《质子交换膜水电解制氢阳极催化剂 测试方法》编制说明

《质子交换膜水电解制氢阳极催化剂测试方法》

编制说明

一、任务来源

在碳达峰、碳中和的背景F,以燃料电池为代表的氢能应用技术

为推动能源结构的绿色转型和可持续发展开辟了新的路径。2022年，

发改委发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》指出，

要加快推进质子交换膜燃料电池技术创新，开发关键材料，提高主要

性能指标和批量化生产能力，持续提升燃料电池可靠性、稳定性、耐

久性。电催化剂作为质子交换膜燃料电池的核心材料，对燃料电池的

成本、性能及寿命均有重要影响。

质子交换膜电解水制氢阳极催化剂是电解水制氢技术的核心，其

性能和稳定性直接决定了电解水制氢的效率和成本。因此，建立一套

科学、准确、可行的质子交换膜电解水制氢阳极催化剂测试方法，对

于推动电解水制氢技术的发展和应用具有重要意义。

经标准起草组及专家组多次调研论证，根据《团体标准管理规定》

《中国中小企业协会团体标准管理办法（试行）》有关规定，特立项

本标准。标准项目计划编号为T/CASMESXXX—2024。

二、起草单位

本标准由中国中小企业协会提出并归口。本标准由北京理工大学、

中科院青岛生物能源与过程研究所、深圳市氢蓝时代动力科技有限公

司、安徽桃水新能源科技有限公司、湖南七维氢能科技有限公司、涌

氢（深圳）能源科技有限公司、中国恩菲工程技术有限公司、西安泰

金新能科技股份有限公司、苏州的氢新能源科技有限公司、华氢昊能

（广东）新能源有限公司、武汉电弛新能源有限公司、华兴中科标准

技术（北京）有限公司参与起草。

三、标准的编制原则

标准起草小组在编制标准过程中，以国家、行业现有的标准为制

订基础，结合我国目前PEM制氢的发展现状，按照CB/TL1—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》的规定及相

关要求编制。

四、标准编制过程

2023年8月21日，中国中小企业协会正式批准《质子交换膜水电解

制氢阳极催化剂测试方法》立项。

五、标准主要内容

1金属含量测试

金属含量测试根据不同的钺基催化剂类型分为热还原法和电感耦

合等离子体发射光谱（ICP-OES）法两种。该方法涉及质量含量的测定,

原子含量可以通过质量含量进行换算。

i.i钺含量测定

2

1.L1适用范围

此方法适用于二氧化铳、钺黑等PEM电解水阳极催化剂材料中钺含

量的测试。

1.L2测试仪器和设备

a）管式加热炉；

b）分析天平：精度为0.1mgo

1.1.3测试方法

称量不少500mg的待测样品，记录质量Ml,将待测样品放入干净

的瓷舟中，在管式炉中使用（5%）Ar混合气进行还原，从室温升至

1000℃,升温速率不高于L5C/min。待温度降至室温后将样品进行

称量，其质量M2为钺的质量，通过公式（1）进行计算即可得到Ir的

质量含量W%o

w%=—MlX100%......（1.）

式中：

Ml——待测样品质量；

M2---钺的质量。

1.2非钺含量测定

1.2.1适用范围

此方法适用于二氧化钺、钺黑、负载型二氧化钺、立基合金等PEM

电解水阳极催化剂材料中其它非钺金属含量的测试。

1.2.2测试仪器和设备

3

a）电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）,最低检测限《1H

g/L；

b）分析天平：精度为0.1mg;

O平板加热台。

1.2.3测试方法

称量不少于500mg的待测样品后，溶解于20mL王水（由浓硝酸/浓

盐酸按1/3体积比配制而成的新鲜溶液）中，在加热台升温至180C加

热10小时后，冷却转移至定容仪器，使用ICP-OES定量测试其中的功能

性非钺金属（如Pt、Ru、Co、Ti等）含量和关注的杂质金属含量，通

过数据处理确定催化剂中非钺金属元素的质量含量。作为一种估算方

法，钺含量可依据对催化剂样品中非钺金属的主要存在形式和含量进

行对应的转换进行估算。

2形貌及粒径分布测试

2.1测试仪器

满足不同催化剂粒径测试要求的透射电子显微镜。

2.2样品准备

在试验前，将样品置于真空烘箱中于80℃干燥12"

2.3测试方法

a）将铜网进行除油、除污处理，并清洗、干燥;

4

b）取适量的样品和乙醇加入小烧杯，超声振荡均匀，将运量混合

液滴于铜网上，干燥后，放入透射电镜仪器中进行测试；

0按照电镜仪器的操作要求，取一定放大倍数的电镜照片。

2.4数据处理

统计200个以上的样品颗粒的粒径，给出粒径分布图。按照公式

（2）计算样品的平均粒径：

Dm.....................⑵

式中：

Dm一—催化剂粒子的平均粒径，单位为纳米（nm）;

M一一粒径为di的粒子数，单位为个；

&——第i个样品粒子的粒径，单位％纳米（nm）。

3比表面积、孔容、孔径分布测试

按照GB/T5816-1995规定的方法进行测试0

4堆密度测试

按照GB/T13566-1992规定的方法进行测试。

5晶体结构测试（非强制检测项目，仅作参考）

5」测试仪器

X-射线衍射仪（XRD）。）样品准备

a）催化剂样品量不低于装满样品池所需的量。

5

b）将样品置于真空烘箱中于80C干燥12h至完全干燥。

5.2测试方法

a）将样品装到样品槽中，用载玻片压片，样品表面要与样品槽表

面持平；

b）将样品槽放入XRD测试仪的样品夹具中；

0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。

5.3数据处理与报告

与标准谱图库对照，确定催化剂主要成分的晶型结构。

6ECSA测试

6.1测试样品

测试样品的取量应满足3次有效试验的需求，置于80C的真空烘箱

中干燥12ho

6.2测试仪器

电化学恒电位测试仪

6.3测试方法

电解液配置和电极处理方式可参照本标准的10.3.1和10.3.2,并

按照下列步骤进行试验:

6

a）称取25±0.1mg催化剂样品；

b）样品中依次加入5%Nafion溶液100±0.8pL,去离子水200

±1.2uL、异丙醇4.8±0.02mL;

0使用功率不低于200W的超声波超声至溶液均匀，时间大于30

min,超声过程中水浴温度不高于20°C,直到无明显沉淀和颗

粒；

d）取适量超声后的催化剂浆液（6-lOuL）均匀滴加在圆盘电极表

面，使其均匀扩散到圆盘电极表面（可采用电极旋涂专用装置），

将电极在室温下自然干燥30min后，使用光学显微镜观察修饰

电极层，确保催化剂层厚度均匀（以不出现类似“咖啡环”的

催化剂环状聚集或光学显微镜下可见的高度起伏为准），即可

使用。根据催化剂浆料固含量和体系计算电极上的钺载量（或

总贵金属载量），在测试同一类催化剂时应尽量保证电极上贵

金属载量相近；

e）将d）中的工作电极置于电解池中，组成三电极体系，参比电极

为可逆氢电极（RHE）、饱和甘汞电极（SCE）、汞硫酸亚汞电

极（Hg/Hg2sOP中的一种，对电极为大面积Pt片或Pt丝，电

解质为氧气饱和的0.5mol/L的硫酸（HSOP溶液或0.Imol/L

2

的高氯酸（HC10Q溶液；

f）设置不同的扫描速度（10mV/s-120mV/s）、电位区间为非法拉

第区（1.0-1.IV）,测试循环伏安曲线；

g）按上述步骤试验3次，计算平均值。

6.4数据处理

7

a)双电层电容与扫描速率成正比1=v-C,v=10mV/s-120mV/s,

cdl

i表示电流密度，1取测试得到数据的中间电位处电流密度的平

C

均值。

通过测试得到的不同扫描速率对应的电流密度可以作图，拟合

后斜率为Cdi。

b)ECSA按公式(3)计算。

・2)⑶

ECSAgz.g)=Ageo(cm)/Mc.uiy«t(6............

式中：

ECSA一一电化学活性表面积；

Cdi------双电层电容；

2

Cs——理想光滑表面的电容，一般为60MF-cnf;

Ageo-----------电极的表面积；

Mcatalyst----------催化剂中钺或贵金属的总质量。

7催化剂极化曲线测试

7.1测试仪器

电化学恒电位测试仪，旋转圆盘电极

7.2样品准备

a)测试样品的取量应满足3次有效试验的需求，置于80℃的真空烘

箱中干燥12ho

b)参照9.3的a~e步骤。

8

7.3测试方法

7.3.1准备工作

a）电解液配置

按照试验需求，将浓硫酸稀释至0.5mol/L或浓高氯酸稀释至

0.1mol/L。

b）电解池清洗

使用时将电解池在去离子水中煮沸3次，不使用时将电解池保

存在去离子水中，然后使用前定期清洗。

O参比电极校准

用两根的电极和待使用的参比电极构成三电极体系，珀电极做

工作电极，在电解液中通入氢气，在-0.2-0.5V的电位之间进

行循环伏安扫描，得到电流密度为0时的电位即为参比电极的

电位。

7.3.2工作电极制作

a）工作电极打磨

使用前，准备大小两种粒径的三氧化二铝粉末，先把大粒径的

三氧化二铝粉末和水在鹿皮上进行混匀，将工作电极按照画8

字的手法在旄皮上进行打磨15min,再将小粒径的三氧化二铝

粉末和水在鹿皮上进行混匀，重复上述操作，最后将电极用水、

乙醇循环超声清洗3次（每次3min）至干净，用氮气吹干备用。

2

稳定性测试时采用的碳纸需要提前或剪，有效面积为1cmo

b）催化剂成膜

9

按照9.3中的方法制备催化剂浆料，将6-10uL催化剂（含催

化剂50-200ug）分散液滴至玻碳电极上，将电极在室温下干

燥30min后可使用。

7.3.3线性扫描伏安（LSV）测试

a）活化

将工作电极在氧气饱和的电解液中以1600rpm进行旋转，在

1.00和1.70V之间以100mVST的扫描速率进行线性循环伏

安极化，一般进行20个周期直至曲线稳定。

b）循环伏安（CV）测试

在同一电解质中以10mVST的扫速在1.00和1.65V之间循

环极化2次，转速为1600rpm,称为观察循环。

C）线性极化测试

继续以1.00和1.65V为电位区间进行10mVsT的正向测试，转

速为1600rpm,得到LSV曲线，重复三次取平均值。

7.3.4催化剂稳定性测试（非强制检测项目，仅作参考）

催化剂稳定性测试通常在线性扫描伏安测试后进行，为了防止玻

碳电极的钝化和催化剂脱落，工作电极可采用碳纸负载催化剂（载量

为0.3mgcm-2）,测试方式一般有以下三种：

a）计时电位法

10

在恒定的电流密度下（10mAcnf\100mAck等），记录电压

随时间的变化。

b）计时电流法

在恒定的电压下（L5VvsRHE、1.6VVSRHE等），记录电流随

时间的变化。

O加速耐久性测试（ADT）

对工作电极进行循环伏安扫描极化，进行30000次循环极化，

扫描速率为100mV/s,电位扫描范围为1.2-L7V（相对于可逆

氢电极），再次测试催化剂活性。

在评价时，选择一种以上即可。

7.4数据处理

7.4.1电压校准

按照参比电极测试结果进行校准。

7.4.2电流密度计算：

a）面积比活性

.fA-2\i(A)X1000

i(mAcm2)=".(4)

aMogZ)

式中：

i一一测试所得的电流;

Ageo------------电极的表面积。

b）质量比活性

im(mAmgT)=a^(5)

式中:

11

Mcatalyst---------催化剂中钦或贵金属的总质量。

7.4.3按校正计算后的电压、电流密度结果，绘制电压与电流密度的关

系曲线。

8全电解池极化曲线测试

8.1样品制备

a）取一定量催化剂，真空烘箱中于80C干燥12小时，作为待测样

品。

b）样品质量应满足3次有效实验的要求。

8.2测试装置和材料

8.2.1端板和流场板可为分离式或集成式。

8.2.2端板的抗压强度应满足PEM水电解单池组装压力的要求。

8.2.3流场板应为带有电脑刻绘的蛇形流场的钛板或镀金不锈钢板，流

场有效面积应不小于膜电极有效测试面积。

8.2.4集流板采用镀金的不锈钢板。

8.2.5质子交换膜电解水测试平台应包括能精确控制电流和电压的电

源、控制进水温度的加热装置、控制水流量的水循环泵、控制电解池

温度的加热装置。

8.3测试用水

电导率小于0.25uS/cm的去离子水。

12

8.4测试过程

8.4.1催化层制备

a）使用200-400Um厚度的多孔钛毡作为阳极和阴极气体扩散层

和催化层支撑层，使用Nafion115/Nafion117作为固态电解质

膜，催化层制备使用气动或超声喷涂技术，按照阳极钺担载量

2

为1.0mgr/cm\阴极Pt担载量为0.5mgt/cm,确定电极有效

面积后（一般为5c裙或者25cm2）,计算制备催化层所用催化

剂使用量，并称量精确至0.1mgo

b）用少量去离子水充分润湿催化剂后，按照W催化剂：WNarion（m）=l：1

的比例加入20%Nafion的溶液，按照W催化剂：W分散剂=1:50的

比例加入低级醇（乙醇、异丙醇等）作为分散剂。将上述混合

物进行充分混合与分散，先通过磁力或机械搅拌在不小于500

rpm的转速下将催化剂浆料搅拌30min,再用功率不小于200W

的超声分散仪在不高于20℃的环境下分散不少于30min,经观

察确认分散至无硬块、无粘连、无颗粒后取出备用。如仍有结

块或显著沉淀物，沿着上述步骤再进行混合与分散。

O催化剂浆料喷涂有以下两种方式：

--将催化层制备于气体扩散层表面（CCS）：将裁剪至有效测试面

积的钛毡固定于加热吸附台，保持吸附热台的温度为80℃,在

钛毡表面喷涂至计算的氮载量，取下钛毡，将其置于60C真空

烘箱中烘干、称重，根据烘干后催化层的质量确定是否需要再

次喷涂，并计算准确荷载量。该方法适用于阳极CCS和阴极CCS

的制备。

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--将催化层制备于固态电解质表面（CCM）：将暴露大小为有效测

试面积的固态电解质（质子交换膜）固定于加热吸附台，保持

吸附热台的温度为80℃,在固态电解质膜表面喷涂至计算的担

载量，取下固态电解质膜，将其置于60℃真空烘箱中烘干、称

重，根据烘干后催化层的质量确定是否需要再次喷涂，并计算

准确的单面荷载量。如需制备阴极和阳极双面均有催化层的CCM,

则按照上述步骤继续在同一张膜的反面涂敷催化层。

8.4.2MEA制备

将上述材料按照气体扩散层-阳极/阴极催化层-固态电解质膜-阴

极/阳极催化层-气体扩散层的顺序组合。

a）如为CCS型电极，按照CCS（阴极）-固态电解质膜-CCS（阳

极）、催化层面向固态电解质膜的原则组合放置；

b）如为CCM型电极，按照气体扩散层（钛毡）YCM-气体扩散层

（钛毡）、催化层面向气体扩散层的原则组合放置。

OMEA组合的上下面置于两张平整的A4纸之间，置于热压机下平

板上，在130r,1.5MPa的压力下，保持热压6min,取出后

用1—2kg的重物压住，使其在室温下冷却，即可制得MEA。

8.4.3电解池组装

根据定位孔位置，按顺序将端板、密封膜、集流板、流场板及MEA

进行组装，按照图1所示顺序，逐一使用紧固螺栓、螺帽及渐进型力矩

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扳手对电解池进行夹紧处理，根据膜电极组件厚度的压缩率为15%-30%

确定力矩扳手的扭力范围。

图1单池的紧固螺栓位置

电池组装能力应满足以下条件：

--气体扩散层与双极板之间的接触电阻最小；

--扩散层厚度方向压缩率＜30%;

8.5测试方法

8.5.1总体要求

单池的极化曲线测试应满足下列测试条件：

a）去离子水电导率：＜0.25S/cm;

b）去离子水流速：＜20mL/min;

O单池温度：60℃-80℃o

8.5.2MEA活化

将单池安装到测试平台上，阴极进水流量可设置为0-2mL/min,

阳极进水流量设定为2-lOmL/min,单池温度设定到60℃。电源设定在

恒电流（电流密度为0.2A/cm2）下保持30min,提升电流密度至L0

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A/cm’下保持30min,再将电源设定为恒电压模式1.7V,直到电流波动

小于1%。

8.5.3电解池极化曲线测试

8.5.3.1在规定电解池操作条件下，将电解池温度提升至80℃,采取恒

定电压方式，按照表1中的运行参数测试电池输入电压。电压每增加

50mV,恒电压运行30s,记录稳定的电流值。

表1运行参数

电流(A)电流密度

电压(V)持续时间(s)

(mA/cm2)

1.3030••••••••••••

1.3530

1.4030

1.4530

1.5030

1.5530

1.6030

1.6530

1.7030

1.7530

1.8030

16

电流(A)电流密度

电压(V)持续时间(s)

(mA/cm2)

1.8530

1.9030

...••••••

2.2030

8.5.3.2当电池工作电压高于2.2V时终止测试。

8.5.3.3前一次极化曲线测试结束时间超过10min后，重复测试第二次，

每个单池至少测试三次极化曲线。

8.6数据处理

8.6.1按极化曲线测试中记录的电压、电流结果，绘制电压与电流密度

的关系曲线。

8.6.2单电解池面积比活性按公式(6)计算。

“六.....................⑹

式中：

is——催化剂的面积比活性，单位为安每平方厘米(A/cd)；

I——记录电流，单位为安(A