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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells at JoVE.com

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. חישובים שרפים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר דלק לניתוח. הנה, לבחור מתאן כדלק ההתייחסות, אבל העקרונות הם להעברה של דלקים פחמימניים אחרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עם 1 חפרפרת של מתאן כדלק, משוואת איזון (1) עבור בעירת stoichiometric להגיע למשוואה (2). <img alt="משוואה 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="משוואה 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חשב את יחס אוויר דלק עבור stoichiometric (F / A stoich.) כמו במשוואה 3 עבור בעירה מתאן על ידי חלוקת המסה של מתאן על ידי המסה של האוויר. כדי לחשב, המונה הוא המספר מולי פעמים מתאן המסה הטוחנת של מתאן (16 גרם · mol -1) מכנה הוא המספר מולי פעמי חמצן המסה הטוחנת של חמצן (32 גרם · mol -1) בתוספת המספר מולי פעמי חנקן המסה של חנקן הטוחנת (28 גרם · mol -1). <img alt="משוואה 3"src = &quot;/ files / ftp_upload / 54,638 / 54638eq3.jpg&quot; /&gt; </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> על מנת לגוון את היחס השקיל (משוואת 4), להשתנות או את קצב זרימת האוויר, קצב זרימת הדלק או שניהם בו זמנית. בדרך כלל, לתקן אחד הכמויות ולגוון את השני. ברר אם לתקן או את קצב זרימת דלק או אוויר עבור הצורב. לצורך ניסוי זה, לתקן את קצב זרימת הדלק ב 10 ליטר / דקה ולאפשר את קצב זרימת האוויר להשתנות כלול בהגדרה זו. <img alt="משוואה 4" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עם קצב זרימת הדלק, f, קבועים (10 L / min), F / A סטואית. מחושב (0.0583), ולאור הגדרת היחס השקיל, לחשב את קצב זרימת אוויר, עבור כל יחס שקיל להיבדק. משוואה (5) מספק דרך ישירה חישוב שיעור זרימת אוויר L / דקה עבור כל יחס שקיל ואת התוצאות מוצגות על יחס שקיל של 1 עבור ורכב. <img alt="משוואה 5" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> הערה: פלאם העליוןגבול היכולת (או גבול פיצוץ עליון) הוא היחס השקיל העשיר שיכול להישרף ללא מרווית ההלהבה בהיעדר זרז. יחסי שקילות גבוהים ניתן להשיג עם השימוש בקטליזאטור, אבל רק בעירה שאינה קטליטי מתוארת במאמר זה. התייעץ בספרות להעריך את גבול דליקות העליון על הדלק הנבחר. </li></ol> 2. הגדרת ניסוי האפיון שרפה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר בקרי זרימה המוניים (MFCs) עבור מתאן אוויר מבוסס על הספיקות שהושגו בשלב 1.5. היזהר בעת בחירת גודל MFC כדי להבטיח כי MFC לא יהיה לפעול בסוף הנמוך של הטווח שלו (&lt;10% של ערך בהיקף מלא) במהלך הבדיקה. במקרה הספציפי הזה, השתמש 40 L / min ו -200 ליטר / דקה MFCs מתאן ואוויר, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את MFCs אל הטנקים מתאן אוויר דרך צינורות נחושת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הרגולטורים על הטנקים מתאן ואוויר ללחץ המתאים עבור MFC כמפורטעל ידי היצרן. במקרה זה, קבע את הלחץ 138 kPa (20 psi). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כייל את MFCs כדי להבטיח ספיקה מדויקת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות תא הבעירה. לצורך ניסוי זה, לפתח תא בעירה 914 מ&quot;מ אורך בקוטר 168 מ&quot;מ יציאה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יציאות מקדחה לניתוח פליטת בעירה עבור מיקום תרמי לאורכו של תא הבעירה. המספר המדויק ואת הרווחים הנדרשים תלוי בגודל של הלהבה ואת מטרות הניסוי. עבור התקנה זו, צמדי 5 החלל הראשונים להציב קרובים לאזור בעירה מזה 7 מ&quot;מ. שטח 14 מ&quot;מ זה מזה 6 הצמדים הסופיים. השתמש באותו והריווח של יציאות פליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הצמדים מסוג K לתוך תא הבעירה באמצעות חורי הנמל. יישר את הקצה התרמי במרכז תא הבעירה. גודל החורים יציאת כך שיתאימו תרמי ולאטום עם ferrules ואגוזים מתכת בטמפרטורה גבוהה כדי למנוע דליפה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קונטיקטect צמדים מסוג K ישירות למודול רכישת נתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את מודול רכישת נתונים למחשב באמצעות כונן USB. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף שסתום חד כיווני בנתיב הצינורות הנחושים מייד לאחר MFC הדלק ממש לפני הצורב. אוריינט את הצינור כדי זרימה שיכולה רק להתרחק MFC. השסתומים חד סטרי הם תכונה בטיחות חשוב למנוע חזרה פלאש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדקו את הצינורות נחושת לפני ואחרי התקנת MFC דליפות. השתמש במי סבון מיושמים עם מברשת על הצינורות כדי לזהות דליפות כמו דליפות תיצורנה בועות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את התא צורב בעירה אל בקרי זרימה ההמוניים באמצעות צינורות נחושת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלים התקנת תא הבעירה, בחר אחד נמלי הפליטה לבדיקה. חבר יציאה זו כדי צינורות נחושים המשתרעים לנמל ניתוח GC. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר מזרק כדי למשוך את הפליטה של ​​תא הבעירה ולאחר מכן לדחוף אותו לתוך GC לניתוח. לצורך ניסוי זה, להשתמש25 מ&quot;ל מזרק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים שסתום משולש בקנה אחד עם הצינורות הנחושים חיבור יציאת הפליטה של ​​מכונת GC. חבר קצה אחד של שסתום דו כיווני אל GC, השני ליציאת הפליטה והשלישי המזרק 25 מ&quot;ל. חבר את צינורות הנחושת אל שסתום 3 הכיוונים. השתמש המזרק למצוץ פליטת בעירה מהאולם ואז לדחוף אותו לתוך GC לניתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את שסתום 3-הדרך אל GC ומזרק. להניע את הבוכנה במזרק כדי להבטיח ביצוע מוצלח. הערה: סכימטי מפושט של ההתקנה מוצג באיור 1. </li></ol><img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> באיור 1. אפיון שרפה ניסיוני ההתקנה סכמטית. אפיון שרפה התקנה ניסיונית דלק מראה סכמטי, אוויר ותזרימי הפליטה (חיצים שחורים) ותזרימי נתונים (חצים אדומים). כיוון אחד שסתום משמש כדי למנוע חזרה פלאש. <aיעד href = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot; = &quot;_ blank&quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. 3. ניסוי אפיון שרפה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני הבדיקה, לדחוף את בוכנת המזרק ב מלא ולפתוח את השסתום המשולש בצד יציאת פליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סובב את MFC האוויר על הראשון בקצב זרימה של 86.5 ליטר / דקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל מתאן MFC על קצב זרימה של 10 ליטר / דקה. זה יוצר יחס שקילות מעורבבים מראש של 1.10, תערובת עשירה מעט, שהוא קל יותר להצית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל צמדים על דרך מודול המחשב להתחיל נתוני הקלטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להצית את התערובת בסוף תא הבעירה באמצעות מצית. לאחר הצתה, הלהבה צריכה לייצב בחזית הצורבת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את היחס השקיל על ידי התאמת קצב הזרימה של אוויר לאט מהערך הראשוני של 86.5 ליטר / דקה לערך הרצוי. תשמור על עצמך כדי לא לעבור מהר מדי או לצאת החוצה של flammabגבולות ility אשר יגרום מרווה להבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את קריאת הטמפרטורה בקובץ נתונים לאחר הצמדים בטמפרטורות לייצב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שוב, למשוך את הבוכנה במזרק כדי לחלץ פליטת בעירה מנמל הפליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר חילוץ פליטת הבעירה, פתח את השסתום המשולש לצד GC ולסגור את צד יציאת פליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דחוף את הבוכנה במזרק עד שזה נסגר לחלוטין וכל הפליטה נשלח אל GC. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלבי 3.8-3.10 עד שכל גזי השיורי הצינורות הנחושים חיבור היציאה אל GC מוסר. ניתוח פשוט של הנפח הפנימי של הצינורות הנחושים לעומת היקף המזרק יציין כמה פעמים על שלבי 3.8-3.10 צורך לחזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הסרת כל הגזים שיורית בצינור לחלץ מדגם פליטה סופי לניתוח. דחוף את גזי הפליטה לתוך GC ולהפוך את GC כדי 7,17 מצב ניתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשמו את הנתוני GC ידי שמירתנתוני ניתוח GC. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלבי 3.1-3.13 עד שכל יחסי השקילות הרצויות נבדקים. </li></ol> פיתוח 4. הפליטה שרפה הדגם <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מגרש את אחוז נפח מיני בעירת הפליטה להתבונן המגמות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבוע את ערך הריכוז המנותק עבור פליטת בעירת מודל. בפיתוח דלק פליטת בעירת מודל לניתוח MT-FFC ראשונית, רק את הרכיבים המופיעים לממדים משמעותיים (&gt; 1%) כלול ב- דלק המודל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור דלק המודל לבחור רק יחסי שקילות שיוצרים מימן משמעותי וחד-תחמוצת הפחמן (&gt; 1% לכל רכיב) הפליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את אחוז הנפח לכל אסיפת רכיבי גזי פליטת הקריטריונים של 4.3. </li></ol> הגדרת בדיקות 5. תא דלק <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את טווחי קצב זרימה עבור כל גז. הכפל את אחוז הנפח המתקבל תוצאות ניתוח GC ידי tהוא בסך הכל קצב זרימה של פליטת בעירת מודל הרצויה בתוך כל תא דלק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעריך את טווח ספיקות עבור כל מין פליטת בעירה כדי לקבוע את זרימת מינימום והמקסימום עבור כל מין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תזרים מטרים בחר פי אותם העקרונות המתוארים בשלב 2.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות את מנגנון הבדיקה על ידי הצמדת תזרים מטרי בלוני הגז דרך צינורות נחושת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הרגולטורים לחצו גז לערך שנקבעו התזרים המטרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים שסתומים חד כיווניים בנתיב צינורות נחושת במורד הזרם של כל מטר זרימה באמצעות גז דליק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבור את כל יציאות יציאת מד הזרימה יחד דרך צינורות נחושים סעפת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את SOFC מיקרו-צינורי על החלק הפנימי של צינורות פלדה בעל קוטר פנימי רק גדול יותר מאשר הקוטר החיצוני של תא הדלק. חותם את תא דלק צינורות פלדה באמצעות דבק קרמיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את צינורות פלדה עם SOFC מיקרו-צינורי כדי חתיכה מ הקרמיקה עקשניתaterial להחזיק את תא דלק בכבשן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנצל את 10,11 טכניקת 4 בדיקה עם חוטי תחושת איסוף המתח נוכחיים מחוברים SOFC מיקרו-צינורי עם 2 חוטים על האנודה ו -2 חוטים על הקתודה. ודא כי החוטים לא לחצות כל מכנסי יצירת אחרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר ארבעת החוטים עד ארבע חלליות של potentiostat 10,11. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את potentiostat למחשב 10,11. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים תרמי בכבשן עם קצה נגיעה החיצוני של 10,11 אלקטרוליט SOFC מיקרו-צינורי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף חוטי תרמי למודול רכישת נתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את מודול רכישת נתונים למחשב דרך יציאת USB. הערה: איור 2 הוא סכימטי פשוט מראה את התקנת בדיקות MT-FFC. עם דלק המודל שפותח ואת ההתקנה הוקמה עבור שליטה על זרימת דלק המודל לתא הדלק, בדיקות יכולות להמשיך על פי f הקונבנציונליUEL שיטות בדיקת תא. שיטות אלה מבוססות היטב בספרות לא תחזורנה על עצמו כאן. </li></ol><img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> איור 2. סכמטי ההתקנה בדיקות תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע להבה. המזומנים של H 2, CO, CO 2, N 2 (חיצים שחורים) מוסדרים עם MFC ושסתום חד כיווני למניעת פלאש בחזרה. האלקטרונים זורמים (הקו הירוק) מן SOFC בכבשן אל potentiostat ובחזרה SOFC. זרימת נתונים תרמיים ונתוני אלקטרוכימיים מיוצגת על ידי חצים אדומים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<ol>
	<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.

הפרוטוקול נדון כאן הוא גשר חשוב בין מחקר אפיון בעירה הקודם ובדיקת תא דלק. השימוש בעירה עבור דלק רפורמה ובדיקה תא דלק יושם במשך מספר שנים setups DFFC 10-15. עם זאת, האפיון של תהליך בעירת DFFCs הוא מודאג בעיקר עם אפיון באתרו של רכב הלהבה 16 והשתמש MS 8. ככל DFFC פת?...

תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC) חידושים דווחו בשנים האחרונות ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתפתח. בין היתרונות הרבים, SOFCs הפך ידוע צריך דלק גבוה, פליטה נמוכה וגמישות דלק מתונה לעומת טכניקות ייצור חשמל מבוסס בעירה אחרת 1. יתר על כן, SOFCs הם מדרגים המאפשרים צריכת דלק גבוהה אפילו בקני מידה קטנות. למרבה הצער, מגבלות בתשתיות מימן נוכחיות יצרו צורך במערכות רפורמת דלק כי הם בדרך כלל לא יעילים. ההתפתחות האחרונה היא תא דלק מיקרו-צינורי בסיוע הלהבה (MT-FFC) שדווח העבודה הקודם של המחבר 2. MT-FFC הוא הדוגמה הראשונה של תא דלק להבה בסיוע (FFC) שבונה על היתרונות של תא דלק להבה ישירה המקורי (DFFC), אשר מספק הדור חום ודלק רפורמה באמצעות בעירה 3. התקנת DFFC מציבה SOFC במגע ישיר עם להבה פתוחה envir הסביבהonment. הלהבה חלקית מתחמצנים דלקים פחמימניים כבדים כדי ליצור H 2 ו- CO, אשר ניתן להשתמש בהם ישירות SOFC עם פוטנציאל פחות עבור coking פחמן לעומת מתאן טהור או פחמימנים כבדים אחרים. בנוסף, הלהבה מספקת את האנרגיה התרמית צורך להביא את SOFC לטמפרטורת ההפעלה שלה. שינוי שבוצע לאחרונה על DFFC המקורי התרחש ידי הזזת SOFC אל מחוץ לאזור הלהבה ותקשור שנפלט אל SOFC כדי ליצור את FFC 2. בניגוד DFFC, הבעירה מתרחשת בתא סגור חלקית (במקום הסביבה) כך דלק יחס אוויר יכול להיות נשלט, והפיח יכול להיות מוזן ישירות לתא הדלק ללא שריפה שלמה התרחשות. יש FFCs יתרונות נוספים כולל ניצול דלק גבוה ויעילות חשמלית גבוהה לעומת DFFCs 2. כתחום מחקר המתעוררים, ניסיוני בטכניקות נדרשים שיכולים להעריך את הפוטנציאל של MT-FFCs עבור יישומי ייצור חשמל בעתיד. טכניקות אלה דורשים ניתוח חמצון חלקי, או בעירה עשיר-דלק, ואת הפליטה אשר זוהה כדרך לייצר H 2 ו- CO, הידוע גם בשם גז סינתטי, יחד עם CO 2 ו- H 2 O. הסינגז ניתן להשתמש ישירות בתאי דלק לייצור חשמל. הניתוח של פליטה בעירה עשירי דלק כבר מבוסס היטב בשנים האחרונות בוצע באופן תיאורטי 4, מחשוב 5,6 ו ניסיוני 7 למטרות שונות. רבים מן המחקרים התיאורטיים חישובית יש לסמוך על ניתוח שיווי משקל כימי (CEA) כדי להעריך את מיני מוצר הבעירה כי הם אנרגטיים חיוביים, ומודלי קינטיקה כימיים עבור מנגנוני תגובה. בעוד שיטות אלה היו מאוד שימושיות, רבי טכנולוגיות מתפתחות יש לסמוך על טכניקות ניסוי במהלך מחקר ופיתוח. ניסיוני בטכניקות בדרך כלל לסמוך על anaתמוגה של הפליטה בעירה או באמצעות כרומטוגרפיה גזית (GC) 7 או ספקטרומטר מסה (MS) 8. כך או הקו / מזרק GC או חללית MS מוכנס לתוך פליטת הבעירה ומדידות נלקחות להעריך את ריכוז המינים. יישום של שיטות ניסיוניות היה נפוץ בתחום ייצור חשמל בקנה מידה קטן. כמה דוגמאות כוללות combustors מיקרו אשר פותחו לפעול עם SOFCs תא בודד 7,9 ו DFFCs 10-15. הניתוח של פליטת הבעירה מתרחש תחת מגוון רחב של תנאי הפעלה כוללים טמפרטורות שונות, ספיקות ויחסי שקילות. בתחום מחקר DFFC, דלק ו החמצון יכול להיות חלקי מעורבב מראש או שאינו מעורבב מראש, עם המבער פתוח הסביבה מבטיחה שריפה שלמה. עם צורך לנתח את הרכב הלהבה, MS נוצל בעבר במקרים רבים לניתוח מחקר בעירת DFFC 16. ההתפתחות האחרונה יותר של FFC שונה על ידי הסתמכות על בעירת premixed עם הצורב בסביבה סגורה חלקית למנוע חמצון מלא של הדלק. כתוצאה מכך, ניתוח של פליטת הבעירה בסביבה מבוקרת ללא דליפת אוויר נחוץ. ניסיוני בטכניקות שפותחו למטרה זו מסתמכות על הטכניקות הקודמות משמשות למחקר combustor מייקרו עם ניתוח GC של פליטת הבעירה על יחסי שקילות שונים. ניתוח GC מוביל אפיון של רכב פליטת בעירה (כלומר, אחוז עוצמת הקול של כל מרכיבי פליטה כולל 2 CO, H 2 O, N 2, וכו &#39;) ניתוח זה מאפשר ערבוב של גזים נפרדים על פי היחסים נמדדים על ידי GC ליצור פליטת בעירת מודל עשיר דלק למחקר FFC בעתיד. הפרוטוקולים לניתוח פליטת בעירה עשיר-דלק, מפתחת פליטת בעירת מודל עשיר דלק ולהחילing המפלט לבדיקת SOFC מוקמים במאמר זה. אתגרים ומגבלות נפוצים נדונים לטכניקות אלה.

<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.

תא אפיון הבעירה צריך להיבדק לפני בדיקה על יחסי שקילות הרצוי עבור גב זרימת האוויר לתוך התא או דליפת אוויר אחרת במהלך בדיקה. תהליכי שריפה בתאים פתוחים ידועים להיות כמעט isobaric. כתוצאה מכך, לחץ בתוך תא הבעירה לא יכול להיות מספיק כדי לוודא ששום אוויר מן הס?...

Watch this Scientific Journal Video about Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells at JoVE.com

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.

אפיון שרפה ופיתוח דלק מודל מיקרו-צינורי בתאי דלק הלהבה בסיוע

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

combustion-characterization-model-fuel-development-for-micro-tubular

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Organic Chemistry

Engineering

Unit 1

Alkanes and Cycloalkanes

SCIENTISTS IN ACTION

9.5K Views.  Syracuse University. 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.

Video: 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.

חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

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

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.

ניסויי להבה במקור האור מתקדם: תובנה חדשות על תהליכי היווצרות פיח

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.

הכנה והערכה של חומרים מרוכבים היברידיים כימי דלק ורב חומת פחמן בחקר גלי Thermopower

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.

אפיון התפלגות גודל ננו באמצעות ראמאן ספקטרוסקופיה עם דגם Phonon מאסר רב-חלקיקים

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.

עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

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.

ייצור הדפסת תאים סולריים heterojunction הגורף<em&gt; באתרו</em&gt; אפיון מורפולוגיה

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.

מתודולוגיה ניסויית עבור הערכת שטפי חום מקומי שיעורי הבוער Steady להבות דיפוזיה שכבה למינרית גבול

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.

מדריך לריכוז התגובה בתדר מתחלפים של תאים דלק

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

Environment

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.

כימיה בעירה של דלקים: נתונים כמותיים היווצרות המינים המתקבל של הכור אטמוספרי בטמפרטורות גבוהות לזרום עם מצמידים ספקטרומטר מסה מולקולרית-קרן אור

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

Chemistry

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.

שיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות דגן דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים

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