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，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)備受各國政府的重視，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)鍵材料和部件價格昂貴，其主要燃料氫氣的制取和運輸成本較高等，導(dǎo)致其總體成本居高不下，一直以來主要應(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，燃料電池在電動汽車、移動電源、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)展的過程中，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)），主要負(fù)責(zé)燃料電池領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2008年批復(fù)成立全國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC342），由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所衣寶廉院士任主任委員。SAC/TC342對口國際電工委員會IEC/TC105，負(fù)責(zé)開展國內(nèi)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化的主要對象為質(zhì)子交換膜燃料電池。

2 我國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系框架

我國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系主要是參考IEC/TC105的標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)定的，力爭與IEC及其它相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)同步或接軌。經(jīng)過全國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（以下簡稱“燃料電池標(biāo)委會”）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)動和輔助用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等在安全、性能試驗方法、安裝及關(guān)鍵材料等方面的國家標(biāo)準(zhǔn)共計20余項，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 我國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域之一。依據(jù)國家“十五”重大科技專項的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究項目《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《質(zhì)子交換膜燃料電池》、結(jié)合我國“863”計劃燃料電池電動汽車重大項目質(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)合新源動力股份有限公司及中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，于2001年開始編制《質(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語》國家標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域上的空白。燃料電池標(biāo)委會成立后，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家標(biāo)準(zhǔn)共計31項。其中，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)2項；燃料電池系統(tǒng)包括通用技術(shù)要求、關(guān)鍵材料、部件及單電池的測試、低溫環(huán)境下運行等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共計13項；隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，標(biāo)委會在制定一些基礎(chǔ)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的同時，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。

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術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)主要是為了建立統(tǒng)一的規(guī)范語言?！顿|(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語》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（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(shù)語和定義。隨著燃料電池其他標(biāo)準(zhǔn)的出臺，新術(shù)語的增加及原有術(shù)語和定義不斷被修改，目前《質(zhì)子交換膜燃料電池 術(shù)語》標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始修訂工作。

考慮到燃料電池快速發(fā)展的現(xiàn)狀，部分術(shù)語有待更新和補(bǔ)充，全國燃料電池標(biāo)委會等同采用了IEC/TS62282-1:2010《燃料電池技術(shù) 第1部分:術(shù)語》，編制了我國的《燃料電池 術(shù)語》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，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)中通過框圖和定義的方式，定義了燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)規(guī)定功能的系統(tǒng)界定范圍，包括:自動控制系統(tǒng)、燃料電池模塊、燃料電池電堆、燃料處理系統(tǒng)、內(nèi)置式能量儲存、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?！度剂想姵?模塊》和《質(zhì)子交換膜燃料電池 電堆通用技術(shù)條件》兩項標(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(shè)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(shè)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(qiáng)度、接地、沖擊與振動等方面的安全問題?！顿|(zhì)子交換膜燃料電池 電堆通用技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)在氣體泄漏和竄氣試驗中，標(biāo)準(zhǔn)采用了以氮氣代替了IEC中用氦氣作為試驗介質(zhì)，我國的燃料電池研究單位和生產(chǎn)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(dān)國家“九五”攻關(guān)、863任務(wù)等國家資金的資助下，中國科學(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)鍵材料及部件的測試方法。針對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(zhì)氣體將對燃料電池的性能產(chǎn)生較大的影響。因此，建立標(biāo)準(zhǔn)來測試燃料電池對環(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，目前我國大部分炭紙主要依賴國外進(jìn)口，成本很高。建立燃料電池炭紙的測試標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)炭紙的國產(chǎn)化、降低燃料電池的成本，對于最終實現(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)性測試方法

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

為了建立起燃料電池一整套發(fā)電條件，之后檢測其發(fā)電性能，燃料電池標(biāo)委會組織制定了《質(zhì)子交換膜燃料電池測試臺及活化臺》（GB/T 25447-2010）國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對燃料電池進(jìn)行發(fā)電性能的測試及活化，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?；罨_在很大程度上的技術(shù)條件與測試臺是相同的，其區(qū)別在于:測試臺是實驗設(shè)備，而活化臺是生產(chǎn)設(shè)備，功能簡化、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)測試及活化過程中燃料電池發(fā)電有可能產(chǎn)生的電擊危險，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)性測試方法》（GB/Z 27753-2011）國家標(biāo)準(zhǔn)中，重點給出了為進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極工況適應(yīng)性測試而需要進(jìn)行的組裝、試漏、活化方法、規(guī)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(huán)工況試驗、怠速-過載循環(huán)工況試驗、開路-怠速循環(huán)工況試驗，并在此基礎(chǔ)上制定了組合循環(huán)工況試驗。

《聚合物電解質(zhì)燃料電池單電池測試方法》（20090619-T-604）國家標(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)燃料電池單電池測試方法》。主題內(nèi)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(zhì)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(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)冰會對燃料電池材料與結(jié)構(gòu)造成損傷。實用的燃料電池應(yīng)該能夠經(jīng)得起低溫的運行環(huán)境，因此需要建立一定標(biāo)準(zhǔn)對燃料電池低溫運行條件的適用性進(jìn)行規(guī)范，以此來促進(jìn)燃料電池可靠性的提高，從而推動其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此標(biāo)委會目前正在開展《質(zhì)子交換膜燃料電池低溫特性測試方法》(20100783-T-604)國家標(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，使其最有希望成為固定電站、電動汽車、便攜式電子設(shè)備等方面的首選電源。燃料電池標(biāo)委會也在這些方面開展了相關(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)用前景非常樂觀。早在2008年，燃料電池標(biāo)委會就已經(jīng)發(fā)布了國家指導(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)（獨立型）性能試驗方法》（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:性能試驗方法》（20090618-T-604），該標(biāo)準(zhǔn)出臺后，將替代原有的指導(dǎo)性技術(shù)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(yīng)用缺乏示范和相應(yīng)的試驗數(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)開展示范應(yīng)用。如2012年4月黑龍江移動在哈爾濱賓縣安裝了國內(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，目前運行良好。在使用過程中最長一次連續(xù)發(fā)電12小時，保證了基站的可靠運行。依據(jù)示范應(yīng)用，標(biāo)委會正在組織專家開展《燃料電池發(fā)電備用電源系統(tǒng)》（20111938-T-604）國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。該標(biāo)準(zhǔn)將對滿足通信行業(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)動及輔助動力用燃料電池系統(tǒng)

燃料電池作為動力源，其實際能源利用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2-3倍，國內(nèi)用戶也紛紛看好燃料電池在車用領(lǐng)域的潛在市場和廣闊前景，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項車用燃料電池國家標(biāo)準(zhǔn)。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(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)用對于燃料電池整體性能要求一般不高，因此開發(fā)的方向關(guān)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(biāo)委會在2008年發(fā)布了國家標(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60V，輸出功率不超過240W的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)微型燃料電池的特點和應(yīng)用的場合，目前標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。

4.4 未來標(biāo)準(zhǔn)化方向

4.4.1 抓住重點 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，未來將在基礎(chǔ)、部件及關(guān)鍵材料測試、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，還將開展供氫、儲氫技術(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)用的燃料電池也開始轉(zhuǎn)向民用，如直接醇類燃料。對于這些逐步走向產(chǎn)業(yè)化的燃料電池技術(shù)，標(biāo)委會也將開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

4.4.3 擴(kuò)大影響 增強(qiáng)國際話語權(quán)

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(biāo)準(zhǔn)制定工作，并結(jié)合我國實際情況提出意見和建議，未來仍需要加強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)參與力度。此外，對于我國已經(jīng)展開的一些標(biāo)準(zhǔn)工作，國際上目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，我國應(yīng)牽頭提出相關(guān)的國際標(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).