張 戈,楊燕紅,劉 峰
(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院, 成都 610039)
21世紀(jì)以來,全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年全球汽車銷量首破9 000萬,銷量增長(zhǎng)2.7%,遠(yuǎn)超人口增速。不可再生能源的耗損和運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展之間的矛盾日益加深,環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約成為了全球矚目的焦點(diǎn)。節(jié)能環(huán)保的氫燃料電池汽車就是在這種大背景下應(yīng)運(yùn)而生的。目前,各國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展迅猛,據(jù)外媒報(bào)道,自2013年氫燃料電池汽車商業(yè)化開始,到2017年年底,全球總計(jì)售出6 475輛氫燃料電池汽車。
氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)化是氫燃料電池汽車質(zhì)量的技術(shù)保證。標(biāo)準(zhǔn)化是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必要條件,它規(guī)定了市場(chǎng)秩序,有利于實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和提高管理效率,可以調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其需求,且能提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性,對(duì)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。
近年來,為了推動(dòng)全球氫燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展,各國(guó)都在原有燃油車標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加快了氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善。相較于美國(guó)和日本等氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展較為滯后,主要表現(xiàn)在氫燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、氫燃料電池汽車安全標(biāo)準(zhǔn)和儲(chǔ)氫加氫標(biāo)準(zhǔn)等方面。如果想要趕上世界氫燃料電池汽車的發(fā)展腳步,我國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的完善刻不容緩。
氫燃料電池汽車是一種用車載氫燃料電池裝置作為動(dòng)力的汽車。氫燃料電池裝置是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。只要不斷地輸入氫氣與氧氣,就可以不斷地向汽車提供電力,而生成的唯一“廢料”只有水(見圖1)。
氫燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]:
1) 環(huán)保性能好。無有害氣體的排除,反應(yīng)產(chǎn)物只有水。因?yàn)槿剂想姵厥峭ㄟ^電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電的,所以與內(nèi)燃機(jī)汽車相比,噪音可以顯著降低,并且乘坐舒適度會(huì)更加優(yōu)于普通汽車。其中氫元素來源廣泛。
2) 能源轉(zhuǎn)換效率高。氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率比熱機(jī)和發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高得多。氫燃料電池有效能效可以達(dá)到60%~70%,而當(dāng)代汽輪機(jī)和柴油機(jī)的效率最大值卻僅僅只有35%~40%。
3) 燃料的多樣性。天然氣、乙醇等石油以外的多樣的燃料可供使用,可以充分應(yīng)對(duì)將來的石油枯竭問題。另外,可利用太陽(yáng)光和生物等清潔的可再生能量來制造氫,減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。
1.電池:提供額外轉(zhuǎn)矩,從再生制動(dòng)儲(chǔ)備能量; 2.氫氣罐:提供氫氣;3.氫燃料電池組:通過化學(xué)反應(yīng)為電源泉模塊提供電能; 4.電動(dòng)機(jī): 使飛輪轉(zhuǎn)動(dòng); 5.電源模塊:提供電能; 6.散熱器:散熱
圖1 氫燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)及工作示意圖
首先,在整車方面,根據(jù)2017年中國(guó)新能源汽車目錄統(tǒng)計(jì)[2],全國(guó)氫燃料電池商用車產(chǎn)量共1 226輛,包括10家車企、11個(gè)品牌的22款氫燃料電池汽車。其中客車19款,專用車3款。也就是說,目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池商用汽車已初步達(dá)到量產(chǎn)技術(shù)階段,而由于乘用車對(duì)于技術(shù)和成本的要求更高,且面向個(gè)人用戶銷售使用的條件尚不具備,我國(guó)氫燃料電池汽車雖已進(jìn)入商品化發(fā)展階段,但總體進(jìn)程上仍稍落后于國(guó)際發(fā)達(dá)水平。
其次,在燃料電池系統(tǒng)方面,國(guó)產(chǎn)氫燃料電池的技術(shù)水平較為落后,主要體現(xiàn)在電池電堆技術(shù)與國(guó)外差距較大。首先國(guó)內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)空缺嚴(yán)重。目前,國(guó)內(nèi)高水平燃料電池電堆幾乎都引進(jìn)國(guó)外的成果,在核心原材料的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)化方面基本一片空白。其次在性能方面,國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的電池電堆雖已基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),但相較于日本豐田和本田這樣的領(lǐng)先企業(yè),耐久性和低溫性較差。另外,國(guó)內(nèi)燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈還需要進(jìn)一步完善。
最后,在氫能產(chǎn)業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施方面,雖然中國(guó)氫氣來源非常廣泛,但車用高純氫非常匱乏,且管道氫氣輸送尚處于基礎(chǔ)階段。由于我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的供應(yīng)鏈體系未形成,導(dǎo)致了車用高純氫價(jià)格過高,加氫站建設(shè)十分緩慢,嚴(yán)重阻礙氫燃料電池汽車示范運(yùn)營(yíng)。截止到2018年2月,我國(guó)加氫站已有31座,正在運(yùn)營(yíng)的僅有12座[3]。
總的來說,國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車的發(fā)生尚處于起步階段。根據(jù)國(guó)家的發(fā)展要求,我國(guó)已基本完成在2010—2020年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池商用車的小批量生產(chǎn)工作。在下一個(gè)10年,我們要做到氫燃料電池汽車整體技術(shù)水平基本與國(guó)際水平相當(dāng),并且實(shí)現(xiàn)氫燃料電池電動(dòng)汽車的大批量生產(chǎn)。
實(shí)施氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作的重點(diǎn)就是建立完整的氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)化體系框架,其對(duì)于氫燃料電池汽車在我國(guó)的快速發(fā)展具有重大意義。在20世紀(jì)90年代,我國(guó)電動(dòng)汽車技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)初步建立了我國(guó)新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)化體系。
對(duì)于一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系,其內(nèi)容應(yīng)包括外部支撐、適用零部件、專業(yè)功能三大重點(diǎn)。其中:外部支撐應(yīng)包括法律法規(guī)、管理機(jī)構(gòu)、技術(shù)配套等方面;適用零部件應(yīng)包括整車性能、動(dòng)力電池、加氫系統(tǒng)等方面;專業(yè)功能應(yīng)包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)等方面。具體框架見圖2[4]。
總體來說,我國(guó)氫燃料電池汽車市場(chǎng)具有十足的潛力,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系雖已有一定雛形但還不成熟。作為生產(chǎn)與發(fā)展的保證,中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的制定和完善就顯得尤為重要。
圖2 氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系框架
中國(guó)燃料電池汽車國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前期研討工作從2006年3月開始。2007年初,全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心、上汽股份和同濟(jì)大學(xué)等機(jī)構(gòu)和企業(yè)的10多位高級(jí)科研人員組成了專門項(xiàng)目組。隨后在2009年底,標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)頒布了中國(guó)第一批燃料電池汽車的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),包括《燃料電池電動(dòng)汽車術(shù)語》《燃料電池電動(dòng)汽車安全要求》這兩則最基礎(chǔ)、最重要的標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)制定的開端。除此之外,在“十一五”期間,還制定完成了《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試性能方法》《加氫車技術(shù)條件》《燃料電池車加注裝置》《車載氫系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn),并開展了其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究[5]。
經(jīng)過10年間的不懈探究與奮斗,中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系已初步形成。根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì),截至2018年5月,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)累計(jì)發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)76項(xiàng),其中涉及電池、反應(yīng)堆34項(xiàng),氫能基礎(chǔ)設(shè)施27項(xiàng),燃料電池汽車15項(xiàng)。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)62條,已廢止標(biāo)準(zhǔn)2條,即將實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)12條。具體情況如表1~3[6]所示。
表1 中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)(電池電堆)
表2 中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)(氫能及基礎(chǔ)設(shè)施)
續(xù)表(表2)
表3 中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)(燃料電池汽車)
3.3.1與美國(guó)氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)的比較
美國(guó)是氫燃料電池汽車發(fā)展大國(guó),其對(duì)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定已有20多年的歷史。
至今,美國(guó)已經(jīng)形成了世界上最完善的燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系。美國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)在于:
其一,美國(guó)政府大力鼓勵(lì)和扶持氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)聯(lián)合多個(gè)國(guó)內(nèi)外技術(shù)機(jī)構(gòu)和國(guó)內(nèi)多家汽車企業(yè),共同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)體系的制定和研究。與此同時(shí),美國(guó)分別成立了“排放和能耗、接口、性能、安全、可回收、術(shù)語”這6個(gè)方面的專門工作組,分別針對(duì)不同的領(lǐng)域和各自的特點(diǎn),對(duì)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行研究和完善,如圖3所示。各工作組都有部分代表性標(biāo)準(zhǔn)[7],如表4所示。
圖3 美國(guó)氫燃料電池汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系
相比之下,中國(guó)的氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定工作就顯得比較單一。目前我國(guó)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涉及汽車行業(yè)、燃料電池行業(yè)和純氫制備行業(yè)等,國(guó)內(nèi)各主管部門基本處于“各管各事,互不聯(lián)系”的局面,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)制定工作進(jìn)程較慢。氫燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)由國(guó)家層面牽頭,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方標(biāo)準(zhǔn)訴求,促成機(jī)構(gòu)間形成有效銜接,進(jìn)一步完善我國(guó)氫燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。
其二,美國(guó)對(duì)氫燃料電池的再回收工作十分重視,他們?cè)缭跉淙剂想姵仄囃瞥鲋熬涂紤]了燃料電池梯級(jí)利用和回收。通過“再利用—再加工—再銷售—再循環(huán)”的方式,從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)及商業(yè)可行性分析,全面開展了燃料電池的可回收工作。而中國(guó)在這方面則比較欠缺,從當(dāng)前發(fā)布和即將發(fā)布的70余條氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)來看,并沒有涉及氫燃料電池的回收和再利用。
表4 美國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)(部分)
續(xù)表(表4)
3.3.2 與日本氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)的比較
日本的氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)制定與發(fā)展工作走在世界前端,在世界氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的制定過程中起著風(fēng)向標(biāo)的作用。日本的多項(xiàng)氫燃料電池汽車方面的標(biāo)準(zhǔn)已被聯(lián)合國(guó)采用,如在2013年7月,聯(lián)合國(guó)宣布采用日本方案制定燃料電池汽車安全標(biāo)準(zhǔn)。
日本的氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系中最具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是燃料電池方面的標(biāo)準(zhǔn),其中磷酸形燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較為全面。所謂磷酸形燃料電池,就是以磷酸為電解質(zhì),利用廉價(jià)的炭材料為骨架,以氫氣、甲醇、天然氣等低廉燃料進(jìn)行發(fā)電。在日本,磷酸形燃料電池已經(jīng)成為發(fā)展最快、最成熟的一種氫燃料電池,而在國(guó)內(nèi)的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定還十分不足。
中國(guó)雖然頒布了一些氫燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但是大多比較籠統(tǒng)、分散,且對(duì)安全性能和電池壽命的規(guī)范不足。另外,日本對(duì)于加氫技術(shù)和加氫設(shè)施的規(guī)范較為完善、嚴(yán)格,這也是我國(guó)承擔(dān)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)制定的相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)體系的完善過程中加強(qiáng)的部分。
日本關(guān)于燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)[8]如表5所示。
3.3.3 建議與發(fā)展
從前文的分析來看,中國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的建立與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然能夠?yàn)闅淙剂想姵仄嚨陌l(fā)展提供一定的支持與保障,但由于氫燃料電池汽車在中國(guó)的發(fā)展較晚且水平較低,氫燃料電池開發(fā)的核心技術(shù)水平不到位,加氫站等氫燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足,所以尚不具備大批大量生產(chǎn)氫燃料電池汽車與市場(chǎng)投放的能力。
工信部在2018年3月發(fā)布的《2018年新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》指出,新能源汽車的標(biāo)準(zhǔn)體系制定的3個(gè)要點(diǎn)是:其一、開展重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究,優(yōu)化體系建設(shè),包括基礎(chǔ)通用領(lǐng)域研究、整車領(lǐng)域、關(guān)鍵系統(tǒng)部件領(lǐng)域、充電基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)體系優(yōu)化改善;其二、加強(qiáng)國(guó)際交流協(xié)調(diào),推動(dòng)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化;其三、強(qiáng)化組織保障,積極發(fā)揮行業(yè)力量。所以,為了加快氫燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展,需要在以下幾方面開展工作[9]:
1) 理清標(biāo)準(zhǔn)體系框架,明確標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)路線圖。目前,我國(guó)氫燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已覆蓋術(shù)語、整車安全、技術(shù)條件、試驗(yàn)方法、加氫系統(tǒng)等多個(gè)方面,但是建設(shè)中還存在一部分缺失環(huán)節(jié)(技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)十分欠缺),相較于美國(guó)、日本氫燃料汽車標(biāo)準(zhǔn)體系,我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系較為單一。
2) 參考、借鑒國(guó)外氫燃料電池汽車發(fā)達(dá)國(guó)家的已建立的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系,結(jié)合中國(guó)國(guó)情與氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的大環(huán)境,對(duì)目前已有的氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改與完善。
3) 促進(jìn)技術(shù)水平提升,盡早提升到世界第一水平線。目前中國(guó)氫燃料電池車標(biāo)準(zhǔn)體系建立過程中的基本問題是理論性大于可行性。也可以說,市場(chǎng)成熟度比技術(shù)成熟度低,對(duì)投入市場(chǎng)前后的應(yīng)用性標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的可操作性與可實(shí)踐性,在不斷的實(shí)踐中逐步加快氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)建立步伐,是我國(guó)現(xiàn)階段氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的一大目標(biāo)。
4) 加強(qiáng)與相關(guān)企業(yè)的合作,鼓勵(lì)其參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作,成立相關(guān)工作小組。鑒于行業(yè)中企業(yè)的參與度較低,且考慮到企業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)建立中的巨大作用,中國(guó)氫燃料標(biāo)準(zhǔn)體系的制定應(yīng)圍繞相關(guān)企業(yè)聯(lián)合建立制定研究組,共享信息,共同發(fā)展。
5) 加強(qiáng)安全方面的標(biāo)準(zhǔn)建立。由于氫氣一直作為高度危險(xiǎn)品進(jìn)行管理,部分標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)已與技術(shù)發(fā)展不相一致,應(yīng)在經(jīng)過嚴(yán)密驗(yàn)證后,科學(xué)評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn),在保障安全的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際需要逐步適度調(diào)整。
表5 日本燃料電池汽車的燃料電池方面的標(biāo)準(zhǔn)
氫燃料電池汽車的中國(guó)市場(chǎng)是一個(gè)潛力較大的市場(chǎng),但目前我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化體系尚處于初級(jí)階段,一定程度上限制了我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了讓技術(shù)規(guī)范跟上本國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐,更為了早日趕上氫燃料電池汽車強(qiáng)國(guó)的發(fā)展速度,必須重視其標(biāo)準(zhǔn)體系的完善。應(yīng)參考學(xué)習(xí)國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況,加快研究和實(shí)踐的步伐,這樣中國(guó)氫燃料電池汽車的蓬勃發(fā)展指日可待。