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潘义:“氢能革命”未到,“氢气标准”先行

来源:氢云链 2020-01-16

当今世界,为了解决能源短缺、环境污染日益严重以及人们日益增长的能源需求等问题,对洁净新能源和可再生能源的开发成为21世纪人类面临的首要任务。氢气作为一种清洁、安全、高效、可再生的能源,是人类摆脱对“三大能源”依赖的最经济、最有效的替代能源之一。我国正在大力发展氢能事业,2019年年初,氢能源被首次写入《政府工作报告》中,同时,各地方政府也都出台了一些相应的政策,以扶持当地的氢能产业的发展。

氢能目前最具潜力的应用领域莫过于燃料电池,而氢气的质量对燃料电池的寿命、效率等性能起到了至关重要的作用,多个国家已经制定了燃料电池氢气的相关标准,我国也成立了相应的工作组正在主持制修订相关标准。近日,在第六届岛津化工论坛上,中国测试技术研究院(以下简称为“中测院”)与岛津正式签署了合作协议,成立了合作实验室。仪式上,仪器信息网特别采访了“全国气体标准化技术委员会气体分析分技术委员会氢能与燃料电池分析方法标准制定工作组”的负责人——中国测试技术研究院化学研究所副所长潘义,请他谈谈目前国内氢能的发展状况及国家氢气质量分析方法标准的一些进展。

中国测试技术研究院 化学研究所副所长 潘义

中国测试技术研究院是一所集法定计量技术机构、第三方校准与检验检测机构、测试技术与标准研究机构三位一体的综合性国家级研究院。据潘义介绍:中测院始建于1965年,其前身是中国计量科学研究院分院,1980年与西南国家计量测试中心、四川省计量测试所合并,更名为国家计量局成都计量测试研究院,同年迁址成都。1986年经原国家计量局正式批准更名为中国测试技术研究院。2000年由原国家质量监督检验检疫总局移交四川省人民政府实行属地管理,为省政府直属公益类科研事业单位。

作为秘书处单位,中测院组建了全国机动车运行安全技术检测设备标准化技术委员会(SAC/TC364)、全国生化检测标准化技术委员会(SAC/TC387)、全国气体标准化技术委员会氢能与燃料电池工作组(SAC/TC206/SC1/WG1),一直致力于气体分析测试领域相关的标准化工作,主持和参与起草了多项国家标准、环境行业以及天然气行业相关国家标准,并参与国际标准化组织(ISO)下属的ISO/TC158 Analysis of gases技术对接及ISO国际标准起草工作。

中测院拥有科研实力雄厚的科研团队,紧密贴近产业急需的测试与标准技术问题,积极开展“国家化学标准物质”研究工作,取得了丰硕的成果,广泛应用并满足环境监测、石油化工、公共安全、公平贸易、仪器研发等领域企事业单位的需求。

国内起步较晚

2019年是中国氢能飞速发展的一年,但目前中国氢能产业的发展还远落后于国外发达国家。潘义介绍说,氢燃料电池技术已经成为全球能源技术革命的一个重要方向,许多国家也将该技术作为未来能源战略的重要组成部分。日本非常重视氢能产业的发展,想以此解决其部分能源问题;德国也在大力发展氢能,目标是确保德国赢得在氢技术领域的全球领袖地位,并将氢能作为整个国家的能源发展方向之一;而美国开始研究时间较早,但前期不是非常重视,现在也在加快速度发展氢能燃料电池技术。

车载氢能燃料电池是目前氢能较有前景的应用领域,经过数十年研究已经逐渐发展起来。国内在此领域发展较晚,近年来,多家汽车企业启动了相关研发,广东佛山地区在此领域发展较快,四川成都紧随其后,目前研究重点集中在大、中型客车和城市物流车,已经初步实现了商用;氢能家庭汽车还处于实验阶段,国内目前没有正式上路的车型。国外一些汽车企业的氢能家庭汽车早已上路,如丰田等。

虽然目前氢能汽车发展如火如荼,但潘义也说道:氢能汽车也有其局限性,如果未来氢能家庭汽车可以实现量产,也无法很快完全替代电动汽车与燃油汽车,极有可能在一段时间内呈“三分天下”的局势。

标准推动发展

在氢能燃料电池发展中存在很多问题,有很大一部分来源于氢气的标准。氢气作为氢能燃料电池的能量来源,其纯度及杂质含量都极大的影响着电池的性能,需要对其中各项杂质的含量进行限定。我国工业氢气的产品标准《GB/T 3634.2-2011氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢》中对总烃、总硫、甲醛、甲酸、氨、总卤化物、颗粒物浓度等参数都没有规定,如果其中某项参数过高,都对燃料电池的整体性能造成影响。

而目前国内燃料电池用氢气的质量标准依据的是《GB/T 37244-2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》,该标准是从ISO 14687-2转化而来。国际标准化组织氢能技术委员会(ISO/TC 197 Hydrogen technologies)在2019年底推出的最新标准ISO 14687中,对参数和限量值做了稍许调整,相信国内相应的标委会也会很快对GB/T 37244进行进一步修订。

GB/T 37244 中明确规定了氢气15个指标的具体要求,包含氢气纯度(摩尔分数)、非氢气体总量、水、总烃(按甲烷计)、氧、氦、总氮和氩、二氧化碳、一氧化碳、总硫(按H2S计)、甲醛、甲酸、氨、总卤化合物(按卤离子计)和最大颗粒物浓度。其中,总硫含量要求不超过4 ppb,标准非常严格。GB/T 37244标准中针对这些参数规定了明确的限量值,但是并没有对各参数的检测方法进行研究,目前所引用的分析方法标准并不全部适用于燃料电池用氢气的杂质分析。

在国际上,国际标准化组织气体分析技术委员会(ISO/TC 158 Analysis of gases)与国际标准化组织氢能技术委员会(ISO/TC 197 Hydrogen technologies)专门成立了联合工作组“JWG 7 Hydrogen Fuel Analytical Methods”从事氢燃料分析方法研究。据潘义介绍,为顺应国家氢能产业战略布局,解决氢气品质分析技术瓶颈问题,健全我国氢能与燃料电池氢气品质分析方法标准体系,中测院化学所负责筹建了“氢能与燃料电池分析方法标准制定工作组”。该工作组由全国气体标准化技术委员会气体分析分技术委员会(SAC/TC 206/SC 1)管理,工作组编号为SAC/TC 206/SC 1/WG 1,对口国际标准化组织“ISO/TC 158/JWG 7 Hydrogen Fuel Analytical Methods”,负责氢能与燃料电池领域气体分析方法相关标准的制修订工作。工作组于2019年3月7日批准成立之后,4月7日在成都顺利召开工作组启动会,并成立了“氢气品质分析与标准研究实验室”,积极开展相关分析方法标准研究工作,目前已在气体标准物质、稀释装置、高压氢气取样、氢中痕量总硫分析、无机多组分气体分析等方面取得初步进展,其他参数的分析方法研究工作也在逐步推进中。

目前的标准虽然对各项指标都有详细的规范,但却存在一个问题。潘义解释说,氢气的来源直接影响了氢气中杂质的含量,通过电解水制得的氢气纯净度就很高,而通过甲烷制得的氢气烃类物质就会较多,各个地区会根据当地的实际情况选择制氢的方式。对于加氢站来说,目前无论氢气来源如何,所有的氢气都需要进行全部项目的检测,这无形之中造成了检测资源的浪费,加氢站也需要投入更多的成本用于氢气的检测。

潘义讲,氢能的产业规模很大,且非常有前景,眼下各地区加氢站对检测都有很大的需求,急需合适的检测方法。“氢能与燃料电池分析方法标准制定工作组”的工作任务首先是针对ISO 14687的要求,建立一套适用于燃料电池用氢气中各自杂质的取样方法和分析方法,形成国家标准;本着经济适用和分析结果准确可靠的原则,每个参数会争取形成几种不同原理的标准,用户可根据自身的需求进行选择。这些成果都将服务于整个氢能与燃料电池产业的发展需求,并争取在标准化方面与ISO相应的工作组接轨和推广,提升中国的国际影响力。

合作推动产业

谈到此次与岛津成立合作实验室,潘义表示,与岛津公司成立“气体分析标准化及解决方案示范应用实验室”,是基于中测院和岛津公司前期良好的合作基础。中测院在环境监测、工业气体、氢能源、天然气化工、煤化工等领域具有多年的研究基础,技术沉淀深厚,研究并建立了许多产业急需的分析方法及解决方案。中测院将以合作实验室的组建为契机,通过双方的共同努力,将实验室建设成为开展气体分析测试领域关键技术攻关的研发基地、成为气体分析测试成果孵化和转化示范应用基地,把实验室建设成为本领域技术集成和技术辐射的公共技术服务平台,为推动气体分析领域的科技进步和事业发展作出更新、更大的贡献。