Introduction
pile à combustible à oxyde solide (SOFC) innovations ont été rapportés au cours des dernières années que la technologie continue de se développer. Parmi les nombreux avantages, les SOFC sont devenus connus pour un rendement énergétique élevé, de faibles émissions et la flexibilité de carburant modérée par rapport à d' autres techniques de production d'énergie de combustion sur la base 1. En outre, les SOFC sont évolutives permettant un rendement énergétique élevé, même à petite échelle. Malheureusement, les limitations dans l'infrastructure de l'hydrogène en cours ont créé un besoin pour des systèmes de carburant de reformage qui sont souvent inefficaces. Un développement récent est la pile à combustible assistée flamme micro-tubulaire (mT-FFC) a rapporté dans les travaux antérieurs de l'auteur 2. Le mT-FFC est le premier exemple d'une pile à combustible assistée flamme (FFC) qui se fonde sur les avantages de la cellule d' origine de la flamme directe de carburant (DFFC), qui fournit la production de chaleur et de reformage de combustible par combustion 3. La configuration DFFC place une SOFC en contact direct avec une flamme ouverte à l'envir ambianteonnement. La flamme s'oxyde partiellement combustibles hydrocarbures plus lourds pour créer H 2 et du CO, qui peut être utilisé directement dans la SOFC avec moins de risques de cokéfaction du carbone par rapport au méthane pur ou d' autres hydrocarbures plus lourds. En outre, la flamme fournit l'énergie thermique nécessaire pour amener la SOFC à sa température de fonctionnement. Un changement récent à la DFFC originale est produite en déplaçant la SOFC hors de la zone de flamme et de canaliser les gaz d' échappement de combustion à la SOFC pour créer le FCF 2. A la différence du DFFC, la combustion se produit dans une chambre partiellement fermée (au lieu de la température ambiante), de sorte que le rapport du combustible à l'air peut être contrôlé et le gaz d'échappement peut être directement introduit dans la pile à combustible sans se produit une combustion complète. CPF ont des avantages supplémentaires , y compris l' utilisation de carburant élevée et une efficacité électrique par rapport à DFFCs 2.
En tant que domaine de recherche, les techniques expérimentales sont nécessaires permettant d'évaluer le potentiel de mT-FFCs pour les futures applications de production d'énergie. Ces techniques nécessitent une analyse d'oxydation partielle ou de combustion riche en combustible, et les gaz d' échappement qui a été identifié comme un moyen de génération de H 2 et CO, également connu sous le nom de gaz de synthèse, de même que le CO 2 et H 2 O. Le gaz de synthèse peut être utilisé directement dans les piles à combustible pour la production d'électricité. L'analyse des gaz d'échappement de combustion riche en combustible a été bien établie au cours des dernières années et a été réalisée théoriquement 4, informatiquement 5,6 et expérimentalement 7 pour de nombreuses fins différentes. Bon nombre des études théoriques et informatiques se sont appuyés sur l'analyse de l'équilibre chimique (CEA) pour évaluer les espèces de produits de combustion qui sont énergétiquement favorable, et les modèles cinétiques chimiques pour les mécanismes de réaction. Bien que ces méthodes ont été très utiles, de nombreuses technologies émergentes se sont appuyés sur des techniques expérimentales pendant la recherche et le développement. Les techniques expérimentales reposent généralement sur anala lyse des gaz d' échappement de combustion utilisant un chromatographe en phase gazeuse (GC) 7 ou un spectromètre de masse (MS) 8. Soit la GC ligne / seringue ou la sonde MS est insérée dans l'échappement de combustion et les mesures sont prises pour évaluer la concentration des espèces. L'application des techniques expérimentales a été commune dans le domaine de la petite production d'électricité à grande échelle. Voici quelques exemples de micro combustion qui ont été développés pour fonctionner avec SOFC simple chambre 7,9 et DFFCs 10-15. L'analyse des gaz d'échappement de combustion se produit dans une large gamme de conditions de fonctionnement, y compris des températures, des débits et des rapports d'équivalence.
Dans le domaine de la recherche DFFC, le combustible et l'oxydant peut être partiellement pré-mélangé ou non pré-mélangé avec le brûleur ouvert à l'atmosphère ambiante qui assure une combustion complète. Avec la nécessité d'analyser la composition de la flamme, un MS a été utilisé dans de nombreux cas pour DFFC la recherche et l' analyse de combustion 16. Le développement plus récent de la FFC diffère en se basant sur la combustion pré-mélangée avec le brûleur dans un environnement partiellement fermé pour empêcher l'oxydation complète du carburant. Par conséquent, l'analyse des gaz d'échappement de combustion dans un environnement contrôlé exempt de fuites d'air est nécessaire. Les techniques expérimentales développées à cet effet reposent sur les techniques antérieures utilisées pour la recherche de combustion micro avec une analyse de GC de l'échappement de combustion à des rapports d'équivalence variables. L'analyse par GC conduit à la caractérisation de la composition des gaz d'échappement de combustion ( par exemple, le pour cent en volume de chaque constituant d'échappement comprenant du CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Cette analyse permet de mélanger des gaz séparés en fonction des rapports mesurés par le GC pour créer un modèle d'échappement de combustion riche en combustible pour les futures recherches FFC.
Les protocoles d'analyse de gaz d'échappement de combustion riche en combustible, le développement d'un modèle d'échappement de combustion riche en combustible et appliquerment les gaz d'échappement pour les tests SOFC sont établis dans le présent document. défis et limites communes sont discutées pour ces techniques.
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Protocol
1. Les calculs de combustion
- Sélectionnez le carburant pour l'analyse. Ici, choisissez le méthane comme combustible de référence, mais les principes sont transférables à d'autres combustibles hydrocarbonés.
- Avec 1 mole de méthane comme combustible, l'équation d'équilibrage (1) pour la combustion stoechiométrique pour obtenir l'équation (2).
- Calculer le rapport air-carburant stoechiométrique pour (F / A stoich.) Comme dans l' équation 3 pour la combustion du méthane en divisant la masse du méthane par la masse d'air. Pour calculer le numérateur est le nombre de moles de temps de méthane de la masse molaire de méthane (16 g.mol -1) , et le dénominateur est le nombre de moles de temps de l' oxygène de la masse molaire de l' oxygène (32 g.mol -1) plus le nombre de moles de l' azote multiplié par la masse molaire de l' azote (28 g · mol -1).
- Pour faire varier le rapport d'équivalence (équation 4), modifier soit le débit d'écoulement d'air, le débit d'écoulement de carburant, ou les deux simultanément. En règle générale, fixer une des quantités et de modifier l'autre. Déterminer si de fixer soit le débit de carburant ou de l'air pour le brûleur. Pour cette expérience, fixer le taux d'écoulement de carburant à 10 L / min et permet le débit d'air pour faire varier dans cette configuration.
- Avec le taux de carburant de débit, f, fixe (10 L / min), F / A stoïques. calculé (0,0583), et compte tenu de la définition du rapport d'équivalence, calculer le débit d'air, un, pour chaque rapport d'équivalence à tester. L'équation (5) fournit un moyen direct de calculer le débit d'air en L / min pour chaque rapport d'équivalence et les résultats sont présentés pour un rapport d'équivalence de 1 pour stoechiométrie.
NOTE: Le flamm supérieurelimite de capacité (ou limite supérieure d'explosion) est la plus riche rapport d'équivalence qui peut être brûlé sans trempe la flamme en l'absence d'un catalyseur. des rapports d'équivalence supérieurs peuvent être obtenus avec l'utilisation d'un catalyseur, mais seulement une combustion non catalytique est décrit dans le présent document. Consultez la documentation pour évaluer la limite supérieure d'inflammabilité du combustible choisi.
Configuration 2. Combustion Caractérisation expérimentale
- Sélectionnez régulateurs de débit massique (MFC) pour le méthane et l'air sur la base des débits obtenus à l'étape 1.5. Faites preuve de prudence lors de la sélection d'une taille de MFC pour veiller à ce que le MFC ne sera pas opérant à l'extrémité inférieure de sa gamme (<10% de la valeur pleine échelle) au cours des essais. Pour ce cas précis, utiliser 40 L / min et 200 L / min MFCs pour le méthane et l'air, respectivement.
- Connecter les MFCs aux réservoirs de méthane et de l'air par l'intermédiaire d'un tube en cuivre.
- Réglez les régulateurs sur les réservoirs de méthane et de l'air à la pression appropriée pour le MFC comme spécifiépar le fabricant. Dans ce cas, régler la pression à 138 kPa (20 psi).
- Calibrer les MFCs pour assurer des débits précis.
- Construire la chambre de combustion. Pour cette expérience, développer une chambre de combustion de 914 mm de long avec un diamètre de sortie 168 mm.
- orifices des trous pour l'analyse des gaz d'échappement de combustion et un thermocouple pour le placement le long de la longueur de la chambre de combustion. Le nombre exact et l'espacement nécessaire dépend de la taille de la flamme et les besoins de l'expérience. Pour cette configuration, l'espace des 5 premières thermocouples placés le plus proche de la région de combustion 7 mm. Espacez les 6 derniers thermocouples 14 mm d'intervalle. Utiliser le même espacement entre les orifices d'échappement.
- Insérez les thermocouples de type K dans la chambre de combustion via les trous de port. Aligner la pointe du thermocouple au centre de la chambre de combustion. Taille des trous de port pour adapter le thermocouple et sceller avec des embouts et des écrous pour empêcher les fuites métalliques haute température.
- Connecticutect des thermocouples de type K directement au module d'acquisition de données.
- Connecter le module d'acquisition de données à l'ordinateur via le lecteur USB.
- Fixer une valve unidirectionnelle dans le trajet d'un tube de cuivre immédiatement après le MFC de carburant et juste avant le brûleur. Orientez la vanne de sorte que le flux ne peut se déplacer loin du MFC. Les clapets anti-retour sont un élément important de sécurité pour éviter un retour de flamme.
- Vérifiez la tuyauterie de cuivre avant et après l'installation MFC pour les fuites. Utiliser de l'eau savonneuse appliqué avec une brosse au tube pour détecter les fuites que les fuites seraient créer des bulles.
- Connecter la chambre de combustion et le brûleur aux régulateurs de débit massique par l'intermédiaire d'un tube en cuivre.
- Après avoir terminé la configuration de la chambre de combustion, sélectionnez l'un des ports d'échappement pour les essais. Raccorder cet orifice à un tube de cuivre qui se prolonge vers l'orifice d'analyse par GC.
- Sélectionnez une seringue pour tirer l'échappement de la chambre de combustion et poussez-le dans le GC pour l'analyse. Pour cette expérience, on utilise une25 ml seringue.
- Placer une vanne à trois voies conforme à la tuyauterie en cuivre reliant l'orifice d'échappement vers le CPG. Connecter une extrémité de la vanne à deux voies au CPG, le second à l'orifice d'échappement et la troisième à la seringue 25 ml. Connecter le tube de cuivre à la vanne 3 voies. Utilisez la seringue pour aspirer échappement de combustion de la chambre, puis la pousser dans le GC pour l'analyse.
- Branchez le vanne 3 voies à la GC et la seringue. Actionner le piston de la seringue pour assurer un fonctionnement efficace.
REMARQUE: Un schéma simplifié de l'installation est représentée sur la figure 1.
3. Combustion Caractérisation Experiment 4. Développement de l'échappement Modèle Combustion 5. Fuel Setup Cell Test 
Flux Figure 1. Caractérisation de combustion expérimentale configuration schématique. Caractérisation de combustion dispositif expérimental schéma montrant carburant, d' air et d' échappement (flèches noires) et des flux de données (flèches rouges). valves à sens unique sont utilisés pour empêcher un retour de flamme.
REMARQUE: la figure 2 est un schéma simplifié montrant la configuration de test mT-FCF. Avec le carburant du modèle mis au point et la mise en place pour commander l'écoulement de carburant du modèle pour la pile à combustible, l'essai peut se poursuivre selon f conventionneluel méthodes de test des cellules. Ces méthodes sont bien établies dans la littérature et ne seront pas répétés ici. 
Figure 2. Micro-tubulaire configuration de test de pile à combustible schématique assisté à la flamme. Flux de H 2, CO, CO 2, N 2 (flèches noires) sont réglées avec un MFC et un clapet anti-retour pour éviter un retour de flamme. Electrons débit (ligne verte) de la SOFC dans le four au potentiostat et revenir à la SOFC. Flux de données de thermocouple et les données électrochimique est représenté par des flèches rouges. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Representative Results
La chambre de caractérisation de combustion doit être vérifiée avant l'essai dans les rapports d'équivalence souhaités pour le reflux de l'air dans la chambre ou une autre fuite d'air pendant l'essai. Les procédés de combustion dans des chambres ouvertes sont connus pour être à peu près isobare. En conséquence, la pression dans la chambre de combustion peut ne pas être suffisant pour garantir que l'air de l'environnement extérieur est de nouveau fluide dans la chambre de combustion à partir de l'orifice chambre d'échappement ou d'autres points de fuite. Il existe plusieurs techniques expérimentales pour confirmer que pas à contre-courant se produit. Tout d' abord, pour un brûleur non catalytique, les limites riches d' inflammabilité sont bien établis pour de nombreux combustibles 18,19. Après l'allumage, le rapport d'équivalence de l'écoulement doit être ajusté lentement jusqu'à ce qu'elle se rapproche de la limite d'inflammabilité riche. Si la limite d'inflammabilité riche peut être dépassée de manière significative sans flamme trempe, alors il est évident que l'air est de retour-coule dans til chambre de combustion , résultant en un mélange plus maigre que souhaité. La figure 3 montre les résultats initiaux obtenus pour la combustion du méthane sec échappement à un rapport d'équivalence de 1,85. Bien que ne figure pas dans la figure 3, la flamme n'a pas étancher jusqu'à un rapport d'équivalence de 3,97. Avec une limite d'inflammabilité riche de seulement 1,64 rapporté 18, l' obtention d' un rapport d'équivalence de 3,97 est pas possible avec la combustion non catalytique. Ces résultats indiquent qu'il y a une fuite d'air dans la chambre de combustion et une source possible est à contre-courant de la sortie d'échappement.
Résultats Figure 3. Première échappement de combustion. Caractérisation de l' analyse avant empêcher le flux d'air dans la chambre de combustion montrent des fluctuations aléatoires des espèces. Déviation de tendances attendues indique soit une mauvaise combinaisonfuites ing ou de l' air. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
L'examen des limites supérieures d'inflammabilité pour la chambre de combustion ne sont pas le seul moyen de vérifier pour disconnecteur. Une deuxième indication de la figure 3 est que les tendances pour plusieurs espèces d'échappement ne suivent pas les tendances attendues. CEA est une technique courante qui est utilisée pour évaluer les produits de combustion à base de produits qui sont énergétiquement favorable dans différentes conditions de température, de pression, et le rapport d'équivalence. CEA fournit un moyen d'évaluer les tendances qui devraient être observables dans cette expérience. Résultats différents CEA pour les combustibles courants peuvent être trouvés dans la littérature ou peuvent être évalués à l' aide de logiciels développés pour cette tâche. La figure 4 montre les résultats de la CEA pour les espèces primaires en combusti méthane sec sur échappement. Alors que presque toutes les espèces d'échappement présentés dans la figure 3 écartent des tendances attendues, O 2 est peut - être le plus important. A des rapports d'équivalence supérieurs à 1, très peu de O 2 est prévu que la majeure partie doit être consommé pendant la combustion pour former des produits de combustion. Alors que la concentration en O 2 est faible dans la plupart de la gamme, l' obtention d' une plus grande quantité d'O 2 à un rapport d'équivalence de 1,75 et 1,85 par rapport à la baisse des ratios d'équivalence ne devrait. Ceci est une indication possible soit d'un mélange incomplet ou à contre-courant d'O 2 dans la chambre de combustion. En outre, la détection de CH 4 à 1 pour cent en volume ou plus dans toute cette gamme est également une indication possible d' un mélange incomplet. L'analyse des tendances par comparaison avec les résultats du CEA peut aider à indiquer s'il est à contre-courant d'air ou de problèmes de mélange possibles.
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Figure 4 Analyse chimique des produits de méthane / air de combustion à l' équilibre. L' analyse d'équilibre chimique (CEA) montrent les résultats des prédictions d'équilibre thermodynamique pour la composition des gaz d'échappement à différents rapports d'équivalence. Bien que les données expérimentales ne correspond pas tout à fait, le CEA fournit une indication des tendances attendues. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Contre-courant d'air à l'échappement de la chambre de combustion a été détectée et empêchée en bloquant une partie de l'orifice d'échappement de la chambre de combustion telle que décrite dans la section de discussion. Après le blocage d'une partie de l'orifice d'échappement de la chambre de combustion, la limite d'inflammabilité riche en avait un rapport d'équivalence d'environ 1,45 pour la chambre de combustion. Avec le reflux empêché, la combustionéchappement a été évalué dans les rapports d'équivalence et débits de carburant et d'air dans le Tableau 1. Les débits indiqués dans le tableau 1 ont été obtenues à l' étape 1.5 du protocole en utilisant l' équation 5. La figure 5 montre les résultats de la caractérisation des gaz d'échappement de combustion à sec pour la conditions indiquées dans le tableau 1. Figure 5 confirme que les tendances actuelles sont comparables aux résultats du CEA illustrés à la figure 4. Ceci donne une certaine validation des résultats. Cependant, il y a quelques points qui dévient des tendances CEA tels que le CO 2 à un rapport d'équivalence de 1,45. Une partie de l'erreur à un rapport d'équivalence de 1,45 est que le brûleur fonctionne près de la limite d'inflammabilité riche, ce qui peut entraîner des instabilités au sein de la flamme, la trempe et les écarts possibles dans l'échantillon de gaz d'échappement. L'analyse doit être répétée pour assurer la répétabilité et la précision des résultats. Fonctionnement en dessous du riche fllimite d'inflammabilité de la chambre (par exemple, autour d' un rapport d'équivalence maximum de 1,4 dans cette configuration) est recommandée.
| rapport Equivalence | Débit de méthane (L / min) | Débit d'air (L / min) |
| 0,80 | dix | 119,0 |
| 0.90 | dix | 105,8 |
| 1.00 | dix | 95,0 |
| 1,05 | dix | 90,6 |
| 1.10 | dix | 86,5 |
| 1.15 | dix | 82,8 |
| 1.20 | dix | 79,3 |
| 1.25 | dix | 76,1 |
| 1.30 | dix | 73,2 |
| 1,35 | 70,5 | |
| 1,40 | dix | 68,0 |
| 1.45 | dix | 65,7 |
Tableau 1. Combustion la caractérisation de méthane et de débit d'air à des taux variables des rapports d'équivalence. Calcul des débits requis sont discutés dans la section 1 du protocole. L'équation 5 est utilisée pour calculer les débits d'écoulement d'air sur la base du rapport d'équivalence et un débit de méthane fixe.
Figure 5. Combustion analyse de caractérisation des gaz d'échappement de méthane / d'air de combustion. Des résultats améliorés obtenus après empêcher le flux d'air dans la chambre de combustion. Les tendances sont similaires aux prévisions du CEA assurant la confiance dans l'exactitude des résultats. Plusieurs tests deles gaz d' échappement peut être nécessaire lorsque des écarts par rapport aux tendances attendues se produisent. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Avec l'échappement de combustion caractérisée à la limite d'inflammabilité riche, l'échappement modèle de combustion peut être développé pour les tests mT-FCF. Le développement des gaz d'échappement modèle de combustion dépend des espèces d'échappement qui sont les plus pertinentes pour l'étude. Dans les études initiales de CPF, l'intérêt principal est de comprendre les caractéristiques de performance de piles à combustible dans l'échappement de combustion avec des quantités relativement faibles de carburant disponibles pour la conversion d'énergie électrochimique. Ces caractéristiques comprennent la densité de puissance de crête, la densité de courant, la tension en circuit ouvert, l'utilisation du combustible et de l'efficacité à différents rapports d'équivalence et de températures de fonctionnement. Opérant dans une concentration relativement faible de carburant est onir des principales caractéristiques qui distinguent CPF autant de piles à combustible fonctionnent avec des concentrations élevées de carburant et de faibles concentrations d'autres gaz comme du CO 2, H 2 O et des gaz inertes , entre autres. Pour effectuer cette évaluation seulement des gaz détectés dans la caractérisation de la combustion avec des pourcentages de volume supérieur à 1% ont été inclus dans l'échappement modèle de combustion. Par conséquent, seul H 2, CO, CO 2 et N 2 ont été nécessaires pour élaborer un modèle d' échappement de combustion riche en combustible pour la combustion du méthane. Le tableau 2 montre les résultats de l'analyse des caractéristiques de combustion. Pour un débit total sur le côté anode de la pile à combustible de 300 ml / min, le taux de chaque espèce d'écoulement sont également indiqués dans le tableau 2.
| Ratio Equivalence | H 2% en volume | H | Volume de CO% | CO (ml · min -1) | CO 2% en volume | CO 2 (ml · min -1) | N 2% en volume | N 2 (ml · min -1) | Total (ml · min -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 |
Tableau 2. Modèle d' échappement de combustion composition et les débits. Les résultats expérimentaux obtenus pour la caractérisation de la combustion sont présentés comme le volume percents des espèces détectées. Le débit total du modèle de gaz d'échappement de combustion riche en combustible pour des piles à combustible a été fixé à 300 ml / min. Le taux de chaque espèce d'écoulement est calculée en multipliant le débit total et le pour cent en volume de chaque espèce.
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Discussion
Le protocole décrit ici est un pont important entre la recherche de la caractérisation de la combustion précédente et les essais de piles à combustible. L'utilisation de la combustion pour le carburant de reformage et d' essais de piles à combustible a été appliquée pendant plusieurs années dans les configurations DFFC 10-15. Cependant, la caractérisation du processus de combustion dans DFFCs est principalement lié à la caractérisation in situ de la composition de la flamme 16 et utilise un MS 8. Comme le DFFC est ouvert à l'atmosphère ambiante, la composition des gaz d'échappement se compose principalement d'eau et de CO 2 et la caractérisation des gaz d' échappement ne soit pas nécessaire. Afin de développer le concept de la récente FCF une procédure pour caractériser les gaz d' échappement de combustion dans une chambre partiellement fermée ( par exemple, une qui maintient le rapport air-carburant) est nécessaire. Au lieu d'utiliser une sclérose en plaques, un GC est applicable pour l' analyse des gaz d'échappement de combustion 7. Après avoir caractérisé le gaz d'échappement, un procédé simple pour tester les piles à combustible au sein de cette échaust est nécessaire. Bien qu'il soit possible de développer un appareil d'essai du brûleur et la pile à combustible entièrement intégré, cette procédure prévoit une étape initiale simple qui peut être appliqué pour la recherche scientifique de la performance des piles à combustible avec des compositions variables d'échappement. Bien que l'approche de la caractérisation de la combustion est commune, son application pour la recherche FCF est un développement important.
Les étapes les plus critiques de cette procédure doivent veiller à ce que les mesures de sécurité appropriées ont été prises avant l'allumage; et faire en sorte qu'il n'y ait pas de fuite d'air dans la chambre de combustion. L'utilisation de clapets anti-retour et / ou des pare-flammes ainsi que des matériaux à haute température est importante pour la sécurité de l'appareil et les chercheurs. Comme indiqué dans la section des résultats, un large éventail de résultats incorrects peut se produire s'il y a un reflux ou une autre fuite d'air dans la chambre de combustion. Cette contre-courant modifie le rapport d'équivalence du mélange et peut créer différentsmélanger des motifs qui créent des résultats comme ceux de la figure 3.
Alors que les deux méthodes permettant de déterminer s'il y a un reflux d'air dans la chambre de combustion ont déjà été décrits, il existe un troisième moyen pour déterminer si cette situation se produit. Cette méthode évalue simplement si la flamme continue à brûler lorsque le MFC pour l'air est éteint. Dans ce procédé de combustion pré-mélangé le seul de l'air pour les réactions de combustion est alimentée par le MFC. Après l'allumage, l'alimentation en air peut être coupée alors que le carburant est laissé sur. La flamme s'éteint en l'absence d'air. Si la combustion se poursuit, à contre-courant d'air dans la chambre de combustion se produit. Après avoir déterminé qu'il y a à contre-courant d'air dans la chambre de combustion, ce qui empêche le reflux de l'air est nécessaire avant de procéder. La fixation du problème peut être relativement simple. Les gaz d'échappement de combustion est chaud et donc moins porteur, ce qui provoque à atteindre le sommet de la combustionchambre. Tout à contre-courant d'air dans l'extrémité des chambres se fera au fond de la chambre. Après avoir bloqué la partie inférieure de l'orifice d'échappement des chambres de combustion, les trois techniques décrites ci-dessus peut être effectuée à nouveau pour faire en sorte que l'air est de retour à écoulement dans la chambre. Cette discussion suppose que la chambre a déjà été vérifiée pour les fuites. Le mélange complet devrait également être vérifiée en faisant en sorte que tout le méthane détecté est en quantités infimes et les mesures de GC sont répétables.
Après avoir caractérisé le gaz d'échappement de combustion et le développement de la composition modèle d'échappement de combustion, il existe une gamme d'applications pour les essais de piles à combustible. La section du protocole décrit une application spécifique de cette technique pour le test de micro-SOFC tubulaire. Cependant, la même procédure de base peut être appliquée pour l'essai d'autres géométries de pile à combustible comprenant SOFC planaire et tubulaires plus grandes. Le protocole étend également à tester des conceptions de la pile soit pour la géométrie. en outreLe protocole ne se limite pas au méthane comme combustible. Le procédé peut être étendu à d' autres alcanes et les alcools carburants qui ont également un potentiel important pour la production de H 2 et CO provenant de procédés de combustion riches en combustible.
Alors que le protocole décrit a de nombreuses applications que la poursuite du développement de CPF, il y a des limites à cette technique. Le protocole a été mis en place pour tester la possibilité de SOFC fonctionnant dans différents processus et combustibles combustion riches en combustible. Le potentiel est observé lorsque les piles à combustible fonctionnent dans le modèle d'échappement riche en combustible. Plus précisément, les indicateurs clés de performances prometteuses comprennent la densité de puissance élevée, la densité de courant, l'utilisation de carburant et tension en circuit ouvert réalisé dans la pile à combustible. Cependant, le développement d'un carburant modèle avec seulement les espèces les plus importantes présentes limite les études qui peuvent être conduites. Par exemple, l'exploitation des SOFC dans l'échappement modèle de combustion pour les essais à long terme est possible, mais jet peut ne pas fournir la meilleure indication des caractéristiques de performance à long terme effectives de la pile à combustible. À long terme, certaines des espèces de traces dans les gaz d'échappement de combustion peut devenir préjudiciable à la performance des SOFC. Le test de ces résultats nécessite l'intégration complète de la SOFC avec un brûleur réelle et l'échappement de la combustion complète. Bien que ces limitations sont présentes, la technique fournit encore un moyen simple et contrôlé d'évaluation FFCs performance et le potentiel en tant que futures sources de production d'énergie.
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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 |
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