[科普中国]-气体扩散层

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用1。

常用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料为碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及炭黑纸等2。

质子交换膜燃料电池燃料电池是一种在等温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能的发电装置，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化快速响应等显著优点，被誉为21世纪的主要能源之一，是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地发电。氢是燃料电池的最佳燃料，而燃料电池也正是氢能转换为电能的最佳转换装置，其理论转化效率为83%（25℃），目前实际工作转换效率在45%～60%，比内燃机效率（20%～40%）高3。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点，已经成为能源领域研究的热点之一。20世纪60年代，美国率先将PEMFC用于双子星座航天飞行；1980年以后，PEMFC的研究逐渐被一些有实力的国家列为战略性的课题，其开发与应用取得了突破性的进展4。

各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其操作温度（约80℃）低，功率密度高，启动快，对负载变化响应快，在最近几年备受关注。其中氢/空气质子交换膜燃料电池尤为适用于轻型汽车动力和建筑物电源。托马斯最近的一项研究中就燃料电池和一般储能电池作为汽车动力进行了比较，发现运行里程大于160公里（100英里）时，燃料电池从质量、体积、成本、温室气体减排、加油时间、能源效率（使用天然气和生物质能制氢为燃料）和生命周期都优于一般的锂电池。质子交换膜燃料电池还可以使用甲醇直接作为原料，即直接甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池是便携式电源的首选之一。但是其功率密度低，Pt含量高，不适于作为汽车动力电源3。

气体扩散层的功能特点PEMFC是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，以氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧气为氧化剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属为双极板的低温燃料电池，其中电极由多孔的扩散层和催化剂层组成。燃料气体经过阳极扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应，即。该电极反应产生的电子通过扩散层的传导流经外电路到达阴极，同时氢离子在质子交换膜的作用下到达阴极。氧气通过阴极扩散层后与氢离子和电子在催化剂作用下发生电极反应生成水，即：。生成的水必须及时排出，以免发生“水淹电极”的现象。由此可知气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能2。

气体扩散层的性能要求选用高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能，这种材料必须满足以下要求：1.均匀的多孔质结构，透气性能好；2.电阻率低，电子传导能力强；3.结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；4.具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性，利于电极的制作，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；5.适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降；6.具有化学稳定性和热稳定性；7.制造成本低，性能/价格比高4。

气体扩散层材料选择研究中的气体扩散层基底材料包括碳纤维纸、碳纤维编织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸等，但有的也使用金属材料，如扁平的金属海绵———网状金属镍4。

碳纤维纸碳纤维纸是一种广泛应用于PEMFC电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于主要原料使用石墨化碳纤维，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性4。

碳纤维编织布由于碳纤维纸脆性大，缺乏柔性，在制备电极的过程中易被损坏，因此在PEMFC电极中使用较多的气体扩散层基底材料还有碳纤维编织布。它没有碳纤维纸那样的机械脆性，具有弯曲性能，依赖于纤维结构和编织工艺；还具有一定的抗压性能，有利于通过加压的办法来改善它与电解质或催化剂层的电接触。编织用的碳纤维纱线是长的碳纤维，经捆扎而成，但最好是通过纺纱工艺对纱线加捻后编织成布，不过这种碳布也可以是由碳纤维的前驱体编织成布后经过炭化制成4。

无纺布为了克服碳纤维纸缺乏柔性而碳纤维编织布缺乏尺寸稳定性的弱点，PEMFC电极用气体扩散层基底还可选用碳纤维无纺布。它同时具备一定的机械强度，且有高的柔性和尺寸稳定性等优点，从而利于电极的制作。适合的材料最好包括碳纤维、玻璃纤维或者含有机聚合物的纤维，这些有机聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚亚苯基硫或聚醚酮等4。

碳黑纸作为气体扩散层基底使用的炭黑纸，是由炭粉和聚合物粘结剂均匀分散后，经过热压成型而形成表面平整的片材，其中聚合物与炭粉的质量比在20：80和45：55之间。炭粉可选用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面积在50m2/g-2000m2/g之间；聚合物可选择氟树脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，这种氟树脂同时还可作为炭黑纸的憎水处理剂，从而简化了后面的憎水处理工艺，降低了成本4。

气体扩散层性质的表征与测试在气体扩散层中主要进行着反应气体的传递、反应产物的转移以及电子的传输。考察扩散层的性质即主要考察这三方面的传递能力。一般除了通过从极化曲线上直接分析扩散层性能外，人们还建立了一些物理手段来表征扩散层的性质，主要包括扩散层的流体传输特性、导电性、孔结构以及亲/疏水特性等1。

流体传输特性气体扩散层中的流体主要是反应气体、水蒸汽和液态水。气体在扩散层中的主要传递方式为扩散，还包括部分的对流传质。气体扩散层中的有效扩散系数Deff是对扩散系数D的修正，与曲率τ成反比，与孔隙率ε成正比，一般近似地写为。通过实验测试扩散系数的具体做法是：在扩散层两侧分别通以相等压力的待测气体和载气，使待测气体以扩散的方式通过扩散层；在另一侧定量检测该气体（如气相色谱法），从而计算出该气体在扩散层中的扩散系数1。

孔结构孔隙率、孔分布和孔体积是衡量扩散层孔结构的重要参数。常用的孔结构测量仪器有压汞仪和毛细管流动孔隙仪。前者以汞作润湿液，应用一定的压力将汞压入待测样品的孔中。后者采用低表面能的硅树脂（silwick）为介质，在毛细力的作用下润湿待测样品后再加压迫使其流出孔道。但是两种方法都不能反映电池运行时扩散层内的真实物质传输通道，因为气体扩散层材料里的非连通孔是对物质传输没有意义的，而在采用压汞法或毛细管流动孔隙仪测量时断孔、死孔都是包含在内的1。

亲/疏水性质扩散层的液体润湿性即其亲/疏水性质也是影响燃料电池性能的重要因素之一。适宜的亲/疏水孔比例有利于改善传质、提高极限电流密度。表征扩散层的亲/疏水性质有两种方法：一是浸渍法，直接表征其亲水孔和疏水孔孔体积；二是测量接触角法，间接表征亲/疏水性质1。

导电性扩散层的导电性，根据测量方向的不同，一般有两种测量方式。对through-plane方向即扩散层的厚度方向，一般采用加压测量接触电阻的方法，而对于in-plane方向的电阻多采用四点探针法1。

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学