淺談我國燃料電池標準化現狀

文/機械工業北京電工技術經濟研究所 陳晨 盧琛鈺

1 引言

眾所周知，由于能量轉化效率高、環境友好等優點，燃料電池技術的研究和開發備受各國政府的重視，被認為是21世紀首選的清潔、高效的發電技術。然而，由于燃料電池關鍵材料和部件價格昂貴，其主要燃料氫氣的制取和運輸成本較高等，導致其總體成本居高不下，一直以來主要應用在軍事、航天等特殊領域。近些年，在能源和環境的雙重危機以及燃料電池技術不斷進步等因素刺激下，燃料電池在電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇等領域已經進入示范應用，并向產業化階段邁進。

在燃料電池技術不斷發展的過程中，相應的標準化工作也在開展，國際電工委員會(IEC)于1998年成立了IEC/TC105（燃料電池技術），主要負責燃料電池領域的標準化工作。我國國家標準化管理委員會于2008年批復成立全國燃料電池標準化技術委員會（SAC/TC342），由中國科學院大連化學物理研究所衣寶廉院士任主任委員。SAC/TC342對口國際電工委員會IEC/TC105，負責開展國內燃料電池標準化工作，目前燃料電池標準化的主要對象為質子交換膜燃料電池。

2 我國燃料電池標準體系框架

我國燃料電池標準體系主要是參考IEC/TC105的標準體系設定的，力爭與IEC及其它相關國際標準同步或接軌。經過全國燃料電池標準化技術委員會（以下簡稱“燃料電池標委會”）的不斷努力，目前已經制定了燃料電池基礎標準、固定式燃料電池發電系統、備用電源系統、便攜式燃料電池發電系統、微型燃料電池發電系統、驅動和輔助用燃料電池發電系統等在安全、性能試驗方法、安裝及關鍵材料等方面的國家標準共計20余項，初步形成了較為完善的燃料電池標準體系，如圖1所示。

3 我國燃料電池標準整體編制情況

自“九五”和“十五”以來，我國一直將燃料電池作為國家支持的重點領域之一。依據國家“十五”重大科技專項的重要技術標準研究項目《新能源和可再生能源關鍵技術標準研究》中的子項《質子交換膜燃料電池》、結合我國“863”計劃燃料電池電動汽車重大項目質子交換膜燃料電池技術，機械工業北京電工技術經濟研究所聯合新源動力股份有限公司及中國科學院大連化學物理研究所，于2001年開始編制《質子交換膜燃料電池 術語》國家標準，填補了我國在該領域上的空白。燃料電池標委會成立后，在主任委員衣寶廉院士的帶領下，不斷加快標準的制定工作，完善燃料電池標準體系。目前已經發布及正在制定的燃料電池國家標準共計31項。其中，基礎標準2項；燃料電池系統包括通用技術要求、關鍵材料、部件及單電池的測試、低溫環境下運行等相關標準共計13項；隨著燃料電池產業化進程的加快，標委會在制定一些基礎和系統標準的同時，也在組織制定燃料電池在一些應用領域的標準，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，目前已有標準16項。

4 標準涉及的領域

4.1 基礎方面

燃料電池目前的兩項術語標準主要是為了建立統一的規范語言。《質子交換膜燃料電池 術語》標準給出了質子交換膜燃料電池技術及其領域內使用的術語和定義，適用于各種用途和類型的質子交換膜燃料電池。標準中給出了質子交換膜燃料電池基礎、模塊、燃料及氧化劑存儲（制備）、安全與性能要求、性能試驗方法、控制等方面的共計93條術語和定義。隨著燃料電池其他標準的出臺，新術語的增加及原有術語和定義不斷被修改，目前《質子交換膜燃料電池 術語》標準已經開始修訂工作。

考慮到燃料電池快速發展的現狀，部分術語有待更新和補充，全國燃料電池標委會等同采用了IEC/TS62282-1:2010《燃料電池技術 第1部分:術語》，編制了我國的《燃料電池 術語》標準，該標準以圖表、定義和方程等方式提供了統一的燃料電池術語，適用于固定式、交通、便攜式和微型燃料電池技術相關應用。此外，標準中通過框圖和定義的方式，定義了燃料電池系統中實現規定功能的系統界定范圍，包括:自動控制系統、燃料電池模塊、燃料電池電堆、燃料處理系統、內置式能量儲存、氧化劑處理系統、功率調節系統、熱管理系統、通風系統和水處理系統，給出了微型燃料電池發電系統中燃料容器四種（附加式、外置式、插入式和衛星式）可能的種類。

4.2 燃料電池系統

4.2.1 通用技術

制定通用技術方面的標準，給出了燃料電池應滿足的基本性能要求。《燃料電池 模塊》和《質子交換膜燃料電池 電堆通用技術條件》兩項標準給出了燃料電池模塊和電堆應達到的最低安全要求，并給出型式試驗方法。對于燃料電池模塊/電堆安全的要求包括:通用安全措施和設計要求。針對模塊和電堆的不同，在具體的條款中有差異，但在總體安全要求上是一致的。在設計要求中，給出了正常和非正常運行條件下的特性、泄漏、帶壓運行、著火和點燃、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度、接地、沖擊與振動等方面的安全問題。《質子交換膜燃料電池 電堆通用技術條件》國家標準在氣體泄漏和竄氣試驗中，標準采用了以氮氣代替了IEC中用氦氣作為試驗介質，我國的燃料電池研究單位和生產單位多年來一直使用，并取得滿意的效果。

4.2.2 測試方法

在承擔國家“九五”攻關、863任務等國家資金的資助下，中國科學院大連化學物理研究所在膜電極、質子交換膜、催化劑等關鍵材料上取得了重要的突破，在此基礎上牽頭研制了GB/T 20042.3～6等系列標準，給出了質子交換膜燃料電池質子交換膜、電催化劑、膜電極、雙極板等關鍵材料及部件的測試方法。針對影響不同材料及部件關鍵的物理及化學參數給出了具體的測試方法和物理量的計算方法。

燃料電池燃料氣及空氣中含的雜質氣體將對燃料電池的性能產生較大的影響。因此，建立標準來測試燃料電池對環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鍵材料之一，目前我國大部分炭紙主要依賴國外進口，成本很高。建立燃料電池炭紙的測試標準，推進炭紙的國產化、降低燃料電池的成本，對于最終實現燃料電池的產業化具有重要意義。中科院大連化學物理研究所在多年研究的基礎上，正在開展如下標準的制定:

20111941-T-604 質子交換膜燃料電池空氣雜質適應性測試方法

20111942-T-604 質子交換膜燃料電池氫氣雜質適應性測試方法

20111943-T-604 質子交換膜燃料電池炭紙特性測試方法

為了建立起燃料電池一整套發電條件，之后檢測其發電性能，燃料電池標委會組織制定了《質子交換膜燃料電池測試臺及活化臺》（GB/T 25447-2010）國家標準，標準中規定了對燃料電池進行發電性能的測試及活化，而不是 GB/T 20042.2《質子交換膜燃料電池 電池堆通用技術條件》所述的全部性能的檢測。活化臺在很大程度上的技術條件與測試臺是相同的，其區別在于:測試臺是實驗設備，而活化臺是生產設備，功能簡化、成本低；儀器儀表精度低、負載要求低、可不用電壓掃描；控制要求低，大多可手控等等，但總體上兩種設備相似。標準特別提醒防護測試及活化過程中燃料電池發電有可能產生的電擊危險，以及載流部件應有足夠的機械強度和載流容量。

《質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試方法》（GB/Z 27753-2011）國家標準中，重點給出了為進行質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試而需要進行的組裝、試漏、活化方法、規定了開路工況試驗、怠速工況試驗、過載工況試驗、怠速-額定循環工況試驗、怠速-過載循環工況試驗、開路-怠速循環工況試驗，并在此基礎上制定了組合循環工況試驗。

《聚合物電解質燃料電池單電池測試方法》（20090619-T-604）國家標準等同采用IEC 62282-7-1:2010《燃料電池技術 第7-1部分:聚合物電解質燃料電池單電池測試方法》。主題內容包括電池的組裝、測試裝置、測量儀器和測量方法、性能測試方法以及聚合物電解質燃料電池單電池的測試報告等部分，適用于以下三項的評估:a)聚合物電解質燃料電池膜電極組件的性能；b)聚合物電解質燃料電池其它組件的材料和結構；c)燃料和空氣中雜質對電池性能的影響。

圖1 燃料電池標準體系框架

表1 我國現有燃料電池標準匯總

燃料電池發電的唯一產物是水，在低溫情況下，水的結冰會對燃料電池材料與結構造成損傷。實用的燃料電池應該能夠經得起低溫的運行環境，因此需要建立一定標準對燃料電池低溫運行條件的適用性進行規范，以此來促進燃料電池可靠性的提高，從而推動其產業化進程。因此標委會目前正在開展《質子交換膜燃料電池低溫特性測試方法》(20100783-T-604)國家標準的制定工作。

4.3 不同應用領域燃料電池標準

質子交換膜燃料電池的眾多優點，使其最有希望成為固定電站、電動汽車、便攜式電子設備等方面的首選電源。燃料電池標委會也在這些方面開展了相關的標準化工作。

4.3.1 固定式燃料電池發電系統

就目前而言，作為固定式電源，質子交換膜燃料電池不適用于規模中心發電廠，但可以做成任意規模且不影響其效率，因此作為小型配置電站就近使用，其應用前景非常樂觀。早在2008年，燃料電池標委會就已經發布了國家指導性技術文件《固定式質子交換膜燃料電池發電系統（獨立型）性能試驗方法》（GB/Z 21743-2008）。之后，隨著IEC/TC105相應標準的發布，標委會也進行了采標工作，目前正在制定《固定式燃料電池發電系統 第2部分:性能試驗方法》（20090618-T-604），該標準出臺后，將替代原有的指導性技術文件。除了性能試驗方法外，由于我們在燃料電池在固定式上的應用缺乏示范和相應的試驗數據，目前固定式的安全、安裝標準也均是等同采用IEC/TC105的標準。

4.3.2 備用電源系統

燃料電池發電系統在備用電源領域已經開展示范應用。如2012年4月黑龍江移動在哈爾濱賓縣安裝了國內公司（上海攀業氫能源科技有限公司）生產的PBP-3000燃料電池備用電源，目前運行良好。在使用過程中最長一次連續發電12小時，保證了基站的可靠運行。依據示范應用，標委會正在組織專家開展《燃料電池發電備用電源系統》（20111938-T-604）國家標準的制定工作。該標準將對滿足通信行業安全要求的燃料電池備用電源系統做出規定。

4.3.3 驅動及輔助動力用燃料電池系統

燃料電池作為動力源，其實際能源利用效率是普通內燃機的2-3倍，國內用戶也紛紛看好燃料電池在車用領域的潛在市場和廣闊前景，涌現出上海神力、上海攀業、同濟大學、清華大學、武漢理工大學等一批研究車用燃料電池的企業和高校，并已經/正在制定《電動自行車用燃料電池發電系統 技術條件》（GB/T 23646-2009）等6項車用燃料電池國家標準。截至目前，我國燃料電池汽車已通過北京奧運會、上海世博會等重大活動平臺開展示范應用。

4.3.4 便攜式燃料電池發電系統

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備的普通電池。該類應用對于燃料電池整體性能要求一般不高，因此開發的方向關鍵在于降低燃料電池成本和安全問題，尤其是對于安全問題，要求比較高。燃料電池標委會在2008年發布了國家標準化指導性技術文件《便攜式質子交換膜燃料電池發電系統》（GB/Z 21742-2008）。之后，IEC/TC105制定了《便攜式燃料電池發電系統-安全》，我們正在進行等同采用，該標準適用于在室內或戶外使用、額定輸出電壓不超過600V（交流）和850V（直流）的交流型和直流型便攜式燃料電池發電系統。該標準出臺后，將代替原有的指導性技術文件。

4.3.5 微型燃料電池發電系統

微型燃料電池是指小型、低壓、小功率的燃料電池，目前關于微型燃料電池的標準將微型燃料電池系統定義為用于便攜式的、輸出直流電壓不超過60V，輸出功率不超過240W的燃料電池發電系統。根據微型燃料電池的特點和應用的場合，目前標委會制定了安全、性能試驗方法和燃料容器互換性三方面的標準。

4.4 未來標準化方向

4.4.1 抓住重點 完善標準體系

燃料電池標準體系已經初步建立起來，未來將在基礎、部件及關鍵材料測試、車用、備用電源、便攜式及微型、固定電站等領域強化標準制定工作。此外，還將開展供氫、儲氫技術要求及安全、燃料系統（包括電池管理和控制系統），以及安全防護系統等方面的標準化工作。

4.4.2 緊跟產業 制定重要標準

燃料電池作為備用電源，在通訊行業有著廣闊的發展前景，未來將緊跟產業化發展，加快重要標準的制定。此外，隨著關鍵技術的研發，成本的降低，一些在軍方得到廣泛應用的燃料電池也開始轉向民用，如直接醇類燃料。對于這些逐步走向產業化的燃料電池技術，標委會也將開展標準制定工作。

4.4.3 擴大影響 增強國際話語權

目前IEC/TC105共有12個工作組，我國已派專家參與WG4（固定式）、WG11（單電池測試方法）等工作組的國際標準制定工作，并結合我國實際情況提出意見和建議，未來仍需要加強國際標準參與力度。此外，對于我國已經展開的一些標準工作，國際上目前還沒有相應的標準，我國應牽頭提出相關的國際標準提案。

[1]燃料電池——原理 技術 應用,化學工業出版社.

[2]微型燃料電池技術和標準化現狀.微型燃料電池技術和標準化現狀.電器工業，2005(6).

[3]質子交換膜燃料電池技術的發展及應用,河南化工,2003(12).