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

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中华人民共和国国家标准

GB/T20042.5—2009

质子交换膜燃料电池

第5部分:膜电极测试方法

Protonexchangemembranefuelcell—

Part5:Testmethodformembraneelectrodeassembly

2009-04-21发2009-11-01实施

发

GB/T20042.5—2009

目次

前言ni

i范围1

2规范性引用文件1

3术语和定义1

4厚度均匀性测试2

5Pt担载量测试3

6单电池极化曲线测试4

7透氢电流密度测试8

8活化极化过电位与欧姆极化过电位测试9

9电化学活性面积测试10

附录A（资料性附录）测试准备12

附录B（资料性附录）试验报告13

附录C（资料性附录）燃料电池内阻与反应电阻测试15

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GB/T20042.5—2009

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刖弓

GB/T20042((质子交换膜燃料电池》分为六个部分:

——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部分双极板测试方法"

本部分为GB/T20042的第5部分。

本部分的附录A、附录B和附录C均为资料性附录。

本部分由中国电器工业协会提出。

本部分由全国燃料电池标准化技术委员会(SAC/TC342)归口。

本部分负责起草单位：中国科学院大连化学物理研究所。

本部分参加起草单位:机械工业北京电工技术经济研究所。

本部分主要起草人:邱艳玲、钟和香、张华民、张黛、王美日、衣宝廉、候明。

本部分为首次发。

ni

GB/T20042.5—2009

质子交换膜燃料电池

第5部分:膜电极测试方法

1范围

GB/T20042的本部分规定了质子交换膜燃料电池膜电极(MEA)测试方法的术语和定义、厚度均

匀性测试、Pt担载量测试、单电池极化曲线测试、透氢电流密度测试、活化极化过电位与欧姆极化过电

位测试、电化学活性面积测试。

本部分适用于各种类型的质子交换膜燃料电池。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过GB/T20042的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文

件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成

协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本

部分。

GB/T6672—2001塑料薄膜和薄片厚度测定机械测量法(ISO4593：1993.IDT)

GB/T19596电动汽车术语(GB/T19596—2004,ISO8713；2002,NEQ)

GB/T20042.1质子交换膜燃料电池术语

3术语和定义

GB/T19596和GB/T20042.1确立的以及下列术语和定义适用于本部分。

3.1

Pt担载量platinumloading

单位面积膜电极上贵金属Pt的用量，单位为mg/cn?。

3.2

反应气体化学计量比reactantstoichiometry

反应气体实际供给量与依据法拉第定律计算的单电池实际输出电流所需反应气体量之比。

注：反应气体利用率与化学计量比呈倒数关系。

3.3

透氢电流密度hydrogencrossovercurrentdensity

一定温度、一定压力和相对湿度条件下，用电化学方法检测得到的氢气穿过膜电极的速度，单位为

A/cm2o

3.4

膜电极中电催化剂的电化学活性面积(ECA)electrochemicalarea(ECA)

膜电极内用电化学方法测试的催化剂的活性比表面积。单位为m2/go

注：膜电极的ECA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。

3.5

燃料电池内阻fuelcellinternalresistance

燃料电池内部离子流动阻力与导电性元件中电子流动阻力之和，以R表示，单位为H•cm2o

注：R,包括离子电阻(尺」)、电子电阻(RQ和接触电阻(R“)三部分，即

1

GB/T20042.5—2009

Ri=R」+Ri.<+Ri.<（1）

式中：

R——燃料电池内阻，单位为欧姆平方厘米（C•cm2）；

尺」——离子电阻，单位为欧姆平方厘米（H-cm2）；

Rz——电子电阻，单位为欧姆平方厘米（H-cm2）；

R“——接触电阻,单位为欧姆平方厘米•cm?）。

3.6

活化极化过电位activiationoverpotential

当电极表面电化学反应速度较快，而电极过程动力学速度较慢吋，导致电极表面积累带某种电荷的

粒子，从而引起的电极电位损失，又称为电化学极化过电位。单位为V。

注：活化极化过电位通常由阳极活化极化过电位和阴极活化极化过电位组成。对PEMFC,由于阴极反应的交换

电流密度远小于阳极反应的交换电流密度（约低100,因而电池的活化极化过电位主要由阴极活化极化过电

位引起。

3.7

欧姆极化过电位ohmicoverpotential

由燃料电池欧姆极化引起的电位损失，单位为V。

注：欧姆极化过电位主要来自于电解质（如质子交换膜及质子导体）对离子的流动阻力。欧姆损失遵循欧姆定律：

7«hm=iRi（2）

式中：

如m——欧姆极化过电位，单位为伏特（V）；

i——流经燃料电池的电流，单位为安培（A）；

R,——燃料电池内阻，单位为欧姆平方厘米（Q•cm?）。

3.8

反应电阻reactionresistance

催化层内电化学反应阻力的大小，单位为Q•cn?。

注：反应电阻与质子交换膜燃料电池的电催化剂催化活性、膜电极结构、电池操作条件等有关。

4厚度均匀性测试

本部分参考GB/T6672-2001中关于薄膜材料厚度的机械测量方法进行测试。

4.1测试仪器

测厚仪：精度不低于0.001mm0

4.2样品制备

样品为正方形或圆形，有效面积至少为25cn?。

样品应无折皱、缺陷和破损。

样品为包括两张气体扩散层的膜电极。

4.3测试方法

4.3.1样品在温度为25C±2相对湿度（RH）为50%士5%条件下放置1ho

4.3.2首先校准测试仪的零点，再进行测试。测试时应避免造成样品折皱、破损。测试过程测试头施

加在样品表面的压强为5N/cm2。

4.3.3样品测试点不少于9个，且均匀分，测试点距离样品边缘应大于5mmo

4.4数据处理

样品的厚度均匀性用厚度最大值与最小值之差以及厚度相对偏差表示。

4.4.1最大值与最小值之差按公式（3）计算：

〃”、比itnljn3）

2

GB/T20042.5—2009

式中：

△“——膜电极的厚度最大值与最小值之差，单位为微米（Mm）；

几穴——膜电极的厚度最大值，单位为微米

dmin——膜电极的厚度最小值，单位为微米（Mm）o

4.4.2平均厚度按公式（4）计算

H

d=另c/i/"（4）

i-1

式中：

d一一膜电极的平均厚度，单位为微米（Mm）；

小——某一点膜电极的厚度测量值，单位为微米（pim）；

“——测量数据点数。

4.4.3厚度相对偏差按公式（5）计算

S=（/—d）/〃X100%（5）

式中：

S——膜电极的相对厚度偏差；

丛——某一点膜电极的厚度测量值，单位为微米（Mm）；

d一一膜电极的平均厚度，单位为微米（ym）。

5Pt担载量测试

5.1测试仪器和设备

5.1.1离子耦合发射光谱（ICP）：最低检测限£1Mg/L0

5.1.2分析天平：精度为0.1mg。

5.1.3游标卡尺：测量范围0mm〜200mm,测量精度0.02mmo

5.1.4马弗炉。

5.2样品制备

样品面积：》20cm2o

测试样品应干净，边缘整齐，并且未受过化学氧化或电化学腐蚀。

5.3测试方法

5.3.1试剂和材料

5.3.1.1浓硫酸（98%）,优级纯。

5.3.1.2浓盐酸（37%）,优级纯。

5.3.1.3浓硝酸（68%）,优级纯。

5.3.1.4二次蒸憎水，电阻率＞18.2-cmo

5.3.1.530%双氧水，分析纯。

5.3.1.6具盖刚玉Wo

5.3.2待测样品处理

5.3.2.1干燥。取面积为20cm2的MEA样品，置于80°C±2C烘箱中干燥4h。

5.3.2.2制样。用游标卡尺准确测量其长度和宽度后，将其剪碎放入刚玉堆塀中。

5.3.2.3样品氧化灰化。将装有样品的具盖划竭放入马弗炉，先在400C〜500C的空气氛围中氧化

碳化6h,再升温至900€-950°C进行氧化灰化12h后，冷却到室温。

5.3.2.4样品硝化。将经过氧化灰化后的样品用二次蒸憎水润湿后，沿堆竭壁缓慢加入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°C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0.2mL~0.6mL的30%的双氧水，继续80C加热硝化，

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