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燃料电池

池玉娟

黑龙江大学化学化工学院

第二节多孔气体扩散电极

气体扩散电极

•英文名Gasdiffusionelectrode，

•是一种特制的多孔膜电极，由于大量气体可以

到达电极内部，且与电极外面的整体溶液（电

解质）相连通，可以组成一种三相（固、液、

气）膜电极。

•它既有足够的“气孔”，使反应气体容易传递到电极上，

又有大量覆盖在催化剂表面的薄液层。

•催化剂（如铂黑）的粉粒分散在多孔膜中，并通过薄液

层的“液孔”与电极外面的电解质溶液连通，以利于液

相反应物和产物的迁移。

•气体进入扩散电极发生催化反应，并产生电流，由此可

测出气体的含量，常用于监测气体中某些微量组分。

•用气体扩散电极制成的小型监测器用于监测环境、工厂、

矿场空气中某些微量的有害气体

燃料电池的电极为何设计为多孔气体扩散电极?

1.燃料电池一般以氢为燃料，以氧为氧化剂。

由于气体在电解质溶液中的溶解度很低，因此在反

应点的反应剂浓度很低。

2.为了提高燃料电池实际工作电流密度，减少极化，

需增加反应的真实表面积，此外还应尽可能减少液相

传质的边界层厚度。

多孔气体扩散电极就是在这种要求下研制成功的。

多孔气体扩散电极的比表面积不但比平板电极提高了3~5

个数量级，液相传质层的厚度也从平板电极的10-2cm压缩到

10-5cm~10-6cm，从而大大提高了电极的极限电流密度，减

少了浓差极化。

多孔气体扩散电极的出现使燃料电池由原理研究发展到实

用阶段。

如何在多孔气体扩散电极内部保持反应区稳定？

（通称此区为三相界面）

在Bacon型电池中，是以电极的双孔结构保持三相界面的稳定；

在粘结型多孔气体扩散电极内，是用聚四氟乙烯这类憎水剂

（使电极有一定憎水性）形成三相界面并保持稳定。

聚四氟乙烯含量一般从百分之几到百分之几十，加入量不能太

多，否则影响电极的导电能力。

气体扩散电极必须具备哪些特点？

(1)高的真实比表面积，即为多孔结构

(2)高的极限扩散电流密度，为此必须确保在反应区液

相

传质层很薄

(3)高的交换电流密度，即采用高活性的电催化剂

(4)保持反应区的稳定

(5)对于反应气体与电解质等压或反应气体压力低于电

解

液力的电极，在电极气体侧需置有透气阻液层。

气体扩散电极的结构与功能

结构

1)从电极的厚度上分，

有厚度达毫米级的厚层电极，

也有厚度仅为几微米的薄层电极

2)从建立稳定的三相界面(反应区)上分：

双孔结构电极、

憎水剂稳定的三相界面的，

还有

依据气体压力与毛细力和电极与电解质隔膜的孔径分布

相匹配来稳定反应区

•①双层电极

电极用金属粉末和适当的多孔性填料分层压制，并烧

结而成，电极中的细孔层面向电解质，粗孔层面向气

室。

如果金属粉末本身不具备催化剂的性能，还要通

过浸渍等方法在孔内沉积催化剂

2

p=cos

r

双孔结构电极结构示意图

②防水电极

通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末）和疏

水性微粒混合后辗压或喷涂，再经适当的热处理后制

成。

•常用的疏水性材料为聚乙烯、聚四氟乙烯等。

•催化剂（如铂黑）粉末的表面是亲水的，在它的外表

面上都形成了可用于进行气体电极反应的薄液层。

PTFE粘结剂型电极结构示意图

•③微孔隔膜电极

•电池由两片用催化剂微粒制成的电极和微孔隔膜层（如石棉

纸膜）结合而成。

•所用隔膜内部微孔的孔径比电极内微孔的孔径更小，所以加入的

电解液首先被隔膜吸收，然后才用于浸湿电极。如果电解液的量

适当，可使电极处在“半干半湿”状态，其中既有大面积的薄液