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(fā)生燒毀爆炸，從而導致整個(gè)電堆失效的一種現象。事實(shí)上，反極是伴隨對燃料電池的壽命、穩定性和耐久性問(wèn)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(yáng)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(mǎn)足需求，可能會(huì )出現陽(yáng)極電壓高于陰極，即反極?？紤]電池在汽車(chē)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(lái)反饋電池的抗反極能力。

— 01 —

反極的種類(lèi)與機理

發(fā)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(chǎng)板工不均勻、電池內產(chǎn)水不能及時(shí)排出等，究其根本，電池陰陽(yáng)極欠氣是發(fā)生反極的主要因素。

1、陰極欠氣導致反極的機理

陰極沒(méi)有足夠空氣時(shí)，陽(yáng)極傳導過(guò)來(lái)的氫質(zhì)子會(huì )代替氧氣發(fā)生還原反應，與電子結合生成氫氣，反應式如下：

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

2、陽(yáng)極欠氣導致反極的機理

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

陽(yáng)極整體缺氣時(shí)，優(yōu)先發(fā)生水電解，當陽(yáng)極可利用的水或者OER催化劑活性降低時(shí)，碳腐蝕反應會(huì )顯著(zhù)加速以維持電池的電荷平衡，陽(yáng)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)碳腐蝕相對緩慢可忽略不計，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(yáng)極電勢的變化，陽(yáng)極氣體由氫氣更改為氮氣后，保持電池輸出電流不變。隨著(zhù)電池內部氫氣逐步消耗，陽(yáng)極電勢不斷升高，電池電壓逐漸降低，水開(kāi)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，對應的陽(yáng)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(jìn)入碳腐蝕平臺。陽(yáng)極的高電勢會(huì )引發(fā)陽(yáng)極其他組件的氧化反應，例如離聚物，反極過(guò)程會(huì )有大量的水被消耗，電解質(zhì)會(huì )顯著(zhù)脫水，會(huì )產(chǎn)生比較大的離子電阻和歐姆熱，反應產(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，電堆極高的電勢差有可能會(huì )擊穿膜電極，造成短路。

— 02 —

抗反極測試流程

根據此測試過(guò)程，膜電極能在較短時(shí)間里測試出反極時(shí)長(cháng)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(yáng)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后續的電池發(fā)電造成較大的衰減。

總結：

從電池反極的原因和機理為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析反極前后的1.8A/cm?的電位衰減情況和電阻變化來(lái)衡量電池的抗反極性能，從而輔助膜電極陽(yáng)極材料研發(fā)，所以抗反極測試在保證電池的高效安全穩定的長(cháng)久運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)。