IEC 62282-3-400:2016《燃料電池技術-第3-400部分：固定式燃料電池動力系統-帶熱電聯合輸出的小型固定式燃料電池動力系統》標準解析

摘 要：燃料電池熱電聯產系統作為分布式供能的重要技術路徑，目前已實現產業化應用，燃料電池熱電聯產系統的相關標準體系逐步完善。本文針對國際電工委員會發布的IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術–第3-400部分：固定式燃料電池動力系統–帶熱電聯合輸出的小型固定式燃料電池動力系統》標準進行解讀。重點闡述了標準的使用范圍及主要內容和技術要求包括設備分類、安全要求和防護措施、功能特性、標記安裝和操作說明等，旨在為燃料電池熱電聯產相關行業提供技術參考。

關鍵詞：燃料電池，熱電聯產，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化的理想裝置，被廣泛應用與車輛、航空航天、分布式發電等領域[3-4]。根據國家《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》，燃料電池將作為推動氫能產業發展的重要載體。

基于燃料電池的熱電聯產系統，可實現能源的梯級利用，有效提高氫能的能量利用率，是分布式供能的重點研究方向之一。燃料電池電聯產系統目前已在日本、歐洲等地區已實現產業化應用[5]。燃料電池熱電聯產系統涉及復雜的能量轉換裝置，對系統整體設計、制造、安裝、使用、維護等均有較高的要求，為保證熱電聯產裝置在各階段安全、高效、穩定的實施和運行，國際電工委員會于2016年發布了IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術–第3-400部分：固定式燃料電池動力系統–帶熱電聯合輸出的小型固定式燃料電池動力系統》標準，為燃料電池熱電聯產裝置應用提供指導性建議。本文針對標準關鍵內容及相關技術要求進行了解讀。

1 標準的適應范圍

該標準適應于氣體和液體燃料的固定式小型燃料電池熱電聯產系統，輸入低熱值小于等于70kW。標準適應于燃料電池電力系統連接到用戶和市電，系統有無輔助加熱器均適應本標準，本標準不適應于輔助加熱器獨立于燃料電池之外的系統（即每個裝置有獨立管道）。

標準適應如下燃料：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；系統傳熱流體為水或水的混合無，傳熱流體循環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。

標準規定了系統的結構、安全、安裝、用途適應性、能源的合理使用、標志和性能測量的要求。

2 標準主要內容和技術要求

2.1 設備分類

標準針對氣體種類、送風和燃料產物排放方式、最大水側工作壓力、擴展系統、電力輸出特性進行了分類。熱電聯產系統裝置根據燃燒產物的排出方式和空氣的供應方式分為3種類型，包括無煙道系統的半室外或室外安裝、與煙道系統連接的送風和燃燒系統安裝以及相對于室內密封燃燒回路安裝。

2.2 安全要求和防護措施

燃料電池熱電聯產系統涉及電、熱、氣多種能源裝置，對于裝置設計、制造、安裝、測試、使用等環境均需滿足安全要求。標準對熱電聯產裝置使用壽命內，所有合理可預見的危害、危險情況和事件均已確定；根據危害發生的概率及其可預見的嚴重程度，對每種危害的風險進行了綜合評估；通過風險的評估和結構和方法的安全設計、被動控制能量釋放（如：爆破片、排放閥、熱切斷裝置）以及標簽、警示或特殊培訓等方式盡可能消除或降低風險至可接受的水平。

燃料電池熱電聯產裝置中燃氣和空氣供應、燃料電池電堆、內部煙道系統、燃料處理（如果有）、內部冷卻回路（如果有）等設備應安裝外殼或置于通風箱中，避免燃料氣、過程氣或煙道氣進入房間。每個小型燃料電池熱電聯產裝置具應配備至少一個使用戶能夠無延時的關閉燃燒器、輔助燃燒器、點火燃燒器或與類似的氧化裝置的氣體供應的裝置。任何控制裝置和設定裝置都必須有清晰的標志和適當的說明，以防止在操作時發生錯誤。如果不可能進行錯誤操作，則不需要標記。任何控制裝置和設定裝置都必須有清晰的標志和適當的說明，以防止在操作時發生錯誤。熱電聯產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物回路；2）過程氣體意外超壓；3）空氣進入進氣或過程氣體；4）過程氣體進入裝置或大氣。對于熱點聯產裝置燃燒器，應配置確定運行狀態的標識，包括熱電聯產裝置的存儲狀態、啟動狀態、運行狀態和停機狀態，補熱裝置的蓄熱狀態、啟動狀態、運行狀態和停機狀態，以及系統整體的鎖定狀態。系統運行時，應采取充分的措施，避免單個部件故障、可燃混合物不受控形成、可燃混合物不受控點火及可燃混合物或過程氣體不受控泄露。供氣系統和工藝氣系統均需滿足可靠性驗證，保證氣體循環回路在運行和待機狀態下穩定安全。熱電聯產裝置水、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（正常運行）

系統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）與在同一持續時間內供應熱電聯產裝置的燃料的平均低熱值（LHV）的比值，以百分比表示。在試驗條件下，總能量效率應≥70%。與系統總能量效率相關的能量和電力輸入輸出如圖1所示。

熱輸入驗證需滿足如下要求： 1 ） 配備輔助加熱器的熱電聯產裝置標稱運行1 0 0 %的熱電聯產輸出和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產裝置標稱運行100%的熱電聯產輸出和0%的輔助加熱器輸出（CHP100+SUP0）；3）無輔助加熱器的熱電聯產裝置標稱運行100%的熱電聯產輸出；4）對于系統整體能量效率和標稱輸出（熱和電輸出）的驗證，應不低于標稱效率，即標稱輸出（有用熱和凈電功率）與標稱熱輸入的比值。

小型燃料電池熱電聯產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產裝置連接中央供暖或蓄熱系統和無輔助加熱器只連接到家庭熱水儲罐兩種。安裝與測試準備完成后進行裝置性能測試。

效率實驗必須在熱電聯產裝置和輔助加熱器（如適應）的額定輸出功率下進行。

1）配備輔助加熱器的熱電聯產裝置標稱運行100%的熱電聯產輸出和100%的輔助加熱器輸出時，對于有冷凝裝置的測試水溫應在60℃/40℃（流動/回流），無冷凝裝置的測試水溫應在80℃/60℃（流動/回流），必要時輔助加熱器可單獨運行。

2）配備輔助加熱器的熱電聯產裝置標稱運行100%的熱電聯產輸出和0%的輔助加熱器輸出時，測試應以加熱水回路流量進行。在保持流量不變時，測試應以30℃冷凝或47℃非冷凝溫度進行，返回溫度作為測試期間的標稱熱輸出；或者配置變速泵，根據裝置說明調整；或者調整流量使流動和回流溫差最小6 K。

當熱電聯產裝置處于熱平衡狀態，且回流溫度和流動溫度恒定，可開始測量效率。測試時，記錄時間和氣體體積的初始數值，測試應在足夠長的時間內進行，定期對加熱水循環回路流動和回流溫度、體積流量和凈點輸出功率進行讀數。

對于連接至家庭熱水儲罐的無輔助加熱器的熱電聯產裝置，試驗程序應符合IEC 62282-3-201：2013的14.2，14.3和14.4。測試熱水回流溫度應為15℃±5℃。

對于連接中央供暖或蓄熱系統的有無輔助加熱器的熱電聯產裝置，總效率、熱效率、電效率可由以下公式計算：

CHP100+SUP100工況：

電效率：

其中，

Qloss表示與平均水溫相關的實驗臺熱損失，同時考慮循環泵熱損失，kJ；

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

T1表示熱水循環出口流體溫度，℃；

T1表示熱水循環回水流體溫度，℃；

Vg表示消耗氣體在15℃，101.325kPa時的體積流量，m3；

Pel表示熱電聯產裝置凈電輸出功率，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產裝， 效率、熱效率、電效率可由以下公式計算：

電效率：

其中，

Hi，V表示氣體在15℃，101.325kPa，標準干燥狀態時的低熱值（LHV），MJ/m3；

T1表示熱水循環出口流體溫度，℃；

T1表示熱水循環回水流體溫度，℃；

Vg表示消耗氣體在15℃，101.325kPa時的體積流量，m3；

Pel表示熱電聯產裝置凈電輸出功率，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產裝置，試驗中不應改變其熱電輸出功率。測試中考慮流量和回水溫度，輸入熱量應從試驗中獲得。輸入熱量Pinf由氣體體積流量qV，g或氣體質量流量qm，g在測試條件（pa，pg，Tg）下獲得，應根據參考試驗條件（101.325 kPa，15℃，干氣體）進行校正。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，標準干燥狀態時的低熱值（LHV），MJ/m3；

Hi，m表示氣體在15℃，101.325kPa，標準干燥狀態時的低熱值（LHV），MJ/kg；

Pinf表示熱量輸入，如果有氣體體積流量測得，應根據上述公式進行修正，kW；

Pa表示測試時的大氣壓力，kPa；

Pg表示氣體壓力，kPa；

qV，g表示氣體體積流量，m3/h；

qm，g表示氣體質量流量，kg/h；

Tg表示氣體溫度，℃。

2.4 標記、安裝和操作說明

小型燃料電池熱電聯產裝置及相關附件應攜帶銘牌信息，包括制造商、商品名稱或型號、目的國家、標準、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、熱水循環最高壓力、最高溫度、供電電壓等。裝置包裝應包含警示信息，在安裝小型燃料電池熱電聯產設備前，先閱讀安裝說明書；在首次啟動小型燃料電池熱電聯產設備之前，請閱讀操作說明。

小型燃料電池熱電聯產裝置和相關設備、組件和控制裝置應按照制造商的說明安裝。根據熱電聯產裝置內的燃料和其他儲存能量（例如：易燃材料、加壓介質、電能、機械能）的數量，需要盡可能合理地消除對人員的危害或對小型燃料電池熱電聯產裝置外部設備或財產的損害。每臺小型燃料電池熱電聯產設備應提供詳細的安裝、使用和維護技術說明書。

每臺小型燃料電池熱電聯產設備應附有供用戶使用的說明書。說明書包括必要的使用和維護信息，并至少包含以下內容：應聘用具備資質的人士在適當的情況下安裝、改裝和調整設備；指定裝置的啟動和關閉操作；指定必須遵守警告；解釋正常運行、清潔和日常保養所需的操作；說明防止結霜的預防措施（如有必要）；警告不正確使用；強制警告對密封部件的任何干擾（如適用）；指出小型燃料電池熱電聯產裝置應由具備資格的人定期檢查和維護。

3 結 語

本文對標準IEC 62282-3-400：2016《燃料電池技術–第3-400部分：固定式燃料電池動力系統–帶熱電聯合輸出的小型固定式燃料電池動力系統》中的主要內容進行分析解讀，介紹了小型固定式燃料電池熱電聯產裝置分類、安全要求和防護措施、功能特性、標記、安裝和操作說明。通過對標準內容的梳理和解讀，為相關技術人員和從業者在實際應用中提供參考，有利于推動燃料電池熱電聯產技術的進一步發展。

參考文獻

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基金項目：本文受國網常州供電公司科技項目“面向電網互動的電制燃料系統運行特性和調控策略研究服務”（項目編號：CZ2024019）資助。