镧镁掺杂BaMnO3钙钛矿阴极材料的合成及其在SOFC脱硝中的应用(4)

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(4) 它可以避免中、低温燃料电池中电解质的腐蚀性问题。

1.3.2固体氧化物燃料电池的工作原理

固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置[9]。其工作原理如图1.1所示。电池工作时，在阳极侧通入的 H2失去电子被氧化成氢离子，在电解质中留下氧空位，失去的电子从外电路流向阴极；在阴极侧的氧化剂O2被还原成氧原子，氧原子得到电子变成 O2-，在化学势的作用下，O2-进入固体电解质与氧空位结合变成晶格氧，晶格氧与氢离子结合生成水并释放电子，从而产生直流电[10,11]。其反应的方程式如下：

阳极半反应：

H2 + O2- → H2O + 2e (1-1)

阴极半反应：

1/2 O2 + 2e → O2- (1-2)

电池总反应：

H2 + 1/2 O2 → H2O (1-3)

SOFC工作原理示意图[

图1.1 SOFC工作原理示意图[9]

1.3.3电化学催化电池的工作原理

通过电化学方法可在不使用任何还原剂的条件下进行NO还原。电化学催化电池(ECC)在NOx被还原的同时产电，如图1.2为ECC的工作原理图。ECC能在阴极将高浓度的NOx还原为N2和O2，而将阳极的H2或碳氢化合物氧化，从而产电。NO在催化剂表面分解为N和O，N迅速以N2的形式释放，而O强烈吸附于表面。对NO分解起作用的催化剂应该不仅有吸附和分解NO的能力，还要有使氧气易于脱附的能力。基于Co和Mn钙钛矿上的NO直接分解反应机理假设为：

NO + **→N-O * * (1-4)

NO +N-O **→N-O * *O-N (1-5)

N-O* *O-N→N2 + O * * O (1-6)

O**O→O2 + * * (1-7)

* *是一对相邻的氧空位的活跃位置，O*表示氧空位中的氧。在这个机理中，N-O * *O-N的生成被称为决速步，但是由于O被强烈吸附，O2的释放反应也被称作决速步[12]。 SOFC工作原理示意图[12]

1.4固体氧化物燃料电池材料

1.4.1阳极材料

阳极是SOFC的重要组件之一，它的主要作用是提供燃料的电化学氧化反应场所，主要有三个功能：一是燃料的电化学催化氧化作用；二是把燃料氧化所释放出的电子转移到外电路中去；三是导入和排出气体。

一般地，可以用来作为SOFC阳极催化材料的有金属、电子导电陶瓷和混合导体氧化物等。常用的阳极催化剂有Ni、Co及贵金属材料，在SOFC中，通常将Ni分散于YSZ或DCO中制成多孔的复合金属-陶瓷材料。Ni的加入可以使发生电化学反应的三相界面向空间扩展，并保持阳极的多孔结构及调整电极的热膨胀系数，同时YSZ在阳极中作为金属Ni离子的载体，可以防止Ni烧结[13]。但是，以烃类为燃料时，Ni基阳极的缺点是在会阳极上发生积炭反应，造成电池性能衰减。而用金属Cu代替Ni的复合金属-陶瓷阳极材料，如Cu-YSZ或Cu-DCO，对多种碳氢化合物的直接电化学氧化有良好的催化活性，可以很好避免炭沉积的问题[14]。其它的新型阳极，如钙钛矿型的LaCrO3基阳极[15-17]和SrTiO3基阳极[18]等具有很好的抗积炭性能和耐硫性。本文选用Sm0.9Sr0.1Cr0.5Fe0.5O3-δ(SSCF)作为SOFC的阳极材料。