IEC 62282-3-400:2016《燃料電池技術(shù)-第3-400部分：固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)-帶熱電聯(lián)合輸出的小型固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)解析

摘 要：燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為分布式供能的重要技術(shù)路徑，目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系逐步完善。本文針對國際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術(shù)–第3-400部分：固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)–帶熱電聯(lián)合輸出的小型固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀。重點(diǎn)闡述了標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍及主要內(nèi)容和技術(shù)要求包括設(shè)備分類、安全要求和防護(hù)措施、功能特性、標(biāo)記安裝和操作說明等，旨在為燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)相關(guān)行業(yè)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池，熱電聯(lián)產(chǎn)，安全要求，功能特性

0 前 言

氫能作為清潔的二次能源，有望成為未來能源的載體[1-2]。燃料電池作為氫能高效轉(zhuǎn)化的理想裝置，被廣泛應(yīng)用與車輛、航空航天、分布式發(fā)電等領(lǐng)域[3-4]。根據(jù)國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，燃料電池將作為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體。

基于燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，有效提高氫能的能量利用率，是分布式供能的重點(diǎn)研究方向之一。燃料電池電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)目前已在日本、歐洲等地區(qū)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[5]。燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)涉及復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換裝置，對系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維護(hù)等均有較高的要求，為保證熱電聯(lián)產(chǎn)裝置在各階段安全、高效、穩(wěn)定的實(shí)施和運(yùn)行，國際電工委員會(huì)于2016年發(fā)布了IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術(shù)–第3-400部分：固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)–帶熱電聯(lián)合輸出的小型固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，為燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置應(yīng)用提供指導(dǎo)性建議。本文針對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵內(nèi)容及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了解讀。

1 標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)范圍

該標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)于氣體和液體燃料的固定式小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，輸入低熱值小于等于70kW。標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)于燃料電池電力系統(tǒng)連接到用戶和市電，系統(tǒng)有無輔助加熱器均適應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)不適應(yīng)于輔助加熱器獨(dú)立于燃料電池之外的系統(tǒng)（即每個(gè)裝置有獨(dú)立管道）。

標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)如下燃料：天然氣和其他富甲烷氣體；石油提煉燃料（如：液化石油氣、丙烷、丁烷）；氫氣；系統(tǒng)傳熱流體為水或水的混合無，傳熱流體循環(huán)可以為封閉式或開放式，最高溫度不超過100℃，最大壓力不超過0.3 MPa，生活用水壓力最高不超過0.1 MPa。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、安全、安裝、用途適應(yīng)性、能源的合理使用、標(biāo)志和性能測量的要求。

2 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容和技術(shù)要求

2.1 設(shè)備分類

標(biāo)準(zhǔn)針對氣體種類、送風(fēng)和燃料產(chǎn)物排放方式、最大水側(cè)工作壓力、擴(kuò)展系統(tǒng)、電力輸出特性進(jìn)行了分類。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置根據(jù)燃燒產(chǎn)物的排出方式和空氣的供應(yīng)方式分為3種類型，包括無煙道系統(tǒng)的半室外或室外安裝、與煙道系統(tǒng)連接的送風(fēng)和燃燒系統(tǒng)安裝以及相對于室內(nèi)密封燃燒回路安裝。

2.2 安全要求和防護(hù)措施

燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)涉及電、熱、氣多種能源裝置，對于裝置設(shè)計(jì)、制造、安裝、測試、使用等環(huán)境均需滿足安全要求。標(biāo)準(zhǔn)對熱電聯(lián)產(chǎn)裝置使用壽命內(nèi)，所有合理可預(yù)見的危害、危險(xiǎn)情況和事件均已確定；根據(jù)危害發(fā)生的概率及其可預(yù)見的嚴(yán)重程度，對每種危害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評估；通過風(fēng)險(xiǎn)的評估和結(jié)構(gòu)和方法的安全設(shè)計(jì)、被動(dòng)控制能量釋放（如：爆破片、排放閥、熱切斷裝置）以及標(biāo)簽、警示或特殊培訓(xùn)等方式盡可能消除或降低風(fēng)險(xiǎn)至可接受的水平。

燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置中燃?xì)夂涂諝夤?yīng)、燃料電池電堆、內(nèi)部煙道系統(tǒng)、燃料處理（如果有）、內(nèi)部冷卻回路（如果有）等設(shè)備應(yīng)安裝外殼或置于通風(fēng)箱中，避免燃料氣、過程氣或煙道氣進(jìn)入房間。每個(gè)小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置具應(yīng)配備至少一個(gè)使用戶能夠無延時(shí)的關(guān)閉燃燒器、輔助燃燒器、點(diǎn)火燃燒器或與類似的氧化裝置的氣體供應(yīng)的裝置。任何控制裝置和設(shè)定裝置都必須有清晰的標(biāo)志和適當(dāng)?shù)恼f明，以防止在操作時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。如果不可能進(jìn)行錯(cuò)誤操作，則不需要標(biāo)記。任何控制裝置和設(shè)定裝置都必須有清晰的標(biāo)志和適當(dāng)?shù)恼f明，以防止在操作時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置氣體回路最低要求為：1）防止和控制過程氣體意外回流至燃燒產(chǎn)物回路；2）過程氣體意外超壓；3）空氣進(jìn)入進(jìn)氣或過程氣體；4）過程氣體進(jìn)入裝置或大氣。對于熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)裝置燃燒器，應(yīng)配置確定運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)識，包括熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的存儲狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和停機(jī)狀態(tài)，補(bǔ)熱裝置的蓄熱狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和停機(jī)狀態(tài)，以及系統(tǒng)整體的鎖定狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采取充分的措施，避免單個(gè)部件故障、可燃混合物不受控形成、可燃混合物不受控點(diǎn)火及可燃混合物或過程氣體不受控泄露。供氣系統(tǒng)和工藝氣系統(tǒng)均需滿足可靠性驗(yàn)證，保證氣體循環(huán)回路在運(yùn)行和待機(jī)狀態(tài)下穩(wěn)定安全。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置水、熱、電、氣等的測試方法的均需滿足安全性要求。

2.3 功能特性（正常運(yùn)行）

系統(tǒng)總能量效率為總平均輸出功率（凈輸出功率和有用熱輸出功率）與在同一持續(xù)時(shí)間內(nèi)供應(yīng)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的燃料的平均低熱值（LHV）的比值，以百分比表示。在試驗(yàn)條件下，總能量效率應(yīng)≥70%。與系統(tǒng)總能量效率相關(guān)的能量和電力輸入輸出如圖1所示。

熱輸入驗(yàn)證需滿足如下要求： 1 ） 配備輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置標(biāo)稱運(yùn)行1 0 0 %的熱電聯(lián)產(chǎn)輸出和1 0 0 % 的輔助加熱器輸出（CHP100+SUP100）；2）配備輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置標(biāo)稱運(yùn)行100%的熱電聯(lián)產(chǎn)輸出和0%的輔助加熱器輸出（CHP100+SUP0）；3）無輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置標(biāo)稱運(yùn)行100%的熱電聯(lián)產(chǎn)輸出；4）對于系統(tǒng)整體能量效率和標(biāo)稱輸出（熱和電輸出）的驗(yàn)證，應(yīng)不低于標(biāo)稱效率，即標(biāo)稱輸出（有用熱和凈電功率）與標(biāo)稱熱輸入的比值。

小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置性能測試首先需選擇裝置類型，主要分為有無輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置連接中央供暖或蓄熱系統(tǒng)和無輔助加熱器只連接到家庭熱水儲罐兩種。安裝與測試準(zhǔn)備完成后進(jìn)行裝置性能測試。

效率實(shí)驗(yàn)必須在熱電聯(lián)產(chǎn)裝置和輔助加熱器（如適應(yīng)）的額定輸出功率下進(jìn)行。

1）配備輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置標(biāo)稱運(yùn)行100%的熱電聯(lián)產(chǎn)輸出和100%的輔助加熱器輸出時(shí)，對于有冷凝裝置的測試水溫應(yīng)在60℃/40℃（流動(dòng)/回流），無冷凝裝置的測試水溫應(yīng)在80℃/60℃（流動(dòng)/回流），必要時(shí)輔助加熱器可單獨(dú)運(yùn)行。

2）配備輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置標(biāo)稱運(yùn)行100%的熱電聯(lián)產(chǎn)輸出和0%的輔助加熱器輸出時(shí)，測試應(yīng)以加熱水回路流量進(jìn)行。在保持流量不變時(shí)，測試應(yīng)以30℃冷凝或47℃非冷凝溫度進(jìn)行，返回溫度作為測試期間的標(biāo)稱熱輸出；或者配置變速泵，根據(jù)裝置說明調(diào)整；或者調(diào)整流量使流動(dòng)和回流溫差最小6 K。

當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置處于熱平衡狀態(tài)，且回流溫度和流動(dòng)溫度恒定，可開始測量效率。測試時(shí)，記錄時(shí)間和氣體體積的初始數(shù)值，測試應(yīng)在足夠長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，定期對加熱水循環(huán)回路流動(dòng)和回流溫度、體積流量和凈點(diǎn)輸出功率進(jìn)行讀數(shù)。

對于連接至家庭熱水儲罐的無輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，試驗(yàn)程序應(yīng)符合IEC 62282-3-201：2013的14.2，14.3和14.4。測試熱水回流溫度應(yīng)為15℃±5℃。

對于連接中央供暖或蓄熱系統(tǒng)的有無輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，總效率、熱效率、電效率可由以下公式計(jì)算：

CHP100+SUP100工況：

電效率：

其中，

Qloss表示與平均水溫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)臺熱損失，同時(shí)考慮循環(huán)泵熱損失，kJ；

Hi，V表示氣體在15℃，101.325kPa，干燥狀態(tài)時(shí)的低熱值（LHV），MJ/m3；

T1表示熱水循環(huán)出口流體溫度，℃；

T1表示熱水循環(huán)回水流體溫度，℃；

Vg表示消耗氣體在15℃，101.325kPa時(shí)的體積流量，m3；

Pel表示熱電聯(lián)產(chǎn)裝置凈電輸出功率，kW；

QV，HR表示加熱水的體積流量m3/s；

cHR表示加熱水的比熱容，kJ/（kg·K），水的比熱容為4186 kJ/（kg·K）；

Δt表示測試記錄的時(shí)間，s；

ηtotal表示總能量效率，%；

ηel表示電效率，%；

ηth表示熱效率，%；

ρ HR表示加熱水的密度，kg/m3。

對于連接至家庭熱水儲罐的無輔助加熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)裝， 效率、熱效率、電效率可由以下公式計(jì)算：

電效率：

其中，

Hi，V表示氣體在15℃，101.325kPa，標(biāo)準(zhǔn)干燥狀態(tài)時(shí)的低熱值（LHV），MJ/m3；

T1表示熱水循環(huán)出口流體溫度，℃；

T1表示熱水循環(huán)回水流體溫度，℃；

Vg表示消耗氣體在15℃，101.325kPa時(shí)的體積流量，m3；

Pel表示熱電聯(lián)產(chǎn)裝置凈電輸出功率，kW；

QV，HR表示加熱水的體積流量m3/s；

cHR表示加熱水的比熱容，kJ/（kg·K），水的比熱容為4186 kJ/（kg·K）；

Δt表示測試記錄的時(shí)間，s；

ηtotal表示總能量效率，%；

ηel表示電效率，%；

ηth表示熱效率，%；

ρ HR表示加熱水的密度，kg/m3。

對于固定輸出的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，試驗(yàn)中不應(yīng)改變其熱電輸出功率。測試中考慮流量和回水溫度，輸入熱量應(yīng)從試驗(yàn)中獲得。輸入熱量Pinf由氣體體積流量qV，g或氣體質(zhì)量流量qm，g在測試條件（pa，pg，Tg）下獲得，應(yīng)根據(jù)參考試驗(yàn)條件（101.325 kPa，15℃，干氣體）進(jìn)行校正。如果氣體體積流量qV，g測量單位為m3/h，則：

其中，

Hi，V表示氣體在15℃，101.325kPa，標(biāo)準(zhǔn)干燥狀態(tài)時(shí)的低熱值（LHV），MJ/m3；

Hi，m表示氣體在15℃，101.325kPa，標(biāo)準(zhǔn)干燥狀態(tài)時(shí)的低熱值（LHV），MJ/kg；

Pinf表示熱量輸入，如果有氣體體積流量測得，應(yīng)根據(jù)上述公式進(jìn)行修正，kW；

Pa表示測試時(shí)的大氣壓力，kPa；

Pg表示氣體壓力，kPa；

qV，g表示氣體體積流量，m3/h；

qm，g表示氣體質(zhì)量流量，kg/h；

Tg表示氣體溫度，℃。

2.4 標(biāo)記、安裝和操作說明

小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置及相關(guān)附件應(yīng)攜帶銘牌信息，包括制造商、商品名稱或型號、目的國家、標(biāo)準(zhǔn)、氣體類型、供氣壓力、裝置類型、額定熱輸出功率、最高和最低熱輸出功率、額定電輸出功率、最高和最低電輸出功率、熱水循環(huán)最高壓力、最高溫度、供電電壓等。裝置包裝應(yīng)包含警示信息，在安裝小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)設(shè)備前，先閱讀安裝說明書；在首次啟動(dòng)小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)設(shè)備之前，請閱讀操作說明。

小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置和相關(guān)設(shè)備、組件和控制裝置應(yīng)按照制造商的說明安裝。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置內(nèi)的燃料和其他儲存能量（例如：易燃材料、加壓介質(zhì)、電能、機(jī)械能）的數(shù)量，需要盡可能合理地消除對人員的危害或?qū)π⌒腿剂想姵責(zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置外部設(shè)備或財(cái)產(chǎn)的損害。每臺小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)提供詳細(xì)的安裝、使用和維護(hù)技術(shù)說明書。

每臺小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)附有供用戶使用的說明書。說明書包括必要的使用和維護(hù)信息，并至少包含以下內(nèi)容：應(yīng)聘用具備資質(zhì)的人士在適當(dāng)?shù)那闆r下安裝、改裝和調(diào)整設(shè)備；指定裝置的啟動(dòng)和關(guān)閉操作；指定必須遵守警告；解釋正常運(yùn)行、清潔和日常保養(yǎng)所需的操作；說明防止結(jié)霜的預(yù)防措施（如有必要）；警告不正確使用；強(qiáng)制警告對密封部件的任何干擾（如適用）；指出小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置應(yīng)由具備資格的人定期檢查和維護(hù)。

3 結(jié) 語

本文對標(biāo)準(zhǔn)IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術(shù)–第3-400部分：固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)–帶熱電聯(lián)合輸出的小型固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)》中的主要內(nèi)容進(jìn)行分析解讀，介紹了小型固定式燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置分類、安全要求和防護(hù)措施、功能特性、標(biāo)記、安裝和操作說明。通過對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的梳理和解讀，為相關(guān)技術(shù)人員和從業(yè)者在實(shí)際應(yīng)用中提供參考，有利于推動(dòng)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：本文受國網(wǎng)常州供電公司科技項(xiàng)目“面向電網(wǎng)互動(dòng)的電制燃料系統(tǒng)運(yùn)行特性和調(diào)控策略研究服務(wù)”（項(xiàng)目編號：CZ2024019）資助。