ICS27.180CCSF19中国产学研合作促进会团体标准T/CAB0166—2022碱性水电解制氢系统“领跑者行动”性能评价导则HydrogenTopRunnerProgramEvaluationGuidelinesofAlkalineWaterElectrolysisSystemforHydrogenProduction2022-09-21发布2022-09-21实施中国产学研合作促进会发布T/CAB0166-2022版权保护文件版权所有归属于该标准的发布机构。除非有其他规定，否则未经许可，此发行物及其章节不得以其他形式或任何手段进行复制、再版或使用，包括电子版，影印件，或发布在互联网及内部网络等。使用许可可于发布机构获取。目次前言..................................................................................................................................................II1范围............................................................................................................................................12规范性引用文件.........................................................................................................................13术语和定义.................................................................................................................................14评价指标体系.............................................................................................................................2附录A（规范性）制氢效率试验方法.......................................................................................5附录B（规范性）电流密度测试方法........................................................................................7附录C（规范性）气密性试验方法............................................................................................8附录D（规范性）泄漏量试验方法...........................................................................................9附录E（规范性）氢气产量计算方法......................................................................................10附录F（规范性）氢气纯度测试方法......................................................................................11附录G（规范性）静态试验测试方法.....................................................................................12IT/CAB0166-2022前言本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是通过中国氢能源与燃料电池产业创新战略联盟（以下简称“中国氢能联盟”）发起的氢能领跑者行动，基于GB32311《水电解制氢系统能效限定值及能效等级》、GB/T19774-2005《水电解制氢系统技术要求》、GB/T29729-2013《氢系统安全的基本要求》、GB/T37562-2019《压力型水电解制氢系统技术条件》与GB/T37563-2019《压力型水电解制氢系统安全要求》等，提出碱性水电解制氢系统性能统一评价体系与测试方法。引导我国水电解制氢系统关键核心技术迭代升级，从而进一步推动整个氢能产业可持续高质量发展，提升国际技术竞争力。本文件由中国氢能源与燃料电池产业创新战略联盟提出。本文件由中国产学研合作促进会归口。本文件起草单位：北京国氢中联氢能科技研究院有限公司、国家能源集团氢能科技有限责任公司、中国船舶重工集团公司第七一八研究所、考克利尔竞立(苏州)氢能科技有限公司、天津市大陆制氢设备有限公司、常熟高新技术产业开发区管委会、阳光氢能科技有限公司、必维质量技术服务（上海）有限公司、隆基氢能科技有限公司、同济大学、清华大学、中国科学院大连化学物理研究所、华北电力大学、海德氢能源科技(江苏)有限公司。本标准主要起草人：刘玮、万燕鸣、薛贺来、熊亚林、刘聪敏、陶志杰、马军、许卫、肖晨江、王雪颖、俞红梅、刘建国、刘忠勇、杨福源、周星、王莹莹、郭小强、沈小军、王英歌、孔令国、王鹏、卢常佳。IIT/CAB0166-2022碱性水电解制氢系统“领跑者行动”性能评价导则1范围本文件规定了碱性水电解制氢系统的评价指标体系、综合评价方法与等级划分、评价模式、评测流程和测试方法。本文件适用于碱性水电解制氢系统的“领跑者行动”性能评价。本标准将根据氢能产业技术发展情况适时进行修订。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/T19774-2005水电解制氢系统技术要求GB/T24499-2009氢气、氢能与氢能系统术语GB/T29729-2013氢系统安全的基本要求GB32311-2015水电解制氢系统能效限定值及能效等级GB/T37562-2019压力型水电解制氢系统技术条件GB/T37563-2019压力型水电解制氢系统安全要求3术语和定义GB32311-2015、GB/T19774-2005、GB/T37562-2019、GB/T37563-2019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静态标定工况是指水电解槽运行的直流电流密度为2500A/m2±100A/m2，制氢系统的温度为工作温度90℃±2℃，工作压力为0.1MPa-5.0MPa。3.2额定氢气产量ratedhydrogenproduction碱性水电解制氢系统在产品标称的工作状态下的氢气产量，单位为Nm3/h。3.31T/CAB0166-2022制氢系统标定单位能耗ratedenergyconsumptionofhydrogenproducingsystembywaterelectrolysis制氢系统在静态标定工况下，生产标准状况下1m3氢气所消耗的电量。注1：本文件中氢、氧气体体积为标准状态，即0℃，101.325kPa（绝压）状态下的气体体积，单位为m3。注2：本文件中制氢系统能耗指水电解直流电耗及制氢系统内碱液循环泵、补水泵及控制用交流能耗。注3：直流能耗按照3.2MPa氢气堆出口压力进行核算，当出口压力为其他工况时需按附录A方法进行换算。3.4标定电流密度ratedpeakcurrentdensity标定电流密度是指制氢系统在稳压状态下（电压值为2.0V），工作温度为90±2℃，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effectiveelectrolyticarea有效电解面积是指水电解制氢系统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4.1.1碱性水电解制氢系统“领跑者行动”的评价指标分为：核心指标和基础指标。4.1.2核心指标包括：制氢能耗、电流密度。4.1.3基础指标：气密性、泄漏量、额定氢气产量、氢气纯度与静态试验。4.2评价指标体系与领跑者行动目标表1碱性水电解制氢系统评价指标体系与领跑者行动目标序指标评价指标领跑者行动目标测试号类型首期指标依据指标规模Nm3/h≤4.3核心200≤规模附录A1制氢能耗（直流能耗）（kWh/m3@<500≤4.6指标2500A/m2）500≤规模≤4.5<1000规模≥10002T/CAB0166-2022电流密度≥3000附录B2符合GB/T37562要求附录C（A/m2@2.0V）小于0.1％/h附录D附录E3气密性符合系统设计指标要求附录F纯度≥99.8％附录G4泄漏量符合本文件要求基础5指标额定氢气产量6氢气纯度7静态试验注1：小于200Nm3/h的碱性水电解制氢系统在氢能领域，尤其是可再生能源与氢能融合领域几乎没有应用场景，且其设备规模大小对制氢效率的影响大，难以反映技术水平，因此本评价规则体系没有纳入小于200Nm3/h的碱性水电解制氢系统。注2：200Nm3/h≤规模〈500Nm3/h的碱性水电解制氢系统，设备规模大小系统制氢效率的影响大，难以反映系统技术水平，但可以反映电解槽的技术水平，因此200Nm3/h≤规模<500Nm3/h的制氢效率评价选取直流能耗。对于500Nm3/h及以上的设备的制氢效率评价选取交流能耗。注3：氢气纯度为碱性水电解系统（不含纯化装置）堆出口氢气。4.3综合评价与等级划分4.3.1碱性水电解制氢系统“领跑者行动”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2碱性水电解制氢系统性能评价原则满足条件核心指标水平分级规模Nm3/h先进水平平均水平基准水平权重≥80分[70分-80分)[60分-70分)综核200≤规模≤4.3(4.3-4.4](4.4-4.5]合心<500≤4.5评指制氢能耗≤4.3(4.5-4.6](4.6-4.7]60％价标（kWh/m3@500≤规模2500A/m2）<1000≥1000(4.3-4.5](4.5-4.6]电流密度≥200≥4000[3000-4000)[2500-3000)40％（A/m2@2.0V）注：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3T/CAB0166-2022性关系进行打分。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/m3，分数增加5分，分数上限为100分。当电流密度优于先进水平时，电流密度比先进水平值每增加500A/m3，分数增加5分，分数上限为100分。表3碱性水电解制氢系统性能等级评定性能等级综合评分180（含）以上270（含）-80360（含）-704T/CAB0166-2022附录A（规范性）制氢效率试验方法A.1范围该方法适用于碱性水电解制氢系统。A.2试验方法A.2.1制氢系统额定单位能耗保留一位小数。A.2.2测试工作在制氢系统的额定工况进行，额定工况是指水电解槽运行的直流电流密度为2500A/m2±100A/m2，制氢系统的温度为工作温度90℃±2℃，工作压力为0.1MPa～5.0MPa。A.2.3能耗测试用的原料水及碱液的技术指标应符合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单位交流能耗采用交流功率表（累计式），接入相应的回路中，测试时间为1h。A.2.7根据测得的直流电流值，电解槽的小室数，按照GB32311-2015计算出制氢系统的氢气产量A.2.8根据测得的直流电压值，电解槽的小室数，按照GB32311-2015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.2.9制氢系统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：Wds=Wd+E„„„„„„„„（A.1)E=𝑛𝑅𝑇3×.6(𝑙×𝑛1𝑃026−×𝑙𝜂𝑛𝑃1)„„„„„„„„（A.2)其中：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；5T/CAB0166-2022T——气体温度，值为293.15K；η——压缩机效率，值为85％。A.2.10根据测得的碱液泵、补水泵及控制用电功率，按照GB32311-2015计算出制氢系统的交流单位能耗Wa。A.2.11制氢系统标定单位能耗（kWh/Nm3@2500A/m2）等于W=Wds+Wa。6T/CAB0166-2022附录B（规范性）电流密度测试方法B.1范围该方法适用于碱性水电解制氢系统。B.2试验方法B.2.1制氢系统最大电流密度保持整数。B.2.2测试工作在制氢系统的温度为工作温度90℃±2℃，工作压力为0.1MPa～5MPa。B.2.3能耗测试用的原料水及碱液的技术指标应符合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2.0V计算电解槽总电压，并设置电压值。B.2.5根据制氢系统工作电流，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系统在满足测试工作条件下，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/CAB0166-2022附录C（规范性）气密性试验方法C.1范围该方法适用于水电解制氢系统。C.2试验方法C.2.1气密性试验，对压力型水电解制氢系统以干燥、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，达到规定压力后，保持30min，检查所有连接处，焊接、法兰、垫片，以无漏气为合格。对常压型水电解制氢系统的气密性试验压力为0.05MPa或注满水静置试验。8T/CAB0166-2022附录D（规范性）泄漏量试验方法D.1范围该方法适用于水电解制氢系统。D.2试验方法D.2.1泄漏量试验。水电解制氢系统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。试验压力为系统设计压力；试验时间为24h。泄漏量试验过程中认真记录系统内气体的温度、压力。以平均每小时泄漏率不超过0.1％/h为合格。平均每小时泄漏率A按式（D.1）计算。𝐴=100(1−𝑝2𝑇1)„„„„„„„„（D.1)𝑡𝑝1𝑇2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/CAB0166-2022附录E（规范性）氢气产量计算方法E.1范围该方法适用于水电解制氢系统。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）：2×39660500×02×21.40300=2390𝐴·𝑚ℎ3„„„„„„„„（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。„„„„„„„„（E.2)𝑄=𝐼𝑛𝜂2390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％。10T/CAB0166-2022附录F（规范性）氢气纯度测试方法F.1范围该方法适用于水电解制氢系统。F.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象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％。F.2.1氢中氧含量测试将氢气送入分析仪进口接头，分析仪就直接显示出体积氧含量值。F.2.1.1氢气纯度计算如下（仅对氧含量规定）；𝐶𝐻2=(1−𝐶𝑋𝑂)×100„„„„„„„„（F.1)式中：CH2——氢气纯度，用（％）表示；CXO——仪表显示氧含量值。11T/CAB0166-2022附录G（规范性）静态试验测试方法G.1范围该方法适用于水电解制氢系统。G.2测试方法G.2.1制氢系统在额定工作温度和工作压力下运行，将系统实际工作电流分别调整至额定工作电流的20％，30％，40％，60％，80％，100％，110％。G.2.2根据测得的直流电压值，电解槽的小室数，按照GB32311-2015计算出电解槽在每个电流下的平均小室电压及直流能耗。G.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。_________________________________12