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NEDO | 质子交换膜燃料电池抗反极测试方法
水淹、膜干、欠气和中毒是燃料电池的主要故障类型。其中，阳极欠气是电池失效的罪魁祸首之一。本文分享日本NEDO的两种燃料电池抗反极性能测试方法。
图1 欠氢测试过程电压变化(水电解耐久)
质子交换膜燃料电池在运行时，由于水淹、结冰和供气不足等因素导致氢气缺乏时，阳极将无法进行正常氢氧化反应(HOR)反应产生质子和电子，此时阳极将发生不同程度的水电解反应(OER)和碳腐蚀(COR)反应以继续提供氢质子和电子。氢气缺乏发生时，阳极电势升高并且超过阴极电势，电极电势发生反转，即为反极现象。
水电解反应式：
碳腐蚀反应式：
反极现象发生时，催化剂将发生腐蚀和团聚等现象，严重则发生质子膜烧穿后果。除优化运行条件改善阳极缺气外，使用抗反极阳极电极是一种有效方法。本文分享日本NEDO规定的两种质子交换膜燃料电池抗反极性能测试方法，一种水电解欠氢测试，另外一种为阳极电位变动欠氢测试。
图2 欠氢测试装置(水电解耐久)
首先，水电解欠氢测试装置如上图2所示，测试夹具可选用两种规格，即1cm×1cm和1cm×3cm，外部连接恒电位仪。欠氢测试中采用恒定电流0.7 A/cm2负载(充分考虑欠氢的实际场景，如低温启动)，电池温度设定40℃，阴阳极分别通入过饱和湿润的空气和氮气，阴阳极气体露点温度均为45℃。截止电压设定-2.0 V。具体反应条件如下表1所示。欠氢测试前后测试评价项有电化学活性面积(CV)、阳极过电压(氢泵法)、催化层内阻(EIS)、气体传质阻力(极限电流法)、发电性能(I-V)。
表1 欠氢测试条件(水电解耐久)
以下为水电解欠氢测试的实际案例。
图3 欠氢测试案例(水电解耐久)
图4 欠氢测试案例(水电解耐久)
阳极电位变动欠氢测试装置如下图5所示，测试夹具同样可选用两种规格，即1cm×1cm和1cm×3cm，外部连接电子负载。欠氢测试中阳极电位在0.1 V和1.15 V间梯形波电压扫描循环，升降速率250 mV/s，如下图6所示。由于单节电压在小于-0.2V 时催化剂衰减加速，因此欠氢时的电压保护值即下限值可设定为-0.3 V，假设此时阴极电位为0.85 V，则阳极电位为1.15 V(0.85V+0.3=1.15)。此外，一般从检测到施加限制的时间周期约为1 s，因此设定0.1 V和1.1 5V的维持时间为1 s。
图5 欠氢测试装置(阳极电位变动耐久)
图6 欠氢测试阳极电位循环(阳极电位变动耐久)
电池温度设定40℃，阴阳极分别通入过饱和湿润的氮气和氢气，阴阳极气体露点温度均为45℃。具体反应条件如下表2所示。欠氢测试前后测试评价项有电化学活性面积(CV)、阳极过电压(氢泵法)、催化层内阻(EIS)、气体传质阻力(极限电流法)、发电性能(I-V)。耐久测试可以考虑面向15年寿命的1200次循环次数(80次/年×15年)。
表2 欠氢测试条件(阳极电位变动耐久)
以下为阳极电位变动欠氢测试的实际案例。
图7 欠氢测试案例(阳极电位变动耐久)
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