3Dプリンティングスパイラルリアクターを使用して高速道路に沿って現場で水素を生成する新しい水素製造技術が登場

最近、米国エネルギー省のパシフィックノースウェスト国立研究所は、直径約11インチの新しいタイプの水素発生器を開発しました。これをマイクロチャネル熱交換器と組み合わせると、現場で水素を簡単に生成できます。高速道路サービスエリア。

水素は包括的なエネルギーポートフォリオの一部であり、エネルギーのセキュリティと回復力を実現し、セクター間でさまざまなアプリケーションの価値と環境上のメリットを提供できます。多様で持続可能で豊富な国内資源は国にとって不可欠です。

1）単一または限られたリソースへの依存を減らします。

2）エネルギーの独立性を維持し、資源へのアクセスを拡大する。

3）リソースの将来の使用と考えられる変更シナリオに備えます。

高い資源利用は世界の持続可能な開発の重要な前提条件であり、天然ガスは地球上で最も豊富な炭素ベースの資源の1つであり、私たちの生活で広く使用されており、世界中に非常に健全な天然ガス輸送パイプラインが建設されています、だからそれはエネルギーの最も人気のある形の一つです。

また、将来のエネルギーの持続可能性のために、天然ガスの主成分であるメタンをエネルギーのキャリアの一つとして利用することができ、それと二酸化炭素との間の相互変換は、エネルギーの好循環を構成することができます。

しかし、化石エネルギーの利用効率は通常カルノーの効率によって制限されており、より高い資源利用を達成することは困難です。対照的に、水素燃料電池は、化学エネルギーと電気エネルギーの間の相互変換を通じて、より効率的な燃料使用プロセスを実現できます。

天然ガスは水素が豊富で、水素の担体として利用できるため、天然ガスパイプライン付近の天然ガス改質による水素製造用水素発生器は、迅速で便利な現場水素製造プロセスを実現し、水素を供給します。より効率的なエネルギー利用プロセスを達成するために、水素燃料セルによって駆動される機器。

天然ガス改質による水素製造は大規模な化学プロセスであり、現在、米国およびその他の国々で主要な水素製造方法となっています。復旦大学の研究者であるGongMing氏は、Deep Techに次のように述べています。「大規模な水素製造装置の場合、高いエネルギー効率を実現できます。ただし、現場での水素製造の小型化および分散型水素製造シナリオでは、エネルギー効率は質量伝達によるものです。熱伝達やその他のプロセスの制限により、究極の効率を達成することは困難です。これにより、北西太平洋国立研究所はこの新しいタイプの水素発生器を開発しました。」



この水素発生器は、メタン改質のプロセスを使用して水素を生成します。水素は、高温でのメタンと水の反応によって水素と一酸化炭素または二酸化炭素を生成します。オンサイト水素製造のアプリケーションシナリオでは、反応器はスパイラル反応器の形式を使用して、反応プロセスの質量および熱伝達プロセスを強化し、反応物が均一に完全に混合されて加熱され、それによって全体のエネルギーが大幅に向上します。利用効率。

らせん状の物体は、自然界によく見られる幾何学的形状の1つであり、単位体積あたりの表面積を最も多く利用する形状の1つでもあるため、反応器内のらせん状反応器の設計は非常に巧妙です。 、これはまた、新しいタイプの反応器の設計を促進します。

PNNLが開発した水素発生器は、技術系新興企業であるSTARS TechnologyCorporationにライセンス供与されています。アディティブマニュファクチャリングプロセスに関しては、STARS TCおよびSoCalGasからもライセンス供与されています。SoCalGasは天然ガス流通会社です。上記のスパイラルリアクターの設計も、SoCalGasから独占的にライセンス供与されています。

「このマイクロチャネル技術の最近の使用法の1つは、燃料電池電気自動車用の水素を製造することです」と、SoCalGasの研究開発担当シニアディレクターであるYuriFriedmanは述べています。

「この技術は設置面積が小さく、天然ガスを水素に変換するプロセスの効率を大幅に向上させるため、水素をよりクリーンで輸送しやすくします。近くの天然ガスパイプラインでどこでも水素を生成できます。私たちSoCalGasにとって、これは2045年までに事業とエネルギー供給において正味ゼロの温室効果ガス排出を達成するという私たちの目標を達成するための重要なステップ。

このテクノロジーは、カリフォルニアでの水素の生産と使用を大きく変える可能性があり、SoCalGasをカリフォルニアの気候目標に向けて取り組み、お客様を満足させることができます。 「」



新しい反応器は、現場での水素製造のアプリケーションシナリオをより重視しており、スパイラル反応器は革新的に3D印刷の形で準備されており、ハイスループットの反応器製造プロセスを実現できます。人気のある天然ガスパイプラインと組み合わせた装置は、水素の集中貯蔵を回避すると同時に、原子炉の小型化と分散化を通じて潜在的な安全上のリスクを軽減します。

「これらの小型で高効率の大量生産された発電機は、グリッド上の変圧器に似た「化学変圧器」と考えてください」と、STARSTCの社長で技術の発明者であるBobWegengは述べています。 「天然ガス配給システムのどこにでも配置できるため、ガソリンスタンドにサイトのニーズに合った安価な水素を提供することで、「水素グリッド」になります。」

最近、PNNL、STARS TC、およびSoCalGasが協力して、水素製造システムとスパイラルマイクロチャネル設計を改善しました。 PNNLの技術商業化マネージャーであるSaraHunt氏は、次のように述べています。「この積層造形プロセスは、部品を削減し、鋳造や機械加工プロセスではほとんど作成できない幾何学的形状を形成し、時間のかかる製造ステップを排除することで、製造コストを削減します。」特許技術には次のものが含まれます。熱伝達を強化するためにデバイス内に構造を構築する独自の方法。また、材料を触媒でコーティングまたは含浸することを可能にし、それによって化学物質のエネルギーへの変換速度を加速します。」




新しい発電機が実際のアプリケーションで遭遇する可能性のある問題と課題を考慮して、「2つの主要なポイントがあります。

最初のポイントは、反応器が水素を生成するための天然ガス改質に基づいているため、使用シナリオは天然ガスパイプラインまたは天然ガスユーザーに近い必要があるということです。

2つ目は、新しい発電機は水素を生成しますが、それでも天然ガス改質を使用して水素を生成するため、水素には少量の炭素不純物が含まれている必要があります。これらの炭素不純物は、燃料電池やその他のアプリケーションの寿命に大きく影響します。これらの炭素不純物を除去するためには、圧力スイング吸着またはテールエンドでの選択的吸着が発電機装置全体の小型化に課題をもたらす必要があります。 「」

現在、新エネルギー車の分野における水素運動エネルギー車の数は、純粋な電気自動車の数よりもはるかに少ないです。主な理由は、水素エネルギーが化石エネルギーとは異なり、電力システムとは異なるためです。自然界に存在し、既成の完璧さはありません。供給システム。

水素エネルギーは完全な産業チェーンシステムであり、「生産、貯蔵、輸送、使用」の4つの主要なリンクの同時開発とインフラストラクチャの構築が必要です。蓄積にはある程度の時間がかかります。現在の状況では、水素動的エネルギー車は電気自動車よりも優れています。車の価格は少し高いので、水素車の数が少ないのかもしれません。

今後の開発の方向性は、水素運動エネルギー車と純電気自動車の共同開発であり、どちらにもメリットがあり、消費者は自分の好みに合わせて車種を決める。一般的に言えば、水素自動車は大型車の市場に向けられ、電気自動車は小型車の市場に向けられます。


水素戦略と技術の主導的地位-米国

2020年11月12日、米国エネルギー省（DOE）は、「水素エネルギープログラム開発計画」レポートを発表しました。このレポートは、米国が水素エネルギーの研究、開発、および実証のための全体的な戦略計画を確立すると述べています。次の10年またはそれ以上。米国経済は、継続的な経済的および環境的課題と、クリーンな電気、燃料、およびその他の製品の需要に対応して、より敏感になっています。

同時に、過去10年間は、米国経済とエネルギー安全保障を保護し、環境を保護するために新しい戦略が必要であることを証明しました。多機能燃料として、水素は持続可能な経済成長への道を提供します。

しかし、水素の真の可能性を実現するには、規模の経済を達成するために、継続的な研究開発への取り組みと、民間部門への全面的な展開が必要です。他の燃料とは異なり、水素エネルギーは化石、原子力、再生可能エネルギーシステムのより多くの統合を必要とし、水素の完全な可能性と利点を実現するために統合されたアプローチが必要です。

この課題に対処するために、米国エネルギー省（DOE）は水素エネルギープログラム開発計画を策定しました。

この報告書は、2002年にDOEが発行した「国家水素エネルギーロードマップ」と2004年に開始された「水素エネルギー行動計画」で提案された水素エネルギー戦略計画を、さまざまなDOE部門が発行した水素エネルギー関連計画と文書を考慮して更新しています。水素エネルギーの開発において直面する主要な技術分野、実際のニーズと課題、および研究開発の焦点を明確にし、水素エネルギー開発計画の主要な技術的および経済的目標を提示しました。



「水素エネルギープログラム開発計画」レポートは次のように述べています。「DOE「水素エネルギープログラム」の使命は、水素エネルギー変換技術（燃料電池とガスタービンを含む）を研究、開発、検証し、最終的に制度的および市場の障壁を解決することです。この計画では、多様な国内資源を使用して水素エネルギーを開発し、豊富で信頼性が高く、手頃な価格のクリーンエネルギー供給を確保します。