GB/T 20042.5-2024 质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法

　　ICS 27. 070 CCS K 82

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 20042.5—2024代替 GB/T20042.5—2009

　　质子交换膜燃料电池

　　第 5 部分:膜电极测试方法

　　Proton exchangemembrane fuelcell—

　　Part5: Testmethod formembraneelectrodeassembly

　　2024-12-31发布 2025-07-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 20042.5—2024

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅴ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 通则 2

　　5 厚度测试 2

　　6 铂族金属担载量测试 4

　　7 极化曲线测试 5

　　8 透氢电流密度测试与绝缘电阻测试 8

　　9 电化学活性面积测试 10

　　10 阴极氧还原反应(ORR)活性测试 12

　　11 欧姆极化测试 13

　　12 膜电极分项老化测试 15

　　13 阳极氢氧化反应(HOR)极化测试 20

　　14 膜电极阳极抗反极测试 21

　　15 气体杂质耐受试验 23

　　16 膜电极耐久性测试 24

　　附录 A (资料性) 质子交换膜燃料电池测试装置 26

　　附录 B (资料性) 单电池部件组装位置关系 27

　　附录 C (资料性) 流场板 28

　　附录 D (资料性) 膜电极单电池极化曲线参考操作条件 30

　　附录 E (资料性) 膜电极耐久评价动态工况 31

　　参考文献 44

　　Ⅰ

　　GB/T 20042.5—2024

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件是 GB/T 20042《质子交换膜燃料电池》的第 5部分 。GB/T 20042已经发布了以下部分 :

　　— 第 1部分 :术语 ;

　　— 第 2部分 : 电池堆通用技术条件 ;

　　— 第 3部分 :质子交换膜测试方法 ;

　　— 第 4部分 : 电催化剂测试方法 ;

　　— 第 5部分 :膜电极测试方法 ;

　　— 第 6部分 :双极板特性测试方法 ;

　　— 第 7部分 :炭纸特性测试方法 。

　　本文件 代 替 GB/T 20042. 5—2009《质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 第 5 部 分 : 膜 电 极 测 试 方 法》, 与GB/T 20042. 5—2009相比 ,除结构调整和编辑性改动外 ,主要技术变化如下 :

　　— 更改了术语 “Pt担 载 量 ”为 “铂 族 金 属 担 载 量 ”, “电 化 学 活 性 比 表 面 积 ”为 “电 化 学 活 性 面积 ”,并更改了定义(见 3. 1 和 3. 2,2009年版的 3. 1 和 3. 2) ;

　　— 增加了 “密封件”“额定电流密度”“衰减比率”“反极 ”及 “抗反极 ”的术语和定义(见 3. 3~ 3. 7) ;

　　— 删除了 “反应气体化学计量比”“透氢电流密度”“燃料电池内阻”“活化极化过电位 ”“欧姆极化过电位 ”及“反应电阻 ”的术语和定义(见 2009年版的 3. 2、3. 3、3. 5、3. 6、3. 7、3. 8) ;

　　— 增加了 “通则 ”(见第 4章) ;

　　— 更改了 “厚度均匀性测试 ”为 “厚度测试 ”(见第 5 章 ,2009年版的第 4章) ;

　　— 更改了“Pt担载量测试 ”为 “铂族金属担载量测试 ”(见第 6章 ,2009年版的第 5 章) ;

　　— 更改了 “单电池极化曲线测试 ”为 “极化曲线测试 ”(见第 7 章及附录 A~ 附录 D, 2009年版的第 6章) ;

　　— 更改了 “透氢电流密度测试 ”为 “透氢电流密度测试与绝缘电阻测试 ”(见第 8 章 ,2009年版的第 7章) ;

　　— 更改了 “电化学活性面积测试 ”(见第 9章 ,2009年版的第 9章) ;

　　— 更改了“活化极化过电位与欧姆极化测试”为 “欧姆极化测试”(见第 11章 ,2009年版的第 8章) ;

　　— 增加了 “阴极氧还原反应(ORR)活性测试”“膜电极分项老化测试 ”“膜电极机械与化学稳定性耦合测试”“膜电极阳极抗反极测试”“气体杂质耐受试验 ”和 “膜电极耐久性测试 ”(见第 10章 、第 12章 、第 13章 、第 14章 、第 15章 、第 16章和附录 E) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国电器工业协会提出 。

　　本文件由全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC342)归 口 。

　　本文件起草单位 :上海捷氢科技股份有限公司 、中国科学院大连化学物理研究所 、武汉理工大学 、同济大学 、华北电力大学 、南京大学 、机械工业北京电工技术经济研究所 、中国质量认证中心有限公司 、中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司 、新源动力股份有限公司 、上海神力科技有限公司 、武汉理工氢电科技有限公司 、无锡威孚高科技集团股份有限公司 、鸿基创能科技(广州) 有限公司 、上海唐锋能源科技有限公司 、上海亿氢科技有限公司 、中国汽车工程研究院股份有限公司 、特嗨氢能检测(保定) 有限公司 、新研氢能源科技有限公司 、上海韵量新能源科技有限公司 、国鸿氢能科技(嘉兴)股份有限公司 、

　　Ⅲ

　　GB/T 20042.5—2024

　　上海智能新能源汽车科创功能平台有限公司 、山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 、襄阳达安汽车检测中心有限公司 、佛山仙湖实验室 、北京科技大学 、浙江天能氢能源科技有限公司 、江苏科润膜材料有限公司 、浙江海盐力源环保科技股份有限公司 、山东同有新材料科技有限公司 。

　　本文件主要起草人 :刘佳 、戴海峰 、俞红梅 、潘牧 、陈沛 、刘建国 、张亮 、邢丹敏 、姚颖方 、郝冬 、宋微 、王刚 、王睿迪 、李笑晖 、田明星 、张义煌 、杨彦博 、唐军柯 、朱凤鹃 、王海波 、毛占鑫 、段志洁 、齐志刚 、孟凡 、邸志岗 、侯中军 、赵钢 、唐富民 、潘凤文 、唐浩林 、王丹 、陈东方 、刁力鹏 、曹寅亮 、杨大伟 、侯俊波 、汪勇 。

　　本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为 :

　　— 2009年首次发布为 GB/T 20042. 5—2009;

　　— 本次为第一次修订 。

　　Ⅳ

　　GB/T 20042.5—2024

　　引 言

　　鉴于质子交换膜燃 料 电 池 技 术 发 展 , 为 服 务 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 电 系 统 上 下 游 制 造 商 及 其 用户 ,GB/T 20042提供了统一的术语及定义 ,并针对质子交换膜燃料电池堆及其关键零部件提供了统 一的试验方法 。

　　GB/T 20042《质子交换膜燃料电池》拟由以下七个部分构成 。

　　— 第 1部分 :术语 。 目的是界定质子交换膜燃料电池技术及其应用领域内使用的术语和定义 。

　　— 第 2部分 : 电池堆通用技术条件 。 目的是给出质子交换膜燃料电池堆的通用技术要求 、试验方法 、检验规则等内容 。

　　— 第 3部分 :质子交换膜测试方法 。 目的是给出质子交换膜燃料电池中质子交换膜厚度均匀性 、质子传导率等测试方法 。

　　— 第 4部分 : 电催化剂测试方法 。 目的是给出质子交换膜燃料电池电催化剂铂含量 、电化学活性面积等测试方法 。

　　— 第 5部分 :膜电极测试方法 。 目的是给出质子交换膜燃料电池膜电极厚度均匀性 、铂族金属担载量等测试方法 。

　　— 第 6部分 :双极板特性测试方法 。 目的是给出质子交换膜燃料电池双极板气体致密性 、抗弯强度 、密度等测试方法 。

　　— 第 7部分 :炭纸特性测试方法 。 目的是给出质子交换膜燃料电池炭纸厚度均匀性 、电阻 、机械强度等测试方法 。

　　Ⅴ

　　GB/T 20042.5—2024

　　质子交换膜燃料电池

　　第 5 部分:膜电极测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了质子交换膜燃料电池膜电极的厚度均匀性测试 、铂族金属担载量测试 、极化曲线测试 、透氢电流密度测试与绝缘电阻测试 、电化学活性面积测试 、氧还原反应活性测试 、欧姆极化测试 、膜电极分项老化测试 、阳极氢氧化反应极化测试 、膜电极阳极抗反极测试 、杂质耐受性测试 、膜电极耐久性测试的方法 。

　　本文件适用于质子交换膜燃料电池膜电极的检测 ,其他聚合物电解质燃料电池参照执行 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB 3095—2012 环境空气质量标准

　　GB/T 6682—2008 分析实验室用水规格和试验方法

　　GB/T 8979 纯氮 、高纯氮和超纯氮

　　GB/T 14599 纯氧 、高纯氧和超纯氧

　　GB/T 20042. 1—2017 质子交换膜燃料电池 第 1部分 :术语

　　GB/T

　　28816—2020 燃料电池 术语

　　GB/T

　　28817—2022 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法

　　GB/T

　　31886. 1—2015 反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法

　　第

　　1 部分 : 空

　　气中杂质GB/T

　　31886. 2—2015 反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法

　　第

　　2 部分 :氢

　　气中杂质GB/T

　　34872—2017 质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求

　　GB/T

　　37244—2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气

　　3 术语和定义

　　GB/T 20042. 1—2017、GB/T 28816—2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　铂族金属担载量 Ptgroup metalloading

　　燃料电池(电极)单位活性面积铂族金属的质量 。

　　注 1: 为单独阳极或单独阴极铂族金属担载量 ,或者阳极和阴极铂族金属担载量的总和 ;

　　注 2: Pt族金属包括 :铂(Pt) 、钯(Pd) 、锇(Os) 、铱(Ir) 、钌(Ru)和铑(Rh)等元素 。

　　1

　　GB/T 20042.5—2024

　　3.2

　　电化学活性面积 electrochemicalactivesurfacearea;ECSA

　　用电化学方法测试膜电极内单位质量铂族金属催化剂参与电化学反应的表面面积 。

　　注 : 膜电极的 ECSA与质子交换膜燃料电池(PEMFC)电催化剂活性 、电极结构等因素有关 。

　　[来源 :GB/T 20042. 1—2017,3. 1. 6,有修改] 3.3

　　密封件 gasket

　　通过施加压紧力实现压缩变形而具备密封功能的部件 。

　　3.4

　　额定电流密度 rated currentdensity

　　Ie

　　由制造商规定的膜电极持续工作时的最大电流除以有效面积 。

　　3.5

　　衰减比率 decay ratio

　　膜电极经过一定时间运行后可测特征参量的变化量与初始量的比值 。

　　3.6

　　反极 voltagereversal

　　燃料电池运行时阳极的电势高于阴极电势的现象 。

　　注 1: 反极由多种原因引起 。 阳极反极是因阳极氢气供应量小于电化学反应消耗量的情况导致 。在这种情况下 ,膜电极阳极会因反极发生严重腐蚀 , 出现性能显著衰减甚至失效 。

　　注 2: 评价阳极抗反极能力时 ,通常模拟阳极欠气的反应过程 ,膜电极在出现严重腐蚀(例如碳载体氧化等) 之前 ,膜电极所经历无损或者低损的反极过程的时长(视作抗反极时长) 。

　　3.7

　　抗反极 antivoltagereversal

　　在发生反极时 ,通过保护措施减缓膜电极因反极而腐蚀损坏的做法 。

　　4 通则

　　除非特殊注明 , 以下各项测试中使用的氢气应符合 GB/T 37244—2018或 GB/T 34872—2017 的要求 。 以下各项测试中使用的空气应符合 GB 3095—2012 中一级空气的要求 , 或按照 GB/T 8979及GB/T 14599的规定 ,使用氧气(纯度 ≥99. 99%)和氮气(纯度 ≥99. 99%)配制比例为 21. 0%及 79. 0%的标准空气 。

　　本文件所涉及的测试项目中 ,膜电极性能的基本测试项目包括膜电极厚度均匀性测试 、铂族金属担载量测试 、极化曲线测试 、透氢电流密度测试与绝缘电阻测试 、电化学活性面积测试 、欧姆极化测试等 ;需要区分膜电极阴极 、阳极反应活性的测试项目包括氧还原反应活性测试 、阳极氢氧化反应极化测试 ;对膜电极的稳定性评估可优先采用膜电极分项老化测试 ,针对相应的场景应用可选做膜电极耐久性测试 、膜电极阳极抗反极测试和杂质耐受性测试 。

　　5 厚度测试

　　5. 1 概述

　　本章规定的膜电极厚度测试的方法 ,特指膜电极活性区厚度测试 。

　　2

　　GB/T 20042.5—2024

　　5.2 测试仪器

　　测厚仪 :准确度不低于 0. 001 mm。

　　5.3 样品制备

　　样品有效面积不小于 25 cm2 。

　　样品应无折皱 、缺陷和破损 。

　　5.4 测试方法

　　在温度 23 ℃ ±2 ℃ 、相对湿度(50±5) %条件下 ,静置不少于 4 h。

　　校准测试仪的零点,再进行测试 。

　　初始厚度测试 :测量头与样品的接触面积为 200 mm2 ,测试过程测试头施加在样品表面的压强为25 kPa。样品测试点不少于 9个 ,且测试点均匀分布 ,避免已受压位置重复施压情况出现 ,测试点距离样品边缘应大于 5 mm。

　　压缩厚度测试 :测量头与样品的接触面积为 200 mm2 ,测试过程测试头施加在样品表面的压强为供方或使用方需求的压强 。样品测试点不少于 9个 ,且测试点均匀分布 ,避免已受压位置重复施压情况出现 ,测试点距离样品边缘应大于 5 mm。

　　5.5 数据处理

　　5.5. 1 最大值与最小值之差按照公式(1)进行计算 。

　　Δd=dmax -dmin ……………………( 1 )

　　式中 :

　　Δd — 膜电极的厚度最大值与最小值之差 ,单位为微米(μm) ;

　　dmax — 膜电极的厚度最大值 ,单位为微米(μm) ;

　　dmin — 膜电极的厚度最小值 ,单位为微米(μm) 。

　　5.5.2 平均厚度按照公式(2)进行计算 。

　　d di/n ……………………( 2 )

　　式中 :

　　d — 膜电极的平均厚度 ,单位为微米(μm) ;

　　di — 某一点膜电极的厚度测量值 ,单位为微米(μm) ;

　　n — 测量数据点数 。

　　5.5.3 最大厚度相对偏差按照公式(3)进行计算 。

　　S =|dm - d | /d× 100% ……………………( 3 )

　　式中 :

　　S — 膜电极的最大厚度相对偏差 ,基于膜电极的厚度最大值或者最小值计算 ;

　　dm — 膜电极的厚度最大值或者最小值 ,单位为微米(μm) ;

　　d — 膜电极的平均厚度 ,单位为微米(μm) 。

　　注 : 所处理的数据需要区分标注初始厚度和压缩厚度测试 。

　　3

　　GB/T 20042.5—2024

　　6 铂族金属担载量测试

　　6. 1 测试仪器和设备

　　测试仪器和设备如下 :

　　— 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES) ,可用于被测金属含量 ≥20μg/L;

　　— 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) ,可用于被测金属含量<20μg/L;

　　— 游标卡尺 :测量范围 0 mm~ 200 mm ,准确度不低于 0. 02 mm;

　　— 容量瓶 :B级 ;

　　— 马弗炉或其他可加热至 1 000 ℃的设备 ;

　　— 具盖刚玉坩锅 。

　　6.2 测试方法

　　6.2. 1 试剂和材料

　　试剂和材料如下 :

　　— 浓硫酸(98%) ,优级纯 ;

　　— 浓盐酸(37%) ,优级纯 ;

　　— 浓硝酸(68%) ,优级纯 ;

　　— 分析实验室用一级水(GB/T 6682—2008, 电导率 ≤0. 1 μS/cm ,简称“分析一级水 ”) ;

　　— 30%双氧水 ,优级纯 ;

　　— 各铂族金属标准液 ,优级纯 。

　　6.2.2 待测样品处理

　　待测样品按照下列步骤处理 。

　　a) 状态调节

　　从膜电极组件(MEA)或催化剂涂层膜(CCM)样品上取不小于 20 cm2 的电极活性(有效)面积区域 ,在 23 ℃ ±2 ℃ ,相对湿度(50±5) %条件下 ,静置不少于 4 h。

　　b) 制样

　　用游标卡尺准确测量待测区域长度和宽度后 ,将其剪碎放入刚玉坩埚中 。

　　c) 样品氧化灰化

　　将装有样品的具盖坩埚放入马弗炉 ,设置升温速率为 10 ℃/min,先在 400 ℃ ~ 500 ℃的空气氛围中氧化碳化 6 h,再升温至 900 ℃ ~ 950 ℃进行氧化灰化 12 h后 ,冷却到室温 。

　　d) 样品硝化

　　将经过氧化灰化后的样品用分析一级水润湿后 ,沿坩埚壁缓慢加入 5 mL~ 12mL浓硫酸和浓硝酸混合液 。其中 ,浓硫 酸 与 浓 硝 酸 体 积 比 为 1 ∶ 3。 80 ℃加 热 硝 化 , 当 酸 体 积 浓 缩 到 一 半后 ,再加入适量的浓硫酸和 浓 硝 酸 和 0. 2 mL~ 0. 6 mL 的 30%的 双 氧 水 , 继 续 80 ℃加 热 硝化 ,如此循环往复 ,直至溶液接近透明 ,没有悬浮物为止 。

　　e) 样品溶解

　　样品充分硝化后 ,再沿坩埚壁加入适量新配制的王水 ,80 ℃加热直到样品溶液完全澄清透明为止 。

　　f) 测试样配制

　　4

　　GB/T 20042.5—2024

　　将上述样品完全转移至适量容积的容量瓶中 ,用分析一级水定容作为测试样的初始体积 ,测试时取适量该溶液按一定比例稀释到测试需要的浓度 。

　　注 : 上述消解方法对金属铱的检查误差较大 ,针对铱元素消解方法见 GB/T 36593—2018中 6. 4. 1。

　　6.2.3 标准曲线的绘制

　　催化剂中各金属成分含量存在数量级差异 ,应选择适合该含量等级对应检测范围的 ICP-OES或者ICP-MS(以下统称 ICP)的仪器方法 ,对铂族金属标准溶液以及催化剂中非铂族贵金属的标准溶液进行光谱分析 ,绘制铂族金属和非铂族贵金属的标准曲线 。

　　6.2.4 测试样中金属浓度分析

　　用 ICP分析待测样品中铂族金属的浓度和非铂族贵金属的浓度 。

　　6.2.5 数据处理

　　6.2.5. 1 铂族金属担载量计算

　　按照公式(4)计算膜电极中的单一铂族金属元素担载量 :

　　LPGM =n × CPGM ×V/SMEA ……………………( 4 )

　　式中 :

　　LPGM — 膜电极中铂族的担载量 ,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2 ) ;

　　n — 将测试样配制为 ICP分析用溶液的稀释倍数 ;

　　CPGM —ICP测得溶液中的铂族金属浓度 ,单位为毫克每升(mg/L) ;

　　V — 配制的测试样初始体积 ,单位为升(L) ;

　　SMEA — 膜电极的有效面积 ,单位为平方厘米(cm2 ) 。

　　如果催化剂中含有多种铂族金属元素 ,将基于公式(4)计算出的各单一铂族金属元素含量加和 , 即为总铂族金属载量 。

　　6.2.5.2 非铂族贵金属担载量计算

　　非铂族贵金属元素担载量可参考公式(4)进行计算 。

　　7 极化曲线测试

　　7. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图见附录 A 的图 A. 1。

　　反应气体经减压后 , 由 质 量 流 量 计 控 制 入 口 流 量 , 经 各 自 增 湿 罐 后 进 入 单 电 池 , 电 化 学 反 应 产 物(水)随着尾气进入气水分离器与尾气分离后分别排放 。单电池和两个增湿罐的温度分别由 自动控制温度仪控制 ,也可根据使用干气条件选择不通过增湿罐 ,外电路系统通过连接电子负载控制电流的输出 。

　　电流控制 :分辨率不低于 1 mA,准确度不低于 ±0. 1%FS, 电流采集频率不低于 2 Hz。

　　电压 :量程 -2V~ 2 V,准确度不低于 1 mV,调节响应 ≤100 ms,电压采集频率不低于 2 Hz。

　　氢气质量流量控制器 :准确度不低于 ±1%FS。

　　空气/氧气质量流量控制器 :准确度不低于 ±1%FS。

　　单电池加热控制 :准确度不低于 ±1 ℃ 。

　　露点温度 :准确度不低于 ±1 ℃ 。

　　5

　　GB/T 20042.5—2024

　　压力 :准确度不低于 ±3. 5 kPa。

　　7.2 样品的制备

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　7.3 单电池组装

　　7.3. 1 单电池结构

　　通常包含以下组件(单电池结构装配关系见附录 B) :

　　a) 一片膜电极组件 ;

　　b) 密封件 ;

　　c) 一块阳极侧的流场板和一块阴极侧的流场板(见附录 C) ;

　　d) 一块阳极侧的集流板和一块阴极侧的集流板 ;

　　e) 一块阳极侧的端板和一块阴极侧的端板 ;

　　f) 电绝缘片 ;

　　g) 螺栓 、螺母 、垫圈等 ;

　　h) 温度控制组件 、加热组件与热电偶等 。

　　7.3.2 单电池组装

　　单电池组装按顺序将端板 、电绝缘片 、集流板 、流场板 、密封件 、MEA、密封件 、流场板 、集流板 、电绝缘片 、端板进行组装(见附录 B 的 B. 1) 。若采用螺栓紧固型夹具 ,螺栓的紧固顺序见 B. 2 所示数字标注的顺序 ,使用紧固螺栓 、螺母以及扭矩扳手对单电池进行夹紧处理 。

　　单电池组装程序对单电池性能的可重复性有明显影响 ,下列组装操作中的一些特定过程应以文件记录下来 :

　　a) 一侧密封件/密封的材料 、尺寸及安装 ;

　　b) MEA放置定位 ,包括阳极侧和阴极侧确认 ;

　　c) 另外一侧密封件/密封的材料 、尺寸及安装 ;

　　d) 加压按照规定气体扩散层的压缩率或者组装力 ,做螺栓紧固 ;

　　注 : 装配气体扩散层的压缩率和组装力 ,基于需求进 行 设 定 。 能 通 过 压 敏 纸 或 压 力 毯 等 压 力 检 测 工 具 检 查 气 体 扩散层的受力情况 。

　　e) 装配后 ,应检查同侧端板和集流体板之间的绝缘性 。

　　7.4 单电池试漏

　　7.4. 1 概述

　　在单电池试漏前确保单电池密封良好 ,7. 4. 2 和 7. 4. 3 为两种可选的参考方法 。

　　7.4.2 湿式浸水法

　　将单电池两侧气路入口连接进气 ,接入空气或者氮气 ;两侧气路出 口均连接压力表 ,将两侧气路尾端的气路开关闭合 。两侧气路入口气体加压(入气压力波动性范围± 10 kPa) , 控制出 口压力(绝对压力)数值比单电池测试工况中用到的最大压力值高 50 kPa。待气体压力稳定后 ,将单电池完全浸没于水中 ,或者将检漏液涂敷到密封区边缘 , 目测是否有气泡冒出 。如存在显著漏气时 ,应检查和处理单电池密封 ,直至再次浸水检测确认无外漏 。

　　6

　　GB/T 20042.5—2024

　　注 : 在湿式浸水法测试前 ,先对进出口转接位置 、管路漏气进行检漏测试 。

　　7.4.3 压差试漏法

　　将单电池两侧气路入口连接进气 ,接入空气或者氮气 ;两侧气路出 口均连接压力表 ,将两侧气路尾端的气路开关闭合(见图 1) 。两侧气路气体加压(要求进气压力波动性范围在 ±10 kPa内) ,控制出 口压力 ,其中一侧设置单池测试工况中用到的最大压力值 、另一侧单池测试工况中用到的最大压力值加50 kPa,停止进气后保持 10 min。记录两侧压力值随时间变化情况 。如果单侧压力或两侧压差变化超过一定阈值(由膜电极材料特性和单电池组装确定) ,可判断为单池出现内漏或者外漏 ,需要检查密封 、处置 ,直至确认无泄漏 。

　　注 1: 测试过程中 ,需要排除测试平台气体进出口转接位置 、管路 、测试台架的漏气的情况对试漏测试的干扰 。

　　注 2: 采用压差试漏法时 ,供气压力维持稳定 。

　　图 1 压差试漏法示意

　　7.5 单电池活化

　　单电池活化方法如下 。

　　a) 将单电池安装到质子交换膜燃料电池测试装置上 ,确保接口密封不漏气 。

　　b) 以反应气体为活化介质 ,设置单电池温度 80 ℃;气体相对湿度 100% ; 阳极通入氢气 ,气体化学计量比 2. 0;阴极侧通入空气 :气体化学计量比为 2. 0;两侧背压 :101 kPa(绝对压力) 。

　　c) 如采用恒压活化模式 ,可设置电压在 0. 6 V/0. 4 V各 10min交替进行 ,计算在 0. 6 V下的电流密度在每 5 min内的增长率 , 当该增长率低于 5 (mA/cm2 )/min,且相对上一轮 0. 6 V 的最后5 min平均电流密度差异不大于 2% ,可判定为活化结束 。

　　注 : 恒流活化也作为单电池的活化方法 。单电池的活化方法和条件根据膜电极特征选择和确定 。

　　7.6 极化曲线条件设置

　　7.6. 1 一般性条件

　　该条件为相对湿度 100%增湿 ,质子交换膜 、全氟磺酸树脂处于最佳润湿状态 ,保持催化剂最高利用率 ,可用于材料分析 、氧还原条件测试结果对比使用 。

　　阳极 :通入氢气 ,气体化学计量比为 1. 5,相对湿度 100% ,背压 150kPa(绝对压力) 。

　　7

　　GB/T 20042.5—2024

　　阴极 :通入空气 ,气体化学计量比为 2. 0,相对湿度 100% ,背压 150kPa(绝对压力) 。

　　单电池温度 :80 ℃ 。

　　注 : 气体流量最低设置为 200标准立方厘米每分(sccm) 。

　　7.6.2 其他条件

　　根据膜电极产品常用的应用场景 ,推荐了三种典型条件 :低温高湿条件(见附录 D 的 D. 1) 、高温低湿条件(见 D. 2) 、中 温 低 湿 条 件(见 D. 3) 。 根 据 膜 电 极 应 用 场 景 与 设 计 选 择 对 应 的 操 作 条 件 测 试 评估 ,或者根据需求自拟条件 。

　　注 1: 一般性测试条件之外的膜电极极化曲线测试条件(包括增湿条件 、压力 、流量以及单电池温度等) 基 于 膜 电 极特性确定 。

　　注 2: 根据膜电极实际应用情况在通用性测试条件之外选择其他条件来测试评价膜电极性能 。

　　注 3: 操作条件压力控制按目标按要求采用入口压力设置方式 。

　　7.7 试验设置

　　试验设置如下 。

　　a) 前置工况 。膜电极极化曲线测试之前 ,可根据实际应用需求 ,设置特定工况做膜电极的状态调节 ,确保极化曲线测试时膜电极状态处在需求状态下 。通常可将膜电极活化工况作为或视作前置工况 ,或者根据需要定义工况 。

　　b) 电流密度 设 置 与 电 压 值 。 在 开 路 电 压 (OCV) 状 态 下 维 持 10 s,设 置 适 当 的 电 流 密 度 的 间隔 ,例如依次设置 0. 1 A/cm2 、0. 2 A/cm2 、0. 3 A/cm2 ,依次上行 ,直至需要加载的最大电流密度 ,然后以相同电流密度间隔依次下行 , 至最低电流密度值 ; 每个电流密度点维持 10 min, 取后 5 min的电压数据的平均值为该电流密度下的电压值 。对上下行相同电流密度的电压 ,取二者平均值 。

　　c) 重复测试 。 同一样品应至少进行 2 次极化性能测试 ,在进行再次极化曲线测试之前 ,再次活化或采取必要的恢复性措施达到膜电极状态与前次测试一致 ,如果有单独自定义工况 ,再接前置工况 。所测两次极化曲线中各相同电流密度下的平均电压间的电压差值 ≤10 mV,则视为测试结果重复有效 。各电流密度与对应的两条极化曲线平均电压作图 ,得到极化曲线 。

　　7. 8 数据记录

　　按极化曲线测试中记录的电流密度 I、电压V 结果 , 以电流密度为横坐标 、电压为纵坐标 ,得到的 I- V 关系曲线(也可分别做出上下行电流密度-电压关系线) 。

　　以电流密度 I 为横坐标 、功率密度 P 为纵坐标绘制单电池功率密度 P 与电流密度的 I-P 关系曲线 。功率密度 P 按公式(5)进行计算 。

　　P =V × I ……………………( 5 )

　　式中 :

　　P — 功率密度 ,单位为瓦特每平方厘米(W/cm2 ) ;

　　V — 电压 ,单位为伏特(V) ;

　　I — 电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) 。

　　8 透氢电流密度测试与绝缘电阻测试

　　8. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　8

　　GB/T 20042.5—2024

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV; 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　8.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　8.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 将恒电位仪的工作电极导线连接到单电池阴极 ,将电极和参比电极导线连接到单电池阳极 。

　　b) 操作条件为 :

　　单电池温度为 80 ℃;阳极侧通入氢气 ,流量为 200 sccm ,相对湿度为 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ; 阴极侧通入氮气 ,流量为 200 sccm ,相对湿度为 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　用于第 10章氧还原活性测试时 ,透氢电流测试时阴阳极背压应控制在 150kPa(绝对压力) ,其他条件不变 ,按照公式(8)进行计算 。

　　c) 当 OCV低于 0. 1 V,选择恒电位仪的电压扫描模式 ,设置扫描起始点电位 0. 1 V[相对于可逆氢电极(RHE)] ,终止电位为 0. 5 V(相对于 RHE) ,扫描速率 2 mV/s。

　　8.4 数据处理

　　扫描结果示意图见图 2。得到 I-V 的曲线 ,基于 0. 4 V~ 0. 5 V 电流密度与电压曲线进行线性拟合 ,按照公式(6)进行计算 ,计算电压为零时的电流密度为透氢电流密度 ;拟合曲线的斜率的倒数为膜电极的绝缘电阻 。

　　IE + IH2-crossover ……………………( 6 )

　　式中 :

　　I — 测试电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　E — 电极电位 ,单位为伏特(V) ;

　　IH2-crossover — 透氢电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　Rins — 绝缘电阻 ,单位为欧姆平方厘米(Ω · cm2 ) 。

　　9

　　10

　　GB/T

　　

　　20042.5—2024

　　

　　图 2 透氢电流密度测试 I-E 曲线

　　9 电化学活性面积测试

　　9. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV; 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　9.2 样品的准备

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ,测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　9.3 电化学活性面积测试

　　9.3. 1 试验方法

　　电极连接 :测试电极连接恒电位仪的工作电极 ,另一电极连接参比电极和对电极 。

　　可采用下述两个方法 测 试 膜 电 极 的 电 化 学 活 性 面 积 , 其 中 氢 的 欠 电 位 吸 附 法 常 用 于 铂 金 属 催 化剂 ,一氧化碳溶出伏安法常用于其他铂族合金催化剂 。

　　a) 氢的欠电位吸附(脱附)法

　　1) 保持单电 池 在 制 造 商 建 议 的 条 件 下 进 行 测 试 。 单 电 池 温 度 宜 在 40 ℃ ~ 80 ℃之 间 选择 ,背压 101 kPa(绝对压力) ,气体相对湿度 100%增湿 。为了比较结果 ,所有条件应控制在一个固定的值 ,并记录试验条件 。

　　2) 试验开始前 ,在两个电极腔都通入氮气 , 吹扫单电池中的气体 , 至单电池电压低于 0. 1 V并稳定 。

　　3) 向参比电极通入氢气 ,流量为 200 sccm ,工作电极通入氮气 ,流量为 100 sccm , 通入至少15 min,确认电压低于 0. 10V。

　　GB/T 20042.5—2024

　　4) 在选定的氮气流速下进行伏安法测试 ,扫描电压设置为 0. 05 V~ 0. 90 V(vs. RHE) ,扫描

　　速率在 10 mV/s~ 100 mV/s范围内选定 ,获得 CV 曲线 。扫描次数不少于 5 次 。

　　注 1: 推荐以 20 mV/s条件进行测试 。

　　注 2: 选择合适的电压上下限 , 以尽量减少析氢和材料氧化的影响 。

　　注 3: 重复获得循环伏安曲线直到其变得稳定 ,并使用稳定波形来计算 ECSA。

　　注 4: 整体的伏安曲线中双电层的电容电流线与横轴应基本保持平行 ,若出现明显的不平行情况 ,说明膜 电 极 出 现了明显的短路 ,影响测试结果 ,需要更换膜电极 。

　　b) 一氧化碳溶出伏安法

　　按照 GB/T 28817—2022中 11. 5. 3. 2 b)的方法执行 。

　　9.3.2 数据处理

　　数据处理方式如下 。

　　a) 在伏安法中 ,基于选取电压在 0. 2 V~0. 5 V之间对应的双电层正向扫描电流最小值画平行于实轴的直线 ,积分双电层电流所画平行线与氢脱附峰形成封闭区间的面积(Sh ) ,如图 3 所示 。按照公式(7)计算 ECSA。

　　Sg = Sh/(v × σH × L) ……………………( 7 )

　　式中 :

　　Sg— 对铂金属催化剂 ,为每克铂金属催化剂的电化学活性面积(ECSA) ,单位为平方米每克(m2/g) ;对铂 族 金 属 催 化 剂 , 为 每 克 铂 金 属 催 化 剂 或 族 催 化 剂 的 电 化 学 活 性 面 积(ECSA) ,单位为平方米每克(m2/g) ;

　　Sh— 氢的脱附积分面积 ,单位为伏特安培(V · A) ;

　　v — 扫描速度 ,单位为伏特每秒(V/s) ;

　　σH — 单位有效面积的氢脱附电荷量 ,单位为库伦每平方米(2. 1 C/m2 ) ;

　　L — 样本的工作电极侧铂族金属总量 ,单位为克(g) 。

　　图 3 测试单电池的 ECSA得到的典型 CV 曲线

　　b) 一氧化碳溶出伏安法的数据处理按照 GB/T 28817—2022中 11. 5. 3. 2 b)的方法进行 。注 : Pt基合金催化剂 ,统一以 Pt单位有效面积的一氧化碳脱附电荷量计算比表面积 。

　　11

　　GB/T 20042.5—2024

　　10 阴极氧还原反应(ORR)活性测试

　　10. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　10.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　10.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 按第 8章进行透氢电流密度测试 。

　　b) 条件设定 :

　　1) 单电池温度设置为 80 ℃ ;

　　2) 阳 极 : 通 入 氢 气 , 当 电 流 密 度 超 过 0. 2 A/cm2 , 计 量 比 为 2. 0, 当 电 流 密 度 低 于0. 2 A/cm2 ,气体流量设为固定值 ,按照 0. 2 A/cm2 的 2. 0计量比设定 ,背压 150kPa(绝对压力) ,相对湿度 100% ;

　　3) 阴 极 : 通 入 氧 气 , 当 电 流 密 度 超 过 0. 2 A/cm2 , 计 量 比 为 9. 5, 当 电 流 密 度 低 于0. 2 A/cm2 ,气体流量设为固定值 ,按照 0. 2 A/cm2 的 9. 5计量比设定 ,背压 150kPa(绝对压力) ,相对湿度 100% 。

　　c) 极化曲线测量步骤 :

　　在阴极接通氧气 ,1. 0 A/cm2 运行 15 min;按照下述电流密度从大到小 0. 50、0. 40、0. 30、0. 20、 0. 10、0. 08、0. 06、0. 04、0. 02 A/cm2 进行电压测量 , 每个电流密度 点 稳 定 运 行 15 min, 取 最 后5 min的平均值作为电压值 。

　　测试和记录每个电流密度下的单电池面电阻(RASR ) ,测试方法和计算方法按照 11. 3. 1 及公式(13)进行 。

　　10.4 数据处理

　　10.4. 1 总电流密度

　　总电流密度按照公式(8)计算 。

　　Itotal = I+ IH2-crossover ……………………( 8 )

　　式中 :

　　Itotal — 操作电流密度和透氢电流密度之和 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　I — 操作电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　IH2 - crossover — 透氢电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) 。

　　10.4.2 欧姆极化补偿

　　对各电流密度下的欧姆极化进行补偿 ,按照公式(9)计算 。

　　VIR-free =Vcell +RASR × Itotal ……………………( 9 )

　　式中 :

　　12

　　GB/T 20042.5—2024

　　VIR-free— 欧姆补偿后的电压 ,单位为伏特(V) ;

　　Vcell — 实测单电池电压 ,单位为伏特(V) ;

　　RASR — 对应电压(Vcell)测得的面电阻 ,单位为欧姆平方厘米(Ω · cm2 ) ,测试方法按照 11. 3. 1 的计算方法及公式(12)进行 。

　　将 VIR-free为纵坐标 ,lgItotal为横坐标作图 ,通过插值或外推得到塔菲尔图在 0. 9 V(IR-free)处的电流密度 I0. 9V 。

　　10.4.3 阴极催化剂的质量比活性

　　比较单位贵金属质量用量下催化剂在膜电极中的活性 , 阴极催化剂的质量比活性的计算按照公式(10)计算 。

　　Im = I0. 9V/LPGM ……………………( 10 )

　　式中 :

　　Im —0. 9 V下的氧还原的质量比活性 ,单位为安培每毫克(A/mg) ;

　　I0. 9V —0. 9 V(IR-free)下的电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　LPGM — 阴极的铂族金属担载量 ,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2 ) 。

　　10.4.4 阴极催化剂的面积比活性

　　比较单位贵金属电化学活性面积下催化剂在膜电极中的活性 , 阴极催化剂的面积比活性(A/cm2 )

　　按照公式(11)计算 。

　　Is = Im /(Sg × 10) ……………………( 11 )

　　式中 :

　　Is —0. 9 V下的氧还原的面积比活性 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　Im —0. 9 V下的氧还原的质量比活性 ,单位为安培每毫克(A/mg) ;

　　Sg — 阴极催化剂电化学活性面积 ,单位为平方米每克(m2/g) 。

　　11 欧姆极化测试

　　11. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　交流阻抗仪 :频率范围从 10 kHz到 0. 1 mHz(0. 000 1 Hz) 。

　　11.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　11.3 试验方法

　　11.3. 1 电流中断法测试

　　电流中断法测试方法如下 。

　　a) 试验步骤

　　1) 按照需要测试设定电流密度下的内电阻 ,设置与该电流密度下相同操作条件 ;

　　2) 将 电 流 密 度 设 置 为 所 需 值 , 并 保 证 单 电 池 电 压 达 到 稳 定 值 (最 低 要 求 ± 5 mV, 持 续

　　13

　　GB/T 20042.5—2024

　　5 min) ;

　　3) 突然切断电流 ,记录电压-时间曲线(见图 4) 。

　　注 1: 单电池测试条件(包括增湿条件 、压力以及单电池温度等)由样品提供方提供或者由样品提供方和测试方协商确定 。

　　注 2: 切断电流的时间小于脉冲时间 t。

　　图 4 电流中断法测试燃料电池欧姆过电位损失示意

　　b) 数据整理

　　电压-时间变化曲线上读取电压突然增加部分 ,作为欧姆损失极化过电位 Vr。

　　单电池内电阻 R 按照公式(12)进行计算 。

　　R =Vr/I ……………………( 12 )

　　式中 :

　　R — 单电池内电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

　　Vr — 单电池电压在电流中断时的瞬时变化(通常 ≤20 μs) ,单位为伏特(V) ;

　　I — 单电池电流 ,单位为安培(A) 。

　　面电阻 RASR按照公式(13)进行计算 。

　　RASR =R × A ……………………( 13 )

　　式中 :

　　RASR — 面电阻 ,单位为欧姆平方厘米(Ω · cm2 ) ;

　　R — 单电池内电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

　　A — 膜电极的有效活性面积 ,单位为平方厘米(cm2 ) 。

　　11.3.2 全频交流阻抗法测量

　　全频交流阻抗法测量方法如下 。

　　a) 条件设定 :

　　根据测试样品需求设定操作条件 。

　　b) 设定测试选定的电流密度 ,叠加的交流电流幅值通常 ≤I×5% ,其中 I 为燃料电池的运行电流 。上限频率以阻抗谱中与实轴相交为宜 ,通常选 10 kHz;下限频率以能正确反映膜电极扩散电阻信息为宜 ,例如选择 0. 01 Hz。在每个数量级的频率范围内 ,宜取 5 个以上频率点进行测试 。

　　c) 记录实部阻抗与虚部阻抗 。全频阻抗以 Nyquist图形式(见图 5)给出 ,确认高频区与实轴的交

　　14

　　GB/T 20042.5—2024

　　点的实部数据为单电池内电阻 R(Ω) 。按照公式(13)计算面电阻 RASR (Ω · cm2 ) 。

　　图 5 全频阻抗测试得到的 Nyquist图

　　11.3.3 定频交流阻抗法测量

　　参考 11. 3. 2 的全频交流阻抗测试方法 ,参考高频区与实轴的交点的频率值 , 或者设定高频频率点(可选频率 ≥1kHz) ,测试实部阻抗 ,近似为单电池内电阻 R(Ω) 。

　　注 1: 该方法通常用于测试极化曲线过程中同步快捷测定单电池内电阻的近似值 。

　　注 2: 如单电池内电阻测量不会影响单电池的稳定状态 ,则与极化曲线测量同时进行 。如果单电池内电阻测量会干扰单电池的稳定 ,需要先记录电压 、电流密度值 ,再进行单电池内电阻测量 。

　　12 膜电极分项老化测试

　　12. 1 膜电极电位循环稳定性测试

　　12. 1. 1 测试仪器与设备

　　燃料测试平台 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　12. 1.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 ;

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　12. 1.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 条件设定 :

　　1) 单电池设置温度 :80 ℃ ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,气体流量 200 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入氮气 ,气体流量 75 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) 。

　　b) 将恒电位仪工作电极连接单电池的阴极 ,参比与对电极连接单电池的阳极 。

　　c) 参照图 6 中的方波电位形式 ,在 OCV 电压下 ,切换下限电位 0. 60V,维持 30 s, 阶跃至上限电

　　15

　　GB/T 20042.5—2024

　　位 ,上限电位可根据需要设定 ,通常 0. 95V,持续 3 s,再阶跃回下限电位 0. 60V,持续 3 s,以此往复循环测试 。

　　d) 在试验过程中 ,可设定在 0、1 000、5 000、10 000、30 000、60 000、90 000……圈时 ,分别进行极化曲线测试 、ECSA测试 、ORR活性测试(参见第 7章 、第 8章及第 10章) ,其中终止圈数可根据应用场景选定 ,其中 30 000衰减量为常用于比较的数据 。

　　12. 1.4 数据处理

　　催化剂质量比活性的衰减比率按照公式(14)进行计算 。

　　εm = (Im ,BOT -Im ,EOT )/Im ,BOT × 100% ……………………( 14 )

　　式中 :

　　εm — 质量比活性的衰减比率 ;

　　Im ,BOT — 耐久性测试初始时 ,测试的催化剂的质量比活性 ,单位为安培每毫克(A/mg) ;

　　Im ,EOT — 耐久性测试结束后 ,测试的催化剂的质量比活性 ,单位为安培每毫克(A/mg) 。

　　电化学活性面积的衰减比率按照公式(15)进行计算 。

　　εs = (Sg,BOT -Sg,EOT )/Sg,BOT × 100% ……………………( 15 )

　　式中 :

　　εs — 电化学活性面积的衰减比率 ;

　　Sg,BOT — 耐久性测试初始时 ,测试的电化学活性面积 ,单位为平方米每克(m2/g) ;

　　Sg,EOT — 耐久性测试结束后 ,测试的电化学活性面积 ,单位为平方米每克(m2/g) 。

　　极化曲线中选定电流密度的电压衰减比率按照公式(16)进行计算 。

　　εE = (VBOT -VEOT )/VBOT × 100% ……………………( 16 )

　　式中 :

　　εE — 选定电流密度下电压衰减比率 ;

　　VBOT— 耐久性测试初始时 ,选定电流密度下的电压 ,单位为伏特(V) ;

　　VEOT— 耐久性测试结束后 ,选定电流密度下的电压 ,单位为伏特(V) 。

　　图 6 膜电极电位循环稳定性测试工况谱

　　16

　　GB/T 20042.5—2024

　　12.2 膜电极高电位稳定性测试

　　12.2. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 2. 0 V~ 2. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　12.2.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　12.2.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 条件设定 :

　　1) 提供三种单电池温度 :50 ℃ 、65 ℃ 、80 ℃ ,适用于不同强度稳定性测试 ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,气体流量 200 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入氮气 ,气体流量 200 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) 。

　　b) 将恒电位仪工作电极连接单电池的阴极 ,参比电极与对电极连接单电池的阳极 。

　　c) 按照图 7 中的三角波电位形式 ,设置下限电位 1. 0 V、上限电位 1. 5 V做循环测试 ,扫描速率为500 mV/s。在试验第 0、500、1 000、3 000、5 000圈时 ,分别进行极化曲线测试 、ECSA 测试和ORR活性测试 (见第 7章 、第 8章及第 10章测试方法) 。终止圈数可根据应用场景选定 ,其中5 000衰减量为常用于比较的数据 。如果测试 5 000圈(含 5 000 圈) 之前 ,单电池评价测试已经无法开展 ,可终止测试 ,其中数据以能测试有效数据圈数为准 。

　　注 : 在测试报告中 ,标注测试所选取的温度条件 。

　　12.2.4 数据处理

　　催化剂质量比活性的衰减比率按照公式(14)计算 。

　　电化学活性面积的衰减比率按照公式(15)计算 。

　　极化曲线中选定电流密度的电压衰减比率按照公式(16)进行计算 。

　　17

　　18

　　GB/T

　　

　　20042.5—2024

　　

　　图 7 膜电极高电位稳定性测试工况谱

　　12.3 膜电极干湿循环稳定性测试

　　12.3. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　12.3.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　12.3.3 测试条件

　　测试条件如下 。

　　a) 条件设定 :

　　1) 单电池温度 :80 ℃ ;

　　2) 阴阳极两侧均使用空气 ,或者均使用氮气 ;

　　3) 设置阴阳极相对湿度循环 :首先通入不加湿的压缩干气 ,运行时间为 2 min,切换成至露点温度为 90 ℃的加湿气体 ,运行时间为 2 min,再循环回干气 ;

　　4) 流量 : 阴阳极的典型流量均为 2 000 sccm;

　　5) 气体压力 : 阴阳极背压均为 101 kPa(绝对压力) 。

　　b) 每 24h(360个循环)按照 7. 5对膜电极进行活化 。

　　c) 按照第 9章的方法进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试 。

　　d) 试验终止条件 : 当透氢电流密度超过 15 mA/cm2 ;或者当绝缘电阻低于失效阈值 。

　　注 : 绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定 。

　　GB/T 20042.5—2024

　　12.4 膜电极化学稳定性测试

　　12.4. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　12.4.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　12.4.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 条件设定 :

　　1) 单电池设置温度 :90 ℃ ;

　　2) 阳 极 : 通 入 氢 气 , 设 定 电 流 密 度 0. 2 A/cm2 计 量 比 为 10 的 流 量 , 相 对 湿 度 30% , 背 压150kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 : 通 入 空 气 , 设 定 电 流 密 度 0. 2 A/cm2 计 量 比 为 10 的 流 量 , 相 对 湿 度 30% , 背 压150kPa(绝对压力) 。

　　b) 按照第 9章测试初始膜的透氢电流密度 。基于上述条件 ,切换成 OCV。并持续监测 OCV 电压变化情况 。

　　c) 每 24h(360个循环)按照 7. 5对膜电极进行活化 。

　　d) 按照第 8章进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试 。

　　e) 试验终止条 件 : 透 氢 电 流 密 度 超 过 15 mA/cm2 , 或 者 当 绝 缘 电 阻 低 于 失 效 阈 值 , 或 者 超 过1 min以上 OCV衰减比率超过 20% ,测试终止 。

　　注 : 绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定 。

　　12.4.4 数据处理

　　膜电极 OCV 降幅应按照公式(17)进行计算 。

　　εOCV = (VOCV,BOT -VOCV,EOT )/VOCV,BOT × 100% ……………………( 17 )

　　式中 :

　　εOCV — OCV衰减比率 ;

　　VOCV,BOT — 耐久性测试初始时 ,OCV 的电压 ,单位为伏特(V) ;

　　VOCV,EOT — 耐久性测试结束后 ,OCV 的电压 ,单位为伏特(V) 。

　　12.5 膜电极机械与化学稳定性耦合测试

　　12.5. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　19

　　GB/T 20042.5—2024

　　12.5.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　12.5.3 试验方法

　　试验方法如下 :

　　a) 条件设定 :

　　1) 单电池设置温度 :90 ℃ ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,气体流量 1 000 sccm;设置通入干气(压缩干气不增湿)运行 30 s,切换至湿气(露点温度为 90℃的)运行 45 s,再切换至干气 ,往复循环 ;背压 101kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入空气 ,气体流量为 1 000 sccm;设置通入干气(压缩干气不增湿)运行 30 s,切换至湿气(露点温度为 90℃)运行 45 s,再切换至干气 ,往复循环 ;背压 101kPa(绝对压力) 。

　　b) 按照第 8 章 内 容 测 试 膜 电 极 的 初 始 透 氢 电 流 密 度 。 基 于 上 述 条 件 , 切 换 成 开 路 电 位 模 式(OCV) 。并持续监测 OCV 的变化情况 。

　　c) 每 24h(360个循环)按照 7. 5对膜电极进行活化 。

　　d) 按第 8章进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试 。

　　e) 试验终止条件 : 当透氢电流密度 超 过 15 mA/cm2 , 或 者 当 绝 缘 电 阻 低 于 失 效 阈 值 , 或 者 超 过1 min以上 OCV衰减比率超过 20% ,测试终止 。

　　注 : 绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定 。

　　极化性能测试方法按 7. 5对膜电极活化测试和 7. 6做极化曲线测试 。

　　12.5.4 数据处理

　　膜电极 OCV 降幅按照公式(17)进行计算 。

　　13 阳极氢氧化反应(HOR)极化测试

　　13. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压 范 围 - 1. 0 V~ 1. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥50 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　13.2 样品的制备与组装、活化

　　为了方便简化处理计算 ,测试所需要用到特制的膜电极样品 , 阴极催化层需要与阳极催化层催化剂种类 、贵金属载量保持一致 。

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　13.3 试验方法

　　试验方法如下 。

　　a) 线路连接 :

　　20

　　GB/T 20042.5—2024

　　恒电位仪的工作电极连接单电池阳极侧 ,参比电极和对电极连接单电池阴极侧 。

　　b) 条件设定 :

　　1) 单电池设置温度 :80 ℃ ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,气体流量 2 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入氢气 ,气体流量 2 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) 。

　　c) 根据以下步骤测试按 7. 6做极化曲线测试和单电池内电阻 。

　　通过恒电位仪 ,控制电 流 密 度 从 小 到 大 依 次 加 载 至 设 定 最 大 的 电 流 密 度 , 例 如 : 0. 1 A/cm2 、 0. 2 A/cm2 、0. 3 A/cm2 … … ,并记录对应的电压 Vcell。

　　按照第 11章测试各电流密度下单电池的内电阻 。

　　13.4 数据处理

　　单电池的极化电势与阳极氢氧化反应的极化电势关系见公式(18) :

　　Vcell =ηHOR +ηHER + I ×RASR ……………………( 18 )

　　式中 :

　　Vcell — 单电池电压 ,单位为伏特(V) ;

　　ηHOR — 阳极氢氧化反应的极化电势 ,单位为伏特(V) ;

　　ηHER — 阴极氢析出反应的极化电势 ,单位为伏特(V) ;

　　I — 电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　RASR — 单电池面电阻 ,单位为欧姆平方厘米(Ω · cm2 ) 。

　　单电池中 , 阳极和阴极催化层为相同催化层 ,近似ηHOR≈ηHER 。

　　计算阳极极化电势与电流密度的关系式见公式(19) :

　　ηHOR ≈ (Vcell - I ×RASR)/2 ……………………( 19 )

　　式中 :

　　Vcell — 单电池电压 ,单位为伏特(V) ;

　　ηHOR — 阳极氢氧化反应的极化电势 ,单位为伏特(V) ;

　　I — 电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

　　RASR — 单电池面电阻 ,单位为欧姆平方厘米(Ω · cm2 ) 。

　　14 膜电极阳极抗反极测试

　　14. 1 测试仪器与设备

　　测试装置 :质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A. 1所示 。

　　恒电位仪 : 电压范 围 - 2. 0 V~ 2. 0 V, 准 确 度 不 低 于 ± 1 mV, 电 流 量 程 ≥1. 0 A, 准 确 度 不 低 于±0. 1 mA。

　　14.2 样品的制备与组装、活化

　　样品尺寸 :膜电极样品有效面积为 25 cm2 ;测试样品平整 、无污渍 、无缺陷和破损 。

　　分别按照 7. 3方式组装单电池 ,按 7. 4进行单电池试漏 ,按 7. 5进行单电池活化 。

　　14.3 抗反极时长测试方法

　　测试装置与电池进行气体管路连接 ,将恒电位仪工作电极连接单电池阳极侧 ,参比电极和对电极连

　　21

　　GB/T 20042.5—2024

　　接单电池阴极侧 。

　　方法(1) :单次反极测试 。

　　a) 条件设定如下 :

　　1) 单电池温度设置为 75 ℃ ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,流量为 1 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入空气 ,流量为 1 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) 。

　　b) 设置终止电位为 -1. 5 V,建立稳定开路 5 min后 ,恒电位仪加载电流密度 200 mA/cm2 ,待单电池电压稳定 ,切换氢气为氮气 ,并保持相同流量 ,湿度和背压 ,此时单电池开始进入模拟反极工况 。待流道中残余氢气 消 耗 殆 尽 , 单 电 池 电 压 迅 速 下 降 到 0 V 以 下 , 当 电 压 达 到 - 1. 5 V时 ,切断电流 。记录单电池电位从 0 V变化到 -1. 5 V 的时长 ,定义为反极时长(见图 8) 。

　　图 8 单次反极测试结果示意图

　　方法(2) :循环反极测试 。

　　a) 条件设定如下 :

　　1) 单电池温度设置为 75 ℃ ;

　　2) 阳极 :通入氢气 ,流量为 1 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) ;

　　3) 阴极 :通入空气 ,流量为 1 000 sccm ,相对湿度 100% ,背压 101 kPa(绝对压力) 。

　　b) 建立开路 5 min后 ,恒电位仪加载电流密度 200 mA/cm2 ,运行 5 min。待单电池电压稳定 ,切换氢气为氮气 ,并保持相同流量 ,相对湿度和背压 ,此时单电池开始进入模拟反极工况 ,设置终止电位为 -1. 5 V。待流道中残余氢气消耗殆尽 ,单电池电压迅速下降到 0 V 以下 ,单电池反极持续时长达到 2 min后 ,切断电流 ,停止反极 。

　　c) 按 7. 5对膜电极活化测试和按 7. 6做极化曲线测试(结果见图 9) 。

　　d) 重复上述 b) 、c)步骤 ,多次反极测试后 , 当额定电流密度下电压衰减比率超过设定值 ,停止反极测试 。 累计反极时间即为反极运行时间 ,或者记录累计的反极循环数 。

　　注 1: 衰减比率的设定值根据膜电极特性设定 。

　　注 2: 对于阳极具有较强抗反极能力的膜电极 ,如单次抗反极时长大于 10 min以上时 ,按方法(2)进行测试 。

　　22

　　GB/T 20042.5—2024

　　图 9 模拟反极实验前后单电池极化曲线

　　15 气体杂质耐受试验

　　15. 1 测试仪器与设备

　　测试