוך פליטת הבעירה ומדידות נלקחות להעריך את ריכוז המינים. יישום של שיטות ניסיוניות היה נפוץ בתחום ייצור חשמל בקנה מידה קטן. כמה דוגמאות כוללות combustors מיקרו אשר פותחו לפעול עם SOFCs תא בודד 7,9 ו DFFCs 10-15. הניתוח של פליטת הבעירה מתרחש תחת מגוון רחב של תנאי הפעלה כוללים טמפרטורות שונות, ספיקות ויחסי שקילות.
בתחום מחקר DFFC, דלק ו החמצון יכול להיות חלקי מעורבב מראש או שאינו מעורבב מראש, עם המבער פתוח הסביבה מבטיחה שריפה שלמה. עם צורך לנתח את הרכב הלהבה, MS נוצל בעבר במקרים רבים לניתוח מחקר בעירת DFFC 16. ההתפתחות האחרונה יותר של FFC שונה על ידי הסתמכות על בעירת premixed עם הצורב בסביבה סגורה חלקית למנוע חמצון מלא של הדלק. כתוצאה מכך, ניתוח של פליטת הבעירה בסביבה מבוקרת ללא דליפת אוויר נחוץ. ניסיוני בטכניקות שפותחו למטרה זו מסתמכות על הטכניקות הקודמות משמשות למחקר combustor מייקרו עם ניתוח GC של פליטת הבעירה על יחסי שקילות שונים. ניתוח GC מוביל אפיון של רכב פליטת בעירה (כלומר, אחוז עוצמת הקול של כל מרכיבי פליטה כולל 2 CO, H 2 O, N 2, וכו ') ניתוח זה מאפשר ערבוב של גזים נפרדים על פי היחסים נמדדים על ידי GC ליצור פליטת בעירת מודל עשיר דלק למחקר FFC בעתיד.
הפרוטוקולים לניתוח פליטת בעירה עשיר-דלק, מפתחת פליטת בעירת מודל עשיר דלק ולהחילing המפלט לבדיקת SOFC מוקמים במאמר זה. אתגרים ומגבלות נפוצים נדונים לטכניקות אלה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. חישובים שרפים
- בחר דלק לניתוח. הנה, לבחור מתאן כדלק ההתייחסות, אבל העקרונות הם להעברה של דלקים פחמימניים אחרים.
- עם 1 חפרפרת של מתאן כדלק, משוואת איזון (1) עבור בעירת stoichiometric להגיע למשוואה (2).
- חשב את יחס אוויר דלק עבור stoichiometric (F / A stoich.) כמו במשוואה 3 עבור בעירה מתאן על ידי חלוקת המסה של מתאן על ידי המסה של האוויר. כדי לחשב, המונה הוא המספר מולי פעמים מתאן המסה הטוחנת של מתאן (16 גרם · mol -1) מכנה הוא המספר מולי פעמי חמצן המסה הטוחנת של חמצן (32 גרם · mol -1) בתוספת המספר מולי פעמי חנקן המסה של חנקן הטוחנת (28 גרם · mol -1).
- על מנת לגוון את היחס השקיל (משוואת 4), להשתנות או את קצב זרימת האוויר, קצב זרימת הדלק או שניהם בו זמנית. בדרך כלל, לתקן אחד הכמויות ולגוון את השני. ברר אם לתקן או את קצב זרימת דלק או אוויר עבור הצורב. לצורך ניסוי זה, לתקן את קצב זרימת הדלק ב 10 ליטר / דקה ולאפשר את קצב זרימת האוויר להשתנות כלול בהגדרה זו.
- עם קצב זרימת הדלק, f, קבועים (10 L / min), F / A סטואית. מחושב (0.0583), ולאור הגדרת היחס השקיל, לחשב את קצב זרימת אוויר, עבור כל יחס שקיל להיבדק. משוואה (5) מספק דרך ישירה חישוב שיעור זרימת אוויר L / דקה עבור כל יחס שקיל ואת התוצאות מוצגות על יחס שקיל של 1 עבור ורכב.
הערה: פלאם העליוןגבול היכולת (או גבול פיצוץ עליון) הוא היחס השקיל העשיר שיכול להישרף ללא מרווית ההלהבה בהיעדר זרז. יחסי שקילות גבוהים ניתן להשיג עם השימוש בקטליזאטור, אבל רק בעירה שאינה קטליטי מתוארת במאמר זה. התייעץ בספרות להעריך את גבול דליקות העליון על הדלק הנבחר.
2. הגדרת ניסוי האפיון שרפה
- בחר בקרי זרימה המוניים (MFCs) עבור מתאן אוויר מבוסס על הספיקות שהושגו בשלב 1.5. היזהר בעת בחירת גודל MFC כדי להבטיח כי MFC לא יהיה לפעול בסוף הנמוך של הטווח שלו (<10% של ערך בהיקף מלא) במהלך הבדיקה. במקרה הספציפי הזה, השתמש 40 L / min ו -200 ליטר / דקה MFCs מתאן ואוויר, בהתאמה.
- חבר את MFCs אל הטנקים מתאן אוויר דרך צינורות נחושת.
- הגדר את הרגולטורים על הטנקים מתאן ואוויר ללחץ המתאים עבור MFC כמפורטעל ידי היצרן. במקרה זה, קבע את הלחץ 138 kPa (20 psi).
- כייל את MFCs כדי להבטיח ספיקה מדויקת.
- לבנות תא הבעירה. לצורך ניסוי זה, לפתח תא בעירה 914 מ"מ אורך בקוטר 168 מ"מ יציאה.
- יציאות מקדחה לניתוח פליטת בעירה עבור מיקום תרמי לאורכו של תא הבעירה. המספר המדויק ואת הרווחים הנדרשים תלוי בגודל של הלהבה ואת מטרות הניסוי. עבור התקנה זו, צמדי 5 החלל הראשונים להציב קרובים לאזור בעירה מזה 7 מ"מ. שטח 14 מ"מ זה מזה 6 הצמדים הסופיים. השתמש באותו והריווח של יציאות פליטה.
- הכנס את הצמדים מסוג K לתוך תא הבעירה באמצעות חורי הנמל. יישר את הקצה התרמי במרכז תא הבעירה. גודל החורים יציאת כך שיתאימו תרמי ולאטום עם ferrules ואגוזים מתכת בטמפרטורה גבוהה כדי למנוע דליפה.
- קונטיקטect צמדים מסוג K ישירות למודול רכישת נתונים.
- חבר את מודול רכישת נתונים למחשב באמצעות כונן USB.
- צרף שסתום חד כיווני בנתיב הצינורות הנחושים מייד לאחר MFC הדלק ממש לפני הצורב. אוריינט את הצינור כדי זרימה שיכולה רק להתרחק MFC. השסתומים חד סטרי הם תכונה בטיחות חשוב למנוע חזרה פלאש.
- בדקו את הצינורות נחושת לפני ואחרי התקנת MFC דליפות. השתמש במי סבון מיושמים עם מברשת על הצינורות כדי לזהות דליפות כמו דליפות תיצורנה בועות.
- חבר את התא צורב בעירה אל בקרי זרימה ההמוניים באמצעות צינורות נחושת.
- לאחר השלים התקנת תא הבעירה, בחר אחד נמלי הפליטה לבדיקה. חבר יציאה זו כדי צינורות נחושים המשתרעים לנמל ניתוח GC.
- בחר מזרק כדי למשוך את הפליטה של תא הבעירה ולאחר מכן לדחוף אותו לתוך GC לניתוח. לצורך ניסוי זה, להשתמש25 מ"ל מזרק.
- מניחים שסתום משולש בקנה אחד עם הצינורות הנחושים חיבור יציאת הפליטה של מכונת GC. חבר קצה אחד של שסתום דו כיווני אל GC, השני ליציאת הפליטה והשלישי המזרק 25 מ"ל. חבר את צינורות הנחושת אל שסתום 3 הכיוונים. השתמש המזרק למצוץ פליטת בעירה מהאולם ואז לדחוף אותו לתוך GC לניתוח.
- חבר את שסתום 3-הדרך אל GC ומזרק. להניע את הבוכנה במזרק כדי להבטיח ביצוע מוצלח.
הערה: סכימטי מפושט של ההתקנה מוצג באיור 1.
3. ניסוי אפיון שרפה פיתוח 4. הפליטה שרפה הדגם הגדרת בדיקות 5. תא דלק 
באיור 1. אפיון שרפה ניסיוני ההתקנה סכמטית. אפיון שרפה התקנה ניסיונית דלק מראה סכמטי, אוויר ותזרימי הפליטה (חיצים שחורים) ותזרימי נתונים (חצים אדומים). כיוון אחד שסתום משמש כדי למנוע חזרה פלאש.
הערה: איור 2 הוא סכימטי פשוט מראה את התקנת בדיקות MT-FFC. עם דלק המודל שפותח ואת ההתקנה הוקמה עבור שליטה על זרימת דלק המודל לתא הדלק, בדיקות יכולות להמשיך על פי f הקונבנציונליUEL שיטות בדיקת תא. שיטות אלה מבוססות היטב בספרות לא תחזורנה על עצמו כאן. 
איור 2. סכמטי ההתקנה בדיקות תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע להבה. המזומנים של H 2, CO, CO 2, N 2 (חיצים שחורים) מוסדרים עם MFC ושסתום חד כיווני למניעת פלאש בחזרה. האלקטרונים זורמים (הקו הירוק) מן SOFC בכבשן אל potentiostat ובחזרה SOFC. זרימת נתונים תרמיים ונתוני אלקטרוכימיים מיוצגת על ידי חצים אדומים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תא אפיון הבעירה צריך להיבדק לפני בדיקה על יחסי שקילות הרצוי עבור גב זרימת האוויר לתוך התא או דליפת אוויר אחרת במהלך בדיקה. תהליכי שריפה בתאים פתוחים ידועים להיות כמעט isobaric. כתוצאה מכך, לחץ בתוך תא הבעירה לא יכול להיות מספיק כדי לוודא ששום אוויר מן הסביבה החיצונית הוא חזרה זורם לתוך תא הבעירה מנמל הפליטה הקאמרית או נקודות דליפה אחרות. ישנן מספר שיטות ניסיוניות כדי לאשר שאף זרימת לאחור מתרחשת. ראשית, עבור צורב הלא קטליטי, הגבולות עשירים הדליקים מבוססים היטב עבור דלקים רבים 18,19. לאחר הצתה, היחס השקיל של הזרימה צריך להיות מותאם לאט עד שהוא מתקרב לגבול הדליקות העשיר. אם ההגבלה הדליקה העשירה יכולה להיות חריגה משמעותית ללא מרווית להבה, אז יש ראיות כי אוויר גב זורם לתוך tהוא תא הבעירה וכתוצאה מכך תערובת רזה מהרצוי. איור 3 מציג תוצאות ראשוניות שהתקבלו עד הפליטה בעירה מתאן יבש ליחס שקילות של 1.85. אמנם לא מוצג באיור 3, הלהבה לא הרוותה עד יחס שקיל של 3.97. עם גבול דליקות עשיר של רק 1.64 דיווחו 18, השיג יחס שקיל של 3.97 אינו אפשרי עם בעירה שאינה קטליטי. תוצאות אלו מצביעות כי יש דליפת אוויר לתוך תא הבעירה ומקור אפשרי הוא חזרה זרימת משקע הפליטה.
איור 3. ראשוני פליטת בעירת אפיון. תוצאות ניתוח לפני מניעת גב זרימת האוויר לתוך מופע תא בעירת תנודות אקראיות של מינים. סטיית מגמות צפויות מציינת תערובת פסולהדליפת ing או אוויר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
בחינת הגבולות העליונים של דליקות עבור combustor אינה הדרך היחידה לבדוק אם backflow. אינדיקציה שנייה איור 3 היא כי המגמות במשך כמה ממיני הפליטה לא פעלו מגמות צפויות. CEA היא טכניקה נפוצה המשמשת כדי להעריך את תוצרי השריפה מבוססים על אילו מוצרים הם נוחים אנרגטיים בתנאים שונים של טמפרטורה, לחץ, ויחס שקיל. CEA מספק דרך להעריך מגמות כי צריך להיות נצפה בניסוי הזה. תוצאות CEA שונים לדלקים הנפוצים ניתן למצוא בספרות או ניתן להעריך באמצעות תוכנות שפותחו עבור משימה זו. איור 4 מראה את CEA תוצאות עבור המין העיקרי combusti מתאן יבש על פליטה. בעוד כמעט כל מיני פליטה שמוצגים באיור 3 חורגים מגמות צפויות, O 2 הוא אולי החשוב ביותר. בשעה יחסי שקילות גדול מ -1, מעט מאוד O 2 צפוי כמו רוב זה צריך להיות נצרך בעת שריפה להיווצר תוצרי השריפה. בעוד ריכוז O 2 הוא נמוך ביותר של הטווח, קבלת סכום גבוה יותר של O 2 ב יחס שקיל של 1.75 ו 1.85 לעומת להנמיך יחסי שקילות לא צפוי. זוהי אינדיקציה אפשרית של ערבוב לא מושלמים או גב זרימת O 2 לתוך תא הבעירה. יתר על כן, גילוי CH 4 ב 1 אחוז נפח ומעלה בכל מגוון זה הוא גם אינדיקציה אפשרית של ערבוב שלם. ניתוח מגמה באמצעות השוואה עם תוצאות CEA יכול לעזור לציין אם יש גב זרימת האוויר או בעיות ערבוב אפשריות.
p_upload / 54,638 / 54638fig4.jpg "/>
איור 4. ניתוח ש"מ של מוצרים מתאן / אוויר בעירה. ניתוח ש"מ (CEA) תוצאות מראות תחזיות שיווי משקל תרמודינמי להרכב גזי הפליטה ב יחסי שקילות שונים. בעוד נתוני הניסוי אינו תואם באופן מושלם, CEA מספק אינדיקציה למגמות הצפויות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
חזרה-זרימת אוויר פליטת תא הבעירה זוהתה ומונעת ידי חסימת חלק צינור פליטת תא בעירה כמתוארת בסעיף הדיון. לאחר חסימת חלק צינור פליטת תא הבעירה הוא הגבול העשיר דליקות היה יחס שקיל של כ 1.45 עבור תא הבעירה. עם מנעה-זרימה לאחור, הבעירהפליטה הוערכה על יחסי שקילות ודלק וזרימת אוויר התעריפים המוצגים בטבלה 1. ספיקות שניתן לראות בטבלה 1 התקבלו בשלב 1.5 של פרוטוקול בעזרת משוואה 5. איור 5 מראה את התוצאות של אפיון הפליטה בעירה יבש עבור תנאים שניתן לראות בטבלת 1. איור 5 מאשרים כי המגמות בפועל ניתנות להשוואה לתוצאות CEA שמוצגות באיור 4. זה מספק כמה אימות של התוצאות. עם זאת, יש כמה נקודות שאינן עולות בקנה אחד מגמות CEA כגון CO 2 ב יחס שקיל של 1.45. חלק מן השגיאה יחס שקיל של 1.45 הוא כי combustor פועל קרוב לגבול העשיר דליק, אשר עלול לגרום לחוסר יציבות בתוך מרווית הלהבה, האפשרית וסטיות במדגם הפליטה. הניתוח יש לחזור על מנת להבטיח את הדירות ואת הדיוק של התוצאות. הפעלה מתחת-fl העשירגבול ammability של החדר (למשל, סביב יחס שקילות מקסימלית של 1.4 כלולים בהגדרה זו) מומלץ.
| יחס שקילות | קצב הזרימה מתאן (L / min) | קצב זרימת אוויר (L / min) |
| 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 |
שיעורים בטבלה 1. מתאן וזרימת אוויר אפיון שרפה על יחסי שקילות שונים. חישוב הספיקות הנדרשות נדונו בסעיף 1 של הפרוטוקול. משוואה 5 משמשת לחישוב ספיקות אוויר בהתאם ליחס השקיל בקצב זרימה מתאן קבוע.
איור 5. ניתוח ואפיון שרפה מן פליטת בעירה מתאן / אוויר. שיפור בתוצאות שהתקבלו לאחר מניעת גב זרימת האוויר לתוך תא הבעירה. המגמות דומות לתחזיות CEA מתן אמון הדיוק של התוצאות. בדיקות מרובות שלהמפלט עשוי להיות נחוץ כאשר סטיות מן המגמות הצפויות להתרחש. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
עם פליטת הבעירה המאופיינת עד לגבול הדליקות העשיר, מפלט בעירת מודל ניתן לפתח לבדיקת MT-FFC. פיתוח של פליטת בעירת מודל תלוי אילו מיני פליטה הם רלוונטיים ביותר עבור המחקר. במחקרים ראשוניים של FFCs, העניין העיקרי הוא בהבנת מאפייני ביצועי תא הדלק מצינורות פליטת בעירה עם כמויות קטנות יחסית של דלק זמינה עבור המרת אנרגיה אלקטרוכימית. מאפיינים אלה כוללים צפיפות חשמל בשעות שיא צריכה, צפיפות זרם, מתח מעגל פתוח, ניצול דלק ויעילות על יחסי שקילות שונים וטמפרטורות הפעלה. הפעלה בריכוז דלק קטן יחסית הוא one של המאפיינים העיקריים המבדילים FFCs בתאי דלק רבים פועלים עם ריכוזים גבוהים של דלק וריכוזים נמוכים של גזים אחרים כולל CO 2, H 2 O ו גזים אצילים בין היתר. כדי להפוך הערכה זו רק גזים מזוהים באפיון הבעירה עם אחוזי עוצמת קול מעל 1% נכללו פליטת בעירת מודל. כתוצאה מכך, רק H 2, CO, CO 2 ו- N 2 נדרשו לפתח פליטת בעירת מודל עשיר דלק הבעירה מתאן. הטבלה 2 מראה את תוצאות הערכת אפיון בעירה. עבור קצב הזרימה הכולל בצד האנודה של תא דלק של 300 מ"ל / דקה, ספיקות של כל מין גם מוצגים בלוח 2.
| יחס שקילות | H 2% בנפח | H | % נפח CO | CO (מ"ל · דקות -1) | CO 2% בנפח | CO 2 (מ"ל · דקות -1) | N 2% בנפח | N 2 (מ"ל · דקות -1) | סה"כ (מ"ל · דקות -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 | 8.0 | 24.0 | 6.5 | 19.5 | 8.5 | 25.6 | 77.0 | 230.9 | 300 |
| 1.35 | 11.5 | 34.6 | 8.0 | 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 |
שיעורי רכב ותזרים טבלת 2. דגם בעירת פליטה. תוצאות שהושגו על אפיון הבעירה מוצגים נפח percents של מינים שזוהו. קצב הזרימה הכולל של פליטת בעירת מודל עשיר דלק עבור תאי הדלק נקבע ל -300 מיליליטר / דקה. קצב הזרימה של כל מינים בודדים מחושב על ידי הכפלת קצב הזרימה הכולל ואחוז הנפח של כל מין.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקול נדון כאן הוא גשר חשוב בין מחקר אפיון בעירה הקודם ובדיקת תא דלק. השימוש בעירה עבור דלק רפורמה ובדיקה תא דלק יושם במשך מספר שנים setups DFFC 10-15. עם זאת, האפיון של תהליך בעירת DFFCs הוא מודאג בעיקר עם אפיון באתרו של רכב הלהבה 16 והשתמש MS 8. ככל DFFC פתוחה הסביבה, רכב הפליטה מורכב בעיקר ממים ו- CO 2 ואפיון של הפליטה אינו נחוץ. על מנת לפתח את רעיון FFC האחרון הליך לאפיון פליטת הבעירה בתא סגור חלקית (כלומר, אחד שמשומר על יחס האוויר-דלק) היא זקוקה. במקום באמצעות MS, GC ישים לניתוח פליטת בעירה 7. לאחר המאפיינת את הפליטה, שיטה פשוטה לבדיקת תאי דלק בתוך exh זהאאוסט הכרחי. למרות זאת, ניתן לפתח מנגנון בדיקה צורבת ותא דלק משולב במלואם, הליך זה מספק צעד ראשון פשוט שיכול להיות מיושם על חקירה מדעית של ביצועי תא דלק עם קומפוזיציות פליטה משתנות. בעוד שגישת אפיון בעירה נפוצה, היישום שלה למחקר FFC הוא התפתחות חשובה.
השלבים הקריטיים ביותר בהליך זה הם על מנת להבטיח כי אמצעי זהירות בטיחות נאותה ננקטה לפני ההצתה; ועל מנת להבטיח כי אין דליפת אוויר לתוך תא הבעירה. השימוש שסתומים חד כיווניים ו / או arrestors להבה כמו גם חומרים בטמפרטורה גבוהה חשוב לשלומם של המנגנון והחוקרים. כפי שניתן לראות בקטע התוצאות, מגוון רחב של תוצאות שגויות יכול להתרחש אם יש גב זרימה או דליפה אחרת של אוויר לתוך תא הבעירה. גב זרימה זו משנה את היחס השקיל של התערובת יכולה ליצור שונהערבוב דפוסים שיוצרים תוצאות כמו אלה שמוצגים באיור 3.
בעוד שתי שיטות לקביעה אם יש גב זרימת האוויר לתוך תא הבעירה כבר תוארה, יש דרך שלישית של קביעה אם זה מתרחש. שיטה זו פשוט מעריכה אם הלהבה ממשיכה לבעור כאשר MFC לאוויר כבוי. בתהליך הבעירה טרום מעורב באוויר רק לתגובות בעירה מסופק באמצעות MFC. לאחר הצתה, את אספקת האוויר יכולה להיות כבויה ואילו הדלק נותר על. הלהבה תיכבה בהיעדר אוויר. אם הבעירה ממשיכה, אז לגבות זרימה של אוויר לתוך תא הבעירה מתרחשת. לאחר שקבע כי יש גב זרימת האוויר לתוך תא הבעירה, מניעת זרימת אוויר הגב היא הכרחית לפני שתמשיך. תיקון הבעיה יכול להיות פשוט יחסית. מפלט הבעירה חם ולכן פחות קליל, אשר גורם לו לעלות לחלק העליון של הבעירהתָא. כל גיבוי זרימת האוויר לתוך הסוף התאי תתרחש בתחתית התא. לאחר החסימה בחלק התחתון של צינור הפליטה לתאי בעירה, את השלוש הטכניקות מתוארות לעיל יכול להתבצע שוב כדי לוודא ששום אוויר גב זורם לתוך התא. דיון זה מבוסס על ההנחה כי הקאמרי כבר בדק עבור דליפות. ערבוב שלם צריך להיות מאומת גם על ידי הבטחה כי כל מתאן המאותר הוא בכמויות זעירות ואת מידות GC הם דיר.
לאחר המאפיינת את פליטת הבעירה ופיתוח רכב פליטת בעירת מודל, יש מגוון של יישומים עבור בדיקות תא דלק. באזור פרוטוקול מתאר היישום הספציפי של טכניקה זו לבדיקה SOFC מיקרו-צינורי. עם זאת, באותו ההליך בסיסי ניתן ליישם לבדיקת גיאומטריות תא דלק אחרות כולל מישוריים SOFCs צינורי גדול. הפרוטוקול גם מרחיב בדיקות עיצובי מחסנית או גיאומטריה. בנוסף, הפרוטוקול אינו מוגבל מתאן כדלק. השיטה יכולה להתארך עד אלקאנים אחרים ודלקי אלכוהול שיש גם פוטנציאל משמעותי עבור דור של H 2 ו- CO מתהליכי בעירה עשירי דלק.
בעוד הפרוטוקול המתואר יש יישומים רבים כי קידום הפיתוח של FFCs, יש מגבלות על טכניקה זו. הפרוטוקול הוקם כדי לבחון את האפשרות של SOFCs הפעלה בתהליכי בעירת דלק עשיר שונים ודלקים. הפוטנציאל הוא ציין כאשר תאי דלק לפעול למצות הדלק עשירי מודל. באופן ספציפי, אינדיקטורים המרכזיים של ביצועי מבטיח כוללים צפיפות הספק גבוהה, צפיפות זרם, ניצול דלק מתח מעגל פתוח שהושג תא הדלק. עם זאת, פיתוח של דלק דגם עם זנים החשובים ביותר רק ההווה מגביל את הלימודים שיכולים להתנהל. לדוגמא, הפעלת SOFCs פליטת בעירת מודל לבדיקה לטווח ארוכה אפשרית, אבל אניt לא יכול לספק את האינדיקציה הטובה ביותר של מאפייני ביצועים בפועל בטווח הארוך של תא הדלק. בטווח הארוך, כמה מיני קורט מפלט הבעירה עשוי להיות מזיק ביצועי SOFCs. בדיקת התוצאות הללו מחייב שילוב מלא של SOFC עם מבער בפועל לבין פליטת השריפה השלמה. בעוד מגבלות אלה נמצאות, הטכניקה עדיין מספקת אמצעי פשוט ומבוקר של הערכת ביצועי FFCs ופוטנציאל כמו מקורות עתיד של ייצור חשמל.
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).
