浅谈我国燃料电池标准化现状

文/机械工业北京电工技术经济研究所 陈晨 卢琛钰

1 引言

众所周知，由于能量转化效率高、环境友好等优点，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府的重视，被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术。然而，由于燃料电池关键材料和部件价格昂贵，其主要燃料氢气的制取和运输成本较高等，导致其总体成本居高不下，一直以来主要应用在军事、航天等特殊领域。近些年，在能源和环境的双重危机以及燃料电池技术不断进步等因素刺激下，燃料电池在电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇等领域已经进入示范应用，并向产业化阶段迈进。

在燃料电池技术不断发展的过程中，相应的标准化工作也在开展，国际电工委员会(IEC)于1998年成立了IEC/TC105（燃料电池技术），主要负责燃料电池领域的标准化工作。我国国家标准化管理委员会于2008年批复成立全国燃料电池标准化技术委员会（SAC/TC342），由中国科学院大连化学物理研究所衣宝廉院士任主任委员。SAC/TC342对口国际电工委员会IEC/TC105，负责开展国内燃料电池标准化工作，目前燃料电池标准化的主要对象为质子交换膜燃料电池。

2 我国燃料电池标准体系框架

我国燃料电池标准体系主要是参考IEC/TC105的标准体系设定的，力争与IEC及其它相关国际标准同步或接轨。经过全国燃料电池标准化技术委员会（以下简称“燃料电池标委会”）的不断努力，目前已经制定了燃料电池基础标准、固定式燃料电池发电系统、备用电源系统、便携式燃料电池发电系统、微型燃料电池发电系统、驱动和辅助用燃料电池发电系统等在安全、性能试验方法、安装及关键材料等方面的国家标准共计20余项，初步形成了较为完善的燃料电池标准体系，如图1所示。

3 我国燃料电池标准整体编制情况

自“九五”和“十五”以来，我国一直将燃料电池作为国家支持的重点领域之一。依据国家“十五”重大科技专项的重要技术标准研究项目《新能源和可再生能源关键技术标准研究》中的子项《质子交换膜燃料电池》、结合我国“863”计划燃料电池电动汽车重大项目质子交换膜燃料电池技术，机械工业北京电工技术经济研究所联合新源动力股份有限公司及中国科学院大连化学物理研究所，于2001年开始编制《质子交换膜燃料电池 术语》国家标准，填补了我国在该领域上的空白。燃料电池标委会成立后，在主任委员衣宝廉院士的带领下，不断加快标准的制定工作，完善燃料电池标准体系。目前已经发布及正在制定的燃料电池国家标准共计31项。其中，基础标准2项；燃料电池系统包括通用技术要求、关键材料、部件及单电池的测试、低温环境下运行等相关标准共计13项；随着燃料电池产业化进程的加快，标委会在制定一些基础和系统标准的同时，也在组织制定燃料电池在一些应用领域的标准，如用作固定式电源、备用电源、便携式电源以及微型电源等方面，目前已有标准16项。

4 标准涉及的领域

4.1 基础方面

燃料电池目前的两项术语标准主要是为了建立统一的规范语言。《质子交换膜燃料电池 术语》标准给出了质子交换膜燃料电池技术及其领域内使用的术语和定义，适用于各种用途和类型的质子交换膜燃料电池。标准中给出了质子交换膜燃料电池基础、模块、燃料及氧化剂存储（制备）、安全与性能要求、性能试验方法、控制等方面的共计93条术语和定义。随着燃料电池其他标准的出台，新术语的增加及原有术语和定义不断被修改，目前《质子交换膜燃料电池 术语》标准已经开始修订工作。

考虑到燃料电池快速发展的现状，部分术语有待更新和补充，全国燃料电池标委会等同采用了IEC/TS62282-1:2010《燃料电池技术 第1部分:术语》，编制了我国的《燃料电池 术语》标准，该标准以图表、定义和方程等方式提供了统一的燃料电池术语，适用于固定式、交通、便携式和微型燃料电池技术相关应用。此外，标准中通过框图和定义的方式，定义了燃料电池系统中实现规定功能的系统界定范围，包括:自动控制系统、燃料电池模块、燃料电池电堆、燃料处理系统、内置式能量储存、氧化剂处理系统、功率调节系统、热管理系统、通风系统和水处理系统，给出了微型燃料电池发电系统中燃料容器四种（附加式、外置式、插入式和卫星式）可能的种类。

4.2 燃料电池系统

4.2.1 通用技术

制定通用技术方面的标准，给出了燃料电池应满足的基本性能要求。《燃料电池 模块》和《质子交换膜燃料电池 电堆通用技术条件》两项标准给出了燃料电池模块和电堆应达到的最低安全要求，并给出型式试验方法。对于燃料电池模块/电堆安全的要求包括:通用安全措施和设计要求。针对模块和电堆的不同，在具体的条款中有差异，但在总体安全要求上是一致的。在设计要求中，给出了正常和非正常运行条件下的特性、泄漏、带压运行、着火和点燃、安全措施、管路和管件、电器元件、带电零部件、绝缘材料及其绝缘强度、接地、冲击与振动等方面的安全问题。《质子交换膜燃料电池 电堆通用技术条件》国家标准在气体泄漏和窜气试验中，标准采用了以氮气代替了IEC中用氦气作为试验介质，我国的燃料电池研究单位和生产单位多年来一直使用，并取得满意的效果。

4.2.2 测试方法

在承担国家“九五”攻关、863任务等国家资金的资助下，中国科学院大连化学物理研究所在膜电极、质子交换膜、催化剂等关键材料上取得了重要的突破，在此基础上牵头研制了GB/T 20042.3～6等系列标准，给出了质子交换膜燃料电池质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板等关键材料及部件的测试方法。针对影响不同材料及部件关键的物理及化学参数给出了具体的测试方法和物理量的计算方法。

燃料电池燃料气及空气中含的杂质气体将对燃料电池的性能产生较大的影响。因此，建立标准来测试燃料电池对环境空气的耐受力是非常有必要的。此外，炭纸是燃料电池的关键材料之一，目前我国大部分炭纸主要依赖国外进口，成本很高。建立燃料电池炭纸的测试标准，推进炭纸的国产化、降低燃料电池的成本，对于最终实现燃料电池的产业化具有重要意义。中科院大连化学物理研究所在多年研究的基础上，正在开展如下标准的制定:

20111941-T-604 质子交换膜燃料电池空气杂质适应性测试方法

20111942-T-604 质子交换膜燃料电池氢气杂质适应性测试方法

20111943-T-604 质子交换膜燃料电池炭纸特性测试方法

为了建立起燃料电池一整套发电条件，之后检测其发电性能，燃料电池标委会组织制定了《质子交换膜燃料电池测试台及活化台》（GB/T 25447-2010）国家标准，标准中规定了对燃料电池进行发电性能的测试及活化，而不是 GB/T 20042.2《质子交换膜燃料电池 电池堆通用技术条件》所述的全部性能的检测。活化台在很大程度上的技术条件与测试台是相同的，其区别在于:测试台是实验设备，而活化台是生产设备，功能简化、成本低；仪器仪表精度低、负载要求低、可不用电压扫描；控制要求低，大多可手控等等，但总体上两种设备相似。标准特别提醒防护测试及活化过程中燃料电池发电有可能产生的电击危险，以及载流部件应有足够的机械强度和载流容量。

《质子交换膜燃料电池膜电极工况适应性测试方法》（GB/Z 27753-2011）国家标准中，重点给出了为进行质子交换膜燃料电池膜电极工况适应性测试而需要进行的组装、试漏、活化方法、规定了开路工况试验、怠速工况试验、过载工况试验、怠速-额定循环工况试验、怠速-过载循环工况试验、开路-怠速循环工况试验，并在此基础上制定了组合循环工况试验。

《聚合物电解质燃料电池单电池测试方法》（20090619-T-604）国家标准等同采用IEC 62282-7-1:2010《燃料电池技术 第7-1部分:聚合物电解质燃料电池单电池测试方法》。主题内容包括电池的组装、测试装置、测量仪器和测量方法、性能测试方法以及聚合物电解质燃料电池单电池的测试报告等部分，适用于以下三项的评估:a)聚合物电解质燃料电池膜电极组件的性能；b)聚合物电解质燃料电池其它组件的材料和结构；c)燃料和空气中杂质对电池性能的影响。

图1 燃料电池标准体系框架

表1 我国现有燃料电池标准汇总

燃料电池发电的唯一产物是水，在低温情况下，水的结冰会对燃料电池材料与结构造成损伤。实用的燃料电池应该能够经得起低温的运行环境，因此需要建立一定标准对燃料电池低温运行条件的适用性进行规范，以此来促进燃料电池可靠性的提高，从而推动其产业化进程。因此标委会目前正在开展《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》(20100783-T-604)国家标准的制定工作。

4.3 不同应用领域燃料电池标准

质子交换膜燃料电池的众多优点，使其最有希望成为固定电站、电动汽车、便携式电子设备等方面的首选电源。燃料电池标委会也在这些方面开展了相关的标准化工作。

4.3.1 固定式燃料电池发电系统

就目前而言，作为固定式电源，质子交换膜燃料电池不适用于规模中心发电厂，但可以做成任意规模且不影响其效率，因此作为小型配置电站就近使用，其应用前景非常乐观。早在2008年，燃料电池标委会就已经发布了国家指导性技术文件《固定式质子交换膜燃料电池发电系统（独立型）性能试验方法》（GB/Z 21743-2008）。之后，随着IEC/TC105相应标准的发布，标委会也进行了采标工作，目前正在制定《固定式燃料电池发电系统 第2部分:性能试验方法》（20090618-T-604），该标准出台后，将替代原有的指导性技术文件。除了性能试验方法外，由于我们在燃料电池在固定式上的应用缺乏示范和相应的试验数据，目前固定式的安全、安装标准也均是等同采用IEC/TC105的标准。

4.3.2 备用电源系统

燃料电池发电系统在备用电源领域已经开展示范应用。如2012年4月黑龙江移动在哈尔滨宾县安装了国内公司（上海攀业氢能源科技有限公司）生产的PBP-3000燃料电池备用电源，目前运行良好。在使用过程中最长一次连续发电12小时，保证了基站的可靠运行。依据示范应用，标委会正在组织专家开展《燃料电池发电备用电源系统》（20111938-T-604）国家标准的制定工作。该标准将对满足通信行业安全要求的燃料电池备用电源系统做出规定。

4.3.3 驱动及辅助动力用燃料电池系统

燃料电池作为动力源，其实际能源利用效率是普通内燃机的2-3倍，国内用户也纷纷看好燃料电池在车用领域的潜在市场和广阔前景，涌现出上海神力、上海攀业、同济大学、清华大学、武汉理工大学等一批研究车用燃料电池的企业和高校，并已经/正在制定《电动自行车用燃料电池发电系统 技术条件》（GB/T 23646-2009）等6项车用燃料电池国家标准。截至目前，我国燃料电池汽车已通过北京奥运会、上海世博会等重大活动平台开展示范应用。

4.3.4 便携式燃料电池发电系统

作为便携式电源，燃料电池主要是替代用于常温下使用的各类仪表和通讯设备的普通电池。该类应用对于燃料电池整体性能要求一般不高，因此开发的方向关键在于降低燃料电池成本和安全问题，尤其是对于安全问题，要求比较高。燃料电池标委会在2008年发布了国家标准化指导性技术文件《便携式质子交换膜燃料电池发电系统》（GB/Z 21742-2008）。之后，IEC/TC105制定了《便携式燃料电池发电系统-安全》，我们正在进行等同采用，该标准适用于在室内或户外使用、额定输出电压不超过600V（交流）和850V（直流）的交流型和直流型便携式燃料电池发电系统。该标准出台后，将代替原有的指导性技术文件。

4.3.5 微型燃料电池发电系统

微型燃料电池是指小型、低压、小功率的燃料电池，目前关于微型燃料电池的标准将微型燃料电池系统定义为用于便携式的、输出直流电压不超过60V，输出功率不超过240W的燃料电池发电系统。根据微型燃料电池的特点和应用的场合，目前标委会制定了安全、性能试验方法和燃料容器互换性三方面的标准。

4.4 未来标准化方向

4.4.1 抓住重点 完善标准体系

燃料电池标准体系已经初步建立起来，未来将在基础、部件及关键材料测试、车用、备用电源、便携式及微型、固定电站等领域强化标准制定工作。此外，还将开展供氢、储氢技术要求及安全、燃料系统（包括电池管理和控制系统），以及安全防护系统等方面的标准化工作。

4.4.2 紧跟产业 制定重要标准

燃料电池作为备用电源，在通讯行业有着广阔的发展前景，未来将紧跟产业化发展，加快重要标准的制定。此外，随着关键技术的研发，成本的降低，一些在军方得到广泛应用的燃料电池也开始转向民用，如直接醇类燃料。对于这些逐步走向产业化的燃料电池技术，标委会也将开展标准制定工作。

4.4.3 扩大影响 增强国际话语权

目前IEC/TC105共有12个工作组，我国已派专家参与WG4（固定式）、WG11（单电池测试方法）等工作组的国际标准制定工作，并结合我国实际情况提出意见和建议，未来仍需要加强国际标准参与力度。此外，对于我国已经展开的一些标准工作，国际上目前还没有相应的标准，我国应牵头提出相关的国际标准提案。

[1]燃料电池——原理 技术 应用,化学工业出版社.

[2]微型燃料电池技术和标准化现状.微型燃料电池技术和标准化现状.电器工业，2005(6).

[3]质子交换膜燃料电池技术的发展及应用,河南化工,2003(12).