干货丨氢能燃料电池抗反极测试

反极是一种现象，是一种主要由材料和操作条件引起的电池组内某片或多片电池单元出现负电压导致失效，由提供能量转换为消耗能量，甚至发生烧毁爆炸，从而导致整个电堆失效的一种现象。事实上，反极是伴随对燃料电池的寿命、稳定性和耐久性问题的研究不断深入而逐渐重视的。正常情况下，燃料电池的阴极(正极）电压高于阳极（负极）电压；但是当在某一电流密度下，某一侧的反应物供给不能满足需求，可能会出现阳极电压高于阴极，即反极。考虑电池在汽车上的应用情况，由于欠气导致的电池反极是占比最多的因素，所以以欠气反极工况的测试结果来反馈电池的抗反极能力。

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反极的种类与机理

发生反极现象的原因有多种，例如供气系统故障，排气系统故障，流场板工不均匀、电池内产水不能及时排出等，究其根本，电池阴阳极欠气是发生反极的主要因素。

1、阴极欠气导致反极的机理

阴极没有足够空气时，阳极传导过来的氢质子会代替氧气发生还原反应，与电子结合生成氢气，反应式如下：

阳极反应和阳极电势保持不变，阴极缺乏空气，发生氢析出反应，阴极电势急剧下降，电池电压随之降低，即发生反极现象。

2、阳极欠气导致反极的机理

当电堆中某一片电池阳极氢气整体不足时，电池阴极所发生的反应和电势没有变化，电池的阳极会发生水电解和碳腐蚀反应，释放质子和电子，维持整个电池的电荷平衡。阴阳极的反应如下：

阳极整体缺气时，优先发生水电解，当阳极可利用的水或者OER催化剂活性降低时，碳腐蚀反应会显著加速以维持电池的电荷平衡，阳极的电池不断提高，进一步加速碳腐蚀，反极电压也会不断提高。

反极时碳腐蚀和水电解是同时发生的，两者又是如何占比呢？从热力学角度分析，主要在-1.0V以下发生碳腐蚀，-1.0V以上时碳腐蚀相对缓慢可忽略不计，优先进行水的电解。

燃料电池反极的电压变化实质为阳极电势的变化，阳极气体由氢气更改为氮气后，保持电池输出电流不变。随着电池内部氢气逐步消耗，阳极电势不断升高，电池电压逐渐降低，水开始电解时，电池电压迅速降到-0.6V，电池电压缓慢降到-0.9V，形成水电解平台，对应的阳极电势为1.4V-1.7V。水电解平台结束后，电池电压快速下降到-1.5V左右，进入碳腐蚀平台。阳极的高电势会引发阳极其他组件的氧化反应，例如离聚物，反极过程会有大量的水被消耗，电解质会显著脱水，会产生比较大的离子电阻和欧姆热，反应产生的热量会加快质子交换膜的老化，碳载体腐蚀，不可逆的损伤，电堆极高的电势差有可能会击穿膜电极，造成短路。

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抗反极测试流程

根据此测试过程，膜电极能在较短时间里测试出反极时长以及反极前后电池的损伤情况，能够反映出水电解催化剂含量及活性对抗反极能力的影响，从而筛选出阳极催化剂最优比，避免电池在发生反极后造成催化剂的大面积损伤而对后续的电池发电造成较大的衰减。

总结：

从电池反极的原因和机理为出发点，通过分析反极前后的1.8A/cm²的电位衰减情况和电阻变化来衡量电池的抗反极性能，从而辅助膜电极阳极材料研发，所以抗反极测试在保证电池的高效安全稳定的长久运行中占有有重要地位，也成为了电池研发中至关重要的一环。