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

這是一種從(cong) 傳(chuan) 統天然氣或由生物物質製成的可再生天然氣產(chan) 生氫氣的新技術，它將有效地把現場製氫技術加速推向市場。

圖 | 新型氫氣發生器（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，並提供跨部門的不同應用價(jia) 值和環境效益。多樣、可持續、豐(feng) 富的國內(nei) 資源對國家而言至關(guan) 重要：

１）減少依賴單一或有限的資源；

２）保持能源獨立並擴大獲取資源的機會(hui) ；

３）為(wei) 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發展的重要前提，而天然氣是地球上最豐(feng) 富的碳基資源形式之一，廣泛應用於(yu) 我們(men) 的生活中，而且全球範圍內(nei) 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性，天然氣主要成分甲烷可以作為(wei) 能源的載體(ti) 之一，它與(yu) 二氧化碳之間的相互轉換可以構成能源的一種良性循環。

然而，化石能源的使用效率通常收到卡諾效率的限製，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(feng) 富的氫，可以作為(wei) 一種氫的載體(ti) ，因而在天然氣管道附近配備天然氣重整製氫的氫氣發生器就可以實現快速便捷的現場製氫過程，為(wei) 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。

天然氣重整製氫是一個(ge) 規模化的化工過程，也是現在美國等國家主要的製氫方式。複旦大學研究員龔鳴告訴 Deep Tech：“在規模化的情況下，製氫設備可以實現較高的能量效率，然而麵向現場製氫這種小型化分散式的製氫場景，能量效率卻因為(wei) 傳(chuan) 質傳(chuan) 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出此款新型氫氣發生器。”

圖 | 氫能現場站點（來源：Pixabay 官網）

此款氫氣發生器利用的是甲烷重整製氫的過程，通過甲烷與(yu) 水在高溫下反應形成氫氣和一氧化碳或二氧化碳。在麵向現場製氫的應用場景，該反應器利用了螺旋反應器的形式加強了反應過程中傳(chuan) 質傳(chuan) 熱過程，使得反應物受熱均勻、混合充分，從(cong) 而大大提高了總體(ti) 能量利用效率。

螺旋狀物體(ti) 是大自然經常出現的幾何形式之一，也是單位體(ti) 積內(nei) 表麵積利用率最高的形態之一，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 開發的氫氣發生器已經授權給 STARS Technology Corporation，這是一家技術初創公司。在增材製造工藝方麵，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(ge) 用途是為(wei) 燃料電池電動汽車製造氫氣，”SoCalGas 研發高級總監尤裏弗裏德曼說。

“因為(wei) 這項技術占地麵積小，並大大提高了將天然氣轉化為(wei) 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(chan) 氫氣。對於(yu) 我們(men) SoCalGas ，這是實現我們(men) 的目標的重要一步，即到 2045 年在我們(men) 的運營和能源交付中實現淨零溫室氣體(ti) 排放。

這項技術可以極大地改變加利福尼亞(ya) 的氫氣生產(chan) 和使用，推動 SoCalGas 努力加利福尼亞(ya) 的氣候目標以及滿足我們(men) 的客戶。”

圖 | 生產(chan) 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）

新型反應器更多地麵向現場製氫的應用場景，而且創新地采用 3D 打印的形式製備螺旋反應器，可實現高通量的反應器製造過程。該設備結合普及的天然氣管道避免了氫氣的集中式儲(chu) 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(chan) 的發電機視為(wei) 類似於(yu) 電網上的變壓器的‘化學變壓器’，”STARS TC 總裁兼該技術的發明者 Bob Wegeng 說。“它們(men) 可以放置在天然氣分配係統的任何地方，因此通過為(wei) 加油站提供與(yu) 現場需求相匹配的廉價(jia) 氫氣，它就變成了一個(ge) ‘氫氣網格’。”

最近，PNNL、STARS TC 和 SoCalGas 共同合作改進了製氫係統和螺旋微通道設計。PNNL 的技術商業(ye) 化經理 Sara Hunt 說：“這種增材製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建的幾何形狀以及消除時間密集型製造步驟來降低製造成本。” “這項專(zhuan) 利技術包括在設備內(nei) 構建結構以增強熱傳(chuan) 遞的獨特方法。它還使材料能夠塗覆或浸漬催化劑，從(cong) 而加快化學轉化為(wei) 能量的速度。”

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

針對新型發生器在實際應用中可能會(hui) 遇到的問題和挑戰，複旦大學研究員龔鳴告訴 DeepTech：“主要有兩(liang) 點：

第一點是該反應器是基於(yu) 天然氣重整製氫，因而使用場景必須臨(lin) 近天然氣輸送管道或天然氣使用方。

第二點新型發生器製氫，但依舊采用天然氣重整製氫，使得氫氣中必然含有少量的碳雜質，這些碳雜質會(hui) 顯著影響燃料電池等應用的使用壽命，而為(wei) 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(wei) 此發生器總體(ti) 設備的小型化提出挑戰。”

目前在新能源汽車領域氫動能汽車的數量遠低於(yu) 純電動汽車數量，究其原因主要是因為(wei) 氫能不同於(yu) 化石能源，也不同於(yu) 電力係統，它不存在於(yu) 天然界，也沒有現成的完善的供給係統。

氫能是一條完整的產(chan) 業(ye) 鏈係統，需要 “製、儲(chu) 、運、用” 四大環節同步的發展和基礎設施建設，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(hui) 比電動汽車的價(jia) 格要略昂貴一些，這些可能是氫動能汽車數量較少的原因。

未來的發展方向必然是氫動能汽車和純電動車攜手發展的形式，這兩(liang) 者有著各自的優(you) 勢，消費者會(hui) 根據各自的喜好來決(jue) 定汽車的種類。總體(ti) 來說，氫能汽車會(hui) 更多麵向大型車輛的市場，而電動車更多麵向小型車輛的市場。

圖 | 氫能在新能源領域應用（來源：Pixabay 官網）

氫能戰略與(yu) 技術居於(yu) 領先地位 — 美國

2020 年 11 月 12 日，美國能源部（DOE）發布了《氫能計劃發展規劃》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、開發和示範的總體(ti) 戰略規劃。美國經濟正在變得更加敏感，為(wei) 應對持續的經濟和環境挑戰和對清潔電力，燃料和其他產(chan) 品的需求。

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

但實現氫氣的真正潛力需要致力於(yu) 繼續進行研究和發展以及私在營部門全方位部署，以實現規模效應。與(yu) 其他燃料不同，氫能需要更多的整合化石，核能和可再生能源係統，並且需要一個(ge) 綜合方法實現氫氣的全部潛力和益處。

為(wei) 了滿足這一挑戰，美國能源部（DOE）製定了氫能計劃發展規劃。

該報告更新了 DOE 在 2002 年發布的《國家氫能路線圖》以及 2004 年開啟的 “氫能行動計劃” 中提出的氫能戰略規劃，綜合考慮了 DOE 不同部門發布的氫能相關(guan) 規劃和文件，明確了氫能發展中的關(guan) 鍵技術領域、實際需求和麵臨(lin) 的挑戰以及研發重點，並提出了氫能發展規劃的主要技術經濟目標。

圖 | 氫能源係統圖（來源：美國能源部官網）

《氫能計劃發展規劃》報告中表明：“DOE ‘氫能計劃’ 使命是研究、開發和驗證氫能轉化相關(guan) 技術（包括燃料電池和燃氣輪機），並解決(jue) 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(nei) 資源開發氫能，以確保豐(feng) 富、可靠且可負擔的清潔能源供應。

氫能無限潛力與(yu) 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(chan) 氫國，但是我國的國情是富煤缺油少氣，我國的製氫方式大多數並非通過天然氣重整製氫，而是通過煤製氫的方式取得，使用煤製氫擁有明顯的低成本特色。

但如果堅持使用化石能源作為(wei) 原料的話還會(hui) 產(chan) 生新的汙染和耗能的問題，也是一種不可持續的方式。另外在製氫生產(chan) 工藝上存在技術落後，核心設備需要從(cong) 國外引進，製氫成本高昂，原料來源單一。

從(cong) 全世界範圍來看，一場氫能革命已經在發達國家如美國、德國和日本開啟，他們(men) 已經在包括氫的生產(chan) 、儲(chu) 存、運輸和利用上采用公私合作的方式有效地開展具體(ti) 的項目，而我們(men) 的政府也應該將氫能產(chan) 業(ye) 作為(wei) 實現 2060 碳中綠色增長目標的一個(ge) 關(guan) 鍵領域，引領相關(guan) 氫能的技術發展和成本的降低。