近日，美國(guó)能源部下屬的西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）開(kāi)發(fā)出一種新型氫氣發(fā)生器，其直徑約為 11 英寸，當(dāng)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(chǎng)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(chǎng)制氫技術(shù)加速推向市場(chǎng)。

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

氫是綜合能源組合的一部分，可以實(shí)現(xiàn)能源的安全性和彈性，并提供跨部門的不同應(yīng)用價(jià)值和環(huán)境效益。多樣、可持續(xù)、豐富的國(guó)內(nèi)資源對(duì)國(guó)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(dú)立并擴(kuò)大獲取資源的機(jī)會(huì)；

３）為未來(lái)資源的使用和可能出現(xiàn)的變化情景做好準(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(duì)未來(lái)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(shí)現(xiàn)更高的資源利用率。相比之下，氫燃料電池能夠通過(guò)化學(xué)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)更高效率的燃料使用過(guò)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(shí)現(xiàn)快速便捷的現(xiàn)場(chǎng)制氫過(guò)程，為氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備供給氫氣，以實(shí)現(xiàn)更高效的能量利用過(guò)程。

天然氣重整制氫是一個(gè)規(guī)?；幕み^(guò)程，也是現(xiàn)在美國(guó)等國(guó)家主要的制氫方式。復(fù)旦大學(xué)研究員龔鳴告訴 Deep Tech：“在規(guī)模化的情況下，制氫設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較高的能量效率，然而面向現(xiàn)場(chǎng)制氫這種小型化分散式的制氫場(chǎng)景，能量效率卻因?yàn)閭髻|(zhì)傳熱等過(guò)程的局限性難以達(dá)到極致效率。這就驅(qū)動(dòng)了西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出此款新型氫氣發(fā)生器?！?/p>

圖 | 氫能現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)（來(lái)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(guò)程，通過(guò)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(chǎng)制氫的應(yīng)用場(chǎng)景，該反應(yīng)器利用了螺旋反應(yīng)器的形式加強(qiáng)了反應(yīng)過(guò)程中傳質(zhì)傳熱過(guò)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(jì)非常巧妙，也推動(dòng)了新型反應(yīng)器形式的設(shè)計(jì)。

PNNL 開(kāi)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(jì)也獲得 SoCalGas 獨(dú)家授權(quán)。

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

“因?yàn)檫@項(xiàng)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(guò)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(duì)于我們 SoCalGas ，這是實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)的重要一步，即到 2045 年在我們的運(yùn)營(yíng)和能源交付中實(shí)現(xiàn)凈零溫室氣體排放。

這項(xiàng)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(dòng) SoCalGas 努力加利福尼亞的氣候目標(biāo)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(lái)源：Pacific Northwest National Laboratory 官網(wǎng)）

新型反應(yīng)器更多地面向現(xiàn)場(chǎng)制氫的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高通量的反應(yīng)器制造過(guò)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(chǔ)存，同時(shí)通過(guò)反應(yīng)器的小型化和分散化降低潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

“將這些小型、高效、批量生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)視為類似于電網(wǎng)上的變壓器的‘化學(xué)變壓器’，”STARS TC 總裁兼該技術(shù)的發(fā)明者 Bob Wegeng 說(shuō)。“它們可以放置在天然氣分配系統(tǒng)的任何地方，因此通過(guò)為加油站提供與現(xiàn)場(chǎng)需求相匹配的廉價(jià)氫氣，它就變成了一個(gè)‘氫氣網(wǎng)格’。”

最近，PNNL、STARS TC 和 SoCalGas 共同合作改進(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(shuō)：“這種增材制造工藝通過(guò)減少零件、形成鑄造或機(jī)加工工藝幾乎不可能創(chuàng)建的幾何形狀以及消除時(shí)間密集型制造步驟來(lái)降低制造成本。” “這項(xiàng)專利技術(shù)包括在設(shè)備內(nèi)構(gòu)建結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)熱傳遞的獨(dú)特方法。它還使材料能夠涂覆或浸漬催化劑，從而加快化學(xué)轉(zhuǎn)化為能量的速度。”

圖 | PNNL 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的螺旋微通道反應(yīng)器（來(lái)源：Pacific Northwest National Laboratory 官網(wǎng)）

針對(duì)新型發(fā)生器在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)遇到的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，復(fù)旦大學(xué)研究員龔鳴告訴 DeepTech：“主要有兩點(diǎn)：

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

第二點(diǎn)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(huì)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(jìn)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)。”

目前在新能源汽車領(lǐng)域氫動(dòng)能汽車的數(shù)量遠(yuǎn)低于純電動(dòng)汽車數(shù)量，究其原因主要是因?yàn)闅淠懿煌诨茉矗膊煌陔娏ο到y(tǒng)，它不存在于天然界，也沒(méi)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(chǔ)、運(yùn)、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(shí)間積累，而且就目前的情況來(lái)說(shuō)氫動(dòng)能汽車會(huì)比電動(dòng)汽車的價(jià)格要略昂貴一些，這些可能是氫動(dòng)能汽車數(shù)量較少的原因。

未來(lái)的發(fā)展方向必然是氫動(dòng)能汽車和純電動(dòng)車攜手發(fā)展的形式，這兩者有著各自的優(yōu)勢(shì)，消費(fèi)者會(huì)根據(jù)各自的喜好來(lái)決定汽車的種類。總體來(lái)說(shuō)，氫能汽車會(huì)更多面向大型車輛的市場(chǎng)，而電動(dòng)車更多面向小型車輛的市場(chǎng)。

圖 | 氫能在新能源領(lǐng)域應(yīng)用（來(lái)源：Pixabay 官網(wǎng)）

氫能戰(zhàn)略與技術(shù)居于領(lǐng)先地位 — 美國(guó)

2020 年 11 月 12 日，美國(guó)能源部（DOE）發(fā)布了《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》報(bào)告，報(bào)告指出美國(guó)將在未來(lái)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)期針對(duì)氫能建立研究、開(kāi)發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略規(guī)劃。美國(guó)經(jīng)濟(jì)正在變得更加敏感，為應(yīng)對(duì)持續(xù)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境挑戰(zhàn)和對(duì)清潔電力，燃料和其他產(chǎn)品的需求。

同時(shí)，過(guò)去十年已經(jīng)證明了需要全新的戰(zhàn)略來(lái)保障美國(guó)的經(jīng)濟(jì)和能源安全以及保護(hù)環(huán)境。氫作為一種多功能燃料，提供了可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的道路。

但實(shí)現(xiàn)氫氣的真正潛力需要致力于繼續(xù)進(jìn)行研究和發(fā)展以及私在營(yíng)部門全方位部署，以實(shí)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(gè)綜合方法實(shí)現(xiàn)氫氣的全部潛力和益處。

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

該報(bào)告更新了 DOE 在 2002 年發(fā)布的《國(guó)家氫能路線圖》以及 2004 年開(kāi)啟的 “氫能行動(dòng)計(jì)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(shí)際需求和面臨的挑戰(zhàn)以及研發(fā)重點(diǎn)，并提出了氫能發(fā)展規(guī)劃的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

圖 | 氫能源系統(tǒng)圖（來(lái)源：美國(guó)能源部官網(wǎng)）

《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》報(bào)告中表明：“DOE ‘氫能計(jì)劃’ 使命是研究、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證氫能轉(zhuǎn)化相關(guān)技術(shù)（包括燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)），并解決機(jī)構(gòu)和市場(chǎng)壁壘，最終實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛部署?！痹撚?jì)劃將利用多樣化的國(guó)內(nèi)資源開(kāi)發(fā)氫能，以確保豐富、可靠且可負(fù)擔(dān)的清潔能源供應(yīng)。

氫能無(wú)限潛力與廣闊市場(chǎng) — 中國(guó)

中國(guó)政府已經(jīng)確立了要在 2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)， 未來(lái)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(guó)是世界第一大產(chǎn)氫國(guó)，但是我國(guó)的國(guó)情是富煤缺油少氣，我國(guó)的制氫方式大多數(shù)并非通過(guò)天然氣重整制氫，而是通過(guò)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(jiān)持使用化石能源作為原料的話還會(huì)產(chǎn)生新的污染和耗能的問(wèn)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(guó)外引進(jìn)，制氫成本高昂，原料來(lái)源單一。

從全世界范圍來(lái)看，一場(chǎng)氫能革命已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)和日本開(kāi)啟，他們已經(jīng)在包括氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用上采用公私合作的方式有效地開(kāi)展具體的項(xiàng)目，而我們的政府也應(yīng)該將氫能產(chǎn)業(yè)作為實(shí)現(xiàn) 2060 碳中綠色增長(zhǎng)目標(biāo)的一個(gè)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。