编制说明-《质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法》

《质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法》

编制说明

一、工作简况

1.1任务来源

《质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法》团体标准是由中国汽车工

程学会批准立项。文件号中汽学标【2022】145号，任务号为2022-80：。本标准

由特嗨氢能检测（保定）有限公司提出，北京科技大学等单位共同起草。

1.2编制背景与目标

燃料电池是一种电化学能源转换系统，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学

能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池作为燃料电池领域的重要

分支，除了拥有燃料电池一般性特点之外，还具有比功率高、室温下启动速度快和

寿命长等突出优点。

由于这些突出优点，质子交换膜燃料电池电堆可以作为车用动力电源。车用质

子交换膜燃料电池在运行期间，会有如下的运行工况：启停、怠速、高功率运行、

频繁加减载。这些运行工况容易导致质子交换膜燃料电池局部发生氢气供给不足，

导致阳极电位局部电压升高并超过阴极电位，发生质子交换膜燃料电池电极反极现

象，容易造成催化剂碳载体腐蚀，铂纳米颗粒长大等后果，会严重破坏催化层的结

构，导致质子交换膜燃料电池性能衰减或者失效，严重时甚至会发生烧毁爆炸。

本标准以质子交换膜燃料电池为试验对象，主要规范了质子交换膜燃料电池单电池

抗反极性能测试方法和抗反极前后膜电极性能评价方法。

1.3主要工作过程

本标准于2021年初开始试验验证相关工作，经过大量试验数据积累，2022年

6月和7月进行总结分析，编制标准初稿；于2022年7月进行项目申报，2022年

10月完成标准立项，预计于2022年3月底之前完成标准的公布工作。

2022年10月组织了线上启动会及第一次标准意见评审会，会议由特嗨氢能检

测（保定）有限公司对本标准的来源、技术内容、编制说明等进行了简要的介绍，

各与会专家对本标准的内容进行了详细讨论，主要针对标准的规定术语和定义、测

试方法中的相关技术参数进行了深入讨论。会后整理专家修改意见，进行了草案修

改。

1

2022年12月组织了线上第二次标准意见评审会，山东国创燃料电池技术创新

中心有限公司专家给出了反极前后微观结构表征分析和尾气/尾液成分检测的建

议，会后针对专家意见进行了修改，整理完成了修改意见稿。

二、标准编制原则和主要内容

2.1标准制定原则

国外公开资料暂无质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法相关标准，

本标准经过大量试验数据积累和研究，填补了质子交换膜燃料电池单电池抗反极性

能测试方法方面上的空白。

2.1.1通用性原则

本标准适用于质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试。

2.1.2指导性原则

本标准中对抗反极评价相关测试方法和数据处理进行了详细阐述，对质子交换膜燃

料电池抗反极试验后材料评价起到积极的参考作用。后期根据行业需求进行标准的

宣贯和应用实施方案培训。

2.1.3协调性原则

《燃料电池电动汽车安全要求》（GB/T24549-2009）被修订并于2020年正式发布

《燃料电池电动汽车安全要求》（GB/T24549-2020）。我国对燃料电池电动汽车

安全性重视度极高，反极又是影响燃料电池安全性重要危险因素之一，因此规范燃

料电池反极现象，提高燃料电池电动汽车安全性与国家政策响应是相辅相成的。

2.1.4兼容性原则

本标准中抗反极性能测试方法对质子交换膜燃料电池单电池，具有普遍适用性。

2.2标准主要技术内容

本标准以质子交换膜燃料电池为试验对象，主要规范了质子交换膜燃料电池抗反极

性能测试和评价方法。本标准主体内容如下：

第一部分：规范使用范围本标准适用于质子交换膜燃料电池抗反极性能测试。

第二部分：规范性引用文件。

第三部分：术语和定义规范。

第四部分：规定了测试仪器及设备种类及要求。

第五部分：规定了测试样品构成和组装方法。

第六部分：测试方法介绍和数据处理介绍。

2

数据处理方法经过大量试验验证，很好的用于抗反极前后膜电极性能对比。

2.3关键技术问题说明

2.3.1关于阳极极化测试

有别于传统测试方法，本标准旨在通过给电池阴极和阳极同时通入氢气的方法进行

阳极极化测试，并且在抗反极前后分别进行一次，通过数据对比更直观地反应出膜

电极的变化。通过大量试验研究，采用一种新的计算方式，通过活化极化过电位，

更清晰的呈现铂催化剂的状态。

2.3.2关于透氢电流密度测试

通过抗反极前后透氢电流密度测试，对膜电极抗反极后安全性进行评估。透氢电流

密度测试的数据处理方法经过大量试验验证，方法可靠性高，能有效用于膜电极开

发过程中安全性评估相关工作。本方法将为质子交换膜燃料电池的制造商、应用方

和第三方检测机构提供参考。

2.4标准主要内容的论据

抗反极后膜电极受损程度主要通过以下方法进行评价：

1.进行膜电极抗反极测试前后阴极极化测试，通过对比抗反极前后同等电密下电压

下降情况，评判MEA受损程度。

评价论据：反极导致阳极催化剂铂的团聚脱落造成阳极催化剂层受到破坏，可能会

导致阴极催化剂层塌陷，进而影响到阴极催化层性能，所以进行阴极极化测试，更

全面的进行MEA受损程度分析。

2.进行膜电极抗反极前后阳极极化测试，通过对比抗反极前后活化极化过电位情况，

评判阳极催化剂层受损程度。

评价论据：因为反极主要发生在阳极，反极后阳极催化层结构受到破坏，所以开展

阳极极化测试，更能直观地反应出抗反极测试前后阳极催化层变化。

3.进行膜电极抗反极测试前后阴阳极电化学活性面积测试，通过对比抗反极测试前

后阴极和阳极ECSA衰减情况，评价MEA受损程度。

评价论据：抗反极测试前后阳极催化剂比表面积下降明显，抗反极测试后阳极催化

层铂发生团聚脱落。通过ECSA测试反应阳极铂的情况，进而说明抗反极测试前后开

展阳极电化学活性测试的重要性。

阴极ECSA测试用于评价阴极催化层反极前后受破坏程度。

4.增加反极前后透氢电流密度测试，进行反极后透氢电流密度增加量计算。

3

评价论据：透氢电流密度测试是膜电极安全性评估的重要指标。

规范性引用文件如下：

GB/T20042.1质子交换膜燃料电池术语

GB/T20042.5-2009质子交换膜燃料电池：膜电极测试方法。

2.5标准工作基础

本标准中提出的测试方法和数据处理方法，经过长达两年的大量试验验证和试

验结果对比，本标准中用于膜电极抗反极前后的性能评价方法，诸如阳极极化测

试，阳极电化学活性面积测试，在抗反极后均能通过上述测试结果清晰的呈现出抗

反极后膜电极性能反差情况，在膜电极材料开发过程中通过横向对比，清晰的表现

出不同材料配比下，抗反极前后性能差异，便于辅助膜电极开发工作。本标准具有

一定的先进性、通用性、科学性和可操作性。

三、主要试验（或验证）情况分析

我司已开展抗反极相关测试工作，针对抗反极前后性能评价总结如下：

反极前后增加阳极极化测试，因为反极主要发生在阳极，阳极铂团聚脱落造成

阳极催化层结构受到破坏，所以开展阳极极化测试，更能直观地反应出反极前后阳

极催化层变化。举例如下：

反极前活化极反极后活化极活化极化过

样品编号工况

化过电位化过电位电位情况

75℃_30/30%RH0.8@0.020V0.8@0.031V增加11mV

1

75℃_40/40%RH0.8@0.018V0.8@0.028V增加10mV

75℃_30/30%RH0.8@0.028V0.8@0.038V增加10mV

2

75℃_40/40%RH0.8@0.020V0.8@0.032V增加12mV

75℃_30/30%RH0.8@0.025V0.8@0.037V增加12mV

3

75℃_40/40%RH0.8@0.018V0.8@0.028V增加10mV

75℃_30/30%RH0.8@0.023V0.8@0.039V增加16mV

4

75℃_40/40%RH0.8@0.021V0.8@0.034V增加13mV

75℃_30/30%RH0.8@0.022V0.8@0.031V增加9mV

5

75℃_40/40%RH0.8@0.018V0.8@0.029V增加11mV

75℃_30/30%RH0.8@0.025V0.8@0.038V增加13mV

6

75℃_40/40%RH0.8@0.019V0.8@0.029V增加10mV

增加反极前后阳极电化学活性面积测试。通过数据验证发现反极后阳极催化剂

比表面积下降明显，说明反极后阳极催化剂铂发生团聚脱落，阳极催化层受损严

重。进而说明反极前后开展阳极电化学活性测试的重要性，是衡量膜电极性能的重

要指标。举例如下：

4

样品编号抗反极前阳极ECSA抗反极后阳极ECSA阳极EASA衰减率

22

158.35m/g-Pt25.96m/g-Pt55.5%

22

281.25m/g-Pt37.11m/g-Pt54.3%

22

337.59m/g-Pt16.29m/g-Pt56.7%

22

457.69m/g-Pt29.01m/g-Pt50.3%

22

560.36m/g-Pt31.09m/g-Pt51.5%

60.51m2/g2

6-Pt31.76m/g-Pt52.5%

2.4.3

增加反极前后透氢电流密度测试，透氢电流密度测试是膜电极安全性评估的重

要指标。

举例如下：

样品编号抗反极前透氢电流密度抗反极后透氢电流密度透氢电流密度增加量

12.51mA/㎝²2.72mA/㎝²0.21mA/㎝²

22.77mA/㎝²2.97mA/㎝²0.20mA/㎝²

32.95mA/㎝²3.15mA/㎝²0.20mA/㎝²

43.17mA/㎝²3.41mA/㎝²0.24mA/㎝²

52.68mA/㎝²2.98mA/㎝²0.30mA/㎝²

62.92mA/㎝²3.18mA/㎝²0.26mA/㎝²

四、标准中涉及专利的情况

本标准不涉及专利。

五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用的情况

本标准中对抗反极评价相关测试方法和数据处理进行了详细阐述，对质子交换膜燃料电池抗反

极材料评价起到积极的参考作用。后期根据行业需求进行标准的宣贯和应用实施方案培训。

六、采用国际标准和国外先进标准情况，与国际、国外同类标准水平的对比情况，国内外关键

指标对比分析或与测试的国外样品、样机的相关数据对比情况

5

尚无。

七、在标准体系中的位置，与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特别是强制性标准的协

调性

本标准符合国家有关法律、法规和相关强制性标准的要求，与现行的国家标准、行业标准

相协调。

八、重大分歧意见的处理经过和依据

尚无。

九、标准性质的建议说明

本标准为中国汽车工程学会标准，属于团体标准,供学会会员和社会自愿使用。

十、贯彻标准的要求和措施建议

严格按照本标准提出的试验方法对材料的卤素含量进行检测，对试验人员进行理论学习和

操作培训，保证检测方法操作的准确性。

十一、废止现行相关标准的建议

无。

十二、其他应予说明的事项

无。

标准起草工作组

2022年11月8日

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《质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法》

编制说明

一、工作简况

1.1任务来源

《质子交换膜燃料电池单电池抗反极性能测试方法》团体标准是由中国汽车工

程学会批准立项。文件号中汽学标【2022】145号，任务号为2022-80：。本标准

由特嗨氢能检测（保定）有限公司提出，北京科技大学等单位共同起草。

1.2编制背景与目标

燃料电池是一种电化学能源转换系统，其主要原理是将燃料和氧化剂中的化学

能经氧化还原反应直接转化为电能。质子交换膜燃料电池作为燃料电池领域的重要

分支，除了拥有燃料电池一般性特点之外，还具有比功率高、室温下启动速度快和

寿命长等突出优点。

由于这些突出优点，质子交换膜燃料电池电堆可以作为车用动力电源。车用质

子交换膜燃料电池在运行期间，会有如下的运行工况：启停、怠速、高功率运行、

频繁加减载。这些运行工况容易导致质子交换膜燃料电池局部发生氢气供给不足，

导致阳极电位局部电压升高并超过阴极电位，发生质子交换膜燃料电池电极反极现

象，容易造成催化剂碳载体腐蚀，铂纳米颗粒长大等后果，会严重破坏催化层的结

构，导致质子交换膜燃料电池性能衰减或者失效，严重时甚至会发生烧毁爆炸。

本标准以质子交换膜燃料电池为试验对象，主要规范了质子交换膜燃料电池单电池

抗反极性能测试方法和抗反极前后膜电极性能评价方法。

1.3主要工作过程

本标准于2021年初开始试验验证相关工作，经过大量试验数据积累，2022年

6月和7月进行总结分析，编制标准初稿；于2022年7月进行项目申报，2022年

10月完成标准立项，预计于2022年3月底之前完成标准的公布工作。

2022年10月组织了线上启动会及第一次标准意见评审会，会议由特嗨氢能检

测（保定）有限公司对本标准的来源、技术内容、编制说明等进行了简要的介绍，

各与会专家对本标准的内容进行了详细讨论，主要针对标准的规定术语和定义、测

试方法中的相关技术参数进行了深入讨论。会后整理专家修改意见，进行了草案修

改。