氣體擴散層

選用高性能的氣體擴散層材料有利于改善電極的綜合性能，這種材料必須滿足以下要求：1.均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性能好；2.電阻率低，電子傳導能力強；3.結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導電性能；4.具有一定的機械強度，適當?shù)膭傂耘c柔性，利于電極的制作，提供長期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；5.適當?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降；6.具有化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；7.制造成本低，性能/價格比高 。

研究中的氣體擴散層基底材料包括碳纖維紙、碳纖維編織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙等，但有的也使用金屬材料，如扁平的金屬海綿———網(wǎng)狀金屬鎳 。

氣體擴散層碳纖維紙

碳纖維紙是一種廣泛應用于PEMFC電極中的氣體擴散層材料，它不僅具有均勻的多孔質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)，而且由于主要原料使用石墨化碳纖維，使得它具備優(yōu)異的導電性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 。

氣體擴散層碳纖維編織布

由于碳纖維紙脆性大，缺乏柔性，在制備電極的過程中易被損壞，因此在PEMFC電極中使用較多的氣體擴散層基底材料還有碳纖維編織布。它沒有碳纖維紙那樣的機械脆性，具有彎曲性能，依賴于纖維結(jié)構(gòu)和編織工藝；還具有一定的抗壓性能，有利于通過加壓的辦法來改善它與電解質(zhì)或催化劑層的電接觸。編織用的碳纖維紗線是長的碳纖維，經(jīng)捆扎而成，但最好是通過紡紗工藝對紗線加捻后編織成布，不過這種碳布也可以是由碳纖維的前驅(qū)體編織成布后經(jīng)過炭化制成 。

氣體擴散層無紡布

為了克服碳纖維紙缺乏柔性而碳纖維編織布缺乏尺寸穩(wěn)定性的弱點，PEMFC電極用氣體擴散層基底還可選用碳纖維無紡布。它同時具備一定的機械強度，且有高的柔性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，從而利于電極的制作。適合的材料最好包括碳纖維、玻璃纖維或者含有機聚合物的纖維，這些有機聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、聚亞苯基硫或聚醚酮等 。

氣體擴散層碳黑紙

作為氣體擴散層基底使用的炭黑紙，是由炭粉和聚合物粘結(jié)劑均勻分散后，經(jīng)過熱壓成型而形成表面平整的片材，其中聚合物與炭粉的質(zhì)量比在20：80和45：55之間。炭粉可選用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面積在50m²/g-2000m²/g之間；聚合物可選擇氟樹脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，這種氟樹脂同時還可作為炭黑紙的憎水處理劑，從而簡化了后面的憎水處理工藝，降低了成本 。

燃料電池是一種在等溫條件下，不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧氣中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有高效、無污染、無噪聲、可靠性高、模塊化、對負載變化快速響應等顯著優(yōu)點，被譽為21世紀的主要能源之一，是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地發(fā)電。氫是燃料電池的最佳燃料，而燃料電池也正是氫能轉(zhuǎn)換為電能的最佳轉(zhuǎn)換裝置，其理論轉(zhuǎn)化效率為83%（25℃），實際工作轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，比內(nèi)燃機效率（20%～40%）高 。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動迅速等優(yōu)點，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域研究的熱點之一。20世紀60年代，美國率先將PEMFC用于雙子星座航天飛行；1980年以后，PEMFC的研究逐漸被一些有實力的國家列為戰(zhàn)略性的課題，其開發(fā)與應用取得了突破性的進展 。

各種類型的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其操作溫度（約80℃）低，功率密度高，啟動快，對負載變化響應快，在最近幾年備受關(guān)注。其中氫/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池尤為適用于輕型汽車動力和建筑物電源。托馬斯最近的一項研究中就燃料電池和一般儲能電池作為汽車動力進行了比較，發(fā)現(xiàn)運行里程大于160公里（100英里）時，燃料電池從質(zhì)量、體積、成本、溫室氣體減排、加油時間、能源效率（使用天然氣和生物質(zhì)能制氫為燃料）和生命周期都優(yōu)于一般的鋰電池。質(zhì)子交換膜燃料電池還可以使用甲醇直接作為原料，即直接甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池是便攜式電源的首選之一。但是其功率密度低，Pt含量高，不適于作為汽車動力電源 。

PEMFC是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，以Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，以氫氣或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧氣為氧化劑，并以帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬為雙極板的低溫燃料電池，其中電極由多孔的擴散層和催化劑層組成。燃料氣體經(jīng)過陽極擴散層到達催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生電極反應，即：該電極反應產(chǎn)生的電子通過催化劑層的傳導流經(jīng)外電路到達陰極，同時氫離子在質(zhì)子交換膜的作用下到達陰極。氧氣通過陰極擴散層后與氫離子和電子在催化劑作用下發(fā)生電極反應生成水，即：。生成的水必須及時排出，以免發(fā)生“水淹電極”的現(xiàn)象。由此可知氣體擴散層在電極中不僅起著支撐催化劑層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，還具備為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種功能 。

在氣體擴散層中主要進行著反應氣體的傳遞、反應產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移以及電子的傳輸。考察擴散層的性質(zhì)即主要考察這三方面的傳遞能力。一般除了通過從極化曲線上直接分析擴散層性能外，人們還建立了一些物理手段來表征擴散層的性質(zhì)，主要包括擴散層的流體傳輸特性、導電性、孔結(jié)構(gòu)以及親/疏水特性等 。

氣體擴散層流體傳輸特性

氣體擴散層中的流體主要是反應氣體、水蒸汽和液態(tài)水。氣體在擴散層中的主要傳遞方式為擴散，還包括部分的對流傳質(zhì)。氣體擴散層中的有效擴散系數(shù)D_eff是對擴散系數(shù)D的修正，與曲率τ成反比，與孔隙率ε成正比，一般近似地寫為

氣體擴散層孔結(jié)構(gòu)

孔隙率、孔分布和孔體積是衡量擴散層孔結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。常用的孔結(jié)構(gòu)測量儀器有壓汞儀和毛細管流動孔隙儀。前者以汞作潤濕液，應用一定的壓力將汞壓入待測樣品的孔中。后者采用低表面能的硅樹脂（silwick）為介質(zhì)，在毛細力的作用下潤濕待測樣品后再加壓迫使其流出孔道。但是兩種方法都不能反映電池運行時擴散層內(nèi)的真實物質(zhì)傳輸通道，因為氣體擴散層材料里的非連通孔是對物質(zhì)傳輸沒有意義的，而在采用壓汞法或毛細管流動孔隙儀測量時斷孔、死孔都是包含在內(nèi)的 。

氣體擴散層親/疏水性質(zhì)

擴散層的液體潤濕性即其親/疏水性質(zhì)也是影響燃料電池性能的重要因素之一。適宜的親/疏水孔比例有利于改善傳質(zhì)、提高極限電流密度。表征擴散層的親/疏水性質(zhì)有兩種方法：一是浸漬法，直接表征其親水孔和疏水孔孔體積；二是測量接觸角法，間接表征親/疏水性質(zhì) 。

氣體擴散層導電性

擴散層的導電性，根據(jù)測量方向的不同，一般有兩種測量方式。對through-plane方向即擴散層的厚度方向，一般采用加壓測量接觸電阻的方法，而對于in-plane方向的電阻多采用四點探針法 。

分離氣體混合物的一種方法。根據(jù)氣體分子運動學說和氣體擴散定律，當氣體混合物是在容器內(nèi)時，輕分子的運動速度快，撞擊器壁的機會多；重分子的運動速度慢，撞擊器壁的機會少。如果器壁具有無數(shù)微孔，每孔只容許分子單獨通過，則輕分子通過器壁的機會一定比重分子多。

擴散結(jié)果是器內(nèi)的輕分子相對地減少，富集于器外；器內(nèi)的重分子相對地增加，并富集于器內(nèi)。因此可以得到一定程度的分離。這種方法主要用于分離同位素。對分子量相差很小的混合氣體，如鈾235和鈾238的六氟化物，必須連續(xù)進行多次，才能達到所需要的分離程度。

在土壤氣體的組成中，CO₂的濃度高于大氣，而O₂的濃度低于大氣，在濃度梯度的作用下，驅(qū)使CO₂氣體分子不斷從土壤中向大氣擴散，同時使O₂分子不斷從大氣向土壤氣體擴散。

O₂和CO₂在土壤中的擴散過程，部分發(fā)生在氣相，部分發(fā)生在液相。通過充氣孔防擴散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用，為氣相擴散；而通過不同厚度水膜的擴散、則為液相擴散，這兩種擴散過程都可以用費克(Fick)定律表示。根據(jù)費克定律，氣體的擴散速率(dQ/dt)和該氣體的濃度梯度(dc/dr)以下式表示:

式中，q_d表示擴散通量(單位時間通過單位面積擴散的質(zhì)量); D表示在該介質(zhì)中的擴散系數(shù)(其量綱為面積/時間)；c表示某種氣體(O₂或CO₂)的濃度(單位容積擴散物質(zhì)的質(zhì)量)；x表示擴散的距離；dc/dx表示濃度梯度，對于氣體來說，其濃度梯度常用分壓梯度表示，則：

式中，B表示偏壓與濃度的比。

氣體分子在做無規(guī)則的熱運動。

擴散是由于微粒（分子、原子等）的熱運動而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象?？捎梢环N或多種物質(zhì)在氣、液或固相的同一相內(nèi)或不同相間進行，主要由于濃度差，也可由于溫度差和湍流運動等。

微粒從濃較大的區(qū)域向較小的區(qū)域遷移，直到一相內(nèi)各部分的濃度達到一致或兩相間的濃度達到平衡為止。

擴散速度在氣體中最大，液體中次之，固體中最小。濃度差愈大，微粒質(zhì)量愈小，溫度愈高，擴散也愈快。