ChinaAutoRegs|GB/T 20042.5-2024英文版翻译 质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法
Proton exchange membrane fuel cell—Part 5: Test method for membrane electrode assembly

CONTENTS

Foreword
Introduction
1 Scope
2 Normative References
3 Terms and Definitions
4 General Rules
5 Thickness Test
6 Pt Group Metal Loading Test
7 Polarization Curve Test
8 Hydrogen Crossover Current Density Test and Insulation Resistance Test
9 Electrochemical Active Surface Area Test
10 Cathode Oxygen Reduction Reaction (ORR) Activity Test
11 Ohmic Polarization Test
12 MEA Aging Tests
13 Anode Hydrogen Oxidation Reaction (HOR) Polarization Test
14 MEA Anode Anti-Voltage Reversal Test
15 Gaseous Contaminants Withstand Test
16 MEA Durability Test
Annex A (Informative) PEMFC Test Setup
Annex B (Informative) Positional Relationship for Assembling Components of a Single Cell
Annex C (Informative) Flow Plate
Annex D (Informative) Reference Operating Conditions for MEA Single Cell Polarization Curve
Annex E (Informative) Dynamic Operating Conditions for Evaluating the Durability of MEA
Bibliography

前言

本文件按照 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 起草。
本文件是 GB/T20042《质子交换膜燃料电池》的第5部分。GB/T20042已经发布了以下部分:
———第1部分:术语;
———第2部分:电池堆通用技术条件;
———第3部分:质子交换膜测试方法;
———第4部分:电催化剂测试方法;
———第5部分:膜电极测试方法;
———第6部分:双极板特性测试方法;
———第7部分:炭纸特性测试方法。
本文件 代 替 GB/T 20042.5—2009《质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 第 5 部 分:膜 电 极 测 试 方 法 》,与
GB/T20042.5—2009相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下:
———更改了术语 “Pt担 载 量 ”为 “铂 族 金 属 担 载 量 ”,“电 化 学 活 性 比 表 面 积 ”为 “电 化 学 活 性 面 积”,并更改了定义(见3.1和3.2,2009年版的3.1和3.2);
———增加了“密封件”“额定电流密度”“衰减比率”“反极”及“抗反极”的术语和定义(见3.3~3.7);
———删除了“反应气体化学计量比”“透氢电流 密度”“燃 料电池内阻”“活 化极化过电位”“欧 姆极化 过电位”及“反应电阻”的术语和定义(见2009年版的3.2、3.3、3.5、3.6、3.7、3.8);
———增加了“通则”(见第4章);
———更改了“厚度均匀性测试”为“厚度测试”(见第5章,2009年版的第4章);
———更改了“Pt担载量测试”为“铂族金属担载量测试”(见第6章,2009年版的第5章);
———更改了“单电池极化曲线测 试”为 “极 化曲线测试”(见 第 7 章及附录 A~ 附录 D,2009 年版的 第6章);
———更改了“透氢电流密度测试”为 “透 氢电流密度测试与绝缘电阻测试”(见 第 8 章,2009 年版的 第7章);
———更改了“电化学活性面积测试”(见第9章,2009年版的第9章);
———更改了“活化极化过电位与欧姆极化测试”为“欧姆极化测试”(见第11章,2009年版的第8章);
———增加了“阴极氧还原反应(ORR)活性测试”“膜电极分项 老化测试”“膜 电极机械与化学稳定性 耦合测试”“膜电极阳极抗反极测试”“气体杂质耐受试验”和“膜电极耐久性测试”(见第10章、 第12章、第13章、第14章、第15章、第16章和附录 E)。

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,GB/T20042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 的试验方法。
GB/T20042《质子交换膜燃料电池》拟由以下七个部分构成。
———第1部分:术语。目的是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。
———第2部分:电池堆通用技术条件。目的是给出质子交换膜燃料电池堆的通用技术要求、试验方 法、检验规则等内容。
———第3部分:质子交换膜测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池中质子交换膜厚度均匀性、质子传导率等测试方法。
———第4部分:电催化剂测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池电催化剂铂含量、电化学活性面积等测试方法。
———第5部分:膜电极测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池膜电极厚度均匀性、铂族金属担载量等测试方法。
———第6部分:双极板特性测试方法。目的是给出质子交换膜燃料电池双极板气体致密性、抗弯强 度、密度等测试方法。
———第7部分:炭纸特性测试方法。目的是给出质子 交换膜燃料电池炭纸厚度均匀性、电 阻、机 械 强度等测试方法。

1 范围

本文件描述了质子交换膜燃料电池膜电极的厚度均匀性测试、铂 族金属担载量测试、极 化曲线测 试、透氢电流密度测试与绝缘电阻测试、电化学活性 面积测试、氧 还原反应活性测试、欧 姆极化测试、膜 电极分项老化测试、阳极氢氧化反应极化测试、膜电极阳极抗反极测试、杂质耐受性测试、膜电极耐久性 测试的方法。
本文件适用于质子交换膜燃料电池膜电极的检测,其他聚合物电解质燃料电池参照执行。

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。
GB3095—2012 环境空气质量标准
GB/T6682—2008 分析实验室用水规格和试验方法
GB/T8979 纯氮、高纯氮和超纯氮
GB/T14599 纯氧、高纯氧和超纯氧
GB/T20042.1—2017 质子交换膜燃料电池 第1部分:术语
GB/T28816—2020 燃料电池 术语
GB/T28817—2022 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法
GB/T31886.1—2015 反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法 第 1 部分:空 气中杂质
GB/T31886.2—2015 反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法 第 2 部分:氢 气中杂质
GB/T34872—2017 质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求
GB/T37244—2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气

3 术语和定义

GB/T20042.1—2017、GB/T28816—2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
铂族金属担载量 Ptgroupmetalloading
燃料电池(电极)单位活性面积铂族金属的质量。
注 1:为 单独阳极或单独阴极铂族金属担载量 ,或 者阳极和阴极铂族金属担载量的总和; 注 2:Pt族 金属包括 :铂(Pt)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、钌(Ru)和 铑(Rh)等 元素。
3.2
电化学活性面积 electrochemicalactivesurfacearea;ECSA 用电化学方法测试膜电极内单位质量铂族金属催化剂参与电化学反应的表面面积。 注:膜电极的 ECSA 与质子交换膜燃料电池(PEMFC)电 催化剂活性 、电 极结构等因素有关。 [来源:GB/T20042.1—2017,3.1.6,有修改]
3.3
密封件 gasket
通过施加压紧力实现压缩变形而具备密封功能的部件。
3.4
额定电流密度 ratedcurrentdensity
Ie
由制造商规定的膜电极持续工作时的最大电流除以有效面积。
3.5
衰减比率 decayratio
膜电极经过一定时间运行后可测特征参量的变化量与初始量的比值。
3.6
反极 voltagereversal
燃料电池运行时阳极的电势高于阴极电势的现象。
注1:反 极由多种原因引起。阳极反极是因阳极氢气供应量小于电化学反应消耗量的情况导致。在这种情况下 ,膜 电极阳极会因反极发生严重腐蚀 ,出 现性能显著衰减甚至失效。
注2:评 价阳极抗反极能力时 ,通 常模拟阳极欠气的反应过程 ,膜 电极在出现严重腐蚀(例 如碳载体氧化等)之 前 ,膜 电极所经历无损或者低损的反极过程的时长(视 作抗反极时长)。
3.7
抗反极 antivoltagereversal
在发生反极时,通过保护措施减缓膜电极因反极而腐蚀损坏的做法。

4 通则

除非特殊注明,以下各项 测试中使用的氢气应符合 GB/T37244—2018 或 GB/T34872—2017 的 要求。以下各项测试中使用的空气应符合 GB3095—2012 中一级空气的要求,或 按照 GB/T8979 及 GB/T14599的规定,使用氧气(纯度≥99.99%)和氮气(纯度≥99.99%)配制比例 为 21.0%及 79.0%的 标准空气。
本文件所涉及的测试项目中,膜电极性能的基本测试项目包括膜电极厚度均匀性测试、铂族金属担 载量测试、极化曲线测试、透氢电流密度测试与绝缘 电阻测试、电 化学活性面积测试、欧 姆极化测试等; 需要区分膜电极阴极、阳极反应活性的测试项目包 括氧还原反应活性测试、阳 极氢氧化反应极化测试; 对膜电极的稳定性评估可优先采用膜电极分项老化测试,针 对相应的场景应用可选做膜电极耐久性测 试、膜电极阳极抗反极测试和杂质耐受性测试。

5 厚度测试

5.1 概述

本章规定的膜电极厚度测试的方法,特指膜电极活性区厚度测试。
5.2 测试仪器
测厚仪:准确度不低于0.001 mm。
5.3 样品制备
样品有效面积不小于25cm2。 样品应无折皱、缺陷和破损。

5.4 测试方法
在温度23 ℃±2 ℃、相对湿度(50±5)%条件下,静置不少于4h。
校准测试仪的零点,再进行测试。
初始厚度测试:测量头与样品的接 触面积为 200 mm2,测 试过程测试头施加在样品表面的压强为 25kPa。样品测试点不少于9个,且测试点均匀分布,避 免已受压位置重复施压情况出现,测 试点距离 样品边缘应大于5 mm。
压缩厚度测试:测量头与样品的接 触面积为 200 mm2,测 试过程测试头施加在样品表面的压强为 供方或使用方需求的压强。样品测试点不少于9个,且测试点均匀分布,避免已受压位置重复施压情况 出现,测试点距离样品边缘应大于5 mm。
5.5 数据处理
5.5.1 最大值与最小值之差按照公式(1)进行计算。

式中:
Δd ———膜电极的厚度最大值与最小值之差,单位为微米(μm);
dmax ———膜电极的厚度最大值,单位为微米(μm);
dmin ———膜电极的厚度最小值,单位为微米(μm)。
5.5.2 平均厚度按照公式(2)进行计算。

d ———膜电极的平均厚度,单位为微米(μm);
di ———某一点膜电极的厚度测量值,单位为微米(μm);
n ———测量数据点数。
5.5.3 最大厚度相对偏差按照公式(3)进行计算。

式中:
S ———膜电极的最大厚度相对偏差,基于膜电极的厚度最大值或者最小值计算;
dm ———膜电极的厚度最大值或者最小值,单位为微米(μm);
d ———膜电极的平均厚度,单位为微米(μm)。
注:所处理的数据需要区分标注初始厚度和压缩厚度测试。

6 铂族金属担载量测试

6.1 测试仪器和设备
测试仪器和设备如下:
———电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES),可用于被测金属含量≥20μg/L;
———电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),可用于被测金属含量<20μg/L;
———游标卡尺:测量范围0 mm~200 mm,准确度不低于0.02 mm;
———容量瓶:B 级;
———马弗炉或其他可加热至1000 ℃的设备;
———具盖刚玉坩锅。

6.2 测试方法
6.2.1 试剂和材料
试剂和材料如下:
———浓硫酸(98%),优级纯;
———浓盐酸(37%),优级纯;
———浓硝酸(68%),优级纯;
———分析实验室用一级水(GB/T6682—2008,电导率≤0.1μS/cm,简称“分析一级水”);
———30%双氧水,优级纯;
———各铂族金属标准液,优级纯。

6.2.2 待测样品处理
待测样品按照下列步骤处理。 a) 状态调节
从膜电极组件(MEA)或催化剂涂层膜(CCM)样品上取不小于20cm2 的电极活性(有效)面积
区域,在23 ℃±2 ℃,相对湿度(50±5)%条件下 ,静置不少于4h。
b) 制样
用游标卡尺准确测量待测区域长度和宽度后,将其剪碎放入刚玉坩埚中。 c) 样品氧化灰化
将装有样品的具盖坩埚放入马弗炉,设置 升温速率为 10 ℃/min,先 在 400 ℃ ~500 ℃的空气
氛围中氧化碳化6h,再升温至900 ℃~950 ℃进行氧化灰化12h后,冷却到室温。 d) 样品硝化
将经过氧化灰化后的样品用分析一级水润湿后,沿坩埚壁缓慢加入5mL~12mL 浓硫酸和浓 硝酸混合液。其中,浓 硫 酸 与 浓 硝 酸 体 积 比 为 1∶3。80 ℃ 加 热 硝 化,当 酸 体 积 浓 缩 到 一 半 后,再加入适量的浓硫酸 和 浓 硝 酸 和 0.2 mL~0.6 mL 的 30% 的 双 氧 水,继 续 80 ℃ 加 热 硝 化,如此循环往复,直至溶液接近透明,没有悬浮物为止。
e) 样品溶解
样品充分硝化后,再沿坩埚壁加 入适量新配制的王水,80 ℃加热直到样品溶液完全澄清透明 为止。
f) 测试样配制
将上述样品完全转移至适量容积的容量瓶中,用分析一级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。
注:上述消解方法对金属铱的检查误差较大 ,针 对铱元素消解方法见 GB/T36593—2018中 6.4.1。

6.2.3 标准曲线的绘制
催化剂中各金属成分含量存在数量级差异,应选择适合该含量等级对应检测范围的ICP-OES或 者 ICP-MS(以下统称ICP)的仪器方法,对铂族金属标准溶液以及催化剂中非铂 族贵金属的标准溶液进行 光谱分析,绘制铂族金属和非铂族贵金属的标准曲线。

6.2.4 测试样中金属浓度分析
用ICP 分析待测样品中铂族金属的浓度和非铂族贵金属的浓度。
6.2.5 数据处理
6.2.5.1 铂族金属担载量计算
按照公式(4)计算膜电极中的单一铂族金属元素担载量:

式中:
LPGM ———膜电极中铂族的担载量,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2);
n ———将测试样配制为ICP 分析用溶液的稀释倍数;
CPGM ———ICP 测得溶液中的铂族金属浓度,单位为毫克每升(mg/L);
V ———配制的测试样初始体积,单位为升(L);
SMEA ———膜电极的有效面积,单位为平方厘米(cm2)。
如果催化剂中含有多种铂族金属元素,将基于公 式(4)计 算出的各单一铂族金属元素含量加和,即 为总铂族金属载量。

6.2.5.2 非铂族贵金属担载量计算
非铂族贵金属元素担载量可参考公式(4)进行计算。

7 极化曲线测试

7.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图见附录 A 的图 A.1。
反应气体经减压后,由 质 量 流 量 计 控 制 入 口 流 量,经 各 自 增 湿 罐 后 进 入 单 电 池,电 化 学 反 应 产 物 (水)随着尾气进入气水分离器与尾气分离后分别排放。单电池和两个增湿罐的温度分别由自动控制温 度仪控制,也可根据使用干气条件选择不通过增湿罐,外电路系统通过连接电子负载控制电流的输出。
电流控制:分辨率不低于1 mA,准确度不低于±0.1%FS,电流采集频率不低于2 Hz。 电压:量程-2V~2V,准确度不低于1 mV,调节响应≤100 ms,电压采集频率不低于2 Hz。 氢气质量流量控制器:准确度不低于±1%FS。 空气/氧气质量流量控制器:准确度不低于±1%FS。
单电池加热控制:准确度不低于±1 ℃。
露点温度:准确度不低于±1 ℃。
压力:准确度不低于±3.5kPa。
7.2 样品的制备
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。
7.3 单电池组装
7.3.1 单电池结构
通常包含以下组件(单电池结构装配关系见附录 B): a) 一片膜电极组件;
b) 密封件;
c) 一块阳极侧的流场板和一块阴极侧的流场板(见附录 C); d) 一块阳极侧的集流板和一块阴极侧的集流板;
e) 一块阳极侧的端板和一块阴极侧的端板; f) 电绝缘片;
g) 螺栓、螺母、垫圈等;
h) 温度控制组件、加热组件与热电偶等。
7.3.2 单电池组装
单电池组装按顺序将端板、电绝缘片、集流板、流场板、密封件、MEA、密封 件、流 场板、集 流板、电 绝 缘片、端板进行组装(见附录 B的 B.1)。若采用螺栓紧固型夹具,螺 栓的紧固顺序见 B.2所 示数字标注 的顺序,使用紧固螺栓、螺母以及扭矩扳手对单电池进行夹紧处理。
单电池组装程序对单电池性能的可重复性有明显影响,下 列组装操作中的一些特定过程应以文件 记录下来:
a) 一侧密封件/密封的材料、尺寸及安装; b) MEA 放置定位,包括阳极侧和阴极侧确认; c) 另外一侧密封件/密封的材料、尺寸及安装;
d) 加压按照规定气体扩散层的压缩率或者组装力,做螺栓紧固;
注:装配气体扩散层的压缩率和组装力 ,基 于需求进 行 设 定。 能 通 过 压 敏 纸 或 压 力 毯 等 压 力 检 测 工 具 检 查 气 体 扩 散层的受力情况。
e) 装配后,应检查同侧端板和集流体板之间的绝缘性。
7.4 单电池试漏
7.4.1 概述
在单电池试漏前确保单电池密封良好,7.4.2和7.4.3为两种可选的参考方法。
7.4.2 湿式浸水法
将单电池两侧气路入口连接进气,接入空气或者 氮气;两 侧气路出口均连接压力表,将 两侧气路尾 端的气路开关闭合。两侧气路入口气体加压 (入 气压力波动性范围 ±10kPa),控 制出口压力 (绝 对压 力)数值比单电池测试工况中用 到的最大压力值高 50kPa。 待气体压力稳定后,将 单电池完全浸没于 水中,或者将检漏液涂敷到密封区边缘,目测是否 有气泡冒出。 如存在显著漏气时,应 检查和处理单电 池密封,直至再次浸水检测确认无外漏。
注:在湿式浸水法测试前 ,先 对进出口转接位置 、管 路漏气进行检漏测试。

7.4.3 压差试漏法
将单电池两侧气路入口连接进气,接入空气或者 氮气;两 侧气路出口均连接压力表,将 两侧气路尾 端的气路开关闭合(见图1)。两侧气路气体加压(要 求进气压力波动性范围在 ±10kPa内),控 制出口 压力,其中一侧设置单池测试工况中 用到的最大压力值、另 一侧单池测试工况中用到的最大压力值加 50kPa,停止进气后保持10 min。记录两侧压力值随时间 变化情况。 如果单侧压力或两侧压差变化超 过一定阈值(由膜电极材料特性和单电池组装确 定),可 判断为单池出现内漏或者外漏,需 要检查密封、 处置,直至确认无泄漏。
注 1:测 试过程中 ,需 要排除测试平台气体进出口转接位置 、管 路 、测 试台架的漏气的情况对试漏测试的干扰。 注 2:采 用压差试漏法时 ,供 气压力维持稳定。

图 1 压差试漏法示意

7.5 单电池活化
单电池活化方法如下。
a) 将单电池安装到质子交换膜燃料电池测试装置上,确保接口密封不漏气。
b) 以反应气体为活化介质,设置单电池温度 80 ℃;气 体相对湿度 100% ;阳 极通入氢气,气 体化 学计量比2.0;阴极侧通入空气:气体化学计量比为2.0;两侧背压:101kPa(绝对压力)。
c) 如采用恒压活化模式,可设置电压在0.6V/0.4V 各10min交替进行,计算在0.6V 下的电流 密度在每5 min内的增长率,当该增长率低于5 (mA/cm2)/min,且相 对上一轮 0.6V 的最后 5 min平均电流密度差异不大于2%,可判定为活化结束。
注:恒流活化也作为单电池的活化方法。单电池的活化方法和条件根据膜电极特征选择和确定。

7.6 极化曲线条件设置
7.6.1 一般性条件
该条件为相对湿度100%增湿,质子 交换膜、全 氟磺酸树脂处于最佳润湿状态,保 持催化剂最高利 用率,可用于材料分析、氧还原条件测试结果对比使用。
阳极:通入氢气,气体化学计量比为1.5,相对湿度100%,背压150kPa(绝对压力)。
阴极:通入空气,气体化学计量比为2.0,相对湿度100%,背压150kPa(绝对压力)。 单电池温度:80 ℃。
注:气体流量最低设置为 200标 准立方厘米每分(sccm)。
7.6.2 其他条件
根据膜电极产品常用的应用场景,推荐了三种典 型条件:低 温高湿条件 (见 附录 D 的 D.1)、高 温低 湿条件(见 D.2)、中 温 低 湿 条 件 (见 D.3)。 根 据 膜 电 极 应 用 场 景 与 设 计 选 择 对 应 的 操 作 条 件 测 试 评 估,或者根据需求自拟条件。
注 1:一 般性测试条件之外的膜电极极化曲线测试条件(包 括增湿条件 、压 力 、流 量以及单电池温度等)基 于 膜 电 极 特性确定。
注 2:根 据膜电极实际应用情况在通用性测试条件之外选择其他条件来测试评价膜电极性能。 注 3:操 作条件压力控制按目标按要求采用入口压力设置方式。
7.7 试验设置
试验设置如下。
a) 前置工况。膜电极极化曲线测试之前,可根据实际应用需求,设置特定工况做膜电极的 状态调 节,确保极化曲线测试时膜电极状态处在 需求状态下。 通常可将膜电极活化工况作为或视作 前置工况,或者根据需要定义工况。
b) 电流密度 设 置 与 电 压 值。 在 开 路 电 压 (OCV)状 态 下 维 持 10s,设 置 适 当 的 电 流 密 度 的 间 隔,例如依次设 置 0.1A/cm2、0.2A/cm2、0.3A/cm2,依 次上行,直 至需要加载的最大电流密 度,然后以相同电流密度间隔依次 下行,至 最低电流密度值;每 个电流密度点维持 10 min,取 后5 min的电压数据的平均值为该电流 密度下的电压值。 对上下行相同电流密度的电压,取 二者平均值。
c) 重复测试。同一样品应至少进行2次极化性能测试,在进行再次极化曲线测试之前,再 次活化 或采取必要的恢复性措施达到膜电极状态与前次测试一致,如果有单独自定义工况,再 接前置 工况。所测两次极化曲线中各相同电流密度下的平均电压间的电压差值 ≤10 mV,则 视为测 试结果重复有效。各电流密度与对应的两条极化曲线平均电压作图,得到极化曲线。
7.8 数据记录
按极化曲线测试中记录的电流密度I、电压V 结果,以电流密度为横坐标、电压为纵坐标,得到的I-
V 关系曲线(也可分别做出上下行电流密度-电压关系线)。
以电流密度I 为横坐标、功率密 度 P 为纵坐标绘制单电池功率密度P 与电流密度的I-P 关系曲 线。功率密度 P 按公式(5)进行计算。

式中:
P ———功率密度,单位为瓦特每平方厘米(W/cm2);
V ———电压,单位为伏特(V);
I ———电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2)。

8 透氢电流密度测试与绝缘电阻测试

8.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV;电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

8.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
8.3 试验方法
试验方法如下。
a) 将恒电位仪的工作电极导线连接到单电池阴极,将电极和参比电极导线连接到单电池阳极。 b) 操作条件为:
单电池温度为80 ℃;阳极侧通入氢气,流 量为 200sccm,相 对湿度为 100%,背 压 101kPa(绝 对压力);阴极侧通入氮气,流量为200sccm,相对湿度为100% ,背压101kPa(绝对压力); 用于第10章氧还原活性测试时,透氢电流测试时阴阳极背压应控制在150kPa(绝对压力),其 他条件不变,按照公式(8)进行计算。
c) 当 OCV 低于0.1V,选择恒电位仪的电压扫 描模式,设 置扫描起始点电位 0.1V[相 对于可逆 氢电极(RHE)],终止电位为0.5V(相对于 RHE),扫描速率2 mV/s。
8.4 数据处理
扫描结果示意图见图2。得到I-V 的曲线,基 于 0.4 V~0.5 V 电流密度与电压曲线进行线性拟 合,按照公式(6)进行计算,计算电压为零时的电流密度为透氢电流密度;拟合曲线的斜率的倒数为膜电 极的绝缘电阻。

I ———测试电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
E ———电极电位,单位为伏特(V);
IH -crossover ———透氢电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
Rins ———绝缘电阻,单位为欧姆平方厘米(Ω·cm2)。

图 2 透氢电流密度测试I-E 曲线

9 电化学活性面积测试

9.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV;电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

9.2 样品的准备
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2,测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
9.3 电化学活性面积测试
9.3.1 试验方法
电极连接:测试电极连接恒电位仪的工作电极,另一电极连接参比电极和对电极。 可采用下述两个方法 测 试 膜 电 极 的 电 化 学 活 性 面 积,其 中 氢 的 欠 电 位 吸 附 法 常 用 于 铂 金 属 催 化
剂,一氧化碳溶出伏安法常用于其他铂族合金催化剂。 a) 氢的欠电位吸附(脱附)法
1) 保持单电 池 在 制 造 商 建 议 的 条 件 下 进 行 测 试。 单 电 池 温 度 宜 在 40 ℃ ~80 ℃ 之 间 选
择,背压101kPa(绝对压力),气体相对湿度100%增湿。为了比较结果,所 有条件应控制 在一个固定的值,并记录试验条件。
2) 试验开始前,在两个电极腔都 通入氮气,吹 扫单电池中的气体,至 单电池电压低于 0.1 V
并稳定。
3) 向参比电极通入氢气,流 量为 200sccm,工 作电极通入氮气,流 量为 100sccm,通 入至少
15 min,确认电压低于0.10V。
4) 在选定的氮气流速下进行伏安法测试,扫 描电压设置为 0.05V~0.90V(vs.RHE),扫 描 速率在10 mV/s~100 mV/s范围内选定,获得 CV 曲线。扫描次数不少于5次。
注 1:推 荐以 20 mV/s条 件进行测试。 注 2:选 择合适的电压上下限 ,以 尽量减少析氢和材料氧化的影响。 注 3:重 复获得循环伏安曲线直到其变得稳定 ,并 使用稳定波形来计算 ECSA。
注 4:整 体的伏安曲线中双电层的电容电流线与横轴应基本保持平行 ,若 出现明显的不平行情况 ,说 明膜 电 极 出 现 了明显的短路 ,影 响测试结果 ,需 要更换膜电极。
b) 一氧化碳溶出伏安法
按照 GB/T28817—2022中11.5.3.2b)的方法执行。
9.3.2 数据处理
数据处理方式如下。
a) 在伏安法中,基于选取电压在0.2V~0.5V 之间对应的双电层正向扫描电流最小值画平行于 实轴的直线,积分双电层电流所画平行线与氢 脱附峰形成封闭区间的面积 (Sh),如 图 3 所示。 按照公式(7)计算 ECSA。

式中:
Sg———对铂金属催化剂,为每克铂金属催化剂的电化学活 性面积 (ECSA),单 位为平方米每克 (m2/g);对 铂 族 金 属 催 化 剂,为 每 克 铂 金 属 催 化 剂 或 族 催 化 剂 的 电 化 学 活 性 面 积 (ECSA),单位为平方米每克(m2/g);
Sh———氢的脱附积分面积,单位为伏特安培(V·A);
v ———扫描速度,单位为伏特每秒(V/s);
σH ———单位有效面积的氢脱附电荷量,单位为库伦每平方米(2.1C/m2);
L ———样本的工作电极侧铂族金属总量,单位为克(g)。

图 3 测试单电池的 ECSA 得到的典型 CV 曲线
b) 一氧化碳溶出伏安法的数据处理按照 GB/T28817—2022中11.5.3.2b)的方法进行。
注 :Pt基 合金催化剂 ,统 一以 Pt单 位有效面积的一氧化碳脱附电荷量计算比表面积。

10 阴极氧还原反应(ORR)活性测试

10.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
10.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
10.3 试验方法
试验方法如下。
a) 按第8章进行透氢电流密度测试。 b) 条件设定:
1) 单电池温度设置为80 ℃;
2) 阳 极:通 入 氢 气,当 电 流 密 度 超 过 0.2 A/cm2,计 量 比 为 2.0,当 电 流 密 度 低 于
0.2A/cm2,气体流量设为固定值,按照0.2A/cm2 的2.0计量比设定,背压150kPa(绝对 压力),相对湿度100% ;
3) 阴 极:通 入 氧 气,当 电 流 密 度 超 过 0.2 A/cm2,计 量 比 为 9.5,当 电 流 密 度 低 于
0.2A/cm2,气体流量设为固定值,按照0.2A/cm2 的9.5计量比设定,背压150kPa(绝对 压力),相对湿度100% 。
c) 极化曲线测量步骤:
在阴极接通氧气,1.0A/cm2 运行15 min;按 照下述电流密度从大到小 0.50、0.40、0.30、0.20、 0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 A/cm2 进行电压测量,每 个电流密度 点 稳 定 运 行 15 min,取 最 后
5 min的平均值作为电压值。
测试和记录每个电流密度下的单电池面电阻(RASR),测 试方法和计算方法按照 11.3.1及 公式(13) 进行。

10.4 数据处理
10.4.1 总电流密度
总电流密度按照公式(8)计算。

2
式中:
Itotal ———操作电流密度和透氢电流密度之和,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
I ———操作电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
IH -crossover ———透氢电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2)。
10.4.2 欧姆极化补偿
对各电流密度下的欧姆极化进行补偿,按照公式(9)计算。

式中:
VIR-free———欧姆补偿后的电压,单位为伏特(V);
Vcell ———实测单电池电压,单位为伏特(V);
RASR ———对应电压(Vcell)测得的面电阻,单位为欧姆 平方厘米(Ω·cm2),测 试方法按照 11.3.1 的 计算方法及公式(12)进行。
将VIR-free为纵坐标,lgItotal为横坐标作图,通过插值或外推得到塔菲尔图在0.9V(IR-free)处 的电流 密度I0.9V 。
10.4.3 阴极催化剂的质量比活性
比较单位贵金属质量用量下催化剂在膜电极中的活性,阴 极催化剂的质量比活性的计算按照公式
(10)计算。

式中:
Im ———0.9V 下的氧还原的质量比活性,单位为安培每毫克(A/mg);
I0.9V ———0.9V(IR-free)下的电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
LPGM ———阴极的铂族金属担载量,单位为毫克每平方厘米(mg/cm2)。
10.4.4 阴极催化剂的面积比活性
比较单位贵金属电化学活性面积下催化剂在膜电极中的活性,阴 极催化剂的面积比活性 (A/cm2) 按照公式(11)计算。

式中:
Is ———0.9V 下的氧还原的面积比活性,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
Im ———0.9V 下的氧还原的质量比活性,单位为安培每毫克(A/mg);
Sg ———阴极催化剂电化学活性面积,单位为平方米每克(m /g)。

11 欧姆极化测试

11.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
交流阻抗仪:频率范围从10kHz到0.1 mHz(0.0001 Hz)。
11.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
11.3 试验方法
11.3.1 电流中断法测试
电流中断法测试方法如下。 a) 试验步骤
1) 按照需要测试设定电流密度下的内电阻,设置与该电流密度下相同操作条件;
2) 将 电 流 密 度 设 置 为 所 需 值,并 保 证 单 电 池 电 压 达 到 稳 定 值 (最 低 要 求 ±5 mV,持 续5 min);
3) 突然切断电流,记录电压-时间曲线(见图4)。
注 1:单 电池测试条件(包 括增湿条件 、压 力以及单电池温度等)由 样品提供方提供或者由样品提供方和测试方协商 确定。
注 2:切 断电流的时间小于脉冲时间t。

图 4 电流中断法测试燃料电池欧姆过电位损失示意
b) 数据整理
电压-时间变化曲线上读取电压突然增加部分,作为欧姆损失极化过电位Vr。 单电池内电阻R 按照公式(12)进行计算。

式中:
R ———单电池内电阻,单位为欧姆(Ω);
Vr ———单电池电压在电流中断时的瞬时变化(通常≤20μs),单位为伏特(V);
I ———单电池电流,单位为安培(A)。
面电阻RASR 按照公式(13)进行计算。

式中:
RASR ———面电阻,单位为欧姆平方厘米(Ω·cm2);
R ———单电池内电阻,单位为欧姆(Ω);
A ———膜电极的有效活性面积,单位为平方厘米(cm2)。
11.3.2 全频交流阻抗法测量
全频交流阻抗法测量方法如下。
a) 条件设定:
根据测试样品需求设定操作条件。
b) 设定测试选定的电流密度,叠加 的交流电流幅值通常 ≤I×5%,其 中I 为燃料电池的运行电 流。上限频率以阻抗谱中与实轴相交为宜,通 常选 10kHz;下 限频率以能正确反映膜电极扩 散电阻信息为宜,例如选择0.01 Hz。在每个数量 级的频率范围内,宜 取 5个以上频率点进行 测试。
c) 记录实部阻抗与虚部阻抗。全频阻抗以 Nyquist图形式(见图5)给出,确认高频区与实轴的交点的实部数据为单电池内电阻R(Ω)。按照公式(13)计算面电阻 RASR(Ω·cm2)。

图 5 全频阻抗测试得到的 Nyquist图

11.3.3 定频交流阻抗法测量
参考11.3.2的全频交流阻抗测试 方法,参 考高频区与实轴的交点的频率值,或 者设定高频频率点
(可选频率≥1kHz),测试实部阻抗,近似为单电池内电阻 R(Ω)。
注1:该方法通常用于测试极化曲线过程中同步快捷测定单电池内电阻的近似值。
注 2:如 单电池内电阻测量不会影响单电池的稳定状态 ,则 与极化曲线测量同时进行。如果单电池内电阻测量会干
扰单电池的稳定 ,需 要先记录电压 、电 流密度值 ,再 进行单电池内电阻测量。

12 膜电极分项老化测试

12.1 膜电极电位循环稳定性测试
12.1.1 测试仪器与设备
燃料测试平台:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于
±0.1 mA。

12.1.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损; 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
12.1.3 试验方法
试验方法如下。 a) 条件设定:
1) 单电池设置温度:80 ℃;
2) 阳极:通入氢气,气体流量200sccm,相对湿度100%,背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入氮气,气体流量75sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力)。 b) 将恒电位仪工作电极连接单电池的阴极,参比与对电极连接单电池的阳极。
c) 参照图6中的方波电位形式,在 OCV 电压下,切换下限电位0.60V,维 持 30s,阶 跃至上限电位,上限电位可根据需要设定,通常0.95V,持续3s,再阶跃回下限电位0.60V,持续3s,以此 往复循环测试。
d) 在试验过程中,可设定在0、1000、5000、10000、30000、60000、90000…… 圈时,分 别进行极 化曲线测试、ECSA 测试、ORR 活性测试(参见第7章、第8章 及第 10章),其 中终止圈数可根 据应用场景选定,其中30000衰减量为常用于比较的数据。
12.1.4 数据处理
催化剂质量比活性的衰减比率按照公式(14)进行计算。

式中:
εm ———质量比活性的衰减比率;
Im,BOT ———耐久性测试初始时,测试的催化剂的质量比活性,单位为安培每毫克(A/mg);
Im,EOT ———耐久性测试结束后,测试的催化剂的质量比活性,单位为安培每毫克(A/mg)。
电化学活性面积的衰减比率按照公式(15)进行计算。

式中:
εs ———电化学活性面积的衰减比率;
Sg,BOT ———耐久性测试初始时,测试的电化学活性面积,单位为平方米每克(m /g);
Sg,EOT ———耐久性测试结束后,测试的电化学活性面积,单位为平方米每克(m /g)。
极化曲线中选定电流密度的电压衰减比率按照公式(16)进行计算。

式中:
εE ———选定电流密度下电压衰减比率;
VBOT———耐久性测试初始时,选定电流密度下的电压,单位为伏特(V);
VEOT———耐久性测试结束后,选定电流密度下的电压,单位为伏特(V)。

图 6 膜电极电位循环稳定性测试工况谱

12.2 膜电极高电位稳定性测试
12.2.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -2.0 V~2.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于
±0.1 mA。

12.2.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
12.2.3 试验方法
试验方法如下。 a) 条件设定:
1) 提供三种单电池温度:50 ℃、65 ℃、80 ℃,适用于不同强度稳定性测试;
2) 阳极:通入氢气,气体流量200sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入氮气,气体流量200sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力)。 b) 将恒电位仪工作电极连接单电池的阴极,参比电极与对电极连接单电池的阳极。
c) 按照图7中的三角波电位形式,设置下限电位1.0V、上限电位1.5V 做循环测试,扫描速率为 500 mV/s。在试验第0、500、1000、3000、5000圈 时,分 别进行极化曲线测试、ECSA 测试和 ORR 活性测试 (见第7章、第8章及第10章测试方法)。终止圈数可根据应用场景选定,其中 5000衰减量为常用于比较的数据。如果测试5000圈(含 5000 圈)之 前,单 电池评价测试已 经无法开展,可终止测试,其中数据以能测试有效数据圈数为准。
注:在测试报告中 ,标 注测试所选取的温度条件。

12.2.4 数据处理
催化剂质量比活性的衰减比率按照公式(14)计算。 电化学活性面积的衰减比率按照公式(15)计算。 极化曲线中选定电流密度的电压衰减比率按照公式(16)进行计算。

图 7 膜电极高电位稳定性测试工况谱

12.3 膜电极干湿循环稳定性测试
12.3.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

12.3.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
12.3.3 测试条件
测试条件如下。 a) 条件设定:
1) 单电池温度:80 ℃;
2) 阴阳极两侧均使用空气,或者均使用氮气;
3) 设置阴阳极相对湿度循环:首 先通入不加湿的压缩干气,运 行时间为 2 min,切 换成至露 点温度为90 ℃的加湿气体,运行时间为2 min,再循环回干气;
4) 流量:阴阳极的典型流量均为2000sccm;
5) 气体压力:阴阳极背压均为101kPa(绝对压力)。 b) 每24h(360个循环)按照7.5对膜电极进行活化。
c) 按照第9章的方法进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试。
d) 试验终止条件:当透氢电流密度超过15 mA/cm2;或者当绝缘电阻低于失效阈值。
注:绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定。
12.4 膜电极化学稳定性测试
12.4.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

12.4.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
12.4.3 试验方法
试验方法如下。 a) 条件设定:
1) 单电池设置温度:90 ℃;
2) 阳 极:通 入 氢 气,设 定 电 流 密 度 0.2 A/cm2 计 量 比 为 10 的 流 量,相 对 湿 度 30%,背 压150kPa(绝对压力);
3) 阴极:通 入 空 气,设 定 电 流 密 度 0.2 A/cm2 计 量 比 为 10 的 流 量,相 对 湿 度 30% ,背 压150kPa(绝对压力)。
b) 按照第9章测试初始膜的透氢电流密度。 基于上述条件,切 换成 OCV。 并持续监测 OCV 电 压变化情况。
c) 每24h(360个循环)按照7.5对膜电极进行活化。 d) 按照第8章进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试。
e) 试验终止条 件:透 氢 电 流 密 度 超 过 15 mA/cm2,或 者 当 绝 缘 电 阻 低 于 失 效 阈 值,或 者 超 过
1 min以上 OCV 衰减比率超过20%,测试终止。
注:绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定。

12.4.4 数据处理
膜电极 OCV 降幅应按照公式(17)进行计算。

式中:
εOCV ———OCV 衰减比率;
VOCV,BOT ———耐久性测试初始时,OCV 的电压,单位为伏特(V);
VOCV,EOT ———耐久性测试结束后,OCV 的电压,单位为伏特(V)。
12.5 膜电极机械与化学稳定性耦合测试
12.5.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。
12.5.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
12.5.3 试验方法
试验方法如下: a) 条件设定:
1) 单电池设置温度:90 ℃;
2) 阳极:通入氢气,气体流量1000sccm;设置通入干气(压缩干气不增湿)运行30s,切换 至 湿气(露点温度为90 ℃的)运行45s,再切换至干气,往复循环;背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入空气,气体流量为1000sccm;设置通入干气(压缩干气不增湿)运行30s,切 换 至湿气(露点温度为90 ℃)运行45s,再切换至干气,往复循环;背压101kPa(绝对压力)。
b) 按照第 8 章 内 容 测 试 膜 电 极 的 初 始 透 氢 电 流 密 度。 基 于 上 述 条 件,切 换 成 开 路 电 位 模 式
(OCV)。并持续监测 OCV 的变化情况。
c) 每24h(360个循环)按照7.5对膜电极进行活化。 d) 按第8章进行透氢电流密度测试和绝缘电阻的测试。
e) 试验终止条件:当透 氢电流密度 超 过 15 mA/cm2,或 者 当 绝 缘 电 阻 低 于 失 效 阈 值,或 者 超 过
1 min以上 OCV 衰减比率超过20%,测试终止。 注:绝缘电阻的失效阈值根据材料特点选定。 极化性能测试方法按7.5对膜电极活化测试和7.6做极化曲线测试。
12.5.4 数据处理
膜电极 OCV 降幅按照公式(17)进行计算。

13 阳极氢氧化反应(HOR)极化测试

13.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A.1所示。
恒电位仪:电 压 范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥50 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

13.2 样品的制备与组装、活化
为了方便简化处理计算,测试所需要用到特制的膜电极样品,阴极催化层需要与阳极催化层催化剂 种类、贵金属载量保持一致。
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
13.3 试验方法
试验方法如下。
a) 线路连接:

恒电位仪的工作电极连接单电池阳极侧,参比电极和对电极连接单电池阴极侧。 b) 条件设定:
1) 单电池设置温度:80 ℃;
2) 阳极:通入氢气,气体流量2000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入氢气,气体流量2000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力)。 c) 根据以下步骤测试按7.6做极化曲线测试和单电池内电阻。
通过恒电位仪,控制 电 流 密 度 从 小 到 大 依 次 加 载 至 设 定 最 大 的 电 流 密 度,例 如:0.1 A/cm2、 0.2A/cm2、0.3A/cm2……,并记录对应的电压Vcell。
按照第11章测试各电流密度下单电池的内电阻。
13.4 数据处理
单电池的极化电势与阳极氢氧化反应的极化电势关系见公式(18):

式中:
Vcell ———单电池电压,单位为伏特(V);
ηHOR ———阳极氢氧化反应的极化电势,单位为伏特(V);
ηHER ———阴极氢析出反应的极化电势,单位为伏特(V);
I ———电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
RASR ———单电池面电阻,单位为欧姆平方厘米(Ω·cm2)。
单电池中,阳极和阴极催化层为相同催化层,近似ηHOR ≈ηHER 。
计算阳极极化电势与电流密度的关系式见公式(19):

式中:
Vcell ———单电池电压,单位为伏特(V);
ηHOR ———阳极氢氧化反应的极化电势,单位为伏特(V);
I ———电流密度,单位为安培每平方厘米(A/cm2);
RASR ———单电池面电阻,单位为欧姆平方厘米(Ω·cm2)。

14 膜电极阳极抗反极测试

14.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意图如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -2.0 V~2.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA。

14.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
14.3 抗反极时长测试方法
测试装置与电池进行气体管路连接,将恒电位仪工作电极连接单电池阳极侧,参比电极和对电极连接单电池阴极侧。 方法(1):单次反极测试。 a) 条件设定如下:
1) 单电池温度设置为75 ℃;
2) 阳极:通入氢气,流量为1000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入空气,流量为1000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力)。
b) 设置终止电位为-1.5V,建立稳定开路5 min后,恒 电位仪加载电流密度 200 mA/cm2,待 单 电池电压稳定,切换氢气为氮气,并保持相同流量,湿度和背压,此时单电池开始进入模 拟反极 工况。待流道中残余氢气 消 耗 殆 尽,单 电 池 电 压 迅 速 下 降 到 0 V 以 下,当 电 压 达 到 -1.5 V 时,切断电流。记录单电池电位从0V 变化到-1.5V 的时长,定义为反极时长(见图8)。

图 8 单次反极测试结果示意图
方法(2):循环反极测试。 a) 条件设定如下:
1) 单电池温度设置为75 ℃;
2) 阳极:通入氢气,流量为1000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力);
3) 阴极:通入空气,流量为1000sccm,相对湿度100% ,背压101kPa(绝对压力)。
b) 建立开路5 min后,恒电位仪加载电流密度200 mA/cm2,运行5 min。待单电池电压稳定,切 换氢气为氮气,并保持相同流量,相对湿度和背压,此时单电池开始进入模拟反极工况,设 置终 止电位为-1.5V。待流道中残余氢气消耗 殆尽,单 电池电压迅速下降到 0V 以下,单 电池反 极持续时长达到2 min后,切断电流,停止反极。
c) 按7.5对膜电极活化测试和按7.6做极化曲线测试(结果见图9)。
d) 重复上述 b)、c)步骤,多次 反极测试后,当 额定电流密度下电压衰减比率超过设定值,停 止反 极测试。累计反极时间即为反极运行时间,或者记录累计的反极循环数。
注 1:衰 减比率的设定值根据膜电极特性设定。 注 2:对 于阳极具有较强抗反极能力的膜电极 ,如 单次抗反极时长大于 10 min以 上时 ,按 方法(2)进 行测试。

图 9 模拟反极实验前后单电池极化曲线

15 气体杂质耐受试验

15.1 测试仪器与设备
测试装置:质 子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A.1 所示。 由于杂质可能会与测试台的 部 件 (例如供气管和密封件)暴露的表面发生反应。确 保测试台材料可抵抗所用杂质的腐蚀。 在测试后,管 道需要用惰性气体冲洗置换。
恒电位仪:电 压 范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥50 A,准 确 度 不 低 于
±0.1 mA。
15.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
15.3 气体杂质耐受测试
气体杂质耐受测试 按 照 GB/T31886.1—2015 及 GB/T31886.2—2015 规 定 进 行,具 体 测 试 方 法 如下。
a) 性能测试。单电池阳极和阴极分别通入纯净氢气和空气,按 7.5活 化,按 7.6 的方法做极化曲 线测试,按照第10章的方法进行阴极 ORR 的质量比活性测试,按照第8章的方法分别做阴阳 极的 ECSA 测试。
b) 稳态运行。运行单电池在额定电流密度下直至电压稳定在±5 mV 之间持续15 min。
c) 气体杂质测试。将气体(阳 极或阴极 )切 换为由需求方指定含有杂质种类和浓度的氢气或空 气。运行单电池在额定电流密度或可稳定运行的电流密度,直 至电压稳定在 ±5 mV 之间持 续15 min。以额定电流密度或可 稳定的电流密度作为性能衰减评估点。 在同样杂质成分的气体条件下,按7.6做极化曲线测试。
d) 气体置换。停止供气,对管道用惰性气体冲洗置换,再将阳极或阴极气体供应置换为纯 净的氢 气或空气。
e) 恢复运行。恢复单电池测试安装。以额定电流密度或可稳定的电流密度运行单电池直至电压 稳定在±5 mV 之间持续15 min。按7.5活化,按7.6的方法做极化曲线测试,按照第10章 的 方法进行阴极 ORR 的质量比活性测试,按照第8章的方法分别做阴阳极的 ECSA 测试。
f) 如果需要,可重复步骤 b)、c)、d)及e),直至膜电极各性能达到预期。
g) 根据在使用洁净反应物条件下膜电极相关数据的初始值和最终值之间的差异 (包 括但不限于 极化曲线性能、阴阳极催化剂质量比活性、电化学活性面积)来确定膜电极的可恢复性。

15.4 数据处理
根据更换杂质气体前后,各对应数据的变化情况,性能衰减比率按照公式(20)计算。

式中:
εV ———电压的衰减比率;
Vfresh ———通入杂质前,选定电流密度下的电压,单位为伏特(V);
Vcon ———通入杂质后,选定电流密度下的电压,单位为伏特(V)。
重新通入不含杂质气体,洗脱杂质后,不可逆衰减比率按照公式(21)计算。

式中:
ε ———特征参数衰减比率;
αfresh ———通入杂质前,特征参数量:或为电压,单位为伏特(V);或 为质量比活性,单 位为安培每毫 克(A/mg);或为 ECSA,单位为平方米每克(m2/g);
αirr ———通入杂质后重新通入干净气体 后,特 征参数量:或 为电压,单 位为伏特 (V);或 为质量比 活性,单位为安培每毫克(A/mg);或为 ECSA,单位为平方米每克(m2/g)。
注:以上衰减比率结果 ,需 同时标明测试气体杂质种类 、含 量等信息。

16 膜电极耐久性测试

16.1 测试仪器与设备
测试装置:质子交换膜燃料电池测试装置示意如图 A.1所示。
恒电位仪:电压范 围 -1.0 V~1.0 V,准 确 度 不 低 于 ±1 mV,电 流 量 程 ≥1.0 A,准 确 度 不 低 于±0.1 mA;

16.2 样品的制备与组装、活化
样品尺寸:膜电极样品有效面积为25cm2;测试样品平整、无污渍、无缺陷和破损。 分别按照7.3方式组装单电池,按7.4进行单电池试漏,按7.5进行单电池活化。
16.3 试验方法
试验方法如下。
a) 初始性能测试:分别按7.6做极化曲线测试,按8.3做透氢电流测试,按9.3做 电化学活性面积测试和10.3做氧还原活性测试。 b) 耐久条件设定如下。
1) 耐久性测试条件,基于设计膜电极选用适配按7.6做极化 曲线测试条件,作 为耐久工况中 的操作条件。
2) 根据膜电极的应用场景,选 定合适的工况。 举例四类推荐的典型耐久工况:乘 用车 工 况 (见附录 E的 E.1和图 E.1)、商用车工况(见 E.2和图 E.2)、固定发电系统工况(见 E.3和 图 E.3)、车用道路综合工况(见 E.4 和图 E.4)。 根据膜电极应用场景与设计选择对应的 典型工况进行耐久性测试评估,或者根 据需求自拟工况。 针对车用工况以控制电流密度 方式设定,以额定电流密度为100%为基准换算工况中其他电流密度值。
3) 在启动耐久工况测试前,需要确认测试台 的气体流量响应能力是否滞后工况中电流密度 变化,避免运行过程中出现欠气现象的发生。
c) 每运行200h工况耐久测试,停机一次,对膜电极进行充分的活化,活化方法见7.5。
d) 过程性能测试:分别按7.6做极化曲线测试,按8.3做透氢电流测试,按9.3做 电化学活性面积 测试和10.3做氧还原活性测试。
e) 重复步骤 b)、c)、d)继续实施耐久性的测试,直至膜电极达到了设定的耐久性寿命终点指标判 据,通常终止判据为选定电流下电压衰减比率、透 氢电流密度、动 态工况中最低电压值或者出 现了其他类型失效。
16.4 数据处理
膜电极的选定电流密度下的电压衰减比率按照公式(22)进行计算。

式中:
ε ———选定电流密度的电压衰减比率;
V ———每200h及寿命终止阶段选定电流密度下的电压,单位为伏特(V);
VBOT ———耐久性测试前膜电极初始时选定电流密度下的电压,单位为伏特(V)。
质量比活性衰减比率、电化学活性面积的衰减比率按照公式(14)、公式(15)进行计算。

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