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文档简介
3T/CASMEXXXX—XXXXPEM电解槽能效评价指标及试验方法本文件规定了PEM电解槽能效评价指标体系、综合评价方法与等级划分、评价模式、评测流程和试验方法。本文件适用于PEM电解槽能效的性能评价及试验。本文件将根据氢能产业技术发展情况适时进行修2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T19774水电解制氢系统技术要求GB/T24499氢气、氢能与氢能系统术语GB/T29729氢系统安全的基本要求GB32311水电解制氢系统能效限定值及能效等级GB/T37562压力型水电解制氢系统技术条件GB/T37563压力型水电解制氢系统安全要求3术语和定义GB32311、GB/T19774、GB/T37562、GB/T37563界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1静态标定工况ratedoperatingstatus静态标定工况是指电解槽运行的直流电流密度为12000A/m2±500A/m2,工作温度70℃±5℃,工作压力为0.1MPa-5.0MPa。3.2额定氢气产量ratedhydrogenproductionPEM电解槽在产品标称的工作状态下的氢气产量,单位为Nm3/h。3.3标定单位能耗ratedenergyconsumptionPEM电解槽在静态标定工况下,生产标准状况下1Nm3氢气所消耗的电量。::::::3.4标定电流密度ratedpeakcurrentdensity标定电流密度是指电解槽稳压状态下(电压值为1.8V),工作温度为70±5℃,压力为额定工作压力,平稳运行30min以上可以达到的电流密度。3.5有效电解面积effectiveelectrolyticarea4T/CASMEXXXX—XXXX有效电解面积是指PEM电解槽在运行过程中可以参与电解水反应的电极面积。4评价指标体系4.1评价指标分类4.1.1PEM电解槽的性能评价指标包括:制氢能耗、电流密度、气密性、泄漏量、额定氢气产量、氢气纯度与静态试验。4.2评价指标体系表1PEM电解槽能评价指标体系与领跑者行动目标1A/m)2(A/m@1.8V)3456纯度≥99.9%78注:氢气纯度为PEM电解槽出口处(不含纯化装置)的氢气纯度。4.3综合评价与等级划分4.3.1PEM电解槽的性能评价,应在满足基础指标的前提下,对核心指标进行综合评分,并根据综合评分结果进行评级。具体评分依据和等级划分分别见表2和表3。表2PEM电解槽能效性能评价原则规模Nm/h(kWh/Nm@60%40%注1:当核心指标值位于基准水平和平均水平的区间时,所得分数按照指标区间相对应的分数区间的线性关系进行注2:当制氢能耗优于先进水平时,能耗比先进水平值每降低0.1kWh/Nm3,分数增加5分,分数表3PEM电解槽能效性能等级评定1235T/CASMEXXXX—XXXX制氢效率试验方法A.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。A.2试验方法A.2.1额定单位能耗保留一位小数。A.2.2测试工作在PEM电解槽的额定工况进行,额定工况是指电解槽运行的直流电流密度为12000A/m2±500A/m2,工作温度70℃±5℃,工作压力为0.1MPa~5.0MPa。A.2.3能耗测试用的原料水的技术指标应符合GB/T19774的相关要求。A.2.4试验用仪表等级要求,直流电流表和电流电压表不低于0.5级,其他仪表不低于1级,所用仪表应符合相应的技术标准及规程。A.2.5单位直流能耗测试次数不宜少于6次,间隔10min,取平均值。每次测试时待状态稳定10min后读取数值。A.2.6根据测得的直流电流值,电解槽的小室数,按照GB32311计算出的氢气产能。A.2.7根据测得的直流电压值,电解槽的小室数,按照GB32311计算出电解槽在测试条件下工作压力下的平均小室电压及单位直流能耗Wd。A.2.8标定单位能耗中直流能耗(Wds)按照3.2MPa氢气堆出口压力进行核算,当出口压力低于3.2MPa时,氢气压力提升至3.2MPa所需耗电量按照如下公式进行计算:式中:E——压缩过程所耗电量,单位为千瓦时;n——1kg氢气的摩尔数,值为500mol;P1——压缩前的压力,单位为Pa;P2——压缩后的压力,值为3.2×106Pa;R——气体常数,为8.314J/mol•K;T——气体温度,值为293.15K;η——压缩机效率,值为85%。6T/CASMEXXXX—XXXX电流密度测试方法B.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。B.2试验方法B.2.1最大电流密度保持整数。B.2.2测试工作在PEM电解槽温度为工作温度70℃±5℃,工作压力为0.1MPa~5MPa。B.2.3能耗测试用的原料水的技术指标应符合GB/T19774的相关要求。B.2.4根据电解槽小室数,按平均小室电压1.8V计算电解槽总电压,并设置电压值。B.2.5根据电解槽工作电流,按照5%/s的速度进行电流调节,同时观察电压值的变化。B.2.6当电压值达到设定电压值时,停止调节电流,并记录电流值。B.2.7在满足测试工作条件下,电解槽稳定运行30min以上,如果电压值超过设定电压值,应及时调整电流、记录电流值,重新稳定运行30min以上。B.2.8根据有效电解面积和记录的电流值,计算出电流密度。7T/CASMEXXXX—XXXX(规范性)气密性试验方法C.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。C.2试验方法C.2.1气密性试验,对压力型电解槽以干燥、洁净空气或氮气进行气密性试验。气密性试验压力为设计压力,试验开始后逐渐升压,达到设计压力后,保持30min,检查所有连接处,焊接、法兰、垫片,以无漏气为合格。对常压型电解槽的气密性试验压力为0.2MPa或注满水静置试验。8T/CASMEXXXX—XXXX(规范性)泄漏量试验方法D.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。D.2试验方法D.2.1泄漏量试验。电解槽在气密性试验合格后,以干燥、洁净空气或氮气进行泄漏量试验。试验压力为设计压力;试验时间为24h。泄漏量试验过程中认真记录电解槽内气体的温度、压力。以平均每小时泄漏率不超过0.5%/h为合格。平均每小时泄漏率A按式(D.1)计算。式中:A——平均每小时泄漏率/h;T——试验时间,h;p1,p2——试验开始、结束时的绝对压力,MPa;T1,T2——试验开始结束时的气体绝对温度,K。9T/CASMEXXXX—XXXX电流测试值计算氢气产量E.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。E.2计算方法E.2.1依据电解定律—任何物质在电解过程中,数量上的变化服从法拉第定律。E.2.2水电解制氢时的法拉第定律在标准状况下,用2×96500C电量,可电解1mol水制氢1mol氢和1/2mol氧。1mol氢气在标准状况下的体积为22.43×10-3m3;故在标准状况下,制取1m³氢所需理论电量为式(E.1):E.2.3电流测试值计算气体产量电流测试值计算气体产量按式(E.2)进行。式中:Q——氢气产量,m3/h;I——通过电解小室的直流工作电流,A;n——电解室数,个;η——电流效率,单位(%)表示,可设定为100%。T/CASMEXXXX—XXXX容积法测试氢气产量F.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。F.2计算方法F.2.1容积法测试系统流程如图所示F.1所示。1——阀-1;2——阀-2;4——压力表;5——阀-3;6——安全阀。图F.1容积法测试系统示意图F.2.2测试方法测试前应对贮气罐的结构容积进行实测。开阀-1,关闭阀-2、阀-3,准确记录贮气罐内气体的起始压力和温度。开阀-2,关闭阀-1、阀-3,记录起始时间。经一定时间充灌气体后,关闭阀-2,开阀-1,记录终止时间、贮气罐内压力和温度。气体产量Q(Nm³/h)按式(F.1)计算。式中:Q——标准状况下氢气产量,单位为立方米每小时(Nm3/h);P0——标准状况下气体压力(0.101325单位为兆帕(MPaP1——起始时贮气罐内气体绝对压力,单位为兆帕(MPa);P2——终止时贮气罐内气体绝对压力,单位为兆帕(MPaT0——标准状况下气体温度,单位为开尔文(K);T1——起始时贮气罐内气体温度,单位为开尔文(KT2——终止时贮气罐内气体温度,单位为开尔文(KV——贮气罐结构容积,单位为立方米(m3t——测试时间,单位为小时(h)。T/CASMEXXXX—XXXX氢气纯度测试方法G.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。G.2测试仪器分析氢气中氧含量,按照GB/T3634中对氧气含量采用同手工分析或气相色谱仪对比过的仪表进行分析。分析仪的量程0~1%O2,刻度值小于0.01%。G.2.1氢中氧含量测试将氢气送入分析仪进口接头,分析仪显示出体积氧含量值。G.2.1.1氢气纯度计算如下(仅对氧含量规定式中:CH2——氢气纯度,用表示;CXO——仪表显示氧含量值。T/CASMEXXXX—XXXX(规范性)静态试验测试方法H.1范围该方法适用于质子交换膜电解槽。H.2测试方法H.2.1电解槽在额定工作温度和工作压力下运行,将实际工作电流分别调整至额定工作电流的20%,30%,40%,60%,80%,100%,120%。H.2.2根据测得的直流电压值,电解槽的小室数,按照GB32311计算出电解槽在每个电流下的平均小室电压及直流能耗。H.2.3以电流密度为横坐标,平均小室电压和直流能耗为纵坐标,绘制电流密度—平均小室电压—直流能耗标准曲线。T/CASMEXXXX—XXXX差压试验测试方法该方法适用于差压式质子交换膜电解槽。I.2测试方法I.2.1对于差压式电解槽的电解小室应在设计工况下进行差压试验,试验使用纯水作为介质。压力应单独施加在正极或负极小室上,试验压力应为1.3倍最大操作压力差,整个试验过程(包括升压、保压和泄压)中的任一时刻,氢氧侧压力差不超过允许压差,产品随
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