隨著清潔能源與先進制造等國家戰略的出臺與實施，清潔、高效、低成本的制氫應用技術迫在眉睫。日前，在CHEC2021世紀氫能與燃料電池產業大會上，中國科學院上海應用物理研究所研究員杜賢龍向與會嘉賓詳細介紹了我國核能制氫的最新進展。



上海應用物理研究所是中科院100個研究所之一，成立于1959年，專業從事民用核技術科學研究。目前，擁有嘉定(TMSR基礎研究基地)和武威(TMSR實驗基地)兩個園區，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、產生高溫工藝熱以及海水淡化和污水處理。國際原子能委員會曾明確表示，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性發展方面將會發揮巨大作用。

第四代反應堆包括超高溫堆、超臨界水堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆和熔鹽堆。作為未來發展方向，除在經濟性、安全性、可持續性等方面的目標外，希望能有效拓展核能在非發電領域的應用。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來制取。

SOEC（固體氧化物電解）實現高溫水蒸氣的電解。水蒸氣進入 SOEC氫電極，與外電路提供的電子結合，發生還原反應產生氫氣，同時產生氧離子，氧離子在外加電場作用下，經電解質層中的氧空穴傳遞至氧電極，隨后發生氧化反應生成氧氣，失去的電子回到外電路，形成閉合回路。

與常規電解相比，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技術電能消耗降低20～30%，電解效率可以達到90～100%，可以與具備高溫熱源的能源系統聯用，有效利用廉價的高溫工藝熱和電能來進行大規模制氫，相較于質子膜電解、堿性電解優勢明顯。

杜賢龍強調了電解水制氫的必要性，氫燃料電池的發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業中的重要發展方向之一。基于質子膜燃料電池的特性，現有的工業（高）純氫還無法滿足燃料電池的長期使用。目前的制氫技術包括天然氣重整、水煤氣變換、甲醇制氫和電解水制氫等。

2011年，中國科學院啟動“未來先進裂變核能-釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”戰略性先導專項；通過變革性關鍵技術突破與示范，實現化石能源、可再生能源與核能的融合發展，為構建我國清潔低碳、安全高效的能源體系提供技術支撐。

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，通過材料研究平臺和器件、電堆及系統測試平臺，進行千瓦級高溫電解制氫測試、單體電解池測試和單體電池測試等。

kW級高溫電解制氫系統研制，其系統包括氣體流量控制、水蒸氣發生器、SOEC電解堆、電堆熱區、直流電供給裝置、尾氣處理設備及控制系統等。通過對千瓦級高溫電解制氫系統性能測試，發現在0.25A/cm2的電解電流密度下，水蒸氣轉化率達到70%，電效率為91.9%，產氫量達到1.37m3/hrs(標準狀況下)，衰減速率僅為2.25%/1000hrs。5kW級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制氫裝置的基礎上，上海應用物理研究所進一步優化，完成了200kW高溫電解制氫裝置關鍵設備電解池堆模組（Corebox，第二代）的設計以及不同工況下物料衡算、能效分析等工作，并且啟動樣機加工；完成了高效換熱器、高溫電加熱器等設備研制，以及其他BOP設備、管道、控制和保溫方案設計。

在SOEC電解CO2方面，其轉化的主要方式有熱化學轉化、光化學轉化，相較前兩種方式，電化學轉化方式具有轉化效率高、選擇性可控的優勢，是最有前途的技術之一。在這方面，2016年美國德克薩斯州建設了電解CO2制備CO生產裝置, 首臺eCOs Plant產CO能力12Nm3/h；純度>99%。2020年7月開始測試的丹麥托普索商業化裝置，CO產量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行高溫共電解制備合成氣”項目，系統研究輸入氣體組分和電流密度對電解性能的影響，并成功通過電解H2O/CO2制備了合成氣，原料利用率達到80%。

關于未來高溫電解制氫技術發展規劃，杜賢龍表示，2021年將建成200kw制氫示范、2023年實現2MW制氫項目，到2030年，將實現“風光核電氫”多能融合，形成融合光伏、制氫、儲氫和氫利用為一體的氫能微網！