Introduction
ТОТЭ (SOFC) инновации были зарегистрированы в последние годы, поскольку технология продолжает развиваться. Среди многих преимуществ, ТОТЭ стали известны высокой топливной эффективностью, низким уровнем выбросов и умеренной гибкости топлива по сравнению с другими методами сгорания на основе выработки электроэнергии 1. Кроме того, SOFCs масштабируемы позволяет высокой топливной эффективностью даже при малых масштабах. К сожалению, ограничения в существующей инфраструктуре водородной создали необходимость риформинга топлива систем, которые часто бывают неэффективными. Недавнее развитие микро-трубчатой пламени при содействии топливных элементах (Mt-ФФС) сообщили в авторской предыдущей работе 2. МТл-ФФС является первым примером пламени при содействии топливного элемента (FFC) , которая основывается на преимуществах первоначального прямого пламени топливного элемента (DFFC), которая обеспечивает генерацию тепла и риформинга топлива через 3 сгорания. Установка DFFC помещает ТОТЭ в непосредственном контакте с пламенем открытой для окружающей среды Environment. Пламя частично окисляет более тяжелых углеводородных топлив для создания Н 2 и СО, которые могут быть использованы непосредственно в ТОТЭ с меньшим потенциалом углерода коксования по сравнению с чистым метаном или других тяжелых углеводородов. Кроме того, пламя обеспечивает тепловую энергию, необходимую для приведения ТОТЭ до рабочей температуры. Недавнее изменение к первоначальному DFFC произошло путем перемещения ТОТЭ из зоны пламени и направления дымового на ТОТЭ для создания ФФС 2. В отличие от DFFC, происходит сгорание в частично закрытой камере (вместо температуры окружающей среды), так что топливо соотношение воздуха к можно контролировать и выхлопные газы могут быть непосредственно подается в топливный элемент, не происходит полное сгорание. FFCS имеют дополнительные преимущества , в том числе высокий коэффициент использования топлива и высокой электрической эффективностью по сравнению с DFFCs 2.
В качестве новой области исследований, необходимы экспериментальные методы, которые могут оценить потенциал Mt-FFCs для будущих применений выработки электроэнергии. Эти методы требуют анализа частичного окисления, или обогащенного топливом сгорания и выхлопа , которое было идентифицировано как способ генерации Н 2 и СО, также известный как синтез - газ, наряду с СО 2 и H 2 O. Синтез-газ может быть использован непосредственно в топливных элементах для производства электроэнергии. Анализ топлива богатых выхлопных газов сгорания , хорошо установлено в последние годы , и было проведено теоретически 4, в вычислительном отношении 5,6 и экспериментально 7 для различных целей. Многие из теоретических и расчетных исследований опирались на химическое равновесие анализа (CEA) для оценки видов продуктов сгорания, которые являются энергетически выгодным, а также химические кинетические модели механизмов реакции. Хотя эти методы были очень полезны, многие новые технологии полагались на экспериментальных методов в ходе исследований и разработок. Экспериментальные методы, как правило, полагаются на анализис выхлопе сгорания с использованием либо газовый хроматограф (ГХ) 7 или масс - спектрометр (MS) , 8. Либо ГХ линия / шприц или зонд МС вставляется в выхлоп сгорания и измерения проводятся с целью оценки концентрации видов. Применение экспериментальных методов было распространено в области малого масштаба производства электроэнергии. Некоторые примеры включают микро камеры сгорания , которые были разработаны для работы с однокамерных ТОТЭ и 7,9 DFFCs 10-15. Анализ выхлопных газов сгорания происходит в широком диапазоне условий эксплуатации, включая различных температур, скоростей потока и коэффициентов эквивалентности.
В области DFFC исследований, топлива и окислителя может быть частично предварительно перемешанной смеси или не с предварительным смешиванием, с горелкой, открытой для окружающей среды, что обеспечивает полное сгорание. При необходимости анализа состава пламени, МС используется во многих случаях для DFFC исследований и анализа сгорания 16, Более поздние развитие ФФС отличается, опираясь на предварительно перемешанной сгорания с горелкой в частично замкнутом пространстве, чтобы предотвратить полное окисление топлива. В результате анализа выхлопных газов сгорания в контролируемой среде, свободной от утечки воздуха необходим. Экспериментальные методы, разработанные для этой цели опираются на более ранние методы, используемые для исследования микро камеры сгорания с ГХ анализа выхлопных газов сгорания при различных соотношениях эквивалентности. ГХ - анализ приводит к характеристике дымовом состава (т.е. объемный процент каждого компонента выхлопного включая СО 2, Н 2 О, N 2, и т.д.) Этот анализ позволяет смешивание отдельных газов в соответствии с коэффициентами , измеренными GC создать модель топлива богатых выхлопных газов сгорания для будущих исследований FFC.
Протоколы для анализа топлива богатых выхлопных газов сгорания, разработка модели топлива богатых выхлопных газов сгорания и применятьИНГ выхлопные газы для тестирования ТОТЭ устанавливаются в этой статье. Общие проблемы и ограничения обсуждаются для этих методов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Расчеты горения
- Выбор топлива для анализа. Здесь, выбрать метан в качестве эталонного топлива, но принципы могут быть перенесены на другие углеводородные топлива.
- С 1 моль метана в качестве топлива, уравнение баланса (1) для стехиометрического сгорания, чтобы получить уравнение (2).
- Рассчитывают соотношение топливо-воздух для стехиометрического (F / A стехиометрическа.) , Как в уравнении 3 для сжигания метана путем деления массы метана на массу воздуха. Чтобы вычислить, числитель число молей метана раз молярная масса метана (16 г · моль -1) и знаменатель есть число молей кислорода раз молярная масса кислорода (32 г · моль -1) плюс число молей азота раз молярная масса азота (28 г · моль -1).
- Для того, чтобы варьировать соотношение эквивалентности (уравнение 4), либо варьировать скорость потока воздуха, расход топлива, или оба одновременно. Как правило, исправить одну из величин и изменяются с другой стороны. Определите, следует ли установить либо расход топлива или воздуха для горелки. Для этого эксперимента, зафиксировать расход топлива при 10 л / мин и позволяют скорость потока воздуха, чтобы варьировать в этой установке.
- При расходе топлива потока, F, фиксированной (10 л / мин), F / A стоически. вычисляется (0,0583), а также учитывая определение отношения эквивалентности, рассчитать расход воздуха, а, для каждого отношения эквивалентности для тестирования. Уравнение (5) обеспечивает прямой способ расчета расхода воздуха в л / мин, для каждого коэффициента эквивалентности, и результаты показаны на эквивалентное отношение, равное 1 для стехиометрии.
Примечание: Верхняя Флэммограничение способности (или верхний предел взрываемости) является самым богатым отношение эквивалентности, которое может быть сожжено без гашения пламени в отсутствие катализатора. Более высокие отношения эквивалентности могут быть получены с использованием катализатора, но только не каталитическое горение описано в данной работе. Обратитесь к литературе, чтобы оценить верхний предел воспламеняемости для топлива выбранного.
2. Установка горения Характеристика Экспериментальная
- Выбор регуляторов массового расхода (MFCS) для метана и воздуха на основе скорости потока, полученных на шаге 1.5. Будьте внимательны при выборе размера MFC, чтобы гарантировать, что МФЦ не будет работать на нижнем конце его диапазона (<10% от значения полной шкалы) во время тестирования. Для этого конкретного случая, использовать 40 л / мин и 200 л / мин MFCS для метана и воздуха, соответственно.
- Подключите MFCS к метана и баллоны с воздухом с помощью медных труб.
- Установите регуляторы на Метан и баллоны с воздухом до соответствующего давления для MFC, как указаноизготовителем. В этом случае установите давление до 138 кПа (20 фунтов на квадратный дюйм).
- Калибруйте MFCS для обеспечения точной скорости потока.
- Построить камеру сгорания. Для этого эксперимента разработать камеру сгорания 914 мм длиной с диаметром выхода 168 мм.
- Дрель отверстия для дымовом анализа и термопарой размещения по длине камеры сгорания. Точное число и расстояние между ними требуется, зависит от размера пламени и целей эксперимента. Для этой установки, космические первые 5 Термопары размещены ближе всего к области горения 7 мм друг от друга. Пространство заключительных 6 термопарами 14 мм друг от друга. Используйте один и тот же интервал для выпускных отверстий.
- Вставьте термопары K-типа в камеру сгорания через отверстия порта. Выравнивание кончик термопары в центре камеры сгорания. Размер отверстия порта, чтобы соответствовать термопару и уплотнение с металлическими наконечниками и гайками, чтобы предотвратить утечку высокой температуры.
- КоннЭСТ термопары K-типа непосредственно к модулю сбора данных.
- Подключите модуль сбора данных к компьютеру с помощью USB-накопителя.
- Приложить односторонний клапан в пути медных труб сразу после того, как топливный MFC и как раз перед горелкой. Сориентируйте клапан таким образом, что поток может двигаться только от MFC. Эти односторонние клапаны являются важным элементом безопасности, чтобы предотвратить вспышки обратно.
- Проверьте медные трубки до и после установки MFC на наличие утечек. Используйте мыльную воду наносится кистью с трубкой для обнаружения утечек, как утечка будет создавать пузыри.
- Подключите камеру сгорания и горелку к контроллерам массового расхода с помощью медных труб.
- После завершения настройки камеры сгорания, выберите один из выпускных отверстий для тестирования. Подключите этот порт к медной трубки, которая простирается к порту анализа ГХ.
- Выберите шприц, чтобы вытащить выхлопных газов из камеры сгорания, а затем вставьте его в ГХ для анализа. Для этого эксперимента использовать25 мл шприц.
- Поместите трехходовой клапан в соответствии с медной трубкой, соединяющей выпускное отверстие к ГХ. Подключите один конец двусторонний клапан к ГХ, второй к выпускному отверстию, а третий к 25 мл шприца. Подключите медные трубки с 3-ходовым клапаном. Используйте шприц, чтобы высосать дымового из камеры, а затем вставьте его в ГХ для анализа.
- Подключите 3-ходовой клапан в GC и шприца. Привести в действие поршень шприца, чтобы обеспечить успешную работу.
Примечание: Упрощенная схема установки показана на рисунке 1.
3. Горение Характеристика Эксперимент 4. Разработка модели горения выхлопных газов 5. Топливная настройка Тестирование Cell 
Рисунок 1. Характеристика горения экспериментальной установки схемы. Характеристика горения Экспериментальная установка схематически показывает топлива, воздуха и выхлопных потоков (черные стрелки) и потоки данных (красные стрелки). Односторонние клапаны используются для предотвращения вспышки обратно.
Примечание: На рисунке 2 представлена упрощенная схема , показывающая установку тестирования мТл-FFC. С помощью модели, разработанной топлива и установки созданного для управления модели потока топлива в топливный элемент, тестирование может протекать в соответствии с обычным FЛЕУ методы тестирования клеток. Эти методы хорошо известны в литературе и не будет здесь повторяться. 
Рисунок 2. Micro-трубчатая пламени при содействии установки испытания топливных элементов схематичное. Потоки H 2, CO, CO 2, N 2 (черные стрелки) регулируются с помощью MFC и односторонний клапан для предотвращения вспышки обратно. Электроны потока (зеленая линия) от ТОТЭ в печи до потенциостата и обратно в ТОТЭ. Поток данных с термопарами и электрохимического данных представлена красными стрелками. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Характеристику камера сгорания должна быть проверена перед тестированием на желательном соотношении эквивалентности для обратного потока воздуха в камеру или другой утечки воздуха во время испытания. Процессы горения в открытых камерах, как известно, почти изобарно. В результате, давление в камере сгорания не может быть достаточно, чтобы гарантировать, что воздух из внешней среды не является обратно-втекающий в камеру сгорания из камеры выпускного канала или других точек утечки. Есть несколько экспериментальных методов, чтобы подтвердить, что нет обратного потока не происходит. Во- первых, для некаталитического горелки, пределы богатых воспламеняемости хорошо зарекомендовали себя для многих видов топлива 18,19. После зажигания отношение эквивалентности потока должна быть отрегулирована медленно до тех пор, пока не подходит к верхним пределом воспламен емости. Если богатые предел воспламеняемости может быть значительно превышено без тушение пламени, то есть доказательства того, что воздух обратно впадающих в тон в камере сгорания в результате чего более экономной смеси , чем хотелось бы . На рисунке 3 показаны первоначальные результаты , полученные для сухого сгорания метана выхлопных до эквивалентное отношение , равное 1,85. Хотя это и не показано на рисунке 3, пламя не гасят до отношением эквивалентности 3,97. С верхним пределом воспламеняемости только 1,64 сообщили 18, получение Эквивалентное соотношение 3,97 невозможно при использовании некаталитического сгорания. Эти результаты указывают на то, что происходит утечка воздуха в камеру сгорания и возможный источник обратного потока из выпускной трубы.
Результаты Рисунок 3. Исходное дымового характеристика. Анализ предшествующего уровня для предотвращения обратного потока воздуха в камеры сгорания показывают случайные флуктуации видов. Отклонение от ожидаемых тенденций указывает на неправильное соединениеING или воздух утечки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Исследование верхних пределов воспламеняемости для камеры сгорания не единственный способ проверки обратного потока. Второй признак из рисунка 3, что тенденции для нескольких видов выхлопных не следуют ожидаемых тенденций. CEA является распространенным методом, который используется для оценки продуктов сгорания, на основе которых продукты являются энергетически выгодным при различных условиях температуры, давления и отношение эквивалентности. CEA обеспечивает способ оценки тенденций, которые должны наблюдаться в этом эксперименте. Различные результаты CEA для обычных видов топлива можно найти в литературе или могут быть оценены с помощью программ , разработанных для решения этой задачи. На рисунке 4 показаны результаты СЕА для первичных видов в сухих combusti метана на выхлопе. В то время как почти все виды выхлопа показано на рисунке 3 отклониться от ожидаемых тенденций, O 2, пожалуй, самое главное. При эквивалентных отношений больше 1, то очень мало O 2 , как ожидается , так как большинство из него следует употреблять во время сгорания с образованием продуктов сгорания. В то время как концентрация O 2 является низкой в большей части диапазона, получая большее количество O 2 при соотношении эквивалентности 1,75 и 1,85 по сравнению с более низким отношением эквивалентности не ожидается. Это , возможно , свидетельствует либо неполного смешивания или обратного потока O 2 в камеру сгорания. Кроме того, обнаружение CH 4 на 1 объемного процента или выше в данном диапазоне является также возможное указание неполного смешивания. Анализ тенденций по сравнению с результатами СЕА может помочь вам определить, есть ли обратного потока воздуха или возможных проблем смешивания.
p_upload / 54638 / 54638fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Химическое равновесие анализ метана / воздуха продуктами сгорания. Химическое равновесие анализа (CEA) результаты показывают термодинамического равновесия предсказания для состава выхлопных газов при различных соотношениях эквивалентности. В то время как экспериментальные данные не совпадают идеально, CEA обеспечивает индикацию ожидаемых тенденций. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Обратного потока воздуха в камеру сгорания выхлопных газов была обнаружена и предотвращена путем блокирования части выпускного отверстия камеры сгорания, как это описано в разделе обсуждения. После блокирования части выпускного отверстия камеры сгорания предел богатых горючести имел отношение эквивалентности приблизительно 1,45 для камеры сгорания. С помощью обратного потока предотвращено, Сгораниевыхлоп оценивали при эквивалентных отношений и топлива и расхода воздуха ставкам , указанным в таблице 1. Скорости потока , показанные в таблице 1 , были получены на стадии 1.5 протокола с использованием уравнения 5. На рисунке 5 показаны результаты сухого дымовом характеризация условия , приведенные в таблице 1. на рисунке 5 подтверждает , что фактические тенденции сопоставимы с результатами СЕА , показанных на рисунке 4. Это обеспечивает некоторую проверку результатов. Тем не менее, есть некоторые моменты , которые отличаются от тенденций СЕА , таких как СО 2 при соотношении эквивалентности 1,45. Часть ошибки при соотношении эквивалентности 1.45 является то, что камера сгорания работает вблизи границы богатых горючестью, что может привести к нестабильности внутри пламени, возможного закалке и отклонений в выпускном образце. Анализ должен быть повторен для обеспечения повторяемости и точности результатов. Действуя ниже богатых флПредел ammability камеры (например, вокруг максимального коэффициента эквивалентности 1.4 в этой установке) рекомендуется.
| отношение эквивалентности | Скорость потока метана (л / мин) | Расход воздуха (л / мин) |
| 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 |
Таблица 1. Характеристика горения метана и расхода воздуха ставки в различных соотношениях эквивалентности. Расчет требуемых скоростей потока обсуждается в разделе 1 протокола. Уравнение 5 используется для расчета скоростей потока воздуха на основе эквивалентного соотношения и фиксированной скорости потока метана.
Рисунок 5. Анализ характеристик горения из выхлопной трубы метана / сгорания воздуха. Улучшенные результаты , полученные после предотвращения обратного потока воздуха в камеру сгорания. Тенденции аналогичны СЕА предсказаний, обеспечивающих уверенность в точности результатов. Множественные тестыможет потребоваться выхлопные газы , когда происходят отклонения от ожидаемых тенденций. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
С дымового характеризуется до богатого предела воспламеняемости, выхлопные газы сгорания модель может быть разработана для тестирования мТл-FFC. Развитие выхлопе сгорания модели зависит от которой выхлопные виды наиболее важны для исследования. В начальных исследованиях FFCS, основной интерес в понимании характеристик топливных элементов в выхлопных газах сгорания с относительно небольшим количеством топлива, доступных для электрохимического преобразования энергии. Эти характеристики включают пиковая плотность мощности, плотности тока, напряжения холостого хода, использование топлива и эффективность при различных соотношениях эквивалентности и рабочих температур. Работая в относительно небольшой концентрации топлива является Oдной из основных особенностей , которые отличались FFCS как многие топливные элементы работают с высокой концентрацией топлива и низких концентраций других газов , включая CO 2, H 2 O и инертных газов , среди других. Для того, чтобы эта оценка только газы, обнаруженные в характеристике внутреннего сгорания с объемных процентах выше 1% были включены в выхлопных газах сгорания модель. В результате, только Н 2, СО, СО 2 и Н 2 были необходимы для разработки модели обогащенного топливом выхлоп сгорания для сжигания метана. В таблице 2 приведены результаты оценки снятия характеристик сгорания. Для получения полной скорости потока на стороне анода топливного элемента 300 мл / мин, скорости потоков каждого вида также приведены в таблице 2.
| Коэффициент эквивалентности | H 2% по объему | ЧАС | CO объем% | СО (мл · мин -1) | CO 2% по объему | CO 2 (мл · мин -1) | N 2% по объему | N 2 (мл · мин -1) | Всего (мл · мин -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 |
Таблица 2. Модель дымового состава и скорости потока ставок. Экспериментальные результаты , полученные для характеристики сгорания представлены в виде объема рercents обнаруженных видов. Общий расход модельного обогащенного топливом выхлопа сгорания для топливных элементов было установлено на 300 мл / мин. Скорость потока каждого отдельного вида вычисляется путем умножения общей скорости потока и объемный процент каждого вида.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол обсуждается здесь является важным связующим звеном между предыдущими исследованиями определения характеристик горения и испытания топливных элементов. Использование сгорания для риформинга топлива и испытаний топливных элементов был применен в течение нескольких лет в DFFC установках 10-15. Тем не менее, характеристика процесса сгорания в DFFCs в первую очередь касается на месте характеристике состава пламени 16 и использует MS 8. По мере того как DFFC открыт в окружающую среду, отработавший композиция состоит в основном из воды и СО 2 и характеризации выхлопе не требуется. Для разработки новой концепцией ФФС процедуры для характеристики дымового в частично закрытой камере (то есть, тот , который поддерживает соотношение топливо-воздух) необходим. Вместо того , чтобы использовать MS, глобальный каталог применим для дымовом анализа 7. После того, как характеризующий выхлоп, простой метод для тестирования топливных элементов в пределах этого экспоненAust необходимо. В то время как можно разработать полностью интегрированное устройство горелки и топливных элементов тестирования, эта процедура обеспечивает простой первый шаг, который может быть применен для научного исследования производительности топливных элементов с различными выхлопными композиций. В то время как характеристика внутреннего сгорания подход является общим, его применение для исследования FFC является важным событием.
Наиболее важные шаги в этой процедуре, чтобы гарантировать, что надлежащие меры безопасности были приняты до зажигания; и обеспечить, чтобы не было утечки воздуха в камеру сгорания. Применение односторонних клапанов и / или пламегасителей, а также высокотемпературных материалов имеет важное значение для обеспечения безопасности аппарата и исследователей. Как показано в разделе результатов, широкий диапазон неверных результатов может произойти, если есть обратного потока или другой утечки воздуха в камеру сгорания. Это обратного потока изменяет отношение эквивалентности смеси и может создавать различныесмешивая модели , которые создают результаты , как показанные на рисунке 3.
В то время как два метода для определения, если есть обратный поток воздуха в камеру сгорания, уже описаны, существует третий способ определения, если это происходит. Этот метод просто оценивает, если пламя продолжает гореть, когда МФЦ для воздуха выключен. В этом предварительно перемешанной процессе сгорания только воздух для реакций горения подается через MFC. После того, как зажигание, подача воздуха может быть выключен, пока топливо остается на. Пламя гаснет при отсутствии воздуха. Если продолжается горение, то обратный поток воздуха в камеру сгорания происходит. После определения того, что есть обратного потока воздуха в камеру сгорания, предотвращая обратный поток воздуха необходимо перед началом работы. Решение проблемы может быть относительно простым. Дымового жарко и, следовательно, менее плавучим, что заставляет его подняться к верхней части сгораниякамера. Любой обратный поток воздуха в конце камеры будут происходить в нижней части камеры. После блокирования нижнюю часть камеры сгорания выпускного канала, три методики, описанные выше, могут быть выполнены снова, чтобы убедиться, что воздух не обратно текущего в камеру. Это обсуждение предполагает, что камера уже была проверена на наличие утечек. Полное смешение также должны быть проверены путем обеспечения того, что любой метан обнаружен в следовых количествах и измерения GC являются повторяющимися.
После того, как характеризующий дымового и развитие модели дымового состава, существует целый ряд приложений для тестирования топливных элементов. Раздел протокол описывает конкретное применение этого метода для тестирования ТОТЭ микро-трубчатой. Тем не менее, та же базовая процедура может быть применена для тестирования других геометрий топливных элементов, включая плоские и большие трубчатые ТОТЭ. Протокол также распространяется на проверки стека конструкций для любой геометрии. К тому же, Протокол не ограничивается метана в качестве топлива. Этот метод может быть распространен на другие алканы и спиртовых топлив , которые также имеют значительный потенциал для генерации Н 2 и СО от процессов сжигания топлива богатых.
В то время как протокол, описанный имеет множество приложений, что дальнейшее развитие FFCS, существуют ограничения на эту технику. Протокол был создан, чтобы проверить возможность работы ТОТЭ в различных процессах сжигания топлива богатых и топлива. Потенциал наблюдается, когда топливные элементы работают в модельном топливе богатых выхлопа. В частности, основные показатели перспективной производительности включают в себя высокую плотность мощности, плотности тока, использования топлива и напряжение холостого хода, достигнутый в топливном элементе. Тем не менее, развитие модельного топлива только с наиболее значимых видов, присутствующих ограничивает исследования, которые могут быть проведены. Например, эксплуатации ТОТЭ в отработавших газах сгорания модель для длительного тестирования возможно, но яT не может обеспечить лучшую индикацию текущего долгосрочных эксплуатационных характеристик топливного элемента. В долгосрочной перспективе, некоторые из видов микроэлементов в выхлопных газах сгорания может стать вредным для производительности ТОТЭ. Тестирование этих результатов требует полной интеграции ТОТЭ с фактической горелкой и полного сгорания выхлоп. В то время как эти ограничения присутствуют, техника до сих пор обеспечивает простой и контролируемые средства оценки производительности FFCS и потенциал в качестве будущих источников производства электроэнергии.
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).
