氣體在固體中的擴散

氣體在固體中由于密度分布不均勻而發(fā)生的質(zhì)量輸運過程。

正文

穩(wěn)恒的擴散過程，也遵守斐克第一定律：

式中d為單位時間內(nèi)通過與方向相垂直的單位面積上氣體的量，為氣體的密度，為擴散系數(shù)。

非穩(wěn)恒過程中，氣體的密度隨時間變化,根據(jù)連續(xù)性方程，有

上式也稱為斐克第二定律。可以根據(jù)兩個斐克定律求解研究擴散過程。

擴散系數(shù)與氣體以及固體的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。惰性氣體和水蒸氣在固體有機材料(如橡膠、塑料等)中有較大的值。氫在玻璃和金屬中都有顯著的擴散性能。但與氣體在氣體中的擴散相比，氣體在固體中的擴散系數(shù)通常小得微不足道。因而在某些固體中，有些氣體的密度均勻化過程進行得非常緩慢，有時甚至要延長到若干年。

此外，理論和實驗都指出,擴散系數(shù)是溫度的指數(shù)函數(shù)。

在氣體擴散層中主要進行著反應(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(dǎo)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(yīng)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(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(dǎo)電性

擴散層的導(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 。

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。

擴散系數(shù)D代表氣體在單位分壓梯度下(或單位濃度梯度下)，單位時間通過單位面積土體剖面的氣體量。D值的大小取決于土壤性質(zhì)、同一土壤在同樣的條件下，不同氣體的擴散系總是不同的，如O₂的擴散系數(shù)比CO₂約大1.25倍，不同壓力和溫度下的氣體擴散系數(shù)變化也較大。

由于土壤孔隙的曲折復(fù)雜，一般來講，氣體在土壤中的擴散系數(shù)D，明顯地小于其化空氣中的擴散系數(shù)(D)，它們的具體數(shù)值因土壤的含水量、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度、上層排列等狀況而異，一般情況下，擴散作用是土壤與大氣交換的主要機制。