关于核能高温水蒸气电解制氢的研究 连载篇（四）
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摘 要：氢能和核能因其不会排放二氧化碳，被看作是环境友好型能源。日本东芝公司一直致力于高温水蒸气电解技术的研发，利用核能通过固体氧化物电解池制氢。本文通过对应用于高温气冷堆的系统概念的研究，同时从制氢效率、制氢成本和开发风险的角度回顾东芝公司的相关研究成果，证实了核能高温水蒸气电解制氢的可能性。
关键字：制氢、高温水蒸气电解、核能、固体氧化物电池、高温气冷堆、制氢效率
关于核能高温水蒸气电解制氢的研究
笠井 重夫，藤原 齐二，山田 和矢，小川 斗
松永健 太郎，吉野 正人，帆足 英二，牧野 新一
本文为连载篇，
此次介绍目录中蓝色字体部分，
文末有已介绍部分链接。
目录
I. 序言
II. 高温水蒸气电解制氢的原理及研究课题
1. 高温水蒸气电解制氢原理
（1）电解池结构及反应式
（2）制氢所需的功率
（3）热中性点
2. 研究课题
（1）制氢效率
（a）制氢效率的定义
（b）提高制氢效率的措施
（c）总结
（2）制氢成本
（a）制氢成本的定义
（b）降低制氢成本的措施
a） 防止制氢量的损失
b） 成本最小化
c） 总结
（3）开发风险
（a） 高温水蒸气电解的研发现状
（b）降低风险的措施
a）大容量风险
b）故障风险
（c）总结
（4）研究课题的总结
III. 东芝电解实验分析
1. 电解池的开发
（1）电解池的设计
（2）电解特性
（3）总结
2. 电解装置（SOEC）的开发
（1）电解装置（SOEC）的设计
（2）制氢特性
（3）总结
IV. 与高温气冷反应堆连接的制氢系统的建造
1. 基本思路
2. 系统配置和流程图分析
（1）系统配置
（2）流程图分析
3. HTE工厂配置
4. 关于应用的研究
5. 与核氢生产系统安全有关的问题
（1）氢气安全规定
（2）系统建造问题
（a）基于法律和标准现状的注意事项
（b）与系统建造有关的注意事项
a）氢气生成侧的异常对反应堆侧的影响以及反应堆侧的异常对氢气生产侧的影响
b）制氢过程的流体和反应堆冷却系统的分离
V. 结论
IV．与高温气体反应堆连接的制氢系统的建造
1. 基本思路
在此概念构建中，本文将基于以下内容，理解与高温气体反应堆连接的制氢系统的特性，并评估其有效性。在研究该问题时，电解池和SOEC采用本文第二章和第三章的研究结果和开发成果中的设定。
（1）制氢所需的电能和热能由高温气体反应堆（HTGR）提供。
（2）高温气体反应堆的规模为600MWt。
（3）假设在高温气体反应堆和制氢设备之间使用中间换热器，并且从安全的角度出发，将间隔距离设为几百米。由此，当反应堆出口温度为900℃时，可向制氢设备提供800℃的热量。
（4）制氢设备的系统配置优先考虑系统效率。
（5）SOEC的规模为600Nm3/h，电流密度为0.6A/cm2（热中性运行期间的电流密度，根据图18中的最优数据，电解池的ASR为0.63Ωcm2@800℃）。
（6）SOEC为热中性运行。
2．系统配置和流程图分析
（1）系统配置
设计条件如表4所示。假定使用800℃的燃气轮机，则发电效率为52.6％（基于HHV）。另外，SOEC电解池的电流-电压特性为热中性电压（1.3V）时电流密度为0.6A/cm2。
表4：连接到HTGR的HTE系统的设计条件
图24所示为建造的HTE的处理流程。通过电解装置（SOEC）制备的气体对原料水进行加热，并将其与维持氢电极还原气氛的循环氢气混合。通过过程换热器（PHX）对该混合气体进行加热后，将其供给至SOEC进行电解反应。SOEC产生的气体如上所述可用作原料水的加热介质，逐渐冷却。冷却后的气体在氢气分离器被分离成氢气和残留水，在将残留水和一部分的氢气循环后，导出氢产品。
另一方面，将空气作为载气导入氧电极。通过SOEC出口的气体对导入的空气进行加热后，利用核反应堆的热量，通过PHX对其进行加热并导入SOEC。SOEC中产生的氧气作为富氧空气，在蒸发原料水以及对导入的空气进行加热的同时自行冷却。SOEC的电解电力由核反应堆的涡轮发电机提供。当将此系统安装在高温气冷堆中，且SOEC在800℃的热中性条件下运行进行电解时，制氢量为9,4000Nm3/h。
图24：连接到HTGCR的HTE制氢系统流程图
（2）流程图分析
将以下运行条件作为参数，基于构建的流程图评估制氢效率（式（13））。其中，由于电解池热中性运行（热中性电流密度=0.6A/cm2），因此电解效率是恒定的，与运行条件无关。
（1）水蒸气利用率（氢电极：制氢量/水蒸气供给量）
（2）氢气循环率（氢电极：氢气循环量/水蒸气供给量）
（3）氧气循环率（氧电极：空气/氧气）
（4）运行压力（氢电极与氧电极相同）
图25示出了改变上述条件时的制氢效率的评价结果。定性来说，当水蒸气利用率升高时，水蒸气供给量减少，制氢效率提高；当氢气循环率降低时，流体循环量减少，制氢效率提高；当氧气循环率升高时，流体循环量减少，制氢效率提高。
图25：制氢效率与多个运行参数的关系
通过对所设定的参数范围的分析可知，制氢效率根据水蒸气利用率和氢气循环率不同产生约2％的差异，而受氧气循环率和压力变化的影响很小。另外，根据III-1-(2)中记载的电解池实验得到的电解池性能的结果可知，当氢气循环率为5％以上时，其对电解池性能的影响很小，但当水蒸气利用率为60％以上时，热中性电压下的电流密度降低。
考虑到如上所述的电解池性能随运行条件的变化，当水蒸气利用率在60％以上时，若要确保相同的制氢量，则SOEC需放热运行，制氢效率将低于图25中的值。因此，当氢气循环率在5％左右，并且水蒸气利用率在60％左右时，制氢效率最高，且可以达到53％以上。
3．HTE工厂配置
图26所示为由600MWt的HTGR提供电能和热能以制备氢气的HTE工厂配置。除使用II-2-(3)中探讨开发风险时提出的600Nm3/h规模的SOEC之外，工厂配置还考虑了以下内容。
图26：连接到600MWt的HTGR的HTE制氢系统
（1）IHX（63.8MWt）×1，使用PCHE等创新技术可实现紧凑化。
（2）考虑设备具有的规模效益，氢电极系统和氧电极系统分别设置一个热回收系统。
（3）电源×1，使用20~25MVA的通用电源，假定同时供给10个SOEC单元。
由此，将10个600Nm3/h规模的SOEC并联为一组装置并由一个电源供电，进行供气，将这样的15组装置并联配置以制备氢气。
在该核反应堆的约600MWt的堆功率中，约280MWe（发电效率：52.6％）作为电力和约64MWt作为热量被供给至HTE设施，可制备约90,000Nm3/h的氢气。
4．关于应用的研究
在第IV-3节中，对HTGR提供的600MWt功率全部用于制备氢气的概念进行了讨论，而在本节中，假定同时生产氢气和电力。作为同时生产氢气和电力的应用例之一，图27示出了在表5所示的条件下使用一部分夜间电力制备氢气，并能够随电力需求变化调整负载的HTE概念。
表5：可同时产生氢气和电力的600MWt的HTGR随负载变化运行的设计条件
图27：可同时产生氢气和电力的600MWt的HTGR随负载变化运行
在该示例中，在600MWt的高温气体反应堆（发电效率：52.6％）中安装高温水蒸气电解系统，当夜间电力需求下降时，利用高温气体反应堆的电力和热量制备氢气；在白天电力需求增加时，高温气体反应堆的发电输出的20％由燃料电池使用夜间制造的氢气发电进行提供，供应给消费者。
氢气和电能的制造比例可以任意确定，在核反应堆的热输出恒定的情况下，可以根据需求进行电力供应，有助于提高系统整体的能源利用效率。
5．核能制氢系统的安全性的相关课题
（1）氢气安全规定
制氢设备属于化工设备，其适用的法律规定不同于核能设施。关于核反应堆设备，以《核原料、核燃料材料和核反应堆管理条例（核反应堆管理法）》为基础，在《核电厂防火指南》中指出，“安装在核发电设施中的含有易燃液体（气体）的设备应妥善布置，以避免因其引起的火灾而造成对设施的安全结构，安全系统以及设备的安全功能的损害”，具体而言，就是其附近不能放置氢之类的物质。
另一方面，虽然化工设备涉及《消防法》、《燃气事业法》、《高压气体安全法》和《建筑标准法》等法律，但具体到氢气上，只有《高压气体安全法》和《建筑基准法》能够适用。在《高压气体安全法》中，将压力超过1MPa的气体（压缩气体）定义为高压气体，然而关于易燃气体氢气的制备、储存和消费，对“设备距离”概念的规定，仅限于与人员聚集的公共场所（第一类安保建筑物）以及普通私人房屋（第二类安保建筑物）之间保持一定距离。
此外，虽然《建筑基准法》按地区对氢气的处置和储存量进行了规定，但其中对工业区域氢气的使用没有任何规定。
（2）系统建造问题
下面，根据上一节所述的当前法律和标准，对研究核能制氢概念时需考虑的系统相关的技术课题进行说明。
（a）基于当前法律和标准的注意事项
当前，核反应堆设施和制氢设施分别受各自的法律制度监管。在将两者相邻设计时，必须证明氢气爆炸的影响不会波及到核反应堆设施。氢气爆炸包括爆燃(deflagration)和爆震(Detonation)。前者以火焰（2,300℃）形式传播，速度低于声速，而后者会产生冲击波，火焰能够以几公里每小时的速度传播，从而造成巨大破坏。
众所周知，在从爆燃到爆震的过渡（DDT：transition from deflagration to Detonation）中，火焰会通过障碍物而加速传播，因此在减小障碍物的间隔距离时需格外注意。另外，根据《高压气体安全法》对设备设定间隔的规定，当储氢量为990,000m3以上时，压缩氢气的设置距离为30m，液化氢气的设置距离为120m（均为第一类设备距离）。两种情况均需要保证制氢设施与核反应堆之间具有较大间隔。在广阔的土地上建造带有核反应堆的制氢设施时，采取当前法律和标准的最大值即可。但是，当考虑到经济性想要将两者接近配置时，就需要建立一个合理的法律体系以整合核反应堆和制氢设备。
（b）与系统建造有关的注意事项
与系统建造有关的注意事项如下所示。
a）制氢侧的异常对核反应堆侧的影响以及核反应堆侧的异常对制氢侧的影响
制氢设备默认为具有一般化工设备的可靠性。因此，考虑到制氢设施的负载损失频率较高，需要采取措施以吸收负载损失。
b）制氢过程中流体和核反应堆冷却系统的隔离
核反应堆冷却剂和制氢设施之间通过二级冷却系统（中间换热器（IHX））和PHX分隔。在正常运行期间，核反应堆中产生的氚通过二级氦气净化器被去除，但是必须设定氢产物中污染物的允许值来限制其迁移。
当核反应堆侧发生事故或制氢侧发生事故时，有必要考虑使用隔离阀，以防止IHX和/或PHX失去其隔离作用。
V．结论
关于核能高温水蒸气电解制氢，本文作者从核能到氢能的转化效率（制氢效率）和经济性（制氢成本），以及因核技术和氢技术之间的技术背景不同而引起的氢技术的开发风险的角度，阐明了高温水蒸气电解技术的开发课题。
另外，针对这些开发课题，对进行的高温水蒸气电解池的实验进行了分析，并根据其完成度设定了设计条件，试图将其应用在与高温气体反应堆连接的制氢设备中，并对整体系统概念进行探讨。
结果表明，利用高温气体反应堆的核热能进行高温水蒸气电解制氢的制氢效率高达53％以上，证实了核能高温水蒸气电解制氢的可能性。
最后，本文示出了将高温水蒸气制氢设备与600MWt的高温气体反应堆连接，构成氢气和电能的热电联供系统以应对负载波动的示例。通过以上说明，证明了使用高温气体反应堆的高温水蒸气电解制氢的有效性。
将来，随着电解池的耐用性和SOEC的大型化相关的开发课题被不断解决，使用高温气体反应堆的高温水蒸气电解制氢将逐渐成为现实，而与此同时需要研究与其安全性有关的问题。此外，还需进一步降低电解池的温度，以便将其应用于快速反应堆和轻水反应堆。
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翻译：狄泽男
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊