电化学原理大作业

氢阳极过程可能性历程分析及燃料电池气体扩散电极结构

设计

郝建响

（哈尔滨工业大学化工学院1111420104）

Abstract：This paper studied the possible process and design experiment to verify "hydrogen anode process of low overpotential region usually diffusion of hydrogen molecules control", after the paper introduces some reaction mechanism and structure design of the gas diffusion layer of fuel cell electrodes.

Keywords:hydrogen anode process fuel cell hydrogen electrode gas diffusion layer structure

摘要：本文研究了氢阳极过程的可能历程并设计实验验证“低过电位区通常为氢气分子的扩散控制”，后文介绍了燃料电池的一些反应机理及其中气体扩散层电极的结构设计问题。

关键词：氢阳极历程燃料电池氢电极气体扩散层结构

根据课本，我们知道氢的阳极历程较于阴极历程更难研究，因为可用于实验的电极种类不多，而且可以计划的电位范围也很窄。

氢在光滑电极表面上氧化，大致可分为以下几步：

1.分子氢溶解和向电极表面附近扩散；

2.被溶解的分子氢在电极上化学解离吸附

H2+2M=2M-H

或电化学解离吸附

H2+M=M-H + H+ e-

3.吸附氢的电化学氧化

M-H = H+ + M + e-

或

M-H + OH+ = H2O + e-

有实验设计当氢在0.5 mol/L H2SO4溶液中于铂电极上氧化时，通过旋转圆盘电极测量科发现阳极极化过程中很快出现极限电流。随着电极旋转速度的增大，极限电流值也随之增大，表明电极过程速度受溶解的分子氢在溶液中的扩散步骤控制。计划很大时电流很小，而且与电极转速几乎无关。这种现象表明电极过程的速度完全受分子氢解离步骤控制。

氢在碱性溶液中与镍电极上氧化时，由于电极反应的交换电流密度小得多，其电化学反应只能在平衡电位附近进行，因此这个过程不可能是溶解氢的扩散控制步骤。[1]

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。具有发电效率高、环境污染少等优点。具体的说燃料电池具有以下特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。[2]燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。所以它也是近几年化学电源研究的重点之一。

燃料电池的电极组成和一般电池相同，也是阴极和阳极，但其电极的构造却与一般的电极不同，不同之处在于燃料电池的电极为多孔结构，设计成多孔结构的主要原因及好处是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。

质子交换膜燃料电池的电极一般由扩散层与催化层组成〔20)。扩散层的作用是支撑催化层，收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。催化层则是电化学反应的场所，是电极的核心部分。

气体扩散层(gasdiffusionlayer, GDL)是膜电极组件的重要组成部分，

电化学反应所需的反应气体通过扩散层传递到催化层中，电化学反应的产物- 水，也通过多孔扩散层传递到气室中。要达到这些目的，扩散层必须具备一定的机械强度，良好的导电性，较大的孔隙，尽可能薄，并有一定的憎水性以保证气体在气相中扩散。实际上的电极一般由碳纸或碳布制作，厚度0.1-0.3mm。[2]

燃料电池的气体扩散层是关系到燃料电池内的电化学反应能否顺利进行的重要组成部分，目前国内的扩散层基本采用传统的碳纸，虽然质地轻薄，导电性良好，但是由于碳纸脆性大，极易破碎，因此存在很多弊端，从而使燃料电池的寿命和运行效率均受到一定的影响。一般质子交换膜燃料电池使用PEMFC三合一膜电极，膜电极三合一组件(ＭＥＡ)是由氢阳极、质子交换膜和氧阴极热压而成,是保证电化学反应能高效进行的核心。膜电极三合一组件制备技术不但直接影响电池性能,而且对降低电池成本,提高电池比功率与比能量均至关重要。

ＭＥＡ制备方法ＰＥＭＦＣ电极为多孔气体扩散电极,为使电化学反应顺利进行,电极内需具备质子、电子、反应气体和水的连续通道。MEA的性能除了与材料有关外,还与结构密切相关。因此,通过改进MEA的制备方法对其结构进行优化,是提高MEA性能的重要途径之一。一种膜电极三合一组件的制备方法，其特征在于：将催化剂与质子导体聚合物制成的粉末，直接热压到质子交换膜上，形成三合一组件

以碳纤维布作为扩散层基底、近几年国内外一些研发机构均做过尝

试，效果也比较理想，但都是在碳纤维编织布和无纺布的基础上研究。机织布由于结构的多变，可以按照对最终织物的某些性能要求而设计相应的组织结构和工艺参数，因此，如果以机织碳布为气体扩散层基底，可以根据不同组织和不同工艺机织物的性能来设计满足透气好，亲水憎水平衡等要求的机织碳布，并对其疏水处理及导电平滑处理的一系列参数进行比较确定。从而得到价格低廉，性能稳定的燃料电池气体扩散层。[2]

高分子电解质型燃料电池由于不能在膜电极接合体的整个区域进行均匀的水分管理，因此难以长期维持稳定的电压。可使用在由碳纤维构成的多孔性材料的上部由导电性粒子及高分子材料形成导电性高分子层，在其表面上再配置由载铂碳粒构成的催化剂层，形成气体扩散电极。导电性高分子层中的粒径不同的导电性粒子互相混合，粒径较小的导电性粒子的混合量从气体扩散电极的一端向另一端逐渐减少。这是已经在日本申请专利的电极制法。[3]

结论：对于氢的阳极历程，反应的低过电位区通常为氢气分子的扩散控制。反应历程为：

1.分子氢溶解和向电极表面附近扩散；

2.被溶解的分子氢在电极上化学解离吸附

H2+2M=2M-H

或电化学解离吸附

H2+M=M-H + H+ e-

3. 吸附氢的电化学氧化