8 燃料电池1解析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出
构成PEMFC电池的关键材料与部件:
为电催化剂、电极（阴极与阳极）、
质子交换膜、双极板材料及其流场设计。 以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，
以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂， 以氢或净化重整气为燃料， 以空气或纯氧为氧化剂， 以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为
在未来以氢作为主要燃料载体的氢能时代，
PEMFC是最佳的家庭动力源。
通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成 发电系统。 质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、 电能变换系统和控制系统等构成。 电堆是发电系统的核心。 发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加 湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给 负载。 电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带 出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水， 可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到 空气中。
• 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。
以典型氧还原反应分析多孔气体扩散电极应具备的基本功能
反应为 O2＋4H+＋4e→2H2O
1.为使该反应在电催化剂（如R）处连续、稳定地进行，电子
必 须传导到反应点，即电极内必须有电子导电通道； 2.反应气（如氧）必须迁移、扩散至反应点， 即电极内必须有气体传导通道； 3.还必须有离子（如H+）参加反应， 即电极内必须有离子通道； 4.对低温电池（如PEMFC)，电极反应生成的液态水必须离开 电极，即电极内必须有液态水，传导通道。
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
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 膜层，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。
提高最有效的方法是：提高电催化剂的活性
3. 用于燃料 电池的电催化剂必须满足下述要求：
1)是电的良导体 2)在电极的工作电极电位范围内，并且有氧化剂(如氧) 或燃料(如氢)存在下，耐受电解质的腐蚀 3)对高温燃料电池，电催化剂与电解质隔膜材料在电池 工作条件下不应发生任何化学反应，即具有化学相容性。 4)最重要的： 电催化剂对其催化 物过程 具有高的催化活性。 为此应考虑反应物在催化剂上形成的吸附键强度应适中。
2. PEMFC电极结构
PEMFC电极是一种多孔气体扩散电极， 一般由扩散层和催化层组成。
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； 催化层则是发生电化学反应的场所，是电极的核 心部分。
电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，
厚度为0.20mm~0.30mm。 其制备方法为：
2.电极过程动力学方程：
i i 0 e
nF RT
e
(1 ) nF RT
式中：η为过电位（原电池为一，电解池为＋）； i为电流密度；i0为交换电流密度；α为对称因数。 由上述方程式可知，过电位为电流产生的驱动电位，可通过 改变η，来改变电化反应的速度。 通常，当改变100mV时，反应速度即有几个数量级的变化。
4.电催化剂种类：
1)贵金属电催化剂(铂族和银、金等) 及担载型纳米级贵金属电催化剂与炭载体 广泛用于磷酸燃料电池和质子交换膜燃料
2)合金电催化剂
I 抗CO中毒的贵金属合金电催化剂 Pt-Ru Pt-Sn Pt-Pd Pt-Ni
II Pt与过渡金属合金电催化剂
Pt-V Pt-Cr Pt-Cr-Co Pt-V-Co
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、
在其上进行整平处理。
电极催化层制备 1)经典的疏水电极催化层制备工艺
催化层由Pt /C催化剂、PTFE及质子导体聚合物（如Nafion）组
成。
其制备工艺为：
将上述三种混合物按一定比例分散在 50％乙醇和50％的蒸馏水中， 并热压处理，得到膜电极三合一组件。 催化层厚度一般在几十微米左右。 催化层中PTFE含量一般在10%-50%（质量）之间。
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 Gas diffusion electrode，
• 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，
双极板。
PEMFC的特点 1.PEMFC具有燃料电池一般特点 （如能量转化效率高、环境友好等） 2.可在室温下快速启动
3.无电解液流失
4.水易排出 5.寿命长、比功率与比能量高等
用途
特别适于作可移动动力源，
是电动汽车和AIP推进潜艇的理想候选电源之一
是军民通用的可移动动力源
是利用氯碱厂副产品氢气发电的最佳候选电源
电催化的反应速度不仅仅由电催化剂的活性决定，而
且还与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的分子或 离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能大大降低。所
以，大部分电催化反应均可在远比通常化学反应低得多的温
度下进行。 例如，在铂黑电催化剂上可使丙烷于150℃~200℃完全氧化为 二氧化碳和水。
搅拌，用超声波混合均匀后涂布在扩散层或质子交换膜上，烘干，
国外的研究结果认为：
① Nafion 与 PTFE、电催化剂共混制备的电极性能不如 催化层制备后再喷涂 Nafion 好，喷徐 Nafion 的量控制在 0.5mg/cm2~1.0mg/cm ； ②催化层需经热处理，否则性能不稳定。 PTFE，23%（质量）Nafion。 电极 Pt 担量为 0.1mg/cm2 。催化层孔半径在 10nm~35nm
现了电极立体化。
这一工艺大大提高了PEMFC电极有效反应面积和Pt/C催化
剂的利用率。
综上所述，电极性能不仅依赖于电催化剂活性， 还与电极各种组分配比、电极孔分布与孔隙率、 电导等因素密切相关。
第三节 电催化与电催Leabharlann Baidu剂
1.电催化 电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的一种 催化作用。
主要特点：
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。
由于碳纸或碳布表面坑凹不平，对制备催化层有影响，
因此需要对其进行整平处理。 具体工艺过程为： 以水或水与乙醇作为溶剂，将乙炔黑或碳黑与 PTFE 配
成重量为1:1的溶液，用超声波震荡，混合均匀，再使其
沉降；倒出上部清液，将沉降物刮到经憎水处理的碳纸 或碳布上，对其表面整平。 若用碳布作扩散层，也可以不预先进行憎水处理，直接
双极板的功能与要求
1)分隔氧化剂与还原剂阻气功能 2)集流电的良导体 3)热的良导体 ，确保电池在工作时温度分布均匀并
使电池的废热顺利排除
4)具有抗腐蚀能力 5)双集板两侧应加入或置入通道(流场)，确保反应气 体均匀分布
双集板材料 碱性电解质可采用镍板 酸性电池采用石 墨双集板
2.流场
基本功能是引导反应剂 在燃料电池气室内的流 动，确保电极各处均能获得充足的反应剂供应。 至今已开发了点状、网状、多孔体、蛇形、交 指状等多种流场。
多孔气体扩散电极应具备的基本功能
1.为电极反应提供电子导电通道； 2.为反应气（如氧）的迁移、扩散提供气体传导通道 3.为电解质离子（如H+）提供离子通道；
4.为电极反应生成的液态水的传导通道。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极为何为立体化的？
1.用Pt /C电催化剂制备的PEMFC电极，电子通道由Pt/C电 催化剂承担， Pt /C催化剂构成的微孔为水的通道， 2.电极内加入的防水粘结剂（如PTFE）是气体通道的主要 提供者， 3.向电极内加入的全氟磺酸树脂构成H+通道， 即，由催化剂、憎水剂 PTFE 和离子导体全氟磺酸树脂构 成的电催化层可视为三网络结构的电极电催化层，从而实
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）
首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)中进 行憎水处理，用称重法确定浸入的PTFE量； 再将浸好PTFE的碳纸置于温度为330℃~340℃烘箱内进 行热处理，除掉浸渍在碳纸中PTFE所含有的表面活
性剂，同时使PTFE热熔结，并均匀分散在碳纸的纤
维上，从而达到优良的憎水效果。
焙烧后碳纸中PTFE含量约为50。
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
双 极 板 的 切 削 与 加 工
第五节 质子交换膜型燃料电池
1.原理与特点
PEMFC中的电极反应:
阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应:
H2 2H 2e
产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经电解质膜到达阴 极。 氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，即
1 O2 2H 2e H 2O 2
氧电极催化层最佳组成为54%（质量）Pt/C, 23%（质量）
之间，平均孔半径为 15 nm，没有检出小于 2.5 nm的孔。
2)薄层亲水电极催化层制备工艺
在薄层亲水电极催化层中，气体的传递不同于经典疏水电极催化
3) 镍基电催化剂 (在碱性燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中
应用)
Ni-Cr Ni-Al Ni-YSZ 4)混合型氧化物电催化剂：钙钛矿型氧化物 RMO3 5)钨基电催化剂
6) 过渡金属大环缝合 物电催化剂
第四节 双极板与流场
1.双极板：
起集流、分隔氧化剂与还原剂 并引导氧化剂与还原剂在电池内电极表面流动的 导电隔板
构成PEMFC电池的关键材料与部件:
为电催化剂、电极（阴极与阳极）、
质子交换膜、双极板材料及其流场设计。 以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，
以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂， 以氢或净化重整气为燃料， 以空气或纯氧为氧化剂， 以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为
在未来以氢作为主要燃料载体的氢能时代，
PEMFC是最佳的家庭动力源。
通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成 发电系统。 质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、 电能变换系统和控制系统等构成。 电堆是发电系统的核心。 发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加 湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给 负载。 电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带 出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水， 可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到 空气中。
• 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。
以典型氧还原反应分析多孔气体扩散电极应具备的基本功能
反应为 O2＋4H+＋4e→2H2O
1.为使该反应在电催化剂（如R）处连续、稳定地进行，电子
必 须传导到反应点，即电极内必须有电子导电通道； 2.反应气（如氧）必须迁移、扩散至反应点， 即电极内必须有气体传导通道； 3.还必须有离子（如H+）参加反应， 即电极内必须有离子通道； 4.对低温电池（如PEMFC)，电极反应生成的液态水必须离开 电极，即电极内必须有液态水，传导通道。
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
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 膜层，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。
提高最有效的方法是：提高电催化剂的活性
3. 用于燃料 电池的电催化剂必须满足下述要求：
1)是电的良导体 2)在电极的工作电极电位范围内，并且有氧化剂(如氧) 或燃料(如氢)存在下，耐受电解质的腐蚀 3)对高温燃料电池，电催化剂与电解质隔膜材料在电池 工作条件下不应发生任何化学反应，即具有化学相容性。 4)最重要的： 电催化剂对其催化 物过程 具有高的催化活性。 为此应考虑反应物在催化剂上形成的吸附键强度应适中。
2. PEMFC电极结构
PEMFC电极是一种多孔气体扩散电极， 一般由扩散层和催化层组成。
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； 催化层则是发生电化学反应的场所，是电极的核 心部分。
电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，
厚度为0.20mm~0.30mm。 其制备方法为：
2.电极过程动力学方程：
i i 0 e
nF RT
e
(1 ) nF RT
式中：η为过电位（原电池为一，电解池为＋）； i为电流密度；i0为交换电流密度；α为对称因数。 由上述方程式可知，过电位为电流产生的驱动电位，可通过 改变η，来改变电化反应的速度。 通常，当改变100mV时，反应速度即有几个数量级的变化。
4.电催化剂种类：
1)贵金属电催化剂(铂族和银、金等) 及担载型纳米级贵金属电催化剂与炭载体 广泛用于磷酸燃料电池和质子交换膜燃料
2)合金电催化剂
I 抗CO中毒的贵金属合金电催化剂 Pt-Ru Pt-Sn Pt-Pd Pt-Ni
II Pt与过渡金属合金电催化剂
Pt-V Pt-Cr Pt-Cr-Co Pt-V-Co
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、
在其上进行整平处理。
电极催化层制备 1)经典的疏水电极催化层制备工艺
催化层由Pt /C催化剂、PTFE及质子导体聚合物（如Nafion）组
成。
其制备工艺为：
将上述三种混合物按一定比例分散在 50％乙醇和50％的蒸馏水中， 并热压处理，得到膜电极三合一组件。 催化层厚度一般在几十微米左右。 催化层中PTFE含量一般在10%-50%（质量）之间。
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 Gas diffusion electrode，
• 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，
双极板。
PEMFC的特点 1.PEMFC具有燃料电池一般特点 （如能量转化效率高、环境友好等） 2.可在室温下快速启动
3.无电解液流失
4.水易排出 5.寿命长、比功率与比能量高等
用途
特别适于作可移动动力源，
是电动汽车和AIP推进潜艇的理想候选电源之一
是军民通用的可移动动力源
是利用氯碱厂副产品氢气发电的最佳候选电源
电催化的反应速度不仅仅由电催化剂的活性决定，而
且还与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的分子或 离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能大大降低。所
以，大部分电催化反应均可在远比通常化学反应低得多的温
度下进行。 例如，在铂黑电催化剂上可使丙烷于150℃~200℃完全氧化为 二氧化碳和水。
搅拌，用超声波混合均匀后涂布在扩散层或质子交换膜上，烘干，
国外的研究结果认为：
① Nafion 与 PTFE、电催化剂共混制备的电极性能不如 催化层制备后再喷涂 Nafion 好，喷徐 Nafion 的量控制在 0.5mg/cm2~1.0mg/cm ； ②催化层需经热处理，否则性能不稳定。 PTFE，23%（质量）Nafion。 电极 Pt 担量为 0.1mg/cm2 。催化层孔半径在 10nm~35nm
现了电极立体化。
这一工艺大大提高了PEMFC电极有效反应面积和Pt/C催化
剂的利用率。
综上所述，电极性能不仅依赖于电催化剂活性， 还与电极各种组分配比、电极孔分布与孔隙率、 电导等因素密切相关。
第三节 电催化与电催Leabharlann Baidu剂
1.电催化 电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的一种 催化作用。
主要特点：
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。
由于碳纸或碳布表面坑凹不平，对制备催化层有影响，
因此需要对其进行整平处理。 具体工艺过程为： 以水或水与乙醇作为溶剂，将乙炔黑或碳黑与 PTFE 配
成重量为1:1的溶液，用超声波震荡，混合均匀，再使其
沉降；倒出上部清液，将沉降物刮到经憎水处理的碳纸 或碳布上，对其表面整平。 若用碳布作扩散层，也可以不预先进行憎水处理，直接
双极板的功能与要求
1)分隔氧化剂与还原剂阻气功能 2)集流电的良导体 3)热的良导体 ，确保电池在工作时温度分布均匀并
使电池的废热顺利排除
4)具有抗腐蚀能力 5)双集板两侧应加入或置入通道(流场)，确保反应气 体均匀分布
双集板材料 碱性电解质可采用镍板 酸性电池采用石 墨双集板
2.流场
基本功能是引导反应剂 在燃料电池气室内的流 动，确保电极各处均能获得充足的反应剂供应。 至今已开发了点状、网状、多孔体、蛇形、交 指状等多种流场。
多孔气体扩散电极应具备的基本功能
1.为电极反应提供电子导电通道； 2.为反应气（如氧）的迁移、扩散提供气体传导通道 3.为电解质离子（如H+）提供离子通道；
4.为电极反应生成的液态水的传导通道。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极为何为立体化的？
1.用Pt /C电催化剂制备的PEMFC电极，电子通道由Pt/C电 催化剂承担， Pt /C催化剂构成的微孔为水的通道， 2.电极内加入的防水粘结剂（如PTFE）是气体通道的主要 提供者， 3.向电极内加入的全氟磺酸树脂构成H+通道， 即，由催化剂、憎水剂 PTFE 和离子导体全氟磺酸树脂构 成的电催化层可视为三网络结构的电极电催化层，从而实
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）
首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)中进 行憎水处理，用称重法确定浸入的PTFE量； 再将浸好PTFE的碳纸置于温度为330℃~340℃烘箱内进 行热处理，除掉浸渍在碳纸中PTFE所含有的表面活
性剂，同时使PTFE热熔结，并均匀分散在碳纸的纤
维上，从而达到优良的憎水效果。
焙烧后碳纸中PTFE含量约为50。
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
双 极 板 的 切 削 与 加 工
第五节 质子交换膜型燃料电池
1.原理与特点
PEMFC中的电极反应:
阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应:
H2 2H 2e
产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经电解质膜到达阴 极。 氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，即
1 O2 2H 2e H 2O 2
氧电极催化层最佳组成为54%（质量）Pt/C, 23%（质量）
之间，平均孔半径为 15 nm，没有检出小于 2.5 nm的孔。
2)薄层亲水电极催化层制备工艺
在薄层亲水电极催化层中，气体的传递不同于经典疏水电极催化
3) 镍基电催化剂 (在碱性燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中
应用)
Ni-Cr Ni-Al Ni-YSZ 4)混合型氧化物电催化剂：钙钛矿型氧化物 RMO3 5)钨基电催化剂
6) 过渡金属大环缝合 物电催化剂
第四节 双极板与流场
1.双极板：
起集流、分隔氧化剂与还原剂 并引导氧化剂与还原剂在电池内电极表面流动的 导电隔板