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(jié)合，便可以輕松地在公路服務(wù)區(qū)沿線現(xiàn)場生產(chǎn)氫氣。

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

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

氫是綜合能源組合的一部分，可以實現(xiàn)能源的安全性和彈性，并提供跨部門的不同應(yīng)用價值和環(huán)境效益。多樣、可持續(xù)、豐富的國內(nèi)資源對國家而言至關(guān)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(xiàn)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(yīng)用于我們的生活中，而且全球范圍內(nèi)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(zhuǎn)換可以構(gòu)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(xiàn)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(zhuǎn)化實現(xiàn)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(xiàn)快速便捷的現(xiàn)場制氫過程，為氫燃料電池驅(qū)動的設(shè)備供給氫氣，以實現(xiàn)更高效的能量利用過程。

天然氣重整制氫是一個規(guī)?；幕み^程，也是現(xiàn)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)?；那闆r下，制氫設(shè)備可以實現(xiàn)較高的能量效率，然而面向現(xiàn)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(zhì)傳熱等過程的局限性難以達到極致效率。這就驅(qū)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(xiàn)場站點（來源：Pixabay 官網(wǎng)）

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(yīng)形成氫氣和一氧化碳或二氧化碳。在面向現(xiàn)場制氫的應(yīng)用場景，該反應(yīng)器利用了螺旋反應(yīng)器的形式加強了反應(yīng)過程中傳質(zhì)傳熱過程，使得反應(yīng)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(jīng)常出現(xiàn)的幾何形式之一，也是單位體積內(nèi)表面積利用率最高的形態(tài)之一，因此反應(yīng)器采用螺旋狀反應(yīng)器設(shè)計非常巧妙，也推動了新型反應(yīng)器形式的設(shè)計。

PNNL 開發(fā)的氫氣發(fā)生器已經(jīng)授權(quán)給 STARS Technology Corporation，這是一家技術(shù)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(yīng)器設(shè)計也獲得 SoCalGas 獨家授權(quán)。

“這種微通道技術(shù)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(shù)占地面積小，并大大提高了將天然氣轉(zhuǎn)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(chǎn)氫氣。對于我們 SoCalGas ，這是實現(xiàn)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(xiàn)凈零溫室氣體排放。

這項技術(shù)可以極大地改變加利福尼亞的氫氣生產(chǎn)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?！?/p>

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

新型反應(yīng)器更多地面向現(xiàn)場制氫的應(yīng)用場景，而且創(chuàng)新地采用 3D 打印的形式制備螺旋反應(yīng)器，可實現(xiàn)高通量的反應(yīng)器制造過程。該設(shè)備結(jié)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(yīng)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(chǎn)的發(fā)電機視為類似于電網(wǎng)上的變壓器的‘化學變壓器’，”STARS TC 總裁兼該技術(shù)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(xiàn)場需求相匹配的廉價氫氣，它就變成了一個‘氫氣網(wǎng)格’?！?/p>

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(shè)計。PNNL 的技術(shù)商業(yè)化經(jīng)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(shù)包括在設(shè)備內(nèi)構(gòu)建結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為能量的速度?！?/p>

圖 | PNNL 開發(fā)設(shè)計的螺旋微通道反應(yīng)器（來源：Pacific Northwest National Laboratory 官網(wǎng)）

針對新型發(fā)生器在實際應(yīng)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(yīng)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(zhì)，這些碳雜質(zhì)會顯著影響燃料電池等應(yīng)用的使用壽命，而為了除去這些碳雜質(zhì)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(shè)備的小型化提出挑戰(zhàn)?！?/p>

目前在新能源汽車領(lǐng)域氫動能汽車的數(shù)量遠低于純電動汽車數(shù)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(xiàn)成的完善的供給系統(tǒng)。

氫能是一條完整的產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)，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(shù)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(jù)各自的喜好來決定汽車的種類。總體來說，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(lǐng)域應(yīng)用（來源：Pixabay 官網(wǎng)）

氫能戰(zhàn)略與技術(shù)居于領(lǐng)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(jīng)濟正在變得更加敏感，為應(yīng)對持續(xù)的經(jīng)濟和環(huán)境挑戰(zhàn)和對清潔電力，燃料和其他產(chǎn)品的需求。

同時，過去十年已經(jīng)證明了需要全新的戰(zhàn)略來保障美國的經(jīng)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(jīng)濟增長的道路。

但實現(xiàn)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(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。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(xiàn)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(guān)規(guī)劃和文件，明確了氫能發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)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(shù)經(jīng)濟目標。

圖 | 氫能源系統(tǒng)圖（來源：美國能源部官網(wǎng)）

《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(zhuǎn)化相關(guān)技術(shù)（包括燃料電池和燃氣輪機），并解決機構(gòu)和市場壁壘，最終實現(xiàn)跨應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛部署?！痹撚媱潓⒗枚鄻踊膰鴥?nèi)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(yīng)。

氫能無限潛力與廣闊市場 — 中國

中國政府已經(jīng)確立了要在 2060 年實現(xiàn)碳中和的目標， 未來幾十年氫能可以在綠色能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的一席地位。

中國是世界第一大產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)工藝上存在技術(shù)落后，核心設(shè)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(jīng)在發(fā)達國家如美國、德國和日本開啟，他們已經(jīng)在包括氫的生產(chǎn)、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(yīng)該將氫能產(chǎn)業(yè)作為實現(xiàn) 2060 碳中綠色增長目標的一個關(guān)鍵領(lǐng)域，引領(lǐng)相關(guān)氫能的技術(shù)發(fā)展和成本的降低。