核能綜合利用研究現(xiàn)狀與展望
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熱化學(xué)循環(huán)制氫
熱化學(xué)循環(huán)制氫是通過水蒸氣熱裂解的高溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)過程來制備氫氣。這一過程中主要利用反應(yīng)堆提供的高溫?zé)幔谏习贄l熱化學(xué)循環(huán)路線中，主要有?I－S?循環(huán)、Cu－Cl?循環(huán)、Ca－Br?循環(huán)、U－C?循環(huán)等可以與四代堆相匹配的技術(shù)路線。但是?I－S?循環(huán)制氫效率受溫度影響較大，在?900℃?以上效率可超?50％，但隨著溫度降到?800℃?以下，效率急劇下降。同時(shí)也需指出的是，熱化學(xué)循環(huán)是一個(gè)典型的化工過程，其工藝的規(guī)?；糯筮€存在一定風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，高溫下的強(qiáng)腐蝕性對(duì)材料和設(shè)備也提出了較高的要求，生產(chǎn)廠房的占地面積也較大。因此，循環(huán)制氫技術(shù)主要挑戰(zhàn)在于優(yōu)化技術(shù)路線、提高整個(gè)過程的效率、解決反應(yīng)器腐蝕等問題。
目前日本原子能機(jī)構(gòu)完成?I－S?循環(huán)制氫中試，制氫速率達(dá)到?150?L／h；清華大學(xué)建立了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模?I－S?循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（60?L／h），并已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。
高溫電解制氫
高溫電解水蒸氣制氫氣（HTSE）以固體氧化物電解池（SOEC）為核心反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)水蒸氣高效分解制備氫氣。由于高溫電解制氫技術(shù)具有高效、清潔、過程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到國(guó)內(nèi)外研究者及企業(yè)的重視，已經(jīng)成為與核能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源聯(lián)用來制氫的重要技術(shù)。因高溫電解制氫技術(shù)可與核能或可再生能源結(jié)合，用于清潔燃料的制備和二氧化碳的轉(zhuǎn)化，在新能源領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。此外，由于可再生能源（如風(fēng)能、太陽能、水能等）有很大的波動(dòng)性，并且受地域的限制，在傳輸上遇到很大困擾，而利用高溫電解制氫技術(shù)為可再生能源的能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存提供了重要途徑，是未來新型能源網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要組成。
高溫電解制氫技術(shù)主要包括電解質(zhì)與電極材料、電解池、電解堆和系統(tǒng)?4?個(gè)層面。目前高溫電解制氫技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括電解池長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的性能衰減問題、電解池的高溫連接密封問題、輔助系統(tǒng)優(yōu)化問題、大規(guī)模制氫系統(tǒng)集成問題。SOEC?是?HTSE?技術(shù)中的核心反應(yīng)器（圖?4）。電解池（堆）中的電極／電解質(zhì)材料在運(yùn)行中存在著諸多分層、極化、中毒等問題，是導(dǎo)致系統(tǒng)衰減的重要原因。因此，需要針對(duì)?SOEC?工藝的特性，重點(diǎn)攻關(guān)電解池材料在高溫和高濕環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題；同時(shí)提升?SOEC?單電池生產(chǎn)裝備的集成化和自動(dòng)化水平，提高單電池良品率和一致性。大力發(fā)展千瓦級(jí)SOEC?制氫模塊的低成本和輕量化設(shè)計(jì)，提高規(guī)?；杉夹g(shù)水平，開發(fā)電解池堆的分級(jí)集成技術(shù)。解決了這些問題，就可以使其在經(jīng)濟(jì)上具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力，從而更快進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。
圖 4 固體氧化物燃料電池（SOFC） ／固體氧化物電解池（SOEC）電堆結(jié)構(gòu)和發(fā)電 ／制氫兩種模式工作原理
（a） SOFC／SOEC結(jié)構(gòu)示意圖；（b） SOFC發(fā)電工作原理；（c） SOEC高溫電解制氫工作原理
目前，美國(guó)、德國(guó)、丹麥、韓國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)家都在積極開展相關(guān)方面的研究工作。德國(guó)?Sunfire?公司和美國(guó)波音公司合作，建成了國(guó)際規(guī)模最大的?150?kW?高溫電解制氫示范裝置，其制氫速率達(dá)到?40?Nm3／h。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在?2015?年研制?5?kW?高溫電解制氫系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，于?2018?年開展了?20?kW?高溫電解制氫中試裝置的研制，并計(jì)劃于?2021?年建成國(guó)際首個(gè)基于熔鹽堆的核能制氫驗(yàn)證裝置，設(shè)計(jì)制氫速率達(dá)到?50?Nm3／h。