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| 标准编号 | GB/T 45092-2024 (GB/T45092-2024) | | 中文名称 | 电解水制氢用电极性能测试与评价 | | 英文名称 | Testing and evaluation of electrodes performance for hydrogen production by water electrolysis | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | F19 | | 国际标准分类 | 27.010 | | 字数估计 | 26,218 | | 发布日期 | 2024-11-28 | | 实施日期 | 2025-03-01 | | 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 45092-2024: 电解水制氢用电极性能测试与评价
ICS 27.010
CCSF19
中华人民共和国国家标准
电解水制氢用电极性能测试与评价
bywaterelectrolysis
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
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 测试与评价指标 2
5 超声失重量测试 2
5.1 原理 2
5.2 试剂 2
5.3 设备 2
5.4 样品 2
5.5 测试条件 2
5.6 测试步骤 3
5.7 数据处理 3
6 过电位测试 3
6.1 原理 3
6.2 试剂 4
6.3 设备 4
6.4 样品 5
6.5 参比电极 5
6.6 对电极 5
6.7 测试条件 6
6.8 测试步骤 6
6.9 数据处理 6
7 正反极化稳定性测试 6
7.1 原理 6
7.2 试剂 7
7.3 设备 7
7.4 样品 7
7.5 参比电极和对电极 7
7.6 测试条件 7
7.7 测试步骤 7
7.8 数据处理 7
8 小室平均电压与小室平均电压变化率测试 7
8.1 原理 7
8.2 试剂 8
8.3 设备 8
8.4 样品 9
8.5 测试条件 9
8.6 测试步骤 9
8.7 数据处理 9
9 波动电流电解测试 10
9.1 原理 10
9.2 试剂、设备、样品和测试条件 10
9.3 测试步骤 10
9.4 数据处理 11
10 试验报告 12
附录A(规范性) 参比电极的电极电位校正 13
附录B(资料性) 电位转换、电流密度、电位补偿计算 15
附录C(资料性) 单池电解槽 16
参考文献 20
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
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电解水制氢用电极性能测试与评价
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全和保护措施,明确其限定范围,并保证符合国家有关法律法规、强制性国家标准的规定。
1 范围
本文件描述了电解水制氢用电极超声失重量、过电位、正反极化稳定性、小室平均电压与小室平均
电压变化率、波动电流电解的测试评价方法。
本文件适用于碱性电解水制氢用电极的性能测试与评价,氢氧根离子交换膜电解水制氢用的析氢
电极、析氧电极参照执行。
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/T 678 化学试剂 乙醇(无水乙醇)
GB/T 2306 化学试剂 氢氧化钾
GB/T 2900.98 电工术语 电化学
GB/T 3634.2 氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢
GB/T 6682 分析实验室用水规格和试验方法
GB/T 14599 纯氧、高纯氧和超纯氧
GB/T 15724 实验室玻璃仪器 烧杯
GB/T 21648 金属丝编织密纹网
GB/T 28817 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法
3 术语和定义
GB/T 2900.98界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
过电位 overpotential
电极上发生电极反应时,工作电位与理论电位之差的绝对值。
注:过电位需注明对应电流密度,工作电位和理论电位是相对于同一参比体系的数值。
3.2
小室平均电压 averagecelvoltage
在一定电流密度下进行电解时,一定时间段内的小室电压的平均值。
注:对于单池电解槽,小室平均电压是在一定时间段内电解槽电压的平均值;对于多池电解槽,则是一定时间段内
的电解槽电压平均值除以串联小室数目后的数值。
3.3
一定pH溶液中,通入氢气达到饱和状态时,铂电极上氢气与氢离子的氧化还原反应达到平衡建立
了平衡电极电势的电极。
注:可逆氢电极的电势和pH有关,25℃下可逆氢电极的电势为E=-0.0592pH。
4 测试与评价指标
电极性能测试与评价要求见表1。
表1 电极性能测试项目
序号 测试项目 测试方法 对应章编号 评价指标
1 超声失重量 超声处理 5 符合产品设计要求
2 过电位 计时电位法 6 符合产品设计要求
3 正反极化稳定性 电流阶跃法 7 符合产品设计要求
4 小室平均电压及小室平均电压变化率 恒电流电解法 8 符合产品设计要求
5 波动电流电解 电流阶跃法、计时电位法 9 符合产品设计要求
5 超声失重量测试
5.1 原理
将测试电极放置在超声失重量测试系统中,在一定的频率和功率下进行一段时间的超声振荡处理,
测量超声振荡前后电极的质量,并计算超声失重量。
5.2 试剂
测试液为纯水,并应符合GB/T 6682中一级水的规定。
5.3 设备
5.3.1 真空烘箱
具有抽真空功能,最小真空度133Pa;具有恒温功能,温度应符合测试需求。
5.3.2 超声波清洗机
超声波清洗机的超声波频率宜为40kHz,超声换能器可施加电功率为300W,其产生的声辐射水
平波束角为360°、垂直波束角不低于180°,超声波清洗机应具有恒温效果。超声波清洗机内槽尺寸宜
为300mm×240mm×180mm。
5.4 样品
5.4.1 规格尺寸
测试电极为40mm×40mm的矩形。一组测试电极数量为3片,3片应来自同一批电极。对于需
要活化的电极,应选用活化处理后的电极进行测试。
5.4.2 样品制备
应按照测试电极的规格尺寸裁剪,尺寸误差小于2%,剪裁后保持电极平整,并圆滑处理电极边缘
毛刺、锯齿或尖锐凸起。
5.5 测试条件
超声波清洗机中测试液的温度为30℃±1℃。
5.6 测试步骤
电极超声失重量测试步骤如下。
a) 处理:用纯水对电极进行反复冲洗至少3次,再用无水乙醇(本文件中除另有规定外,无水乙醇
应符合GB/T 678中分析纯的规定)对电极进行反复冲洗至少3次;并将电极在70℃、真空度
不大于200Pa的真空烘箱中干燥处理2h以上。
b) 称重:依次称量3片电极,分别记录3片电极的初始质量mi,0,精度为0.1mg。
c) 超声处理:每次处理1片电极,将电极水平置于盛有200mL测试液的250mL玻璃烧杯容器
底部(本文件中除另有规定外,玻璃烧杯应符合GB/T 15724中250mL标称容量的规格),将
烧杯置于超声波清洗机最中间底部并固定,超声波清洗机中加入水至内槽水面高度为
50mm,然后在温度为30℃±1℃条件下连续处理60min。超声失重量测试时样品放置位置
见图1。
d) 取出测试电极按a)和b)所述步骤对超声后电极进行处理和称重,分别记录3片电极的终止质
量mi。
标引序号说明:
1---超声波换能器;
2---测试电极;
3---水;
4---测试液;
5---烧杯;
6---超声波清洗机;
7---塞子。
图1 超声失重量测试样品放置位置示意图
5.7 数据处理
按公式(1)计算测试电极的超声失重量:
Δm=
∑3i=1(|mi,0-mi|)
∑3i=1Ai
(1)
式中:
Δm ---单位面积超声失重量,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2);
mi,0---每片电极的初始质量,单位为毫克(mg);
mi ---第i片电极的终止质量,单位为毫克(mg);
Ai ---第i片电极的面积,单位为平方厘米(cm2)。
6 过电位测试
6.1 原理
在三电极测试系统中,采用计时电位法测量测试电极在一定电流密度下的工作电位,用工作电位与
理论电位之差计算电极的过电位。
6.2 试剂
测试溶液为200mL、浓度1mol/L的KOH溶液,氢氧化钾应符合GB/T 2306中优级纯或分析纯
的规定,纯水应符合GB/T 6682中一级水的规定。
6.3 设备
6.3.1 测试装置
电极过电位的测试装置采用三电极测试系统见图2。其中,对电极(辅助电极)正对测试电极工作
面摆放,距离为4cm;参比电极端头或盐桥端头与测试电极底边平齐,与测试电极侧边相距1mm,端头
中心位置处于测试电极平面的延伸面上。
单位为毫米
标引序号说明:
1---电化学工作站;
2---恒温加热锅;
3---取样口;
4---搅拌磁子;
5---参比电极或盐桥;
6 ---工作电极或测试电极;
7 ---电解池;
8 ---进气口;
9 ---对电极(辅助电极);
10---出气口。
图2 三电极测试系统示意图
6.3.2 电化学性能测试仪
电流应不小于2A,电流精度为满量程的±0.1%;电压量程为-10V~10V,精度为±1mV。
注:电化学性能测试仪也称电化学工作站。
6.3.3 电解池
电解池应为带有电极、充气管固定装置的圆柱状带盖容器,材质为聚四氟乙烯或耐碱玻璃,标称容
积为250mL。
6.3.4 恒温加热锅
恒温加热锅应具备磁力搅拌和恒温功能,磁力搅拌转速范围为0r/min~500r/min,温度调节功能
应符合测试要求。
6.3.5 搅拌磁子
搅拌磁子长度为20mm,直径5mm,外形为胶囊形,外部包裹四氟乙烯。
6.4 样品
6.4.1 测试电极形状为带极耳的正方形,极耳部分尺寸为10mm×5mm,测试部分有效面积按几何面
积计算,其尺寸为20mm×20mm。典型测试电极规格尺寸见图3。
单位为毫米
图3 过电位测试用电极的规格尺寸
6.4.2 测试电极按5.4.2的规定进行制备。
6.4.3 测试电极的极耳部分与导线连接后绝缘封装,测试部分的有效面积及截面不进行绝缘封装。
6.4.4 一组测试电极数目应不少于3片,且均来自同一批电极;测试前宜按照5.6a)的规定对测试电极
进行清洗处理。对于需要活化步骤的电极,应选用活化处理后的测试电极。
6.5 参比电极
参比电极选用汞/氧化汞电极或外接盐桥的饱和甘汞电极,使用前应按附录A所述方法对参比电
极进行电位校正。
6.6 对电极
对电极采用纯镍电极,纯度不小于99.5%,有效尺寸为30mm×30mm。
6.7 测试条件
电极过电位测试条件如下。
a) 测试溶液温度控制为25.0℃±0.5℃。
b) 测量析氢电极时,测试溶液中持续充氢气维持饱和状态;测量析氧电极时,测试溶液中持续充
氧气维持饱和状态。本文件中除另有规定外,所用氧气应符合GB/T 14599中高纯氧的规定,
氢气应符合GB/T 3634.2中高纯氢的规定。
c) 搅拌测试溶液,保持磁子转速为300r/min。
d) 在采用计时电位法测量过电位之前,宜采用电化学阻抗谱(EIS)法测试待补偿电阻(内阻),测
试方法符合GB/T 28817的规定。
6.8 测试步骤
电极过电位测试步骤如下。
a) 测量工作电极的开路电位,持续时间不低于10min,当电位波动稳定在5mV/min以内,可进
行下一步试验。
b) 开启计时电位法测量功能,在电流密度为100A/m2 和1000A/m2 下,分别测量析氧电极电
位随时间变化曲线,采样频率应不低于1Hz,测试时间应不低于60min,记录测试电极的电位
值,宜采用50min~60min之间的电位平均值作为该电流密度下的工作电位。
c) 开启计时电位法测量功能,在电流密度为-100A/m2 和-1000A/m2 下,分别测量析氢电极
电位随时间变化曲线,采样频率应不低于1Hz,测试时间应不低于60min,记录测试电极的电
位值,宜采用50min~60min之间的电位平均值作为该电流密度下的工作电位。
6.9 数据处理
过电位按公式(2)计算:
η=
∑ni=1(|Ecomp,i-Eθ|)
n ×1000
(2)
式中:
η ---过电位,单位为毫伏特(mV);
Ecomp,i ---经电阻补偿后,相对可逆氢电极(RHE)的工作电位,单位为伏特(V);
Eθ ---相对可逆氢电极,电极反应的理论电位,单位为伏特(V);
n ---测试电极数量。
注1:若无特殊说明,文中所有三电极体系测试中所使用的电位均是相对可逆氢参比电极时的电位,Ecomp的计算见
附录B。
注2:测量析氢电极时,Eθ取0.0V;测量析氧电极时,Eθ取1.23V。
7 正反极化稳定性测试
7.1 原理
测试析氧电极在较高电流密度下阳极极化(正极化)和较低电流密度下阴极极化(反极化)后性能的
变化;测试析氢电极在较高电流密度下阴极极化(正极化)和较低电流密度下阳极极化(反极化)后性能
的变化。在二电极体系下,对电极进行正反极化测试,运行1000个周期;正反极化性能测试前后,在三
电极体系下分别测试电极过电位,以所得过电位的差值表征为正反极化稳定性。
7.2 试剂
测试溶液应符合6.2的规定。测试过程中,通过定期补水和补充KOH溶液使KOH溶液浓度维持
在1.00mol/L±0.05mol/L,KOH溶液可通过取样口采集。
7.3 设备
7.3.1 正反极化稳定性的测试采用二电极测试系统和三电极测试系统,测试系统应符合6.3.1的规定,
但二电极测试系统不含参比电极。
7.3.2 电化学性能测试仪、电解池、恒温加热锅应符合6.3的有关规定。
7.4 样品
测试电极应符合6.4的规定。
7.5 参比电极和对电极
参比电极应符合6.5的规定。对电极应符合6.6的规定。
7.6 测试条件
测试条件应符合6.7的相关规定。
7.7 测试步骤
正反极化稳定性测试步骤如下:
a) 在三电极测试系统中,按照6.8的规定测量每一片测试电极正反极化前的过电位ηi,0;
b) 在二电极测试系统中,启动电流阶跃法测试,每一片测试电极在单个周期内进行3000A/m2
下正极化10min后,然后电流反向300A/m2 下进行反极化10min,周期性运行1000次;
c) 测试电极经历正反极化测试后,按照6.8的规定测量每一片测试电极的过电位ηi,1000。
7.8 数据处理
电极经历1000周期正反极化后的电位变化按公式(3)计算:
Δη=
∑ni=1|ηi,0-ηi,1000|
n ×1000
(3)
式中:
Δη ---电极经历1000周期正反极化后的过电位变化,单位为毫伏特(mV);
ηi,0 ---第i片测试电极正反极化测试前的过电位,单位为伏特(V);
ηi,1000---第i片测试电极经1000周期正反极化测试后的过电位,单位为伏特(V);
n ---测试电极数量。
8 小室平均电压与小室平均电压变化率测试
8.1 原理
在电解槽测试系统中,采用恒电流电解法记录第70h~72h的平均电解电压,作为小室平均电压。
继续运行一段时间(t≥500h)后,记录第(t+70h)~(t+72h)内的小室平均电压。通过记录这两个时
间段的小室平均电压和间隔时间,计算小室平均电压变化率。恒定电流密度应根据电极测试需求设置,
可采用3000A/m2、4000A/m2,5000A/m2、8000A/m2、10000A/m2 等通用参数值。
8.2 试剂
测试溶液为质量分数为30%的KOH溶液。氢氧化钾应符合GB/T 2306中优级纯或分析纯的规
定,纯水应符合GB/T 6682中一级水的规定。
8.3 设备
8.3.1 电解槽测试系统
电解槽采用单池电解槽,测试系统见图4。
标引序号说明:
1---冷却加热一体机;
2---碱液循环泵;
3---电解槽;
4---阴极气液分离器;
5---补液泵;
6---纯水箱;
7---温度探点;
8---恒流电源;
9---阳极气液分离器。
图4 单池电解槽测试系统示意图
8.3.2 恒流电源
电流量程为20A~40A,精度为满量程的±0.5%;电压量程不小于5V,精度为满量程的±0.5%。
8.3.3 单池电解槽
单池电解槽的结构、安装要求见附录C。
注:单池电解槽为常压电解槽。
8.3.4 碱液循环泵
碱液循环泵流量宜为0.5L/min。
8.3.5 补液泵
补液泵流量不小于20mL/h。
8.3.6 气液分离器
气液分离器材质为聚丙烯、聚四氟乙烯、碳钢镀镍或316L不锈钢。
8.4 样品
测试电极应符合下列要求:
a) 电极形状为矩形,尺寸为50mm×40mm,长、宽尺寸误差均≤±1mm,采用游标卡尺测量电
极实际尺寸;
b) 测试电极为单一析氢电极或单一析氧电极时,采用基本目数(英制)为46,丝径为0.25mm的
无涂层镍网作为对应的析氧阳极或析氢电极,镍网应符合GB/T 21648的规定;
c) 测试电极裁剪后保持电极平整,圆滑处理电极边缘毛刺、锯齿或尖锐凸起;
d) 对于需要活化的电极,应采用活化处理后的电极;
e) 测试样品数量宜不少于3片。
8.5 测试条件
小室平均电压的测试应符合下列条件:
a) 测试溶液温度为85℃±1℃;
b) 调节阴极、阳极出液口阀门保持两极气压动态平衡;
c) 测试过程中,应进行补水以保证测试溶液密度在1.28g/cm3±0.03g/cm3。
注:密度为25℃下的对应值。
8.6 测试步骤
小室平均电压和小室平均电压变化率测试步骤如下。
a) 测试电极装电解槽前,应按照5.6a)的规定对测试电极进行清洗处理;处理后,称量电极的质
量mi,0,精确为0.1mg。
b) 开机预热:测试前10min,开通恒流电源进行预热。
c) 在单池电解槽测试系统中,启动恒电流电解法测试,使得电解槽在恒定电流密度下持续运行至
少500h,采样间隔应为30s。
注:电流密度通常设置为3000A/m2、4000A/m2、5000A/m2、8000A/m2 或10000A/m2,在报告中注明设置的
测试电流密度值。
d) 记录测试时间内,第70h~72h和第(t+70h)~(t+72h)的小室电压,其中t≥500h,将上述
两段时间内小室电压的代数平均值作为小室平均电压值。
e) 电解结束后,按照5.6a)的规定处理电解后的测试电极,称量电极的质量mi,精确为0.1mg。
8.7 数据处理
8.7.1 小室平均电压变化率
小室平均电压变化率按公式(4)计算:
νd=
∑ni=1|Vi-Vi,0|
n×t ×
106 (4)
式中:
νd ---小室平均电压变化率,单位为微伏特每小时(μV/h);
t ---运行72h后,再继续运行时间,单位为小时(h);
Vi ---第i片测试电极,在(t+70h)~(t+72h)测试时间段内电解槽的小室平均电压值,单位为
伏特(V);
Vi,0---第i片测试电极,在70h~72h测试时间段内电解槽的小室平均电压值,单位为伏特(V);
n ---测试电极的数量。
注:在试验报告中注明运行时间t。
8.7.2 电极单位面积质量变化
分别记录小室平均电压测试前电极质量和测试后电极质量,测试电极在高温、强碱溶液长时间运行
后的质量变化,电极单位面积质量变化按公式(5)计算:
Δm=
∑ni=1|mi,0-mi|
∑ni=1Ai
(5)
式中:
Δm ---电极单位面积质量变化,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2);
mi,0---每片电极的初始质量,单位为毫克(mg);
mi ---第i片电极的终止质量,单位为毫克(mg);
Ai ---第i片电极的面积,单位为平方厘米(cm2);
n ---测试电极的数量。
9 波动电流电解测试
9.1 原理
在电解槽测试系统中,安装了测试电极的电解槽在设定的周期性波动变化的电流密度下运行,依据
第一周期和最后一周期相同电流密度下小室平均电压,计算小室平均电压变化差值。波动电流电解前,
在三电极电化学性能测试系统中,记录测试电极同批次电极的过电位;波动电流电解结束后,从测试后
的电极上取样......
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