全新制氢技术问世采用3D打印螺旋反应器可在公路沿线现场制氢

近日,美国能源部下属的西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)开发出一种新型氢气发生器,其直径约为 11 英寸,当它与微通道热交换器相结合,便可以轻松地在公路服务区沿线现场生产氢气。

这是一种从传统天然气或由生物物质制成的可再生天然气产生氢气的新技术,它将有效地把现场制氢技术加速推向市场。

氢是综合能源组合的一部分,可以实现能源的安全性和弹性,并提供跨部门的不同应用价值和环境效益。多样、可持续、丰富的国内资源对国家而言至关重要:

高资源利用率是全球可持续发展的重要前提,而天然气是地球上最丰富的碳基资源形式之一,广泛应用于我们的生活中,而且全球范围内建有非常健全的天然气输送管道,因此它是最具普及性的能源形式之一。

另外,针对未来能源的可持续性,天然气主要成分甲烷可以作为能源的载体之一,它与二氧化碳之间的相互转换可以构成能源的一种良性循环。

然而,化石能源的使用效率通常收到卡诺效率的限制,难以实现更高的资源利用率。相比之下,氢燃料电池能够通过化学能和电能之间的相互转化实现更高效率的燃料使用过程。

天然气中含有丰富的氢,可以作为一种氢的载体,因而在天然气管道附近配备天然气重整制氢的氢气发生器就可以实现快速便捷的现场制氢过程,为氢燃料电池驱动的设备供给氢气,以实现更高效的能量利用过程。

天然气重整制氢是一个规模化的化工过程,也是现在美国等国家主要的制氢方式。复旦大学研究员龚鸣告诉 Deep Tech:“在规模化的情况下,制氢设备可以实现较高的能量效率,然而面向现场制氢这种小型化分散式的制氢场景,能量效率却因为传质传热等过程的局限性难以达到极致效率。这就驱动了西北太平洋国家实验室研发出此款新型氢气发生器。”

此款氢气发生器利用的是甲烷重整制氢的过程,通过甲烷与水在高温下反应形成氢气和一氧化碳或二氧化碳。在面向现场制氢的应用场景,该反应器利用了螺旋反应器的形式加强了反应过程中传质传热过程,使得反应物受热均匀、混合充分,从而大大提高了总体能量利用效率。

螺旋状物体是大自然经常出现的几何形式之一,也是单位体积内表面积利用率最高的形态之一,因此反应器采用螺旋状反应器设计非常巧妙,也推动了新型反应器形式的设计。

PNNL 开发的氢气发生器已经授权给 STARS Technology Corporation,这是一家技术初创公司。在增材制造工艺方面,它也获得 STARS TC 和 SoCalGas 的许可,SoCalGas 是一家天然气配送公司,上述提到的螺旋反应器设计也获得 SoCalGas 独家授权。

“这种微通道技术近期的一个用途是为燃料电池电动汽车制造氢气,”SoCalGas 研发高级总监尤里弗里德曼说。

“因为这项技术占地面积小,并大大提高了将天然气转化为氢气的过程的效率,它使氢气更清洁、更容易输送 —— 你可以在附近有天然气管道的任何地方生产氢气。对于我们 SoCalGas ,这是实现我们的目标的重要一步,即到 2045 年在我们的运营和能源交付中实现净零温室气体排放。

这项技术可以极大地改变加利福尼亚的氢气生产和使用,推动 SoCalGas 努力加利福尼亚的气候目标以及满足我们的客户。”

新型反应器更多地面向现场制氢的应用场景,而且创新地采用 3D 打印的形式制备螺旋反应器,可实现高通量的反应器制造过程。该设备结合普及的天然气管道避免了氢气的集中式储存,同时通过反应器的小型化和分散化降低潜在的安全风险。

“将这些小型、高效、批量生产的发电机视为类似于电网上的变压器的‘化学变压器’,”STARS TC 总裁兼该技术的发明者 Bob Wegeng 说。“它们可以放置在天然气分配系统的任何地方,因此通过为加油站提供与现场需求相匹配的廉价氢气,它就变成了一个‘氢气网格’。”

最近,PNNL、STARS TC 和 SoCalGas 共同合作改进了制氢系统和螺旋微通道设计。PNNL 的技术商业化经理 Sara Hunt 说:“这种增材制造工艺通过减少零件、形成铸造或机加工工艺几乎不可能创建的几何形状以及消除时间密集型制造步骤来降造成本。” “这项专利技术包括在设备内构建结构以增强热传递的独特方法。它还使材料能够涂覆或浸渍催化剂,从而加快化学转化为能量的速度。”

针对新型发生器在实际应用中可能会遇到的问题和挑战,复旦大学研究员龚鸣告诉 DeepTech:“主要有两点:

第一点是该反应器是基于天然气重整制氢,因而使用场景必须临近天然气输送管道或天然气使用方。

第二点新型发生器制氢,但依旧采用天然气重整制氢,使得氢气中必然含有少量的碳杂质,这些碳杂质会显著影响燃料电池等应用的使用寿命,而为了除去这些碳杂质必须在尾端进行变压吸附或选择性吸附,为此发生器总体设备的小型化提出挑战。”

目前在新能源汽车领域氢动能汽车的数量远低于纯电动汽车数量,究其原因主要是因为氢能不同于化石能源,也不同于电力系统,它不存在于天然界,也没有现成的完善的供给系统。

氢能是一条完整的产业链系统,需要 “制、储、运、用” 四大环节同步的发展和基础设施建设,需要一定的时间积累,而且就目前的情况来说氢动能汽车会比电动汽车的价格要略昂贵一些,这些可能是氢动能汽车数量较少的原因。

未来的发展方向必然是氢动能汽车和纯电动车携手发展的形式,这两者有着各自的优势,消费者会根据各自的喜好来决定汽车的种类。总体来说,氢能汽车会更多面向大型车辆的市场,而电动车更多面向小型车辆的市场。

2020 年 11 月 12 日,美国能源部(DOE)发布了《氢能计划发展规划》报告,报告指出美国将在未来十年甚至更长时期针对氢能建立研究、开发和示范的总体战略规划。美国经济正在变得更加敏感,为应对持续的经济和环境挑战和对清洁电力,燃料和其他产品的需求。

同时,过去十年已经证明了需要全新的战略来保障美国的经济和能源安全以及保护环境。氢作为一种多功能燃料,提供了可持续的经济增长的道路。

但实现氢气的真正潜力需要致力于继续进行研究和发展以及私在营部门全方位部署,以实现规模效应。与其他燃料不同,氢能需要更多的整合化石,核能和可再生能源系统,并且需要一个综合方法实现氢气的全部潜力和益处。

该报告更新了 DOE 在 2002 年发布的《国家氢能路线 年开启的 “氢能行动计划” 中提出的氢能战略规划,综合考虑了 DOE 不同部门发布的氢能相关规划和文件,明确了氢能发展中的关键技术领域、实际需求和面临的挑战以及研发重点,并提出了氢能发展规划的主要技术经济目标。

《氢能计划发展规划》报告中表明:“DOE ‘氢能计划’ 使命是研究、开发和验证氢能转化相关技术(包括燃料电池和燃气轮机),并解决机构和市场壁垒,最终实现跨应用领域的广泛部署。”该计划将利用多样化的国内资源开发氢能,以确保丰富、可靠且可负担的清洁能源供应。

中国政府已经确立了要在 2060 年实现碳中和的目标, 未来几十年氢能可以在绿色能源结构中占据重要的一席地位。

中国是世界第一大产氢国,但是我国的国情是富煤缺油少气,我国的制氢方式大多数并非通过天然气重整制氢,而是通过煤制氢的方式取得,使用煤制氢拥有明显的低成本特色。

但如果坚持使用化石能源作为原料的话还会产生新的污染和耗能的问题,也是一种不可持续的方式。另外在制氢生产工艺上存在技术落后,核心设备需要从国外引进,制氢成本高昂,原料来源单一。

从全世界范围来看,一场氢能革命已经在发达国家如美国、德国和日本开启,他们已经在包括氢的生产、储存、运输和利用上采用公私合作的方式有效地开展具体的项目,而我们的政府也应该将氢能产业作为实现 2060 碳中绿色增长目标的一个关键领域,引领相关氢能的技术发展和成本的降低。

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