工程16（2022）16意见和评论核能在制氢中的作用久保慎二日本原子能机构，日本1. 核能作为一次能源，氢能作为二次能源化石资源在地球上分布不均匀，是一种有限的初级能源，广泛用于工业（工厂等），运输（汽车等），和能量转换（发电等）。不得不说，大量消耗化石资源是不可持续的。可替代化石燃料的一次能源包括可再生能源和核能，而氢能具有成为二次能源的潜力，可广泛用于工业中的各种用途，包括将氢用作化学产品的原料、还原剂和燃料。例如，国际能源署（IEA）提供了到2050年实现净零排放的路线图[1]，指出全球需要约5.3亿吨氢气。这大约是2020年氢气需求量的六倍（约90Mt/a）。核能可以在不使用化石资源的情况下提供稳定的电力供应。它还可以补充可再生能源输出的波动，并产生可用于各种目的的氢气。将一次能源转化为氢的化学能变得越来越重要。本文从能量形式转换的角度阐述了核能作为一次能源在制氢中的作用。2. 利用核能的制氢方法图1提供了使用核能生产氢所涉及的能量形式转换的示意图。作为二次能源，氢可以通过将核能（一次能源）添加到水或碳氢化合物（化石资源）作为原料来生产。也就是说，这个过程将核能转化为氢的化学能产生热能的核反应堆包括以下反应堆类型，其中每个反应堆的热能的可用温度从最低到最高排序：轻水反应堆（冷却剂：水）;快中子增殖反应堆（冷却剂：钠）;以及高温气冷反应堆（冷却剂：氦）。直接的热能或通过发电转换的电能被提供给能量形式的转换方法，以将原料转换成氢。所生成的Fig. 1. 利用核能生产氢的能量形式转换。氢可以被储存，并且输送给消费者的氢用于广泛的应用（作为燃料、化学原料、还原剂等）。图2总结了氢的生产方法，所需的原材料和所需的驱动能源形式，可以利用核能。图2所示的前两种制氢方法涉及水的电解液态水的低温电解可以通过碱性水电解或使用使用电能的聚合物电解质膜（PEM）另一种方法是高温蒸汽电解，它使用热和电。图中所示的两种方法。 2涉及热化学循环。热化学水裂解通过结合低温区域中的放热化学反应和高温区域中的吸热化学反应来产生混合热化学水分解使用电力的一些部分的整个化学反应，包括循环。图2所示的下面两种制氢方法涉及使用烃作为催化剂的吸热化学反应。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.12.0242095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engS. 久保工程16（2022）1617原料通过用核能补充化学反应所需的热量，可以减少制氢过程中化石资源的消耗从烃和水生产氢气的蒸汽重整方法是成熟的工业技术，而正在开发的甲烷热解将甲烷转化为氢气和固体碳。3. 电解水分解水可以得到氢水裂解的化学方程式如下所示：H 2 O（l）！ H 2（g）+（1/2）O 2（g）H 2 O（g）！ H 2（g）+（1/2）O 2（g）其中“l”表示液相，“g”表示气相。图3（a）显示了水分解反应的DH-T和DG-T为了分解液态水以获得气态氢（1摩尔）和氧（0.5摩尔），对应于（i）+（ii）+（iii）的能量的总能量（286 kJ），如图1所示。 3（a）是必要的。自由能（237 kJ）至少对应于（iii）的能量必须以电能的形式加入在低温水电解中，所有的能量（i）+（ii）+（iii）由电能提供。另一方面，在高温水蒸气电解中，水（i）的汽化潜热可由热能提供，从而相应地减少所需能量原则上，DH（ii）的能量可以从外部用热能供应;在实践中，主流方法是通过给电解池通电将电转换为焦耳热（同时容忍这种有效能损失），这被称为热中性条件[3]。由于低温水电解法可以仅由电能驱动，因此可以使用轻水反应堆、快中子增殖反应堆或高温气冷反应堆作为能源。高温蒸汽电解所需的水的汽化热（i）也可以由轻水反应堆、快增殖反应堆或高温气体增殖反应堆提供。图图3（b）示出了使用高温蒸汽电解将核热能转换为氢的能量转换图[4]。能量转换图使用有效能比作为指标（纵轴）比较能量转换前后的焓量和有效能量 在某一温度下，热量的火用比表示可用的潜在功（相对于焓）的百分比，图二. 利用核能生产氢气的方法。PEM：聚合物电解质膜。图3.第三章。（a）水分解反应的DH-TS. 久保工程16（2022）1618222242温度降至环境温度（25 °C）。原则上，氢气生产效率变得更高，有利作为的效率的发电2HI（g）！H2（g）+I2（g）SO（g）+ 9I（l）+16HO（l）！[HSO（aq）+ 4H O（l）]+增加，导致更高的火用比;也就是说，反应堆温度可以按如下顺序排列：轻水堆快中子增殖反应堆高温气冷堆。图3示出了使用高温气体冷却反应器获得的在900 °C的温度下的热量（作为实例）生产Imol氢气。热的火用比在900 °C时为0.53。因此，原则上从焓为456 kJ的热量中获得242 kJ的电能，必须将214 kJ作为废热排放到低温环境中。此外，在100 °C下，从热焓为44 kJ的热量中可以获得1摩尔水蒸气。由于氢的标准有效能比为0.83，因此电能和水蒸气的转换产生焓为286 kJ和有效能为237 kJ（有效能损失为10kJ）的氢。这样，从核热能出发并将其转化为氢能的高温蒸汽电解法可以这样 理 解 ： 原 则 上 ， 456 kJ 的 热 量 （ 900 ℃ ） 和 44 kJ 的 热 量（100 ℃）可以获得1摩尔氢。由于具有约0.5（900 °C）的火用比的核热能被转换成具有约0.8的更高火用比的氢能，因此该过程必须涉及近一半热能的废热。与提高能源质量的热泵一样，通过将火用比约为0.1（100 ℃）的核热能转化为火用比高的氢能，可以有效地利用低温热能。4. 热化学循环水的直接热分解需要几千度的高温。热化学循环是通过组合各种化学反应在1000 °C或更低的更实际温度水平下热分解水的方法。作为热化学循环的实例，碘-硫（IS）工艺（也称为SI工艺）和混合硫工艺的硫族循环IS过程由以下三个化学反应组成：H2SO4（g）！H2 O（g）+ SO2（g）+（1/2）O2（g）[2 HI（aq）+8I2（l）+10H2O（l）] 105-溴-1，2-二氢吲哚其中反应（3）是硫酸（H2SO4）分解反应，其在气相中热分解H2SO4以产生氧，并且反应（4）是碘化氢（HI）分解反应，其在气相中热分解HI以产生氢。反应（5）称为本生反应，是水、二氧化硫和碘反应生成H2SO4和HI的液相反应。本生反应中产生的H2SO4和HI可通过图4（a）显示了构成IS过程的化学反应的DH-T和DG-TH2SO4分解反应（3）在600 °C以上进行，此时DG为负值，并伴有大量吸热。HI分解反应（4）是稍微吸热的反应并且在约500 °C下操作。由于DG很小但为正值，因此反应偏向于原料。因此，正在研究应用膜反应器以改进该反应，所述膜反应器通过氢分离膜从反应场提取作为产物的氢气。本生反应（5）在低于100 °C下进行，其中DG为负;产生大量放热。如上所述，热化学循环可以通过在自由能变化变为负的温度范围内操作化学反应而仅因此，这个过程就像一个热机，吸收高温热量，排出低温热量，产生水分解所需的功。混合硫工艺（也称为Westinghouse工艺）是其中反应（4）和（5）被以下反应（6）代替的方法。SO2（g）+6H2O（l）！[H2SO4（aq）+4H2O（l）] +H2（g）= 6.5反应（6）是通过亚硫酸的电解氧化得到氢气和H2SO4的液相电化学反应这种电能的使用部分地简化了数量。见图4。(a)热化学循环反应的DH-TS. 久保工程16（2022）1619××两种化学反应反应在140°C下操作。[6]或更低，并且所需电压为约0.37 V（25 ℃），如图4（a）所示，其具有小于水电解所需的1.48 V的优点。由于IS工艺和混合硫磺工艺需要600 ℃以上的高温反应场来驱动H2SO4分解反应（实际应用中应在850 ℃左右才能获得高转化率），因此高温气冷堆适合用作热源。图4（b）示出了使用热化学循环将核热能转换成氢能的能量转换图。原则上，从447 kJ的热量（900 °C）可以获得1 mol氢气。通过排出近一半的有效能比约为0.5（900 ℃）的核热能，可以将核热能转化为有效能比约为0.8的氢能。5. 甲烷制氢甲烷是一种丰富的化石资源，与50年（2 1014m3）的探明储量和200年（8 1014m3）的可能储量[7]。 甲烷的蒸汽重整方法是通过使烃燃料如天然气（即，甲烷）与蒸汽在高温（800 °C）下反应。该方法是工业上成熟的技术，天然气（甲烷）重整占全球总制氢量的48%，石脑油蒸汽重整占总量的30%。水蒸气重整法的反应式如下所示。（1/4）CH 4（g）+（1/2）H 2 O（g）！（1/4）CO2（g）+H2（g）= 1.7甲烷是最稳定的有机分子之一，因为它有很强的甲烷直接热解的研究和开发正在进行中，作为一种具有通过形成不会扩散到大气中的固体碳来生产氢气的潜力的技术。甲烷热解的反应式如下所示。（1/2）CH 4（g）！（1/2）C（s）+ H 2（g）其中“s”表示固相。与消耗化石燃料来获得高温和反应热不同，甲烷的使用可以通过用核能补充热量来减少。图图5（a）示出了甲烷蒸汽重整和热解的化学反应的DH-T和DG-T图（固体和气体的热化学数据[2]）。这两个反应都是吸热的，并且DG在600 °C以上变为负值，这有利于反应的进行因此，高温气冷堆适合作为热源。图5（b）示出了使用核热能将甲烷转化为氢的能量转化图。甲烷的火用比约为0.9。将火用比约为0.5的核热能加入甲烷中，可以得到焓为286 kJ、火用为237 kJ的氢气。因此，利用核热能将甲烷转化为氢气的过程可以理解为：如果没有核能的贡献，则需要1.28倍的甲烷量（包括提供反应热的燃料）;原则上，利用核能可以节省这一数量的甲烷。通过将具有约0.5（900 °C）的火用比的核热能添加到使用甲烷的吸热反应中，低质量的热能被泵送到具有高火用比的氢水平，如热泵，从而提高该能量的质量在这种转换中，由于原则上不产生废热，因此6. 利用核能制氢的优势氢具有可应用于工业应用（作为燃料、化学原料、还原剂等）的价值这是电气化无法覆盖的本文从能量形式转换的角度论述：核能可以提供制氢所需的热能和/或电能的一次能源，它可以提供制氢所用化学反应所需的可以利用核能的制氢方法包括电解、热化学循环和从碳氢化合物生产方法。可以提供的温度水平取决于反应器类型，因此每种类型的反应器必须与适当的制氢方法相结合。轻水反应堆、快中子增殖反应堆和高温气冷堆都可以为电解提供能量由于相关化学反应进行的温度范围有限，高温气冷堆是合适的图五、（a）甲烷制氢反应的DH-T和DG-T图;（b）甲烷制氢的能量转换图S. 久保工程16（2022）1620作为热化学循环（硫族）和甲烷重整和热解的热源此外，核能的热质量可以提高到氢的水平，因为氢具有很高的火用比。通过这种方式，核能可以通过在氢生产过程中发挥作用来促进化石资源的替代。引用[1] 国际能源署。到2050年实现净零排放。全球能源部门的路线图[互联网]。对：国际能 源 署 ;2021 年 5 月 [ 引 用 2021 年 10 月 11 日 ] 。 可 查 阅https://iea.blob.core.windows.net/assets/beceb 956 - 0 dcf-4d 73 - 89 fe-1310e3046 d 68/NetZeroby 2050-ARadmapfortheGlobalEnergySector_CORR.pdf。[2] 放大图片创作者：J.元素和化合物的热化学数据。Weinheim：WILEY-VCH;1999.[3] 日本科学技术厅低碳社会战略研究中心固体氧化物燃料电池系统（第8卷），氢经济的能量转换和利用技术评价。次报告.东京：日本科学技术厅低碳社会战略中心;2021年7月报告编号：LCS-FY2020-PP-02。日本人[4] Yoshida K et al. Exergy kougaku. In ： Exergy Engineering. 东 京 ： 共 立 -shuppan 1999。 日本人[5] 日本化学会。化学基础手册。第3版，东京：丸善出版社，1991年。日本人[6] CorgnaleC，Gorensek MB，Summers WA. 硫基热化学制氢循环中硫酸分解过程的研究进展。 过程2020;8（11）：1383。[7] 日本天然气协会天然气资源[因特网]。东京：日本天然气协会; [引用2021年8月6日]。可从以下网址获得：https://www.gas.or 日本语/tokucho/shigen/. 日本人
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