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高温气冷堆制氢关键技术研究达到预期技术目标

  清华新闻网10月13日电 近日,在清华大学核能与新能源技术研究院,核电专项高温堆分项的前瞻性课题“高温堆制氢关键技术”的两项研究任务“碘硫循环制氢关键技术研究”和“高温电解制氢关键技术研究”先后完成了连续稳定运行制氢实验,达到并部分超出任务合同书中规定的全部技术指标,这标志着我国在高温气冷堆工艺热最重要的应用领域——核能制氢方面迈出了关键而坚实的一步,为后续开展与高温气冷堆的耦合乃至最终实现核能制氢奠定了良好基础。

  在核能制氢中,碘硫循环被认为是最有希望利用核能进行大规模氢生产的热化学循环工艺,这一工艺利用高温气冷堆的工艺热,通过三步反应组成的热化学循环实现水的分解制氢。除化学反应外,还包含多个分离过程,涉及多相反应动力学、相平衡、催化剂、电解渗析、反应精馏等多项技术的研究,循环的闭合涉及过程模拟与工艺优化、强腐蚀性、高密度浆料输送、在线测量与控制等多方面工程问题。

  课题组在大量深入研究基础上,突破了电解渗析堆、高性能催化剂、全流程模拟软件等关键技术,提出了系统的闭合循环运行策略;优化了工艺流程设计,完成了包含Bunsen板块、硫酸板块、氢碘酸板块和控制系统的集成实验室规模台架的设计和建设。

 

图为碘硫循环实验室规模台架。

  在完成系统设备调试、气密性实验、水试等调试基础上,进一步完成了单步、单元连续实验,并最终成功进行了全流程闭合连续实验。系统连续运行86小时,产氢60小时,产氢率60标升/小时,提前完成了项目书规定的各项技术指标。

图为碘硫循环闭合连续实验产氢产氧结果。

  截至目前,国际上只有中国和日本成功实现碘硫循环闭合运行的报道,60标升/小时的产氢率是目前国际上可见报道的最大产氢规模。

  水蒸气高温电解是另一项有希望用于核能制氢的工艺,具有过程简单、高效的优点。固体氧化物电解池(SOEC)电堆是高温电解制氢技术的核心装置,由陶瓷电解池片、金属密封框、双极板、集流网、底板、顶板等多个组件构成,各个组件的材料组成、化学、物理及机械性能各异,且工作在高温 (830℃)、高湿(水蒸气含量>70%)的苛刻环境下,研发难度大。

  课题组经过刻苦攻关,在对高温水蒸气电解特性深入研究的基础上,采用了创新性电堆结构设计,结合关键材料筛选、运行工艺摸索,解决了电堆组件热膨胀系数匹配、电堆密封、电堆电性能改进、电堆机械定位等多项技术难题,成功设计和制备出性能优良的电解池堆。此外,还解决了水蒸气稳定供应和精准控制等难题,建立了可实现高温电解长期稳定运行的运行程序。

  在上述成果的基础上,完成了实验室规模的高温水蒸气电解制氢实验系统的设计、建造和运行调试,并于2014年9月下旬成功实现了10片电堆(电池片面积10厘米×10厘米)的高效连续稳定运行。系统运行时间115小时,稳定产氢60小时,产氢率105标升/小时,超出任务合同书规定的60标升/小时的技术指标。这一成果充分证明了所研发的电堆结构设计具有创新性和技术可靠性,测试系统运行正常、过程控制稳定,完全可以满足高温蒸汽电解高温、高湿环境的苛刻要求。

图为运行中的高温电解制氢系统。

  在高温堆制氢关键技术项目研发过程中,共获得国内发明专利30项,在国内外发表论文70多篇,培养博士、硕士研究生十余名。所形成的技术成果具有自主知识产权,使我国在核能制氢这一国际前沿领域的竞争中处于有利地位,为核能制氢这一战略性重大技术的发展奠定了坚实的基础。

供稿:核研院 编辑:蕾蕾

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-10-13 10:12:26]
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