Introduction
Vaste oxide brandstofcel (SOFC) innovaties zijn gemeld in de afgelopen jaren als de technologie zich blijft ontwikkelen. Onder de vele voordelen, hebben SOFC bekend om zijn hoge brandstofefficiëntie, lage uitstoot en matige flexibiliteit brandstof in vergelijking met andere verbranding gebaseerde elektriciteitsproductie technieken 1 geworden. Verder SOFCs zijn schaalbaar waardoor hoge brandstofefficiëntie, zelfs op kleine schaal. Helaas, beperkingen in de huidige waterstof infrastructuur hebben er behoefte aan brandstof hervorming van systemen die vaak inefficiënt. Een recente ontwikkeling is de micro-buis-flame bijgestaan brandstofcel (mT-FFC) gemeld bij de auteur eerdere werk 2. De mT-FFC is het eerste voorbeeld van een vlam ondersteunde brandstofcel (FFC) dat voortbouwt op de voordelen van de oorspronkelijke directe vlam brandstofcel (DFFC), die warmte en brandstof reformeren via verbranding 3 verschaft. De DFFC opstelling plaatst een SOFC in direct contact met een vlam open naar de omgevingslucht mililieu. De vlam oxideert gedeeltelijk zwaardere koolwaterstoffen tot H2 en CO, die rechtstreeks aan de SOFC kan worden gebruikt met minder kans op koolstof cokesvorming in vergelijking met zuiver methaan of andere koolwaterstoffen zwaarder maken. Bovendien, de vlam levert de thermische energie die nodig is om de SOFC op bedrijfstemperatuur te brengen. Een recente wijziging in de originele DFFC opgetreden door de SOFC uit de vlam regio verplaatsen en het kanaliseren van de verbranding uitlaat aan de SOFC aan de FFC 2 te maken. In tegenstelling tot de DFFC de verbranding plaatsvindt in een gedeeltelijk omsloten ruimte (in plaats van de omgevingslucht), zodat de brandstof-luchtverhouding kunnen worden gecontroleerd en de uitlaatgassen kan direct worden toegevoerd aan de brandstofcel zonder volledige verbranding optreedt. FFCS hebben extra voordelen, waaronder een hoge bezettingsgraad brandstof en hoog elektrisch rendement in vergelijking met DFFCs 2.
Als een opkomende gebied van onderzoek, experimentele technieken nodig die het potentieel van mT-FF te beoordelenCs voor de toekomstige productie toepassingen. Deze technieken vereisen analyse van gedeeltelijke oxidatie of brandstofrijke verbranding en de uitlaat die is geïdentificeerd als een manier van het genereren H2 en CO, ook bekend als syngas, tezamen met CO2 en H2O Het syngas kan direct gebruikt worden in de brandstofcellen voor energieopwekking. De analyse van de brandstof-rijke verbranding uitlaat is goed ingeburgerd in de afgelopen jaren en is theoretisch 4, computationeel 5,6 en experimenteel 7 uitgevoerd voor vele verschillende doeleinden. Veel van de theoretische en computationele studies hebben vertrouwd op chemisch evenwicht analyse (CEA) om de verbranding product soorten die energetisch gunstig zijn, en chemische kinetische modellen beoordelen voor reactie mechanismen. Hoewel deze methoden zeer nuttig zijn, hebben veel nieuwe technologieën aangevoerde experimentele technieken in onderzoek en ontwikkeling. Experimentele technieken doorgaans rekenen op analysis van de verbrandingsgassen met behulp van een gaschromatograaf (GC) 7 of een massaspectrometer (MS) 8. Ofwel de lijn GC / MS spuit of sonde in de verbrandingskamer uitlaat geplaatst en de meting van de soort concentratie te beoordelen. Toepassing van de experimentele technieken is gemeenschappelijk op het gebied van kleinschalige energieopwekking. Enkele voorbeelden zijn micro branders die ontwikkeld zijn om te werken met een enkele kamer SOFC 7,9 en DFFCs 10-15. De analyse van de verbrandingsgassen gebeurt onder uiteenlopende bedrijfsomstandigheden waaronder verschillende temperaturen, stroomsnelheden en equivalentieverhoudingen.
Op het gebied van DFFC onderzoek, brandstof en oxidant kan gedeeltelijk voorgemengde of niet voorgemengd worden, met de brander open naar de omgevingslucht die de volledige verbranding. Met een behoefte aan de vlam samenstelling te analyseren, is een MS gebruikt in vele gevallen voor DFFC onderzoek en verbrandingsanalyse 16. De recente ontwikkeling van de FFC verschilt beroep op voorgemengde verbranding met de brander in een gedeeltelijk omsloten omgeving om volledige oxidatie van de brandstof te voorkomen. Hierdoor is de analyse van de verbrandingsgassen in een gecontroleerde omgeving zonder luchtlekkage nodig. Experimentele technieken die hiervoor steunen op de eerdere technieken voor micro verbrandingsinrichting onderzoek met GC-analyse van de verbrandingsgassen bij variërende equivalentieverhoudingen. De GC-analyse leidt tot karakterisering van de verbrandingsgassen samenstelling (dat wil zeggen, het volumepercentage van elk bestanddeel van het uitlaatgas zoals CO2, H2O, N2, enz.) Deze analyse maakt menging van afzonderlijke gassen volgens de verhouding gemeten met het GC om een model brandstof-rijke verbranding uitlaat voor toekomstig FFC onderzoek te creëren.
De protocollen voor het analyseren van de brandstof-rijke verbranding uitlaat, het ontwikkelen van een model brandstof-rijke verbranding uitlaat en toe te passening de uitlaat voor SOFC testen zijn vastgelegd in deze krant. Gemeenschappelijke uitdagingen en beperkingen worden besproken voor deze technieken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Combustion Berekeningen
- Selecteer brandstof voor analyse. Hier kiest u methaan als de referentie brandstof, maar de principes zijn overdraagbaar naar andere koolwaterstoffen.
- Met 1 mol methaan als brandstof, saldo vergelijking (1) voor stoichiometrische verbranding vergelijking te krijgen (2).
- Bereken de brandstof-luchtverhouding voor stoichiometrische (F / A stoich.) Volgens vergelijking 3 voor methaan verbranding door de massa van methaan te delen door de massa lucht. Berekening, de teller het aantal molen methaan maal de molaire massa van methaan (16 g · mol -1) en de noemer is het aantal mol zuurstof maal de molaire massa van zuurstof (32 g · mol -1) plus het aantal mol stikstof maal de molaire massa van stikstof (28 g · mol -1).
- Om de gelijkwaardigheid ratio (vergelijking 4) variëren, variëren ofwel het luchtdebiet, de brandstof doorstroomsnelheid of beide tegelijk. Typisch, fix een van de hoeveelheden en verschillen van de andere. Bepaal of om ofwel de brandstof of luchtdebiet voor de brander op te lossen. Voor dit experiment, bevestig de brandstof debiet 10 l / min en laat de lucht debiet te variëren in deze opstelling.
- Met de brandstof doorstroomsnelheid f, vaste (10 l / min), F / A stoïcijns. berekend (0,0583), en gezien de definitie van de gelijkwaardigheid ratio, het berekenen van de luchtstroom, een voor elk gelijkwaardigheid verhouding te testen. Vergelijking (5) geeft een directe manier van berekening van de luchtstroomsnelheid in l / min per equivalentieverhouding en de resultaten worden getoond voor een equivalentieverhouding van 1 voor stoichiometrie.
LET OP: De bovenste Flammvermogen beperken (of bovenste explosiegrens) is de rijkste equivalentieverhouding zonder dat afschrikken de vlam in afwezigheid van een katalysator worden verbrand. Hogere equivalentieverhoudingen kan worden verkregen met behulp van een katalysator, maar niet-katalytische verbranding wordt beschreven in dit document. Raadpleeg de literatuur naar de bovenste ontvlambaarheid grens voor de gekozen brandstof te beoordelen.
2. Verbranding Karakterisatie experimentele opstelling
- Selecteer mass flow controllers (MFC's) voor methaan en lucht op basis van de stroomsnelheden verkregen in stap 1,5. Wees voorzichtig bij het selecteren van een MFC grootte om ervoor te zorgen dat de MFC niet zal werken aan de lage kant van de range (<10% van de volle schaal waarde) tijdens het testen. Voor dit specifieke geval, gebruik maken van 40 l / min en 200 l / min MFC's voor methaan en lucht, respectievelijk.
- Sluit de MFC's op het methaan en luchtketels via koperen buizen.
- Stel de toezichthouders op het methaan en lucht tanks naar de juiste druk voor het MFC, zoals gespecificeerddoor de fabrikant. In dit geval de druk tot 138 kPa (20 psi).
- Kalibreren van de MFC's om ervoor te zorgen accurate debieten.
- Construct de verbrandingskamer. Voor dit experiment, ontwikkelen een verbrandingskamer 914 mm lang met een uitgang 168 mm diameter.
- Boor poorten voor uitlaatgassen analyse en thermokoppel plaatsen langs de lengte van de verbrandingskamer. Het precieze aantal en de afstand die nodig is afhankelijk van de grootte van de vlam en de doeleinden van de proef. Voor deze opstelling de eerste ruimte 5 geplaatste thermokoppels dichtst bij de verbrandingszone 7 mm. Space de laatste 6 thermokoppels 14 mm van elkaar. Gebruik dezelfde afstand voor de uitlaat-poorten.
- Plaats het K-type thermokoppels in de verbrandingskamer via de patrijspoorten. Lijn de thermokoppel punt in het midden van de verbrandingskamer. Grootte de haven gaten om de thermokoppel te passen en af te dichten met een hoge temperatuur metalen ferrules en noten om lekkage te voorkomen.
- Connect het K-type thermokoppels direct naar data acquisitie module.
- Sluit de data-acquisitie module op de computer via de USB-drive.
- Bevestig een eenrichtingsklep in de koperen slang pad direct na de brandstof MFC en net voor de brander. Oriënteer de klep zodat die stroom slechts enkele meters van de MFC kan bewegen. De one-way afsluiters zijn een belangrijke veiligheidsvoorziening om flash terug te voorkomen.
- Controleer de koperen buizen voor en na de MFC opstelling op lekken. Gebruik zeepwater aangebracht met een borstel om de slang aan op lekken detecteren lekken bubbels zou creëren.
- Sluit de verbrandingskamer en brander om de massastroom regelaars via koperen buizen.
- Na het voltooien van de verbrandingskamer setup, selecteert u een van de uitlaat poorten voor het testen. Sluit deze poort om koperen leidingen die zich uitstrekt tot de GC-analyse-poort.
- Selecteer een spuit om de uitlaat te trekken uit de verbrandingskamer en duw hem in de GC voor analyse. Voor dit experiment gebruikt een25 ml spuit.
- Plaats een driewegklep overeenkomstig de koperen buis die de uitlaat poort worden GC. Sluit het ene uiteinde van de tweewegklep het GC, de tweede naar de uitlaatpoort en de derde naar de 25 ml spuit. Sluit de koperen slang aan op de 3-weg ventiel. Gebruik de spuit om verbranding uitlaatgassen te zuigen uit de kamer en duw hem in de GC voor analyse.
- Sluit de 3-wegklep naar het GC en spuit. Bedien de zuiger succesvolle werking.
OPMERKING: Een vereenvoudigd schema van de opstelling is weergegeven in figuur 1.
3. Combustion Karakterisering Experiment 4. Ontwikkeling van de Model Combustion Exhaust 5. Fuel Cell meetopstelling 
Figuur 1. Verbranding karakterisering experimentele opstelling schematisch. Combustion karakterisering experimentele opstelling schematische weergave van brandstof, lucht en uitlaatgassen stromen (zwarte pijlen) en datastromen (rode pijlen). Eenrichtingskleppen worden gebruikt om flash terug te voorkomen.
LET OP: Figuur 2 is een vereenvoudigde schematische weergave van de mT-FFC meetopstelling. Het model ontwikkeld brandstof en de voor het regelen van de brandstofstroom model aan de brandstofcel opstart, kan verder testen volgens conventionele fuel cel testmethoden. Deze methoden zijn goed gevestigd in de literatuur en worden hier niet herhaald. 
Figuur 2. Micro-buisvormig vlam bijgestaan brandstofcel meetopstelling schema. Stromen H2, CO, CO2, N2 (zwarte pijlen) worden geregeld met een MFC en een eenrichtingsklep om vlamterugslag te voorkomen. Elektronen stroom (groene lijn) van de SOFC in de oven om de potentiostaat en terug naar de SOFC. Flow van thermokoppel data en elektrochemische data wordt vertegenwoordigd door de rode pijlen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De verbranding karakterisering ruimte moeten worden gecontroleerd voorafgaand aan het testen op de gewenste equivalentieverhoudingen voor back-stroming van lucht in de kamer of andere lucht lekkage tijdens het testen. Verbrandingsprocessen in de open kamers worden bekend bijna isobarisch te zijn. Hierdoor kan de druk in de verbrandingskamer niet voldoende om te voorkomen dat lucht uit de externe omgeving weer vloeiend in de verbrandingskamer uit de kamer uitlaatpoort of andere lekken zijn. Er zijn verscheidene experimentele technieken om te bevestigen dat er geen terugstroming optreedt. Ten eerste, voor een niet-katalytische brander, de rijke explosiegrenzen zijn gevestigde vele brandstoffen 18,19. Na ontsteking, moet de gelijkwaardigheid verhouding van de stroom langzaam worden aangepast tot het naderen van de rijke brandbaarheid limiet. Als de rijke ontvlambaarheidslimiet aanzienlijk kan worden overschreden zonder vuur blussen, dan is er bewijs dat de lucht wordt terug-stroomt in tHij verbrandingskamer resulteert in een armer mengsel dan gewenst. Figuur 3 toont eerste resultaten voor droge methaan uitlaatgassen tot een equivalentie-verhouding van 1,85. Hoewel niet in figuur 3 getoond, had de vlam niet uitdoven tot een equivalentie verhouding van 3,97. Met een rijke vlampunt van slechts 1,64 gerapporteerde 18, het verkrijgen van een equivalentieverhouding van 3,97 is niet mogelijk met niet-katalytische verbranding. Deze resultaten geven aan dat er luchtlekkage in de verbrandingskamer en een mogelijke bron terugvloeien van de uitlaatopening.
Figuur 3. Eerste verbrandingsafvoergas karakterisering. Analyseresultaten vóór voorkomen terugstroming van lucht in de verbrandingskamer vertonen toevallige fluctuaties van soorten. Afwijking van de verwachte trends duidt op oneigenlijke mixing of lucht lekken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Onderzoek van de bovengrens van ontvlambaarheid van de verbrander is niet de enige manier om te controleren op terugstroming. Een tweede indicatie van Figuur 3 is dat de trends voor een aantal van de uitlaat soorten niet verwachte trends volgen. CEA is een techniek die wordt gebruikt om de verbrandingsproducten op basis waarvan producten energetisch gunstige onder verschillende omstandigheden van temperatuur, druk en equivalentieverhouding beoordelen. CEA om een middel dat de trends waargenomen in dit experiment zou zijn. Verschillende CEA resultaat voor gewone brandstoffen te vinden in de literatuur of kunnen worden beoordeeld met behulp van software programma's die voor deze taak. Figuur 4 toont de resultaten voor de CEA primaire soorten droge methaan combusti op de uitlaat. Terwijl bijna alle -uitlaatgasspecies in figuur 3 afwijken blijkt uit verwachte trends, O 2 is misschien wel de belangrijkste. Bij equivalentieverhoudingen groter dan 1, is zeer weinig O2 verwacht aangezien de meeste tijdens verbranding dienen verbruikt om verbrandingsproducten te vormen. Terwijl de O 2 concentratie in het grootste deel van het traject, het verkrijgen van een grotere hoeveelheid O 2 bij een equivalentieverhouding van 1,75 en 1,85 in vergelijking met equivalentieverhoudingen verlagen wordt niet verwacht. Dit is een mogelijke aanwijzing over onvolledige mengen of terugstroming van O2 in de verbrandingskamer. Verder detecteren CH 4 op 1 volumeprocent of meer in dit bereik ook een mogelijke aanwijzing van onvolledige menging. Trendanalyse door vergelijking met CEA resultaten te geven als er terugstroming van lucht of mixing problemen.
p_upload / 54638 / 54638fig4.jpg "/>
Figuur 4. Chemisch evenwicht analyse van methaan / lucht verbrandingsproducten. Chemisch evenwicht analyse (CEA) resultaten tonen thermodynamisch evenwicht voorspellingen voor het uitlaatgas compositie aan verschillende equivalentieverhoudingen. Terwijl de experimentele gegevens niet perfect aansluiten, CEA geeft een indicatie van de verwachte trends. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Terugstroming van lucht naar de verbrandingskamer uitlaat werd gedetecteerd en voorkomen door het blokkeren van een gedeelte van de verbrandingskamer uitlaatpoort beschreven in de bespreking sectie. Na het blokkeren van een gedeelte van de verbrandingskamer uitlaatpoort had de rijke ontbrandingsgrens een equivalentie verhouding van ongeveer 1,45 voor de verbrandingskamer. Met terugstroming voorkomen, de verbrandinguitlaat werd op de equivalentieverhoudingen en brandstof en luchtstroom in tabel 1. De stroomsnelheid getoond in Tabel 1 werden verkregen in stap 1.5 van het protocol met behulp van vergelijking 5. Figuur 5 toont de resultaten van de droge verbrandingsuitlaatgas karakterisatie voor de Tabel 1 condities. Figuur 5 bevestigt dat de werkelijke ontwikkeling zijn vergelijkbaar met CEA resultaten weergegeven in figuur 4. Dit geeft validatie van de resultaten. Er zijn echter een aantal punten die afwijken van CEA trends zoals CO 2 bij een equivalentieverhouding van 1,45. Een gedeelte van de fout op een equivalentie verhouding van 1,45 is de brander werkt bij de rijke ontbrandingsgrens, wat kan leiden tot instabiliteiten in de vlam, eventuele harden en afwijkingen in de uitlaat monster. De analyse moet worden herhaald om de herhaalbaarheid en nauwkeurigheid van de resultaten te garanderen. Bedienen onder de rich-flammability grens van de kamer (bijvoorbeeld ongeveer maximaal equivalentieverhouding van 1,4 in deze opstelling) aanbevolen.
| equivalentieverhouding | Methaan debiet (L / min) | Air debiet (L / min) |
| 0.80 | 10 | 119,0 |
| 0.90 | 10 | 105.8 |
| 1.00 | 10 | 95.0 |
| 1.05 | 10 | 90.6 |
| 1.10 | 10 | 86.5 |
| 1.15 | 10 | 82.8 |
| 1.20 | 10 | 79.3 |
| 1.25 | 10 | 76.1 |
| 1.30 | 10 | 73.2 |
| 1.35 | 70.5 | |
| 1.40 | 10 | 68.0 |
| 1.45 | 10 | 65.7 |
Tabel 1. Verbranding karakterisering methaan en luchtstroom op verschillende equivalentieverhoudingen. Berekening van de benodigde debieten wordt besproken in paragraaf 1 van het protocol. Vergelijking 5 wordt gebruikt om de luchtstroom op basis van de equivalentieverhouding en vaste methaandebiet berekenen.
Figuur 5. Combustion karakterisering analyse van methaan / lucht verbranding uitlaat. Verbeterde resultaten verkregen na het voorkomen van terugstroom van lucht in de verbrandingskamer. De trends zijn vergelijkbaar met CEA voorspellingen worden vertrouwd op de nauwkeurigheid van de resultaten. Meerdere testsde uitlaat kan nodig zijn wanneer afwijkingen van de verwachte ontwikkelingen plaatsvinden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Het verbrandingsuitlaatgas kenmerk aan de rijke ontbrandingsgrens kan het model verbrandingsuitlaatgas ontwikkeld voor mT-FFC testen. Ontwikkeling van het model verbrandingsuitlaatgas hangt waarop -uitlaatgasspecies het meest relevant voor de studie. In de eerste studies van FFCS, de belangrijkste rente is in het begrijpen van de brandstofcel prestatiekenmerken in uitlaatgassen met relatief kleine hoeveelheden brandstof beschikbaar voor elektrochemische energie-conversie. Deze kenmerken zijn onder andere piek vermogensdichtheid, de huidige dichtheid, open circuit spanning, benutting van de brandstof en de efficiëntie op verschillende equivalentieverhoudingen en bedrijfstemperaturen. Opereren in een relatief kleine brandstof concentratie one van de belangrijkste functies die FFCS onderscheiden zoveel brandstofcellen werken met hoge concentraties van brandstof en lage concentraties van andere gassen zoals CO2, H2O en inerte gassen onder anderen. Om deze beoordeling alleen gedetecteerd gassen in de verbrandingskamer karakterisering met volumepercentage maken boven 1% in het model verbrandingsuitlaatgas opgenomen. Daardoor alleen H2, CO, CO2 en N2 nodig waren om een model brandstofrijke verbrandingsuitlaatgas methaan verbranding ontwikkelen. Tabel 2 toont de resultaten van de verbranding karakterisering beoordeling. Voor een totaal debiet aan de anodezijde van de brandstofcel van 300 ml / min, zijn de stroomsnelheden van elke soort eveneens weergegeven in tabel 2.
| gelijkwaardigheid Ratio | H 2 volume% | H | CO volume% | CO (ml · min -1) | CO 2 volume% | CO 2 (ml · min -1) | N 2 volume% | N2 (ml · min -1) | Totaal (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 |
Tabel 2. Model verbrandingsuitlaatgas samenstelling en stroomsnelheden. Experimentele resultaten verkregen voor de verbranding karakterisering worden getoond als hoeveelheid percents van het gedetecteerde molecuul. De totale stroomsnelheid van model brandstofrijke verbrandingsuitlaatgas voor brandstofcellen werd ingesteld op 300 ml / min. Het debiet van elke afzonderlijke soort wordt berekend door de totale stroomsnelheid en het volumepercentage van elke soort.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het protocol hier wordt besproken is een belangrijke brug tussen de vorige verbranding karakterisering onderzoek en brandstofcel testen. Het gebruik van de verbranding van de brandstof hervorming en brandstofcel testen is aangevraagd voor een aantal jaren in DFFC setups 10-15. De karakterisatie van het verbrandingsproces in DFFCs is vooral om in-situ karakterisering van de vlam samenstelling 16 en gebruikt een MS 8. Aangezien de DFFC open naar de omgeving, de uitlaatgas samenstelling bestaat voornamelijk uit water en CO2 en karakterisering van de uitlaat is niet noodzakelijk. Om de recente FFC begrip een procedure te ontwikkelen voor het karakteriseren van de verbrandingsgassen in een gedeeltelijk omsloten ruimte (dat wil zeggen, die de brandstof-luchtverhouding stelt) nodig. In plaats van een MS, GC geldt voor uitlaatgassen analyse 7. Na karakteriseren van de uitlaat, een eenvoudige methode voor het testen van brandstofcellen op deze exhAust noodzakelijk. Hoewel het mogelijk is om een volledig geïntegreerde brander en brandstofcellen testapparatuur ontwikkelen, deze procedure is een eenvoudige eerste stap die kan worden toegepast wetenschappelijk onderzoek naar de prestaties van brandstofcellen met verschillende samenstellingen uitlaat. Terwijl de verbranding karakterisering aanpak komt vaak voor, haar verzoek om FFC onderzoek is een belangrijke ontwikkeling.
De meest kritische stappen in deze procedure zijn om ervoor te zorgen dat de juiste veiligheidsmaatregelen zijn voorafgaand genomen om de ontsteking; en ervoor te zorgen dat er geen luchtlekkage in de verbrandingskamer. Het gebruik van terugslagkleppen en / of vlamdovers en hittebestendige materialen is van belang voor de veiligheid van de inrichting en de onderzoekers. Zoals uit de resultaten sectie, kan een groot aantal foutieve resultaten optreden als er terugstroming of andere lekkage van lucht in de verbrandingskamer. Dit terugstromen verandert de equivalentieverhouding van het mengsel en kan verschillende creërenmengen patronen die resultaten zoals die getoond in figuur 3 te creëren.
Terwijl twee methoden voor het vaststellen of er terugstroming van lucht in de verbrandingskamer zijn reeds beschreven, is er een derde manier om te bepalen of dit optreedt. Deze methode eenvoudig beoordeelt of de vlam blijft branden wanneer de MFC lucht wordt uitgeschakeld. In deze voorgemengde verbranding alleen lucht verbrandingsreactie wordt via de MFC. Na ontsteking, kan de luchttoevoer worden uitgeschakeld wanneer de brandstof wordt links op. De vlam dooft in de afwezigheid van lucht. Als de verbranding doorgaat, dan is back-luchtstroom in de verbrandingskamer optreedt. Na het bepalen dat er terugstroming van lucht in de verbrandingskamer, waardoor de terugstroming van lucht is nodig alvorens procedure. Vaststelling van het probleem kan relatief eenvoudig zijn. Het verbrandingsuitlaatgas wordt warm en daarom minder drijfvermogen, waardoor het de stijgen naar de top van de verbrandingkamer. Elke terugstroming van lucht in de kamers uiteinde optreedt op de bodem van de kamer. Na blokkeren van de bodemsectie van de verbrandingskamers uitlaatpoort, de drie boven beschreven technieken kunnen opnieuw worden uitgevoerd om te voorkomen dat lucht wordt weer uitmondt in de kamer. Deze discussie gaat ervan uit dat de kamer is al gecontroleerd op lekken. Volledige menging moet ook worden gecontroleerd door ervoor te zorgen dat elke gedetecteerde methaan is in zeer kleine hoeveelheden en de GC metingen herhaalbaar.
Na het karakteriseren van de verbrandingsuitlaatgas en ontwikkeling van het model verbrandingsuitlaatgas samenstelling, is er een aantal toepassingen voor brandstofcellen testen. Het gedeelte protocol beschrijft specifieke toepassing van deze techniek voor micro-tubulaire SOFC testen. Echter, dezelfde basisprocedure worden toegepast voor het testen van andere brandstofcellen geometrieën zoals vlakke en grotere buisvormige SOFCs. Het protocol omvat ook testen stack ontwerpen voor beide geometrie. DaarnaastHet protocol is niet beperkt tot methaan als brandstof. De werkwijze kan worden uitgebreid tot andere alkanen en alcohol brandstoffen die ook aanzienlijk potentieel voor het genereren van H2 en CO van brandstofrijke verbrandingsprocessen.
Hoewel de beschreven protocol heeft vele toepassingen die verdere ontwikkeling van FFCS, zijn er beperkingen aan deze techniek. Het protocol is opgericht om de mogelijkheid van de exploitatie van SOFC in verschillende brandstof-rijke verbrandingsprocessen en brandstoffen te testen. Het potentieel wordt waargenomen wanneer brandstofcellen werken in model brandstofrijke uitlaat. Specifiek, de kengetallen van veelbelovende prestaties omvatten hoge vermogensdichtheid, stroomdichtheid, brandstofbenutting en nullastspanning bereikt in de brandstofcel. Echter, de ontwikkeling van een model brandstof met alleen de belangrijkste aanwezige soort beperkt de onderzoeken die worden uitgevoerd. Zo werken de SOFC in het model verbrandingsuitlaatgas voor langdurige proeven is mogelijk, maar ikt misschien niet de beste indicatie van de werkelijke lange termijn prestatie-eigenschappen van de brandstofcel. Op lange termijn kunnen bepaalde soorten sporen in het verbrandingsuitlaatgas waardoor de SOFC negatief worden beïnvloed. Het testen van deze resultaten vereist de volledige integratie van de SOFC met een effectief brander en de volledige verbranding uitlaat. Hoewel deze beperkingen aanwezig zijn, de techniek verschaft toch een eenvoudige en gecontroleerde manier is om de FFCS prestaties en mogelijkheden als toekomstige bronnen van energieopwekking.
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).
