碱性膜燃料电池第三部分膜电极膜电极性能试验方法.docx

ICS27.070CCSK82T/CRES中国可再生能源学会团体标准T/CRES00XX-202X碱性膜燃料电池第三部分膜电极性能试验方法AlkalineMembraneFueICeIIPart3PerformancetestmethodofmembraneeIectrodeassembIy（征求意见稿）202X- XX - XX 实施202X-XX-XX发布中国可再生能源学会发布目次前言II1范围12规范性引用文件13术语和定义14试验平台25试验条件36试验样品与单体电池37试验方法3附录A膜电极性能试验报告9附录B膜电极性能试验数据记录11,Z.11刖百本文件按照GB/TL12020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。请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中科嘉鸿（佛山市）新能源科技有限公司提出。本文件由中国可再生能源学会归口。本文件起草单位：中科嘉鸿（佛山市）新能源科技有限公司，北京新研创能科技有限公司，中国科学院大连化学物理研究所，惠州亿纬氢能有限公司，武汉大学，北京航空航天大学，中国科学技术大学，新研氢能源科技有限公司。本文件主要起草人：杨林林，齐志刚，王素力，苏祥东，庄林，卢善富，吴亮，王昕。本文件在执行过程中的意见建议请反馈至中国可再生能源学会标准化工作办公室。碱性膜燃料电池第三部分膜电极性能试验方法1范围本文件规定了碱性膜燃料电池膜电极测试方法的术语和定义、试验平台、试验条件、试验方法和试验报告。本部分标准适用于各种类型的碱性膜燃料电池膜电极性能试验。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。GB/T20042.3-2022质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法GB/T20042.5-2009质子交换膜燃料电池第5部分：膜电极测试方法GBZT20042.1-2017质子交换膜燃料电池术语T/CAAMTB12-2020质子交换膜燃料电池膜电极测试方法GBZT28816-2012燃料电池术语3术语和定义GB/T20042.5-2009.GB/T20042.1-2017WTZCAAMTB12-2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1催化剂Pt担载量CatalystPtloading膜电极单位活性面积上贵金属Pt的质量，单位为mgcm2o3.2反应物计量比reactantstoichiometry反应物实际供给量与依据法拉第定律计算的燃料电池实际放电电流所需反应物量之比。注：反应物利用率与化学计量比呈倒数关系。3.3电化学活性面积eleclrochemicalactivesurfacearea(ECSA)用电化学方法测试的催化层内催化剂的活性比表面积。单位为m2g<,3.4催化层体积比活性volumeactivityofcatalystlayer电极采用非贵金属催化剂时，在燃料电池工况条件下工作电压为08V时，单位体积催化层对应的放电电流即为催化层的体积比活性。单位Acn°透氢电流密度hydrogencrossovercurrentdensity在一定温度、压力和相对湿度条件下，用电化学方法测得的氨气穿过膜电极后的氧化电流密度，单位为mAcm2o3.6透氢速率hydrogenpermeationrate在一定温度、压力和相对湿度条件下，单位时间内氢气在单位面积阳极向阴极的串漏流量，单位为l(mincm)o注：透氢电流密度和透氢速率是对同一事情的不同表述，两者的关系如下：Ph2=60*筌%10-6。其中R为摩尔气体常数，T为电池工作热力学温度，F为法拉第常数，P为电池工作压力，iH2为透氢电流密度。3.7内阻internalresistance单电池内部离子流动阻力与电子流动阻力之和，单位为mcm2o注：内阻Ri包括离子电阻(RiQ、电子电阻(Ri.D和接触电阻(Ri.c)三部分，BPR1=R-+R-+R-3.8欧姆极化过电位ohmicoverpotential由欧姆电阻引起的电位损失，单位为mV。注：欧姆极化过电位遵循欧姆定律，大部分来自于离子电阻,包括碱性聚合物电解质膜及催化层中OH-的传导电阻。3.9膜电极的耐久性durabilityofMEA膜电极从燃料电池初次运行到性能降至最低可接受性能时的累积运行时间，单位是小时(hr)o4试验平台试验平台所用仪器设备应符合表1要求。表1测试仪器和设备列表名称要求相关测试项目天平精度不低于0.0Img7.2游标卡尺精度不低于0.02mm7.1、7.7测厚仪精度不低于0.1m7.1手持元素分析仪可测销元素，精度不低于0.01%7.2燃料电池测试平台应满足GB/T20042.5-2009中6.2.3的要求，可用功率范围0W-100W7.4-7.10电化学恒电位仪电位控制精度不低于ImV,电位响应时间不低于ls7.3单电池夹具有效面积25-50cr,石墨极板，蛇形流道7.4-7.10万用表直流电压精度不低于OJmV7.4、7.5、7.7、7.10电化学工作站电流量程2A；电流精度1.8pA;频率范围10Hz1MHz7.8定频阻抗仪电压测量量程DC10V(分辨率10V)DC1000V(分辨率ImV);电阻测量量程3m3kC;测量源频率IkHZ±0.2Hz,测试7.6、7.7电流100mA10A皂膜流量计测量流量范围0.05-30Lmin7.9气相色谱仪最低检测限：1.4pg碳/秒（十三烷）；数据采样频率:500Hz7.9光学显微镜放大倍数：12倍-1000倍7.75试验条件试验应在本部分规定的环境条件下进行：环境温度：20oC±5C;大气压力：86kPaIO6kPa；相对湿度：60%+20%o6试验样品与单体电池6.1 膜电极样品膜电极样品由7层组成，包括碱性膜、膜两侧的催化层、两侧的气体扩散层、扩散层四周的保护/密封边框，其中边框的内框尺寸与气体扩散层尺寸相当或略大于扩散层尺寸，扩散层的尺寸不小于催化层尺寸，催化层的有效面积为25-50Cm2。6.2 单体电池组装按照GB/T20042.5-2009中条款6.4的方法组装单电池。7试验方法7.1 外观尺寸测试本部分参考了GB/T20042.3-2022中关于质子交换膜尺寸的测量方法。7.1.1 测试方法尺寸测试包括活性区面积与厚度测量。具体测试步骤如下：（1）将制备好的膜电极样品放置于条款5中规定的试验条件下。（2）每次测量前应校准游标卡尺与测厚仪的零点，且每个试样测量后再重新检查零点。（3）用测厚仪测量膜电极样品的厚度，每25-50cm2样品的测试点不少于10个，且均匀分布，测试点距离样品边缘不小于0.5cm。（4）将膜电极中GDL剥离，用游标卡尺测量膜电极样品催化层的长度、宽度，每25-50cm2样品的长度、宽度的测量次数各不少于3次，且测量点平均分布。7.1.2 数据处理膜电极样品活性区的面积是其长度平均值和宽度平均值的乘积。长度平均值按式（1）计算：1.=L1LJn（1）式中：1.活性区的平均长度，单位为厘米（cm）；1.i某测量位置活性区长度的测量值，单位为厘米（Cm）；n测量的数据点数。平均宽度按式（2）计算：W=1Win（2）式中：W活性区的平均宽度，单位为厘米（cm）；Wi某测量位置活性区宽度的测量值，单位为厘米（Cm）；N测量的数据点数。活性区的面积按式（3）计算：A=L*W（3）式中：A膜电极的活性区面积，单位为平方厘米（cm2）；1.活性区的平均长度，单位为厘米（Cm）；W活性区的平均宽度，单位为厘米（cm）o7.2 催化剂Pt担载量测试催化剂Pt担载量根据T/CAAMTB12-2020中条款6.1的方法进行测试。7.3 催化剂电化学活性面积测试膜电极阴极或者阳极采Pt基催化剂时，催化剂电化学活性面积的测试步骤与数据处理根据GB/T20042.5-2009中条款9的方法进行测试。7.4 单体电池极化曲线测试7.4 单体电池试漏测试单体电池试漏测试根据GB/T20042.5-2009中条款6.5的方法进行测试。7.4.2 单体电池活化单体电池活化可参考GB/T20042.5-2009中条款6.6的方法。具体步骤如下：将单体电池安装到燃料电池测试平台上，控制反应温度70C±2C;阳极侧为99.99%高纯度氢气，进气RH100%,阴极侧为99.99%高纯度氧气或者由均为99.99%高纯度氧气与99.99%高纯度氮气配置成的标准空气，其中氧气含量为21%VOl进气RHlOo%。其中燃料H2的化学计量比为2.0,Ch的化学计量比为1.5,或者空气的计量比为3.0。通过在O.lA/cn?、0.3AZcm2>0.5Acm0.8Acm1.OAZcm2及更大的（对应的电压不低于0.2V即可）恒定电流密度下放电对单体电池进行活化，在每个电流密度停留时间为5min°注：单电池活化条件也可由样品提供方提供，或由测试方和样品提供方双方协商确定。7.4.3 极化曲线测试极化曲线测试与数据处理可参考GB/T20042.5-2009中条款6.7.2的方法进行。规定电池温度为70C±2°C,燃料Hz的化学计量比为1.540,。2的化学计量比为L130,或者空气的计量比为3.0-5.0;阳极侧为99.99%高纯度氢气，RH100%：阴极侧为99.99%高纯度氧气或者均为99.99%高纯度氧气与99.99%高纯度氮气配置成的标准空气，其中氧气含量为21%VOl.,RH100%；阴极、阳极出口背压均为0.2MPa<）注：电池的测试条件（气体种类、化学计量比、压力、电池温度、电池湿度等）也可由样品提供方提供，或由测试方和样品提供方双方协商确定。7.5 COz耐受性测试膜电极的COz耐受性测试与条款7.4中极化曲线测试过程相同，仅是气体成分略有不同，阴极侧通入的空气中含有2ppmCo2气体，记录不同放电电流对应的电压值，并以此条件下0.5Ac?与1Ac?放电电流密度对应的电压值与上述条款7.4测定的极化曲线中0.5Ac?与1Acn放电电流密度对应的电压值对比电压差，即为膜电极对CCh耐受性。注：CO2耐受性测试条件（化学计量比、压力、电池温度、电池湿度、Co2浓度等）也可由样品提供方提供，或由测试方和样品提供方双方协商确定。7.6单体电池欧姆极化过电位测试7.6.1 测试步骤膜电极欧姆极化过电位测试步骤可参考T/CAAMTB12-2020中条款6.6.1的方法进行。具体如下：把单体电池安装到燃料电池测试平台上，按目标工况（可以是各种工况，加载或空载）设置单体电池的运行条件。将定频阻抗仪的四个端子连接到单电池的阴阳极集流体上，如图1所示，电源富端（p。Werhigh）、电源低端（POWeMOW）分别对应连接单电池的阴极、阳极极板上，传感高端（sensehigh）传感低端（senselow）分别对应连接单电池