Name: combustion characterization and model fuel development for micro-tubular flame-assisted fuel cells
Uploaded: 2016-10-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
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This work is supported by an agreement with Syracuse University awarded by the Syracuse Center of Excellence in Energy and Environmental Systems with funding under prime award number DE-EE0006031 from the US Department of Energy and matching funding under award number 53367 from the New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), contract 61736 from NYSERDA, and an award from Empire State Development's Division of Science, Technology and Innovation (NYSTAR) through the Syracuse Center of Excellence, under award number #C120183. This work is supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. 1247399.

1. Verbrennungs Berechnungen <ol><li> Wählen Sie Kraftstoff für die Analyse. Wählen Sie hier Methan als Bezugskraftstoff, aber die Prinzipien sind übertragbar auf andere Kohlenwasserstoffbrennstoffen. </li><li> Mit 1 Mol Methan als Brennstoff, Gleichgewichtsgleichung (1) für eine stöchiometrische Verbrennung zu erhalten, die Gleichung (2). <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li> Berechnen des Kraftstoff-Luft - Verhältnis für eine stöchiometrische (F / A stöch.) , Wie in Gleichung 3 für die Methanverbrennung durch die Masse von Methan durch die Masse von Luft geteilt wird . Zu berechnen, der Zähler ist die Anzahl der Mole von Methan - fache molare Masse von Methan (16 g · mol -1) und der Nenner ist die Anzahl der Mol Sauerstoff - fache molare Masse von Sauerstoff (32 g · mol -1) zuzüglich die Anzahl der Mole von Stickstoff - fache molare Masse von Stickstoff (28 g · mol -1). <img alt="Gleichung 3"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li> Um das Äquivalenzverhältnis (Gleichung 4) zu variieren, variieren auch die Luftströmungsrate, der Kraftstoffdurchflussrate oder beides gleichzeitig. Typischerweise fix eine der Größen und variieren die anderen. Bestimmen Sie, ob entweder die Kraftstoff oder Luftdurchsatz für den Brenner zu beheben. Für dieses Experiment, fixieren Sie die Kraftstoff-Strömungsrate bei 10 l / min und damit der Luftdurchsatz in diesem Setup zu variieren. <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li> Mit der Kraftstoffdurchsatz, f, fixiert (10 l / min), F / A - stoisch. berechnet (0,0583), und die Bestimmung des Äquivalenzverhältnisses gegeben, die Berechnung der Luftströmungsgeschwindigkeit, eine für jede Äquivalenzverhältnis geprüft werden. Gleichung (5) stellt einen direkten Weg für die Berechnung der Luftströmungsrate in L / min für jede Äquivalenzverhältnis und die Ergebnisse sind für ein Äquivalenzverhältnis von 1 für Stöchiometrie gezeigt. <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> HINWEIS: Die obere FlammFähigkeit Grenze (oder obere Explosionsgrenze) ist die reichste Äquivalenzverhältnis, das ohne Abschrecken der Flamme in der Abwesenheit eines Katalysators verbrannt werden kann. Höheren Äquivalenzverhältnissen kann unter Verwendung eines Katalysators erhalten werden, jedoch nur nicht-katalytischen Verbrennung wird in diesem Papier beschrieben. Lesen Sie die Literatur, die die obere Zündgrenze für den Brennstoff gewählt, um beurteilen zu können. </li></ol> 2. Verbrennungs Charakterisierung Experimenteller Aufbau <ol><li> Wählen Sie Massendurchflussregler (MFCs) für Methan und Luft auf der Basis der Durchflussraten, erhalten in Schritt 1.5. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie eine MFC Größe der Auswahl, um sicherzustellen, dass das MFC nicht am unteren Ende seines Bereichs (&lt;10% vom Endwert) während der Prüfung in Betrieb sein. Für diesen spezifischen Fall verwenden 40 l / min und 200 l / min MFCs für Methan und Luft sind. </li><li> Schließen Sie die MFCs an die Methan und Lufttanks über Kupferrohre. </li><li> Stellen Sie die Regler auf die Methan und Luftbehälter an den entsprechenden Druck für das MFC wie angegebendurch den Hersteller. In diesem Fall den Druck auf 138 kPa (20 psi). </li><li> Kalibrieren Sie die MFCs genaue Durchflussraten zu gewährleisten. </li><li> Konstruieren Sie die Brennkammer. Für dieses Experiment wurde eine Brennkammer 914 mm lang mit einem 168 mm Austrittsdurchmesser zu entwickeln. <ol><li> Bohrer Ports für Verbrennungsabgasanalyse und für Thermoelement-Anordnung entlang der Länge der Verbrennungskammer. Die genaue Anzahl und der Abstand benötigt wird, hängt von der Größe der Flamme und die Zwecke des Experiments. Für diese Einrichtung, Raum die ersten 5 Thermoelemente am nächsten an der Verbrennungsbereich 7 mm auseinander gesetzt. Raum der letzten 6 Thermoelemente 14 mm auseinander. Verwenden Sie den gleichen Abstand für die Auslasskanäle. </li><li> Legen Sie die K-Typ-Thermoelemente in die Verbrennungskammer über die Anschlusslöcher. Richten Sie die Thermoelementspitze in der Mitte der Brennkammer. Größe der Anschlusslöcher das Thermoelement zu passen und Dichtung mit hoher Temperatur Metallhülsen und Muttern Auslaufen zu verhindern. </li></ol></li><li> Connect die K-Typ-Thermoelemente direkt mit dem Datenerfassungsmodul. </li><li> Schließen Sie das Datenerfassungsmodul an den Computer über den USB-Laufwerk. </li><li> Bringen Sie ein Einwegventil auf dem Weg Kupferrohr unmittelbar nach dem Kraftstoff MFC und kurz vor dem Brenner. Richten Sie das Ventil, so dass der Fluss nur weg von der MFC bewegen kann. Die Einwegventile sind eine wichtige Sicherheitsfunktion Blitz zurück zu verhindern. </li><li> Überprüfen Sie die Kupferrohr vor und nach dem MFC-Setup auf undichte Stellen. Verwenden Sie Seifenwasser aufgetragen mit einem Pinsel auf die Rohrlecks zu erfassen, wie Lecks Blasen schaffen würde. </li><li> Schließen Sie die Brennkammer und Brenner zu den Massendurchflussregler über Kupferleitungen. </li><li> die Brennkammer Setup, wählen Sie eine der Auslasskanäle für die Prüfung Nach Abschluss. Verbinden Sie diesen Anschluss an Kupferrohren, die mit dem GC-Analyse-Port erstreckt. </li><li> Wählen Sie eine Spritze, die die Abgase aus der Verbrennungskammer zu ziehen und drücken Sie dann in die GC für die Analyse. Für dieses Experiment verwenden ein25-ml-Spritze. </li><li> Platzieren ein Dreiwegeventil in Übereinstimmung mit dem Kupferrohr die Auslaßöffnung mit dem GC verbindet. Ein Ende des Zweiwegeventils mit dem GC, der zweiten in die Abgasöffnung und der dritten in die 25 ml-Spritze. Verbinden der Kupferrohre an die 3-Wege-Ventil. Verwenden Sie die Spritze Verbrennungsabgas aus der Kammer zu saugen und dann schieben in den GC für die Analyse. </li><li> Die 3-Wege-Ventil mit dem GC und Spritze. Betätigen, um den Spritzenkolben erfolgreichen Betrieb sicherzustellen. HINWEIS: Ein vereinfachtes Schema des Aufbaus ist in 1 gezeigt. </li></ol><img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> Abbildung 1. Die Verbrennung Charakterisierung Versuchsaufbau schematisch. Combustion Charakterisierung Versuchsaufbau schematische Darstellung , Kraftstoff-, Luft- und Abgasströme (schwarze Pfeile) und Datenströme (rote Pfeile). Einwegventile werden verwendet, Blitz zurück zu verhindern. <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 3. Verbrennung Charakterisierung Experiment <ol><li> Vor der Prüfung drücken Sie den Kolben Spritze in vollständig und öffnen Sie das Dreiwegeventil auf der Auslaßöffnungsseite. </li><li> Schalten Sie die Klima MFC auf den ersten zu einer Fließgeschwindigkeit von 86,5 l / min. </li><li> Drehen Methan MFC auf eine Strömungsgeschwindigkeit von 10 L / min. Dadurch entsteht ein vorgemischtes Äquivalenzverhältnis von 1,10, ein leicht fettes Gemisch, das leichter zu zünden ist. </li><li> Schalten Sie Thermoelemente auf über das Computermodul zum Aufzeichnen von Daten beginnen. </li><li> Zünden des Gemisches am Ende der Verbrennungskammer mit einem Gasfeuerzeug. Nach der Zündung, sollte die Flamme an der Brennerfront stabilisieren. </li><li> Stellen Sie das Äquivalenzverhältnis, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Luft langsam aus dem Anfangswert von 86,5 L / min auf den gewünschten Wert eingestellt wird. Achten Sie darauf, nicht zu schnell zu bewegen oder außerhalb des Entzündb gehenility Grenzen, die Flamme Löschung verursachen würde. </li><li> Notieren Sie sich die Temperaturanzeige in einer Datendatei, nachdem die Thermoelemente Temperaturen stabilisieren. </li><li> Wieder einmal, ziehen Sie den Spritzenkolben Verbrennungsabgas von der Abgasöffnung zu extrahieren. </li><li> Nach dem Extrahieren des Verbrennungsabgas, öffnen Sie das Drei-Wege-Ventil mit dem GC Seite und die Auslaßöffnungsseite schließen. </li><li> Drücken Sie den Spritzenkolben, bis es vollständig und alle des Abgases schließt wurde der GC gesendet. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3,8-3,10, bis alle der Restgase in dem Kupferrohr um den Port zu dem GC Verbinden entfernt wird. Eine einfache Analyse des Innenvolumens des Kupferrohre im Vergleich zu dem Volumen der Spritze zeigt an, wie viele Male die Schritte 3,8-3,10 Bedarf wiederholt werden. </li><li> Nachdem alle Restgase in dem Schlauch zu entfernen eine endgültige Abgasprobe für die Analyse zu extrahieren. Schieben Sie das Abgas in den GC und drehen Sie die GC - Analyse - Modus 7,17. </li><li> Notieren Sie die GC-Daten durch SpeichernDie GC-Analyse-Daten. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3,1-3,13, bis alle gewünschten Äquivalenzverhältnisse getestet werden. </li></ol> 4. Entwicklung des Modells Verbrennungsabgas <ol><li> Zeichnen Sie die Verbrennungsabgas Arten Volumenanteil der Trends zu beobachten. </li><li> Bestimmen Sie den Konzentrationswert für das Modell Verbrennungsabgas abgeschnitten. Bei der Entwicklung eines Modells Verbrennungsabgas Kraftstoff für die anfängliche mT-FFC-Analyse nur die auftretenden Komponenten in signifikanten Anteilen (&gt; 1%) sind im Modell Kraftstoff enthalten. </li><li> Für das Modell Brennstoff wählen diese Äquivalenzverhältnisse, die im Abgas nur signifikante Wasserstoff und Kohlenmonoxid (für jede Komponente&gt; 1%) zu erzeugen. </li><li> Aufzeichnen der Volumenprozentsatz für jedes der Abgasbestandteile, die die Kriterien von 4,3. </li></ol> 5. Fuel Cell Testing-Setup <ol><li> Bestimmen Sie die Durchflussbereiche für jedes Gas. Multiplizieren Sie den Volumenanteil aus den GC-Analyseergebnisse von t erhaltener Gesamtflussrate des Modells Verbrennungsabgas in jeder Brennstoffzelle erwünscht. </li><li> Beurteilen Sie den Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten für jede Verbrennungsabgas Arten der maximalen und minimalen Strömungs für jede Art zu bestimmen. </li><li> Select-Durchflussmesser nach den gleichen in Schritt 2.1 beschriebenen Prinzipien. </li><li> Erstellen Sie das Testgerät durch den Durchflussmesser in die Gastanks über Kupferrohr befestigt wird. </li><li> Stellen Sie die Gasdruckregler auf den vorgeschriebenen Wert für den Durchflussmesser. </li><li> Platzieren Einwegventile in den Kupferrohrpfad stromabwärts von jedem Durchflussmesser ein brennbares Gas verwendet wird. </li><li> Schließen Sie alle Durchflussmesser Austrittsöffnungen miteinander über Kupferrohr und einem Verteiler. </li><li> Stellen Sie den Mikrorohrförmigen SOFC an der Innenseite des Stahlrohrs einen Innendurchmesser gerade größer als die Brennstoffzelle Außendurchmesser. Abdichtung um die Brennstoffzelle mit dem Stahlrohr unter Verwendung von Keramikkleber. </li><li> Schließen Sie das Stahlrohr mit mikrotubulären SOFC zu einem Stück Keramik feuerfesten material die Brennstoffzelle in dem Ofen zu halten. </li><li> Nutzen Sie die 4 Sondentechnik 10,11 mit Stromerfassung und Spannungsmessleitungen mit dem mikrotubulären SOFC mit zwei Drähten an der Anode und zwei Drähte an der Kathode. Stellen Sie sicher, dass die Drähte einander nicht zu schaffen Shorts überqueren. </li><li> Verbinden Sie die vier Adern an den vier Sonden des Potentiostaten 10,11. </li><li> Schließen Sie den Potentiostaten an den Computer 10,11. </li><li> Platzieren eines Thermoelements in den Ofen mit der Spitze berührt die Außenseite des Mikrorohrförmigen SOFC Elektrolyt 10,11. </li><li> Befestigen Thermodrähte an die Datenerfassungsmodul. </li><li> Schließen Sie das Datenerfassungsmodul an den Computer über den USB-Anschluss. ANMERKUNG: Abbildung 2 ist ein vereinfachtes Schema der mT-FFC - Test - Setup zeigt. Mit dem Modell Kraftstoff entwickelt und die für die Steuerung des Modells Brennstoffströmung zu der Brennstoffzelle etabliert Setup können Tests nach herkömmlichen f vorgehenuel Zelle Testmethoden. Diese Verfahren sind in der Literatur gut etabliert und werden hier nicht wiederholt werden. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> Abbildung 2. mikrotubulären Flamme-unterstützte Brennstoffzellentestaufbau schematisch. Flüsse von H 2, CO, CO 2, N 2 (schwarze Pfeile) sind mit einem MFC geregelt und ein Einwegventil Blitz zurück zu verhindern. Elektronen fließen (grüne Linie) von der SOFC in dem Ofen mit dem Potentiostaten und zurück zu der SOFC. Durchfluss von Thermoelement - Daten und elektrochemischen Daten wird durch rote Pfeile dargestellt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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	<li>Gorte, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+towards+commercialization+of+solid+oxide+fuel+cells.">Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells.</a> AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).</li><li>Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-tubular+flame-assisted+fuel+cells+for+micro-combined+heat+and+power+systems.">Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems.</a> J. Power Sources. 306, 148-151 (2016).</li><li>Horiuchi, M., Suganuma, S., Watanabe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+power+generation+directly+from+combustion+flame+of+gases,+liquids,+and+solids.">Electrochemical power generation directly from combustion flame of gases, liquids, and solids.</a> J. Electrochem. Soc. 151 (9), A1402-A1405 (2004).</li><li>Starik, A. M., Kuleshov, P. S., Loukhovitski, B. I., Titova, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+study+of+partial+oxidation+of+methane+by+non-equilibrium+oxygen+plasma+to+produce+hydrogen+rich+syngas.">Theoretical study of partial oxidation of methane by non-equilibrium oxygen plasma to produce hydrogen rich syngas.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (32), 9872-9884 (2015).</li><li>Katta, V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+flames+established+with+jet+in+cross+flow+of+fuel-rich+combustion.">On flames established with jet in cross flow of fuel-rich combustion.</a> Fuel. 150, 360-369 (2015).</li><li>Maruta, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extinction+limits+of+catalytic+combustion+in+microchannels.">Extinction limits of catalytic combustion in microchannels.</a> P. Combustion Institute. 29 (1), 957-963 (2002).</li><li>Ahn, J., Eastwood, C., Sitzki, L., Ronney, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas-phase+and+catalytic+combustion+in+heat-recirculating+burners.">Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners.</a> P. Combustion Institute. 30 (2), 2463-2472 (2005).</li><li>K&#1255;hler, M., O&#223;wald, P., Xu, H., Kathrotia, T., Hasse, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Speciation+data+for+fuel-rich+methane+oxy-combustion+and+reforming+under+prototypical+partial+oxidation+conditions.">Speciation data for fuel-rich methane oxy-combustion and reforming under prototypical partial oxidation conditions.</a> Chemical Engineering Science. 139, 249-260 (2016).</li><li>Ahn, J., Ronney, P. D., Shao, Z., Haile, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+thermally+self-sustaining+miniature+solid+oxide+fuel+cell.">A thermally self-sustaining miniature solid oxide fuel cell.</a> J. Fuel Cell Science and Technology. 6 (4), 041004 (2009).</li><li>Wang, K., Milcarek, R. J., Zeng, P., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flame-assisted+fuel+cells+running+methane.">Flame-assisted fuel cells running methane.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (13), 4659-4665 (2015).</li><li>Wang, K., Zeng, P., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+performance+direct+flame+fuel+cell+using+a+propane+flame.">High performance direct flame fuel cell using a propane flame.</a> P. Combust. Inst. 32 (2), 3431-3437 (2011).</li><li>Wang, Y. Q., Shi, Y. X., Yu, X. K., Cai, N. S., Li, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+solid+oxide+fuel+cells+with+multi-element+diffusion+flame+burners.">Integration of solid oxide fuel cells with multi-element diffusion flame burners.</a> J. Electochem. Soc. 160 (11), F1241-F1244 (2013).</li><li>Horiuchi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+a+solid+oxide+fuel+cell+couple+operated+via+in+situ+catalytic+partial+oxidation+of+n-butane.">Performance of a solid oxide fuel cell couple operated via in situ catalytic partial oxidation of n-butane.</a> J. Power Sources. 189 (2), 950-957 (2009).</li><li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+study+of+portable+direct-flame+solid+oxide+fuel+cell+(DF-SOFC)+stack+with+butane+fuel.">The study of portable direct-flame solid oxide fuel cell (DF-SOFC) stack with butane fuel.</a> J. Fuel Chem. Technol. 42 (9), 1135-1139 (2014).</li><li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-performance+no-chamber+fuel+cell+operated+on+ethanol+flame.">A high-performance no-chamber fuel cell operated on ethanol flame.</a> J. Power Sources. 177 (1), 33-39 (2008).</li><li>Sun, L., Hao, Y., Zhang, C., Ran, R., Shao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coking-free+direct-methanol-flame+fuel+cell+with+traditional+nickel-cermet+anode.">Coking-free direct-methanol-flame fuel cell with traditional nickel-cermet anode.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 35 (15), 7971-7981 (2010).</li><li>Zeng, P., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+sintering+temperature+on+the+performance+of+SrSc0.1Co0.9O3-&#948;+oxygen+semipermeable+membrane.">Effects of sintering temperature on the performance of SrSc0.1Co0.9O3-&#948; oxygen semipermeable membrane.</a> Braz. J. Chem. Eng. 32 (3), 757-765 (2015).</li><li>Turns, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. , (2000).</li><li>Glassman, I., Yetter, R. A., Glumac, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combustion. , (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Das Protokoll diskutiert hier ist eine wichtige Brücke zwischen früheren Verbrennungs Charakterisierung Forschung und Testen von Brennstoffzellen. Die Verwendung von Verbrennung für Kraftstoffreformierung und Brennstoffzellentest ist seit mehreren Jahren in DFFC Aufbauten 10-15 angewandt. Jedoch ist die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in DFFCs hauptsächlich mit in-situ Charakterisierung der Flammenzusammensetzung 16 und verwendet eine MS 8. Da die DFFC zur Umgebu...

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Innovationen wurden in den letzten Jahren berichtet, wie die Technologie weiter zu entwickeln. Unter den vielen Vorteilen haben, SOFCs für hohe Kraftstoffeffizienz, geringe Emissionen und moderate Brennstoffflexibilität im Vergleich zu anderen Verbrennungs basierten Leistungserzeugungstechniken 1 bekannt geworden. Darüber hinaus sind SOFCs skalierbar so dass für hohe Kraftstoffeffizienz auch bei kleinen Skalen. Leider haben Einschränkungen in der aktuellen Wasserstoff-Infrastruktur ein Bedarf an Kraftstoffreformierung Systeme geschaffen, die oft ineffizient sind. Eine neuere Entwicklung ist die mikrotubulären flamm unterstützt Brennstoffzelle (mT-FFC) in des Autors früheren Arbeiten 2 berichtet. Der mT-FFC ist das erste Beispiel einer Flamme unterstützten Brennstoffzelle (FFC) , die auf die Vorteile der ursprünglichen direkten Flamme Brennstoffzelle (DFFC) baut, die 3 durch Verbrennung Reformierung Wärmeerzeugung und Treibstoff zur Verfügung stellt. Die DFFC Einrichtung platziert eine SOFC in direkten Kontakt mit einer Flamme offen für die Umgebungs environment. Die Flamme oxidiert teilweise schwerere Kohlenwasserstoffbrennstoffen H 2 und CO zu erzeugen, die in der SOFC mit weniger Potential für Kohlen Verkokung im Vergleich zu reinem Methan oder andere schwerere Kohlenwasserstoffe direkt verwendet werden kann. Zusätzlich stellt die Flamme die Wärmeenergie benötigt, um die SOFC auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Eine aktuelle Änderung der ursprünglichen DFFC erfolgte durch die SOFC aus dem Flammenbereich bewegt und das Verbrennungsabgas in die SOFC Kanalisierung des FFC 2 zu schaffen. Anders als bei der DFFC erfolgt die Verbrennung in einer teilweise umschlossenen Kammer (anstelle der Umgebungs), so dass der Kraftstoff-Luft-Verhältnis gesteuert werden kann und das Abgas kann direkt in die Brennstoffzelle eingespeist werden, ohne daß eine vollständige Verbrennung stattfindet. FFCs haben zusätzliche Vorteile wie hohe Brennstoffausnutzung und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zu DFFCs 2. Als aufstrebender Bereich der Forschung werden experimentelle Techniken benötigt, die das Potenzial von mT-FF beurteilenCs für die zukünftige Energieerzeugung Anwendungen. Diese Techniken erfordern Analyse der partiellen Oxidation oder brennstoffreichen Verbrennung und der Abgas die als Weg identifiziert worden ist , zur Erzeugung von H 2 und CO, das auch als Synthesegas bekannt ist , zusammen mit CO 2 und H 2 O. Das Syngas kann direkt in den Brennstoffzellen für die Stromerzeugung verwendet werden. Die Analyse der brennstoffreichen Verbrennungsabgas wurde in den letzten Jahren gut etabliert und hat theoretisch 4 durchgeführt wird , berechnungs 5,6 und experimentell 7 für viele verschiedene Zwecke. Viele der theoretischen und rechnerischen Studien haben sich auf das chemische Gleichgewicht Analyse (CEA) stützte sich die Verbrennungsproduktspezies zu bewerten, die energetisch günstig sind, und chemische kinetische Modelle für Reaktionsmechanismen. Während diese Verfahren sehr nützlich gewesen sind, haben viele neue Technologien auf experimentelle Techniken in der Forschung und Entwicklung berufen. Experimentelle Techniken beruhen typischerweise auf anaLyse des Verbrennungsabgas unter Verwendung entweder eines Gaschromatographen (GC) 7 oder ein Massenspektrometer (MS) 8. Entweder die GC line / Spritze oder die MS-Sonde wird in das Verbrennungsabgas eingeführt und die Messungen nach dem Spezieskonzentration abzuschätzen. Die Anwendung der experimentellen Techniken wurde im Bereich der kleinen Stromerzeugung gemeinsam. Einige Beispiele umfassen Mikro Brennkammern , die entwickelt wurden mit Einkammer SOFCs 7,9 und DFFCs 10-15 zu betreiben. Die Analyse des Verbrennungsabgas tritt in einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen einschließlich unterschiedlichen Temperaturen, Durchflussraten und Äquivalenzverhältnisse. Im Bereich der DFFC Forschung, Brennstoff und Oxidationsmittel können teilweise vorgemischt werden oder nicht vorgemischten, mit dem Brenner offen zur Umgebungs die vollständige Verbrennung gewährleistet. Mit einer Notwendigkeit , die Flamme Zusammensetzung zu analysieren, eine MS hat in vielen Fällen für DFFC Forschung und Verbrennungsanalyse 16 eingesetzt. Die neuere Entwicklung des FFC unterscheidet sich in einer teilweise geschlossenen Umgebung auf einer vorgemischten Verbrennung mit dem Brenner, indem sie sich eine vollständige Oxidation des Brennstoffes zu verhindern. Als Ergebnis zeigte die Analyse des Verbrennungsabgases in einer kontrollierten Umgebung frei von Luftleckage benötigt. Experimentelle Techniken für diesen Zweck entwickelt verlassen sich auf den früheren Techniken für die Mikrobrennkammer Forschung mit GC-Analyse des Verbrennungsabgases bei variierenden Äquivalenzverhältnissen verwendet. Die GC - Analyse führt zur Charakterisierung der Verbrennungsabgaszusammensetzung (dh der Volumenprozentsatz jedes Bestandabgas einschließlich CO 2, H 2 O, N 2, etc.) Diese Analyse ermöglicht das Mischen der getrennten Gase nach den Verhältnissen durch die gemessene GC, um ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas für zukünftige FFC Forschung schaffen. Die Protokolle für brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu analysieren, ein Modell brennstoffreichen Verbrennungsabgas zu entwickeln und anwendening den Auspuff für SOFC-Tests werden in diesem Papier hergestellt. Gemeinsame Herausforderungen und Einschränkungen sind für diese Techniken diskutiert.

<table><tbody><tr><td>Gas chromotograph</td><td>SRI Instruments, Inc.</td><td>SRI 8610C</td><td></td></tr><tr><td>K type thermocouples</td><td>Omega</td><td>KQXL-116G-6</td><td>Custom length</td></tr><tr><td>K type thermocouple extension wire</td><td>Omega</td><td>EXTT-K-20-SLE-100</td><td></td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Omega</td><td>FMA5427</td><td>0-40 L/min (N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)&lt;br/&gt; Used for methane</td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Omega</td><td>FMA5443</td><td>0-200 L/min (N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)&lt;br/&gt; Used for air</td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Omega</td><td>FMA5402A</td><td>0-10 ml/min (N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)&lt;br/&gt; Used for CO</td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>200 SCCM (Propane)&lt;br/&gt; Used for CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>5 L/min (Air)&lt;br/&gt; Used for N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>Brooks Instrument</td><td>SLA5850</td><td>500 SCCM (N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)&lt;br/&gt; Used for H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Products Group</td><td>HP721-125-350-F</td><td>Methane tank</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-590-E</td><td>Air tank</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Airgas</td><td>Y11-SR145B</td><td>CO tank</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-050-320-E</td><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; tank</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Airgas</td><td>Y12-215B</td><td>N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; tank</td></tr><tr><td>Regulator</td><td>Harris Products Group</td><td>HP702-015-350-D</td><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; tank</td></tr><tr><td>Methane, Compressed,&lt;br/&gt;Ultra high purity</td><td>Airgas</td><td>UN1971</td><td>Extremely Flammable</td></tr><tr><td>Air, Compressed,&lt;br/&gt;Ultra pure</td><td>Airgas</td><td>UN1002</td><td>Not classified as hazardous to health.</td></tr><tr><td>CO, Compressed,&lt;br/&gt;Ultra high purity</td><td>Airgas</td><td>UN1016</td><td>Toxic by inhalation, Extremely flammable</td></tr><tr><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, Compressed,&lt;br/&gt;Research grade</td><td>Airgas</td><td>UN1013</td><td>Asphyxiant in high concentrations</td></tr><tr><td>N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, Compressed,&lt;br/&gt; Ultra high purity</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td>Not classified as hazardous to health.</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, Compressed,&lt;br/&gt; Ultra high purity</td><td>Airgas</td><td>UN1049</td><td>Extremely flammable, burns with invisible flame</td></tr><tr><td>Source meter</td><td>Tektronix, Inc.</td><td>Keithley 2420</td><td>Connects to computer via USB</td></tr><tr><td>Horizontal split tube furnace</td><td>MTI Corportation</td><td>OTF-1200X</td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ-9172</td><td>Connects to computer via USB</td></tr><tr><td>Thermocouple input</td><td>National Instruments</td><td>NI 9211</td><td>Connects to cDAQ-9172</td></tr><tr><td>Computer control for Mass Flow Controllers</td><td>National Instruments</td><td>NI 9263</td><td>Connects to cDAQ-9172&lt;br/&gt; Computer control for Mass Flow Controllers</td></tr><tr><td>Testing software</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 8.6</td><td></td></tr><tr><td>Ceramabond</td><td>Aremco</td><td>552-VFG</td><td>1 Pint</td></tr></tbody></table>

combustion characterization and model fuel development for micro-tubular flame-assisted fuel cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.

Die Verbrennungskammer Charakterisierung sollte bei den gewünschten Äquivalenzverhältnissen für die Rückströmung der Luft in die Kammer oder eine andere Luftverlust während des Tests vor dem Test überprüft werden. Verbrennungsprozesse in offenen Kammern sind dafür bekannt, fast isobar zu sein. Rück fließt in die Verbrennungskammer aus der Kammer Auslassanschluss oder andere Leckstellen Als Ergebnis kann nicht ausreichen, um Druck innerhalb der Verbrennungskammer, um sicherzus...

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Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.

Combustion Charakterisierung und Modell Kraftstoffentwicklung für Mikrorohr Flamme-unterstützte Brennstoffzellen

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

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Serie: Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

Sondieren und Mapping-Elektrode Oberflächen in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Forschung

Ingenieurwesen

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs along the interface between the fuel and core materials. Simultaneously, dynamic changes in thermal and chemical potentials across the micro/nanostructured materials result in concomitant electrical energy generation induced by charge transfer in the form of a high-output voltage pulse. We demonstrate the entire procedure of a thermopower wave experiment, from synthesis to evaluation. Thermal chemical vapor deposition and the wet impregnation process are respectively employed for the synthesis of a multi-walled carbon nanotube array and a hybrid composite of picric acid/sodium azide/multi-walled carbon nanotubes. The prepared hybrid composites are used to fabricate a thermopower wave generator with connecting electrodes. The combustion of the hybrid composite is initiated by laser heating or Joule-heating, and the corresponding combustion propagation, direct electrical energy generation, and real-time temperature changes are measured using a high-speed microscopy system, an oscilloscope, and an optical pyrometer, respectively. Furthermore, the crucial strategies to be adopted in the synthesis of hybrid composite and initiation of their combustion that enhance the overall thermopower wave energy transfer are proposed.

A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.

Herstellung und Auswertung der Hybrid Composites der chemischen Treibstoff und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren in das Studium der Thermokraft Waves

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs ...

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The common techniques used for the size analysis are transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and photoluminescence spectroscopy (PL). These techniques, however, are not suitable for analyzing the nanocrystal size distribution in a fast, non-destructive and a reliable manner at the same time. Our aim in this work is to demonstrate that size distribution of semiconductor nanocrystals that are subject to size-dependent phonon confinement effects, can be quantitatively estimated in a non-destructive, fast and reliable manner using Raman spectroscopy. Moreover, mixed size distributions can be separately probed, and their respective volumetric ratios can be estimated using this technique. In order to analyze the size distribution, we have formulized an analytical expression of one-particle PCM and projected it onto a generic distribution function that will represent the size distribution of analyzed nanocrystal. As a model experiment, we have analyzed the size distribution of free-standing silicon nanocrystals (Si-NCs) with multi-modal size distributions. The estimated size distributions are in excellent agreement with TEM and PL results, revealing the reliability of our model.

We demonstrate how to determine the size distribution of semiconductor nanocrystals in a quantitative manner using Raman spectroscopy employing an analytically defined multi-particle phonon confinement model. Results obtained are in excellent agreement with the other size analysis techniques like transmission electron microscopy and photoluminescence spectroscopy.

Charakterisierung von Nanokristallgrößenverteilung mittels Raman-Spektroskopie mit einem Multi-Partikel Phonon Confinement Modell

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex interactions occurring at the interface between gas-phase flames and condensed-phase fuels. The current research provides a technique to explore the dynamic relationship between a combustible condensed fuel surface and gas-phase flames in laminar boundary layers. Experiments have previously been conducted in both forced and free convective environments over both solid and liquid fuels. A unique methodology, based on the Reynolds Analogy, was used to estimate local mass burning rates and flame heat fluxes for these laminar boundary layer diffusion flames utilizing local temperature gradients at the fuel surface. Local mass burning rates and convective and radiative heat feedback from the flames were measured in both the pyrolysis and plume regions by using temperature gradients mapped near the wall by a two-axis traverse system. These experiments are time-consuming and can be challenging to design as the condensed fuel surface burns steadily for only a limited period of time following ignition. The temperature profiles near the fuel surface need to be mapped during steady burning of a condensed fuel surface at a very high spatial resolution in order to capture reasonable estimates of local temperature gradients. Careful corrections for radiative heat losses from the thermocouples are also essential for accurate measurements. For these reasons, the whole experimental setup needs to be automated with a computer-controlled traverse mechanism, eliminating most errors due to positioning of a micro-thermocouple. An outline of steps to reproducibly capture near-wall temperature gradients and use them to assess local burning rates and heat fluxes is provided.

We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.

Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

A Guide to Concentration Alternating Frequency Response Analysis of Fuel Cells

An experimental setup capable of generating a periodic concentration input perturbation of oxygen was used to perform concentration-alternating frequency response analysis (cFRA) on proton-exchange membrane (PEM) fuel cells. During cFRA experiments, the modulated concentration feed was sent to the cathode of the cell at different frequencies. The electric response, which can be cell potential or current depending on the control applied on the cell, was registered in order to formulate a frequency response transfer function. Unlike traditional electrochemical impedance spectroscopy (EIS), the novel cFRA methodology makes it possible to separate the contribution of different mass transport phenomena from the kinetic charge transfer processes in the frequency response spectra of the cell. Moreover, cFRA is able to differentiate between varying humidification states of the cathode. In this protocol, the focus is on the detailed description of the procedure to perform cFRA experiments. The most critical steps of the measurements and future improvements to the technique are discussed.

We present a protocol for concentration alternating frequency response analysis of fuel cells, a promising new method of studying fuel cell dynamics.

Ein Leitfaden zur Konzentrations-Frequenz-Antwort-Analyse von Brennstoffzellen

An experimental setup capable of generating a periodic concentration input perturbation of oxygen was used to perform concentration-alternating frequency ...

Umwelt

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This flexible tool offers a detailed observation of chemical gas-phase kinetics in reacting flows under well-controlled conditions. The vast range of operating conditions available in a laminar flow reactor enables access to extraordinary combustion applications that are typically not achievable by flame experiments. These include rich conditions at high temperatures relevant for gasification processes, the peroxy chemistry governing the low temperature oxidation regime or investigations of complex technical fuels. The presented setup allows measurements of quantitative speciation data for reaction model validation of combustion, gasification and pyrolysis processes, while enabling a systematic general understanding of the reaction chemistry. Validation of kinetic reaction models is generally performed by investigating combustion processes of pure compounds. The flow reactor has been enhanced to be suitable for technical fuels (e.g. multi-component mixtures like Jet A-1) to allow for phenomenological analysis of occurring combustion intermediates like soot precursors or pollutants. The controlled and comparable boundary conditions provided by the experimental design allow for predictions of pollutant formation tendencies. Cold reactants are fed premixed into the reactor that are highly diluted (in around 99 vol% in Ar) in order to suppress self-sustaining combustion reactions. The laminar flowing reactant mixture passes through a known temperature field, while the gas composition is determined at the reactors exhaust as a function of the oven temperature. The flow reactor is operated at atmospheric pressures with temperatures up to 1,800 K. The measurements themselves are performed by decreasing the temperature monotonically at a rate of -200 K/h. With the sensitive MBMS technique, detailed speciation data is acquired and quantified for almost all chemical species in the reactive process, including radical species.

An investigation of the oxidative combustion chemistry of novel biofuels, fuel components, or jet fuels by comparison of quantitative speciation data is presented. The data can be used for kinetic model validation and enables fuel assessment strategies.This manuscript describes the atmospheric high-temperature flow reactor and demonstrates its capabilities.

Chemie der Verbrennung von Brennstoffen: Quantitative Speziationsdaten aus einer atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor mit gekoppelt Molekularstrahl Massenspektrometer

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

Chemie

Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure

A technique to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain structure is presented. This technique utilizes the different regression rates of acrylonitrile butadiene styrene and paraffin-based fuels, which increase the exchanges of both matter and energy by swirl flow and recirculation zones formed at the grooves between the adjacent vanes. The centrifugal casting technique is used to cast the paraffin-based fuel into an acrylonitrile butadiene styrene substrate made by three-dimensional printing. Using oxygen as the oxidizer, a series of tests were conducted to investigate the combustion performance of the novel fuel grain. In comparison to paraffin-based fuel grains, the fuel grain with a nested helical structure, which can be maintained throughout the combustion process, showed significant improvement in the regression rate and great potential in improvement of combustion efficiency.

A technique utilizing a solid fuel grain with a novel nested helical structure to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine is presented.

Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybrid-Raketenmotors mit einem neuartigen Kraftstoffkorn mit einer verschachtelten Helical-Struktur

A technique to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain structure is presented. This technique utilizes the ...