氣體擴(kuò)散層質(zhì)子交換膜燃料電池

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(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧氣中的化學(xué)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(duì)負(fù)載變化快速響應(yīng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)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(shí)際工作轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，比內(nèi)燃機(jī)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(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。20世紀(jì)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(shí)力的國家列為戰(zhàn)略性的課題，其開發(fā)與應(yīng)用取得了突破性的進(jìn)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(dòng)快，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)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(dòng)力和建筑物電源。托馬斯最近的一項(xiàng)研究中就燃料電池和一般儲(chǔ)能電池作為汽車動(dòng)力進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行里程大于160公里（100英里）時(shí)，燃料電池從質(zhì)量、體積、成本、溫室氣體減排、加油時(shí)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(dòng)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(dòng)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(kuò)散層和催化劑層組成。燃料氣體經(jīng)過陽極擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng)，即：該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過催化劑層的傳導(dǎo)流經(jīng)外電路到達(dá)陰極，同時(shí)氫離子在質(zhì)子交換膜的作用下到達(dá)陰極。氧氣通過陰極擴(kuò)散層后與氫離子和電子在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)生成水，即：。生成的水必須及時(shí)排出，以免發(fā)生“水淹電極”的現(xiàn)象。由此可知?dú)怏w擴(kuò)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(yīng)提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種功能 。

選用高性能的氣體擴(kuò)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(dǎo)能力強(qiáng)；3.結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能；4.具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?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(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過性能下降；6.具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；7.制造成本低，性能/價(jià)格比高 。

研究中的氣體擴(kuò)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(kuò)散層碳纖維紙

碳纖維紙是一種廣泛應(yīng)用于PEMFC電極中的氣體擴(kuò)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(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 。

氣體擴(kuò)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(kuò)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(jī)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(duì)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(kuò)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(diǎn)，PEMFC電極用氣體擴(kuò)散層基底還可選用碳纖維無紡布。它同時(shí)具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，且有高的柔性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)聚合物的纖維，這些有機(jī)聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）、聚亞苯基硫或聚醚酮等 。

氣體擴(kuò)散層碳黑紙

作為氣體擴(kuò)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(shí)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 。

在氣體擴(kuò)散層中主要進(jìn)行著反應(yīng)氣體的傳遞、反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移以及電子的傳輸?？疾鞌U(kuò)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(kuò)散層性能外，人們還建立了一些物理手段來表征擴(kuò)散層的性質(zhì)，主要包括擴(kuò)散層的流體傳輸特性、導(dǎo)電性、孔結(jié)構(gòu)以及親/疏水特性等 。

氣體擴(kuò)散層流體傳輸特性

氣體擴(kuò)散層中的流體主要是反應(yīng)氣體、水蒸汽和液態(tài)水。氣體在擴(kuò)散層中的主要傳遞方式為擴(kuò)散，還包括部分的對(duì)流傳質(zhì)。氣體擴(kuò)散層中的有效擴(kuò)散系數(shù)D_eff是對(duì)擴(kuò)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(kuò)散層孔結(jié)構(gòu)

孔隙率、孔分布和孔體積是衡量擴(kuò)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(xì)管流動(dòng)孔隙儀。前者以汞作潤濕液，應(yīng)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(xì)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(yùn)行時(shí)擴(kuò)散層內(nèi)的真實(shí)物質(zhì)傳輸通道，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層材料里的非連通孔是對(duì)物質(zhì)傳輸沒有意義的，而在采用壓汞法或毛細(xì)管流動(dòng)孔隙儀測量時(shí)斷孔、死孔都是包含在內(nèi)的 。

氣體擴(kuò)散層親/疏水性質(zhì)

擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散層導(dǎo)電性

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

分離氣體混合物的一種方法。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說和氣體擴(kuò)散定律，當(dāng)氣體混合物是在容器內(nèi)時(shí)，輕分子的運(yùn)動(dòng)速度快，撞擊器壁的機(jī)會(huì)多；重分子的運(yùn)動(dòng)速度慢，撞擊器壁的機(jī)會(huì)少。如果器壁具有無數(shù)微孔，每孔只容許分子單獨(dú)通過，則輕分子通過器壁的機(jī)會(huì)一定比重分子多。

擴(kuò)散結(jié)果是器內(nèi)的輕分子相對(duì)地減少，富集于器外；器內(nèi)的重分子相對(duì)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(duì)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(jìn)行多次，才能達(dá)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(kuò)散，同時(shí)使O₂分子不斷從大氣向土壤氣體擴(kuò)散。

O₂和CO₂在土壤中的擴(kuò)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(kuò)散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用，為氣相擴(kuò)散；而通過不同厚度水膜的擴(kuò)散、則為液相擴(kuò)散，這兩種擴(kuò)散過程都可以用費(fèi)克(Fick)定律表示。根據(jù)費(fèi)克定律，氣體的擴(kuò)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(kuò)散通量(單位時(shí)間通過單位面積擴(kuò)散的質(zhì)量); D表示在該介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)(其量綱為面積/時(shí)間)；c表示某種氣體(O₂或CO₂)的濃度(單位容積擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量)；x表示擴(kuò)散的距離；dc/dx表示濃度梯度，對(duì)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(yùn)動(dòng)。

擴(kuò)散是由于微粒（分子、原子等）的熱運(yùn)動(dòng)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(jìn)行，主要由于濃度差，也可由于溫度差和湍流運(yùn)動(dòng)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(dá)到一致或兩相間的濃度達(dá)到平衡為止。

擴(kuò)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(kuò)散也愈快。