隨著清潔能源與先進(jìn)制造等國(guó)家戰(zhàn)略的出臺(tái)與實(shí)施，清潔、高效、低成本的制氫應(yīng)用技術(shù)迫在眉睫。日前，在CHEC2021世紀(jì)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員杜賢龍向與會(huì)嘉賓詳細(xì)介紹了我國(guó)核能制氫的最新進(jìn)展。



上海應(yīng)用物理研究所是中科院100個(gè)研究所之一，成立于1959年，專業(yè)從事民用核技術(shù)科學(xué)研究。目前，擁有嘉定(TMSR基礎(chǔ)研究基地)和武威(TMSR實(shí)驗(yàn)基地)兩個(gè)園區(qū)，職工700人、研究生500人。

杜賢龍指出，核能在滿足能源需求上具有巨大潛力，可以替代化石燃料，用于制氫、產(chǎn)生高溫工藝熱以及海水淡化和污水處理。國(guó)際原子能委員會(huì)曾明確表示，核能在未來有望跳脫出僅提供電力的角色，在確保全球能源和水安全的可持續(xù)性發(fā)展方面將會(huì)發(fā)揮巨大作用。

第四代反應(yīng)堆包括超高溫堆、超臨界水堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆和熔鹽堆。作為未來發(fā)展方向，除在經(jīng)濟(jì)性、安全性、可持續(xù)性等方面的目標(biāo)外，希望能有效拓展核能在非發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。作為一種二次能源或能源載體，氫氣需要利用一次能源從含氫物質(zhì)來制取。

SOEC（固體氧化物電解）實(shí)現(xiàn)高溫水蒸氣的電解。水蒸氣進(jìn)入 SOEC氫電極，與外電路提供的電子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，同時(shí)產(chǎn)生氧離子，氧離子在外加電場(chǎng)作用下，經(jīng)電解質(zhì)層中的氧空穴傳遞至氧電極，隨后發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，失去的電子回到外電路，形成閉合回路。

與常規(guī)電解相比，所需能量一部分以熱的形式供給，因此過程效率可以顯著提高。SOEC技術(shù)電能消耗降低20～30%，電解效率可以達(dá)到90～100%，可以與具備高溫?zé)嵩吹哪茉聪到y(tǒng)聯(lián)用，有效利用廉價(jià)的高溫工藝熱和電能來進(jìn)行大規(guī)模制氫，相較于質(zhì)子膜電解、堿性電解優(yōu)勢(shì)明顯。

杜賢龍強(qiáng)調(diào)了電解水制氫的必要性，氫燃料電池的發(fā)展同樣離不開電解水制氫工序，而燃料電池汽車也是新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的重要發(fā)展方向之一。基于質(zhì)子膜燃料電池的特性，現(xiàn)有的工業(yè)（高）純氫還無法滿足燃料電池的長(zhǎng)期使用。目前的制氫技術(shù)包括天然氣重整、水煤氣變換、甲醇制氫和電解水制氫等。

2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“未來先進(jìn)裂變核能-釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)；通過變革性關(guān)鍵技術(shù)突破與示范，實(shí)現(xiàn)化石能源、可再生能源與核能的融合發(fā)展，為構(gòu)建我國(guó)清潔低碳、安全高效的能源體系提供技術(shù)支撐。

高溫電解制氫需要新型電解池、高性能電解池堆、高溫電解制氫裝置和核熱氫高效耦合系統(tǒng)，通過材料研究平臺(tái)和器件、電堆及系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行千瓦級(jí)高溫電解制氫測(cè)試、單體電解池測(cè)試和單體電池測(cè)試等。

kW級(jí)高溫電解制氫系統(tǒng)研制，其系統(tǒng)包括氣體流量控制、水蒸氣發(fā)生器、SOEC電解堆、電堆熱區(qū)、直流電供給裝置、尾氣處理設(shè)備及控制系統(tǒng)等。通過對(duì)千瓦級(jí)高溫電解制氫系統(tǒng)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在0.25A/cm2的電解電流密度下，水蒸氣轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%，電效率為91.9%，產(chǎn)氫量達(dá)到1.37m3/hrs(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，衰減速率僅為2.25%/1000hrs。5kW級(jí)電解池堆制氫性能電解池堆峰值功率7.2kW，電解電流密度為0.5A/cm2 、峰值產(chǎn)氫速率約為2.3Nm3/h，氫氣純度>99.995%、電解池能耗約為3.13kWh/Nm3。

目前，在2019年20kW制氫裝置的基礎(chǔ)上，上海應(yīng)用物理研究所進(jìn)一步優(yōu)化，完成了200kW高溫電解制氫裝置關(guān)鍵設(shè)備電解池堆模組（Corebox，第二代）的設(shè)計(jì)以及不同工況下物料衡算、能效分析等工作，并且啟動(dòng)樣機(jī)加工；完成了高效換熱器、高溫電加熱器等設(shè)備研制，以及其他BOP設(shè)備、管道、控制和保溫方案設(shè)計(jì)。

在SOEC電解CO2方面，其轉(zhuǎn)化的主要方式有熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、光化學(xué)轉(zhuǎn)化，相較前兩種方式，電化學(xué)轉(zhuǎn)化方式具有轉(zhuǎn)化效率高、選擇性可控的優(yōu)勢(shì)，是最有前途的技術(shù)之一。在這方面，2016年美國(guó)德克薩斯州建設(shè)了電解CO2制備CO生產(chǎn)裝置, 首臺(tái)eCOs Plant產(chǎn)CO能力12Nm3/h；純度>99%。2020年7月開始測(cè)試的丹麥托普索商業(yè)化裝置，CO產(chǎn)量96Nm3/h。

目前，中科院正在與殼牌共同研究“利用固體氧化物電解池進(jìn)行高溫共電解制備合成氣”項(xiàng)目，系統(tǒng)研究輸入氣體組分和電流密度對(duì)電解性能的影響，并成功通過電解H2O/CO2制備了合成氣，原料利用率達(dá)到80%。

關(guān)于未來高溫電解制氫技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，杜賢龍表示，2021年將建成200kw制氫示范、2023年實(shí)現(xiàn)2MW制氫項(xiàng)目，到2030年，將實(shí)現(xiàn)“風(fēng)光核電氫”多能融合，形成融合光伏、制氫、儲(chǔ)氫和氫利用為一體的氫能微網(wǎng)！