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

2. 研究课题

本文将从“制氢效率”和“制氢成本”的角度，整理出有关核能（热能和电能）转换为氢能相关的课题，同时从“长期开发风险”的角度，整理出有关核技术和氢技术之间的技术背景差异有关的课题。

（1）制氢效率

（a）制氢效率的定义

制氢效率（η）的定义如式（13）所示，即等于所制造的氢的高位发热量（HHV）除以输入到整个制氢系统中的能量。

η=HHV/(W/ф+Q) （13）

其中，HHV表示1摩尔氢的高位发热量，ф是发电效率（基于HHV），W是制造1摩尔氢时整个系统所需的电能，Q是上述过程所需热能，其计算方法分别如下所示：

W=ΔG+2*F*I*(IR+μ_a+μ_c)+α （14）

Q=TΔS-2*F*I*(IR+μ_a+μ_c)+q+β （15）

其中，q是原料水和气体等供给流体的汽化潜热和显热，α是内部电源等，β是上述散热等之外的电能和热能。

（b）提高制氢效率的措施

根据式（13），为了提高制氢效率（η），必须减少用于制氢的电能（W）和热能（Q）。为降低内部电源（α）之外的电能（W），需减少电解池的欧姆损耗（IR）和过电压（μ_a，μ_c），以及构成电解池集合（堆叠化）的导电组件（平板电解池中的连接体等）的电阻。对于内部功率（α）和热能（Q），需减少原料水和气体等供应流体以提高原材料的利用率，并减少散热（β）等。

（c）总结

综上所述，从制氢效率的观点出发，本文整理出的研究课题包括降低电解池和电源等导电组件的电阻，提高电解池的原料利用率，以及降低散热。

（2）制氢成本

（a）制氢成本的定义

制氢成本（CH）的定义如下。即，

CH = (C_y + F_y + El_y + OM_y)/PH_y（16）

其中，C_y是每年设备折旧费，F_y是年燃料成本，El_y是年电解成本，OM_y是每年的运行和维护成本，PH_y是年制氢量。此外，年电解成本（El_y）进一步分解为以下两类。

El_y=E_y+H_y （17）

其中，E_y是年耗电量，H_y是年耗热量。

（b）降低制氢成本的措施

从降低制氢成本的角度出发，需防止制氢量（PH_y）的损失和实现成本（C_y+F_y+El_y+OM_y）最小化，以下分别讨论上述两个研究课题。

a）防止制氢量的损失

电解池的两个电极之间氢气的交叉泄漏是造成制氢量损失的原因之一。为减少由此造成的氢损失，需保证电解池小室（电极间）的气密性以及电解池小室连接部件的完好。在电解池小室的密封性方面，需维持具有氧离子渗透功能的固体电解质的稠密性（以防止气体渗透）。一般只需增加电解质的厚度即可维持固体电介质的稠密性，然而同时会造成ASR的降低，因此重点是如何兼顾两者。

另外，在保持电解池小室连接部件的完好方面，连接部件（如图3所示，管型电解池中的金属件或是平板型电解池中的连接体）所选用的构成材料必须具有以下两个特征：其一是热膨胀系数必须与电解池的热膨胀系数相近，以防止与电解池（陶瓷材料）的密封连接处发生热应力松弛；此外，由于该材料是用于分隔氧电极侧和氢电极侧，将同时暴露在氧化气氛和还原气氛中，因此其必须能同时与两种气氛相容。

b）成本最小化

为探讨成本（C_y+F_y+El_y+OM_y）的最小化，本文调查了成本的构成。图10所示为1.5美元/GGE（与1加仑汽油等效的能源的制造成本）所对应的制氢成本16日元/Nm³（日元对美元汇率：110：1）的计算过程。在该例中，设备成本为24万日元/Nm³/h（与NEDO路线图中给出的HTE系统成本目标（30~60万日元/Nm³/h）相比，仅为其下限的约80%），核电费2.8美分/kW（与GT-MHR的3.1美分/kWh相比，约为其90%）。

从该例可以看出，成本中的两项主要支出是每年设备的折旧成本（即制氢设备成本E_y）和年耗电成本（El_y），这一点不会随着设备成本和电费略有变化发生显著改变。因此，可以说这两项支出决定了制氢成本。

图10：HTE制氢的成本示例

在电解池批量生产的前提下，制氢设备的成本与电解池的数量、电解池的制造单价、以及电解设备的大小（物料量）直接相关。由于电解池的数量与电解池的电流密度成反比例，所以需要增加电流密度以减少电解池的数量。在降低电解池本身的制造成本方面，通过控制材料费以及量产能最大限度降低成本，从这一角度出发，限制价格高昂的贵金属在电解池中的使用是其中的关键。

在电解设备的大小（物料量）方面，分别考量构成该电解设备的SOEC的物料量和其他部分的物料量。SOEC的物料量的增加可以SOEC集成度（单位体积的制氢量=（电流）/（电解池集合的体积））作为指标。集成度的增加可通过多个电解池的密集布置，使电解池集合更加紧凑，同时增加电流密度实现。

为了增加电流密度，除了通过开发低ASR电解池来实现低电压高电流密度之外，还必须考虑SOEC在高于其热中性电压下放热运行时的高电压高电流密度。SOEC之外的物料量与系统中的循环流体输送量成正比，因此其增加可通过提高电解水蒸气利用率实现。耗电成本的降低与电解池的电阻（IR+μ_a+μ_c）有关，因此可由上述提高制氢效率的措施实现。减小电解池电阻（IR+μ_a+μ_c）最终可增加电流密度。

c）总结

综上所述，从节约制氢成本的观点出发，本文整理出的研究课题，包括通过维持电解质稠密性和电解池密封连接部件的完好以确保电极之间的密封性，增加电流密度，使电解池集合更加紧凑，提高水蒸气利用率，限制贵金属的使用，以及减少电解池和电源电阻。电流密度的增加，需要考虑其对电解池完好性的影响，并建立适当的运行方法。

（3）开发风险

（a）高温水蒸气电解的研发现状

迄今为止有关高温水蒸气电解制氢的代表性研究如表1所示。20世纪80年代，德国多尼尔公司（Dornier）和美国西屋电气公司（Westinghause）已开始相关研发。在日本，三菱重工业-关西电力公司和日本原子能研究所等机构在20世纪90年代开始进行研究。以上先行研究出于各种原因而中止或中断，均未投入实际使用。

近年来，美国INL、日本九州大学以及东芝等重新开始相关研究。先行研究中是在接近1000℃的高温下制氢，而与先行研究不同，近年来在800℃或更低的温度下制氢成为可能，提高了高温制氢实现的可能性。这也得益于燃料电池（SOFC）研发的持续发展和进步，其与SOEC具有相同的构造。

根据目前研发的进展，高温水蒸气电解制氢本身还处于研发阶段，规模仅为数Nm³/h，耐用性约为2,000小时。与之相比，核能制氢预计要达到数十万Nm³/h的规模，同时反应堆的使用寿命须长达几十年。

另一方面，作为最有可能利用氢气的燃料电池，NEDO制定的路线图等的预想是建成规模为数百Nm³/h的加氢站，以用来制造氢气。此外，作为SOEC核心的电解池由薄陶瓷制的电气组件组成，然而这样制成的电解池，其使用寿命通常只有数年。

如上所述，就规模和使用寿命而言，核能制氢与非核能制氢之间还存在很大的差距。下文将从低风险开发策略的角度，提出相关研究课题，以弥补这一差距。

（b）降低风险的措施

a）大容量风险

在规模方面面临的问题是，在大型SOEC制氢过程中，难以保持相关重要参数的均匀性，例如气流，电解反应和电势等。对于应该以何种态度来看待这些问题，本文将在明确SOEC的经济规模的基础上，考虑开发风险，讨论其开发战略。

图11所示为制氢规模为电解池成本5万日元/kWe，容器成本250万日元/吨，电流密度0.6A/cm²（后文III-1-(2)的单电解池性能：800℃热中性电流密度）时SOEC的制造成本的计算示例。

图11： SOEC成本与规模的关系

根据该结果，当规模超过600Nm³/h（@0.6A/cm²）时，SOEC大型化将无法在经济上产生规模效益。因此，将SOEC的规模从600Nm³/h扩大到核能制氢时的数万Nm³/h不仅无法在经济上产生规模效益，同时伴随着巨大的开发风险。因此，由100个左右的600Nm³/h规模的SOEC组成数万Nm³/h的核能制氢设备，就成为一条能够避免规模扩大的风险，同时通过量产效应实现经济利益的可行之路。如此一来，研发目标就变成仅需在600Nm³/h（@0.6 A/cm²）规模的SOEC中，维持制氢过程中相关重要参数的均匀性。

b）故障风险

在使用寿命方面，从SOFC的发展状况可以看出，以陶瓷为主体的SOEC，其使用寿命难以达到数十年。有鉴于此，本文将明确包括SOEC更换在内的寿命周期成本，同时在考虑将风险降至最低的前提下，提出相关研究课题。

寿命周期成本定义如下：

Cn_total= Cn_HTE+C_Re+C_H2 （18）

其中，Cn_total是HTE的总成本，Cn_HTE是由n个模块组成的建造成本，C_Re是由n个模块组成的SOEC替换成本，C_H2是制氢成本损失。

另外，由n个模块组成的建造成本（Cn_HTE）的定义如下：

Cn_HTE=Cn_SOEC*(L_HTE/L_SOEC)+C_other （19）

Cn_SOEC是n个SOEC的成本（=C_SOEC×n）；C_SOEC是单个SOEC的成本（=y×x），其中，y是SOEC的单位成本，x是SOEC规模（z/n=x> 600Nm³/h），z是制氢设备的规模，n是制氢设备中SOEC装置的数量；C_other是外围设备的成本（=ф*z*y），其中，ф是外围设备成本与SOEC成本之比；L_HTE是HTE工厂的寿命，L_SOEC是SOEC的寿命。

另外，初始成本（Cin_HTE）如下所示：

Cin_HTE=Cn_SOEC+ C_other （20）

另外，由n个模块组成的SOEC替换成本（C_Re）如下所示：

C_Re=C_SOEC*P_f*P_Re*L_HTE （21）

P_f是SOEC故障频率，P_Re是SOEC替换概率。

另外，制氢成本损失（C_H2）如下所示：

C_H2=(D_Re*P_Re+D_f*(1-P_Re))*H_Re*H_u*P_f*L_HTE （22）

D_Re是替换日期，D_f是维修日期，H_Re是SOEC规模（Nm³/d），H_u是单位制氢成本（=16日元/Nm³）。

在表2给出的标准条件下，对规模为9,4000Nm³/h的核能制氢设备的分割数（n）（即构成核能制氢设备的SOEC的数量）的寿命周期成本（Cn_total）进行试算，其计算过程以及结果如图12所示。

表2：寿命周期成本计算的标准条件

●SOEC寿命：5→40年

●SOEC与其他设备之间的成本比：1→2

●SOEC故障频率：1→0.1次/年

●替换有故障的SOEC的概率：0.1→0.01/故障

●维修期限：30→7天/替换，7→1天/维修

图12： HTE（Standard Condition）的寿命周期成本评估

根据这些结果可知，随着SOEC数量的增加（通过减小单个SOEC的规模来增加SOEC的数量），寿命周期成本降低，当SOEC数量达到10个以上（分割数为10个或更多）时，寿命周期成本基本达到饱和。

另外，即使分别改变下列条件再进行计算，其结果也是相同的，即在所有情况下，只要分割数达到10个以上，寿命周期成本就将基本达到饱和。这是因为上述SOEC成本主要取决于电解池，规模效应不明显。

图13所示为当条件改变时，不进行分割的情况与分割成100份的情况的比较。从图中可以看出，在分割为100份的情况下，除SOEC寿命，其他条件的改变对寿命周期成本的影响微乎其微。换句话说，这表明分割SOEC可以有效地分散风险。

图13：条件对寿命周期成本的影响

另一方面，当SOEC的寿命（使用寿命）从5年更改为与HTE设备相同的使用寿命（40年）时，寿命周期成本将得到大幅改善。实际上，SOFC的使用寿命也仅为5到10年，与40年还存在很大差距。然而从品质上讲，使用年限与故障概率呈正相关。因此，为了了解这种关系，本文设计了SOEC的使用年限为40年同时故障率增加10倍和使用年限为5年时同时故障率降低到1/10的情况，分别计算并比较不分割和分割为100份时的寿命周期成本，其结果如图14所示。

图14：SOEC寿命和故障频率对寿命周期成本的影响

从该图可以看出，当分割数增大（即减小SOEC规模）时，使用年限为5年且故障概率为1/10的高质量情况下，当分割数为100时，其结果逐渐接近标准条件，失去经济效益；而使用年限为40年且故障率提高到10倍的低质量情况下，不进行分割时的寿命周期成本非常高，而若是将其分割成100份，则其故障率与使用年限为40年的情况下的标准故障率几乎相同。

这表明，用100个以上的SOEC来构成数万Nm³/h规模的核能制氢设备虽然在经济上不会产生规模效益，但是可以延长其使用寿命，即使会导致故障概率上升，也是一个很好的方法。也就是说，为尽量降低寿命周期成本，在设计SOEC时应将电解池的损坏计算在内，考虑SOEC的使用方法以及SOEC的维修和替换，尽可能延长SOEC的使用寿命。当然，不断将其使用寿命提高到接近 HTE设备的水平也是十分重要的。为了实现此目标，就需要了解电解池发生损坏的机制，并理解和运用故障概率与使用寿命之间的关系。

另外，如图所示，在设施规模为94,000Nm³/h的高温水蒸气电解设备中，当分割数为100份以上时，单个SOEC的规模为1,000Nm³/h以下，这与图11所示的SOEC为600Nm³/h（@0.6A/cm²）时规模效应达到饱和的结果一致。

（c）总结

综上所述，本文中为解决大容量风险，提出了以600Nm³/h（@0.6 A/cm²）的SOEC为目基准，向大量电解池均匀供电，以及实现电解池的密集放置的研究课题；为解决故障风险，提出电解池构成材料、电源材料以及电解池密封件的抗劣化性能等研究课题。

通过对以上研发风险的探讨，可以得出现阶段SOEC规模的目标是600Nm³/h（@0.6A/cm²），应以600Nm³/h（@ 0.6 A/cm²）的结果为基准判断是否有必要进一步扩大规模。同时，此规模的SOEC符合即将到来的氢能社会中面向燃料电池汽车的加氢站的市场需求，因此可以在市场上先行推广试用，在此基础上进行进一步扩大规模的尝试。

在开发步骤上，第一步是开发出1,000Nm³/h以下的SOEC，之后有两条道路可供选择：①继续使用原本的SOEC，或②开发更大容量的SOEC。

图15示出了一个具体方案，其从降低开发风险的角度，采用从小到大、从电解池逐渐扩展的发展方式。

图15：核能高温水蒸气电解制氢的发展步骤

（1）纽扣电解池试验（优化电解池配置）

（2）单电解池试验（工程电解池）

（3）多电解池试验（密封，供电）

（4）单元试验（热流和电解综合问题）

（5）试点试验（操作，维修，安全验证）

（6）核能制氢试验

为了更高效地执行这些步骤，应有效利用计算科学以把握和理解实验现象。尤其需要同时开发解析技术来处理热流和电解的综合性难题，通过解析进行预测和分析，以便更加高效地开展大规模试验。

（4）研究课题的总结

针对制氢效率，制氢成本和氢能的长期开发风险三个方面各自的不同要求，本文提出了电解池和SOEC各自的研发课题，如表3所示。

表3 ：HTE的研发课题

未完待续！

如需本篇文章的日语原文，请发邮件联系support@aipatent.com，即可获得。

翻译：狄泽男

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

关于核能高温水蒸气电解制氢的研究连载篇（一）

关于核能高温水蒸气电解制氢的研究 连载篇（二）

关于核能高温水蒸气电解制氢的研究 连载篇（一）

关于核能高温水蒸气电解制氢的研究连载篇（二）

关于核能高温水蒸气电解制氢的研究连载篇（一）