最近，美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 ( ) 開發(fā)了一種直徑約為 11 英寸的新型氫氣發(fā)生器，與微通道熱交換器結(jié)合使用時(shí)，可輕松在高速公路上使用。氫氣在服務(wù)區(qū)沿線現(xiàn)場生產(chǎn)。
這是一項(xiàng)利用常規(guī)天然氣或生物質(zhì)制成的可再生天然氣制氫的新技術(shù)，將有效加速現(xiàn)場制氫技術(shù)推向市場。
圖片 |新型氫氣發(fā)生器（來源：官網(wǎng)）
氫是綜合能源組合的一部分，可實(shí)現(xiàn)能源安全和彈性，并為各個(gè)行業(yè)提供多樣化的應(yīng)用價(jià)值和環(huán)境效益。多樣化、可持續(xù)和豐富的國內(nèi)資源對各國至關(guān)重要：
１）減少對單一或有限資源的依賴；
２）保持能源獨(dú)立并擴(kuò)大對資源的獲取；
３） 為未來的資源使用和可能的變化情況做好準(zhǔn)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，在全球范圍內(nèi)有非常完善的天然氣輸送管道，因此它是最普遍的能源形式之一。
另外，為了未來能源的可持續(xù)性，天然氣的主要成分甲烷可以作為能源的載體之一，與二氧化碳相互轉(zhuǎn)化，形成能源的良性循環(huán)。
然而，化石能源的利用效率通常受限于卡諾效率，難以實(shí)現(xiàn)更高的資源利用率。相比之下，氫燃料電池可以通過化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)更高效的燃料利用過程。
天然氣中富含氫氣，可作為氫氣載體。因此，在天然氣管道附近配備天然氣重整制氫的氫氣發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)快速便捷的現(xiàn)場制氫過程。該設(shè)備為更高效的能源利用過程提供氫氣。
天然氣重整制氫是一個(gè)大規(guī)模的化學(xué)過程，也是美國等國家主要的制氫方法。復(fù)旦大學(xué)研究員龔明告訴深科：“在大規(guī)模的情況下，制氫設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)很高的能源效率，但對于現(xiàn)場制氫的小型化和分散式制氫場景，能源效率是由于傳質(zhì)造成的。傳熱等過程的局限性使其難以實(shí)現(xiàn)最大效率。這推動了太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)這種新型氫氣發(fā)生器?！?/p>
圖片 |氫能網(wǎng)站（來源：官網(wǎng)）
該氫氣發(fā)生器利用甲烷重整過程產(chǎn)生氫氣，通過甲烷和水在高溫下反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳或二氧化碳。在現(xiàn)場制氫的應(yīng)用場景中，反應(yīng)器采用螺旋反應(yīng)器的形式，加強(qiáng)反應(yīng)過程中的傳質(zhì)和傳熱過程，使反應(yīng)物受熱均勻、充分混合，從而大大提高了整體能源利用效率。
螺旋物體是自然界中經(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式之一。因此，螺旋反應(yīng)器的設(shè)計(jì)非常巧妙，也促進(jìn)了新型反應(yīng)器形式的發(fā)展。設(shè)計(jì)。
由 PNNL 開發(fā)的氫氣發(fā)生器已授權(quán)給科技初創(chuàng)公司 STARS。在增材制造工藝方面，也獲得了STARS TC和天然氣分銷公司的許可，上述螺旋反應(yīng)器設(shè)計(jì)也獲得了獨(dú)家許可。
“這種微通道技術(shù)的一個(gè)近期用途是為燃料電池電動汽車制造氫氣，”研發(fā)高級總監(jiān) Uri 說。
“由于該技術(shù)占地面積小，并且大大提高了將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣的過程的效率，它使氫氣更清潔且更易于運(yùn)輸——您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，這是朝著實(shí)現(xiàn)到 2045 年在我們的運(yùn)營和能源輸送中實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放的目標(biāo)邁出的重要一步。
這項(xiàng)技術(shù)可以極大地改變加利福尼亞州氫氣的生產(chǎn)和使用，推動實(shí)現(xiàn)加利福尼亞州的氣候目標(biāo)并滿足我們的客戶。 "
圖 |制氫蒸汽-甲烷重整反應(yīng)器3D“打印”技術(shù)（來源：官網(wǎng)）
新型反應(yīng)器更面向現(xiàn)場制氫應(yīng)用場景，以3D打印形式創(chuàng)新制備螺旋反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)高通量反應(yīng)器制造工藝。該裝置與流行的天然氣管道相結(jié)合便攜式車用氫氧發(fā)生器，避免了氫氣的集中儲存，同時(shí)通過反應(yīng)器的小型化和分散化降低了安全隱患。
“將這些小型、高效、大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)視為類似于電網(wǎng)變壓器的‘化學(xué)變壓器’便攜式車用氫氧發(fā)生器，”STARS TC 總裁兼該技術(shù)的發(fā)明者 Bob 說。 “它們可以放置在天然氣分配系統(tǒng)中的任何位置，因此通過向站點(diǎn)供應(yīng)符合現(xiàn)場需求的廉價(jià)氫氣，它就變成了一個(gè)‘氫氣網(wǎng)’?！?/p>
最近，PNNL、STARS TC 和 STARS TC 合作改進(jìn)了制氫系統(tǒng)和螺旋微通道設(shè)計(jì)。 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、創(chuàng)造幾乎不可能用鑄造或機(jī)械加工工藝創(chuàng)造的幾何形狀以及消除耗時(shí)的制造步驟來降低制造成本?！痹搶＠夹g(shù)包括一種在設(shè)備內(nèi)構(gòu)建結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)熱傳遞的獨(dú)特方法。它還可以使材料涂上或浸漬催化劑，從而加快化學(xué)物質(zhì)向能量的轉(zhuǎn)化?！?/p>
圖片 | PNNL研發(fā)設(shè)計(jì)的螺旋微通道反應(yīng)器（來源：官網(wǎng)）
針對新型發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題和挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)研究員龔明表示：“主要有兩點(diǎn)：
第一點(diǎn)，反應(yīng)器是基于天然氣重整制氫，所以使用場景必須靠近天然氣輸送管道或天然氣用戶。
第二點(diǎn)，新發(fā)電機(jī)制氫，但仍采用天然氣重整制氫，所以氫氣中必然含有少量碳雜質(zhì)。這些碳雜質(zhì)將顯著影響燃料電池等應(yīng)用的使用壽命。為了去除這些碳雜質(zhì)，必須在尾端進(jìn)行變壓吸附或選擇性吸附，這對發(fā)電機(jī)整體設(shè)備的小型化提出了挑戰(zhàn)。 "
目前，新能源汽車領(lǐng)域的氫動能汽車保有量遠(yuǎn)低于純電動汽車保有量。主要原因是氫能不同于化石能源，也不同于電力系統(tǒng)。它不存在于自然界，也不存在于自然界?，F(xiàn)成的完整供應(yīng)系統(tǒng)。
氫能是一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，需要“生產(chǎn)、儲存、運(yùn)營、使用”四個(gè)環(huán)節(jié)同步開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要一定的時(shí)間積累。就目前的情況而言，氫動能汽車會比電動汽車稍微貴一點(diǎn)，這可能是氫動力汽車數(shù)量少的原因。
未來的發(fā)展方向一定是氫動力汽車和純電動汽車的聯(lián)合發(fā)展。兩者都有自己的優(yōu)勢。消費(fèi)者會根據(jù)自己的喜好來決定車輛的類型。總的來說，氫能汽車會更適合大型車市場，而電動車更適合小型車市場。
圖片 |氫能在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（來源：官網(wǎng)）
氫能戰(zhàn)略和技術(shù)處于領(lǐng)先地位——美國
2020 年 11 月 12 日，美國能源部 (DOE) 發(fā)布了《氫能項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃》報(bào)告。策略計(jì)劃。美國經(jīng)濟(jì)對持續(xù)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)以及對清潔電力、燃料和其他產(chǎn)品的需求變得越來越敏感。
與此同時(shí)，過去十年表明需要全新的戰(zhàn)略來保障美國的經(jīng)濟(jì)和能源安全以及保護(hù)環(huán)境。作為一種多功能燃料，氫氣為可持續(xù)經(jīng)濟(jì)增長提供了一條途徑。
但要實(shí)現(xiàn)氫的真正潛力，需要致力于持續(xù)研發(fā)和全面部署私營部門以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。與其他燃料不同，氫能需要更多地整合化石能源、核能和可再生能源系統(tǒng)，并采用綜合方法來充分發(fā)揮氫的潛力和優(yōu)勢。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，美國能源部 (DOE) 制定了氫能計(jì)劃發(fā)展計(jì)劃。
本報(bào)告更新了能源部2002年發(fā)布的《國家氫能路線圖》和2004年啟動的《氫能行動計(jì)劃》中提出的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，規(guī)劃和文件明確了關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域、實(shí)際需求和氫能發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和研發(fā)重點(diǎn)，提出了氫能發(fā)展規(guī)劃的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。
