微管式火焰辅助燃料电池的燃烧特性表征与模型燃料开发

本燃烧表征实验的总体目标是通过混合目标燃烧产物，构建模拟燃烧废气，用于在混合气体中测试固体氧化物燃料电池。该方法可帮助解答固体氧化物燃料电池领域中的关键问题，例如是否可以避免使用吸热型燃料重整器而采用富燃燃烧方式。该技术的主要优势在于，我们无需实际构建完整的燃烧器和燃料电池原型，即可开发出适用于燃料电池测试的模拟燃烧废气。

该方法的可视化演示至关重要，因为仅通过阅读论文很难理解实验装置的搭建过程、安全注意事项以及故障排除方法。使用配备空气和甲烷燃料源的台式预制燃烧室构建表征装置。根据先前确定的流速选择质量流量控制器。

本实验中，甲烷使用流量为 40 升/分钟的控制器，空气使用流量为 200 升/分钟的控制器。接下来，取铜管并将其连接至甲烷气源的出口。

接着，将管路连接至燃料质量流量控制器。同样，将空气质量流量控制器连接至其气源。出于安全考虑，在甲烷流量控制器后安装一个单向阀。

调整阀门方向，使流体仅能从控制器流出，并将阀门连接至控制器出口。接着，使用铜管将空气和燃料的流量控制器输出的气流合并，使两股气流分别从流量控制器进入一个三通接头。

作为额外的安全措施，在T型接头后安装一个阻火器和另一个单向阀。在此装置中，单向阀首先连接到T型接头，方向设置为允许流体从T型接头向外流动，随后连接阻火器。

在气体储罐处，将减压阀调节至适当的压力。本实验中，该压力为 138 千帕。回到实验台后，准备检漏液以检测所有管路是否存在泄漏。

打开流量控制器后，用刷子将检漏液涂在铜管上，确保无气泡产生，以免表明存在泄漏。此时，将注意力转向燃烧室及其连接的燃烧器。

该腔室已安装有K型热电偶，其探头位于腔室中心。沿腔室长度方向设有端口，用于燃烧废气分析和热电偶的安装。请使用与热电偶直径匹配的压缩接头固定热电偶。

安装热电偶时，首先从已固定在腔室壁上的压缩接头的接头端开始。将合适的耐高温金属垫圈放入接头端内。接着，将带有热电偶探针穿过的压缩螺母缓缓旋入接头端上。

将热电偶探头推入，直至其末端位于腔室中心。然后拧紧压缩螺母，以密封该开口，防止泄漏。将热电偶连接至计算机系统，用于数据采集与控制。

返回并将质量流量控制器的输出端连接到燃烧室燃烧器。为此，使用铜管将单向阀的气流输送至燃烧室。最后添加的是用于测试尾气的硬件，该部分已在此处组装完毕。

为此，腔室中的排气口允许气体流入铜管。该铜管连接至一个三通阀。阀门的一个出口通过管路连接至气相色谱仪。

另一个输出端为导管，连接至一个25毫升注射器，用于抽取和引导废气。现在即可使用该装置进行表征。测试前，请准备好注射器和三通阀。

首先，将注射器推杆完全推入。然后确保三通阀在排气口侧处于打开状态。接着前往计算机处，启动燃料和空气的流动，并开始数据采集。

启动气流和甲烷气流，使用富燃料混合物以利于点火。取一个丁烷打火机，移动到燃烧室末端。在确保安全的情况下，点燃该混合物。

在继续操作之前，进行目视检查，确保火焰在燃烧器前端已稳定。随着空气流量缓慢调节至所需值以避免火焰熄灭，火焰会随之变化。同时，监测热电偶温度，并在温度稳定后记录温度数据。

现在，转至连接在三通阀上的注射器。向后拉动活塞，以抽出残余气体并从排气口排出废气。使用三通阀打开气相色谱仪一侧，同时关闭排气口一侧。

继续推动活塞，直到所有气体排入气相色谱仪。将阀门复位，使注射器能够抽取更多的残余气体并排出。持续抽取气体并将其注入气相色谱仪，直至所有残余气体被完全清除。

当所有残余气体被完全去除后，抽取最终的排气样品进行分析。转动三通阀，将废气推入气相色谱仪。进行气相色谱分析并记录数据。

继续选择另一个空气流速，并对新的当量比重复进行分析。这些关于甲烷与空气燃烧的化学平衡分析结果，提供了在不同当量比下废气成分的热力学平衡预测。左侧纵坐标表示氮气的体积百分比，以黑色绘制。

右侧纵轴给出排气产物及其他分子的体积百分比刻度。该分析结果不一定与实验数据完全吻合，但应能反映预期的趋势和结果量级。燃烧室的初始实验数据未遵循化学平衡分析所预期的趋势。

例如，红色显示的分子氧数据表明，在当量比较高的条件下，其浓度高于当量比较低的条件。这可能提示燃烧室内存在混合不充分或回流现象，其他数据也佐证了这一点。当识别并防止回流后，所获得的数据与化学平衡分析所预期的趋势更加一致。

观看本视频后，您应能够充分理解如何表征燃烧废气，以及如何构建用于燃料电池测试的模型燃烧排气装置。请务必注意，燃烧操作可能具有极高危险性，在执行该实验步骤时，必须使用火焰阻燃器、单向阀及其他个人防护装备等安全措施。在完成本实验步骤后，还可采用其他方法，例如将燃料电池与燃烧器集成，以进一步探究火焰辅助燃料电池在长期运行稳定性、积碳现象以及系统整体效率等方面的问题。