大容量綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

摘 要：從大容量綠電制氫裝置的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀來看，開展綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證工作具有必要性。在對(duì)綠電制氫裝置技術(shù)路線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以堿性水電解制氫裝置為例，梳理了其主要功能系統(tǒng)組成和產(chǎn)品認(rèn)證單元設(shè)置、關(guān)鍵技術(shù)特性和產(chǎn)品認(rèn)證要點(diǎn)，并分析了堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合實(shí)踐探討了綠電制氫裝置產(chǎn)品認(rèn)證當(dāng)前存在的問題，并提出了相關(guān)建議。研究結(jié)果表明：1）堿性水電解制氫裝置的發(fā)展趨勢是大功率、高產(chǎn)氫量、低能耗、高安全性和良好的新能源發(fā)電適配性。結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求和產(chǎn)品的技術(shù)特性，提出了適用于堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證測試要求和工廠檢查要求。2）通過認(rèn)證實(shí)踐，建議針對(duì)堿性水電解槽的動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試內(nèi)容補(bǔ)充動(dòng)態(tài)負(fù)荷工況下的氧中氫含量測試，以確認(rèn)產(chǎn)品是否能達(dá)到其聲稱的工作范圍下限。3）針對(duì)當(dāng)前綠電制氫裝置產(chǎn)品認(rèn)證存在的問題，從完善產(chǎn)品認(rèn)證測試內(nèi)容、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、提高安全監(jiān)管重視程度3個(gè)方面提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：制氫；綠電制氫裝置；堿性水電解制氫；電解槽；產(chǎn)品認(rèn)證；標(biāo)準(zhǔn)體系

中圖分類號(hào)：TK91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著國家“3060”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)，氫能作為擁有巨大潛力的清潔能源[1]，在2022年國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中被定位為未來國家能源體系的重要組成部分。與煤制氫、天然氣重整制氫等傳統(tǒng)技術(shù)路線相比，采用可再生能源電解水制取綠氫（即綠電制氫）的技術(shù)路線具有顯著的降碳效應(yīng)[2]。綠電制氫不僅可以解決可再生能源電力消納的問題，且隨著可再生能源發(fā)電成本降低，制取的氫氣直接作為能源或作為制備氨、甲醇等的原料[3]也逐漸具備市場規(guī)模。在此背景下，綠電制氫裝置產(chǎn)業(yè)也得到快速發(fā)展[4]，近年來，國內(nèi)水電解制氫裝置項(xiàng)目招標(biāo)的總?cè)萘恳?guī)模大幅增長，2023年已公布的累計(jì)功率需求達(dá)到2.4 GW。在水電解制氫裝置制造端，除老牌電解槽生產(chǎn)企業(yè)外，部分龍頭光伏企業(yè)和新型企業(yè)也紛紛加入，電解槽逐漸向大功率、高產(chǎn)氫量的方向發(fā)展[5]。大量生產(chǎn)企業(yè)的進(jìn)入，必然造成水電解制氫裝置的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，因此有必要通過產(chǎn)品認(rèn)證為市場做好質(zhì)量把關(guān)，增加制氫項(xiàng)目投資方對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的信心。

在制氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的過程中，對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品認(rèn)證的需求日益增加。在標(biāo)準(zhǔn)化研究方面，高翔等[6]系統(tǒng)梳理了中國水電解制氫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了尚未形成標(biāo)準(zhǔn)體系、零部件標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題，并建議針對(duì)用于匹配風(fēng)光功率特性的大標(biāo)方電解槽的運(yùn)行和安全要求制定標(biāo)準(zhǔn)。孟曉宇等[7]通過對(duì)水電解制氫裝置的國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了水電解制氫裝置的額定工況應(yīng)與其標(biāo)稱產(chǎn)氫量對(duì)應(yīng)、增加電網(wǎng)友好性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力指標(biāo)評(píng)價(jià)等具體標(biāo)準(zhǔn)化建議。張碧航等[8]對(duì)制訂制氫裝置能效分析標(biāo)準(zhǔn)的必要性進(jìn)行了分析，并提出基于能效標(biāo)準(zhǔn)的推廣來促進(jìn)制氫裝置的技術(shù)升級(jí)。2023年7月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等6部委共同印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》，明確提出應(yīng)充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)作用，規(guī)范行業(yè)發(fā)展。綜上，水電解制氫裝置的標(biāo)準(zhǔn)化工作是個(gè)逐步完善的過程，有必要開展水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證研究，通過產(chǎn)品認(rèn)證來促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)推廣。

作為綠電制氫項(xiàng)目中的核心設(shè)備，電解槽成本在項(xiàng)目總成本中的占比較高，以某20 MW綠電制氫項(xiàng)目為例[9]，其電解槽成本的占比達(dá)到1/3；同時(shí)，電解槽的能耗、可靠性和安全性等對(duì)綠電制氫項(xiàng)目也存在極為重要的影響，因此從認(rèn)證角度來看，具有較高的認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)。另外，大容量電解槽測試不僅成本較高，而且其對(duì)安全要求、測試條件的要求也高，從而導(dǎo)致其認(rèn)證成本較高。綜合來看，綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證成本和風(fēng)險(xiǎn)之間的矛盾突出，決定了針對(duì)該類產(chǎn)品開展認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)研究的必要性。

結(jié)合筆者所在認(rèn)證機(jī)構(gòu)的工作實(shí)踐，本文針對(duì)大容量綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)展開研究。首先對(duì)綠電制氫裝置的技術(shù)路線進(jìn)行分析；然后以堿性水電解制氫裝置為例，對(duì)其主要功能系統(tǒng)組成和產(chǎn)品認(rèn)證單元設(shè)置、關(guān)鍵技術(shù)特性和產(chǎn)品認(rèn)證要點(diǎn)進(jìn)行梳理，并對(duì)堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析；最后結(jié)合實(shí)踐探討綠電制氫產(chǎn)品認(rèn)證當(dāng)前存在的問題，并提出相關(guān)建議。

1" 綠電制氫裝置的技術(shù)路線分析

當(dāng)前被認(rèn)為具有大規(guī)模推廣潛力的水電解制氫技術(shù)路線包括固體氧化物水電解制氫（SOEC）技術(shù)、質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫技術(shù)、陰離子交換膜水電解制氫技術(shù)和堿性水電解制氫技術(shù)。

SOEC技術(shù)采用全固態(tài)傳導(dǎo)性電解質(zhì)傳遞氧離子，屬于高溫（700～900 ℃）反應(yīng)，具有反應(yīng)過程的吉布斯自由能變化值較低、電解小室的理論分解電壓較低、離子電導(dǎo)率較高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更低的小室電壓和更高的電流密度，同時(shí)還可以和風(fēng)電、核電等能源耦合應(yīng)用[10]。Monnerie等[11]構(gòu)建了SOEC技術(shù)與風(fēng)電的耦合系統(tǒng)，可以通過制氫這一方式儲(chǔ)存不能并網(wǎng)的風(fēng)電發(fā)電量，也可利用所制氫氣生產(chǎn)甲烷，但此類耦合系統(tǒng)在廠址選擇、高溫系統(tǒng)耐久性方面存在難點(diǎn)。目前，SOEC技術(shù)的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，包括高溫環(huán)境下材料的性能和SOEC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、SOEC系統(tǒng)進(jìn)氣中水蒸氣的控制、長期運(yùn)行的性能衰減等[12]，因此SOEC技術(shù)仍未進(jìn)入實(shí)用化階段，實(shí)際的單槽裝置僅能達(dá)到千瓦級(jí)規(guī)模。

PEM水電解制氫技術(shù)中，PEM采用無孔固體聚合物隔膜，以SO3H基團(tuán)作為氫離子的傳輸通道；與堿性水電解制氫技術(shù)相比，PEM水電解制氫技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、電流密度大、產(chǎn)出的氫氣純度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、產(chǎn)出的氫氣壓力高等優(yōu)勢[13-14]。中國石油化工集團(tuán)有限公司在河南省中原油田建成了2.5 MW的PEM水電解制氫示范項(xiàng)目，產(chǎn)出的氫氣純度達(dá)到99.9995%，且該項(xiàng)目的生產(chǎn)負(fù)荷率范圍寬，對(duì)可再生能源更友好[15]。瞿麗莉等[16]針對(duì)應(yīng)用于火電廠發(fā)電機(jī)組的PEM水電解制氫技術(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的節(jié)能效果顯著，氫氣純度每提高1%，可使660 MW火電機(jī)組的風(fēng)摩損耗降低166 kW。但由于PEM水電解反應(yīng)時(shí)陽極處于強(qiáng)酸性（pH值約為2）環(huán)境，且過電位很高，因此催化劑必須使用貴金屬以避免腐蝕，而對(duì)貴金屬的依賴也大幅阻礙了PEM水電解制氫技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用[17]。

堿性水電解制氫技術(shù)是目前最成熟的制氫技術(shù)，其使用的材料相對(duì)經(jīng)濟(jì)、制造工藝相對(duì)成熟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快且負(fù)荷適應(yīng)范圍較廣，基本可滿足當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)的需要[18]，被認(rèn)為是目前最適合大規(guī)模推廣應(yīng)用的制氫技術(shù)路線。

陰離子交換膜水電解制氫技術(shù)采用的催化劑材料和化學(xué)反應(yīng)條件與堿性水電解制氫技術(shù)的相同，其膜電極采用陰離子交換膜，因此，該制氫技術(shù)兼顧了堿性水電解制氫技術(shù)的低成本優(yōu)勢和PEM水電解制氫技術(shù)的低內(nèi)阻優(yōu)勢。但該制氫技術(shù)目前存在陰離子交換膜的氫氧根傳導(dǎo)率低和化學(xué)穩(wěn)定性差的問題，仍處于研發(fā)攻關(guān)階段，尚不具備商業(yè)化應(yīng)用的可行性[19]。

當(dāng)前大多數(shù)綠電制氫項(xiàng)目的招標(biāo)均以1000 Nm3/h級(jí)產(chǎn)氫量的堿性水電解槽為主流產(chǎn)品，各電解制氫裝置生產(chǎn)企業(yè)也基本按照此產(chǎn)氫量配置企業(yè)的生產(chǎn)能力。綜上，本文以堿性水電解制氫裝置為例，對(duì)大容量綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

2" 堿性水電解制氫裝置及其產(chǎn)品認(rèn)證現(xiàn)狀

2.1" 堿性水電解制氫裝置的主要功能系統(tǒng)組成及認(rèn)證單元設(shè)置

堿性水電解制氫裝置的主要功能系統(tǒng)包括堿性水電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置，這些功能系統(tǒng)均采用撬裝模塊結(jié)構(gòu)。

堿性水電解槽由端壓板、極板、電極網(wǎng)、隔膜、墊片等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

通過拉緊螺栓和端部大螺母形成壓濾式板框結(jié)構(gòu)槽體，拉緊螺栓兩端安裝蝶形彈簧補(bǔ)償槽體熱變形，既可以防止泄漏，也可以防止槽體受熱膨脹時(shí)隔膜和墊片被過度擠壓而失效。

氣液分離裝置主要包括堿液循環(huán)泵、堿液冷卻器、氫側(cè)分離器、氧側(cè)分離器、氫氣洗滌器、氧氣洗滌器、氫氣冷卻分離器、氧氣冷卻分離器、壓力調(diào)節(jié)閥、冷卻水流量調(diào)節(jié)閥、堿液流量調(diào)節(jié)閥，以及相應(yīng)的儀表等部件。氣液分離裝置的主要功能為：1）堿液循環(huán)；2）為堿性水電解槽補(bǔ)充原料水；3）氫氣和氧氣的氣液分離；4）對(duì)液位、壓力、槽溫、產(chǎn)氫量等的控制；5）排污、放空等；其工藝流程圖如圖2所示。

氫氣純化裝置主要包括脫氧器、干燥器、預(yù)冷分離器、精密過濾器，以及相應(yīng)的閥門、儀表等部件。氫氣純化裝置主要通過鈀觸媒脫氧劑催化脫氧，預(yù)冷后深度脫水干燥，以確保產(chǎn)出氫氣的純度和露點(diǎn)溫度。

通常堿性水電解槽和氣液分離裝置屬于堿性水電解制氫裝置的必備配置，而是否需要配置氫氣純化裝置則需要根據(jù)用戶的產(chǎn)出氫氣純度要求來確定。從產(chǎn)品認(rèn)證角度來看，宜按照產(chǎn)品型號(hào)來設(shè)置認(rèn)證的產(chǎn)品單元，并按照堿性水電解槽、氣液分離裝置和氫氣純化裝置3大功能系統(tǒng)分別設(shè)置認(rèn)證的子單元。

2.2" 堿性水電解槽的關(guān)鍵技術(shù)特性及產(chǎn)品認(rèn)證要點(diǎn)分析

為滿足綠電制取的氫氣的應(yīng)用場景，堿性水電解槽應(yīng)具備以下技術(shù)要求。

1）功率大，且具備較大的綠電消納能力和較高的產(chǎn)氫量。根據(jù)法拉第定律，堿性水電解槽的產(chǎn)氫量Q 的計(jì)算式[20]為：

Q=" "Inη" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

2390

式中：I為堿性水電解槽的工作電流，A；n為堿性水電解槽的小室數(shù)量，個(gè)；η為電流效率，%。

通過式（1）可以看出，開發(fā)具有高產(chǎn)氫量的堿性水電解槽的途徑[21]包括：①堆疊更多數(shù)量的小室，但這會(huì)導(dǎo)致堿性水電解槽長度明顯增大，給其結(jié)構(gòu)密封、拉桿壓緊、整體結(jié)構(gòu)剛度等帶來挑戰(zhàn)；同時(shí)為避免端電壓過高，有的堿性水電解槽設(shè)計(jì)采用“中間正、兩邊負(fù)”的接線方式，但中間端板更是加劇了對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度的影響。②增加有效電解區(qū)面積（例如：加大活性區(qū)直徑），但這會(huì)增加極板、電極網(wǎng)等部件的制造難度，同時(shí)也會(huì)增加大尺寸電解小室內(nèi)流場和熱管理[22]的復(fù)雜性。③增大電流密度，這一技術(shù)路線更多取決于催化劑材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2）電耗低，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。堿性水電解槽的單位電耗包括直流電耗和交流電耗，其中：交流電耗主要由堿液循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和控制用電功率組成，一般占比較低；直流電耗Wd占?jí)A性水電解槽電耗的主要部分[23]，其計(jì)算式為：

Wd=" 2.39U =2.39Ucel" " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

n

式中：U為堿性水電解槽的槽壓，V；Ucel為堿性水電解槽的平均小室電壓，V。

通過式（2）可以看出，直流電耗僅和平均小室電壓有關(guān)，降低小室電壓是降低堿性水電解槽制氫電耗的關(guān)鍵。小室電壓是電化學(xué)反應(yīng)的平衡電壓和過電位之和，由于堿性水電解槽的小室電壓存在理論極限（熱中性電壓為1.48 V），因此降低小室電壓只能通過降低過電位來實(shí)現(xiàn)[24]。過電位包括活化過電位、歐姆過電位和濃差過電位（不是主要因素，因此不做分析），則降低直流電耗的途徑[25]包括以下3點(diǎn)。①優(yōu)化催化劑活性材料及其結(jié)構(gòu)，以降低活化過電位，特別是陰極。例如：通過采用Ni-Al、Ni-Mo等合金替代純Ni，降低陰極析氫過電位；通過優(yōu)化電極網(wǎng)的孔徑、目數(shù)，采用雷尼鎳、泡沫鎳等多孔結(jié)構(gòu)的活性材料，提高電極真實(shí)的比表面積，增加活性點(diǎn)位數(shù)量，以降低其過電位。②改進(jìn)隔膜性能以降低歐姆過電位。通過選用低面電阻、高吸堿率的隔膜材料（例如：聚烯烴、聚苯硫醚等）來降低溶液電阻。③優(yōu)化堿性水電解槽的結(jié)構(gòu)（例如：極框流道設(shè)計(jì)、極板乳突結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等），以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部合理的流場，減小氣泡析出引起的歐姆電阻等。

3）安全性好，杜絕氫氣泄漏。由于氫氣具有易燃、易爆、高擴(kuò)散等特點(diǎn)[26-27]，制氫裝置的安全性至關(guān)重要。氣液分離裝置、氫氣純化裝置中的主要部件一般按特種設(shè)備相關(guān)法律規(guī)范進(jìn)行管理，但堿性水電解槽不屬于特種設(shè)備的監(jiān)管范圍，更有必要關(guān)注其安全性。一般來說，保證堿性水電解槽安全性的技術(shù)途徑包括：①防止堿性水電解槽的氫氣外漏。主要措施為適宜的墊片選型（包括墊片的抗老化性、彈性模量、厚度等），以及制造工藝的控制（包括極板、極框的平面度控制、堆疊裝配中的變形控制、拉緊螺栓的載荷控制等）。②防止堿性水電解槽的氫氣內(nèi)漏，控制氧中氫的含量。主要措施為優(yōu)化隔膜的機(jī)械性能，控制裝配工藝以防止電極網(wǎng)損傷隔膜，控制極板、極框等碳鋼部件的鍍鎳質(zhì)量，以防止其發(fā)生腐蝕。③堿性水電解槽成品的安全試驗(yàn)，包括氣密性試驗(yàn)、泄漏量試驗(yàn)等。

4）與新能源發(fā)電的適配性良好。由于新能源發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性，因此對(duì)所配置的堿性水電解槽提出了以下技術(shù)要求[28]：①具備更寬的負(fù)荷范圍。堿性水電解槽的負(fù)荷降低時(shí)其產(chǎn)氫量會(huì)變小，會(huì)造成陰陽極之間串氣，導(dǎo)致氧中氫的含量提高[29]；而堿性水電解槽的負(fù)荷增大時(shí)其產(chǎn)氫量會(huì)增大，導(dǎo)致其歐姆電阻變大。②具備良好的動(dòng)態(tài)負(fù)荷響應(yīng)能力和頻繁啟停的適應(yīng)能力。通常電流或電壓變化時(shí)，堿性水電解槽存在響應(yīng)滯后，不能及時(shí)建立新的熱平衡和反應(yīng)平衡，會(huì)造成隔膜損傷、活性材料脫落等問題。因此需要在產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)考慮對(duì)不同負(fù)荷下堿性水電解槽性能的驗(yàn)證，應(yīng)特別關(guān)注隔膜強(qiáng)度、電極網(wǎng)上活性材料的噴涂質(zhì)量等。

根據(jù)上述堿性水電解槽的關(guān)鍵技術(shù)特性分析，總結(jié)對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)應(yīng)關(guān)注的技術(shù)特性，具體如表1所示。

3" 堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1" 產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)研究

目前中國水電解制氫裝置領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)可大致分為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和能效標(biāo)準(zhǔn)兩類。

1）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。例如：GB/T 37562—2019《壓力型水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)條件》[30]、GB/T 19774—2005《水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)要求》。此類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水電解制氫裝置的分類命名、工作條件、主要部件（例如：電解槽、壓力容器等）的技術(shù)要求，其特點(diǎn)是對(duì)于電解槽的安全性測試（例如：泄漏量測試、氣密性試驗(yàn)等）給出了具體方法和驗(yàn)收指標(biāo)，但對(duì)于電解槽的性能測試只給出了方法。

2）能效標(biāo)準(zhǔn)。例如：GB 32311—2015《水電解制氫系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》、T/CAB 0166—2022《堿性水電解制氫系統(tǒng)“領(lǐng)跑者行動(dòng)”性能評(píng)價(jià)導(dǎo)則》。此類標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)制氫系統(tǒng)的電耗、電流密度等性能指標(biāo)制定了能效等級(jí)和評(píng)價(jià)體系。

在開展產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)應(yīng)結(jié)合具體情況，選用適宜的標(biāo)準(zhǔn)作為認(rèn)證技術(shù)規(guī)范。

3.2" 產(chǎn)品樣機(jī)測試的關(guān)鍵指標(biāo)

堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證模式宜采用國際通行的第5種模式[31]，即“樣機(jī)測試+工廠檢查+監(jiān)督”模式。綜合前文對(duì)相關(guān)產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和堿性水電解槽技術(shù)特性的分析，對(duì)該產(chǎn)品樣機(jī)的測試項(xiàng)目應(yīng)包括安全測試和性能測試。

1）安全測試，包括設(shè)計(jì)壓力下的氣密性試驗(yàn)、24 h泄漏量測試。

2）性能測試，包括100%負(fù)荷下的產(chǎn)氫量、直流電耗、能效（即熱中性電壓1.48 V與平均小室電壓的比率），以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷（20%～110%負(fù)荷范圍）各工況下的電流密度和直流電耗、氣液分離裝置出口和氫氣純化裝置出口的氫氣純度。

3.3" 工廠檢查的關(guān)鍵技術(shù)要求

產(chǎn)品認(rèn)證中，工廠檢查的主要目的是確認(rèn)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、工藝、質(zhì)量控制等方面與測試用產(chǎn)品樣機(jī)的一致性；同時(shí)從采購、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、不合格控制等流程出發(fā)，對(duì)工廠的質(zhì)保能力進(jìn)行確認(rèn)[32]，以證實(shí)其具備穩(wěn)定生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品的能力。

通過前文對(duì)堿性水電解槽關(guān)鍵技術(shù)特性的分析，工廠檢查的關(guān)鍵技術(shù)要求主要包括：

1）確認(rèn)關(guān)鍵原材料、關(guān)鍵部件與測試用產(chǎn)品樣機(jī)的一致性，包括選材、性能和檢驗(yàn)要求。其中：關(guān)鍵原材料主要包括電極網(wǎng)、隔膜、活性材料、墊片等；關(guān)鍵部件主要包括堿液循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、拉桿、蝶形彈簧、乳突極板等。

2）確認(rèn)關(guān)鍵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與測試用產(chǎn)品樣機(jī)的一致性，包括乳突極板的結(jié)構(gòu)和特征尺寸、隔膜厚度、墊片厚度、小室數(shù)量、極框流道結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵尺寸、拉桿分布及壓緊后軸向尺寸等。

3）確認(rèn)關(guān)鍵生產(chǎn)工藝與測試用產(chǎn)品樣機(jī)的一致性，包括：電極網(wǎng)上活性材料的噴涂和堿液活化工藝、乳突極板的鍍鎳和漏點(diǎn)檢測工藝、極板和極框的焊接工藝、槽體組裝防變形工藝等。

工廠檢查時(shí)，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品的關(guān)鍵原材料、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵生產(chǎn)工藝與測試用產(chǎn)品樣機(jī)不一致，應(yīng)分析該不一致情況對(duì)產(chǎn)品安全和性能的潛在影響，必要時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)充測試。

4" 產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)踐中的問題探討

4.1" 動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試內(nèi)容的問題

為匹配新能源發(fā)電的波動(dòng)特性，通常要求綠電制氫裝置具有較大的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，一些裝置生產(chǎn)企業(yè)聲稱其產(chǎn)品的工作范圍在20%～110%額定產(chǎn)氣量之間。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測試要求僅針對(duì)各負(fù)荷點(diǎn)工況的直流電耗進(jìn)行測試。

以電能（北京）認(rèn)證中心有限公司對(duì)某產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h的堿性水電解制氫裝置進(jìn)行的產(chǎn)品認(rèn)證測試為例，其動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試結(jié)果如圖3所示。圖中：氧中氫含量曲線是該制氫裝置滿負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后梯度降負(fù)荷，在各負(fù)荷點(diǎn)工況下于堿液分離器出口測得的氧中氫含量數(shù)據(jù)。

從圖3可以看出：該堿性水電解制氫裝置各負(fù)荷點(diǎn)工況的直流電耗隨著負(fù)荷率下降而下降，這是因?yàn)殡S著各小室的氣體含量下降，因氣泡阻隔形成的歐姆過電位下降，小室電壓降低，導(dǎo)致直流電耗下降，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[28]的研究結(jié)果吻合。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[28]，堿性水電解槽在電流下降時(shí)氫氣由陰極向陽極串氣，導(dǎo)致氧中氫的含量升高，由于氫氧混合爆炸極限的下限含量為4%，一般考慮安全余量后要求氧中氫含量控制在2%以下。因此，低負(fù)荷工況下的氧中氫含量對(duì)新能源發(fā)電制氫的安全性具有至關(guān)重要的影響。從該制氫裝置的氧中氫含量曲線可以看出，其變化與文獻(xiàn)[28]的表述一致。

根據(jù)直流電耗曲線可以了解堿性水電解制氫裝置在各負(fù)荷點(diǎn)工況下的能耗特性，以便全面評(píng)估新能源制氫的經(jīng)濟(jì)性。因此本文建議，針對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試內(nèi)容，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)綜合考慮新能源制氫的經(jīng)濟(jì)性和安全性，補(bǔ)充動(dòng)態(tài)負(fù)荷工況下的氧中氫含量測試，以設(shè)計(jì)提出的報(bào)警閾值為限，確認(rèn)產(chǎn)品是否能達(dá)到其聲稱的工作范圍下限。此外，由于本次產(chǎn)品認(rèn)證受測試條件限制，測試時(shí)各負(fù)荷工況點(diǎn)的保持時(shí)間僅為10 min。而文獻(xiàn)[29]的研究結(jié)果顯示，低負(fù)荷工況下，堿性水電解制氫裝置的氧中氫含量隨時(shí)間增大，因此建議針對(duì)負(fù)荷下限的測試適當(dāng)延長測試保持時(shí)間，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試保持時(shí)間宜不少于1 h。

4.2" 標(biāo)準(zhǔn)體系存在的問題

從產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)踐的角度來看，目前中國關(guān)于綠電制氫裝置的標(biāo)準(zhǔn)體系存在以下問題：

1）標(biāo)準(zhǔn)整體上滯后于綠電制氫裝置產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，能源行業(yè)提出通過制取綠氫來規(guī)模化消納新能源的方案，并進(jìn)行了試點(diǎn)。這對(duì)綠電制氫裝置提出了大功率、高產(chǎn)氫量的技術(shù)需求。而目前行業(yè)所用標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間相對(duì)較早，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求與現(xiàn)行主流產(chǎn)品的適配性難以保證。例如：GB/T 37562—2019[30]提出對(duì)每個(gè)小室電壓進(jìn)行測量，相對(duì)于直流電耗測試時(shí)的平均小室電壓，測量每個(gè)小室電壓無疑能更真實(shí)、細(xì)致地反映出產(chǎn)品性能，但當(dāng)前大標(biāo)方電解槽的小室數(shù)量都已在300個(gè)左右，需要考慮完成每個(gè)小室電壓測量的可操作性，并且如何對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核，也需要在制定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求時(shí)考慮清楚。

2）標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)對(duì)適用于綠電制氫場景的技術(shù)要素考慮不全。國內(nèi)涉及綠電制氫裝置的標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)技術(shù)歸口單位，例如：全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC309）、全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC20），同時(shí)也有一部分社會(huì)團(tuán)體正在開展團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要從綠電制氫裝置的用戶角度來考慮，制定相關(guān)技術(shù)條款需要考慮綠電制氫裝置匹配新能源發(fā)電波動(dòng)性、間歇性特點(diǎn)時(shí)應(yīng)具備的技術(shù)要求及測試方法，例如：動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測試、動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試等。

3）標(biāo)準(zhǔn)體系還需進(jìn)一步完善。當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)更多是針對(duì)整體綠電制氫裝置，盡管文本中提及了一些材料、零部件標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的細(xì)化和具體化程度還有待提高。

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)關(guān)于印發(fā)《推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)采信團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定》的通知（國標(biāo)委發(fā)[2023]39號(hào)）提出了推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)采信團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的暫行辦法，旨在發(fā)揮團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢，促進(jìn)創(chuàng)新成果應(yīng)用并拓寬國家標(biāo)準(zhǔn)的供給渠道。因此本文建議，充分發(fā)揮相關(guān)行業(yè)、學(xué)術(shù)團(tuán)體的引領(lǐng)作用，結(jié)合綠電制氫裝置產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際和特定應(yīng)用場景，率先制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，并通過產(chǎn)品認(rèn)證推廣此類標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，檢視標(biāo)準(zhǔn)的適宜性和有效性，不斷進(jìn)行完善，并在具備條件時(shí)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)。

4.3" 綠電制氫裝置的安全監(jiān)管重視程度有待提高

當(dāng)前，電解槽出口歐盟需要通過壓力設(shè)備指令（PED）強(qiáng)制認(rèn)證，即歐盟在法規(guī)層面將電解槽視為特種設(shè)備，而國內(nèi)并未將其作為特種設(shè)備進(jìn)行管理。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)壓力容器的定義，大容量電解槽的工作壓力、容積（從整體看，將小室結(jié)構(gòu)視為內(nèi)件）、介質(zhì)均可歸入壓力容器范疇，特別是氫氣為易爆氣體，其內(nèi)漏或外漏均會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患。而從制造階段對(duì)電解槽安全性的檢驗(yàn)控制來看，只進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力下的氣密性試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)，與壓力容器要求有明顯差距[33]，不足以確保其安全性。

因此本文建議，針對(duì)大容量電解槽是否有必要納入特種設(shè)備管理開展研究，完善法規(guī)層面的安全監(jiān)管。同時(shí)電解槽生產(chǎn)企業(yè)可參照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，在電解槽出廠前對(duì)其進(jìn)行1.1倍最高工作壓力的氣壓試驗(yàn)和氦檢漏試驗(yàn)，確保具有足夠的靈敏度和檢出能力，以滿足電解槽的安全性要求。

5" 結(jié)論

本文在對(duì)綠電制氫裝置技術(shù)路線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以堿性水電解制氫裝置為例，梳理了其主要功能系統(tǒng)組成和產(chǎn)品認(rèn)證單元設(shè)置、關(guān)鍵技術(shù)特性和產(chǎn)品認(rèn)證要點(diǎn)，并分析了堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合實(shí)踐探討了綠電制氫裝置產(chǎn)品認(rèn)證當(dāng)前存在的問題，并提出了相關(guān)建議。研究結(jié)論如下：

1）堿性水電解制氫裝置的發(fā)展趨勢指向大功率、高產(chǎn)氫量、低能耗、高安全性和良好的新能源發(fā)電適配性。結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求和產(chǎn)品的技術(shù)特性，提出了適用于堿性水電解制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證測試要求和工廠檢查要求。

2）通過認(rèn)證實(shí)踐，建議針對(duì)堿性水電解槽的動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)測試內(nèi)容補(bǔ)充動(dòng)態(tài)負(fù)荷工況下的氧中氫含量測試，以確認(rèn)產(chǎn)品是否能達(dá)到其聲稱的工作范圍下限。

3）針對(duì)當(dāng)前綠電制氫裝置的產(chǎn)品認(rèn)證存在的問題，從完善產(chǎn)品認(rèn)證測試內(nèi)容、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、提高安全監(jiān)管重視程度3個(gè)方面提出了相應(yīng)建議。

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RESEARCH AND PRACTICE ON KEY TECHNOLOGIES FOR PRODUCT CERTIFICATION OF LARGE-CAPACITY GREEN ELECTRICITY HYDROGEN PRODUCTION DEVICE

Ji Runjing，Zhou Yaolai，Jiang Chuanbo

（Power （Beijing） Certification Center Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

Abstract：From the perspective of the industrial development and standardization status of large-capacity green electricity hydrogen production devices，it is necessary to carry out product certification work for green electricity hydrogen production devices. Based on the analysis of the technical route of green electricity hydrogen production device，this paper takes the alkaline water electrolysis hydrogen production device as an example to sort out its main functional system composition and product certification unit setting，key technical characteristics and product certification points. It also analyzes the key technologies for product certification of alkaline water electrolysis hydrogen production devices，and finally explores the current problems in product certification of green electricity hydrogen production device based on practice，and puts forward relevant suggestions. The research results show that： 1） The development trend of alkaline water electrolysis hydrogen production device is high power，high hydrogen production，low energy consumption，high safety，and good adaptability to new energy generation. Based on the current standard requirements and the technical characteristics of the product，product certification testing requirements and factory inspection requirements applicable to alkaline water electrolysis hydrogen production devices have been proposed. 2） Through certification practice，it is recommended to supplement the hydrogen content in oxygen testing under dynamic load conditions for the dynamic load operation status testing of alkaline water electrolyzer，in order to confirm whether the product can reach its claimed lower limit of working range. 3） Suggestions have been put forward to address the problems in product certification for green hydrogen production devices，including improving product certification testing content，perfecting standard systems，and increasing the importance of safety supervision.

Keywords：hydrogen production；green electricity hydrogen production device；alkaline water electrolysis for hydrogen production；electrolyzer；product certification；standard system