中科院杜贤龙：核“能”制氢 大规模制氢首选

 
随着清洁能源与先进制造等国家战略的出台与实施，清洁、高效、低成本的制氢应用技术迫在眉睫。日前，在CHEC2021世纪氢能与燃料电池产业大会上，中国科学院上海应用物理研究所研究员杜贤龙向与会嘉宾详细介绍了我国核能制氢的最新进展。
上海应用物理研究所是中科院100个研究所之一，成立于1959年，专业从事民用核技术科学研究。目前，拥有嘉定(TMSR基础研究基地)和武威(TMSR实验基地)两个园区，职工700人、研究生500人。

杜贤龙指出，核能在满足能源需求上具有巨大潜力，可以替代化石燃料，用于制氢、产生高温工艺热以及海水淡化和污水处理。国际原子能委员会曾明确表示，核能在未来有望跳脱出仅提供电力的角色，在确保全球能源和水安全的可持续性发展方面将会发挥巨大作用。

第四代反应堆包括超高温堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆和熔盐堆。作为未来发展方向，除在经济性、安全性、可持续性等方面的目标外，希望能有效拓展核能在非发电领域的应用。作为一种二次能源或能源载体，氢气需要利用一次能源从含氢物质来制取。

SOEC（固体氧化物电解）实现高温水蒸气的电解。水蒸气进入 SOEC氢电极，与外电路提供的电子结合，发生还原反应产生氢气，同时产生氧离子，氧离子在外加电场作用下，经电解质层中的氧空穴传递至氧电极，随后发生氧化反应生成氧气，失去的电子回到外电路，形成闭合回路。

与常规电解相比，所需能量一部分以热的形式供给，因此过程效率可以显著提高。SOEC技术电能消耗降低20～30%，电解效率可以达到90～100%，可以与具备高温热源的能源系统联用，有效利用廉价的高温工艺热和电能来进行大规模制氢，相较于质子膜电解、碱性电解优势明显。

杜贤龙强调了电解水制氢的必要性，氢燃料电池的发展同样离不开电解水制氢工序，而燃料电池汽车也是新能源汽车产业中的重要发展方向之一。基于质子膜燃料电池的特性，现有的工业（高）纯氢还无法满足燃料电池的长期使用。目前的制氢技术包括天然气重整、水煤气变换、甲醇制氢和电解水制氢等。

2011年，中国科学院启动“未来先进裂变核能-钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”战略性先导专项；通过变革性关键技术突破与示范，实现化石能源、可再生能源与核能的融合发展，为构建我国清洁低碳、安全高效的能源体系提供技术支撑。

高温电解制氢需要新型电解池、高性能电解池堆、高温电解制氢装置和核热氢高效耦合系统，通过材料研究平台和器件、电堆及系统测试平台，进行千瓦级高温电解制氢测试、单体电解池测试和单体电池测试等。

kW级高温电解制氢系统研制，其系统包括气体流量控制、水蒸气发生器、SOEC电解堆、电堆热区、直流电供给装置、尾气处理设备及控制系统等。通过对千瓦级高温电解制氢系统性能测试，发现在0.25A/cm2的电解电流密度下，水蒸气转化率达到70%，电效率为91.9%，产氢量达到1.37m3/hrs(标准状况下)，衰减速率仅为2.25%/1000hrs。5kW级电解池堆制氢性能电解池堆峰值功率7.2kW，电解电流密度为0.5A/cm2 、峰值产氢速率约为2.3Nm3/h，氢气纯度>99.995%、电解池能耗约为3.13kWh/Nm3。

目前，在2019年20kW制氢装置的基础上，上海应用物理研究所进一步优化，完成了200kW高温电解制氢装置关键设备电解池堆模组（Corebox，第二代）的设计以及不同工况下物料衡算、能效分析等工作，并且启动样机加工；完成了高效换热器、高温电加热器等设备研制，以及其他BOP设备、管道、控制和保温方案设计。

在SOEC电解CO2方面，其转化的主要方式有热化学转化、光化学转化，相较前两种方式，电化学转化方式具有转化效率高、选择性可控的优势，是最有前途的技术之一。在这方面，2016年美国德克萨斯州建设了电解CO2制备CO生产装置, 首台eCOs Plant产CO能力12Nm3/h；纯度>99%。2020年7月开始测试的丹麦托普索商业化装置，CO产量96Nm3/h。

目前，中科院正在与壳牌共同研究“利用固体氧化物电解池进行高温共电解制备合成气”项目，系统研究输入气体组分和电流密度对电解性能的影响，并成功通过电解H2O/CO2制备了合成气，原料利用率达到80%。

关于未来高温电解制氢技术发展规划，杜贤龙表示，2021年将建成200kw制氢示范、2023年实现2MW制氢项目，到2030年，将实现“风光核电氢”多能融合，形成融合光伏、制氢、储氢和氢利用为一体的氢能微网！