《質(zhì)子交換膜水電解制氫陽(yáng)極催化劑測(cè)試方法》

編制說(shuō)明

一、任務(wù)來(lái)源

在碳達(dá)峰、碳中和的背景F,以燃料電池為代表的氫能應(yīng)用技術(shù)

為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了新的路徑。2022年，

發(fā)改委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》指出，

要加快推進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)關(guān)鍵材料，提高主要

性能指標(biāo)和批量化生產(chǎn)能力，持續(xù)提升燃料電池可靠性、穩(wěn)定性、耐

久性。電催化劑作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心材料，對(duì)燃料電池的

成本、性能及壽命均有重要影響。

質(zhì)子交換膜電解水制氫陽(yáng)極催化劑是電解水制氫技術(shù)的核心，其

性能和穩(wěn)定性直接決定了電解水制氫的效率和成本。因此，建立一套

科學(xué)、準(zhǔn)確、可行的質(zhì)子交換膜電解水制氫陽(yáng)極催化劑測(cè)試方法，對(duì)

于推動(dòng)電解水制氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)起草組及專(zhuān)家組多次調(diào)研論證，根據(jù)《團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理規(guī)定》

《中國(guó)中小企業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法（試行）》有關(guān)規(guī)定，特立項(xiàng)

本標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目計(jì)劃編號(hào)為T(mén)/CASMESXXX—2024。

二、起草單位

本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)中小企業(yè)協(xié)會(huì)提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)由北京理工大學(xué)、

中科院青島生物能源與過(guò)程研究所、深圳市氫藍(lán)時(shí)代動(dòng)力科技有限公

司、安徽桃水新能源科技有限公司、湖南七維氫能科技有限公司、涌

氫（深圳）能源科技有限公司、中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司、西安泰

金新能科技股份有限公司、蘇州的氫新能源科技有限公司、華氫昊能

（廣東）新能源有限公司、武漢電弛新能源有限公司、華興中科標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)（北京）有限公司參與起草。

三、標(biāo)準(zhǔn)的編制原則

標(biāo)準(zhǔn)起草小組在編制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，以國(guó)家、行業(yè)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)為制

訂基礎(chǔ)，結(jié)合我國(guó)目前PEM制氫的發(fā)展現(xiàn)狀，按照CB/TL1—2020《標(biāo)

準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定及相

關(guān)要求編制。

四、標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程

2023年8月21日，中國(guó)中小企業(yè)協(xié)會(huì)正式批準(zhǔn)《質(zhì)子交換膜水電解

制氫陽(yáng)極催化劑測(cè)試方法》立項(xiàng)。

五、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

1金屬含量測(cè)試

金屬含量測(cè)試根據(jù)不同的鉞基催化劑類(lèi)型分為熱還原法和電感耦

合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）法兩種。該方法涉及質(zhì)量含量的測(cè)定,

原子含量可以通過(guò)質(zhì)量含量進(jìn)行換算。

i.i鉞含量測(cè)定

2

1.L1適用范圍

此方法適用于二氧化銃、鉞黑等PEM電解水陽(yáng)極催化劑材料中鉞含

量的測(cè)試。

1.L2測(cè)試儀器和設(shè)備

a）管式加熱爐；

b）分析天平：精度為0.1mgo

1.1.3測(cè)試方法

稱(chēng)量不少500mg的待測(cè)樣品，記錄質(zhì)量Ml,將待測(cè)樣品放入干凈

的瓷舟中，在管式爐中使用（5%）Ar混合氣進(jìn)行還原，從室溫升至

1000℃,升溫速率不高于L5C/min。待溫度降至室溫后將樣品進(jìn)行

稱(chēng)量，其質(zhì)量M2為鉞的質(zhì)量，通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算即可得到Ir的

質(zhì)量含量W%o

w%=—MlX100%......（1.）

式中：

Ml——待測(cè)樣品質(zhì)量；

M2---鉞的質(zhì)量。

1.2非鉞含量測(cè)定

1.2.1適用范圍

此方法適用于二氧化鉞、鉞黑、負(fù)載型二氧化鉞、立基合金等PEM

電解水陽(yáng)極催化劑材料中其它非鉞金屬含量的測(cè)試。

1.2.2測(cè)試儀器和設(shè)備

3

a）電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）,最低檢測(cè)限《1H

g/L；

b）分析天平：精度為0.1mg;

O平板加熱臺(tái)。

1.2.3測(cè)試方法

稱(chēng)量不少于500mg的待測(cè)樣品后，溶解于20mL王水（由濃硝酸/濃

鹽酸按1/3體積比配制而成的新鮮溶液）中，在加熱臺(tái)升溫至180C加

熱10小時(shí)后，冷卻轉(zhuǎn)移至定容儀器，使用ICP-OES定量測(cè)試其中的功能

性非鉞金屬（如Pt、Ru、Co、Ti等）含量和關(guān)注的雜質(zhì)金屬含量，通

過(guò)數(shù)據(jù)處理確定催化劑中非鉞金屬元素的質(zhì)量含量。作為一種估算方

法，鉞含量可依據(jù)對(duì)催化劑樣品中非鉞金屬的主要存在形式和含量進(jìn)

行對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行估算。

2形貌及粒徑分布測(cè)試

2.1測(cè)試儀器

滿足不同催化劑粒徑測(cè)試要求的透射電子顯微鏡。

2.2樣品準(zhǔn)備

在試驗(yàn)前，將樣品置于真空烘箱中于80℃干燥12"

2.3測(cè)試方法

a）將銅網(wǎng)進(jìn)行除油、除污處理，并清洗、干燥;

4

b）取適量的樣品和乙醇加入小燒杯，超聲振蕩均勻，將運(yùn)量混合

液滴于銅網(wǎng)上，干燥后，放入透射電鏡儀器中進(jìn)行測(cè)試；

0按照電鏡儀器的操作要求，取一定放大倍數(shù)的電鏡照片。

2.4數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)200個(gè)以上的樣品顆粒的粒徑，給出粒徑分布圖。按照公式

（2）計(jì)算樣品的平均粒徑：

Dm.....................⑵

式中：

Dm一—催化劑粒子的平均粒徑，單位為納米（nm）;

M一一粒徑為di的粒子數(shù)，單位為個(gè)；

&——第i個(gè)樣品粒子的粒徑，單位％納米（nm）。

3比表面積、孔容、孔徑分布測(cè)試

按照GB/T5816-1995規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試0

4堆密度測(cè)試

按照GB/T13566-1992規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

5晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試（非強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目，僅作參考）

5」測(cè)試儀器

X-射線衍射儀（XRD）。）樣品準(zhǔn)備

a）催化劑樣品量不低于裝滿樣品池所需的量。

5

b）將樣品置于真空烘箱中于80C干燥12h至完全干燥。

5.2測(cè)試方法

a）將樣品裝到樣品槽中，用載玻片壓片，樣品表面要與樣品槽表

面持平；

b）將樣品槽放入XRD測(cè)試儀的樣品夾具中；

0對(duì)樣品在一定掃速和角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到催化劑XRD譜

圖。

5.3數(shù)據(jù)處理與報(bào)告

與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)對(duì)照，確定催化劑主要成分的晶型結(jié)構(gòu)。

6ECSA測(cè)試

6.1測(cè)試樣品

測(cè)試樣品的取量應(yīng)滿足3次有效試驗(yàn)的需求，置于80C的真空烘箱

中干燥12ho

6.2測(cè)試儀器

電化學(xué)恒電位測(cè)試儀

6.3測(cè)試方法

電解液配置和電極處理方式可參照本標(biāo)準(zhǔn)的10.3.1和10.3.2,并

按照下列步驟進(jìn)行試驗(yàn):

6

a）稱(chēng)取25±0.1mg催化劑樣品；

b）樣品中依次加入5%Nafion溶液100±0.8pL,去離子水200

±1.2uL、異丙醇4.8±0.02mL;

0使用功率不低于200W的超聲波超聲至溶液均勻，時(shí)間大于30

min,超聲過(guò)程中水浴溫度不高于20°C,直到無(wú)明顯沉淀和顆

粒；

d）取適量超聲后的催化劑漿液（6-lOuL）均勻滴加在圓盤(pán)電極表

面，使其均勻擴(kuò)散到圓盤(pán)電極表面（可采用電極旋涂專(zhuān)用裝置），

將電極在室溫下自然干燥30min后，使用光學(xué)顯微鏡觀察修飾

電極層，確保催化劑層厚度均勻（以不出現(xiàn)類(lèi)似“咖啡環(huán)”的

催化劑環(huán)狀聚集或光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)的高度起伏為準(zhǔn)），即可

使用。根據(jù)催化劑漿料固含量和體系計(jì)算電極上的鉞載量（或

總貴金屬載量），在測(cè)試同一類(lèi)催化劑時(shí)應(yīng)盡量保證電極上貴

金屬載量相近；

e）將d）中的工作電極置于電解池中，組成三電極體系，參比電極

為可逆氫電極（RHE）、飽和甘汞電極（SCE）、汞硫酸亞汞電

極（Hg/Hg2sOP中的一種，對(duì)電極為大面積Pt片或Pt絲，電

解質(zhì)為氧氣飽和的0.5mol/L的硫酸（HSOP溶液或0.Imol/L

2

的高氯酸（HC10Q溶液；

f）設(shè)置不同的掃描速度（10mV/s-120mV/s）、電位區(qū)間為非法拉

第區(qū)（1.0-1.IV）,測(cè)試循環(huán)伏安曲線；

g）按上述步驟試驗(yàn)3次，計(jì)算平均值。

6.4數(shù)據(jù)處理

7

a)雙電層電容與掃描速率成正比1=v-C,v=10mV/s-120mV/s,

cdl

i表示電流密度，1取測(cè)試得到數(shù)據(jù)的中間電位處電流密度的平

C

均值。

通過(guò)測(cè)試得到的不同掃描速率對(duì)應(yīng)的電流密度可以作圖，擬合

后斜率為Cdi。

b)ECSA按公式(3)計(jì)算。

?2)⑶

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

式中：

ECSA一一電化學(xué)活性表面積；

Cdi------雙電層電容；

2

Cs——理想光滑表面的電容，一般為60MF-cnf;

Ageo-----------電極的表面積；

Mcatalyst----------催化劑中鉞或貴金屬的總質(zhì)量。

7催化劑極化曲線測(cè)試

7.1測(cè)試儀器

電化學(xué)恒電位測(cè)試儀，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極

7.2樣品準(zhǔn)備

a)測(cè)試樣品的取量應(yīng)滿足3次有效試驗(yàn)的需求，置于80℃的真空烘

箱中干燥12ho

b)參照9.3的a~e步驟。

8

7.3測(cè)試方法

7.3.1準(zhǔn)備工作

a）電解液配置

按照試驗(yàn)需求，將濃硫酸稀釋至0.5mol/L或濃高氯酸稀釋至

0.1mol/L。

b）電解池清洗

使用時(shí)將電解池在去離子水中煮沸3次，不使用時(shí)將電解池保

存在去離子水中，然后使用前定期清洗。

O參比電極校準(zhǔn)

用兩根的電極和待使用的參比電極構(gòu)成三電極體系，珀電極做

工作電極，在電解液中通入氫氣，在-0.2-0.5V的電位之間進(jìn)

行循環(huán)伏安掃描，得到電流密度為0時(shí)的電位即為參比電極的

電位。

7.3.2工作電極制作

a）工作電極打磨

使用前，準(zhǔn)備大小兩種粒徑的三氧化二鋁粉末，先把大粒徑的

三氧化二鋁粉末和水在鹿皮上進(jìn)行混勻，將工作電極按照畫(huà)8

字的手法在旄皮上進(jìn)行打磨15min,再將小粒徑的三氧化二鋁

粉末和水在鹿皮上進(jìn)行混勻，重復(fù)上述操作，最后將電極用水、

乙醇循環(huán)超聲清洗3次（每次3min）至干凈，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

2

穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)采用的碳紙需要提前或剪，有效面積為1cmo

b）催化劑成膜

9

按照9.3中的方法制備催化劑漿料，將6-10uL催化劑（含催

化劑50-200ug）分散液滴至玻碳電極上，將電極在室溫下干

燥30min后可使用。

7.3.3線性掃描伏安（LSV）測(cè)試

a）活化

將工作電極在氧氣飽和的電解液中以1600rpm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在

1.00和1.70V之間以100mVST的掃描速率進(jìn)行線性循環(huán)伏

安極化，一般進(jìn)行20個(gè)周期直至曲線穩(wěn)定。

b）循環(huán)伏安（CV）測(cè)試

在同一電解質(zhì)中以10mVST的掃速在1.00和1.65V之間循

環(huán)極化2次，轉(zhuǎn)速為1600rpm,稱(chēng)為觀察循環(huán)。

C）線性極化測(cè)試

繼續(xù)以1.00和1.65V為電位區(qū)間進(jìn)行10mVsT的正向測(cè)試，轉(zhuǎn)

速為1600rpm,得到LSV曲線，重復(fù)三次取平均值。

7.3.4催化劑穩(wěn)定性測(cè)試（非強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目，僅作參考）

催化劑穩(wěn)定性測(cè)試通常在線性掃描伏安測(cè)試后進(jìn)行，為了防止玻

碳電極的鈍化和催化劑脫落，工作電極可采用碳紙負(fù)載催化劑（載量

為0.3mgcm-2）,測(cè)試方式一般有以下三種：

a）計(jì)時(shí)電位法

10

在恒定的電流密度下（10mAcnf\100mAck等），記錄電壓

隨時(shí)間的變化。

b）計(jì)時(shí)電流法

在恒定的電壓下（L5VvsRHE、1.6VVSRHE等），記錄電流隨

時(shí)間的變化。

O加速耐久性測(cè)試（ADT）

對(duì)工作電極進(jìn)行循環(huán)伏安掃描極化，進(jìn)行30000次循環(huán)極化，

掃描速率為100mV/s,電位掃描范圍為1.2-L7V（相對(duì)于可逆

氫電極），再次測(cè)試催化劑活性。

在評(píng)價(jià)時(shí)，選擇一種以上即可。

7.4數(shù)據(jù)處理

7.4.1電壓校準(zhǔn)

按照參比電極測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。

7.4.2電流密度計(jì)算：

a）面積比活性

.fA-2\i(A)X1000

i(mAcm2)=".(4)

aMogZ)

式中：

i一一測(cè)試所得的電流;

Ageo------------電極的表面積。

b）質(zhì)量比活性

im(mAmgT)=a^(5)

式中:

11

Mcatalyst---------催化劑中欽或貴金屬的總質(zhì)量。

7.4.3按校正計(jì)算后的電壓、電流密度結(jié)果，繪制電壓與電流密度的關(guān)

系曲線。

8全電解池極化曲線測(cè)試

8.1樣品制備

a）取一定量催化劑，真空烘箱中于80C干燥12小時(shí)，作為待測(cè)樣

品。

b）樣品質(zhì)量應(yīng)滿足3次有效實(shí)驗(yàn)的要求。

8.2測(cè)試裝置和材料

8.2.1端板和流場(chǎng)板可為分離式或集成式。

8.2.2端板的抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足PEM水電解單池組裝壓力的要求。

8.2.3流場(chǎng)板應(yīng)為帶有電腦刻繪的蛇形流場(chǎng)的鈦板或鍍金不銹鋼板，流

場(chǎng)有效面積應(yīng)不小于膜電極有效測(cè)試面積。

8.2.4集流板采用鍍金的不銹鋼板。

8.2.5質(zhì)子交換膜電解水測(cè)試平臺(tái)應(yīng)包括能精確控制電流和電壓的電

源、控制進(jìn)水溫度的加熱裝置、控制水流量的水循環(huán)泵、控制電解池

溫度的加熱裝置。

8.3測(cè)試用水

電導(dǎo)率小于0.25uS/cm的去離子水。

12

8.4測(cè)試過(guò)程

8.4.1催化層制備

a）使用200-400Um厚度的多孔鈦氈作為陽(yáng)極和陰極氣體擴(kuò)散層

和催化層支撐層，使用Nafion115/Nafion117作為固態(tài)電解質(zhì)

膜，催化層制備使用氣動(dòng)或超聲噴涂技術(shù)，按照陽(yáng)極鉞擔(dān)載量

2

為1.0mgr/cm\陰極Pt擔(dān)載量為0.5mgt/cm,確定電極有效

面積后（一般為5c裙或者25cm2）,計(jì)算制備催化層所用催化

劑使用量，并稱(chēng)量精確至0.1mgo

b）用少量去離子水充分潤(rùn)濕催化劑后，按照W催化劑：WNarion（m）=l：1

的比例加入20%Nafion的溶液，按照W催化劑：W分散劑=1:50的

比例加入低級(jí)醇（乙醇、異丙醇等）作為分散劑。將上述混合

物進(jìn)行充分混合與分散，先通過(guò)磁力或機(jī)械攪拌在不小于500

rpm的轉(zhuǎn)速下將催化劑漿料攪拌30min,再用功率不小于200W

的超聲分散儀在不高于20℃的環(huán)境下分散不少于30min,經(jīng)觀

察確認(rèn)分散至無(wú)硬塊、無(wú)粘連、無(wú)顆粒后取出備用。如仍有結(jié)

塊或顯著沉淀物，沿著上述步驟再進(jìn)行混合與分散。

O催化劑漿料噴涂有以下兩種方式：

--將催化層制備于氣體擴(kuò)散層表面（CCS）：將裁剪至有效測(cè)試面

積的鈦氈固定于加熱吸附臺(tái)，保持吸附熱臺(tái)的溫度為80℃,在

鈦氈表面噴涂至計(jì)算的氮載量，取下鈦氈，將其置于60C真空

烘箱中烘干、稱(chēng)重，根據(jù)烘干后催化層的質(zhì)量確定是否需要再

次噴涂，并計(jì)算準(zhǔn)確荷載量。該方法適用于陽(yáng)極CCS和陰極CCS

的制備。

13

--將催化層制備于固態(tài)電解質(zhì)表面（CCM）：將暴露大小為有效測(cè)

試面積的固態(tài)電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）固定于加熱吸附臺(tái)，保持

吸附熱臺(tái)的溫度為80℃,在固態(tài)電解質(zhì)膜表面噴涂至計(jì)算的擔(dān)

載量，取下固態(tài)電解質(zhì)膜，將其置于60℃真空烘箱中烘干、稱(chēng)

重，根據(jù)烘干后催化層的質(zhì)量確定是否需要再次噴涂，并計(jì)算

準(zhǔn)確的單面荷載量。如需制備陰極和陽(yáng)極雙面均有催化層的CCM,

則按照上述步驟繼續(xù)在同一張膜的反面涂敷催化層。

8.4.2MEA制備

將上述材料按照氣體擴(kuò)散層-陽(yáng)極/陰極催化層-固態(tài)電解質(zhì)膜-陰

極/陽(yáng)極催化層-氣體擴(kuò)散層的順序組合。

a）如為CCS型電極，按照CCS（陰極）-固態(tài)電解質(zhì)膜-CCS（陽(yáng)

極）、催化層面向固態(tài)電解質(zhì)膜的原則組合放置；

b）如為CCM型電極，按照氣體擴(kuò)散層（鈦氈）YCM-氣體擴(kuò)散層

（鈦氈）、催化層面向氣體擴(kuò)散層的原則組合放置。

OMEA組合的上下面置于兩張平整的A4紙之間，置于熱壓機(jī)下平

板上，在130r,1.5MPa的壓力下，保持熱壓6min,取出后

用1—2kg的重物壓住，使其在室溫下冷卻，即可制得MEA。

8.4.3電解池組裝

根據(jù)定位孔位置，按順序?qū)⒍税濉⒚芊饽?、集流板、流?chǎng)板及MEA

進(jìn)行組裝，按照?qǐng)D1所示順序，逐一使用緊固螺栓、螺帽及漸進(jìn)型力矩

14

扳手對(duì)電解池進(jìn)行夾緊處理，根據(jù)膜電極組件厚度的壓縮率為15%-30%

確定力矩扳手的扭力范圍。

圖1單池的緊固螺栓位置

電池組裝能力應(yīng)滿足以下條件：

--氣體擴(kuò)散層與雙極板之間的接觸電阻最小；

--擴(kuò)散層厚度方向壓縮率＜30%;

8.5測(cè)試方法

8.5.1總體要求

單池的極化曲線測(cè)試應(yīng)滿足下列測(cè)試條件：

a）去離子水電導(dǎo)率：＜0.25S/cm;

b）去離子水流速：＜20mL/min;

O單池溫度：60℃-80℃o

8.5.2MEA活化

將單池安裝到測(cè)試平臺(tái)上，陰極進(jìn)水流量可設(shè)置為0-2mL/min,

陽(yáng)極進(jìn)水流量設(shè)定為2-lOmL/min,單池溫度設(shè)定到60℃。電源設(shè)定在

恒電流（電流密度為0.2A/cm2）下保持30min,提升電流密度至L0

15

A/cm’下保持30min,再將電源設(shè)定為恒電壓模式1.7V,直到電流波動(dòng)

小于1%。

8.5.3電解池極化曲線測(cè)試

8.5.3.1在規(guī)定電解池操作條件下，將電解池溫度提升至80℃,采取恒

定電壓方式，按照表1中的運(yùn)行參數(shù)測(cè)試電池輸入電壓。電壓每增加

50mV,恒電壓運(yùn)行30s,記錄穩(wěn)定的電流值。

表1運(yùn)行參數(shù)

電流(A)電流密度

電壓(V)持續(xù)時(shí)間(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

電流(A)電流密度

電壓(V)持續(xù)時(shí)間(s)

(mA/cm2)

1.8530

1.9030

...??????

2.2030

8.5.3.2當(dāng)電池工作電壓高于2.2V時(shí)終止測(cè)試。

8.5.3.3前一次極化曲線測(cè)試結(jié)束時(shí)間超過(guò)10min后，重復(fù)測(cè)試第二次，

每個(gè)單池至少測(cè)試三次極化曲線。

8.6數(shù)據(jù)處理

8.6.1按極化曲線測(cè)試中記錄的電壓、電流結(jié)果，繪制電壓與電流密度

的關(guān)系曲線。

8.6.2單電解池面積比活性按公式(6)計(jì)算。

“六.....................⑹

式中：

is——催化劑的面積比活性，單位為安每平方厘米(A/cd)；

I——記錄電流，單位為安(A