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神力周斌:质子交换膜燃料电池堆(模块)现行国家标准解析及试验能力建设(审定稿PPT)

时间:  2019-08-27 17:19  来源:  氢智会   作者:   氢智会编辑部

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是如今最火热的话题,因其具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点,使之成为车用燃料电池的主流选择。为了促进国内PEMFC的发展,由上海燃料电池商业化促进中心和DT新材料联合举办的2019年8月21-23日在上海召开。会上上海神力科技有限公司副总经理周斌发表了主题演讲。

嘉宾介绍:

周斌,上海神力科技有限公司副总经理,具有丰富的燃料电池等新能源产品的开发、测评、标准化、市场准入等从业经验。现任国际电工委员会电工产品合格测试与认证组织(IECEE)技术评审员,全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC 342)委员,上海市新能源汽车及应用标准化技术委员会委员等职,是国内首家获得CNAS认可的企业燃料电池测试中心负责人,已主导和参与起草5项燃料电池国家标准。

演讲题目:质子交换膜燃料电池电堆(模块)的现行国家标准解析及试验能力建设

演讲实录:

非常感谢主持人的介绍,也感谢主办方的邀请来给大家做这个分享,说实话这个会议议程发出来的时候,我行业里很多朋友看到了就纷纷给我发微信,说你怎么就不能好好讲一讲产品电堆开发,非要来讲这个标准。其实因为我自己本身也是标委会的委员,参与标准的制定,也理解我们今天论坛是技术讨论的会议,所以就想结合我自己在从业过程中,就对于标准、对于测试的一些理解与大家做一个分享,在最后会跟大家再来介绍一下关于神力的内容。

下面我们就走入正题看一下,质子交换膜燃料电池电堆和模块国家标准有哪些差异,我们怎样建设试验能力才能满足这些差异。

在这之前,我来一个引言:最近跟很多的来我们公司交流和访问的一些行业新朋友、老朋友聊天,他们都会跟我聊到很多困惑,比如说现在关于电堆和燃料电池模块的标准,国家标准有哪些?我该怎么样建设试验能力?电堆和模块是怎样的差异,到底如何来鉴别他的差异,有什么区别?甚至现在还有一些新进的行业同仁,开发出新的电堆,不知道要测哪些项目,跟我说:我就有一个堆做好了,你帮我测一下。我问:你想怎么测?(他说)你能怎么测就怎么测,帮我把性能测出来。大家有这种诉求。也还有一些朋友不知道在哪边可以测。到底怎样认可这个测试能力?包括哪些内容?所以我也是借着这个机会跟大家分享一下我浅浅的心得。争取在下面的分享中帮大家解答这些疑惑。

在下面先看一下,这个图上放了两张,就国家标准术语定义角度而言,一个是燃料电池堆,另外一个是燃料电池模块。大家很多时候在说,我们做电堆、电堆,其实把这两个概念是混到一起说的。为了这个便于大家的理解,我特意去摘录了我们GBT20042.1最新版质子交换膜燃料电池术语标准,它应该是我们标委会齐博士牵头的一个标准,标准里关于燃料电池堆的术语定义我可以给大家读一下。燃料电池堆是有两个或多个单电池构成,和其他必要的结构组建构成,具有统一电输出的组合体。这里必要结构件就包括极板、集流板、端板、密封件和电极等等。

在上面左侧的这个,严格意义来讲就是燃料电池堆,还有一个是燃料电池模块,它是什么概念呢?标准对它的定义是有一个或者多个电堆结合起来。这里面一个燃料电池的模块主要是指由一个或多个电堆,可以输送燃料、氧化剂和废气的管路系统;和管路连接,监测和/或控制手段,以及额外的流体,如冷却介质、惰性气体的传输部件,检测正常或不正常运行条件的部件,外壳或压力容器和模块的通风系统。为什么出现电堆和模块两个不同的概念?目前而言,燃料电池更多是用在交通运输领域,交通运输领域其实如果只用一个电堆,一个裸堆的话,并不能真正直接被发动机集成商或者整车商利用,更多是需要我这个电堆具有额外的属性与功能,把他封装成模块。所以现在大部分电堆厂家提供的产品也就是燃料电池的模块,而非裸堆。我为了保证你能够更好、更安全的使用,更可靠的使用,会提供燃料电池的模块。这就是我们燃料电池模块的概念。所以这是非常复杂的系统,有很多部分组成。因为我跟很多人都交流过,大家都对电堆、模块这个概念还是有一些模糊,今天一讲以后,大家就发现这两者其实有共通之处,甚至在很多标准制定过程中也是有很多共同点的,因此,我就把电堆和模块融合在一起跟大家做一个分解。燃料电池电堆和模块是我们系统的核心部件,刚才前面很多老师都介绍过,我们行业快速发展的同时,怎么样快速的去建立健全我们试验能力也是行业很关注的热点。

所以也是为了回答刚才前面的五个问题,我渐渐的做了这些剖解。我以前本人也做了很多年第三方检测认证,所以对于实验室的资质能力比较感兴趣,也顺便查了一下,目前国内具备CNAS资质的第三方机构有这些,这个是截止到8月14日,我列这个表格不是说只有这三家可以做,或者这三家能力只有这些,只是想说给大家提供一个渠道,可以通过我下面的这个链接(https://las.cnas.org.cn/LAS/publish/externalQueryL1.jsp)去查询你所需要的被国家认可的,相当于官方授权的检测机构。当然上海机动车检测中心也是响当当的,也在这上面的。

大部分机构都有这四项标准,我就从这四项标准上面做一个解析,这也是我国现在国内燃料电池、电堆和模块标准里面所涵盖的一些内容。分别第一条是GB/T 20042.2-2008版,是质子交换膜燃料电池电堆通用技术要求。顺着时间顺序来的,接下来是GB/T 29838-2013,是燃料电池模块,这个标准是采用了IEC标准等同引用过来的。2017年我们发布了一本叫做GB/T 33978-2017的道路车辆用质子交换膜燃料电池模块标准。以及去年发布,2019年1月1日正式实施的GB/T 36288-2018.这四份标准有什么差异?大家可以从适用范围上来看:

20042.2是从通用技术角度规定了质子交换膜燃料电池电池电堆包括直接醇类燃料电池堆的安全、性能的基本要求。燃料电池模块,是从通用技术角度提出了安全和性能方面的最低要求,包括型式检验、理性检验、试验方法等等。上面两个一个是堆,一个是模块,是在五年前的标准。

那为什么出现第三条33978呢?这里分享一个历史的原因,如果大家看一下29838的适用范围最后有一个“不包括于道路车辆用的燃料电池模块”。在我国,燃料电池堆也好、模块也好主要是道路车辆用的,所以燃料电池标委会就做了一个有针对性的中国国家标准,是道路车辆用的。背后的原因是什么?我刚才也介绍了29838是采标IEC标准,IEC对应的标准会是IEC/TC 105燃料电池技术的标委会,他当初跟ISO汽车标委会做业务分工的时候,就已经明确了IEC的TC 105只覆盖除道路车辆用以外的标准,像便携式、固定式、微型等这些应用场景标准都是IEC TC 105来做。跟车辆相关这块就由ISO来做。IEC写的时候即使很多内容是相似的,也要写一个不适用于道路车辆,这是国际上面的背景。引入到国内,因为是国标,自己提的。所以我们行业里面很多同仁也讲到,发现这个问题以后就把这个提出来,我们作为一个标准,能够适用于中国的是道路车辆用的燃料电池模块的标准,所以借鉴了29838的内容,也综合考虑了交通运输行业道路车辆用的特殊要求,等会儿大家看试验项目的时候可以看到。

36288,这个是燃料电池电动汽车用的燃料电池电堆里面的安全要求。其实更多是跟汽标委的标准体系挂钩的,如果大家做电堆、发动机的话,可以看到不管是24549还是等等那些标准,都是燃料电池电动汽车、燃料电池发动机、燃料电池汽车安全要求等等,这是一套标准体系融合在一起的。

这里再跟大家分享一下,这些标准都有一个共同点,就是说以上的标准只涉及对人体核燃料电池堆外部产生的危险。不涉及燃料电池堆内部的防护,而且这种不会对燃料电池外部产生危害,这句话很拗口。怎么理解?我也花了很长时间,到现在不能完全说我理解透了,但跟大家浅显的分享一下,如果说这是一个产品,我定标准的时候,我不考虑内部发生了什么,我只要求你,第一你不要在我使用你的时候,让你的产品对外界使用人员和公众造成伤害。以及不要因为你自己的一些缺陷也好、设计缺陷,导致你实用功能的失效以及最终会对外界的人员和环境造成影响。而上面所说的不涉及对燃料电池堆内部的防护,我始终找不出比较好的例子,可以打这么一个不恰当的比方,一个家庭,两口子生活,在家里不管发生什么情况,只要你们不对社会,不对他人造成不良影响,吵闹也罢,欢笑也罢,我不管,正所谓“清官难断家务事”,我标准也不管你电堆或模块内部的防护。(该例子为发言人后期修改)

讲完这块,我们再进入到标准的解析,首先是术语部分。这四份标准,其实大家也可以看到,20042.2基本上引用了老的标准,29838是IEC等同引用的,IEC标准里面所有的术语引用的时候全部都写过来,所以是单独写了。33978就引用了GB/T28816,以及道路车辆。36288就引用了上面那些燃料定尺术语标准,还有24548是燃料电池电动汽车的术语标准,另外还有一个定义是“车用燃料电池堆”。如果大家想了解各种定义的话,我会给大家安利和推荐我们燃料电池标委会最新的一个术语标准,是GBT20042.1-2017,总共有219个术语,涵盖内容很多,也是行业内专家花了很多心血做的,应该是比较全的一个术语标准。前面大部分的术语都已经覆盖了。

讲完术语,接下来就是我们的技术要求。这两本标准是放在一起做的比较。其实可以看到,我们20042.2和29838,一个电堆一个模块标准,都给出了燃料电池电堆通用安全策略和设计要求。提这个要求的目的是什么?是希望我们标准的使用者,通过设计以及材料选择、加工制造等方面的优化。以及采取相应的保护措施来降低发生安全风险的可能性和严重性。这是每份标准制定时候所考虑到的一个共通点。所以可以看到,他这里面每个标准都有大概13项的要求,这13项要求如果我们在设计产品的时候,每一条都百分之百的能够做到,其实可以把很多的一些最基本的入门级的安全问题,都被考虑到解决掉,如果感兴趣做这块的可以了解一下。

第二套标准的比较就是33978跟36288,他们在前期对于产品设计的通用要求这块提得并不是特别多,更多的其实是提的一些技术要求。而这个技术要求是要在后期的第五、第六章节的试验中加以试验和验证的。

标准提了这么多要求,每一个条都对应相应的试验测评方法。讲完这个以后,就涉及到我到底用什么设备测试,怎么满足。纵观四个标准发现,目前只有33978-2017里面对一些设备的精度提了一些要求,我们在实际的使用过程中,因为神力测试做得特别多,我就发现这里面有一些小问题,我也向标委会秘书处,包括标委会开大会的时候也提了一些修订的意见。主要是湿度测量计,要求正负1%的相对湿度,这个如果大家做测试的话可以发现,正负1%的相对湿度是要求非常高的。不是说做不到,但你投入的设备和成本可能就是10倍,甚至更高。所以说这对一些做标准或者做科学研究的机构可以做到,但对于一些生产和企业的话,尤其是批量做的,量很大的时候,在做这个产品,这个要求会比较高,会造成相应的经济负担。所以我也是分析湿度这个要求,跟标委会提了这个修订意见,后期我们会重点讨论怎么修订。

与此同时我还分享一个观点,虽然现在只有33978有,我们后续在标准制定过程中也会在每一个涉及到测试的环节中,都把精度放在这里,让大家有所参考和依据。也方便大家以后能力建设使的选型,因为精度要求不同,设备选型价格千差万别。

讲完设备精度,下面重点看一下这张表,说实话这张表是饱含心血,花了无数个日夜整理出来的表格,一目了然把四分标准的相同点和不同点做了比较,也不难看到,我要真正具备一个完整的燃料电池电堆模块检测能力的话,其实需要满足的是25项检测能力。而且因为你并不知道产品最后实际真正会用在哪里,所以你不能说满足了33978、29838,20042.2就不用满足了,因为你后续可能还用在电动汽车上。这里面可以看到,大部分的试验是有一些相同的,但也有很多不同指出。今天因为时间关系我没办法展开,如果展开聊个一天都不够。这个大家可以回去自己再安排人员重点的熟悉了解一下。

下面我对试验能力建设也做了一个梳理,大家不难看到,由于氢燃料电池的特殊性,所以首当其冲第一个就是气密性及压力的试验平台,这边需要具备试验气体源、多个气体通路、压力控制显示,流量检测。

另外一个是燃料电池测试平台,在一些常规测试里面,上面所说的温度、压力、流量的控制检验/检测,安全保护,数据记录这是基本的,但非正常测试的条件下,有很多比如说像过载、过流的短路设备,一些极端情况下的测试设备,大家可以重点看29838后面的几个测试项目,都是非正常的,破坏性的一些试验。还有撞击振动和冲击试验平台,要满足这种标准,各种加速度、频率、位移等等,台面面积和样品重量限制等腰满足需求。很多产品做的很好,一上车就不行,也是有实际的案例的,这个测试的必要性非常强。

另外一个综合环境试验平台,我们现在大家重点强调一个低温启动,你怎么评价?首先得有这个平台,这个平台不光是要能够实现低温,你还得综合考虑氢气的特殊情况,还要把这里面的氢气浓度报警与其他安全联动功能考虑进去。前面三个是与氢燃料电池强相关的,后面三个我个人认为是弱相关的,就是电磁兼容试验平台、包括安规、以及后面防护等级测试等通用设备,大家要建立的话必须通盘考虑。

我觉得我们行业还是方兴未艾,急需要更多标准和有能力的检测机构指导和支持我们产品开发应用,刚才缪总也介绍到平台公司也正在做一个很大的规划,我跟缪总也做过很多交流,也非常期待缪总帮助我们行业一起把检测这块做起来,实现高质量发展来。

后面我就占用大家几分钟的时间,介绍一下神力科技,神力也很少在外面讲报告。也想借此机会跟大家分享一下。像张博介绍的,神力是20多年以上的老兵,我们成立于1998年6月,20年来什么事没有做,就专注于做燃料电池,燃料电池的开发与产业化。在今年6月28日发布的长三角的燃料电池产业创新白皮书里面有一个,国内燃料电池企业申请专利数量最多的是437项,很荣幸这个企业正好是上海神力。我们也起草了31项国家标准,我粗略数了一下国内燃料电池相关标准也就50项左右,我们参与了一半以上,这已经融合了好几个标准会的标准。我们也承担了40多项的国家级省部级的科研项目,从九五到十三五的科研项目都有承担。今年很幸运,得到了CNAS认可。关于CNAS检测认可很多人好奇,你们为什么申请。我也想表态,我们不是为了主要做第三方检测,因为我们作为企业是第一方试验室,更多是想通过获得CNAS的认可,来规范我们的检测活动,企业通过CNAS认可是对企业自身的管理水平、测试能力、研发水平的一种肯定与认可,;还有一点,我们自己的生产的任务和研发任务特别重,虽然有几十个测试台,但其实测试能力还不够用,它既要满足研发测试需求,也要满足100%出厂检测的需求。但如果有需要的话,还是欢迎跟大家做一些交流,可以做一些检测的。

看看神力20年的发展过程,我们从1998年开始有四个阶段,基础科研,到2003-2014年的项目研发和示范运营,以及2015年以后的产业化准备,到2018年产业化初期。2015年前更多是做科研性的项目,而且是2015年之后开始做工程化,刚才马老师在讲,从科研转到产业化的过程中,说实话我是感同身受的,做科研0到1努努力其实可以做成,但从1到10、10到100、100到1000、……,这里面要克服的问题就层出不穷,其实是两个完全截然不同维度的工作,很幸运我们走过了,现在正走在千台级,在往万台级发展。

我们核心产品是电堆模块,这个刚才跟大家介绍过了,就是我们小一点的MD系列,大一点的HD系列,这个也是我第一次在公开场合披露我们的产品性能,这个不是试验室科研性能,是量产性能。也就是说我们每一台电堆出厂前都会做出厂检测,而且出厂测试并没有把电堆活化到百分之百的性能,只要达到了跟客户协议约定的要求就行。MD系列是38kW和50kW的额定功率。下面是我们76kW和95kW电堆产品,这也是我随机拉出来的出厂测试报告上的性能,性能有很多比它还好的,正好没有被我抽到,抽了一个中规中矩的。

除了这个以外还有一些燃料电池产业化的服务,我们可以帮助客户建实验室,刚才万主任也介绍了一下,咱们也是在合作,刚才他介绍的试验室是我们两家合作去建,所以我们有提供试验室建设的工程化服务,从设计规划、设备选型与供应、资质准入。自己开发设备,主要是发动机的测试平台。我上面写的是40-200kW,还有一个正在做的项目是可以做到300kW,包括还有一些测试,工程技术服务等等。

这边是实验室平台建设服务,我们有整车厂、科研院所、企事业单位提供燃料电池实验室定制化交钥匙方案。渲染图和图片都是实际已经建好的实验室。燃料电池发动机测试平台也是我们自己开发测试的产品。还有关键材料测试,材料这块有膜、膜电极。电堆模块这张表格就是我们这次被认可的测试项目,因为格式问题,如果看认可证书附件能力表里面的参数不止这些。它包括低温存储和启动实验,应该讲所有标准里面除了EMC电磁兼容和IP等级外,其他标准里涉及的试验能力我们都有。发动机测试系统,也是除了EMC跟IP等级其他都有。

为什么今天主要讲标准、讲实验室?在我看来,实验室的检测能力其实是非常关键的。检测是你研发很重要的一环,检测能力高低就代表了你自己公司研发水平的高低,检测设备的多少,也代表了你研发投入的多与少。我们的产品要在工程化、产品化过程中经过各种验证,就不得不去投入大量的时间和金钱去做产品的验证和产品的评估。所以我也希望大家能够“氢力前行”,共同为氢能行业尽心尽力,兢兢业业的为这个行业作出贡献。谢谢大家!
 

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