我國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的現(xiàn)狀及分析

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。

1 氫燃料電池汽車概要及我國(guó)氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 氫燃料電池汽車概要

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

1.2 中國(guó)氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

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)。

2 我國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)化體系框架及其發(fā)展現(xiàn)狀

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]。

3 我國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)化體系的發(fā)展現(xiàn)狀

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

3.1 氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系制定的前期工作

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]。

3.2 我國(guó)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展現(xiàn)狀

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 國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

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)

4 結(jié)束語

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。