PEM燃料電池的反極過程可分為水電解和碳腐蝕兩個階段(如圖1所示),各階段的主要反應如下:
圖1 反極過程中電壓與反極時間示意
水電解平臺時間是評價PEM燃料電池抗反極能力最重要的指標,水電解平臺時間越長代表著PEM燃料電池的抗反極能力越好。本文將結合反極過程的兩大主角,水電解反應和碳腐蝕反應,來介紹抗反極能力的四項影響因素。
圖2 抗反極能力影響因素
水電解催化劑可以降低氧析出反應的活化能,有效地延長水電解平臺的時間。常見的水電解催化劑活性為RuO2–IrO2>RuO2–TiO2 >RuO2> IrO2,其中IrO2在酸性電解質中具有高效的催化活性及穩定性,在PEM燃料電池陽極抗反極材料中得到了廣泛應用。
水電解催化劑的空間利用率越高、分散性越好,水電解反應速率就越快,進而可以更好地延長水電解平臺的時間。
提高水電解催化劑載量,可以增強反極過程中水電解反應速率,降低碳腐蝕速率,顯著增強抗反極能力,但是過高的催化劑載量會增加膜電極的成本。
電池溫度越低水電解平臺時間越長,隨著電池溫度的升高碳腐蝕反應速率和水電解反應速率都會加速。而在反極過程中電池溫度的升高會使碳腐蝕反應速率增加,水電解反應速率反而減小。因為碳腐蝕反應和水電解反應電流密度的總量保持不變,而碳腐蝕反應速率隨溫度升高變化更加明顯,所以水電解反應速率減小。
圖3 溫度對水電解反應和碳腐蝕反應電流密度的影響
隨溫度的升高,反極過程中水電解平臺電位逐漸降低,但下降的幅度不大,其電勢降低會引起碳腐蝕速率的降低,但總的來說溫度升高碳腐蝕速率增加占主導,所以溫度越高水電解平臺時間越短。
圖4 不同溫度下抗反極測試結果
陽極催化層缺少氫氣時優先發生水電解反應,適當提高陽極催化層的水含量有利于延長水電解平臺時間。
在添加水電解催化劑的前提下,選用石墨化程度更高,臨界腐蝕動力學電位>1.6V的碳載體,能明顯延長膜電極的水電解平臺時間。
反極過程中陽極中的水和催化劑碳載體被氧化同時釋放電子和質子,以維持整個電化學系統的電荷平衡。目前燃料電池額定工作電流密度一般都大于1000mA/cm2,而常規反極測試大多在200mA/cm2電流密度下執行。當在更高電流密度下發生反極時水電解反應和碳腐蝕反應速率將更高,隨著電流密度的增加碳腐蝕電流密度逐漸增大,而水電解平臺時間則逐漸縮短,即高電流密度下燃料電池的抗反極能力會大大減弱。
以上是燃料電池抗反極能力的四項影響因素的原理解釋及其作用機理,希望以此文能夠幫助更多同仁了解燃料電池衰退機制中反極的各項影響因素,以開發出更具優勢的產品,歡迎行業伙伴一起交流一起成長!
原文始發于微信公眾號(特嗨氫能檢測):干貨丨PEM燃料電池抗反極能力的影響因素