PEM電解槽能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法征求意見(jiàn)稿

3T/CASMEXXXX—XXXXPEM電解槽能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法本文件規(guī)定了PEM電解槽能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、綜合評(píng)價(jià)方法與等級(jí)劃分、評(píng)價(jià)模式、評(píng)測(cè)流程和試驗(yàn)方法。本文件適用于PEM電解槽能效的性能評(píng)價(jià)及試驗(yàn)。本文件將根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展情況適時(shí)進(jìn)行修2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T19774水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)要求GB/T24499氫氣、氫能與氫能系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)GB/T29729氫系統(tǒng)安全的基本要求GB32311水電解制氫系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)GB/T37562壓力型水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)條件GB/T37563壓力型水電解制氫系統(tǒng)安全要求3術(shù)語(yǔ)和定義GB32311、GB/T19774、GB/T37562、GB/T37563界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1靜態(tài)標(biāo)定工況ratedoperatingstatus靜態(tài)標(biāo)定工況是指電解槽運(yùn)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。3.2額定氫氣產(chǎn)量ratedhydrogenproductionPEM電解槽在產(chǎn)品標(biāo)稱的工作狀態(tài)下的氫氣產(chǎn)量，單位為Nm3/h。3.3標(biāo)定單位能耗ratedenergyconsumptionPEM電解槽在靜態(tài)標(biāo)定工況下，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)狀況下1Nm3氫氣所消耗的電量。：：：：：：3.4標(biāo)定電流密度ratedpeakcurrentdensity標(biāo)定電流密度是指電解槽穩(wěn)壓狀態(tài)下（電壓值為1.8V），工作溫度為70±5℃,壓力為額定工作壓力，平穩(wěn)運(yùn)行30min以上可以達(dá)到的電流密度。3.5有效電解面積effectiveelectrolyticarea4T/CASMEXXXX—XXXX有效電解面積是指PEM電解槽在運(yùn)行過(guò)程中可以參與電解水反應(yīng)的電極面積。4評(píng)價(jià)指標(biāo)體系4.1評(píng)價(jià)指標(biāo)分類4.1.1PEM電解槽的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yàn)。4.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表1PEM電解槽能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與領(lǐng)跑者行動(dòng)目標(biāo)1A/m）2（A/m@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。4.3綜合評(píng)價(jià)與等級(jí)劃分4.3.1PEM電解槽的性能評(píng)價(jià)，應(yīng)在滿足基礎(chǔ)指標(biāo)的前提下，對(duì)核心指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分，并根據(jù)綜合評(píng)分結(jié)果進(jìn)行評(píng)級(jí)。具體評(píng)分依據(jù)和等級(jí)劃分分別見(jiàn)表2和表3。表2PEM電解槽能效性能評(píng)價(jià)原則規(guī)模Nm/h（kWh/Nm@60%40%注1：當(dāng)核心指標(biāo)值位于基準(zhǔn)水平和平均水平的區(qū)間時(shí)，所得分?jǐn)?shù)按照指標(biāo)區(qū)間相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)區(qū)間的線性關(guān)系進(jìn)行注2：當(dāng)制氫能耗優(yōu)于先進(jìn)水平時(shí)，能耗比先進(jìn)水平值每降低0.1kWh/Nm3，分?jǐn)?shù)增加5分，分?jǐn)?shù)表3PEM電解槽能效性能等級(jí)評(píng)定1235T/CASMEXXXX—XXXX制氫效率試驗(yàn)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(yàn)方法A.2.1額定單位能耗保留一位小數(shù)。A.2.2測(cè)試工作在PEM電解槽的額定工況進(jìn)行，額定工況是指電解槽運(yùn)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(cè)試用的原料水的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T19774的相關(guān)要求。A.2.4試驗(yàn)用儀表等級(jí)要求，直流電流表和電流電壓表不低于0.5級(jí)，其他儀表不低于1級(jí)，所用儀表應(yīng)符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程。A.2.5單位直流能耗測(cè)試次數(shù)不宜少于6次，間隔10min，取平均值。每次測(cè)試時(shí)待狀態(tài)穩(wěn)定10min后讀取數(shù)值。A.2.6根據(jù)測(cè)得的直流電流值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計(jì)算出的氫氣產(chǎn)能。A.2.7根據(jù)測(cè)得的直流電壓值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計(jì)算出電解槽在測(cè)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(biāo)定單位能耗中直流能耗(Wds)按照3.2MPa氫氣堆出口壓力進(jìn)行核算，當(dāng)出口壓力低于3.2MPa時(shí)，氫氣壓力提升至3.2MPa所需耗電量按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：式中：E——壓縮過(guò)程所耗電量，單位為千瓦時(shí)；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——?dú)怏w常數(shù)，為8.314J/mol?K；T——?dú)怏w溫度，值為293.15K；η——壓縮機(jī)效率，值為85％。6T/CASMEXXXX—XXXX電流密度測(cè)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(yàn)方法B.2.1最大電流密度保持整數(shù)。B.2.2測(cè)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(cè)試用的原料水的技術(shù)指標(biāo)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(jì)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(jìn)行電流調(diào)節(jié)，同時(shí)觀察電壓值的變化。B.2.6當(dāng)電壓值達(dá)到設(shè)定電壓值時(shí)，停止調(diào)節(jié)電流，并記錄電流值。B.2.7在滿足測(cè)試工作條件下，電解槽穩(wěn)定運(yùn)行30min以上，如果電壓值超過(guò)設(shè)定電壓值，應(yīng)及時(shí)調(diào)整電流、記錄電流值，重新穩(wěn)定運(yùn)行30min以上。B.2.8根據(jù)有效電解面積和記錄的電流值，計(jì)算出電流密度。7T/CASMEXXXX—XXXX（規(guī)范性）氣密性試驗(yàn)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(yàn)方法C.2.1氣密性試驗(yàn)，對(duì)壓力型電解槽以干燥、潔凈空氣或氮?dú)膺M(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力，試驗(yàn)開(kāi)始后逐漸升壓，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，保持30min，檢查所有連接處，焊接、法蘭、墊片，以無(wú)漏氣為合格。對(duì)常壓型電解槽的氣密性試驗(yàn)壓力為0.2MPa或注滿水靜置試驗(yàn)。8T/CASMEXXXX—XXXX（規(guī)范性）泄漏量試驗(yàn)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(yàn)方法D.2.1泄漏量試驗(yàn)。電解槽在氣密性試驗(yàn)合格后，以干燥、潔凈空氣或氮?dú)膺M(jìn)行泄漏量試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力；試驗(yàn)時(shí)間為24h。泄漏量試驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)真記錄電解槽內(nèi)氣體的溫度、壓力。以平均每小時(shí)泄漏率不超過(guò)0.5％/h為合格。平均每小時(shí)泄漏率A按式（D.1）計(jì)算。式中：A——平均每小時(shí)泄漏率/h；T——試驗(yàn)時(shí)間，h；p1，p2——試驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束時(shí)的絕對(duì)壓力，MPa；T1，T2——試驗(yàn)開(kāi)始結(jié)束時(shí)的氣體絕對(duì)溫度，K。9T/CASMEXXXX—XXXX電流測(cè)試值計(jì)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。E.2計(jì)算方法E.2.1依據(jù)電解定律—任何物質(zhì)在電解過(guò)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(shí)的法拉第定律在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為22.43×10-3m3；故在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，制取1m3氫所需理論電量為式（E.1）：E.2.3電流測(cè)試值計(jì)算氣體產(chǎn)量電流測(cè)試值計(jì)算氣體產(chǎn)量按式（E.2）進(jìn)行。式中：Q——?dú)錃猱a(chǎn)量，m3/h；I——通過(guò)電解小室的直流工作電流，A；n——電解室數(shù)，個(gè)；η——電流效率，單位（％）表示，可設(shè)定為100％。T/CASMEXXXX—XXXX容積法測(cè)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(jì)算方法F.2.1容積法測(cè)試系統(tǒng)流程如圖所示F.1所示。1——閥-1；2——閥-2；4——壓力表；5——閥-3；6——安全閥。圖F.1容積法測(cè)試系統(tǒng)示意圖F.2.2測(cè)試方法測(cè)試前應(yīng)對(duì)貯氣罐的結(jié)構(gòu)容積進(jìn)行實(shí)測(cè)。開(kāi)閥-1，關(guān)閉閥-2、閥-3，準(zhǔn)確記錄貯氣罐內(nèi)氣體的起始?jí)毫蜏囟?。開(kāi)閥-2，關(guān)閉閥-1、閥-3，記錄起始時(shí)間。經(jīng)一定時(shí)間充灌氣體后，關(guān)閉閥-2，開(kāi)閥-1，記錄終止時(shí)間、貯氣罐內(nèi)壓力和溫度。氣體產(chǎn)量Q（Nm3/h)按式（F.1）計(jì)算。式中：Q——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣產(chǎn)量，單位為立方米每小時(shí)（Nm3/h）；P0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體壓力（0.101325單位為兆帕（MPaP1——起始時(shí)貯氣罐內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，單位為兆帕（MPa）；P2——終止時(shí)貯氣罐內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，單位為兆帕（MPaT0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體溫度，單位為開(kāi)爾文（K）；T1——起始時(shí)貯氣罐內(nèi)氣體溫度，單位為開(kāi)爾文（KT2——終止時(shí)貯氣罐內(nèi)氣體溫度，單位為開(kāi)爾文（KV——貯氣罐結(jié)構(gòu)容積，單位為立方米（m3t——測(cè)試時(shí)間，單位為小時(shí)（h）。T/CASMEXXXX—XXXX氫氣純度測(cè)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(cè)試儀器分析氫氣中氧含量，按照GB/T3634中對(duì)氧氣含量采用同手工分析或氣相色譜儀對(duì)比過(guò)的儀表進(jìn)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(cè)試將氫氣送入分析儀進(jìn)口接頭，分析儀顯示出體積氧含量值。G.2.1.1氫氣純度計(jì)算如下（僅對(duì)氧含量規(guī)定式中：CH2——?dú)錃饧兌?，用表示；CXO——儀表顯示氧含量值。T/CASMEXXXX—XXXX（規(guī)范性）靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試方法H.1范圍該方法適用于質(zhì)子交換膜電解槽。H.2測(cè)試方法H.2.1電解槽在額定工作溫度和工作壓力下運(yùn)行，將實(shí)際工作電流分別調(diào)整至額定工作電流的20%，30%，40%，60%，80%，100%，120%。H.2.2根據(jù)測(cè)得的直流電壓值，電解槽的小室數(shù)，按照GB32311計(jì)算出電解槽在每個(gè)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(biāo)，平均小室電壓和直流能耗為縱坐標(biāo)，繪制電流密度—平均小室電壓—直流能耗標(biāo)準(zhǔn)曲線。T/CASMEXXXX—XXXX差壓試驗(yàn)測(cè)試方法該方法適用于差壓式質(zhì)子交換膜電解槽。I.2測(cè)試方法I.2.1對(duì)于差壓式電解槽的電解小室應(yīng)在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行差壓試驗(yàn)，試驗(yàn)使用純水作為介質(zhì)。壓力應(yīng)單獨(dú)施加在正極或負(fù)極小室上，試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.3倍最大操作壓力差，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程（包括升壓、保壓和泄壓）中的任一時(shí)刻，氫氧側(cè)壓力差不超過(guò)允許壓差，產(chǎn)品隨