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| 标准编号 | GB/T 20042.4-2009 (GB/T20042.4-2009) | | 中文名称 | 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法 | | 英文名称 | Proton exchange membrane fuel cell - Part 4: Test method for electrocatalysts | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K82 | | 国际标准分类 | 27.070 | | 字数估计 | 18,124 | | 发布日期 | 2009-04-21 | | 实施日期 | 2009-11-01 | | 引用标准 | GB/T 5816-1995; GB/T 13566-1992; GB/T 15072.7-2008; GB/T 20042.1 | | 标准依据 | 中华人民共和国国家标准批准发布公告2009年第6号(总第146号) | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | GB/T 20042的本部分规定了质子交换膜燃料电池电催化剂测试方法的术语和定义、铂含量测试、电化学活性面积测试、比表面积、孔容、孔径分布测试、形貌及粒径分布测试、晶体结构测试、催化剂堆密度测试以及单电池极化曲线测试等。本部分适用于各种类型的质子交换膜燃料电池铂基(Pt基)电催化剂。 | GB/T 20042.4-2009: 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法
GB/T 20042.4-2009 英文名称: Proton exchange membrane fuel cell -- Part 4: Test method for electrocatalysts
ICS ２７．０７０
K８２
中华人民共和国国家标准
GB/T ２００４２．４-２００９
质子交换膜燃料电池
第４部分：电催化剂测试方法
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
１ 范围
GB/T ２００４２的本部分规定了质子交换膜燃料电池电催化剂测试方法的术语和定义、铂含量测试、
电化学活性面积测试、比表面积、孔容、孔径分布测试、形貌及粒径分布测试、晶体结构测试、催化剂堆密
度测试以及单电池极化曲线测试等。
本部分适用于各种类型的质子交换膜燃料电池铂基（Ｐｔ基）电催化剂。
２ 规范性引用文件
下列文件中的条款通过GB/T ２００４２的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文
件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成
协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本
部分。
GB/T ５８１６-１９９５ 催化剂和吸附剂表面积测定法
GB/T １３５６６-１９９２ 肥料 堆密度的测定方法（ISO ３９４４：１９８０，ＥＱＶ）
GB/T １５０７２．７-２００８ 贵金属合金化学分析方法 金合金中铬和铁量的测定 电感耦合等离子
体原子发射光谱法
GB/T ２００４２．１ 质子交换膜燃料电池 术语
４．１．３．１ 称取适量催化剂样品，质量应满足３次有效试验的要求。
４．１．３．２ 测试样品应置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ。
４．１．４ 测试过程
４．１．４．１ 称取适量样品置于热重分析仪的测试坩埚中，称重后以空气或者空气和惰性气体按一定比例
GB/T ２００４２．４-２００９
组成的混合气作为工作气体，控制气体流速为５０ｍＬ／ｍｉｎ，将样品自室温程序升温至终点温度８００℃，
升温速度为２℃／ｍｉｎ。
注：气体的流速、升温速度以及试验的终点温度，也可根据不同催化剂的性质，由送样方和测试方协商确定。
４．１．４．２ 待样品恒重后，记录样品温度-重量曲线。
４．１．５ 数据处理。
４．２．１ 适用范围
此方法适用于Ｐｔ／Ｃ催化剂以及Ｐｔ合金催化剂中Ｐｔ含量的测试。
４．２．２ 测试仪器和设备
４．２．２．１ 离子耦合发射光谱（ＩＣＰ）：最低检测限≤１μｇ／Ｌ。
４．２．２．２ 分析天平：精度为０．１ｍｇ。
４．２．２．３ 卡尺：测量精度为０．０１ｍｍ。
４．２．３ 样品制备
样品质量不少于２ｇ。
将样品置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ。
４．２．４ 试剂和材料
４．２．４．１ 浓硫酸（９８％），优级纯。
４．２．４．２ 浓盐酸（３７％），优级纯。
４．２．４．３ 浓硝酸（６８％），优级纯。
４．２．４．４ 二次蒸馏水，电阻率≥１８．２ＭΩ·ｃｍ。
４．２．４．５ ３０％双氧水，分析纯。
４．２．４．６ 具盖刚玉坩埚。
４．２．５ 测试方法
４．２．５．１ 样品氧化灰化。将装有样品的具盖坩埚放入马弗炉，先在４００℃～５００℃的空气氛围中氧化
碳化６ｈ，再升温至９００℃～９５０℃进行氧化灰化１２ｈ后，冷却到室温。
４．２．５．２ 样品硝化。将样品放入具盖刚玉坩埚中，用二次蒸馏水润湿。然后沿坩埚壁向样品缓慢加入
６ｍＬ～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。在８０℃对样品加热硝
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０．２ｍＬ～０．３ｍＬ的３０％的双氧水，将其
加热至８０℃继续硝化，如此循环往复，直至溶液接近透明，没有悬浮物为止。
４．２．５．３ 样品溶解。样品充分硝化后，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。
４．２．５．４ 测试样配制。将上述样品全部转移至适量容积的容量瓶中，用二次蒸馏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。
４．２．６ 标准曲线的绘制
使用ＩＣＰ对Ｐｔ标准溶液以及合金催化剂中合金金属 Ｍ的标准溶液进行光谱分析，绘制Ｐｔ和金属
Ｍ的标准曲线。
使用ＩＣＰ对测试样品进行光谱分析，绘制Ｐｔ和金属 Ｍ的曲线，分析待测样品中Ｐｔ的浓度或Ｐｔ和
合金金属 Ｍ的浓度。
５．２ 样品准备
测试样品应置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ。
样品质量应满足３次有效试验的要求。
６．１．１ 全自动物理吸附仪。
６．１．２ 分析天平：精度为０．０１ｍｇ。
６．１．３ 测试气体：经过干燥处理的无油高纯氮气、氦气，纯度不低于９９．９９９％。
６．２ 测试方法
采用静态氮吸附容量法测量催化剂在不同低压下所吸附的氮气体积，至少要测得符合ＢＥＴ线性关
系的四个试验点，应用ＢＥＴ二参数方程进行表面积计算。
６．２．１ 样品预处理和脱气
ｂ） 取适量样品加入到样品管中。设定加热温度（一般小于２００℃），对样品加热抽空。当加热温
度达到设定温度，系统真空度达到１．３Ｐａ时，再连续脱气至少４ｈ。允许对样品脱气过夜；
之差得到样品净重。
６．２．２ 死空间测定
ａ） 根据分析要求向分析系统歧管中充氦至７９．９ｋＰａ～１１９．９ｋＰａ，并记录此压力和歧管温度。随
后打开待测样品阀，使氦气充入样品管；
ｂ） 平衡约５ｍｉｎ后，记录平衡压力和歧管温度。根据记录的压力和歧管温度以及已知歧管体积，
准确计算死空间。
６．２．３ 吸附测定
ａ） 根据分析要求向系统充氮，在相对压力P／P０ 为０．０６～０．２或０．２５之间实测四个以上吸附试
验点。记录相应的平衡压力P，并计算吸附量犞ａ；
ｂ） 吸附测定时，压力变动在５ｍｉｎ内不超过１３Ｐａ，可以视为达到吸附平衡；
ｃ） 测量并记录液氮饱和蒸气压P０。
６．３ 结果计算
ａ） 根据公式（５）ＢＥＴ二参数方程式计算：
７．２ 样品制备
单颗样品粉末尺寸应小于１μｍ。
在试验前，将样品置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ。
７．３ 测试方法
７．３．１ 将铜网进行除油、除污处理，并清洗、干燥。
７．３．２ 取适量的样品和乙醇加入小烧杯，超声振荡均匀，将适量混合液滴于铜网上，干燥后，放入透射
电镜仪器中进行测试。
７．３．３ 按照电镜仪器的操作要求，取一定放大倍数的电镜照片。
８．２ 样品准备
催化剂样品量不低于装满样品池所需要的量。
将样品置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ至完全干燥后，将其磨成粒度小于１００ｎｍ的细粉。
８．３ 测试方法
８．３．１ 将样品装到样品槽中，用玻璃片压片，样品表面要与样品槽表面持平，以防ＸＲＤ图谱偏移。
８．３．２ 将样品槽放入ＸＲＤ测试仪的样品夹具中。
８．３．３ 对样品在一定扫速和角度范围内进行扫描，得到催化剂ＸＲＤ谱图。
８．４ 数据处理与报告
９．３ 测试方法
参照GB/T １３５６６-１９９２中的方法。
９．３．１ 称量测量筒质量，记为M１，精确至０．１ｍｇ。
９．３．２ 采用测试漏斗，将样品在２０ｓ～２５ｓ之内将一定量的样品倾入测量筒中，样品量必须超过装满
测量筒所需的量。在倾入样品过程中，用棒以每秒２次至３次的频率轻轻敲击测量筒壁，使样品紧密。
若样品流动不畅，可用直径约４ｍｍ的玻璃棒清理漏斗出料口，使之畅通。
９．３．３ 关闭漏斗，然后将测量筒提升２ｍｍ～３ｍｍ，使之落下，以进一步压紧样品，重复操作２０次，读
出样品的体积犞（ｍＬ）。
９．３．４ 称量测量筒和样品总质量，记为M２，精确至０．１ｍｇ。
１０ 单电池极化曲线测试
１０．１ 样品制备
取一定量的催化剂，置于真空烘箱中于８０℃干燥１２ｈ，作为待测样品。
样品质量应满足３次有效试验的要求。
１０．２ 测试仪器设备和材料
１０．２．１ 端板：抗压强度应满足质子交换膜燃料电池单电池组装压力的要求。
１０．２．２ 流场板与集流板：流场板为带有电脑刻绘的蛇形流场的纯石墨板。集流板采用镀金或镀银不
锈钢板。
１０．２．３ 燃料电池测试平台：质子交换膜燃料电池测试平台示意图如图２所示。
１０．２．４ 测试气体和水
１０．２．４．１ Ｈ２：纯度≥９９．９９９％的压缩Ｈ２，经过鼓泡增湿，并进行管线保温后进入测试电池，管线温度
不低于增湿温度。
１０．２．４．２ Ｏ２：纯度≥９９．９９９％的压缩Ｏ２，经过鼓泡增湿，并进行管线保温后进入测试电池，管线温度
不低于增湿温度。
１０．２．４．３ 增湿用去离子水：电导率＜０．２５μＳ／ｃｍ。
１０．２．５ 气体扩散层
扩散层统一采用ＳＧＬ公司商业化的Ｓｉｇｒａｃｅｔ?ＧＤＬ３０ＢＣ。
１０．２．６ 质子导体
质子导体统一采用ＤｕＰｏｎｔ公司商品化的型号为ＤＥ５１２的Ｎａｆｉｏｎ?溶液。
１０．３ 测试过程
１０．３．１ 网印技术制备催化层
１０．３．１．１ 按照阳极Ｐｔ担量０．３ｍｇ／ｃｍ２、阴极Ｐｔ担量０．５ｍｇ／ｃｍ２、催化剂中测定Ｐｔ含量以及网印
的电极面积为５０ｃｍ２ 计算制备催化层用催化剂使用量，并称量，精确至０．１ｍｇ。
１０．３．１．２ 用少量去离子水充分润湿催化剂后，按照W 催化剂∶W 分散剂＝１∶１５的比例加入低级醇（乙醇、
异丙醇、乙二醇等）作为分散剂。将上述混合物在超声波中超声分散，同时顺时针方向搅拌，以保证料液
的各向均匀，无硬块、无粘连、无颗粒。
１０．３．１．３ 按照催化剂中炭粉担量与Ｎａｆｉｏｎ用量Lｃａｒｂｏｎ∶LＮｅｔＮａｆｉｏｎ＝１∶０．８的比例加入计算用量的５％
Ｎａｆｉｏｎ溶液，超声搅拌均匀后取出，备用。
１０．３．１．４ 调节印刷刀的行进速度以及印刷刀与待印催化层的扩散层之间的距离，以保证印刷刀推动
料液在扩散层上行进时速度均匀适中，催化层料液能通过印刷网均匀涂敷在扩散层上。印刷２～３个循
环后，取下催化层后，将其置于烘箱中于６０℃烘干，取出，称重，根据烘干后催化层与扩散层之间的质量
差确定是否需要再次网印。
１０．３．２ MEA制备
从制备的阳极和阴极上分别裁出面积为５ｃｍ２～２５ｃｍ２ 的区域，置于ＮａｆｉｏｎＮＲＥ２１２-ＣＳ膜的两
侧，并将印刷催化层一侧朝向质子交换膜，将上述组件置于油压机中，１４０℃±２℃下施以低于１．０ＭＰａ
的压力，保持１ｍｉｎ，使整个组件预热，然后施以约１０．０ＭＰａ的压力，保持１ｍｉｎ，之后迅速冷却，即制得
ＭＥＡ。
１０．３．３ 电池组装
根据定位孔位置，按顺序将端板、集流板、流场板及 ＭＥＡ进行组装，按照图３所示顺序，逐一使用
紧固螺栓、螺帽以及渐进型力矩扳手对电池进行夹紧处理。
图３ 单池的紧固螺栓位置
电池组装力应满足如下条件：
---气体扩散层与双极板之间的接触电阻最小；
---扩散层厚度方向的压缩率＜２０％。
注：对于纯石墨板流场的组装压强在１．５ＭＰａ～２．０ＭＰａ范围内。
１０．３．４ 电池试漏
１０．３．４．１ 湿式浸水法。堵住电池阴极的入口、出口以及阳极的出口，向阳极的入口通入一定压力的测
试气体（如 Ｈ２，空气或Ｎ２）。待气体流量稳定后，将电池完全浸没于水中，使用目测法，检查水中是否有
气泡冒出，并根据气泡冒出的部位来判断电池是否有漏气、漏气的程度以及漏气的部位。取出电池，干
燥后，进行相应的密封处理。
注：推荐测试气体压力≤０．１ＭＰａ。
１０．３．４．２ 压差试漏法。如果没有检测到外漏，对电池进行干燥处理后，堵住电池阳极的入口，向阴极
入口通入一定压力的测试气体，将阴极出口与Ｕ型管一端相连接，阳极出口与Ｕ型管的另一端连接，连
接方式如图４所示。连接过程中应注意做好密封，防止气体泄漏。根据 Ｕ型管压差计两侧的水位差，
检测电池的漏气程度。Ｕ型管水位差ΔH 越小，表示电池的 ＭＥＡ串气越严重。
图４ 压差试漏法示......
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