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. 연소 계산 <ol><li> 분석을 위해 연료를 선택합니다. 여기서, 상기 기준 연료로서 메탄을 선택하지만 원리는 다른 탄화수소 연료의 양도. </li><li> 화학 양 론적 연소를위한 연료로 메탄 1 몰, 대차 식 (1)로 방정식을 얻을 수 (2). <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq1.jpg" /> <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq2.jpg" /></li><li> 공기의 질량에 의해 메탄의 질량을 나눔으로써 화학량위한 연료 공기 비율 (F / A stoich.) 메탄 연소를위한 수학 식 3과 같이 계산. 계산하려면 분자 메탄 배의 몰수 메탄의 몰 질량 (16g · 몰 -1)와 분모 산소 배의 몰수의 산소의 몰 질량 (32g · 몰 -1) 플러스 질소 배의 몰수 질소의 몰 질량 (28g · 몰 -1). <img alt="식 (3)"SRC = &quot;/ 파일 / ftp_upload / 54638 / 54638eq3.jpg&quot;/&gt; </li><li> 당량비 (식 4)를 변화시키기 위해, 공기 유량, 연료 유량 또는 동시에 둘 다를. 일반적으로 수량 중 하나를 수정하고 다른 다릅니다. 버너의 연료 또는 공기 흐름 속도를 수정할지 여부를 결정합니다. 이 실험을 위해, 10 L / 분에서 연료 유속을 고정하고, 공기 유량이 설정에서 다양 할 수있다. <img alt="식 (4)" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq4.jpg" /></li><li> 고정 연료 유량, F (/ 분으로 10 L), F / A와 금욕. (0.0583)을 계산하고, 당량비의 정의를 소정의 공기 유량을 계산 A, 각각의 당량비가 테스트 될 때까지. 식 (5) 각각의 당량비에 대한 L / 분으로 공기 유량을 산출하는 직접적인 방법을 제공하며, 그 결과를 화학량 1의 당량비를 위해 도시된다. <img alt="식 (5)" src="/files/ftp_upload/54638/54638eq5.jpg" /> 참고 : 위 FLAMM기능 제한 (또는 폭발 상한값)는 촉매의 부재하에 화염 담금질없이 레코딩 할 수있는 부유 당량비이다. 더 높은 당량비는 촉매를 사용하여 수득 될 수 있지만, 비 촉매 연소는이 문서에서 설명된다. 선택된 연료에 대한 상부 가연성 한계를 평가하기 위해 문헌을 참조하십시오. </li></ol> 2. 연소 특성 실험 설정 <ol><li> 단계 150에서 획득 된 유량에 기초하여 메탄과 공기 질량 흐름 제어기 (MFC의)을 선택한다. MFC 크기를 선택할 때 MFC는 범위의 로우 엔드에서 작동되지 않습니다 (&lt;풀 스케일 값의 10 %) 테스트 중에 않도록주의하십시오. 이 특정한 경우에, 각각 메탄과 공기, 40 L / 분 200 L / 분 MFC를 사용합니다. </li><li> 구리 튜브를 통해 메탄과 공기 탱크에 MFC를 연결합니다. </li><li> 지정된 MFC에 해당하는 압력에 메탄과 공기 탱크에 대한 규제를 설정제조업체가. 이 경우, 138 kPa로 (20 PSI)로 압력을 설정한다. </li><li> 정확한 유속을 보장하기 위해 MFC의 교정. </li><li> 연소실을 구성합니다. 이 실험을 위해, 연소실에게 168mm 출구 직경 길이 914mm을 개발한다. <ol><li> 연소 배기 가스 분석 및 연소 챔버의 길이를 따라 배치 열전대 드릴 포트. 필요한 정확한 개수 및 간격은 불꽃의 크기 및 실험의 목적에 의존한다. 이 설정의 경우, 공간 처음 5 열전대는 7mm 떨어져 연소 영역에 가장 가까운 위치. 공간 14mm 떨어져 최종 6 열전대. 배기 포트에 대해 동일한 간격을 사용한다. </li><li> 포트 비아홀 연소실 내로 K 형 열전대를 삽입한다. 연소실의 중심에 열전쌍 팁 정렬. 크기 포트 구멍이 열전대에 맞게 고온 금속 페룰 누출을 방지하기 위해 너트로 밀봉한다. </li></ol></li><li> 코네티컷요법 데이터 획득 모듈에 직접 K 형 열전대. </li><li> USB 드라이브를 통해 컴퓨터에 데이터 수집 모듈을 연결한다. </li><li> 즉시 연료 MFC 후 바로 버너 전에 구리 배관 경로에 일방향 밸브를 장착. 그 흐름은 멀리 MFC에서 이동할 수 있도록 밸브의 방향. 일방향 밸브는 플래시 백을 방지하기 위해 중요한 안전 장치이다. </li><li> 이전과 누수에 대한 MFC 설치 후 구리 튜브를 확인합니다. 누수가 거품을 생성하는 것처럼 누수를 감지하는 튜브에 브러시로 적용 비눗물을 사용합니다. </li><li> 구리 튜브를 통해 질량 유량 컨트롤러에 연소실과 버너를 연결합니다. </li><li> 연소실 설정을 완료 한 후, 테스트를위한 배기 포트 중 하나를 선택한다. GC의 분석 포트로 확장 구리 배관에이 포트를 연결합니다. </li><li> 연소실에서 배기를 끌어 후 분석을위한 GC로 밀어 주사기를 선택합니다. 이 실험 들어를 사용25 ml를 주사기. </li><li> GC의에 배기구를 연결하는 구리 배관 라인에 삼방 밸브를 배치했다. GC의 배기 포트에 제 2 및 제 25 ㎖ 주사기로 1/3 양방향 밸브의 한쪽 끝을 연결한다. 3 방 밸브에 구리 배관을 연결한다. 챔버에서 연소 배기 가스를 흡입 한 후 분석을위한 GC로 밀어 주사기를 사용합니다. </li><li> GC의 주사기에 3 방향 밸브를 연결합니다. 성공적인 작동을 보장하기 위해 주사기 플런저를 작동. 주 : 설치의 개략도가도 1에 도시되어있다. </li></ol><img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig1.jpg" /> 그림 1. 연소 특성 실험 장치 개략도. 연소 특성 실험 장치 개략적으로 보여주는 연료, 공기 및 배기 흐름 (검은 색 화살표) 및 데이터 흐름 (빨간색 화살표). 일방향 밸브는 플래시 백을 방지하기 위해 사용된다. <a= &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig1large.jpg&quot;대상 = &quot;_ 빈&quot;HREF&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 3. 연소 특성 실험 <ol><li> 테스트 전에 완전에서 주사기 플런저를 밀어 넣고, 배기 포트 측의 삼방 밸브를 연다. </li><li> 86.5 L / 분의 유속으로 제에 공기 MFC 돌려. </li><li> 10 L / min의 유량에서 메탄 MFC 돌려. 이 발화하기 쉬운 1.10의 혼합 당량비 약간 풍부한 혼합물을 생성한다. </li><li> 데이터 기록을 시작하기 위해 컴퓨터 모듈을 통해 열전대를 켭니다. </li><li> 라이터 부탄을 사용하여 연소 챔버의 단부에서 혼합물을 점화. 점화 후, 화염 버너 앞쪽 안정화한다. </li><li> 원하는 값으로 86.5 L / 분의 초기 값으로부터 서서히 공기의 유량을 조절함으로써 당량비를 조정한다. 너무 빨리 이동하지 않도록주의 또는 flammab의 외부 이동화염 담금질을 일으킬 것 ility 제한. </li><li> 온도가 안정 열전대 후 데이터 파일의 온도 값을 기록한다. </li><li> 마찬가지로, 상기 배기구로부터의 연소 배기 가스를 추출하기 위해 주사기 플런저를 당긴다. </li><li> 연소 배기 가스를 추출 후, GC 측으로 삼방 밸브를 개방하고, 배기 포트 측을 닫는다. </li><li> 완전히 닫히고 배기 모두가 GC로 전송되었습니다 때까지 주사기 플런저를 밀어 넣습니다. </li><li> GC의 포트를 연결하는 구리 배관 내의 잔류 가스가 모두 제거 될 때까지 반복 3.8-3.10 단계. 횟수를 나타내는 것이다 주사기의 체적에 비해 구리 튜브의 내부 용적의 간단한 분석이 반복 될 필요 3.8-3.10 단계. </li><li> 튜브의 모든 잔류 가스를 제거한 후 분석에 대한 최종 배기 샘플을 추출합니다. GC의에 배기 가스를 밀어 분석 모드 7,17로 GC를 켭니다. </li><li> 저장에 의한 GC 데이터를 기록GC 분석의 데이터를 포함한다. </li><li> 원하는 모든 동등한 비율이 테스트 될 때까지 반복 3.1-3.13 단계를 반복합니다. </li></ol> 모델 연소 배기 4. 개발 <ol><li> 동향을 관찰 할 수있는 연소 배기 종 볼륨 비율을 플롯. </li><li> 모델 연소 배기 가스에 대한 차단 농도 값을 결정합니다. 초기 MT-FFC 분석 모델 연소 배기 연료 개발에서, 구성 요소 만이 상당한 비율로 나타나는 (&gt; 1 %) 모델 연료에 포함된다. </li><li> 모델 연료 배기 상당한 수소 및 일산화탄소 (각 구성 요소&gt; 1 %)를 생성 만 동등한 비율을 선택한다. </li><li> 배기 가스 성분 회의 4.3의 조건마다 체적 율을 기록한다. </li></ol> 5. 연료 전지 테스트 설정 <ol><li> 각 가스의 유량 범위를 결정한다. t하여 GC 분석 결과로부터 얻어진 체적 율을 곱그 각각의 연료 전지에서의 바람직한 모델 연소 배기 가스의 유량을 총. </li><li> 각 종에 대한 최대 및 최소 유량을 결정하기 위해 각각의 연소 배기 종 유량의 범위를 평가한다. </li><li> 2.1 단계에서 설명한 동일한 원칙에 따라 선택 유량계. </li><li> 구리 배관을 통해 가스 탱크 유량계를 부착하여 검사 장치를 구축. </li><li> 유량계에 대한 소정 값에 가스 압력 조절기를 설정한다. </li><li> 가연성 기체를 사용하여 각 유량계의 하류 구리 튜빙 경로에 일방향 밸브를 배치했다. </li><li> 구리 배관 및 매니 폴드를 통해 함께 모든 유량계 출력 포트를 연결합니다. </li><li> 상기 연료 전지의 외부 직경보다 단지 큰 내경을 갖는 스틸 튜브의 내부에 미세 관형 SOFC를 설정한다. 세라믹 접착제를 사용하여 스틸 튜브에 연료 전지를 밀봉. </li><li> 세라믹 내화 m의 조각에 마이크로 관형 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)와 스틸 튜브를 연결합니다퍼니스에서 연료 전지를 유지하도록 aterial. </li><li> 양극에 2 선)과 음극 (2 와이어 마이크로 관형 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 연결된 현재의 수집 및 전압 감지 와이어 4 프로브 기술 10, 11을 사용합니다. 와이어가 서로 작성 반바지를 교차하지 않도록해야합니다. </li><li> 텐쇼 10, 11의 네 프로브에 네 개의 와이어를 연결합니다. </li><li> 컴퓨터 10, 11에 텐쇼를 연결합니다. </li><li> 마이크로 튜브형 SOFC 전해질 (10, 11)의 외관을 터치 팁과 노에 열전대를 놓습니다. </li><li> 데이터 수집 모듈에 열전대 와이어를 연결합니다. </li><li> USB 포트를 통해 컴퓨터에 데이터 수집 모듈을 연결한다. 참고 :도 2는 MT-FFC 테스트 설정을 도시하는 개략도이다. 개발 모델 연료 및 연료 전지 모델의 연료 흐름을 제어하기위한 설정에 설정된 테스트는 종래의 F에 따라 진행할 수있다셀 테스트 방법 UEL. 이러한 방법은 잘 문헌에 설립하고 여기에 반복되지 않을 것이다. </li></ol><img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/54638/54638fig2.jpg" /> 도 2 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지 시험 설치 개략도. H 2, CO, CO 2의 흐름, N 2 (검은 화살표)는 MFC 다시 플래시를 방지하는 일방향 밸브로 조절된다. 다시 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 전자의 텐쇼에로의 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)의 흐름 (녹색 선)합니다. 열전대 데이터 및 전기 데이터의 흐름이 빨간색 화살표로 표시됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54638/54638fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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The authors have nothing to disclose.

여기서 설명하는 프로토콜은 이전의 연소 특성 연구와 연료 전지 시험 간의 중요한 브리지이다. 개질 연료 및 연료 전지 테스트 연소 사용 DFFC 셋업 10-15에 수년간 적용되었다. 그러나 DFFCs에서 연소 과정의 특성이 염 조성물 (16)의 원위치 특성화 주로 우려 MS 및 8을 사용한다. DFFC가 주위에 개방 된 바와 같이, 배기 조성물은 주로 물 및 CO (2) 및 배기 특성이 ?...

기술이 계속 개발 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 기술 혁신이 최근에보고되었다. 많은 장점 중의 SOFC 다른 연소 기반 발전 기술 1에 비해 높은 연료 효율, 낮은 연료 방출과 적당한 유연성 공지되었다. 또한,의 SOFC는 아주 작은 규모에서 높은 연료 효율을 허용하는 확장 성이다. 불행하게도, 현재 수소 인프라의 한계는 종종 비효율적 연료 개질 시스템에 대한 필요성을 만들었습니다. 최근의 개발은 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지 (MT-FFC)은 저자의 전작이보고있다. 마운트-FFC 연소 3 통해 발열 개질 연료를 제공 일본어 직화 형 연료 전지 (DFFC)의 장점에 기반 불꽃을 이용한 연료 전지 (FFC)의 첫번째 예이다. DFFC 설치는 주변 envir에 개방 불꽃과 직접 접촉하는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)를 배치onment. 화염은 부분적으로 순수한 메탄 또는 다른 무거운 탄화수소에 비해 탄소 코킹 덜 잠재적으로 SOFC에서 직접 사용할 수있는 H 2 CO를 생성하기 위해 탄화수소 연료를 산화시킨다. 또한, 상기 화염의 작동 온도로 SOFC 가져 필요한 열 에너지를 제공한다. 원래 DFFC에 대한 최근의 변화는 화염 영역 밖으로 SOFC를 이동하고, FFC (2)를 생성하기 위해 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)에 연소 배기 가스를 쏟아야에 의해 발생했습니다. DFFC 달리 연소 (대신 주위의) 부분 밀폐 챔버 내에서 대기와 비 연료를 제어 할 수 있고, 배기 가스가 직접 완전 연소가 발생하지 않고, 연료 전지에 공급 될 수 있도록 발생한다. FFCS는 높은 연료 사용 및 DFFCs 2에 비해 높은 전기 효율 등의 추가 장점이있다. 연구의 새로운 영역으로, 필요한 실험 기술 MT-FF의 가능성을 평가할 수있다미래 발전 애플리케이션을위한 고사. 이러한 기술은 CO 2 H 2 O와 함께, 부분 산화, 또는 연료 - 풍부 연소하고, 또한 합성 가스라고도 H 2 CO를 생성하는 방법으로 식별 된 배기 가스의 분석을 필요 합성 가스는 발전 용 연료 전지에 직접 사용할 수있다. 연료 - 풍부 연소 배기 가스의 분석은 또한 최근에 확립되었고, 많은 다른 목적을위한 이론적 4 계산적 5,6- 실험적 7 실시되었다. 이론 및 계산 연구의 대부분은 반응 메커니즘의 연소 제품 정력적으로 유리한 종, 화학 반응 속도 모델을 평가하기 위해 화학 평형 분석 (CEA)에 의존하고있다. 이러한 방법은 매우 유용되었지만, 많은 새로운 기술이 연구 개발 중에 실험 기술에 의존하고있다. 실험 기술은 일반적으로 아나에 의존하여 연소 배기 가스의 용해 중 가스 크로마토 그래피 (GC) (7) 또는 질량 분광계 (MS) 8. GC의 줄 / 주사기 또는 MS 프로브 중 하나는 연소 배기에 삽입되고, 측정은 화학 종의 농도를 평가하기 위해 수행된다. 실험 기술의 적용은 소규모 발전 분야에서 공통되고있다. 몇 가지 예는 단일 챔버의 SOFC 7,9 및 DFFCs 10 ~ 15 작동하기 위해 개발 된 마이크로 연소기를 포함한다. 연소 배기 가스의 분석은 상이한 온도, 유량 및 당량비를 포함한 다양한 작동 조건 하에서 발생한다. DFFC 연구, 연료와 산화제의 영역에서 완전 연소를 보장 주위에 열린 버너, 부분적으로 혼합 또는 비 혼합 할 수 있습니다. 화염 조성물을 분석 할 필요 더불어, MS는 DFFC 연구 연소 분석 (16) 대부분의 경우에 사용 된. FFC의 최근 발전은 연료의 완전 산화를 방지하도록 부분적으로 밀폐 된 환경에서 예 혼합 버너의 연소에 의존하여 다르다. 그 결과, 공기 누출이없는 제어 된 환경에서, 연소 배기 가스의 분석이 필요하다. 이러한 목적을 위해 개발 된 기술은 다양한 실험 당량비에서 연소 배기의 GC 분석으로 마이크로 연소기 연구에 사용 된 이전의 기술에 의존한다. GC 분석의 결과,이 연소 배기 조성물의 특성 리드 (즉, CO (2)을 포함하여 각 배기 성분의 체적 %, H 2 O, N 2 등)이 분석에 의해 측정 된 비율에 따라 별도의 가스의 혼합을 허용 GC는 미래 FFC 연구를위한 모델 연료가 풍부한 연소 배기를 만들 수 있습니다. 연료가 풍부한 연소 배기 분석 모델의 연료가 풍부한 연소 배기를 개발 및 적용을위한 프로토콜SOFC 테스트를위한 배기를 보내고은이 논문에서 설정됩니다. 일반적인 문제 및 제한 사항이 기술에 대해 설명합니다.

<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.

연소 특성 챔버는 이전 테스트 동안 챔버 또는 다른 공기 누출에 공기의 역류에 대해 원하는 동등한 비율에서 테스트로 확인해야합니다. 오픈 챔버에서 연소 공정은 거의 등압 것으로 알려져있다. 그 결과, 연소실 내의 압력은 외부 환경으로부터의 공기가 상기 챔버 배출구 또는 다른 누설 지점에서 연소 챔버로 다시 흐르는 없다는 것을 보장하기에 충분하지 않을 수있다...

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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.

에 대한 연소 특성 및 모델 연료 개발 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지

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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9.5K 조회수.  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.

비디오: 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.

고체 산화물 연료 전지의 전극 표면을 탐색 및 매핑

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

연구

공학

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.

고급 광원 불꽃 실험 : 그을음 형성 프로세스에 새로운 통찰력

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.

열 전력 (thermopower) 파도의 연구에서 화학 연료 및 다중 벽 탄소 나노 튜브의 하이브리드 복합 재료의 제조 및 평가

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.

다중 입자 Phonon은 감금 모델 라만 분광학을 이용하여 나노 결정 크기 분포의 특성

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.

MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

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.

벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및<em&gt; 현장에서</em&gt; 형태학 특성

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.

정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평​​가에 대한 실험 방법론

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.

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

환경과학

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.

연료의 연소 화학: 양적 Speciation 데이터와 대기 고 열 흐름 반응 기에서 얻은 결합 분자 빔 질량 분석기

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

화학

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.

중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상

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

에 대한 연소 특성 및 모델 연료 개발 마이크로 관상 화염 이용한 연료 전지

요약

더 많은 비디오 탐색

이 비디오의 챕터

고체 산화물 연료 전지의 전극 표면을 탐색 및 매핑

고급 광원 불꽃 실험 : 그을음 형성 프로세스에 새로운 통찰력

열 전력 (thermopower) 파도의 연구에서 화학 연료 및 다중 벽 탄소 나노 튜브의 하이브리드 복합 재료의 제조 및 평가

다중 입자 Phonon은 감금 모델 라만 분광학을 이용하여 나노 결정 크기 분포의 특성

MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및

정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평가에 대한 실험 방법론

A Guide to Concentration Alternating Frequency Response Analysis of Fuel Cells

연료의 연소 화학: 양적 Speciation 데이터와 대기 고 열 흐름 반응 기에서 얻은 결합 분자 빔 질량 분석기

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정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평​​가에 대한 실험 방법론

A Guide to Concentration Alternating Frequency Response Analysis of Fuel Cells

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중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상

정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평가에 대한 실험 방법론