2.4.3 跨尺度扩散

PEMFC中气体扩散层厚度在30μm左右，催化层厚度在5μm左右。氧气的传输主要有克努森扩散（＜100nm）和分子扩散（＞100nm）两种。如图2-13所示，这两种扩散机制的贡献主要取决于孔径（100nm为分界点）。对于正常操作条件的PEMFC，氧气在GDL中主要是分子扩散，克努森扩散可以忽略不计。

在多孔电极结构迂曲的孔隙通道内，氧气分子的运动受到孔壁的限制，气体的有效扩散率低于气体的体扩散率。气体的有效扩散率受到孔隙率和迂曲度的影响，计算公式可以表示为

式中， 是气体组分 i 在多孔电极内的有效扩散率； D _i 是气体组分 i 的扩散率； ε 是多孔电极的孔隙率； τ 为多孔电极的迂曲度。由Bruggeman修正，多孔介质的迂曲度和孔隙率具有如下关系：

此外还存在一些其他的对多孔介质有效扩散率的修正方式，但是Bruggeman修正的形式最为简单，其应用也最为广泛。

氧气从气体扩散层进入催化层中，首先在催化层的孔隙中传输，然后需要穿过Pt表面的ionomer才能到达反应位点。Kongkanand等人 ^[71] 定义了这种氧气通过Pt表面覆盖的ionomer薄膜的传输为局部传输。2010年，Kudo等人 ^[72] 首次将溶液扩散模型引入燃料电池领域，以解释CCL中的局部氧输运过程，并随后得到其他研究人员的广泛认可。在氧气局部扩散方面，ionomer被认为均匀地覆盖在催化剂的表面。如图2-14所示，局部氧传输行为可分为三个过程：①氧从气相吸附到电离聚物；②氧在超薄离聚物膜内的扩散；③氧从离聚物吸附到Pt表面。由于离聚物膜的厚度仅为5～10nm，离聚物内部的扩散比两个界面处的吸附要快，因此吸附被认为是局部氧传输的速率决定步骤。