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在实际运行过程中，电池中有电流通过时，电极电位会偏离平衡电位，这种现象称作电极极化。电压（ V ）与电流（ I ）或电流密度的关系图称为极化曲线，即 I-V 曲线。典型的质子交换膜燃料电池的电压-电流密度极化曲线如图3-2所示。
极化是电池由静态（ i =0）转入工作状态（ i ＞0）所产生的电池电压、电极电位的变化。而电压与电流的乘积等于功率，再乘以电池运行时间即是输出电能，所以极化表示电池由静止状态转入工作状态能量损失的大小。要做到这一点，必须研究极化产生的原因。
图3-2 质子交换膜燃料电池电压-电流密度极化曲线
极化主要包括 [1] ：活化极化、欧姆极化、浓差极化。考虑这些电位电池的工作电压 V 为：
式中， E ocv 是电池的开路电压； η act 是活化过电位； η ohm 是欧姆过电位； η con 是浓差过电位。
1）活化极化是由电极表面的反应动力学过程较缓慢而引起的电压降，即活化过电位（ η act ）。可通过提高反应温度、气体背压和反应物浓度，增大电流交换密度、电极表面粗糙度和制备高催化活性催化剂等方法来加速电化学反应的动力学过程，从而减轻活化极化。
2）欧姆极化是由电池各部件之间的接触电阻、电导率和电解质中质子传输的阻力引起的电压损失，这部分的电压降即为欧姆过电位（ η ohm ）。它与电流、温度及膜中的含水量有关。而膜中的含水量与电池内的温度、反应气体的流量和压力有关，特别是反应物气体的相对湿度对膜中的含水量影响较大。可采用高质子传导率的薄电解质膜、优化膜电极的制备方法和增强电解质膜与催化层的接触面积等方法来减轻欧姆极化。
3）浓差极化主要是由反应气体扩散缓慢引起的电压降，这部分的电压降即为浓差过电位（ η con ），这种极化在阴极尤为明显。在低电流密度区，电化学反应较为缓慢，浓差极化较小，可不考虑浓差极化；在高电流密度区，电极反应产生的液态水会堵塞气体传输通道，阻止氧气传输到电极表面的催化活性位点，从而产生浓差极化。可通过增加氧气的流速或背压来增加氧气到达活性位点的速度从而降低浓差过电位。另外就是可以通过改善催化层的结构，以增强高电流密度下的传质过程。