干貨丨氫能燃料電池抗反極測(cè)試

反極是一種現(xiàn)象，是一種主要由材料和操作條件引起的電池組內(nèi)某片或多片電池單元出現(xiàn)負(fù)電壓導(dǎo)致失效，由提供能量轉(zhuǎn)換為消耗能量，甚至發(fā)生燒毀爆炸，從而導(dǎo)致整個(gè)電堆失效的一種現(xiàn)象。事實(shí)上，反極是伴隨對(duì)燃料電池的壽命、穩(wěn)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(fù)極）電壓；但是當(dāng)在某一電流密度下，某一側(cè)的反應(yīng)物供給不能滿足需求，可能會(huì)出現(xiàn)陽極電壓高于陰極，即反極。考慮電池在汽車上的應(yīng)用情況，由于欠氣導(dǎo)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(cè)試結(jié)果來反饋電池的抗反極能力。

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反極的種類與機(jī)理

發(fā)生反極現(xiàn)象的原因有多種，例如供氣系統(tǒng)故障，排氣系統(tǒng)故障，流場(chǎng)板工不均勻、電池內(nèi)產(chǎn)水不能及時(shí)排出等，究其根本，電池陰陽極欠氣是發(fā)生反極的主要因素。

1、陰極欠氣導(dǎo)致反極的機(jī)理

陰極沒有足夠空氣時(shí)，陽極傳導(dǎo)過來的氫質(zhì)子會(huì)代替氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，與電子結(jié)合生成氫氣，反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)和陽極電勢(shì)保持不變，陰極缺乏空氣，發(fā)生氫析出反應(yīng)，陰極電勢(shì)急劇下降，電池電壓隨之降低，即發(fā)生反極現(xiàn)象。

2、陽極欠氣導(dǎo)致反極的機(jī)理

當(dāng)電堆中某一片電池陽極氫氣整體不足時(shí)，電池陰極所發(fā)生的反應(yīng)和電勢(shì)沒有變化，電池的陽極會(huì)發(fā)生水電解和碳腐蝕反應(yīng)，釋放質(zhì)子和電子，維持整個(gè)電池的電荷平衡。陰陽極的反應(yīng)如下：

陽極整體缺氣時(shí)，優(yōu)先發(fā)生水電解，當(dāng)陽極可利用的水或者OER催化劑活性降低時(shí)，碳腐蝕反應(yīng)會(huì)顯著加速以維持電池的電荷平衡，陽極的電池不斷提高，進(jìn)一步加速碳腐蝕，反極電壓也會(huì)不斷提高。

反極時(shí)碳腐蝕和水電解是同時(shí)發(fā)生的，兩者又是如何占比呢？從熱力學(xué)角度分析，主要在-1.0V以下發(fā)生碳腐蝕，-1.0V以上時(shí)碳腐蝕相對(duì)緩慢可忽略不計(jì)，優(yōu)先進(jìn)行水的電解。

燃料電池反極的電壓變化實(shí)質(zhì)為陽極電勢(shì)的變化，陽極氣體由氫氣更改為氮?dú)夂螅３蛛姵剌敵鲭娏鞑蛔儭ｋS著電池內(nèi)部氫氣逐步消耗，陽極電勢(shì)不斷升高，電池電壓逐漸降低，水開始電解時(shí)，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(tái)，對(duì)應(yīng)的陽極電勢(shì)為1.4V-1.7V。水電解平臺(tái)結(jié)束后，電池電壓快速下降到-1.5V左右，進(jìn)入碳腐蝕平臺(tái)。陽極的高電勢(shì)會(huì)引發(fā)陽極其他組件的氧化反應(yīng)，例如離聚物，反極過程會(huì)有大量的水被消耗，電解質(zhì)會(huì)顯著脫水，會(huì)產(chǎn)生比較大的離子電阻和歐姆熱，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)加快質(zhì)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(shì)差有可能會(huì)擊穿膜電極，造成短路。

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抗反極測(cè)試流程

根據(jù)此測(cè)試過程，膜電極能在較短時(shí)間里測(cè)試出反極時(shí)長(zhǎng)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(duì)抗反極能力的影響，從而篩選出陽極催化劑最優(yōu)比，避免電池在發(fā)生反極后造成催化劑的大面積損傷而對(duì)后續(xù)的電池發(fā)電造成較大的衰減。

總結(jié)：

從電池反極的原因和機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，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(fā)，所以抗反極測(cè)試在保證電池的高效安全穩(wěn)定的長(zhǎng)久運(yùn)行中占有有重要地位，也成為了電池研發(fā)中至關(guān)重要的一環(huán)。