气体扩散电极
气体扩散电极结构
气体扩散电极结构
气体扩散电极是一种特制的多孔膜电极，其结构一般由三层组成：气体扩散层、集流体层和催化层，也可称之为疏水层、导流体层和亲水层。
1. 气体扩散层：主要作用是让反应气体顺利地通过，并且为反应活性层输送相应的反应所需要的气体。
同时，气体扩散层需要防止因电解液的迁移导致气体扩散通道被掩
没的状况发生，所以气体扩散层一般需要具有透气憎水性。
2. 集流体层：主要作用是收集电子并起到导流的作用，同时还起到支撑的作用。
3. 催化层：是气体发生还原反应的场所。
从气体扩散层输送过来的气体在这一层中与该层中的催化剂、电解液一起形成电化学反应活化点，进而将反应气体还原，所以该层应该具有一定的亲水性。
此外，气体扩散电极通常由阴极部分和阳极部分组成。
其中，阴极部分包含气室和导流板，主要用于储存气体和增加扩散程度；阳极部分则由孔隙介质（如碳布、碳纸）构成，能够让气体与电解质相互作用。
在具体制作中，常用的集流体有镍网、不锈钢网、铜网等制成，也有研究者使用镍泡沫、碳布等。
气体扩散层通常用憎水性材料（如PTFE）制成，为气体的进入并扩散到催化
层提供一条通路。
一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池[发明专利]
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专利名称：一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池专利类型：发明专利
发明人：肖丽香,陈春华,陈世明,陈爽,张雪娟,赵国庆,杨旗
申请号：CN201911126418.6
申请日：20191118
公开号：CN112820892A
公开日：
20210518
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池。
该气体扩散电极包括多孔碳制品，多孔碳制品的扁平表面上形成有气体流动通道，多孔碳制品的一面为肋状，多孔碳制品的另一面为平面；催化剂层，浇铸于多孔碳制品的另一面上。
该燃料电池包括：电极，上述的气体扩散电极制成，电极由石墨板密封；高温质子交换膜，为由聚唑聚合物和磷酸聚合成的高温聚合物电解质膜，电极的平面层压于高温质子交换膜上；电解槽，形成于电极的阳极和阴极在高温质子交换膜之间的区域。
本发明提出的气体扩散电极与双极板制成的膜电极组件相比，成本更低，组装更容易，厚度更薄。
申请人：坤艾新材料科技(上海)有限公司
地址：200000 上海市浦东新区康新公路3399弄25号楼5层503室
国籍：CN
代理机构：北京律和信知识产权代理事务所(普通合伙)
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气体扩散电极通气的透气率
气体扩散电极通气的透气率气体扩散电极（Gas Diffusion Electrode, GDE）是一种特殊设计的电极，广泛应用于燃料电池、电解池、金属空气电池等电化学设备中。
其核心特性在于其高效的气体扩散能力，使得反应气体能够顺畅地通过电极并与电解质或催化剂发生反应。
电极的透气率是评估其性能的关键指标之一，直接影响电极的工作效率和设备的整体性能。
一、气体扩散电极概述气体扩散电极通常由多孔的导电材料制成，如碳纸、碳布或金属网，这些材料具有良好的导电性和化学稳定性。
电极的表面通常涂有一层催化剂，如铂或其他贵金属，以加速电极上的电化学反应。
此外，电极还包含一层防水透气层，它允许气体通过但阻止液体电解质泄漏，从而确保电极在湿润环境下的稳定性。
二、透气率的重要性透气率是气体扩散电极的关键性能指标，它决定了气体分子通过电极的速率。
高透气率意味着气体分子能够更快地到达反应位点，从而提高电极的反应速率和设备的能量转换效率。
反之，低透气率可能导致气体供应不足，限制电极的反应速率，甚至引发设备的局部过热或性能下降。
三、透气率的影响因素1. 电极材料的孔隙结构电极材料的孔隙率、孔径分布和孔道连通性对透气率有显著影响。
高孔隙率和良好的孔道连通性有利于气体分子的快速扩散。
同时，适当的孔径分布可以确保电极在不同气体压力下均能保持稳定的透气性能。
2. 防水透气层的性质防水透气层的材料、厚度和制备工艺对电极的透气率有重要影响。
理想的防水透气层应具有较薄的厚度、良好的透气性和优异的防水性能，以确保气体分子能够顺畅通过的同时防止液体电解质的泄漏。
3. 电极的压缩程度在实际应用中，气体扩散电极通常需要被压缩以提高其机械强度和导电性能。
然而，过度压缩可能导致电极孔隙率降低，进而影响透气率。
因此，优化电极的压缩程度是实现高透气率的关键之一。
4. 温度和湿度工作环境中的温度和湿度也会影响电极的透气率。
温度升高通常会导致气体分子的扩散速率加快，从而提高透气率。
气体扩散电极产过氧化氢
气体扩散电极产过氧化氢
气体扩散电极是一种利用氧气或空气的扩散特性，将气体通过多孔电极材料扩散到溶液中，以实现气液反应的电极。
在水处理、环境保护、化学合成等领域得到广泛应用。
在气体扩散电极中，由于气体的扩散过程，电极表面与气体接触的面积增大，气体催化反应的效率也会得到提高。
其中，过氧化氢是气体扩散电极产生的一种重要氧化剂。
过氧化氢是一种强氧化性物质，具有高效杀菌、消毒、氧化和漂白等多种特性。
气体扩散电极产生的过氧化氢可以在水处理、环境保护和化学合成等领域中得到广泛应用。
例如，在水处理中，过氧化氢可以被用来氧化有害物质，如有机污染物、重金属等；在环境保护中，过氧化氢可以被用来治理废气和废水；在化学合成中，过氧化氢可以被用来作为催化剂。
气体扩散电极产生过氧化氢的过程中，气体扩散电极的多孔结构可以增加气体与电极表面接触的面积，使气体与电极表面进行更充分的反应。
此外，气体扩散电极在反应过程中还可以维持较低的电位，从而减少能量消耗和副反应的产生。
因此，气体扩散电极产生的过氧化氢具有高效、低能耗和经济等优点。
总之，气体扩散电极产生过氧化氢是一种高效、低能耗的氧气电极反应，具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，气体扩散电极在环境保护、水处理和化学合成等领域的应用将会越来越广泛。
- 1 -。
电催化二氧化碳还原金属基气体扩散电极的优缺点
电催化二氧化碳还原金属基气体扩散电极的优缺点电催化二氧化碳还原是一种重要的环境友好技术，其中金属基气体扩散电极是关键组件之一。
以下是电催化二氧化碳还原金属基气体扩散电极的优缺点：优点：1.高效催化活性：金属基气体扩散电极具有优异的催化活性，能够提高二氧化碳还原反应的效率，实现更高的电流密度。
2.导电性好：金属基材料具有良好的导电性，有助于电子在电极表面的传递，提高反应速率，促进二氧化碳的高效还原。
3.长寿命和稳定性：金属基气体扩散电极通常具有较好的稳定性和长寿命，能够在长时间内保持催化活性，降低维护成本。
4.可调控性：金属基气体扩散电极的表面性质和结构可通过合适的设计和制备方法进行调控，实现对催化性能的优化。
缺点：1.金属选择：不同金属的选择对催化性能有较大影响，而且某些金属在还原反应中可能会产生竞争性反应，影响产物选择。
2.价格昂贵：部分优质金属作为催化材料价格昂贵，可能增加整个电催化系统的制造成本。
3.CO竞争性生成：在二氧化碳还原反应中，金属基气体扩散电极可能会生成一些副产物，如一氧化碳（CO），影响产物的纯度。
4.活性位限制：金属基气体扩散电极上的活性位点有限，可能导致催化性能的局限性，难以实现对多种产物的高效选择性控制。
未来发展方向：1.新型催化材料：开发新型金属基气体扩散电极催化材料，提高活性位点密度，增加反应的可控性。
2.合金设计：通过金属合金的设计，优化催化性能，同时减少昂贵金属的使用，降低成本。
3.结构优化：通过结构优化和表面修饰，提高电极的导电性和催化活性，增强其在电催化中的应用潜力。
电催化二氧化碳还原金属基气体扩散电极的研究仍在不断深入，未来随着科技的发展，有望解决当前存在的一些缺点，推动该技术更广泛地应用于清洁能源和化学品生产领域。
气体扩散电极产过氧化氢
气体扩散电极产过氧化氢
气体扩散电极是一种新型的电极，它可以在水中产生过氧化氢。
过氧化氢是一种强氧化剂，可以用于消毒、漂白、废水处理等领域。
传统的过氧化氢生产方法是通过电解水来制备，但这种方法存在能耗高、设备复杂等问题。
而气体扩散电极产过氧化氢的方法则具有能耗低、操作简单等优点。
气体扩散电极是由电极板、气体扩散层和电解质组成的。
气体扩散层是由多孔材料制成，可以将气体均匀地分布到电极表面。
当电极通电时，气体扩散层中的氧气会被还原成过氧化氢。
过氧化氢的产生量与电流密度成正比，而与电压无关。
因此，气体扩散电极可以在低电压下产生大量的过氧化氢。
气体扩散电极产过氧化氢的方法具有以下优点：
1. 能耗低：传统的过氧化氢生产方法需要高电压和高电流，能耗较高。
而气体扩散电极产过氧化氢的方法只需要低电压和低电流，能耗较低。
2. 操作简单：气体扩散电极的制备和操作都比较简单，不需要复杂的设备和技术。
3. 产量大：气体扩散电极可以在低电压下产生大量的过氧化氢，产量比传统的方法更高。
4. 环保：气体扩散电极产生的过氧化氢可以用于废水处理等领域，具有环保的优点。
气体扩散电极产过氧化氢的方法还有一些不足之处，例如气体扩散层的材料选择和电极的寿命等问题。
但随着技术的不断发展，这些问题也会逐渐得到解决。
气体扩散电极产过氧化氢的方法具有能耗低、操作简单、产量大、环保等优点，是一种有潜力的过氧化氢生产方法。
GasdiffusionelectrodeGDE气体扩散电极
催化剂表面是亲水的，在大部分催化剂团粒
的外表面上均形成了可用于进行气体电极反 应的液薄膜。实际防水电极在面内气室的表
面上还覆盖一层完全憎水的气室膜，以防电
解液透过电极的亲液孔进入气室。
隔膜电池
电池由两片用催化剂微粒制成的电 极和隔膜层（例如石棉纸膜或聚合 物电解质膜）结合而成。 所用隔膜内部不具有微孔，或是其 中的微孔的孔径比电极内微孔的孔 径更小，故加入的电解液首先被隔
较薄的三相多孔电极（常称 为“气体扩散电极”）。
气体扩散电极种类
双层电极
电极用导电粉末及适当的发孔性填料分层压 制和烧结制成，电极中的“细孔层”（其中 只有细孔）面向电解液，“粗孔层”（其中 有粗孔也有细孔）面向气室。 根据毛细管公式，气体进入半径为r的亲水 毛细管的临界压力为 极的工作压力P应满足
任一类电极都可以看成是由“气孔”相传质、液相传质和
电子传递的作用。
在气--液界面上进行气体的溶解过程，而在固--液界面上
进行电化学反应。 电极内部可能出现各种极化现象，如气相和液相中反应 粒子的浓度极化，液相和固相内的IR降，反应界面上的电 化学极化等，本质上与常规电极表面上的极化并无区别。
2 cos r
，因此此类电 >P>
2 cos r粗
2 cos r细
。
常用的气体压力一般为50-300 kPa。
防水电极
通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末） 和憎水性微粒混合后经辗压或喷涂及适当的 热处理后制成。常用的疏水性材料为聚乙烯、 聚四氟乙烯等。 由于电极中含有θ>90°的憎水组分，即使气 室中不加压力，电极内部也有一部分不会被 溶液充满的孔--“气孔”，另一方面，由于
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气体扩散电极种类
双层电极
电极用导电粉末及适当的发孔性填料分层压
制和烧结制成，电极中的“细孔层”（其中 只有细孔）面向电解液，“粗孔层”（其中 有粗孔也有细孔）面向气室。 根据毛细管公式，气体进入半径为r的亲水
2 cos r
2 cos r细
毛细管的临界压力为
极的工作压力P应满足
，因此此类电
三种电极的共同点
任一类电极都可以看成是由“气孔”、“液孔”和“固 相”三种网络交织组成，分别担任气相传质、液相传质和
电子传递的作用。
在气--液界面上进行气体的溶解过程，而在固--液界面上 进行电化学反应。 电极内部可能出现各种极化现象，如气相和液相中反应 粒子的浓度极化，液相和固相内的IR降，反应界面上的电
溶液充满的孔--“气孔”，另一方面，由于 催化剂表面是亲水的，在大部分催化剂团粒 的外表面上均形成了可用于进行气体电极反 应的液薄膜。实际防水电极在面内气室的表 面上还覆盖一层完全憎水的气室膜，以防电 解液透过电极的亲液孔进入气室。
隔膜电池
电池由两片用催化剂微粒制成的电 极和隔膜层（例如石棉纸膜或聚合 物电解质膜）结合而成。 所用隔膜内部不具有微孔，或是其 中的微孔的孔径比电极内微孔的孔 径更小，故加入的电解液首先被隔 膜吸收，然后才用于浸湿电极。 控制加入电解液的量，可使电极处在“半干半湿”状态，即其中既有大面 积的薄液膜，又有一定的气孔。这种电极容易制备，催化剂利用效率较高， 而且不会“漏气”或“漏液”。最大的缺点是必须控制加入的电解液的量， 太多容易导致气孔不足和液膜太厚，太少会导致液相传质和导电能力差。
达到稳态后，J2=0，J1=J总，则上式可写为：
1 dc1 J1 D12 ( ) 1 c1 / N dx
设透气层厚度为δ，而取该层面向气室的表面为x=0，即反应区在想x≥δ处，则 在x=0→δ处不发生反应，J1为定值，因此可按下式积分
dc1 J1 dx D1 2 c c c 0 1 c 1 / N x 0
等。一般来讲，两层薄形电极， 适合于大电流工作，寿命较短； 三层为较 厚电极，适合于中小电流的场合，具有较强的防水能力，工作寿命较长。
氧电极的制备 催化层应有的性能：
混合原料性能催化层混合原料既具有吸附电解质的能力，
又具有较强的憎水性能，即所谓的三维结构，使气相和
液相能共存于催化剂(固相)表面。 具有较强的催化能力。 具有较高导电率，使电子很容到集流体(电子通道)。 具有较强的离子(OH-)扩散，OH-能很容易的扩散到阳极(离 子通道)。
化学极化等，本质上与常规电极表面上的极化并无区别。
氧电极
氧电极是一种气体扩散电极，如果以空气替代氧，即为 空气电极。电极反应为H2O+O2+4e-=4OH-，但此反应不
易达平衡，故可逆氧电极难于实现。
氧电极是氢氧燃料电池和金属空气电池共同的正极，它 对O2的氧化反应性能，直接影响到燃料电池或金属空气 电池的输出特性。它对O2的氧化能力是燃料电池和金属 空气电池的研究重点。
氧电极的结构
氧电极一般有两种结构:第一种 为三层结构：透气层、防水层、
Байду номын сангаас
催化层，在透气层和防水层中
间有集流体，如图1；第二种为 两层结构，透气层和防水层合 为一层,再加催化层，集流体加 在两层中间，如图2。 燃料电池采用两层结构，空气电池采用两层结构还是三层结构是要考虑各种
因素，如粘接剂的种类、导电材料的类型、电池的寿命要求、电池使用方向
透气层
透气层的基本要求与防水层相同
以上3点归纳了氧电极各层的技术要点。前面已经谈到 氧电极有两种结构: 两层结构和三层结构。前者是将防 水层与透气层合而为一，集流体在催化层与防水层中间； 后者集流体处于防水与透气层中间。虽然结构不同，但
基本要求相同。
扩散系数
当采用纯净的反应气体时，若不考虑反应生成物的逆流传质过程，则 气相传质的主要方式是流动而不是扩散。若采用不纯工作气体，可将
Gas diffusion electrode (GDE) 气体扩散电极
李康 2016.12.15
目录
气体扩散电极种类
氧电极的制备 气体扩散电极的扩散系数
理论模型
简介
制备高效气体电极时电极必 须满足的条件是电极内部有 大面积的气体容易到达而又
与整体溶液较好地联通的薄
液膜。因此这种电极必然是 较薄的三相多孔电极（常称 为“气体扩散电极”）。
防水层应有的性能
要有很强的憎水性 憎水性是防水层首要考虑的问题，防水层具有较强的憎水性才能保证电 解液不浸透电极，才能保证氧气扩散通道不被淹没,使氧气能到达催化层。 具有较高的导电性 防水层是催化层与集流体之间的中间层，催化层所产生的电子要通过防 水层才能经过集流体输出。此层电阻越小，电极的性能就越佳；电阻大 则会造成电极内耗增大。 具有较高孔隙率 孔隙率是空气电极很重要的一个参数，孔隙率大，透气性就好，电极性 能就佳，氧气扩散阻力小，电极过电位就小。 具有较高强度、较好韧性
s 1
x
s c1 c1
1
1
式中c1s为x=δ处组分1的浓度。用c1s=0代入，就得到相应于透气层极限气相传 质速度的极限电流密度：
Id
nFD 12 N
ln
N nFD N 12 0 N c [ ln( )] 1 0 0 2 c2 c1 c0
>P>
2 cos r粗
。
常用的气体压力一般为50-300 kPa。
防水电极
通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末） 和憎水性微粒混合后经辗压或喷涂及适当的 热处理后制成。常用的疏水性材料为聚乙烯、 聚四氟乙烯等。 由于电极中含有θ>90°的憎水组分，即使气
室中不加压力，电极内部也有一部分不会被
不纯工作气体所含组分分为两组，其中“1”为能在电极上反应的组分。
“2”为惰性组分。如此组分“1”的流量为：
J1 D12 (
c1 c ) ( 1 ) J总 x N
c1和c2是两组分的浓度；D12为组分“1”在“2”中的扩散系数，N=c1+c2，
右方第一项表示浓度梯度引起的扩散流量，第二项表示气体整体流 动（J总）引起的组分“1”的流量