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干货丨PEM燃料电池抗反极能力的影响因素

2024-09-24 17:18:47·  来源：特嗨氢能检测  
　

PEM燃料电池的反极过程可分为水电解和碳腐蚀两个阶段（如图1所示），各阶段的主要反应如下：

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图1 反极过程中电压与反极时间示意

水电解平台时间是评价PEM燃料电池抗反极能力最重要的指标，水电解平台时间越长代表着PEM燃料电池的抗反极能力越好。本文将结合反极过程的两大主角，水电解反应和碳腐蚀反应，来介绍抗反极能力的四项影响因素。

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图2 抗反极能力影响因素

— 01 —

水电解催化剂

① 水电解催化剂活性

水电解催化剂可以降低氧析出反应的活化能，有效地延长水电解平台的时间。常见的水电解催化剂活性为RuO2–IrO2>RuO2–TiO2 >RuO2> IrO2，其中IrO2在酸性电解质中具有高效的催化活性及稳定性，在PEM燃料电池阳极抗反极材料中得到了广泛应用。

② 水电解催化剂利用率

水电解催化剂的空间利用率越高、分散性越好，水电解反应速率就越快，进而可以更好地延长水电解平台的时间。

③ 水电解催化剂载量

提高水电解催化剂载量，可以增强反极过程中水电解反应速率，降低碳腐蚀速率，显著增强抗反极能力，但是过高的催化剂载量会增加膜电极的成本。

— 02 —

电池温度

电池温度越低水电解平台时间越长，随着电池温度的升高碳腐蚀反应速率和水电解反应速率都会加速。而在反极过程中电池温度的升高会使碳腐蚀反应速率增加，水电解反应速率反而减小。因为碳腐蚀反应和水电解反应电流密度的总量保持不变，而碳腐蚀反应速率随温度升高变化更加明显，所以水电解反应速率减小。

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图3 温度对水电解反应和碳腐蚀反应电流密度的影响

随温度的升高，反极过程中水电解平台电位逐渐降低，但下降的幅度不大，其电势降低会引起碳腐蚀速率的降低，但总的来说温度升高碳腐蚀速率增加占主导，所以温度越高水电解平台时间越短。

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图4 不同温度下抗反极测试结果

— 03 —

阳极催化层

① 催化层保水能力

阳极催化层缺少氢气时优先发生水电解反应，适当提高阳极催化层的水含量有利于延长水电解平台时间。

② 催化层碳载体

在添加水电解催化剂的前提下，选用石墨化程度更高，临界腐蚀动力学电位＞1.6V的碳载体，能明显延长膜电极的水电解平台时间。

— 04 —

电流密度

反极过程中阳极中的水和催化剂碳载体被氧化同时释放电子和质子，以维持整个电化学系统的电荷平衡。目前燃料电池额定工作电流密度一般都大于1000mA/cm²，而常规反极测试大多在200mA/cm²电流密度下执行。当在更高电流密度下发生反极时水电解反应和碳腐蚀反应速率将更高，随着电流密度的增加碳腐蚀电流密度逐渐增大，而水电解平台时间则逐渐缩短，即高电流密度下燃料电池的抗反极能力会大大减弱。

以上是燃料电池抗反极能力的四项影响因素的原理解释及其作用机理，希望以此文能够帮助更多同仁了解燃料电池衰退机制中反极的各项影响因素，以开发出更具优势的产品，欢迎行业伙伴一起交流一起成长！

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