干货丨PEM燃料电池抗反极能力的影响因素

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。

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。

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。

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。

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。

图4 不同温度下抗反极测试结果

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。

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。

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。