通过燃烧特性表征，建立了一种制备模拟富燃料燃烧废气的方案，并将其应用于微型管状火焰辅助燃料电池的测试与研究。
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本文内容
摘要
摘要
基于燃烧的发电技术已通过多种热机系统实现了多年的发展。近年来，随着向小规模发电和微尺度燃烧的转变，以及燃料电池研究的进展，催生了将固体氧化物燃料电池与明火及燃烧废气相结合的新型发电方式。这类固体氧化物燃料电池系统并不依赖燃烧产生的热量，而是通过燃烧对燃料进行重整，生成合成气，进而实现电化学发电。研究人员已开发出在多种条件下评估燃烧副产物的实验方法。尽管在这些应用中，已有理论和计算方法用于分析富燃料燃烧废气，但实验技术也逐步发展起来。这些实验方法通常依赖气相色谱仪或质谱仪对火焰及其排放物进行分析，以评估燃烧过程作为燃料重整器及热源的性能。在这些领域中发展出的实验技术已被重新应用于微管式火焰辅助燃料电池的研发。本文所讨论的实验方案在以往技术基础上进一步完善，提出了一种用于表征富燃料燃烧废气的标准化流程，并建立可用于火焰辅助燃料电池测试的模拟富燃料燃烧废气模型。文中还探讨了该方法的开发过程、应用范围及其局限性。
引言
近年来，随着技术的持续发展，固体氧化物燃料电池（SOFC）的创新成果不断涌现。与其他基于燃烧的发电技术相比，SOFC具有诸多优势，已知其具有高燃料效率、低排放以及适度的燃料适应性1。此外，SOFC具备可扩展性，即使在小规模下也能实现高燃料效率。然而，当前氢气基础设施的局限性导致需要配备燃料重整系统，而这些系统往往效率较低。作者在先前的研究中报道了一种新型装置——微管式火焰辅助燃料电池（mT-FFC），这是最近的一项进展2。mT-FFC是首个火焰辅助燃料电池（FFC）实例，继承了原始直接火焰燃料电池（DFFC）的优势，后者通过燃烧实现热能产生和燃料重整3。DFFC的结构将SOFC直接置于暴露于环境中的火焰中。火焰将较重的碳氢化合物燃料部分氧化，生成H2和CO，这些产物可直接用于SOFC中，相较于纯甲烷或其他较重碳氢化合物，其产生碳积焦的可能性更低。此外，火焰还提供使SOFC达到工作温度所需的热能。最近对原始DFFC的一项改进是将SOFC移出火焰区域，并将燃烧废气引导至SOFC，从而形成FFC2。与DFFC不同，燃烧发生在部分封闭的腔室内（而非开放环境），因此可以控制燃料与空气的比例，并将废气直接供给燃料电池，避免完全燃烧的发生。与DFFC相比，FFC还具有更高的燃料利用率和更高的电效率等额外优势2。
作为一个新兴的研究领域，需要开发实验技术来评估微....
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方案
1. 燃烧计算
- 选择待分析的燃料。此处以甲烷作为参考燃料，但该原理可推广至其他碳氢化合物燃料。
- 以1摩尔甲烷作为燃料，对化学方程式（1）进行化学计量燃烧配平，得到方程式（2）。
- 根据甲烷燃烧的化学计量关系，通过将甲烷质量除以空气质量，计算化学计量条件下的燃料-空气比（F/Astoich.），如方程式（3）所示。计算时，分子为甲烷的摩尔数乘以甲烷的摩尔质量（16 g·mol-1），分母为氧气的摩尔数乘以氧气的摩尔质量（32 g·mol-1）加上氮气的摩尔数乘以氮气的摩尔质量（28 g·mol-1<....
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结果
在设定所需的当量比进行测试之前，应检查燃烧表征室是否存在空气倒流进入腔室或其他测试过程中的空气泄漏情况。已知在开放腔室中的燃烧过程几乎是等压的。因此，燃烧室内的压力可能不足以确保外部环境中的空气不会从腔室的排气口或其他泄漏点倒流进入燃烧室。有多种实验技术可用于确认是否存在倒流现象。首先，对于非催化燃烧器，许多燃料的富燃可燃极限已有明确报道18,19。点火后，应缓慢调节气流的当量比，使其逐渐接近富燃可燃极限。如果当量比明显超过富燃可燃极限而火焰仍未熄灭，则表明有空气倒流进入燃烧室，导致混合气比预期更稀。图3展示了干甲烷燃烧废气在当量比达到1.85时的初步实验结果。尽管图3未显示，但实验中火焰在当量比高达3.97时仍未熄灭。鉴于文献报道的富燃可燃极限仅为1.6418，在非催化燃烧条件下无法实现3.97的当量比。这些结果表明，有空气泄漏进入燃烧室，可能的来源之一是排气出口处的倒流。
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讨论
本方案是此前燃烧表征研究与燃料电池测试之间的重要桥梁。在直接供料燃料电池（DFFC）系统中，利用燃烧进行燃料重整及燃料电池测试的方法已应用多年。10-15然而，对DFFC中燃烧过程的表征主要关注 原位 火焰成分的表征16 并使用质谱（MS）8由于DFFC暴露于环境空气中，其排气成分主要由水和CO组成2 且无需对尾气进行表征。为了发展近期的FFC概念，需要建立一种用于在半封闭腔室内表征燃烧尾气的程序（即，需要一种能保持燃料-空气比的装置。对于燃烧废气分析，可使用气相色谱仪（GC）替代质谱仪（MS）。7在对尾气进行表征后，有必要采用一种简单的方法在该尾气环境中测试燃料电池。尽管可以开发完全集成的燃烧器与燃料电池测试装置，但本方法提供了一种简便的初步步骤，可用于科学研究中探究不同尾气组分下燃料电池的性能表现。虽然燃烧表征方法本身较为常见，但其在燃料电池（FFC）研究中的应用是一项重要的进展。
该实验过程中最关键的步骤是：确保点火前已采取适当的安.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究工作得到了雪城大学与雪城能源与环境系统卓越中心之间协议的支持，该协议由美国能源部主要资助项目（资助编号：DE-EE0006031）以及纽约州能源研究与开发局（NYSERDA）匹配资助项目（资助编号：53367）共同资助，同时获得NYSERDA合同61736以及通过雪城卓越中心由帝国州发展局科学、技术和创新司（NYSTAR）提供的资助（资助编号：#C120183）。本研究工作还获得了美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（资助编号：1247399）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 气相色谱仪 | SRI Instruments, Inc. | SRI 8610C | |
| K型热电偶 | Omega | KQXL-116G-6 | 定制长度 |
| K型热电偶延长线 | Omega | EXTT-K-20-SLE-100 | |
| 质量流量控制器 | Omega | FMA5427 | 0–40 L/min (N2) 用于甲烷 |
| 质量流量控制器 | Omega | FMA5443 | 0–200 L/min (N2) 用于空气 |
| 质量流量控制器 | Omega | FMA5402A | 0–10 mL/min (N2) 用于一氧化碳 |
| 质量流量控制器 | Brooks Instrument | SLA5850 | 200 SCCM（丙烷） 用于CO2 |
| 质量流量控制器 | Brooks Instrument | SLA5850 | 5 L/min（空气） 用于N2 |
| 质量流量控制器 | Brooks Instrument | SLA5850 | 500 SCCM (N2) 用于H2 |
| 减压阀 | Harris Products Group | HP721-125-350-F | 甲烷气瓶 |
| 减压阀 | Harris Products Group | HP702-050-590-E | 空气气瓶 |
| 减压阀 | Airgas | Y11-SR145B | 一氧化碳气瓶 |
| 减压阀 | Harris Products Group | HP702-050-320-E | CO2气瓶 |
| 减压阀 | Airgas | Y12-215B | N2气瓶 |
| 减压阀 | Harris Products Group | HP702-015-350-D | H2气瓶 |
| 压缩甲烷， 超高纯度 | Airgas | UN1971 | 极度易燃 |
| 压缩空气， 超纯 | Airgas | UN1002 | 未被归类为对健康有害 |
| 压缩一氧化碳， 超高纯度 | Airgas | UN1016 | 吸入有毒，极度易燃 |
| CO2，压缩， 研究级 | Airgas | UN1013 | 高浓度下具有窒息性 |
| N2，压缩， 超高纯度 | Airgas | UN1066 | 未被归类为对健康有害 |
| H2，压缩， 超高纯度 | Airgas | UN1049 | 极度易燃，燃烧时火焰不可见 |
| 源表 | Tektronix, Inc. | Keithley 2420 | 通过USB连接至计算机 |
| 水平分体管式炉 | MTI Corportation | OTF-1200X | |
| 数据采集模块 | National Instruments | NI cDAQ-9172 | 通过USB连接至计算机 |
| 热电偶输入模块 | National Instruments | NI 9211 | 连接至cDAQ-9172 |
| 质量流量控制器的计算机控制模块 | National Instruments | NI 9263 | 连接至cDAQ-9172 用于质量流量控制器的计算机控制 |
| 测试软件 | National Instruments | LabVIEW 8.6 | |
| Ceramabond | Aremco | 552-VFG | 1品脱 |
参考文献
- Gorte, R. J. Recent developments towards commercialization of solid oxide fuel cells. AIChE J. 51 (9), 2377-2381 (2005).
- Milcarek, R. J., Wang, K., Falkenstein-Smith, R. L., Ahn, J. Micro-tubular flame-assisted fuel cells for micro-combined heat and power systems.
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