干貨丨氫能燃料電池抗反極測試

反極是一種現象，是一種主要由材料和操作條件引起的電池組內某片或多片電池單元出現負電壓導致失效，由提供能量轉換為消耗能量，甚至發生燒毀爆炸，從而導致整個電堆失效的一種現象。事實上，反極是伴隨對燃料電池的壽命、穩定性和耐久性問題的研究不斷深入而逐漸重視的。正常情況下，燃料電池的陰極(正極）電壓高于陽極（負極）電壓；但是當在某一電流密度下，某一側的反應物供給不能滿足需求，可能會出現陽極電壓高于陰極，即反極。考慮電池在汽車上的應用情況，由于欠氣導致的電池反極是占比最多的因素，所以以欠氣反極工況的測試結果來反饋電池的抗反極能力。

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反極的種類與機理

發生反極現象的原因有多種，例如供氣系統故障，排氣系統故障，流場板工不均勻、電池內產水不能及時排出等，究其根本，電池陰陽極欠氣是發生反極的主要因素。

1、陰極欠氣導致反極的機理

陰極沒有足夠空氣時，陽極傳導過來的氫質子會代替氧氣發生還原反應，與電子結合生成氫氣，反應式如下：

陽極反應和陽極電勢保持不變，陰極缺乏空氣，發生氫析出反應，陰極電勢急劇下降，電池電壓隨之降低，即發生反極現象。

2、陽極欠氣導致反極的機理

當電堆中某一片電池陽極氫氣整體不足時，電池陰極所發生的反應和電勢沒有變化，電池的陽極會發生水電解和碳腐蝕反應，釋放質子和電子，維持整個電池的電荷平衡。陰陽極的反應如下：

陽極整體缺氣時，優先發生水電解，當陽極可利用的水或者OER催化劑活性降低時，碳腐蝕反應會顯著加速以維持電池的電荷平衡，陽極的電池不斷提高，進一步加速碳腐蝕，反極電壓也會不斷提高。

反極時碳腐蝕和水電解是同時發生的，兩者又是如何占比呢？從熱力學角度分析，主要在-1.0V以下發生碳腐蝕，-1.0V以上時碳腐蝕相對緩慢可忽略不計，優先進行水的電解。

燃料電池反極的電壓變化實質為陽極電勢的變化，陽極氣體由氫氣更改為氮氣后，保持電池輸出電流不變。隨著電池內部氫氣逐步消耗，陽極電勢不斷升高，電池電壓逐漸降低，水開始電解時，電池電壓迅速降到-0.6V，電池電壓緩慢降到-0.9V，形成水電解平臺，對應的陽極電勢為1.4V-1.7V。水電解平臺結束后，電池電壓快速下降到-1.5V左右，進入碳腐蝕平臺。陽極的高電勢會引發陽極其他組件的氧化反應，例如離聚物，反極過程會有大量的水被消耗，電解質會顯著脫水，會產生比較大的離子電阻和歐姆熱，反應產生的熱量會加快質子交換膜的老化，碳載體腐蝕，不可逆的損傷，電堆極高的電勢差有可能會擊穿膜電極，造成短路。

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抗反極測試流程

根據此測試過程，膜電極能在較短時間里測試出反極時長以及反極前后電池的損傷情況，能夠反映出水電解催化劑含量及活性對抗反極能力的影響，從而篩選出陽極催化劑最優比，避免電池在發生反極后造成催化劑的大面積損傷而對后續的電池發電造成較大的衰減。

總結：

從電池反極的原因和機理為出發點，通過分析反極前后的1.8A/cm?的電位衰減情況和電阻變化來衡量電池的抗反極性能，從而輔助膜電極陽極材料研發，所以抗反極測試在保證電池的高效安全穩定的長久運行中占有有重要地位，也成為了電池研發中至關重要的一環。