高溫氣冷堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究達(dá)到預(yù)期技術(shù)目標(biāo)
清華新聞網(wǎng)10月13日電 近日，在清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，核電專項(xiàng)高溫堆分項(xiàng)的前瞻性課題“高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)”的兩項(xiàng)研究任務(wù)“碘硫循環(huán)制氫關(guān)鍵技術(shù)研究”和“高溫電解制氫關(guān)鍵技術(shù)研究”先后完成了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行制氫實(shí)驗(yàn)，達(dá)到并部分超出任務(wù)合同書中規(guī)定的全部技術(shù)指標(biāo)，這標(biāo)志著我國(guó)在高溫氣冷堆工藝熱最重要的應(yīng)用領(lǐng)域——核能制氫方面邁出了關(guān)鍵而堅(jiān)實(shí)的一步，為后續(xù)開展與高溫氣冷堆的耦合乃至最終實(shí)現(xiàn)核能制氫奠定了良好基礎(chǔ)。
在核能制氫中，碘硫循環(huán)被認(rèn)為是最有希望利用核能進(jìn)行大規(guī)模氫生產(chǎn)的熱化學(xué)循環(huán)工藝，這一工藝?yán)酶邷貧饫涠训墓に嚐幔ㄟ^(guò)三步反應(yīng)組成的熱化學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)水的分解制氫。除化學(xué)反應(yīng)外，還包含多個(gè)分離過(guò)程，涉及多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相平衡、催化劑、電解滲析、反應(yīng)精餾等多項(xiàng)技術(shù)的研究，循環(huán)的閉合涉及過(guò)程模擬與工藝優(yōu)化、強(qiáng)腐蝕性、高密度漿料輸送、在線測(cè)量與控制等多方面工程問(wèn)題。
課題組在大量深入研究基礎(chǔ)上，突破了電解滲析堆、高性能催化劑、全流程模擬軟件等關(guān)鍵技術(shù)，提出了系統(tǒng)的閉合循環(huán)運(yùn)行策略；優(yōu)化了工藝流程設(shè)計(jì)，完成了包含Bunsen板塊、硫酸板塊、氫碘酸板塊和控制系統(tǒng)的集成實(shí)驗(yàn)室規(guī)模臺(tái)架的設(shè)計(jì)和建設(shè)。
圖為碘硫循環(huán)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模臺(tái)架。
在完成系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試、氣密性實(shí)驗(yàn)、水試等調(diào)試基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成了單步、單元連續(xù)實(shí)驗(yàn)，并最終成功進(jìn)行了全流程閉合連續(xù)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行86小時(shí)，產(chǎn)氫60小時(shí)，產(chǎn)氫率60標(biāo)升/小時(shí)，提前完成了項(xiàng)目書規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
圖為碘硫循環(huán)閉合連續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氫產(chǎn)氧結(jié)果。
截至目前，國(guó)際上只有中國(guó)和日本成功實(shí)現(xiàn)碘硫循環(huán)閉合運(yùn)行的報(bào)道，60標(biāo)升/小時(shí)的產(chǎn)氫率是目前國(guó)際上可見報(bào)道的最大產(chǎn)氫規(guī)模。
水蒸氣高溫電解是另一項(xiàng)有希望用于核能制氫的工藝，具有過(guò)程簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)點(diǎn)。固體氧化物電解池(SOEC)電堆是高溫電解制氫技術(shù)的核心裝置，由陶瓷電解池片、金屬密封框、雙極板、集流網(wǎng)、底板、頂板等多個(gè)組件構(gòu)成，各個(gè)組件的材料組成、化學(xué)、物理及機(jī)械性能各異，且工作在高溫 (830℃)、高濕（水蒸氣含量>70%）的苛刻環(huán)境下，研發(fā)難度大。
課題組經(jīng)過(guò)刻苦攻關(guān)，在對(duì)高溫水蒸氣電解特性深入研究的基礎(chǔ)上，采用了創(chuàng)新性電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合關(guān)鍵材料篩選、運(yùn)行工藝摸索，解決了電堆組件熱膨脹系數(shù)匹配、電堆密封、電堆電性能改進(jìn)、電堆機(jī)械定位等多項(xiàng)技術(shù)難題，成功設(shè)計(jì)和制備出性能優(yōu)良的電解池堆。此外，還解決了水蒸氣穩(wěn)定供應(yīng)和精準(zhǔn)控制等難題，建立了可實(shí)現(xiàn)高溫電解長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)行程序。
在上述成果的基礎(chǔ)上，完成了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高溫水蒸氣電解制氫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行調(diào)試，并于2014年9月下旬成功實(shí)現(xiàn)了10片電堆（電池片面積10厘米×10厘米）的高效連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間115小時(shí)，穩(wěn)定產(chǎn)氫60小時(shí)，產(chǎn)氫率105標(biāo)升/小時(shí)，超出任務(wù)合同書規(guī)定的60標(biāo)升/小時(shí)的技術(shù)指標(biāo)。這一成果充分證明了所研發(fā)的電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和技術(shù)可靠性，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行正常、過(guò)程控制穩(wěn)定，完全可以滿足高溫蒸汽電解高溫、高濕環(huán)境的苛刻要求。
圖為運(yùn)行中的高溫電解制氫系統(tǒng)。
在高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，共獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明專利30項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文70多篇，培養(yǎng)博士、碩士研究生十余名。所形成的技術(shù)成果具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使我國(guó)在核能制氫這一國(guó)際前沿領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，為核能制氫這一戰(zhàn)略性重大技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
供稿：核研院 編輯：蕾蕾
