IEC 62282-3-400:2016《燃料电池技术-第3-400部分：固定式燃料电池动力系统-带热电联合输出的小型固定式燃料电池动力系统》标准解析

摘 要：燃料电池热电联产系统作为分布式供能的重要技术路径，目前已实现产业化应用，燃料电池热电联产系统的相关标准体系逐步完善。本文针对国际电工委员会发布的IEC 62282-3-400：2016《燃料电池技术–第3-400部分：固定式燃料电池动力系统–带热电联合输出的小型固定式燃料电池动力系统》标准进行解读。重点阐述了标准的使用范围及主要内容和技术要求包括设备分类、安全要求和防护措施、功能特性、标记安装和操作说明等，旨在为燃料电池热电联产相关行业提供技术参考。

关键词：燃料电池，热电联产，安全要求，功能特性

0 前 言

氢能作为清洁的二次能源，有望成为未来能源的载体[1-2]。燃料电池作为氢能高效转化的理想装置，被广泛应用与车辆、航空航天、分布式发电等领域[3-4]。根据国家《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，燃料电池将作为推动氢能产业发展的重要载体。

基于燃料电池的热电联产系统，可实现能源的梯级利用，有效提高氢能的能量利用率，是分布式供能的重点研究方向之一。燃料电池电联产系统目前已在日本、欧洲等地区已实现产业化应用[5]。燃料电池热电联产系统涉及复杂的能量转换装置，对系统整体设计、制造、安装、使用、维护等均有较高的要求，为保证热电联产装置在各阶段安全、高效、稳定的实施和运行，国际电工委员会于2016年发布了IEC 62282-3-400：2016《燃料电池技术–第3-400部分：固定式燃料电池动力系统–带热电联合输出的小型固定式燃料电池动力系统》标准，为燃料电池热电联产装置应用提供指导性建议。本文针对标准关键内容及相关技术要求进行了解读。

1 标准的适应范围

该标准适应于气体和液体燃料的固定式小型燃料电池热电联产系统，输入低热值小于等于70kW。标准适应于燃料电池电力系统连接到用户和市电，系统有无辅助加热器均适应本标准，本标准不适应于辅助加热器独立于燃料电池之外的系统（即每个装置有独立管道）。

标准适应如下燃料：天然气和其他富甲烷气体；石油提炼燃料（如：液化石油气、丙烷、丁烷）；氢气；系统传热流体为水或水的混合无，传热流体循环可以为封闭式或开放式，最高温度不超过100℃，最大压力不超过0.3 MPa，生活用水压力最高不超过0.1 MPa。

标准规定了系统的结构、安全、安装、用途适应性、能源的合理使用、标志和性能测量的要求。

2 标准主要内容和技术要求

2.1 设备分类

标准针对气体种类、送风和燃料产物排放方式、最大水侧工作压力、扩展系统、电力输出特性进行了分类。热电联产系统装置根据燃烧产物的排出方式和空气的供应方式分为3种类型，包括无烟道系统的半室外或室外安装、与烟道系统连接的送风和燃烧系统安装以及相对于室内密封燃烧回路安装。

2.2 安全要求和防护措施

燃料电池热电联产系统涉及电、热、气多种能源装置，对于装置设计、制造、安装、测试、使用等环境均需满足安全要求。标准对热电联产装置使用寿命内，所有合理可预见的危害、危险情况和事件均已确定；根据危害发生的概率及其可预见的严重程度，对每种危害的风险进行了综合评估；通过风险的评估和结构和方法的安全设计、被动控制能量释放（如：爆破片、排放阀、热切断装置）以及标签、警示或特殊培训等方式尽可能消除或降低风险至可接受的水平。

燃料电池热电联产装置中燃气和空气供应、燃料电池电堆、内部烟道系统、燃料处理（如果有）、内部冷却回路（如果有）等设备应安装外壳或置于通风箱中，避免燃料气、过程气或烟道气进入房间。每个小型燃料电池热电联产装置具应配备至少一个使用户能够无延时的关闭燃烧器、辅助燃烧器、点火燃烧器或与类似的氧化装置的气体供应的装置。任何控制装置和设定装置都必须有清晰的标志和适当的说明，以防止在操作时发生错误。如果不可能进行错误操作，则不需要标记。任何控制装置和设定装置都必须有清晰的标志和适当的说明，以防止在操作时发生错误。热电联产装置气体回路最低要求为：1）防止和控制过程气体意外回流至燃烧产物回路；2）过程气体意外超压；3）空气进入进气或过程气体；4）过程气体进入装置或大气。对于热点联产装置燃烧器，应配置确定运行状态的标识，包括热电联产装置的存储状态、启动状态、运行状态和停机状态，补热装置的蓄热状态、启动状态、运行状态和停机状态，以及系统整体的锁定状态。系统运行时，应采取充分的措施，避免单个部件故障、可燃混合物不受控形成、可燃混合物不受控点火及可燃混合物或过程气体不受控泄露。供气系统和工艺气系统均需满足可靠性验证，保证气体循环回路在运行和待机状态下稳定安全。热电联产装置水、热、电、气等的测试方法的均需满足安全性要求。

2.3 功能特性（正常运行）

系统总能量效率为总平均输出功率（净输出功率和有用热输出功率）与在同一持续时间内供应热电联产装置的燃料的平均低热值（LHV）的比值，以百分比表示。在试验条件下，总能量效率应≥70%。与系统总能量效率相关的能量和电力输入输出如图1所示。

热输入验证需满足如下要求： 1 ） 配备辅助加热器的热电联产装置标称运行1 0 0 %的热电联产输出和1 0 0 % 的辅助加热器输出（CHP100+SUP100）；2）配备辅助加热器的热电联产装置标称运行100%的热电联产输出和0%的辅助加热器输出（CHP100+SUP0）；3）无辅助加热器的热电联产装置标称运行100%的热电联产输出；4）对于系统整体能量效率和标称输出（热和电输出）的验证，应不低于标称效率，即标称输出（有用热和净电功率）与标称热输入的比值。

小型燃料电池热电联产装置性能测试首先需选择装置类型，主要分为有无辅助加热器的热电联产装置连接中央供暖或蓄热系统和无辅助加热器只连接到家庭热水储罐两种。安装与测试准备完成后进行装置性能测试。

效率实验必须在热电联产装置和辅助加热器（如适应）的额定输出功率下进行。

1）配备辅助加热器的热电联产装置标称运行100%的热电联产输出和100%的辅助加热器输出时，对于有冷凝装置的测试水温应在60℃/40℃（流动/回流），无冷凝装置的测试水温应在80℃/60℃（流动/回流），必要时辅助加热器可单独运行。

2）配备辅助加热器的热电联产装置标称运行100%的热电联产输出和0%的辅助加热器输出时，测试应以加热水回路流量进行。在保持流量不变时，测试应以30℃冷凝或47℃非冷凝温度进行，返回温度作为测试期间的标称热输出；或者配置变速泵，根据装置说明调整；或者调整流量使流动和回流温差最小6 K。

当热电联产装置处于热平衡状态，且回流温度和流动温度恒定，可开始测量效率。测试时，记录时间和气体体积的初始数值，测试应在足够长的时间内进行，定期对加热水循环回路流动和回流温度、体积流量和净点输出功率进行读数。

对于连接至家庭热水储罐的无辅助加热器的热电联产装置，试验程序应符合IEC 62282-3-201：2013的14.2，14.3和14.4。测试热水回流温度应为15℃±5℃。

对于连接中央供暖或蓄热系统的有无辅助加热器的热电联产装置，总效率、热效率、电效率可由以下公式计算：

CHP100+SUP100工况：

电效率：

其中，

Qloss表示与平均水温相关的实验台热损失，同时考虑循环泵热损失，kJ；

Hi，V表示气体在15℃，101.325kPa，干燥状态时的低热值（LHV），MJ/m3；

T1表示热水循环出口流体温度，℃；

T1表示热水循环回水流体温度，℃；

Vg表示消耗气体在15℃，101.325kPa时的体积流量，m3；

Pel表示热电联产装置净电输出功率，kW；

QV，HR表示加热水的体积流量m3/s；

cHR表示加热水的比热容，kJ/（kg·K），水的比热容为4186 kJ/（kg·K）；

Δt表示测试记录的时间，s；

ηtotal表示总能量效率，%；

ηel表示电效率，%；

ηth表示热效率，%；

ρ HR表示加热水的密度，kg/m3。

对于连接至家庭热水储罐的无辅助加热器的热电联产装， 效率、热效率、电效率可由以下公式计算：

电效率：

其中，

Hi，V表示气体在15℃，101.325kPa，标准干燥状态时的低热值（LHV），MJ/m3；

T1表示热水循环出口流体温度，℃；

T1表示热水循环回水流体温度，℃；

Vg表示消耗气体在15℃，101.325kPa时的体积流量，m3；

Pel表示热电联产装置净电输出功率，kW；

QV，HR表示加热水的体积流量m3/s；

cHR表示加热水的比热容，kJ/（kg·K），水的比热容为4186 kJ/（kg·K）；

Δt表示测试记录的时间，s；

ηtotal表示总能量效率，%；

ηel表示电效率，%；

ηth表示热效率，%；

ρ HR表示加热水的密度，kg/m3。

对于固定输出的热电联产装置，试验中不应改变其热电输出功率。测试中考虑流量和回水温度，输入热量应从试验中获得。输入热量Pinf由气体体积流量qV，g或气体质量流量qm，g在测试条件（pa，pg，Tg）下获得，应根据参考试验条件（101.325 kPa，15℃，干气体）进行校正。如果气体体积流量qV，g测量单位为m3/h，则：

其中，

Hi，V表示气体在15℃，101.325kPa，标准干燥状态时的低热值（LHV），MJ/m3；

Hi，m表示气体在15℃，101.325kPa，标准干燥状态时的低热值（LHV），MJ/kg；

Pinf表示热量输入，如果有气体体积流量测得，应根据上述公式进行修正，kW；

Pa表示测试时的大气压力，kPa；

Pg表示气体压力，kPa；

qV，g表示气体体积流量，m3/h；

qm，g表示气体质量流量，kg/h；

Tg表示气体温度，℃。

2.4 标记、安装和操作说明

小型燃料电池热电联产装置及相关附件应携带铭牌信息，包括制造商、商品名称或型号、目的国家、标准、气体类型、供气压力、装置类型、额定热输出功率、最高和最低热输出功率、额定电输出功率、最高和最低电输出功率、热水循环最高压力、最高温度、供电电压等。装置包装应包含警示信息，在安装小型燃料电池热电联产设备前，先阅读安装说明书；在首次启动小型燃料电池热电联产设备之前，请阅读操作说明。

小型燃料电池热电联产装置和相关设备、组件和控制装置应按照制造商的说明安装。根据热电联产装置内的燃料和其他储存能量（例如：易燃材料、加压介质、电能、机械能）的数量，需要尽可能合理地消除对人员的危害或对小型燃料电池热电联产装置外部设备或财产的损害。每台小型燃料电池热电联产设备应提供详细的安装、使用和维护技术说明书。

每台小型燃料电池热电联产设备应附有供用户使用的说明书。说明书包括必要的使用和维护信息，并至少包含以下内容：应聘用具备资质的人士在适当的情况下安装、改装和调整设备；指定装置的启动和关闭操作；指定必须遵守警告；解释正常运行、清洁和日常保养所需的操作；说明防止结霜的预防措施（如有必要）；警告不正确使用；强制警告对密封部件的任何干扰（如适用）；指出小型燃料电池热电联产装置应由具备资格的人定期检查和维护。

3 结 语

本文对标准IEC 62282-3-400：2016《燃料电池技术–第3-400部分：固定式燃料电池动力系统–带热电联合输出的小型固定式燃料电池动力系统》中的主要内容进行分析解读，介绍了小型固定式燃料电池热电联产装置分类、安全要求和防护措施、功能特性、标记、安装和操作说明。通过对标准内容的梳理和解读，为相关技术人员和从业者在实际应用中提供参考，有利于推动燃料电池热电联产技术的进一步发展。

参考文献

[1]孙田，郝冬，陈光，等. SAE J3121＿202202《氢燃料汽车碰撞试验实验室安全指南》标准解析[J]. 标准科学， 2023（09）：52-55

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[3]李晶，周浩，杨志博，等.新型电力系统中氢能研究现状[J].新能源科技，2024，5（03）：33-38.

[4]韦仕庆，刘丰.氢能源技术的应用与发展研究探析[J].能源技术与管理，2024，49（03）：176-179.

[5]侯绪凯， 孙荣峰， 耿文广， 等. 基于质子交换膜燃料电池的热电联产系统的研究进展[ J ] .化学通报，2023，86（12）：1494-1504.

基金项目：本文受国网常州供电公司科技项目“面向电网互动的电制燃料系统运行特性和调控策略研究服务”（项目编号：CZ2024019）资助。