一項(xiàng)從傳統(tǒng)天然氣或從生物質(zhì)制成的可再生天然氣中產(chǎn)生氫氣的新技術(shù)，可能是推進(jìn)加州氫氣公路、燃料電池汽車(chē)和卡車(chē)以及創(chuàng)造其他有價(jià)值產(chǎn)品的下一個(gè)大事件。

美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)是，一個(gè)與通用卡寬度相當(dāng)?shù)奈⑿⊥ǖ溃糜趥鬟f熱量。這些微通道對(duì)于有效地將能量驅(qū)動(dòng)到化學(xué)反應(yīng)中至關(guān)重要，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，用于運(yùn)輸、發(fā)電和其他工業(yè)用途。

PNNL開(kāi)發(fā)的氫氣發(fā)生器被授權(quán)給華盛頓州里奇蘭的一家清潔技術(shù)初創(chuàng)公司STARS科技公司。氫氣發(fā)生器有兩項(xiàng)最近的創(chuàng)新，可能會(huì)降低氫氣的成本。個(gè)是一個(gè)新的增材制造工藝，已經(jīng)授權(quán)給STARS TC和SoCalGas--一家位于洛杉磯的天然氣分配公司，為加州中部和南部的2200萬(wàn)人口提供服務(wù)。第二個(gè)是一種新穎的螺旋式反應(yīng)器設(shè)計(jì)，可以更地分配熱量并提高反應(yīng)器的效率。這種設(shè)計(jì)是授權(quán)給SoCalGas的，限度地減少了生產(chǎn)氫氣所需的能量，同時(shí)提高了反應(yīng)器的耐用性和安全性。

這種微通道技術(shù)的一個(gè)近期用途是為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)制造氫氣，SoCalGas公司研發(fā)部高級(jí)主管Yuri Freedman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地方生產(chǎn)氫氣。對(duì)于我們 SoCalGas 來(lái)說(shuō)，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)溫室氣體的凈排放。這項(xiàng)技術(shù)可以極大地改變加州的氫氣生產(chǎn)和使用，推動(dòng)SoCalGas實(shí)現(xiàn)加州和我們客戶的氣候目標(biāo)。"

為氫氣基礎(chǔ)設(shè)施提供燃料

由于STARS技術(shù)可以在任何有天然氣的地方產(chǎn)生氫氣，開(kāi)發(fā)者說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)可以大大減少用特殊高壓管拖車(chē)運(yùn)輸氫氣的需要。消除公路運(yùn)輸可以改善公共安全，減少溫室氣體排放，并有助于使使用點(diǎn)制氫的成本與傳統(tǒng)燃料相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。

"把這些小型、高效、大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)想象成'化學(xué)變壓器'，類似于電網(wǎng)上的電力變壓器，它們可以被放置在天然氣分配系統(tǒng)的任何地方，因此它成為一個(gè)'氫氣網(wǎng)'，為加氣站提供廉價(jià)的氫氣，其數(shù)量與現(xiàn)場(chǎng)需求相匹配。"STARS TC的總裁和該技術(shù)的發(fā)明者Bob Wegeng說(shuō)道。

從甲烷中生產(chǎn)氫氣

宇宙中豐富的元素，氫，通常是其他化合物的一部分，如水或甲烷。天然氣主要由甲烷組成，是自然界有效的氫氣載體之一。使用天然氣的傳統(tǒng)氫氣生產(chǎn)過(guò)程有時(shí)會(huì)排放二氧化碳，并使用大量的能源--其中大部分能源來(lái)自碳排放源。但有了新的氫氣發(fā)生器，各種更有效的加熱方法，包括集中太陽(yáng)熱和感應(yīng)式太陽(yáng)能-電力加熱，可以用來(lái)加熱天然氣和水以打破化學(xué)鍵，比其他常見(jiàn)的甲烷制氫過(guò)程少排放30%的二氧化碳。

獲得許可的氫氣生產(chǎn)過(guò)程是非常高效的，減少了生產(chǎn)高價(jià)值化學(xué)品所需的熱能。甲烷和蒸汽通過(guò)緊湊的螺旋形微通道--厚度不超過(guò)幾毫米--這些通道迅速而均勻地將氣態(tài)混合物暴露在熱量中，從而推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，并從天然氣和水中釋放出氫氣。

由于氫氣可以以經(jīng)濟(jì)和清潔的方式生產(chǎn)，它很好地支持了加州的第8號(hào)議案，該議案每年投入高達(dá)2000萬(wàn)美元，支持在該州繼續(xù)建設(shè)至少100個(gè)氫氣燃料站。

今年春天，SoCalGas 將從 STARS TC 收到一臺(tái)氫氣發(fā)生器，其中包括六個(gè)小型模塊化反應(yīng)器--每個(gè)直徑約 10 英寸。STARS TC主要由前PNNL工作人員組成，其中一人是PNNL的微通道技術(shù)的原始發(fā)明者。

3D打印降低氫氣生產(chǎn)的成本

最近，PNNL、STARS TC和SoCalGas合作對(duì)制氫系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，包括螺旋式微通道設(shè)計(jì)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種新穎的工藝，使用3D打印方法來(lái)建造產(chǎn)氫化學(xué)反應(yīng)器。

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，形成幾乎不可能通過(guò)鑄造或機(jī)械加工工藝制造的幾何形狀，以及消除時(shí)間密集的制造步驟，降低了制造成本。"這項(xiàng)技術(shù)包括在設(shè)備內(nèi)建立結(jié)構(gòu)的特別方法，以加強(qiáng)熱傳導(dǎo)。它還使材料能夠被涂上或浸漬上催化劑，以加快化學(xué)轉(zhuǎn)化為能源的速度。"

另外，PNNL、SoCalGas和其他公司還在合作開(kāi)發(fā)新型化學(xué)反應(yīng)器，共同生產(chǎn)氫氣和固體碳材料，如碳纖維產(chǎn)品和碳納米管，這可以進(jìn)一步抵消無(wú)溫室氣體氫氣生產(chǎn)的成本。這與可再生天然氣的額外使用相結(jié)合，意味著這些反應(yīng)器系統(tǒng)可以幫助SoCalGas在2045年之前努力實(shí)現(xiàn)凈排放。

微通道技術(shù)制氫機(jī)的開(kāi)發(fā)得到了RAPID研究所和美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室的支持，包括氫氣和燃料電池技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)和先進(jìn)制造辦公室。

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