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前言
质子交换膜燃料电池是目前国内燃料电池领域发展最为迅猛，技术相对更为成熟的燃料电池。对于单电池而言，其核心部件主要由炭纸、质子交换膜、催化剂涂层三部分组成。尽管三个部分都有各自的表征方法与手段，并已制定相关的标准，如《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法》、《GB/T 20042.4-2009 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法》、《GB/T 20042.3-2022 质子交换膜燃料电池 第3部分:质子交换膜测试方法》。但是作为最小的发电单元，膜电极性能的研究长久以来是作为研究燃料电池的重点领域。
目前涉及到燃料电池膜电极的主要标准有《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》、《GB/T 28817-2022 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法》、《GB/Z 44116-2024 燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》。本文将基于三个标准的内容，比较分析膜电极测试的差异性和侧重方向。
上海汽检测试能力
上海汽检已购置多套燃料电池关键材料的测试设备。可满足《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法》、《GB/T 20042.4-2009 质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法》、《GB/T 20042.3-2022 质子交换膜燃料电池 第3部分:质子交换膜测试方法》、《GB/T 20042.5-2009 质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法》、《GB/T 28817-2022 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法》、《GB/Z 44116-2024 燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》等燃料电池相关材料的所有项目测试。
此外，已配备燃料电池膜电极小样制备生产线，全面打通关键材料至短堆的开发、测试、验证服务网络。
标准项目对比
GB/T 20042.5-2009、GB/T 28817-2022和GB/Z 44116-2024三个标准的侧重各有不同。GB/T 20042.5-2009主要对象是膜电极，因此标准内容上除了对膜电极的性能表征外，还会对膜电极的厚度以及铂载量提出试验要求。
GB/T 28817-2022主要对象是单电池，标准内容上主要注重膜电极的性能表征，甚至在附录H当中针对单电池在不同工况下的运用（如零下启动、气体组分变化、氧还原反应（ORR）活性等）都提出了测试方法。
GB/Z 44116-2024则是主要针对耐久特性制定了测试标准，因此会规定耐久测试的循环工况谱以及可逆损失的恢复程序。三个标准的主要差别见表1。
 
表征的目的与解析手段
4.1. 极化曲线测试
极化曲线测试是评判膜电极性能的最直接的测试。通过极化曲线的测试可以判断膜电极在特定工况下的输出功率。一般而言膜电极的极化曲线主要由三个部分组成（图2），即为活化极化、欧姆极化、传质极化。活化损失主要由于电化学反应本身的动力学限制导致的电压损失。在低电流密度时，反应速率较慢，需要克服活化能。
活化损失的计算公式主要如下：
i0: 交换电流密度；
α: 传递系数；
i: 实际电流密度。
欧姆损失，主要是由于电池内部材料的电阻引起的，比如电解质、电极和接触电阻，这部分损失随着电流密度的增加而线性增加。计算公式如下：
传质损失，则主要是因为在高电流密度下，反应物无法及时传输到反应界面，或者产物不能及时排出，导致浓度梯度增大，最终使得电压急剧下降。计算公式（经验公式）如下：
iL: 极限电流密度
正由于极化曲线是最为直观的性能表征方法，因此在关于燃料电池的研究当中大部分性能测试都是围绕极化曲线对比实现。例如，在GB/T 28817-2022 附录H中列举了大量的应用性能试验，其中研究湿度变化、温度变化、计量比变化、气体成分变化、低温冷启动以及零下贮存等试验都是通过极化曲线的测量来判断工况的变化对电池的影响程度。
4.1. 电化学表征
燃料电池的电化学表征手段主要包含CV（循环伏安曲线）、LSV（线性扫描伏安曲线）、EIS（电化学阻抗）等电化学手段。相关测试方法在GB/T 20042.5-2009与GB/T 28817-2022都已详细的给出。
通过CV曲线，主要能够获得的信息如图4所示，0.05V-0.4V主要为氢的吸附与脱附区，通过氢脱附/吸附峰面积可以计算出催化剂的活性面积，计算方法可参见标准GB/T 28817-2022。0.4V-0.6V为双电层电容区，通过双电层电容区可辅助评估催化剂载体的特性。例如电容值过低或循环中电容衰减则说明催化剂与载体之间接触异常。>0.6V则为氧化/还原区，该位置往往可用于鉴别气体组分当中是否具有杂质气体，当杂质气体对铂的氧化或还原产生影响时相应的也会使得区域的CV曲线出现氧化或还原峰。
LSV的曲线图主要用于计算渗氢电流密度以及短路电阻，相关的试验方法在GB/T 28817-2022中具有较为详细的阐述。EIS测量是燃料电池电化学诊断的重要手段之一，典型的EIS谱图如图5所示。超中频段往往高频段与超低频段往往会出现感抗的特性，出现原因较为复杂。高频段与实轴的交点为欧姆阻抗，高频段与对应着阳极和阴极的活化过程，双层电容效应也存在于该区域范围当中如图5中的160 Hz～2.5 kHz。在低频段当中可以观察到膜电极内部的质量传输过程。
除上述研究方法外，电化学还被应用于催化剂加速老化的试验当中，即通过外加循环电压模拟动态负载变化并最终加速催化剂的老化过程。主流测试方案可参考表2，方波老化前后皆需要对催化剂的有效面积测量，用于前后的对比试验。
结语
燃料电池的膜电极的表征手段在GB/T 20042.5-2009、GB/T 28817-2022、GB/Z 44116-2024三个标准当中已提供了较多测试方法，通过这些方法足以评判燃料电池膜电极性能的优劣。
试验的范围包含了性能测试、敏感性测试、寿命测试以及电化学诊断。但是针对膜电极的研究手段并不止于此，除上述拓展的方波老化外，常用的膜电极测试方法还包括水平衡试验、膜电极漏点位置诊断等。
上海汽检具备上述所有测试的试验能力，并为多家膜电极研究机构提供一体化的膜电极测试诊断服务。不仅如此，上海汽检针对质子交换膜、双极板、催化剂等膜电极材料都具有丰富的试验设备、测试经验与测试能力，可满足膜电极开发的各项试验需求。
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