| 标准编号 | GB/T 20042.4-2025 (GB/T20042.4-2025) | | 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 | 30,336 | | 发布日期 | 2025-08-29 | | 实施日期 | 2026-03-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 20042.4-2009 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | GB/T 20042.4-2025: 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法
ICS 27.070
CCSK82
中华人民共和国国家标准
代替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
2025-08-29发布
2026-03-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
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 通用安全要求 2
5 含水率测试 2
6 金属元素含量测试 3
7 比表面积和孔径分布测试 4
8 形貌及粒径分布测试 6
9 晶型结构和平均粒径测试 6
10 堆密度测试 7
11 半电池电化学活性比表面积(ECSA)测试 8
12 半电池氧还原(ORR)极化曲线测试 10
13 半电池ORR催化剂耐久测试 12
14 半电池ORR催化剂高电位耐久测试 13
15 金属元素溶解率测试 14
16 半电池HOR催化剂高电位耐久测试 15
17 半电池HOR催化剂CO耐受性测试 15
附录A(资料性) 测试准备 17
附录B(资料性) 参考测试方法 18
参考文献 21
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4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 20042.4-2009《质子交换膜燃料电池 第4部分:电催化剂测试方法》,与
GB/T 20042.4-2009相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下:
---将术语“电化学活性面积”改为“电化学活性比表面积”,并更改了定义(见3.2,2009年版的第3
章);
---增加了术语“含水率”“半电池”“工作电极”“对电极”“参比电极”“三电极体系”“质量比活性”
“面积比活性”和“耐久性”及其定义(见3.2~3.10);
---增加了含水率测试(见第5章);
---更改了金属元素含量测试、比表面积和孔径分布测试、形貌及粒径分布测试、晶型结构和平均
粒径以及堆密度测试(见第6章~第10章,2009年版的第4章~第9章);
---更改了半电池电化学活性比表面积测试和单电池氧还原(ORR)催化剂质量比活性测试(见第
11章和附录B.3,2009年版的第10章);
---增加了半电池条件下,ORR极化曲线测试、ORR催化剂耐久性测试和高电位耐久测试、金属
元素溶解率测试、氢氧化(HOR)催化剂高电位耐久测试和CO耐受性测试(见第12章~第17
章)。
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:中国科学院大连化学物理研究所、大连理工大学、机械工业北京电工技术经济研
究所、中科洁净能源创新研究院苏州有限公司、武汉理工大学、北京化工大学、上海济平新能源科技有限
公司、无锡威孚高科技集团股份有限公司、中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司、紫金矿业集团
股份有限公司、苏州市氢能产业创新中心有限公司、新研氢能源科技有限公司、江苏投特新能源有限公
司、深圳市通用氢能科技有限公司、北京科技大学、同济大学、国创氢能科技有限公司、北京氢璞创能科
技有限公司、安徽明天氢能科技股份有限公司、国家电投集团氢能科技发展有限公司、中国质量认证中
心有限公司、清氢(北京)科技有限公司、厦门理工学院、山东国创燃料电池技术创新中心有限公司、鸿基
创能科技(广州)有限公司、潍柴动力股份有限公司、佛山仙湖实验室、中国汽车工程研究院股份有限公
司、上海机动车检测认证技术研究中心有限公司、苏州科润新材料股份有限公司。
本文件主要起草人:张洪杰、宋玉江、侯明、潘牧、张亮、邵志刚、窦美玲、吕洋、张义煌、丁奇、姚颖方、
齐志刚、陈东方、尧克光、马天才、高蕊、郝冬、王朝云、高鹏然、王刚、韩福江、朱俊娥、张雁锋、李春姬、
雷一杰、华秋茹、唐浩林、王睿迪、陈文淼、蒋尚峰、潘凤文、陈然、赵明全、毛占鑫、刘国庆、孟维、裴冯来、
付娜、杨彦博、杨大伟、刁力鹏。
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 20042.4-2009;
---本次为第一次修订。
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》拟由九个部分构成。
---第1部分:术语。目的在于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。目的在于给出质子交换膜燃料电池堆的通用技术要求、试验
方法和检验规则等内容。
---第3部分:质子交换膜测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池中质子交换膜厚度均匀
性和质子传导率等测试方法。
---第4部分:电催化剂测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池电催化剂铂含量和电化学
活性比表面积等测试方法。
---第5部分:膜电极测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池膜电极厚度均匀性和Pt担载
量等测试方法。
---第6部分:双极板特性测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池双极板抗弯强度、密度和
电阻等测试方法。
---第7部分:炭纸特性测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池炭纸厚度均匀性、电阻和机
械强度等测试方法。
---第8部分:控制系统技术要求。目的在于给出质子交换膜燃料电池控制系统的技术要求和试
验方法。
---第9部分:振动测试方法。目的在于给出质子交换膜燃料电池的振动要求和振动测试方法。
质子交换膜燃料电池
第4部分:电催化剂测试方法
1 范围
本文件描述了质子交换膜燃料电池用电催化剂的物理特性和电化学特性测试方法,包括含水率、金
属元素含量、比表面积和孔径分布、形貌及粒径分布、晶型结构、堆密度等物理性质以及电化学活性比表
面积、氧还原活性、耐久性、金属元素溶解率和一氧化碳(CO)耐受性等的测试。
本文件适用于以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池用铂基(Pt基)电催化剂,其他类型质子交换膜
燃料电池参照使用。
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/T 5816-1995 催化剂和吸附剂表面积测定法
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 20042.1-2017 质子交换膜燃料电池 第1部分:术语
GB/T 21354-2008 粉末产品振实密度测定通用方法
3 术语和定义
GB/T 20042.1-2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
含水率 moisturecontent
电催化剂中所含水分的质量分数。
3.2
电化学方法测得的单位质量铂(Pt)或总铂族金属(PGM)的有效电化学活性表面积。
注:电化学活性比表面积的单位为平方米每克(m2/g)。
3.3
半电池 halfcel
一个电极和其紧密接触的电解质溶液组成的体系。
3.4
工作电极 workingelectrode;WE
测试过程中研究的电化学反应发生的电极。
3.5
对电极 counterelectrode;CE
与工作电极组成回路的电极。
3.6
参比电极 referenceelectrode;RE
用于测定工作电极电势的接近于理想不极化的电极。
3.7
三电极体系 three-electrodesystem
由工作电极、对电极及参比电极和电解质溶液共同组成的测试体系。
3.8
质量比活性 massactivity;MA
在0.9V(vs.RHE)电位下,单位质量铂(Pt)或总铂族金属(PGM)的动力学电流绝对值。
注:质量比活性的单位为安每毫克(A/mg)。
3.9
在0.9V(vs.RHE)电位下,单位电化学活性比表面积的电催化剂所输送的动力学电流。
注:面积比活性的单位为毫安每平方厘米(mA/cm2)。
3.10
耐久性 durability
电催化剂及载体在正常使用条件下,保持长期正常稳定运行的能力。
4 通用安全要求
4.1 通常情况下,电催化剂测试过程中应使用氧化性(如O2)和还原性(如 H2)气体,这些气体一般储
存在高压容器中。
注:氢气使用的相关要求见GB 4962-2008。
4.2 燃料电池自身应能在加压或常压下运行。
4.3 测试人员应接受技术培训,具有操作相应测试试验的经验,并应熟知相关安全操作规程。测试前
准备见附录A。
5 含水率测试
5.1 测试仪器
热重分析仪(TGA)。
5.2 样品准备
每次试验宜快速称取20mg±1mg电催化剂样品并密封备用,总质量应满足3次有效试验的
要求。
5.3 测试过程
准确称量并记录样品的初始质量m0。
将催化剂样品快速转移至热重分析仪带盖带孔的测试坩埚中(坩埚使用前应充分干燥),以惰性气
体作为工作气体,控制气体流速为50mL/min,在程序控温下,由室温升温至100℃,升温速度一般为
2℃/min~10℃/min,宜采用5℃/min。
待样品恒重后,准确称量并记录样品的终点质量m1。
注:通常10min内重量变化率小于或等于0.1%/min~0.5%/min,视为恒重。
5.4 数据处理
根据公式(1)计算催化剂的含水率。
w=(m0-m1)/m0×100% (1)
式中:
w ---催化剂的含水率;
m1 ---样品的终点质量,单位为毫克(mg);
m0 ---样品的初始质量,单位为毫克(mg)。
测试宜大于或等于3次,计算平均值作为测试结果(应去除明显异常数据)。
6 金属元素含量测试
6.1 测试仪器
测试仪器如下:
---电感耦合等离子体光谱仪(ICP):最低检测限小于或等于1μg/L;
---分析天平:精度为0.1mg;
---微波消解仪;
---马弗炉。
6.2 样品准备
催化剂样品应先置于真空干燥箱中(真空度宜小于或等于-0.085MPa),在80℃条件下干燥4h~
12h,使其完全干燥;在真空干燥箱内降至室温后取出进行后续处理。
每次试验宜称取50mg~100mg催化剂样品,总质量应满足3次有效试验的要求。
注:根据催化剂性质合理确定干燥时间。
6.3 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;
---氢氟酸(40%),优级纯;
---二次蒸馏水,电阻率大于或等于18.2MΩ·cm;
---30%双氧水,优级纯;
---各铂族金属标准液,优级纯;
---带盖刚玉坩锅;
---微波消解管。
6.4 样品处理
按照GB/T 15072.7-2008的规定进行,采用电感耦合等离子体光谱(ICP)法测试催化剂中Pt等
金属元素的含量,并计算各金属元素的比例。样品处理步骤如下。
a) 准确称量并记录样品质量。
b) 催化剂样品的溶解可采用灰化硝化溶解或微波消解处理:
1) 灰化硝化溶解
样品氧化灰化:将装有催化剂样品的带盖刚玉坩埚放入马弗炉,先在400℃~500℃的空气气氛中
氧化碳化6h,再升温至900℃~950℃进行氧化灰化12h后,冷却到室温。
样品硝化:将刚玉坩埚中氧化灰化后的样品用二次蒸馏水润湿。然后沿坩埚壁向坩埚中缓慢加入
6mL~12mL浓硫酸和浓硝酸的混合液(浓硫酸与浓硝酸的体积比为1∶3)。在80℃对样品加热硝
化,当酸的体积浓缩到一半后,依次加入约3mL~6mL的浓硫酸和浓硝酸混合液(浓硫酸与浓硝酸的
体积比为1∶3)、0.2mL~0.3mL的30%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。
样品溶解:样品充分硝化后,沿坩埚壁向坩埚中加入适量新配制的王水,在80℃加热,直到样品溶
液完全澄清透明为止。
2) 微波消解
将催化剂样品装入干燥的专用聚四氟乙烯消解管中,加入浓硝酸、浓盐酸和双氧水的混合溶液,体
积比为4∶1∶1,使用微波消解仪进行消解处理。为保证催化剂样品完全溶解,可加入适量的氢氟酸促
进消解,确保样品全部消解为液体状态。
注:微波消解参考参数:压力60kPa,消解温度200℃,消解时间1h~2h。
c) 测试样配制:
将上述溶解后的样品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。
6.5 测试样中元素浓度分析
使用ICP对测试样品进行光谱分析,分析待测样品中Pt的浓度以及其他金属的浓度。
6.6 数据处理
根据公式(2)计算催化剂样品中的金属含量。
ω=n×C×
m ×100%
(2)
式中:
ω---催化剂样品中Pt或金属 M的质量分数;
n---将测试样品配制为ICP分析用溶液的稀释倍数;
C---ICP测试溶液中的金属浓度,单位为毫克每升(mg/L);
v ---配制的测试样品初始体积,单位为升(L);
m---测试样品的质量,单位为毫克(mg)。
测试宜大于或等于3次,计算平均值作为测试结果(应去除明显异常数据)。
对于Pt/C催化剂以及Pt合金催化剂中Fe,Cu,Cr,Zn,V,Ti,Ni等杂质金属含量的测试也可采用
该方法(样品溶解宜采用灰化硝化溶解),但相应的测试仪器应选用检测限更低(小于或等于1μg/L)的
电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。对于微量杂质金属元素的测试宜做空白对照,结果需减去空白。
对于质量分数不小于20%的电催化剂中Pt(或PGM)含量的测试也可采用热重法进行测试,见
附录B的B.1。
7 比表面积和孔径分布测试
7.1 测试仪器及气体
测试仪器及气体如下:
---全自动物理吸附仪;
---分析天平:精度为0.01mg;
---经过干燥处理的无油高纯氮气,纯度不低于99.999%;
---液氮。
7.2 测试方法
7.2.1 通则
应按照GB/T 5816-1995规定的方法进行测试。
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,至少应测得符合Brunauer-
Emmet-Teler(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。
7.2.2 样品预处理和脱气
样品预处理和脱气步骤如下:
a) 根据脱气要求将经脱气处理后的空样品管含塞子称量,精确至0.01mg,此时质量记为m1;
b) 取适量样品(100mg~300mg)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;
c) 将脱气后的样品管冷却至室温后含塞子称量,精确至0.01mg,此质量记为m2,由m2 与m1 之
差得到样品净重。
7.2.3 死空间测定
死空间测定步骤如下:
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
后打开管路气体阀,使氦气充入样品管;
b) 平衡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
确测定死空间。
7.2.4 吸附测定
根据分析要求向系统充氮,在相对压力P/P0 为0.06~0.25之间实测4个以上吸附试验点,在相对
压力P/P0 为0.2~0.99或0.25~0.99之间实测多个吸附试验点。
吸附测定时,压力变动在5min内不超过13Pa,可视为达到吸附平衡。
达到吸附平衡后测定气体的平衡压力P,并根据吸附前后体系压力的变化计算氮吸附量Va,经多
次测试,测定并计算得到不同平衡压力下的吸附量值。
测量并记录液氮饱和蒸气压P0。
7.3 结果计算
根据公式(3)进行BET二参数方程式计算。
P/P0
Va(1-P/P0)=
Vm×C+
C-1
Vm×C×
P/P0 (3)
式中:
P/P0---相对压力;
P ---平衡压力,单位为千帕(kPa);
P0 ---液氮饱和蒸汽压,单位为千帕(kPa);
Va ---氮吸附量(标准状况),单位为立方厘米每克(cm3/g);
Vm ---单层吸附量(标准状况),单位为立方厘米每克(cm3/g);
C ---与氮气净摩尔吸附热有关的常数。
以P/P0对
P/P0
Va(1-P/P0)
作BET直线图,直接由图解法或最小二乘法求出BET直线图的截距
I(即
Vm×C
)和斜率S(即
C-1
Vm×C
)。
在所选BET直线范围内,各试验点对直线的偏离不大于纵坐标值的0.6%。
单层吸附量Vm 按照公式(4)计算。
Vm=
S+I
(4)
式中:
Vm---单层吸附量(标准状况),单位为立方厘米每克(cm3/g);
S ---BET直线图的斜率;
I ---BET直线图的截距。
样品的表面积SBET按照公式(5)计算(氮分子横截面积取0.162nm2)。
SBET=4.353×Vm (5)
式中:
SBET---样品的比表面积,单位为平方米每克(m2/g);
Vm ---单层吸附量(标准状况),单位为立方厘米每克(cm3/g)。
孔径分布通过Barret-Joyner-Halenda(BJH)模型,通过软件处理数据得到。
8 形貌及粒径分布测试
8.1 测试仪器
高分辨透射电子显微镜。
8.2 测试方法
取适量的催化剂样品加入小烧杯或试管中,用二次蒸馏水润湿后加入乙醇,超声振荡均匀,将适量
分散液滴于洁净干燥的铜网上,也可使用洁净干燥的超薄碳膜或微栅碳膜;干燥后,放入高分辨透射电
子显微镜中进行测试。
按照高分辨透射电子显微镜的操作要求,取一定放大倍数的电镜照片。
注:放大倍数一般为20万倍~50万倍之间,根据样品颗粒尺寸选择合适放大倍数。
8.3 数据处理
统计代表性区域内所包含的所有催化剂粒子的粒径,数量200个以上,给出粒径分布图。按照公式
(6)计算催化剂粒子的平均粒径。
dave=∑
i=1
di/n (6)
式中:
dave---催化剂粒子的平均粒径,单位为纳米(nm);
di ---第i个催化剂粒子的粒径,单位为纳米(nm);
n ---统计的催化剂粒子总数,单位为个。
注:对于形状不规则的颗粒,统计粒径时取颗粒最长尺寸和最短尺寸的平均值。
9 晶型结构和平均粒径测试
9.1 测试仪器
X-射线衍射仪(XRD)。
9.2 样品准备
催化剂样品的量应不少于装满样品池所需的量。
催化剂样品应先置于真空干燥箱中(真空度宜小于或等于-0.085MPa),在80℃条件下干燥4h~
12h,使其完全干燥,然后在真空干燥箱内降低至室温后取出备用。
9.3 测试方法
将催化剂样品装到样品池中并进行压平处理,保证样品表面与样品池表面持平,以防XRD图谱偏
移。将样品放入XRD的样品夹具中。对样品在一定扫速和角度范围内进行扫描,得到催化剂的XRD
谱图。
注:一般扫描角度范围为10°~90°,扫描速度为5(°)/min。
9.4 晶形结构确定
将测试得到的催化剂XRD谱图与标准谱图库进行对照,可确定催化剂的晶形结构。
9.5 数据处理
按照公式(7)计算催化剂的平均晶粒粒径。
d=K×λ/(β×cosθ) (7)
式中:
d---催化剂的平均晶粒粒径,单位为纳米(nm);
K---Scherrer常数,通常取0.89;
λ ---X射线波长,单位为纳米(nm);
β ---半峰宽,单位为弧度(rad);
θ ---衍射角,单位为度(°)。
注:计算半峰宽所取衍射峰需具有高信噪比、无重叠干扰。
10 堆密度测试
10.1 测试仪器
测试仪器如下:
---分析天平:精度为0.1mg;
---量筒:精度为0.1mL。
10.2 样品准备
称取1.0g催化剂样品,催化剂样品应先置于真空干燥箱中(真空度宜小于或等于-0.085MPa),在
80℃条件下干燥4h~12h,使其完全干燥,然后在真空干燥箱内降低至室温后,取出直接进行测试或放
置在干燥器内备用。
10.3 测试方法
按照GB/T 21354-2008中的方法进行测试。
称量量筒质量,记为m1,精确至0.1mg。
采用测试漏斗,在20s~25s之内将一定量的样品倾入量筒中,样品量应超过装满量筒所需的量。
在倾入样品过程中,用玻璃棒以2次/s~3次/s的频率轻轻敲击量筒壁,使样......
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