PEM電解槽能效評價指標及試驗方法編制說明

1《PEM電解槽能效評價指標及試驗方法》編制說明《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》等文件精神，加快推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高PEM21評價指標體系1.1評價指標分類1.1.1PEM電解槽的性能評價指標包括：制氫能耗、電流密度、氣密性、泄漏量、額定氫氣產(chǎn)量、氫氣純度與靜態(tài)試驗。1.2評價指標體系表1PEM電解槽能評價指標體系與領(lǐng)跑者行動目標1（kWh/Nm@2（A/m2@1.8V）3456純度≥99.9%78注：氫氣純度為PEM電解槽出口處（不含純化裝置）的氫氣純度。31.3綜合評價與等級劃分1.3.1PEM電解槽的性能評價，應(yīng)在滿足基礎(chǔ)指標的前提下，對核心指標進行綜合評分，并根據(jù)綜合評分結(jié)果進行評級。具體評分依據(jù)和等級劃分分別見表2和表3。表2PEM電解槽能效性能評價原則（kWh/Nm@60%40%注2：當制氫能耗優(yōu)于先進水平時，能耗比先進水平值每降低0.1kWh/Nm3，分數(shù)增加5分，分數(shù)上注3：當電流密度優(yōu)于先進水平時，電流密度比先進水平值每增加500A/m2，分數(shù)增加5分，分數(shù)上表3PEM電解槽能效性能等級評定123制氫效率試驗方法A.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。A.2試驗方法A.2.1額定單位能耗保留一位小數(shù)。A.2.2測試工作在PEM電解槽的額定工況進行，額定工況是指電解槽運行的直流電流密度為12000A/m2±500A/m2，工作溫度70℃±5℃,工作壓力為0.1MPa～5.0MPa。A.2.3能耗測試用的原料水的技術(shù)指標應(yīng)符合GB/T19774的相關(guān)要求。A.2.4試驗用儀表等級要求，直流電流表和電流電壓表不低于0.5級，其他儀表不低于1級，所用儀表應(yīng)符合相應(yīng)的技術(shù)標準及規(guī)程。4A.2.5單位直流能耗測試次數(shù)不宜少于6次，間隔10min，取平均值。每次測試時待狀態(tài)穩(wěn)定10min后讀取數(shù)值。A.2.6根據(jù)測得的直流電流值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計算出的氫氣產(chǎn)能。A.2.7根據(jù)測得的直流電壓值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計算出電解槽在測試條件下工作壓力下的平均小室電壓及單位直流能耗Wd。A.2.8標定單位能耗中直流能耗(Wds)按照3.2MPa氫氣堆出口壓力進行核算，當出口壓力低于3.2MPa時，氫氣壓力提升至3.2MPa所需耗電量按照如下公式進行計算：W=WZ+E(A.1)式中：E——壓縮過程所耗電量，單位為千瓦時；n——1kg氫氣的摩爾數(shù)，值為500mol；P1——壓縮前的壓力，單位為Pa；P2——壓縮后的壓力，值為3.2×106Pa；R——氣體常數(shù)，為8.314J/mol?K；T——氣體溫度，值為293.15K；η——壓縮機效率，值為85％。電流密度測試方法B.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。B.2試驗方法B.2.1最大電流密度保持整數(shù)。B.2.2測試工作在PEM電解槽溫度為工作溫度70℃±5℃,工作壓力為0.1MPa～5MPa。B.2.3能耗測試用的原料水的技術(shù)指標應(yīng)符合GB/T19774的相關(guān)要求。B.2.4根據(jù)電解槽小室數(shù)，按平均小室電壓1.8V計算電解槽總電壓，并設(shè)置電壓值。B.2.5根據(jù)電解槽工作電流，按照5％/s的速度進行電流調(diào)節(jié)，同時觀察電壓值的變化。B.2.6當電壓值達到設(shè)定電壓值時，停止調(diào)節(jié)電流，并記錄電流值。B.2.7在滿足測試工作條件下，電解槽穩(wěn)定運行30min以上，如果電壓值超過設(shè)定電壓值，應(yīng)及時調(diào)整電流、記錄電流值，重新穩(wěn)定運行30min以上。B.2.8根據(jù)有效電解面積和記錄的電流值，計算出電流密度。5氣密性試驗方法C.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。C.2試驗方法C.2.1氣密性試驗，對壓力型電解槽以干燥、潔凈空氣或氮氣進行氣密性試驗。氣密性試驗壓力為設(shè)計壓力，試驗開始后逐漸升壓，達到設(shè)計壓力后，保持30min，檢查所有連接處，焊接、法蘭、墊片，以無漏氣為合格。對常壓型電解槽的氣密性試驗壓力為0.2MPa或注滿水靜置試驗。泄漏量試驗方法D.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。D.2試驗方法D.2.1泄漏量試驗。電解槽在氣密性試驗合格后，以干燥、潔凈空氣或氮氣進行泄漏量試驗。試驗壓力為設(shè)計壓力；試驗時間為24h。泄漏量試驗過程中認真記錄電解槽內(nèi)氣體的溫度、壓力。以平均每小時泄漏率不超過0.5％/h為合格。平均每小時泄漏率A按式（D.1）計算。式中：A——平均每小時泄漏率/h；T——試驗時間，h；p1，p2——試驗開始、結(jié)束時的絕對壓力，MPa；T1，T2——試驗開始結(jié)束時的氣體絕對溫度，K。電流測試值計算氫氣產(chǎn)量E.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。6E.2計算方法E.2.1依據(jù)電解定律—任何物質(zhì)在電解過程中，數(shù)量上的變化服從法拉第定律。E.2.2水電解制氫時的法拉第定律在標準狀況下，用2×96500C電量，可電解1mol水制氫1mol氫和1/2mol氧。1mol氫氣在標準狀況下的體積為22.43×10-3m3；故在標準狀況下，制取1m3氫所需理論電量為式（E.1）：E.2.3電流測試值計算氣體產(chǎn)量電流測試值計算氣體產(chǎn)量按式（E.2）進行。式中：Q——氫氣產(chǎn)量，m3/h；I——通過電解小室的直流工作電流，A；n——電解室數(shù)，個；η——電流效率，單位（％）表示，可設(shè)定為100％。容積法測試氫氣產(chǎn)量F.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。F.2計算方法F.2.1容積法測試系統(tǒng)流程如圖所示F.1所示。1——閥-1；2——閥-2；3——溫度計；4——壓力表；5——閥-3；6——安全閥。圖F.1容積法測試系統(tǒng)示意圖F.2.2測試方法測試前應(yīng)對貯氣罐的結(jié)構(gòu)容積進行實測。7開閥-1，關(guān)閉閥-2、閥-3，準確記錄貯氣罐內(nèi)氣體的起始壓力和溫度。開閥-2，關(guān)閉閥-1、閥-3，記錄起始時間。經(jīng)一定時間充灌氣體后，關(guān)閉閥-2，開閥-1，記錄終止時間、貯氣罐內(nèi)壓力和溫度。氣體產(chǎn)量Q（Nm3/h)按式（F.1）計算。式中：Q——標準狀況下氫氣產(chǎn)量，單位為立方米每小時（Nm3/h）；P0——標準狀況下氣體壓力（0.101325單位為兆帕（MPaP1——起始時貯氣罐內(nèi)氣體絕對壓力，單位為兆帕（MPa）；P2——終止時貯氣罐內(nèi)氣體絕對壓力，單位為兆帕（MPaT0——標準狀況下氣體溫度，單位為開爾文（K）；T1——起始時貯氣罐內(nèi)氣體溫度，單位為開爾文（KT2——終止時貯氣罐內(nèi)氣體溫度，單位為開爾文（KV——貯氣罐結(jié)構(gòu)容積，單位為立方米（m3t——測試時間，單位為小時（h）。氫氣純度測試方法G.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。G.2測試儀器分析氫氣中氧含量，按照GB/T3634中對氧氣含量采用同手工分析或氣相色譜儀對比過的儀表進行分析。分析儀的量程0~1％O2，刻度值小于0.01％。G.2.1氫中氧含量測試將氫氣送入分析儀進口接頭，分析儀顯示出體積氧含量值。G.2.1.1氫氣純度計算如下（僅對氧含量規(guī)定）；CX,=(1-C?)X100(F.1)式中：CH2——氫氣純度，用表示；CXO——儀表顯示氧含量值。靜態(tài)試驗測試方法8H.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。H.2測試方法H.2.1電解槽在額定工作溫度和工作壓力下運行，將實際工作電流分別調(diào)整至額定工作電流的2030406080100120％。H.2.2根據(jù)測得的直流電壓值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計算出電解槽在每個電流下的平均小室電壓及直流能耗。H.2.3以電流密度為橫坐標，平均小室電壓和直流能耗為縱坐標，繪制電流密度—平均小室電壓—直流能耗標準曲線。H.2.4差壓試驗測試方法該方法適用于差壓式質(zhì)子交換膜電解槽。I.2測試方法I.2.1對于差壓式電解槽的電解小室應(yīng)在設(shè)計工況下進行差壓試驗，試驗使用純水作為介質(zhì)。壓力應(yīng)單獨施加在正極或負極小室上，試驗壓力應(yīng)為1.3倍最大操作壓力差，整個試驗過程（包括升壓、保壓和泄壓）中的任一時刻，氫氧側(cè)壓力差不超過允許壓差，產(chǎn)品隨機文件中應(yīng)注明這一要求和允許壓差值。I.2.2試驗電解槽內(nèi)的氣體應(yīng)當排凈并充滿液