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、碳中和的背景下，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、安徽枡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、苏州铂氢新能源科技有限公司、华氢昊能

1

（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GB/T1.1—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铱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。

1.1铱含量测定

1.1.1适用范围

2

此方法适用于二氧化铱、铱黑等PEM电解水阳极催化剂材料中铱含

量的测试。

1.1.2测试仪器和设备

a)管式加热炉；

b)分析天平：精度为0.1mg。

1.1.3测试方法

称量不少500mg的待测样品，记录质量M1，将待测样品放入干净

的瓷舟中，在管式炉中使用（5%）H2-Ar混合气进行还原，从室温升至

1000℃，升温速率不高于1.5℃/min。待温度降至室温后将样品进行

称量，其质量M2为铱的质量，通过公式（1）进行计算即可得到Ir

的质量含量W%。

································(1)

式中：

M1——待测样品质量；

M2——铱的质量。

1.2非铱含量测定

1.2.1适用范围

此方法适用于二氧化铱、铱黑、负载型二氧化铱、Ir基合金等PEM

电解水阳极催化剂材料中其它非铱金属含量的测试。

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≤1μ

g/L；

b)分析天平：精度为0.1mg；

c)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180℃

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

能性非铱金属（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铱金属元素的质量含量。作为一种估算

方法，铱含量可依据对催化剂样品中非铱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12h。

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，将适量混合

液滴于铜网上，干燥后，放入透射电镜仪器中进行测试；

c)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：

.................................(2)

式中：

Dm——催化剂粒子的平均粒径，单位为纳米（nm）；

ni——粒径为di的粒子数，单位为个；

di——第i个样品粒子的粒径，单位为纳米（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。

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）

5.1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80℃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；

c)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80℃的真空烘

箱中干燥12h。

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±0.8μL、去离子水200

±1.2μL、异丙醇4.8±0.02mL；

c)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℃，直到无明显沉淀和颗

粒；

d)取适量超声后的催化剂浆液（6-10μL）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铱载量

（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/Hg2SO4）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（H2SO4）溶液或0.1mol/L

的高氯酸（HClO4）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—1.1V），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ic=v·Cdl,v=10mV/s-120mV/s，

ic表示电流密度，ic取测试得到数据的中间电位处电流密度的平

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Cdl。

b)ECSA按公式（3）计算。

·················(3)

式中：

ECSA——电化学活性表面积；

Cdl——双电层电容；

-2

Cs——理想光滑表面的电容，一般为60μF·cm；

Ageo——电极的表面积；

Mcatalyst——催化剂中铱或贵金属的总质量。

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12h。

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。

c)参比电极校准

用两根铂电极和待使用的参比电极构成三电极体系，铂电极做

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麂皮上进行混匀，将工作电极按照画8

字的手法在麂皮上进行打磨15min，再将小粒径的三氧化二铝

粉末和水在麂皮上进行混匀，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。

稳定性测试时采用的碳纸需要提前裁剪，有效面积为1cm2。

b)催化剂成膜

9

按照9.3中的方法制备催化剂浆料，将6-10μL催化剂（含催

化剂50-200μg）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1.70 V之间以100mVs-1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10mVs-1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10mVs-1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（10mAcm-2、100mAcm-2等），记录电压

随时间的变化。

b)计时电流法

在恒定的电压下（1.5VvsRHE、1.6VvsRHE等），记录电

流随时间的变化。

c)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1.2-1.7V（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

..........................（4）

式中：

i——测试所得的电流；

Ageo——电极的表面积。

b)质量比活性

......................（5）

式中：

11

Mcatalyst——催化剂中铱或贵金属的总质量。

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80℃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0.25μS/cm的去离子水。

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8.4测试过程

8.4.1催化层制备

a)使用200-400μm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，按照阳极铱担载

22

量为1.0mgIr/cm、阴极Pt担载量为0.5mgPt/cm，确定电极有

效面积后（一般为5cm2或者25cm2），计算制备催化层所用催

化剂使用量，并称量精确至0.1mg。

b)用少量去离子水充分润湿催化剂后，按照W催化剂：WNafion(20%)=1：1

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。

c)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，并计算准确荷载量。该方法适用于阳极CCS和阴极CCS

的制备。

13

——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）-CCM-气体扩散层（钛

毡）、催化层面向气体扩散层的原则组合放置。

c)MEA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130℃、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：＜0.25μS/cm；

b)去离子水流速：＜20mL/min；

c)单池温度：60℃-80℃。

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2-10mL/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1.0

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A/cm2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

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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。

...........................................(6)

式中：

2

is——催化剂的面积比活性，单位为安每平方厘米（A/cm）；

I——记录电流，单位为安（A）；

2

SMEA——膜电极的有效面积，单位为平方厘米（cm）。

8.6.3质量比活性按照公式（7）计算。

........................................(7)

式中：

im——催化剂的质量比活性，单位为安每毫克（A/mg）；