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气体扩散层，英文简称GDL，是燃料电池和电解槽中的关键组成部分。它通常由碳纤维纸或碳布等多孔碳材料制成，有时会添加聚四氟乙烯等疏水材料以改善其性能。在燃料电池结构中，气体扩散层位于流场板和催化层之间，扮演着至关重要的角色。
气体扩散层具有四个主要功能。首先，它促进反应气体从流场板扩散到催化层，确保电化学反应所需的气体供应。其次，它帮助管理水分，在燃料电池中排出产物水，防止电池"水淹"；在电解槽中则帮助水到达催化层或产物气体排出。第三，它传导电子，连接催化层和流场板。最后，它为催化层和膜提供机械支撑和保护，增强整个电池的结构稳定性。
气体扩散层的微观结构对其性能至关重要。它具有多孔结构，通常孔隙率在70%到90%之间，这些孔隙允许气体和水分自由流动。碳纤维网络提供了优异的电子传导性，电导率通常在200到400西门子每厘米之间。为了平衡水管理需求，气体扩散层通常会添加PTFE等疏水材料进行处理，使其既能排出多余水分，又能保持适当湿度。此外，气体扩散层还需要具备足够的机械强度来支撑电池结构，以及在酸碱环境中的化学稳定性，确保长期运行可靠性。
气体扩散层的工作原理涉及多个物理过程。首先是气体传输过程：反应气体如氢气或氧气通过流场板的流道进入气体扩散层，然后在其多孔结构中扩散，最终到达催化层参与电化学反应。其次是水管理过程：在燃料电池运行过程中，反应会产生水，这些水需要通过气体扩散层排出。气体扩散层上的PTFE疏水涂层能够帮助排水并防止电池"水淹"现象，同时保持适当的湿度以确保质子交换膜的导电性。此外，气体扩散层还负责电子的传导，将电子从催化层传导到流场板或从流场板传导到催化层，形成完整的电路。
总结一下，气体扩散层是燃料电池和电解槽中的关键组件，它通常由碳纤维纸或碳布制成，并常添加PTFE等疏水材料以改善性能。气体扩散层具有四大主要功能：促进反应气体的传输、管理水分平衡、传导电子以及提供机械支撑。其关键微观结构特性包括多孔性、高导电性、适当的疏水性、良好的机械强度和化学稳定性。随着能源技术的发展，气体扩散层的研究也在不断深入，未来发展方向包括纳米材料的应用、功能梯度结构设计以及新型复合材料的开发，这些都将进一步提高电化学装置的性能和耐久性。