淺談我國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

文/機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 陳晨 盧琛鈺

1 引言

眾所周知，由于能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，燃料電池技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)備受各國(guó)政府的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的清潔、高效的發(fā)電技術(shù)。然而，由于燃料電池關(guān)鍵材料和部件價(jià)格昂貴，其主要燃料氫氣的制取和運(yùn)輸成本較高等，導(dǎo)致其總體成本居高不下，一直以來(lái)主要應(yīng)用在軍事、航天等特殊領(lǐng)域。近些年，在能源和環(huán)境的雙重危機(jī)以及燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步等因素刺激下，燃料電池在電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇等領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入示范應(yīng)用，并向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)。

在燃料電池技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也在開(kāi)展，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于1998年成立了IEC/TC105（燃料電池技術(shù)），主要負(fù)責(zé)燃料電池領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2008年批復(fù)成立全國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC342），由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所衣寶廉院士任主任委員。SAC/TC342對(duì)口國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC105，負(fù)責(zé)開(kāi)展國(guó)內(nèi)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化的主要對(duì)象為質(zhì)子交換膜燃料電池。

2 我國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系框架

我國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系主要是參考IEC/TC105的標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)定的，力爭(zhēng)與IEC及其它相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步或接軌。經(jīng)過(guò)全國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“燃料電池標(biāo)委會(huì)”）的不斷努力，目前已經(jīng)制定了燃料電池基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和輔助用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等在安全、性能試驗(yàn)方法、安裝及關(guān)鍵材料等方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)20余項(xiàng)，初步形成了較為完善的燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系，如圖1所示。

3 我國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)整體編制情況

自“九五”和“十五”以來(lái)，我國(guó)一直將燃料電池作為國(guó)家支持的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。依據(jù)國(guó)家“十五”重大科技專項(xiàng)的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目《新能源和可再生能源關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究》中的子項(xiàng)《質(zhì)子交換膜燃料電池》、結(jié)合我國(guó)“863”計(jì)劃燃料電池電動(dòng)汽車重大項(xiàng)目質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所聯(lián)合新源動(dòng)力股份有限公司及中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，于2001年開(kāi)始編制《質(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語(yǔ)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域上的空白。燃料電池標(biāo)委會(huì)成立后，在主任委員衣寶廉院士的帶領(lǐng)下，不斷加快標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，完善燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系。目前已經(jīng)發(fā)布及正在制定的燃料電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)31項(xiàng)。其中，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)；燃料電池系統(tǒng)包括通用技術(shù)要求、關(guān)鍵材料、部件及單電池的測(cè)試、低溫環(huán)境下運(yùn)行等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)13項(xiàng)；隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，標(biāo)委會(huì)在制定一些基礎(chǔ)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也在組織制定燃料電池在一些應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，如用作固定式電源、備用電源、便攜式電源以及微型電源等方面，目前已有標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)。

4 標(biāo)準(zhǔn)涉及的領(lǐng)域

4.1 基礎(chǔ)方面

燃料電池目前的兩項(xiàng)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要是為了建立統(tǒng)一的規(guī)范語(yǔ)言。《質(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)給出了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)及其領(lǐng)域內(nèi)使用的術(shù)語(yǔ)和定義，適用于各種用途和類型的質(zhì)子交換膜燃料電池。標(biāo)準(zhǔn)中給出了質(zhì)子交換膜燃料電池基礎(chǔ)、模塊、燃料及氧化劑存儲(chǔ)（制備）、安全與性能要求、性能試驗(yàn)方法、控制等方面的共計(jì)93條術(shù)語(yǔ)和定義。隨著燃料電池其他標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，新術(shù)語(yǔ)的增加及原有術(shù)語(yǔ)和定義不斷被修改，目前《質(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開(kāi)始修訂工作。

考慮到燃料電池快速發(fā)展的現(xiàn)狀，部分術(shù)語(yǔ)有待更新和補(bǔ)充，全國(guó)燃料電池標(biāo)委會(huì)等同采用了IEC/TS62282-1:2010《燃料電池技術(shù) 第1部分:術(shù)語(yǔ)》，編制了我國(guó)的《燃料電池 術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以圖表、定義和方程等方式提供了統(tǒng)一的燃料電池術(shù)語(yǔ)，適用于固定式、交通、便攜式和微型燃料電池技術(shù)相關(guān)應(yīng)用。此外，標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)框圖和定義的方式，定義了燃料電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的系統(tǒng)界定范圍，包括:自動(dòng)控制系統(tǒng)、燃料電池模塊、燃料電池電堆、燃料處理系統(tǒng)、內(nèi)置式能量?jī)?chǔ)存、氧化劑處理系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)，給出了微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中燃料容器四種（附加式、外置式、插入式和衛(wèi)星式）可能的種類。

4.2 燃料電池系統(tǒng)

4.2.1 通用技術(shù)

制定通用技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，給出了燃料電池應(yīng)滿足的基本性能要求。《燃料電池 模塊》和《質(zhì)子交換膜燃料電池 電堆通用技術(shù)條件》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)給出了燃料電池模塊和電堆應(yīng)達(dá)到的最低安全要求，并給出型式試驗(yàn)方法。對(duì)于燃料電池模塊/電堆安全的要求包括:通用安全措施和設(shè)計(jì)要求。針對(duì)模塊和電堆的不同，在具體的條款中有差異，但在總體安全要求上是一致的。在設(shè)計(jì)要求中，給出了正常和非正常運(yùn)行條件下的特性、泄漏、帶壓運(yùn)行、著火和點(diǎn)燃、安全措施、管路和管件、電器元件、帶電零部件、絕緣材料及其絕緣強(qiáng)度、接地、沖擊與振動(dòng)等方面的安全問(wèn)題。《質(zhì)子交換膜燃料電池 電堆通用技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在氣體泄漏和竄氣試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)采用了以氮?dú)獯媪薎EC中用氦氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，我國(guó)的燃料電池研究單位和生產(chǎn)單位多年來(lái)一直使用，并取得滿意的效果。

4.2.2 測(cè)試方法

在承擔(dān)國(guó)家“九五”攻關(guān)、863任務(wù)等國(guó)家資金的資助下，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑等關(guān)鍵材料上取得了重要的突破，在此基礎(chǔ)上牽頭研制了GB/T 20042.3～6等系列標(biāo)準(zhǔn)，給出了質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜、電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料及部件的測(cè)試方法。針對(duì)影響不同材料及部件關(guān)鍵的物理及化學(xué)參數(shù)給出了具體的測(cè)試方法和物理量的計(jì)算方法。

燃料電池燃料氣及空氣中含的雜質(zhì)氣體將對(duì)燃料電池的性能產(chǎn)生較大的影響。因此，建立標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試燃料電池對(duì)環(huán)境空氣的耐受力是非常有必要的。此外，炭紙是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，目前我國(guó)大部分炭紙主要依賴國(guó)外進(jìn)口，成本很高。建立燃料電池炭紙的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)炭紙的國(guó)產(chǎn)化、降低燃料電池的成本，對(duì)于最終實(shí)現(xiàn)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。中科院大連化學(xué)物理研究所在多年研究的基礎(chǔ)上，正在開(kāi)展如下標(biāo)準(zhǔn)的制定:

20111941-T-604 質(zhì)子交換膜燃料電池空氣雜質(zhì)適應(yīng)性測(cè)試方法

20111942-T-604 質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣雜質(zhì)適應(yīng)性測(cè)試方法

20111943-T-604 質(zhì)子交換膜燃料電池炭紙?zhí)匦詼y(cè)試方法

為了建立起燃料電池一整套發(fā)電條件，之后檢測(cè)其發(fā)電性能，燃料電池標(biāo)委會(huì)組織制定了《質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試臺(tái)及活化臺(tái)》（GB/T 25447-2010）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)燃料電池進(jìn)行發(fā)電性能的測(cè)試及活化，而不是 GB/T 20042.2《質(zhì)子交換膜燃料電池 電池堆通用技術(shù)條件》所述的全部性能的檢測(cè)?；罨_(tái)在很大程度上的技術(shù)條件與測(cè)試臺(tái)是相同的，其區(qū)別在于:測(cè)試臺(tái)是實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而活化臺(tái)是生產(chǎn)設(shè)備，功能簡(jiǎn)化、成本低；儀器儀表精度低、負(fù)載要求低、可不用電壓掃描；控制要求低，大多可手控等等，但總體上兩種設(shè)備相似。標(biāo)準(zhǔn)特別提醒防護(hù)測(cè)試及活化過(guò)程中燃料電池發(fā)電有可能產(chǎn)生的電擊危險(xiǎn)，以及載流部件應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和載流容量。

《質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極工況適應(yīng)性測(cè)試方法》（GB/Z 27753-2011）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，重點(diǎn)給出了為進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極工況適應(yīng)性測(cè)試而需要進(jìn)行的組裝、試漏、活化方法、規(guī)定了開(kāi)路工況試驗(yàn)、怠速工況試驗(yàn)、過(guò)載工況試驗(yàn)、怠速-額定循環(huán)工況試驗(yàn)、怠速-過(guò)載循環(huán)工況試驗(yàn)、開(kāi)路-怠速循環(huán)工況試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上制定了組合循環(huán)工況試驗(yàn)。

《聚合物電解質(zhì)燃料電池單電池測(cè)試方法》（20090619-T-604）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 62282-7-1:2010《燃料電池技術(shù) 第7-1部分:聚合物電解質(zhì)燃料電池單電池測(cè)試方法》。主題內(nèi)容包括電池的組裝、測(cè)試裝置、測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法、性能測(cè)試方法以及聚合物電解質(zhì)燃料電池單電池的測(cè)試報(bào)告等部分，適用于以下三項(xiàng)的評(píng)估:a)聚合物電解質(zhì)燃料電池膜電極組件的性能；b)聚合物電解質(zhì)燃料電池其它組件的材料和結(jié)構(gòu)；c)燃料和空氣中雜質(zhì)對(duì)電池性能的影響。

圖1 燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系框架

表1 我國(guó)現(xiàn)有燃料電池標(biāo)準(zhǔn)匯總

燃料電池發(fā)電的唯一產(chǎn)物是水，在低溫情況下，水的結(jié)冰會(huì)對(duì)燃料電池材料與結(jié)構(gòu)造成損傷。實(shí)用的燃料電池應(yīng)該能夠經(jīng)得起低溫的運(yùn)行環(huán)境，因此需要建立一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料電池低溫運(yùn)行條件的適用性進(jìn)行規(guī)范，以此來(lái)促進(jìn)燃料電池可靠性的提高，從而推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此標(biāo)委會(huì)目前正在開(kāi)展《質(zhì)子交換膜燃料電池低溫特性測(cè)試方法》(20100783-T-604)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

4.3 不同應(yīng)用領(lǐng)域燃料電池標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)子交換膜燃料電池的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其最有希望成為固定電站、電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備等方面的首選電源。燃料電池標(biāo)委會(huì)也在這些方面開(kāi)展了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4.3.1 固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

就目前而言，作為固定式電源，質(zhì)子交換膜燃料電池不適用于規(guī)模中心發(fā)電廠，但可以做成任意規(guī)模且不影響其效率，因此作為小型配置電站就近使用，其應(yīng)用前景非常樂(lè)觀。早在2008年，燃料電池標(biāo)委會(huì)就已經(jīng)發(fā)布了國(guó)家指導(dǎo)性技術(shù)文件《固定式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（獨(dú)立型）性能試驗(yàn)方法》（GB/Z 21743-2008）。之后，隨著IEC/TC105相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，標(biāo)委會(huì)也進(jìn)行了采標(biāo)工作，目前正在制定《固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 第2部分:性能試驗(yàn)方法》（20090618-T-604），該標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，將替代原有的指導(dǎo)性技術(shù)文件。除了性能試驗(yàn)方法外，由于我們?cè)谌剂想姵卦诠潭ㄊ缴系膽?yīng)用缺乏示范和相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前固定式的安全、安裝標(biāo)準(zhǔn)也均是等同采用IEC/TC105的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.2 備用電源系統(tǒng)

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在備用電源領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展示范應(yīng)用。如2012年4月黑龍江移動(dòng)在哈爾濱賓縣安裝了國(guó)內(nèi)公司（上海攀業(yè)氫能源科技有限公司）生產(chǎn)的PBP-3000燃料電池備用電源，目前運(yùn)行良好。在使用過(guò)程中最長(zhǎng)一次連續(xù)發(fā)電12小時(shí)，保證了基站的可靠運(yùn)行。依據(jù)示范應(yīng)用，標(biāo)委會(huì)正在組織專家開(kāi)展《燃料電池發(fā)電備用電源系統(tǒng)》（20111938-T-604）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。該標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)滿足通信行業(yè)安全要求的燃料電池備用電源系統(tǒng)做出規(guī)定。

4.3.3 驅(qū)動(dòng)及輔助動(dòng)力用燃料電池系統(tǒng)

燃料電池作為動(dòng)力源，其實(shí)際能源利用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2-3倍，國(guó)內(nèi)用戶也紛紛看好燃料電池在車用領(lǐng)域的潛在市場(chǎng)和廣闊前景，涌現(xiàn)出上海神力、上海攀業(yè)、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)等一批研究車用燃料電池的企業(yè)和高校，并已經(jīng)/正在制定《電動(dòng)自行車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 23646-2009）等6項(xiàng)車用燃料電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，我國(guó)燃料電池汽車已通過(guò)北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)等重大活動(dòng)平臺(tái)開(kāi)展示范應(yīng)用。

4.3.4 便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

作為便攜式電源，燃料電池主要是替代用于常溫下使用的各類儀表和通訊設(shè)備的普通電池。該類應(yīng)用對(duì)于燃料電池整體性能要求一般不高，因此開(kāi)發(fā)的方向關(guān)鍵在于降低燃料電池成本和安全問(wèn)題，尤其是對(duì)于安全問(wèn)題，要求比較高。燃料電池標(biāo)委會(huì)在2008年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件《便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)》（GB/Z 21742-2008）。之后，IEC/TC105制定了《便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)-安全》，我們正在進(jìn)行等同采用，該標(biāo)準(zhǔn)適用于在室內(nèi)或戶外使用、額定輸出電壓不超過(guò)600V（交流）和850V（直流）的交流型和直流型便攜式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，將代替原有的指導(dǎo)性技術(shù)文件。

4.3.5 微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

微型燃料電池是指小型、低壓、小功率的燃料電池，目前關(guān)于微型燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)將微型燃料電池系統(tǒng)定義為用于便攜式的、輸出直流電壓不超過(guò)60V，輸出功率不超過(guò)240W的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)微型燃料電池的特點(diǎn)和應(yīng)用的場(chǎng)合，目前標(biāo)委會(huì)制定了安全、性能試驗(yàn)方法和燃料容器互換性三方面的標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化方向

4.4.1 抓住重點(diǎn) 完善標(biāo)準(zhǔn)體系

燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)初步建立起來(lái)，未來(lái)將在基礎(chǔ)、部件及關(guān)鍵材料測(cè)試、車用、備用電源、便攜式及微型、固定電站等領(lǐng)域強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)制定工作。此外，還將開(kāi)展供氫、儲(chǔ)氫技術(shù)要求及安全、燃料系統(tǒng)（包括電池管理和控制系統(tǒng)），以及安全防護(hù)系統(tǒng)等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4.4.2 緊跟產(chǎn)業(yè) 制定重要標(biāo)準(zhǔn)

燃料電池作為備用電源，在通訊行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，未來(lái)將緊跟產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，加快重要標(biāo)準(zhǔn)的制定。此外，隨著關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，成本的降低，一些在軍方得到廣泛應(yīng)用的燃料電池也開(kāi)始轉(zhuǎn)向民用，如直接醇類燃料。對(duì)于這些逐步走向產(chǎn)業(yè)化的燃料電池技術(shù)，標(biāo)委會(huì)也將開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

4.4.3 擴(kuò)大影響 增強(qiáng)國(guó)際話語(yǔ)權(quán)

目前IEC/TC105共有12個(gè)工作組，我國(guó)已派專家參與WG4（固定式）、WG11（單電池測(cè)試方法）等工作組的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定工作，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況提出意見(jiàn)和建議，未來(lái)仍需要加強(qiáng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參與力度。此外，對(duì)于我國(guó)已經(jīng)展開(kāi)的一些標(biāo)準(zhǔn)工作，國(guó)際上目前還沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)應(yīng)牽頭提出相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案。

[1]燃料電池——原理 技術(shù) 應(yīng)用,化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]微型燃料電池技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀.微型燃料電池技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀.電器工業(yè)，2005(6).

[3]質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,河南化工,2003(12).