2025 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法

GB/T200424—2025

.

目次

前言

…………………………Ⅲ

引言

…………………………Ⅴ

范围

1………………………1

规范性引用文件

2…………………………1

术语和定义

3………………1

通用安全要求

4……………2

含水率测试

5………………2

金属元素含量测试

6………………………3

比表面积和孔径分布测试

7………………4

形貌及粒径分布测试

8……………………6

晶型结构和平均粒径测试

9………………6

堆密度测试

10………………7

半电池电化学活性比表面积测试

11(ECSA)……………8

半电池氧还原极化曲线测试

12(ORR)…………………10

半电池催化剂耐久测试

13ORR………………………12

半电池催化剂高电位耐久测试

14ORR………………13

金属元素溶解率测试

15…………………14

半电池催化剂高电位耐久测试

16HOR………………15

半电池催化剂耐受性测试

17HORCO………………15

附录资料性测试准备

A()………………17

附录资料性参考测试方法

B()…………18

参考文献

……………………21

Ⅰ

GB/T200424—2025

.

前言

本文件按照标准化工作导则第部分标准化文件的结构和起草规则的规定

GB/T1.1—2020《1:》

起草

。

本文件是质子交换膜燃料电池的第部分已经发布了以下部分

GB/T20042《》4,GB/T20042:

第部分术语

———1:;

第部分电池堆通用技术条件

———2:;

第部分质子交换膜测试方法

———3:;

第部分电催化剂测试方法

———4:;

第部分膜电极测试方法

———5:;

第部分双极板特性测试方法

———6:;

第部分炭纸特性测试方法

———7:。

本文件代替质子交换膜燃料电池第部分电催化剂测试方法与

GB/T20042.4—2009《4:》,

相比除结构调整和编辑性改动外主要技术变化如下

GB/T20042.4—2009,,:

将术语电化学活性面积改为电化学活性比表面积并更改了定义见年版的第

———“”“”,(3.2,20093

章

);

增加了术语含水率半电池工作电极对电极参比电极三电极体系质量比活性

———“”“”“”“”“”“”“”

面积比活性和耐久性及其定义见

“”“”(3.2~3.10);

增加了含水率测试见第章

———(5);

更改了金属元素含量测试比表面积和孔径分布测试形貌及粒径分布测试晶型结构和平均

———、、、

粒径以及堆密度测试见第章第章年版的第章第章

(6~10,20094~9);

更改了半电池电化学活性比表面积测试和单电池氧还原催化剂质量比活性测试见第

———(ORR)(

章和附录年版的第章

11B.3,200910);

增加了半电池条件下极化曲线测试催化剂耐久性测试和高电位耐久测试金属

———,ORR、ORR、

元素溶解率测试氢氧化催化剂高电位耐久测试和耐受性测试见第章第

、(HOR)CO(12~17

章

)。

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归口

(SAC/TC342)。

本文件起草单位中国科学院大连化学物理研究所大连理工大学机械工业北京电工技术经济研

:、、

究所中科洁净能源创新研究院苏州有限公司武汉理工大学北京化工大学上海济平新能源科技有限

、、、、

公司无锡威孚高科技集团股份有限公司中汽研新能源汽车检验中心天津有限公司紫金矿业集团

、、()、

股份有限公司苏州市氢能产业创新中心有限公司新研氢能源科技有限公司江苏投特新能源有限公

、、、

司深圳市通用氢能科技有限公司北京科技大学同济大学国创氢能科技有限公司北京氢璞创能科

、、、、、

技有限公司安徽明天氢能科技股份有限公司国家电投集团氢能科技发展有限公司中国质量认证中

、、、

心有限公司清氢北京科技有限公司厦门理工学院山东国创燃料电池技术创新中心有限公司鸿基

、()、、、

创能科技广州有限公司潍柴动力股份有限公司佛山仙湖实验室中国汽车工程研究院股份有限公

()、、、

司上海机动车检测认证技术研究中心有限公司苏州科润新材料股份有限公司

、、。

本文件主要起草人张洪杰宋玉江侯明潘牧张亮邵志刚窦美玲吕洋张义煌丁奇姚颖方

:、、、、、、、、、、、

齐志刚陈东方尧克光马天才高蕊郝冬王朝云高鹏然王刚韩福江朱俊娥张雁锋李春姬

、、、、、、、、、、、、、

雷一杰华秋茹唐浩林王睿迪陈文淼蒋尚峰潘凤文陈然赵明全毛占鑫刘国庆孟维裴冯来

、、、、、、、、、、、、、

Ⅲ

GB/T200424—2025

.

付娜杨彦博杨大伟刁力鹏

、、、。

本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为

:

年首次发布为

———2009GB/T20042.4—2009;

本次为第一次修订

———。

Ⅳ

GB/T200424—2025

.

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

,GB/T20042,

的试验方法

。

质子交换膜燃料电池拟由九个部分构成

GB/T20042《》。

第部分术语目的在于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

———1:。。

第部分电池堆通用技术条件目的在于给出质子交换膜燃料电池堆的通用技术要求试验

———2:。、

方法和检验规则等内容

。

第部分质子交换膜测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池中质子交换膜厚度均匀

———3:。

性和质子传导率等测试方法

。

第部分电催化剂测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池电催化剂铂含量和电化学

———4:。

活性比表面积等测试方法

。

第部分膜电极测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池膜电极厚度均匀性和担载

———5:。Pt

量等测试方法

。

第部分双极板特性测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池双极板抗弯强度密度和

———6:。、

电阻等测试方法

。

第部分炭纸特性测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池炭纸厚度均匀性电阻和机

———7:。、

械强度等测试方法

。

第部分控制系统技术要求目的在于给出质子交换膜燃料电池控制系统的技术要求和试

———8:。

验方法

。

第部分振动测试方法目的在于给出质子交换膜燃料电池的振动要求和振动测试方法

———9:。。

Ⅴ

GB/T200424—2025

.

质子交换膜燃料电池

第4部分电催化剂测试方法

:

1范围

本文件描述了质子交换膜燃料电池用电催化剂的物理特性和电化学特性测试方法包括含水率金

,、

属元素含量比表面积和孔径分布形貌及粒径分布晶型结构堆密度等物理性质以及电化学活性比表

、、、、

面积氧还原活性耐久性金属元素溶解率和一氧化碳耐受性等的测试

、、、(CO)。

本文件适用于以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池用铂基基电催化剂其他类型质子交换膜

(Pt),

燃料电池参照使用

。

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

。

催化剂和吸附剂表面积测定法

GB/T5816—1995

贵金属合金化学分析方法金合金中铬和铁量的测定电感耦合等离子

GB/T15072.7—2008

体原子发射光谱法

质子交换膜燃料电池第部分术语

GB/T20042.1—20171:

粉末产品振实密度测定通用方法

GB/T21354—2008

3术语和定义

界定的以及下列术语和定义适用于本文件

GB/T20042.1—2017。

31

.

含水率moisturecontent

电催化剂中所含水分的质量分数

。

32

.

电化学活性比表面积electrochemicalactivesurfaceareaECSA

;

电化学方法测得的单位质量铂或总铂族金属的有效电化学活性表面积

(Pt)(PGM)。

注电化学活性比表面积的单位为平方米每克2

:(m/g)。

33

.

半电池halfcell

一个电极和其紧密接触的电解质溶液组成的体系

。

34

.

工作电极workingelectrodeWE

;

测试过程中研究的电化学反应发生的电极

。

35

.

对电极counterelectrodeCE

;

与工作电极组成回路的电极

。

1

GB/T200424—2025

.

36

.

参比电极referenceelectrodeRE

;

用于测定工作电极电势的接近于理想不极化的电极

。

37

.

三电极体系three-electrodesystem

由工作电极对电极及参比电极和电解质溶液共同组成的测试体系

、。

38

.

质量比活性massactivityMA

;

在电位下单位质量铂或总铂族金属的动力学电流绝对值

0.9V(vs.RHE),(Pt)(PGM)。

注质量比活性的单位为安每毫克

:(A/mg)。

39

.

面积比活性areaspecificactivitySA

;

在电位下单位电化学活性比表面积的电催化剂所输送的动力学电流

0.9V(vs.RHE),。

注面积比活性的单位为毫安每平方厘米2

:(mA/cm)。

310

.

耐久性durability

电催化剂及载体在正常使用条件下保持长期正常稳定运行的能力

,。

4通用安全要求

41通常情况下电催化剂测试过程中应使用氧化性如和还原性如气体这些气体一般储

.,(O2)(H2),

存在高压容器中

。

注氢气使用的相关要求见

:GB4962—2008。

42燃料电池自身应能在加压或常压下运行

.。

43测试人员应接受技术培训具有操作相应测试试验的经验并应熟知相关安全操作规程测试前

.,,。

准备见附录

A。

5含水率测试

51测试仪器

.

热重分析仪

(TGA)。

52样品准备

.

每次试验宜快速称取电催化剂样品并密封备用总质量应满足次有效试验的

20mg±1mg,3

要求

。

53测试过程

.

准确称量并记录样品的初始质量m

0。

将催化剂样品快速转移至热重分析仪带盖带孔的测试坩埚中坩埚使用前应充分干燥以惰性气

(),

体作为工作气体控制气体流速为在程序控温下由室温升温至升温速度一般为

,50mL/min,,100℃,

宜采用

2℃/min~10℃/min,5℃/min。

待样品恒重后准确称量并记录样品的终点质量m

,1。

注通常内重量变化率小于或等于视为恒重

:10min0.1%/min~0.5%/min,。

2

GB/T200424—2025

.

54数据处理

.

根据公式计算催化剂的含水率

(1)。

w=m-mm×

(01)/0100%……(1)

式中

:

w催化剂的含水率

———;

m样品的终点质量单位为毫克

1———,(mg);

m样品的初始质量单位为毫克

0———,(mg)。

测试宜大于或等于次计算平均值作为测试结果应去除明显异常数据

3,()。

6金属元素含量测试

61测试仪器

.

测试仪器如下

:

电感耦合等离子体光谱仪最低检测限小于或等于

———(ICP):1μg/L;

分析天平精度为

———:0.1mg;

微波消解仪

———;

马弗炉

———。

62样品准备

.

催化剂样品应先置于真空干燥箱中真空度宜小于或等于在条件下干燥

(-0.085MPa),80℃4h~

使其完全干燥在真空干燥箱内降至室温后取出进行后续处理

12h,;。

每次试验宜称取催化剂样品总质量应满足次有效试验的要求

50mg~100mg,3。

注根据催化剂性质合理确定干燥时间

:。

63试剂和材料

.

试剂和材料如下

:

浓硫酸优级纯

———(98%),;

浓盐酸优级纯

———(37%),;

浓硝酸优级纯

———(68%),;

氢氟酸优级纯

———(40%),;

二次蒸馏水电阻率大于或等于

———,18.2MΩ·cm;

双氧水优级纯

———30%,;

各铂族金属标准液优级纯

———,;

带盖刚玉坩锅

———;

微波消解管

———。

64样品处理

.

按照的规定进行采用电感耦合等离子体光谱法测试催化剂中等

GB/T15072.7—2008,(ICP)Pt

金属元素的含量并计算各金属元素的比例样品处理步骤如下

,。。

准确称量并记录样品质量

a)。

催化剂样品的溶解可采用灰化硝化溶解或微波消解处理

b):

灰化硝化溶解

1)

样品氧化灰化将装有催化剂样品的带盖刚玉坩埚放入马弗炉先在的空气气氛中

:,400℃~500℃

3

GB/T200424—2025

.

氧化碳化再升温至进行氧化灰化后冷却到室温

6h,900℃~950℃12h,。

样品硝化将刚玉坩埚中氧化灰化后的样品用二次蒸馏水润湿然后沿坩埚壁向坩埚中缓慢加入

:。

浓硫酸和浓硝酸的混合液浓硫酸与浓硝酸的体积比为在对样品加热硝

6mL~12mL(1∶3)。80℃

化当酸的体积浓缩到一半后依次加入约的浓硫酸和浓硝酸混合液浓硫酸与浓硝酸的

,,3mL~6mL(

体积比为的双氧水将其加热至继续硝化如此循环往复直至溶液

1∶3)、0.2mL~0.3mL30%,80℃,,

接近透明没有悬浮物为止

,。

样品溶解样品充分硝化后沿坩埚壁向坩埚中加入适量新配制的王水在加热直到样品溶

:,,80℃,

液完全澄清透明为止

。

微波消解

2)

将催化剂样品装入干燥的专用聚四氟乙烯消解管中加入浓硝酸浓盐酸和双氧水的混合溶液体

,、,

积比为使用微波消解仪进行消解处理为保证催化剂样品完全溶解可加入适量的氢氟酸促

4∶1∶1,。,

进消解确保样品全部消解为液体状态

,。

注微波消解参考参数压力消解温度消解时间

::60kPa,200℃,1h~2h。

测试样配制

c):

将上述溶解后的样品转移至适量容积的容量瓶中用二次蒸馏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

。

65测试样中元素浓度分析

.

使用对测试样品进行光谱分析分析待测样品中的浓度以及其他金属的浓度

ICP,Pt。

66数据处理

.

根据公式计算催化剂样品中的金属含量

(2)。

v

ω=n×C××

m100%……(2)

式中

:

ω催化剂样品中或金属的质量分数

———PtM;

n将测试样品配制为分析用溶液的稀释倍数

———ICP;

C测试溶液中的金属浓度单位为毫克每升

———ICP,(mg/L);

v配制的测试样品初始体积单位为升

———,(L);

m测试样品的质量单位为毫克

———,(mg)。

测试宜大于或等于次计算平均值作为测试结果应去除明显异常数据

3,()。

对于催化剂以及合金催化剂中等杂质金属含量的测试也可采用

Pt/CPtFe,Cu,Cr,Zn,V,Ti,Ni

该方法样品溶解宜采用灰化硝化溶解但相应的测试仪器应选用检测限更低小于或等于的

(),(1μg/L)

电感耦合等离子体质谱仪对于微量杂质金属元素的测试宜做空白对照结果需减去空白

(ICP-MS)。,。

对于质量分数不小于的电催化剂中或含量的测试也可采用热重法进行测试见

20%Pt(PGM),

附录的

BB.1。

7比表面积和孔径分布测试

71测试仪器及气体

.

测试仪器及气体如下

:

全自动物理吸附仪

———;

分析天平精度为

———:0.01mg;

经过干燥处理的无油高纯氮气纯度不低于

———,99.999%;

4

GB/T200424—2025

.

液氮

———。

72测试方法

.

721通则

..

应按照规定的方法进行测试

GB/T5816—1995。

采用静态氮吸附容量法测量催化剂在不同低压下所吸附的氮气体积至少应测得符合

,Brunauer-

线性关系的四个试验点应用二参数方程进行表面积计算

Emmet-Teller(BET),BET。

722样品预处理和脱气

..

样品预处理和脱气步骤如下

:

根据脱气要求将经脱气处理后的空样品管含塞子称量精确至此时质量记为m

a),0.01mg,1;

取适量样品加入到样品管中设定加热温度一般小于对样品加

b)(100mg~300mg)。(200℃),

热抽空当加热温度达到设定温度系统真空度达到时再连续脱气至少

;、1.3Pa,4h;

将脱气后的样品管冷却至室温后含塞子称量精确至此质量记为m由m与m之

c),0.01mg,2,21

差得到样品净重

。

723死空间测定

..

死空间测定步骤如下

:

根据分析要求向分析系统歧管中充氦至并记录此压力和歧管温度随

a)79.9kPa~119.9kPa,,

后打开管路气体阀使氦气充入样品管

,;

平衡后记录平衡压力和歧管温度根据记录的压力和歧管温度以及已知歧管体积准

b)5min,,,

确测定死空间

。

724吸附测定

..

根据分析要求向系统充氮在相对压力PP为之间实测个以上吸附试验点在相对

,/00.06~0.254,

压力PP为或之间实测多个吸附试验点

/00.2~0.990.25~0.99。

吸附测定时压力变动在内不超过可视为达到吸附平衡

,5min13Pa,。

达到吸附平衡后测定气体的平衡压力P并根据吸附前后体系压力的变化计算氮吸附量V经多

,a,

次测试测定并计算得到不同平衡压力下的吸附量值

,。

测量并记录液氮饱和蒸气压P

0。

73结果计算

.

根据公式进行二参数方程式计算

(3)BET。

PPC-

/0=1+1×PP

V-PPV×CV×C/0……(3)

a(1/0)mm

式中

:

PP相对压力

/0———;

P平衡压力单位为千帕

———,(kPa);

P液氮饱和蒸汽压单位为千帕

0———