搜索结果: GB/T 20042.5-2024, GB/T20042.5-2024, GBT 20042.5-2024, GBT20042.5-2024
| 标准编号 | GB/T 20042.5-2024 (GB/T20042.5-2024) | | 中文名称 | 质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法 | | 英文名称 | Proton exchange membrane fuel cell - Part 5: Test method for membrane electrode assembly | | 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 | 54,548 | | 发布日期 | 2024-12-31 | | 实施日期 | 2025-07-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 20042.5-2009 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | 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
CCSK82
中华人民共和国国家标准
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
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
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
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、
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。
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。
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 Ptgroupmetalloading
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。
3.2
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 ratedcurrentdensity
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 decayratio
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。
5.2 测试仪器
测厚仪:准确度不低于0.001mm。
5.3 样品制备
样品有效面积不小于25cm2。
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4h。
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200mm2,测试过程测试头施加在样品表面的压强为
25kPa。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5mm。
压缩厚度测试:测量头与样品的接触面积为200mm2,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5mm。
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=∑
i=1
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。
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0mm~200mm,准确度不低于0.02mm;
---容量瓶:B级;
---马弗炉或其他可加热至1000℃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≤0.1μS/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20cm2 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4h。
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6h,再升温至900℃~950℃进行氧化灰化12h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5mL~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0.2mL~0.6mL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
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1mA,准确度不低于±0.1%FS,电流采集频率不低于2Hz。
电压:量程-2V~2V,准确度不低于1mV,调节响应≤100ms,电压采集频率不低于2Hz。
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℃。
压力:准确度不低于±3.5kPa。
7.2 样品的制备
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;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±10kPa),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50kPa。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。
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±10kPa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
50kPa,停止进气后保持10min。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:101kPa(绝对压力)......
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