气体在固体中的扩散

气体在固体中由于密度分布不均匀而发生的质量输运过程。

正文

稳恒的扩散过程，也遵守斐克第一定律：

式中d为单位时间内通过与方向相垂直的单位面积上气体的量，为气体的密度，为扩散系数。

非稳恒过程中，气体的密度随时间变化,根据连续性方程，有

上式也称为斐克第二定律。可以根据两个斐克定律求解研究扩散过程。

扩散系数与气体以及固体的物理和化学性质有关。惰性气体和水蒸气在固体有机材料(如橡胶、塑料等)中有较大的值。氢在玻璃和金属中都有显著的扩散性能。但与气体在气体中的扩散相比，气体在固体中的扩散系数通常小得微不足道。因而在某些固体中，有些气体的密度均匀化过程进行得非常缓慢，有时甚至要延长到若干年。

此外，理论和实验都指出,扩散系数是温度的指数函数。

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 。

气体扩散层流体传输特性

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D_eff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

气体扩散层孔结构

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 。

气体扩散层亲/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 。

气体扩散层导电性

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 。

气体分子在做无规则的热运动。

扩散是由于微粒（分子、原子等）的热运动而产生的物质迁移现象。可由一种或多种物质在气、液或固相的同一相内或不同相间进行，主要由于浓度差，也可由于温度差和湍流运动等。

微粒从浓较大的区域向较小的区域迁移，直到一相内各部分的浓度达到一致或两相间的浓度达到平衡为止。

扩散速度在气体中最大，液体中次之，固体中最小。浓度差愈大，微粒质量愈小，温度愈高，扩散也愈快。

扩散系数D代表气体在单位分压梯度下(或单位浓度梯度下)，单位时间通过单位面积土体剖面的气体量。D值的大小取决于土壤性质、同一土壤在同样的条件下，不同气体的扩散系总是不同的，如O₂的扩散系数比CO₂约大1.25倍，不同压力和温度下的气体扩散系数变化也较大。

由于土壤孔隙的曲折复杂，一般来讲，气体在土壤中的扩散系数D，明显地小于其化空气中的扩散系数(D)，它们的具体数值因土壤的含水量、质地、结构、松紧程度、上层排列等状况而异，一般情况下，扩散作用是土壤与大气交换的主要机制。