全新制氫技術問世,，采用3D打印螺旋反應器可在公路沿線現場制氫

來源：DeepTech深科技

近日，美國能源部下屬的西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）開發(fā)出一種新型氫氣發(fā)生器,，其直徑約為 11 英寸,，當它與微通道熱交換器相結合，便可以輕松地在公路服務區(qū)沿線現場生產氫氣,。

這是一種從傳統(tǒng)天然氣或由生物物質制成的可再生天然氣產生氫氣的新技術,，它將有效地把現場制氫技術加速推向市場。

圖 | 新型氫氣發(fā)生器（來源：Pacific Northwest National Laboratory 官網）

氫是綜合能源組合的一部分,，可以實現能源的安全性和彈性,，并提供跨部門的不同應用價值和環(huán)境效益。多樣,、可持續(xù),、豐富的國內資源對國家而言至關重要：
１）減少依賴單一或有限的資源,；
２）保持能源獨立并擴大獲取資源的機會；
３）為未來資源的使用和可能出現的變化情景做好準備,。

高資源利用率是全球可持續(xù)發(fā)展的重要前提,，而天然氣是地球上最豐富的碳基資源形式之一，廣泛應用于我們的生活中,，而且全球范圍內建有非常健全的天然氣輸送管道,，因此它是最具普及性的能源形式之一。

另外,，針對未來能源的可持續(xù)性,，天然氣主要成分甲烷可以作為能源的載體之一，它與二氧化碳之間的相互轉換可以構成能源的一種良性循環(huán),。

然而,，化石能源的使用效率通常收到卡諾效率的限制，難以實現更高的資源利用率,。相比之下,，氫燃料電池能夠通過化學能和電能之間的相互轉化實現更高效率的燃料使用過程。

天然氣中含有豐富的氫,，可以作為一種氫的載體，因而在天然氣管道附近配備天然氣重整制氫的氫氣發(fā)生器就可以實現快速便捷的現場制氫過程,，為氫燃料電池驅動的設備供給氫氣,，以實現更高效的能量利用過程。

天然氣重整制氫是一個規(guī)�,；�的化工過程,，也是現在美國等國家主要的制氫方式。復旦大學研究員龔鳴告訴 Deep Tech：“在規(guī)�,；�的情況下,，制氫設備可以實現較高的能量效率，然而面向現場制氫這種小型化分散式的制氫場景,，能量效率卻因為傳質傳熱等過程的局限性難以達到極致效率,。這就驅動了西北太平洋國家實驗室研發(fā)出此款新型氫氣發(fā)生器�,！�

圖 | 氫能現場站點（來源：Pixabay 官網）

此款氫氣發(fā)生器利用的是甲烷重整制氫的過程,，通過甲烷與水在高溫下反應形成氫氣和一氧化碳或二氧化碳。在面向現場制氫的應用場景,，該反應器利用了螺旋反應器的形式加強了反應過程中傳質傳熱過程,，使得反應物受熱均勻、混合充分,，從而大大提高了總體能量利用效率,。

螺旋狀物體是大自然經常出現的幾何形式之一,，也是單位體積內表面積利用率最高的形態(tài)之一，因此反應器采用螺旋狀反應器設計非常巧妙,，也推動了新型反應器形式的設計,。

PNNL 開發(fā)的氫氣發(fā)生器已經授權給 STARS Technology Corporation，這是一家技術初創(chuàng)公司,。在增材制造工藝方面,，它也獲得 STARS TC 和 SoCalGas 的許可，SoCalGas 是一家天然氣配送公司,，上述提到的螺旋反應器設計也獲得 SoCalGas 獨家授權,。

“這種微通道技術近期的一個用途是為燃料電池電動汽車制造氫氣，”SoCalGas 研發(fā)高級總監(jiān)尤里弗里德曼說,。

“因為這項技術占地面積小,，并大大提高了將天然氣轉化為氫氣的過程的效率，它使氫氣更清潔,、更容易輸送 —— 你可以在附近有天然氣管道的任何地方生產氫氣,。對于我們 SoCalGas ，這是實現我們的目標的重要一步,，即到 2045 年在我們的運營和能源交付中實現凈零溫室氣體排放,。

這項技術可以極大地改變加利福尼亞的氫氣生產和使用，推動 SoCalGas 努力加利福尼亞的氣候目標以及滿足我們的客戶,�,！�

圖 | 生產氫氣的蒸汽 - 甲烷重整反應器的 3D “打印” 技術（來源：Pacific Northwest National Laboratory 官網）

新型反應器更多地面向現場制氫的應用場景，而且創(chuàng)新地采用 3D 打印的形式制備螺旋反應器,，可實現高通量的反應器制造過程,。該設備結合普及的天然氣管道避免了氫氣的集中式儲存，同時通過反應器的小型化和分散化降低潛在的安全風險,。

“將這些小型,、高效、批量生產的發(fā)電機視為類似于電網上的變壓器的‘化學變壓器’,，”STARS TC 總裁兼該技術的發(fā)明者 Bob Wegeng 說,。“它們可以放置在天然氣分配系統(tǒng)的任何地方,，因此通過為加油站提供與現場需求相匹配的廉價氫氣,，它就變成了一個‘氫氣網格’�,！�

最近,，PNNL、STARS TC 和 SoCalGas 共同合作改進了制氫系統(tǒng)和螺旋微通道設計,。PNNL 的技術商業(yè)化經理 Sara Hunt 說：“這種增材制造工藝通過減少零件,、形成鑄造或機加工工藝幾乎不可能創(chuàng)建的幾何形狀以及消除時間密集型制造步驟來降低制造成本,。” “這項專利技術包括在設備內構建結構以增強熱傳遞的獨特方法,。它還使材料能夠涂覆或浸漬催化劑,，從而加快化學轉化為能量的速度�,！�

圖 | PNNL 開發(fā)設計的螺旋微通道反應器（來源：Pacific Northwest National Laboratory 官網）

針對新型發(fā)生器在實際應用中可能會遇到的問題和挑戰(zhàn),，復旦大學研究員龔鳴告訴 DeepTech：“主要有兩點：

第一點是該反應器是基于天然氣重整制氫，因而使用場景必須臨近天然氣輸送管道或天然氣使用方,。

第二點新型發(fā)生器制氫,，但依舊采用天然氣重整制氫，使得氫氣中必然含有少量的碳雜質,，這些碳雜質會顯著影響燃料電池等應用的使用壽命,，而為了除去這些碳雜質必須在尾端進行變壓吸附或選擇性吸附，為此發(fā)生器總體設備的小型化提出挑戰(zhàn),�,！�

目前在新能源汽車領域氫動能汽車的數量遠低于純電動汽車數量，究其原因主要是因為氫能不同于化石能源,，也不同于電力系統(tǒng),，它不存在于天然界，也沒有現成的完善的供給系統(tǒng),。

氫能是一條完整的產業(yè)鏈系統(tǒng),，需要 “制、儲,、運、用” 四大環(huán)節(jié)同步的發(fā)展和基礎設施建設,，需要一定的時間積累,，而且就目前的情況來說氫動能汽車會比電動汽車的價格要略昂貴一些，這些可能是氫動能汽車數量較少的原因,。

未來的發(fā)展方向必然是氫動能汽車和純電動車攜手發(fā)展的形式,，這兩者有著各自的優(yōu)勢，消費者會根據各自的喜好來決定汽車的種類,�,？傮w來說，氫能汽車會更多面向大型車輛的市場,，而電動車更多面向小型車輛的市場,。

圖 | 氫能在新能源領域應用（來源：Pixabay 官網）

氫能戰(zhàn)略與技術居于領先地位 — 美國
2020 年 11 月 12 日，美國能源部（DOE）發(fā)布了《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》報告,，報告指出美國將在未來十年甚至更長時期針對氫能建立研究,、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略規(guī)劃,。美國經濟正在變得更加敏感，為應對持續(xù)的經濟和環(huán)境挑戰(zhàn)和對清潔電力,，燃料和其他產品的需求,。

同時，過去十年已經證明了需要全新的戰(zhàn)略來保障美國的經濟和能源安全以及保護環(huán)境,。氫作為一種多功能燃料,，提供了可持續(xù)的經濟增長的道路。

但實現氫氣的真正潛力需要致力于繼續(xù)進行研究和發(fā)展以及私在營部門全方位部署,，以實現規(guī)模效應,。與其他燃料不同，氫能需要更多的整合化石,，核能和可再生能源系統(tǒng),，并且需要一個綜合方法實現氫氣的全部潛力和益處。

為了滿足這一挑戰(zhàn),，美國能源部（DOE）制定了氫能計劃發(fā)展規(guī)劃,。

該報告更新了 DOE 在 2002 年發(fā)布的《國家氫能路線圖》以及 2004 年開啟的 “氫能行動計劃” 中提出的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，綜合考慮了 DOE 不同部門發(fā)布的氫能相關規(guī)劃和文件,，明確了氫能發(fā)展中的關鍵技術領域,、實際需求和面臨的挑戰(zhàn)以及研發(fā)重點，并提出了氫能發(fā)展規(guī)劃的主要技術經濟目標,。

圖 | 氫能源系統(tǒng)圖（來源：美國能源部官網）

《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》報告中表明：“DOE ‘氫能計劃’ 使命是研究,、開發(fā)和驗證氫能轉化相關技術（包括燃料電池和燃氣輪機），并解決機構和市場壁壘,，最終實現跨應用領域的廣泛部署,。”該計劃將利用多樣化的國內資源開發(fā)氫能,，以確保豐富,、可靠且可負擔的清潔能源供應。

氫能無限潛力與廣闊市場 — 中國
中國政府已經確立了要在 2060 年實現碳中和的目標,， 未來幾十年氫能可以在綠色能源結構中占據重要的一席地位,。

中國是世界第一大產氫國，但是我國的國情是富煤缺油少氣,，我國的制氫方式大多數并非通過天然氣重整制氫,，而是通過煤制氫的方式取得，使用煤制氫擁有明顯的低成本特色,。

但如果堅持使用化石能源作為原料的話還會產生新的污染和耗能的問題,，也是一種不可持續(xù)的方式。另外在制氫生產工藝上存在技術落后,，核心設備需要從國外引進,，制氫成本高昂,，原料來源單一。

從全世界范圍來看,，一場氫能革命已經在發(fā)達國家如美國,、德國和日本開啟，他們已經在包括氫的生產,、儲存,、運輸和利用上采用公私合作的方式有效地開展具體的項目，而我們的政府也應該將氫能產業(yè)作為實現 2060 碳中綠色增長目標的一個關鍵領域,，引領相關氫能的技術發(fā)展和成本的降低,。