关于燃料电池的“反极”，看这个就够了

正常情况下，燃料电池的阳极发生氢氧化反应，氢气失去电子变成质子；阴极发生氧还原反应，氧气得到电子被还原与氢质子生成水。

对于外电路来说，电子从阳极到阴极，这样阳极侧的电势就低于阴极侧。电流与电子的移动相反，也就是说，燃料电池的阳极是负极，阴极是正极。

问题一：阳极不应该匹配正极，阴极不应该匹配负极吗？燃料电池是不是矛盾了？    

阴极、阳极是根据氧化还原反应来命名的；正极、负极是根据电流方向命名的。  

在研究电池材料方面的文献中一般用阴极和阳极表示；在电路方面一般使用正极和负极。  

所以，对于燃料电池来说，这个问题不矛盾。

整明白燃料电池正常的运行，那么反极就好理解了，当出现了阳极的电势反而高于阴极电势时，我们将这种现象称为所谓的“反极”。  

问题二：为什么会发生反极？    

燃料电池是依靠向电堆输送氢气和氧气来发电的，氢气要从氢源通过管道输送到电堆入口，再进入电堆的流道中，然后在流道中通过扩散层扩散到催化层，在催化层遇上了催化剂进行反应。没有氢气燃料电池就发不出电，如果氢气在上述过程中遇到了比较大的阻碍，出现了如启停、快速变载、杂质堵塞气体传输通道、水淹等现象会导致阳极一侧氢气供给不足，或者是氢气的用量突然变大也变相导致供给不足，正常的反应无法进行，使得阳极电势逐渐高于阴极电势。

阴极和阳极都有可能出现反极现象，通常阳极反极的概率更高。

阴极反极时：

阳极反极时：

反应初期，阳极催化层中的水会发生电解，可逆的，一段时间后，阳极催化层中的水含量大幅下降，水电解反应无法继续，接下来就轮到催化剂中的碳载体了，会发生碳腐蚀反应，非可逆的。

碳载体的腐蚀会导致阳极催化层结构坍塌，碳载体腐蚀后，电化学活性面积下降，催化层结构的亲疏水性和孔隙率改变影响其性能，碳腐蚀反应产生的CO会毒化催化剂，进一步降低催化剂的性能。同时，反极发生时产生的大量的热会形成局部高温点，加速了质子交换膜的降解，形成孔洞，降低开路电压，严重甚至形成短路。

问题三：阳极反极时，水电解的速度是单纯的比碳腐蚀快，还是水电解之后才发生碳腐蚀反应？    

从电化学角度来说，不会按顺序发生反应，都是同时的，只是谁起主导反应而已。这个问题就可以理解为水电解就是单纯的速度快。  

但是需要了解的是，碳腐蚀反应的电位比水电解反应电位低得多，在热力学上来说，碳腐蚀反应应该优先发生；但是从动力学上来说，水电解反应要快的多，所以水电解反应优先发生。

正常氢氧化学反应的电势如下，

阴极：平衡电位1.23V，极化状态下电位0.8V；  

阳极：平衡电位0V，极化状态下电位0.2V;  

即，燃料电池正常工作电压为0.6V。  

阳极反极时的电势如下，

阴极：平衡电位1.23V，极化状态下电位0.8V；  

阳极：标准电极电位2.0V；  

即，燃料电池阳极反极时的电压为-1.2V  

如果100节单电池的电堆，有1节单电池发生了阳极反极，那么电堆的总电压就是99x0.6-1.2=58.2V  

问题四：从阳极反极的反应式可以看出，阳极依然产生电子，阴极依然得到电子，如果阴极得到的依然是阳极的电子，电流方向就是从低电势到高电势了，这个不是矛盾了吗？如果不矛盾，那么阳极的电子去哪了，阴极的电子是哪来的？    

电池反极时，可以理解为反极电池变成负载了，电流方向还是从高电势到低电势，只不过反极电池的阳极产生的电子移动到下一节电池，阴极产生的电子来自上一节电池，就是“负载”的正极接电池的正极，“负载”的负极接电池的负极。  

那么如果是单电池发电，外电路接了一个负载灯泡，这时单电池发生了反极会怎么样，这样电路就没有电了，就是单电池没有足够的氢气，就不反应了。可以理解为单电池不存在反极的现象。

问题五：在计算反极时电堆总电压的时候，是以极化下的电位来计算的，这是为什么？    

首先，我们要了解什么是极化，电极上有电流通过时，就会有净反应发生，表明电极失去了原有的平衡状态，电极电位将偏离平衡电位，这种有电流通过时电极电位偏离平衡电位的现象叫做电极的极化。  

产生极化作用的原因，主要有两个：一个是由于电极上的电化学反应速度小于电子运动速度而造成的，由此引起的极化叫做电化学极化．另一个是由于电解质的离子扩散速度小于电子运动速度而造成的，由此引起的极化叫做浓度差极化。可以理解为，电流流出端的电极（阴极）表面积积累过量的电子，就是电子来的太快，还没来得及消耗，电极电位就逐渐变小；电流流入端（阳极）则相反。  

一般情况是，当电流密度较小时，以电化学极化为主，而在高电流密度下，浓差极化则占主要的地位。  

正常工作情况下，就会发生极化，所以工作电压就会按照极化状态下的电位计算。这也解释了之前谈到过的问题，理论电压及效率很高，但实际状态下就会很低。所谓的“损耗”就是各种极化造成的。  

这里还有个极化没谈到，就是欧姆极化，欧姆极化是由于电解质、电极材料以及导电材料之间存在的接触电阻所引起的极化。它同样会对燃料电池产生损耗。

碳腐蚀反应是不可逆的，多次反极会对电池造成严重伤害。对于燃料电池堆这样多节堆叠的串联结构来讲，反极就会造成电池堆的木桶短板效应。

抗反极方法：  

1.系统控制上减少反极持续时间。  

2.在MEA催化剂中增加抗反极涂层，如添加IrO2，可以促进水电解，一定程度上起到抑制碳腐蚀的作用。  

以上内容就是我关于反极的学习内容及思考，讲的不一定都对，分享仅供参考。