Introduction
teknoloji geliştirmeye devam ettikçe katı oksit yakıt hücresi (SOFC) yenilikler son yıllarda bildirilmiştir. Birçok avantajları arasında, SOFC diğer yanma tabanlı enerji üretim teknikleri 1 ile karşılaştırıldığında yüksek yakıt verimliliği, düşük emisyon ve orta yakıt esnekliği için bilinen haline gelmiştir. Ayrıca, SOFC hatta küçük ölçeklerde yüksek yakıt verimliliği sağlayan büyütülebilir. Ne yazık ki, mevcut hidrojen altyapısı sınırlamalar genellikle verimsiz yakıt reform sistemleri için bir ihtiyaç yaratmıştır. Son zamanlarda gelişme mikro tübüler alev destekli yakıt hücresi (mT-FFC) yazarın daha önceki çalışmaları 2 olduğu bildirilmiştir. MT-FFC yanma 3 aracılığıyla reform ısı üretimine ve yakıt sağlar orijinal doğrudan alev yakıt hücresi (DFFC), faydaları üzerine inşa alev destekli yakıt hücresi (FFC) ilk örneğidir. DFFC ayar çevre Envir açık bir alev ile doğrudan temas halinde olan bir SOFC yerleştirironment. Alev kısmen saf metan veya diğer daha ağır hidrokarbon göre C-koklaştırma için daha az potansiyele sahip SOFC doğrudan kullanılabilir H2 ve CO oluşturmak için daha ağır hidrokarbon yakıtların okside eder. Buna ek olarak alev kendi çalışma sıcaklığına SOFC getirmek için gerekli ısı enerji sağlar. Orijinal DFFC için yeni bir değişiklik alev bölge dışına SOFC hareketli ve FFC 2 oluşturmak için SOFC yanma egzoz kanalize ederek meydana geldi. DFFC farklı olarak, yanma (yerine ortam içinde) kısmen kapalı bir oda içinde, hava oranı, yakıt kontrol edilebilir ve egzoz doğrudan tam yanma meydana gelmeden yakıt hücresine beslenebilir ortaya çıkar. FFCs yüksek yakıt kullanımı ve DFFCs 2 ile karşılaştırıldığında yüksek elektriksel verimlilik gibi ek avantajları var.
Araştırma gelişmekte olan bir alanda olduğu gibi, gerekli deneysel teknikler mT-FF potansiyelini değerlendirmek olduğunuGelecekteki enerji üretim uygulamaları için Cs. Bu teknikler, CO2 ve H2O ile birlikte, kısmi oksidasyon ya da yakıt bakımından zengin yanma ve ayrıca sentez gazı olarak da bilinen H2 ve CO, üretilmesi için bir yol olarak tanımlanmıştır egzoz analizini gerektirir Sentez gazı, enerji üretimi için yakıt hücrelerinde doğrudan kullanılabilir. Yakıt zengin yanma egzoz analizi de son yıllarda kurulmuştur ve çok farklı amaçlar için teorik olarak 4, hesaplama 5,6 ve deneysel 7 yürütülmektedir. Teorik ve sayısal çalışmaların çoğu reaksiyon mekanizmaları için yanma ürünü enerjik elverişli türler ve kimyasal kinetik modelleri değerlendirmek için kimyasal denge analizi (CEA) yararlanmıştır. bu yöntemler çok yararlı olabilirdi, birçok gelişmekte olan teknolojiler araştırma ve geliştirme sırasında deneysel teknikler üzerine yararlanmıştır. Deneysel teknikler genellikle Ana güveniyorkullanmak suretiyle yanma egzoz parçalama ya da bir gaz kromatograf (GC) 7 ya da kütle spektrometresi (MS), 8. GC hattı / şırınga veya MS prob Ya yanma egzoz sokulur ve ölçümler türlerin konsantrasyonunun değerlendirmek için alınır. Deneysel tekniklerin uygulanması küçük ölçekli elektrik üretimi alanında yaygın olmuştur. Bazı örnekler tek odacık SOFC 7,9 ve DFFCs 10-15 ile çalışmak üzere geliştirilmiş olan mikro yakma cihazlarım içerir. Yanma egzoz analizi, farklı sıcaklıklarda, akış oranları ve ekivalan oranlarında içeren çalışma koşulları geniş altında oluşur.
DFFC araştırma, yakıt ve oksidanın alanında tam yanma sağlar ortam açık brülör kısmen önceden karıştırılmış ya da olmayan önceden karıştırılmış olabilir. Alev kompozisyon analiz etmek için ihtiyacı olan bir MS DFFC araştırma ve yanma analizleri 16 pek çok durumda kullanılmaktadır. FFC en son gelişmeler yakıtın toplam oksidasyonunu engellemek için kısmen kapalı bir ortamda brülör ile önceden karıştırılmış yanma dayanarak değişmektedir. Bunun bir sonucu olarak, hava kaçağı arındırılmış kontrollü bir ortamda yanma egzoz analizi gereklidir. Bu amaçla geliştirilen deneysel teknikler değişen denklik oranlarda yanma egzoz GC analizi ile mikro yakıcı araştırma için kullanılan önceki tekniklere dayanmaktadır. GC analizi, yanma egzoz bileşimin özelliklerinin neden olur (yani, CO2 dahil olmak üzere her çıkış bileşenin hacim yüzdesi, H2 O, N 2, vs.) Bu analiz ile ölçülen oranına göre farklı gazların karıştırma sağlar GC gelecek FFC araştırma için bir model yakıt bakımından zengin yanma egzoz oluşturun.
Yakıt açısından zengin yanma egzoz analiz model yakıt bakımından zengin yanma egzoz geliştirilmesi ve uygulamak için protokollerSOFC test için egzoz ing Bu yazıda kurulmuştur. Ortak zorluklar ve sınırlamalar bu teknikler için tartışılmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Yanma Hesaplamaları
- analiz için yakıt seçin. Burada, referans yakıt olarak metan seçer, ancak prensipler diğer hidrokarbon yakıtlara devredilemez.
- stokiyometrik yanma için yakıt olarak metan 1 mol, denge denklemi (1) ile denklemi elde etmek için (2).
- Hava kütlesi ile metan kütlesini bölerek stokiyometrik için yakıt-hava oranını (F / A stoich.) Metan yanması için Denklem 3'te olduğu gibi hesaplayın. Hesaplamak için, pay metan kez mol sayısı metan mol kütlesi (16 g · mol-1) ve payda oksijen kez mol sayısı oksijen mol kütlesi (32 g · mol-1) artı azot kez mol sayısı azot molar kütlesi (28 g · mol-1).
- ekivalan oranının (denklem 4) değiştirilmesi için, hava akış hızı, yakıt akış hızı ya da aynı anda her ikisine birden değişir. Tipik olarak, miktarların birini düzeltmek ve diğer değişir. brülör yakıt veya hava debisini ya düzeltmek için belirleyin. Bu deney için, 10 L / dak yakıt akış hızı düzeltmek ve hava debisi bu kurulum değişir sağlar.
- Sabit yakıt akış hızı, f, (/ dakika 10 L), F / A soğukkanlı ile. (0.0583) hesaplanır ve ekivalan oranı tanımı verilen hava akış oranını hesaplamak A, her bir ekivalan oranı test edilmesi için. Denklem (5) Her denklik oranı L / dak hava akış oranını hesaplarken doğrudan bir yol sağlar ve sonuçları stokiyometri için 1 bir denklik oranı gösterilmiştir.
NOT: Üst Flammkabiliyeti limiti (veya üst patlama limiti), bir katalizör olmadan alev söndürmesiz yanmış olabilir zengin ekivalan oranıdır. Daha yüksek ekivalan oranlarında bir katalizörün kullanımı ile elde edilebilir, ancak olmayan katalitik yanma bu yazıda açıklanmıştır. Seçilen yakıt için üst alevlenme sınırını değerlendirmek için literatürüne bakın.
2. Yanma Karakterizasyonu Deneysel Kurulum
- Adım 1.5 elde edilen akış oranlarına dayalı metan ve hava için kütle akış kontrol (MFC) seçin. MFC boyutu seçilirken, MFC kendi aralığının düşük ucunda çalışan olmayacak (<tam ölçek değerinin% 10) test sırasında emin olmak için dikkatli kullanın. Bu özel durum için sırasıyla metan ve hava, 40 L / dak ve 200 L / dk MFC'ler kullanın.
- bakır boru aracılığı ile metan ve hava tanklarına MFC'ler bağlayın.
- belirtildiği gibi MFC için uygun basınca metan ve hava tanklarında regülatörleri ayarlayınüretici tarafından. Bu durumda, 138 kPa (20 psi) basıncı ayarlamak.
- doğru akış oranları sağlamak için MFC'ler kalibre.
- yanma odası oluşturmak. Bu deney için, bir yanma haznesi 168 mm çıkış çapı uzunluğunda 914 mm geliştirmek.
- yanma egzoz analizi için ve yanma odasının uzunluğu boyunca termokupl yerleştirilmesi için matkap bağlantı noktaları. gerekli kesin sayısı ve aralığı, alev büyüklüğü ve deney amaçları bağlıdır. Bu kurulum için, uzay ilk 5 termokupl 7 mm aralıklı yanma bölgeye yakın yerleştirilir. Uzay 14 mm aralıklı son 6 termokupl. Egzoz bağlantı noktaları için aynı mesafeyi kullanın.
- liman delikleri ile yanma odasına K-tipi termokupl yerleştirin. Yanma odasının ortasına termokupl ucu aynı hizaya getirin. Boyut liman delikleri termokupl uygun ve yüksek sıcaklık metal Ferüllü ve sızıntıyı önlemek için fındık ile mühür.
- idarevb veri toplama modülüne doğrudan K-tipi termokupl.
- USB sürücü ile bilgisayara veri toplama modülünü bağlayın.
- hemen yakıt MFC sonra sadece brülör önce bakır boru yolu tek yönlü bir valf takın. Bu akış sadece birkaç MFC hareket böylece vana yönlendirmek. tek yönlü valfler flaş geri önlemek için önemli bir güvenlik özelliğidir.
- öncesi ve sızıntılara karşı MFC kurulumundan sonra bakır boru kontrol edin. sızıntı kabarcıklar oluşturmak gibi sızıntıları tespit etmek için boru bir fırça ile uygulanır sabunlu su kullanın.
- bakır boru aracılığı ile kütle akış kontrol için yanma odası ve brülör bağlayın.
- Yanma odası kurulumu tamamladıktan sonra, test için egzoz bağlantı noktalarından birini seçin. GC analizi noktasına uzanan bakır boru için bu porta bağlayın.
- Yanma odasından egzoz çekin ve daha sonra analiz için GC içine itmek için bir şırınga seçin. Bu deney için, bir kullanımı25 ml şırınga.
- GC egzoz bağlantı portu, bakır boru ile uygun olarak, üç yönlü bir valf yerleştirin. GC, egzoz portuna ikinci ve 25 ml şırınga üçüncü iki yollu vana bir ucunu. 3-yollu vana bakır boru bağlayın. odasından yanma egzoz emmek ve sonra analiz için GC içine itmek için şırınga kullanın.
- GC ve şırıngaya 3-yollu vanayı bağlayın. Başarılı çalışmasını sağlamak için şırınga pistonu harekete.
Not: bir düzeneğin basitleştirilmiş şematik, Şekil 1 'de gösterilmiştir.
3. Yanma Karakterizasyonu Deneyi Model Yanma Egzoz 4. Kalkınma 5. Yakıt Hücresi Test Kurulumu 
Şekil 1. Yanma karakterizasyonu deney düzeneği şematik. Yanma karakterizasyonu deney düzeneği şematik gösteren yakıt, hava ve egzoz akımları (siyah oklar) ve veri akışları (kırmızı oklar). Tek yönlü vanalar flaş geri önlemek için kullanılır.
Not: Şekil 2, MT-FFC test kurulumu gösteren basitleştirilmiş bir şemasıdır. geliştirilen model yakıt ve yakıt hücresine modeli, yakıt akışını kontrol etmek için kurulan kurulum ile, test alışılmış f göre gerçekleştirilebilirHücre test yöntemleri UEL. Bu yöntemler literatürde iyi kurulmuş ve burada tekrar edilmeyecektir. 
Şekil 2. Mikro tübüler alev destekli yakıt hücresi test kurulum şematik. H 2, CO, CO 2 Akımları, N2 (siyah oklar) Bir MFC ve geri flaş önlemek için tek yönlü vana ile düzenlenir. geri SOFC için Elektronlar potentiyostat için fırında SOFC akış (yeşil hat) ve. Termokupl verileri ve elektrokimyasal veri akışı kırmızı oklarla temsil edilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Yanma karakterizasyonu odası öncesinde test sırasında odası veya diğer hava kaçağı içine hava geri akışı için istenen denklik oranlarında test kontrol edilmelidir. Açık odalarında yanma süreçleri neredeyse izobarik olduğu bilinmektedir. Bunun bir sonucu olarak, yanma odası içindeki basınç, dış ortamdan hava bölmesi, egzoz bağlantı veya başka bir sızıntı noktalarından yanma odasına geri akan olmasını sağlamak için yeterli olmayabilir. hiçbir geri akım oluştuğunu doğrulamak için birkaç deneysel teknikler vardır. İlk olarak, bir katalitik olmayan brülör için, zengin-tutuşma limitleri de birçok yakıtlar 18,19 için kurulmuştur. zengin alevlenme sınırını yaklaşana kadar kontak sonrası, akış denklik oranı yavaş yavaş ayarlanmalıdır. Zengin alevlenme sınırı alev söndürme olmadan önemli ölçüde aşılabilir, daha sonra hava t içine geri akan olduğunu kanıtlar vardırO istenenden daha bir yalın karışım sonuçlanan yanma odası. 3 1.85 bir denklik oranı kuru metan yanma egzoz up için elde edilen ilk sonuçları göstermektedir. Şekil 3'te gösterilen rağmen alev 3.97 bir eşdeğerlik oranına kadar söndürme yoktu. 3.97 bir eşdeğerlik oranı elde sadece 1.64 rapor 18 zengin bir alevlenme sınırı ile, katalitik olmayan yanma ile mümkün değildir. Bu sonuçlar, hava kaçağı yanma odasına ve bir olası kaynağı, egzoz çıkışından geri akım olduğunu göstermektedir.
Yanma odası gösterisi türlerinin rastgele dalgalanmalar içine hava geri akışını engelleyen önce Şekil 3. İlk yanma egzoz karakterizasyonu. Analiz sonuçları. beklenen trendler sapma ya yanlış karışımı gösteriring veya hava kaçağı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
yakıcının için yanıcılık üst limitlerinin incelenmesi backflow kontrol etmek için tek yol değildir. Şekil 3'te ikinci gösterge egzoz türlerinin çeşitli için trendleri beklenen trendleri takip kalmamasıdır. CEA ürünleri sıcaklık, basınç ve ekivalan oranı farklı koşullar altında enerji açısından olan göre yanma ürünleri değerlendirmek için kullanılan yaygın bir tekniktir. CEA Bu deneyde gözlemlenebilir olmalıdır eğilimleri değerlendiren bir yol sağlar. Ortak yakıtlar için farklı CEA sonuçları literatürde bulunabilir veya bu görev için geliştirilen yazılım programları kullanılarak değerlendirilebilir. Şekil 4 CEA kuru metan yakıt yanma birincil türler için sonuçları gösteriyor egzoz. Hemen hemen tüm egzoz türler beklenen eğilimleri Şekil 3 saptığını gösterilen iken, O 2, belki de en önemlisidir. En iyi şekilde yanma ürünlerini oluşturmak için yanma sırasında tüketilmesi gerekir olarak 1'den büyük ekivalan oranlarında çok az O2 beklenmektedir. O 2 konsantrasyonunun ekivalan oranlarında düşük göre 1.75 ve 1.85 bir eşdeğerlik oranı O2 daha yüksek bir miktarda elde edilmesi aralığının en düşük iken beklenmemektedir. Bu eksik karıştırma veya yanma odasına O 2 geri akış ya olası bir göstergesidir. Ayrıca, bu aralığı boyunca 1 hacim yüzde veya daha yüksek CH 4 tespit da eksik karıştırma olası bir göstergesidir. CEA sonuçları ile karşılaştırma yoluyla trend analizi hava veya olası karıştırma sorunları geri akışı varsa belirtmek yardımcı olabilir.
p_upload / 54638 / 54638fig4.jpg "/>
Şekil 4. yanma metan / hava ürünlerin kimyasal denge analizi. Kimyasal denge analizi (CEA) sonuçlar farklı denklik oranlarında egzoz gazı bileşimi için termodinamik denge tahminler göstermektedir. Deneysel veriler mükemmel uymuyor iken, CEA beklenen eğilimler bir göstergesidir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Yanma odası egzoz havanın geri-akışı tespit ve tartışma kısmında tarif edildiği gibi yanma odası çıkış portunun bir kısmını bloke etmek suretiyle önlenmiştir. Yanma odası çıkış portunun bir kısmını bloke edilmesinden sonra, zengin alev alma sınır yanma odası için yaklaşık 1.45 arasında bir denklik oranı vardı. geri akış engelledi, yanma ileEgzoz Tablo 1 'de gösterilen ekivalan oranlarında ve yakıt ve hava akış hızlarında değerlendirildi. Tablo 1' de gösterilen akış oranları Denklem 5. Şekil 5 kullanarak protokol aşama 1.5'de elde edilmiştir kuru yanma egzoz karakterizasyonu sonuçları göstermektedir tabloda gösterilen koşulları 1. Şekil 5 gerçek eğilimleri Şekil 4'te gösterilen CEA sonuçları karşılaştırılabilir olduğunu doğrulamaktadır. Bu sonuçların bazı doğrulama sağlar. Ancak, 1.45 bir denklik oranında örneğin CO 2 olarak CEA eğilimleri sapan bazı noktalar vardır. 1.45 bir denklik oranında hata bir kısmı yanma egzoz numunesinde alev, olası su verme ve sapmalar içinde istikrarsızlıklar neden olabilir zengin alevlenme sınırı yakınında faaliyet olmasıdır. Analiz sonuçlarının tekrarlanabilirliği ve doğruluğunu sağlamak için tekrar edilmelidir. Zengin-fl altında faaliyet(Bu kurulum 1.4 maksimum denklik oranı etrafında örneğin,) odasının ammability sınırı tavsiye edilir.
| ekivalan oranı | Metan debisi (L / dk) | Hava debisi (L / dk) |
| 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 |
Tablo 1. Yanma karakterizasyonu metan ve hava akışı değişen denklik oranlarda oranları. Gerekli akış oranlarının hesaplanması protokolünün 1. bölümünde ele alınmıştır. Denklem 5 ekivalan oranı ve sabit bir metan akış oranına göre, hava akış hızını hesaplamak için kullanılır.
Metan / hava yanma egzoz Şekil 5. Yanma karakterizasyonu analizi. Yanma odasına havanın geri akışı önlemek sonra elde edilen geliştirilmiş sonuçlar. eğilimler sonuçların doğruluğu güven veren CEA tahminlerine benzer. Çoklu testlerEgzoz beklenen eğilimleri sapmalar meydana geldiğinde gerekli olabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Yanma egzoz zengin alev alma sınırına kadar, özelliği, model için yanma egzoz mt-FFC testleri için geliştirilebilir. Model yanma egzoz gelişimi egzoz türleri çalışma için en uygun olan bağlıdır. FFCs ilk çalışmalarda, ana ilgi elektrokimyasal enerji dönüşümü için uygun yakıtın nispeten küçük miktarlarda yanma egzoz yakıt hücresi performans özelliklerini anlamak bulunmaktadır. Bu özellikler tepe güç yoğunluğu, akım yoğunluğu, açık devre gerilimi, yakıt kullanımı ve farklı denklik oranlarında verimlilik ve çalışma sıcaklıklarını içerir. Nispeten küçük bir yakıt konsantrasyonu faaliyet o olduğunuBirçok yakıt hücreleri yakıt yüksek konsantrasyonlarda ve CO2, H2O ve diğerleri arasında inert gazların da dahil olmak üzere diğer gazların düşük konsantrasyonlarda ile çalışır şekilde FFCs ayırt primer özelliklerin KD. % 1 modeli yanma egzoz dahil edildi yukarıdaki hacim oranları ile yanma karakterizasyonu tespit bu değerlendirme sadece gazlar yapmak. Sonuç olarak, sadece, H 2 de, CO, CO2 ve N2 metan yanması için bir model yakıt bakımından zengin yanma egzoz geliştirmek için gerekli. Tablo 2, yanma karakterizasyonu değerlendirme sonuçlarını göstermektedir. 300 ml / dakika, yakıt hücresinin anot tarafında bir toplam akış oranı, her türün akış oranları Tablo 2 'de gösterilmiştir.
| ekivalan oranı | H 2 hacim% | H | CO hacim% | CO (ml · dk -1) | CO 2 hacim% | CO 2 (ml · dk -1) | N 2 hacim% | (-1 Ml · dakika) N2 | Toplam (ml · dk -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 |
Tablo 2. Model yanma egzoz kompozisyonu ve akış hızları. Deneysel sonuçlar yanma karakterizasyonu için elde edilen hacim p olarak gösterilmiştirtespit edilen türlerin ercents. Yakıt hücrelerinin modeli yakıt bakımından zengin yanma egzoz toplam akış hızı / dakika 300 ml olarak ayarlandı. Her bir tür akış hızı toplam akış oranının ve her türe hacmi yüzde çarpılarak hesaplanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada tartışılan protokol önceki yanma karakterizasyonu araştırma ve yakıt hücresi test arasında önemli bir köprüdür. Reformasyon yakıt ve yakıt hücresi testleri için yanma kullanımı DFFC kurulumları 10-15 birkaç yıldır uygulanmıştır. Bununla birlikte, DFFCs yanma işleminin karakterizasyonu alev bileşimin 16 yerinde karakterizasyonu ile ilgilidir ve bir MS 8 kullanır. DFFC ortama açık olduğu gibi, egzoz kompozisyonu çoğunlukla su ve CO 2 ve egzoz karakterizasyonu gerekli değildir oluşmaktadır. Kısmen kapalı bir bölme içinde yanma egzoz karakterize etmek için son FFC konsepti bir prosedür geliştirmek için (yani, hava-yakıt oranını muhafaza eden bir) gereklidir. Bunun yerine, bir MS kullanarak, GC yanma egzoz analizi 7 için de geçerlidir. Bu Srg içinde yakıt hücreleri test etmek için egzoz, basit bir yöntem karakterize sonraAust gereklidir. Bu tam entegre bir brülör ve yakıt hücresi test etme aleti geliştirmek mümkün olsa da, bu prosedür, değişen egzos bileşimleri ile yakıt hücresi performansı bilimsel araştırma için uygulanabilen basit bir ilk adımı içerir. Yanma karakterizasyonu yaklaşım yaygın olmakla birlikte, FFC araştırma uygulama önemli bir gelişmedir.
Bu prosedürde en kritik adımlar uygun güvenlik önlemleri ateşleme öncesinde alınmış olmasını sağlamak için vardır; ve yanma odasına hava kaçağı olmadığından emin olmak için. tek yönlü bir valf ve / veya alev tutucular gibi yüksek sıcaklık malzemelerin kullanımı cihaz ve araştırmacı güvenliği için çok önemlidir. Sonuçlar bölümünde gösterildiği gibi, yanma odasına geri akım veya hava diğer sızıntı olması durumunda, doğru bir sonuç geniş oluşabilir. Bu geri akış karışımının denklik oranını değiştirir ve farklı oluşturabilirŞekil 3 'de gösterildiği gibi sonuçlar elde desen karıştırılması.
belirlemek için iki yöntem tarif edilmiş olan, yanma odasına havanın geri akışı varsa da, bu kullanım olup olmadığını belirlemek, bir üçüncü bir yolu yoktur. Alev hava için MFC kapatıldığında yanmaya devam ederse, bu yöntem sadece değerlendirir. Bu önceden karıştırılmış yanma işlemi yanma reaksiyonları için sadece hava MFC sağlanır. Yakıt sol ise kontak sonrası, hava beslemesi kapatılabilir. Alev hava yokluğunda sönecektir. yanma devam ederse, o zaman geri akışı havanın yanma odasına gerçekleşiyor. Bu belirlendikten sonra hava geri akışı önlemek yanma odasına havanın geri akım, işleme devam etmeden önce ihtiyaç duyulur. Sorunu Tespit nispeten basit olabilir. Yanma egzoz yanma üstüne yükselmeye neden olur, daha az batmaz bu nedenle sıcak ve birbölme. kesonlar ucuna hava herhangi bir arka akış odasının altındaki ortaya çıkar. yanma odaları egzoz bağlantı alt bölümünü bloke edildikten sonra, yeniden yapılabilir, yukarıda tarif edilen üç teknik hava odasına geri akan emin olmak için. Bu tartışma odası zaten sızıntılara karşı kontrol edilmiştir varsayar. Komple karıştırma da algılanan metan eser miktarlarda ve GC ölçümleri tekrarlanabilir olmasını sağlayarak kontrol edilmelidir.
Yanma egzoz karakterize ve model yanma egzoz kompozisyonu geliştirdikten sonra, yakıt hücresi test uygulamaları bir dizi var. protokol bölümü mikro tübüler SOFC testi için bu tekniğin özel uygulama anlatılmaktadır. Bununla birlikte, aynı temel prosedür düzlemsel ve daha büyük bir boru şekilli SOFC dahil olmak üzere diğer yakıt hücresi geometrileri test etmek için uygulanabilir. protokol aynı zamanda her iki geometri için yığın tasarımları test kadar uzanır. Ek olarakProtokol yakıt olarak metan ile sınırlı değildir. Yöntem ayrıca, yakıt açısından zengin yanma işlemlerinden H2 üretimi ve CO için önemli bir potansiyel vardır Diğer alkanlar ve alkol yakıt uzatılabilir.
açıklanan protokol daha ileri FFCs gelişimini birçok uygulama olsa da, bu tekniğe sınırlamalar vardır. protokol farklı yakıt bakımından zengin yanma süreçleri ve yakıt faaliyet SOFC olasılığını test etmek için kurulmuştur. Yakıt hücreleri modeli yakıt bakımından zengin egzoz faaliyet sırasında potansiyel görülmektedir. Özellikle, umut verici performansın temel göstergeler yüksek güç yoğunluğu, akım yoğunluğu, yakıt kullanımı ve yakıt hücresinde elde açık devre gerilimini içerir. Bununla birlikte, bu, sadece en önemli türler ile örnek bir yakıt geliştirilmesi yapılabilir çalışmalar sınırlar. Örneğin, uzun vadeli test modeli yanma egzoz içinde SOFC faaliyet mümkün, ama bent yakıt hücresi gerçek uzun süreli performans özelliklerinin en iyi göstergesi sağlamayabilir. Uzun vadede, yanma egzoz eser türlerinin bazıları SOFC performansına zarar olabilir. Bu sonuçları test gerçek bir brülör ve tam yanma egzoz SOFC tam entegrasyonunu gerektirir. Bu kısıtlamalar, mevcut olsa da, teknik hala enerji üretimi gelecekteki bir kaynağı olarak FFCs performans ve potansiyel değerlendirmek için basit ve kontrollü bir araç sağlar.
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).
