Clean Planet公司：量子氢能反应器技术的前景与挑战
来源：
广东国能中林投资有限公司 日期：2024-07-31 1516 属于：行业动态
在全球能源转型和减少碳排放的背景下，氢能被视为未来清洁能源的重要组成部分。日本的Clean Planet公司在这一领域表现突出，主要研究氢气在金属纳米结构晶格中扩散并产生热能的技术。他们将其称为量子氢能（Quantum Hydrogen Energy, QHe）。这种创新技术利用量子力学原理实现高效的氢能转换，为未来的能源结构提供了一种可持续发展的解决方案。
一 技术概述与背景
量子氢能技术基于“通过加热镍基纳米复合金属材料中吸附的少量氢，触发氢的量子扩散并发生放热反应”的原理。尽管这一概念最早在1989年由美国犹他大学和英国南安普顿大学的研究人员提出，但当时的研究结果未能获得广泛认可，导致这一领域的研究一度停滞。近年来，Clean Planet与东北大学合作，重新推进了这一技术的发展。
图解：量子氢能是一种利用氢量子扩散的发热技术。这种扩散是通过加热纳米级镍基复合材料中的少量饱和氢引起的。（Clean Planet官网）
自2010年以来，美国、意大利和以色列等国家相继出现了一些专注于能源利用的初创企业，甚至包括谷歌等IT巨头也开始涉足这一领域。Clean Planet于2012年成立，并于2015年与日本东北大学电子光理学研究中心合作成立了“凝聚态核反应研究部”，在川崎市设立了实验室，专注于量子氢能的开发。由原三菱重工的科学家、东北大学教授岩村康弘领导，负责基础研究，而川崎实验室则专注于产品开发。
2019年，三菱地所和三浦工业投资了Clean Planet。2022年7月，三菱商事也加入了投资行列，推动研究向实用化发展。Clean Planet在全球22个国家提交了244项专利申请，已有9项获得授权，显示了其在凝聚态核反应领域的领先地位。该公司已开发出原型机，并计划在2030年前实现量产。
二 核心技术特点
量子氢能技术的一个显著特点是其高能量密度。理论上，QHe的能量密度可以达到传统化学反应的10000倍。这意味着，在相同质量的燃料下，量子氢能可以释放出远超传统能源的能量。例如，Clean Planet的实验数据显示，镍和铜基纳米结构材料在吸附轻氢后，通过加热实现了超出输入能量12倍的热量输出，并且这种输出能够持续约120天。尽管量子氢能的能量密度已达到核聚变理论值的两个数量级以下，但相对于氢燃烧的化学反应，量子氢能的能量密度仍达到了化学反应的万倍。
2. 无放射性排放
量子氢能的原理与国际热核聚变实验堆（ITER）类似。两者都利用氢原子的融合释放大量能量，然后通过热交换器提取热能。然而，热核聚变和量子氢能的反应体系有所不同。QHe主要是通过多体反应，其中三种以上的氢原子同时参与。这些反应的生成物经历核种转换，产生多种元素。Clean Planet的QHe技术相比热核聚变有几个显著优势：首先，QHe使用普通氢气而非氘或氚，因此在反应过程中不产生中子线或伽马射线等有害放射性物质。这不仅对环境更加友好，也大幅降低了对人类健康的潜在威胁。
3. 小型化和模块化设计
Clean Planet利用厚度为14纳米的镍和2纳米的铜多层叠加的芯片（放热元件），在真空环境下封装氢气并加热到数百摄氏度。这些芯片能够持续长时间释放超出投入能量的热量。例如，在加热到900摄氏度的条件下，这些芯片可以维持920-930摄氏度的温度长达589天，持续释放过剩的热量。根据迄今为止的验证，这种方法的能效系数（COP）超过1.2，即输出的热能量至少是输入能量的1.2倍。Clean Planet还在考虑进一步增加薄膜的面积或延长模块的长度，以增加放热量。
图解：在实验开始时材料达到氢饱和的前提下，从2021年5月7日到2022年12月18日的589天内都观测到了余热。（Clean Planet官网）
4. 低温操作
相比于需要复杂设备来维持1亿摄氏度的等离子体温度的热核聚变，量子氢能技术只需在不到1000摄氏度的条件下运行。这种低温操作不仅降低了技术实现的难度，还减少了设备材料的成本和维护要求，使得系统更加经济和易于操作。
5. 使用常见材料
量子氢能技术主要使用镍和铜等常见且廉价的金属复合材料，以及普通氢气作为燃料。与一些依赖稀有金属的能源技术相比，QHe的材料成本较低，有助于大规模应用和推广。材料的易得性和低成本使得QHe技术具有更广泛的市场适应性。
6. 可控性强
量子氢能技术的另一个重要特点是其高可控性。通过精确控制氢气的供应量和反应温度，QHe系统可以灵活地调节输出热量。最近发现的“热爆发”现象使得在特定条件下可以显著提高热量的输出和控制精度，为QHe在不同应用场景中的高效应用提供了可能性。
三 应用前景与挑战
量子氢能技术的高能量密度和低温操作特性使其在多个领域展现出广阔的应用前景。Clean Planet希望将QHe技术扩展到工业和民用领域，包括家庭供暖、无人机和电动飞机等应用场景。公司计划与三浦工业合作，利用QHe技术开发工业高温蒸汽锅炉，通过利用工厂无法使用的废热，将出口温度提升至约500度，大大提高了整体能源效率。此外，Clean Planet计划利用QHe产生的蒸汽来驱动蒸汽涡轮发电机。如果氢气由可再生能源生产，量子氢能是零排放的碳中和系统。相比燃料电池系统，QHe能在相同量的氢气下产生更多的电力，整体系统的效率可能显著超过传统燃料电池系统。
然而，尽管量子氢能展示了巨大的应用潜力，但在技术再现性和规模化应用方面仍面临挑战。尽管实验已经实现了100%的定性再现性，但定量再现性仍需进一步优化和验证。此外，凝聚态核反应的原理尚未完全解明。现有的核物理学尚无法解释在数百摄氏度的环境下发生的核转换，以及不伴随中子或伽马射线的现象。此外，如何有效管理和控制反应条件以确保系统的稳定运行，以及如何降低生产成本和实现大规模生产，都是技术推广的关键问题。
四 结论
通过以上研究，我们可以看到，量子氢能技术代表了清洁能源领域的一次重要突破。其高效能、低环境影响和广泛的应用潜力，使其有望在未来的能源结构中占据重要位置。随着技术的不断完善和市场的逐步开拓，QHe技术作为一种零排放的清洁能源，具有巨大的市场潜力。Clean Planet公司在量子氢能技术领域的领先地位和持续的创新，为全球清洁能源的发展提供了新的方向和可能性。
转载自国际清洁能源论坛
链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YZKW_PIZo1tiTH9D1cF8AA
一 技术概述与背景
量子氢能技术基于“通过加热镍基纳米复合金属材料中吸附的少量氢，触发氢的量子扩散并发生放热反应”的原理。尽管这一概念最早在1989年由美国犹他大学和英国南安普顿大学的研究人员提出，但当时的研究结果未能获得广泛认可，导致这一领域的研究一度停滞。近年来，Clean Planet与东北大学合作，重新推进了这一技术的发展。
图解：量子氢能是一种利用氢量子扩散的发热技术。这种扩散是通过加热纳米级镍基复合材料中的少量饱和氢引起的。（Clean Planet官网）
自2010年以来，美国、意大利和以色列等国家相继出现了一些专注于能源利用的初创企业，甚至包括谷歌等IT巨头也开始涉足这一领域。Clean Planet于2012年成立，并于2015年与日本东北大学电子光理学研究中心合作成立了“凝聚态核反应研究部”，在川崎市设立了实验室，专注于量子氢能的开发。由原三菱重工的科学家、东北大学教授岩村康弘领导，负责基础研究，而川崎实验室则专注于产品开发。
2019年，三菱地所和三浦工业投资了Clean Planet。2022年7月，三菱商事也加入了投资行列，推动研究向实用化发展。Clean Planet在全球22个国家提交了244项专利申请，已有9项获得授权，显示了其在凝聚态核反应领域的领先地位。该公司已开发出原型机，并计划在2030年前实现量产。
二 核心技术特点
- 高能量密度
量子氢能技术的一个显著特点是其高能量密度。理论上，QHe的能量密度可以达到传统化学反应的10000倍。这意味着，在相同质量的燃料下，量子氢能可以释放出远超传统能源的能量。例如，Clean Planet的实验数据显示，镍和铜基纳米结构材料在吸附轻氢后，通过加热实现了超出输入能量12倍的热量输出，并且这种输出能够持续约120天。尽管量子氢能的能量密度已达到核聚变理论值的两个数量级以下，但相对于氢燃烧的化学反应，量子氢能的能量密度仍达到了化学反应的万倍。
2. 无放射性排放
量子氢能的原理与国际热核聚变实验堆（ITER）类似。两者都利用氢原子的融合释放大量能量，然后通过热交换器提取热能。然而，热核聚变和量子氢能的反应体系有所不同。QHe主要是通过多体反应，其中三种以上的氢原子同时参与。这些反应的生成物经历核种转换，产生多种元素。Clean Planet的QHe技术相比热核聚变有几个显著优势：首先，QHe使用普通氢气而非氘或氚，因此在反应过程中不产生中子线或伽马射线等有害放射性物质。这不仅对环境更加友好，也大幅降低了对人类健康的潜在威胁。
3. 小型化和模块化设计
Clean Planet利用厚度为14纳米的镍和2纳米的铜多层叠加的芯片（放热元件），在真空环境下封装氢气并加热到数百摄氏度。这些芯片能够持续长时间释放超出投入能量的热量。例如，在加热到900摄氏度的条件下，这些芯片可以维持920-930摄氏度的温度长达589天，持续释放过剩的热量。根据迄今为止的验证，这种方法的能效系数（COP）超过1.2，即输出的热能量至少是输入能量的1.2倍。Clean Planet还在考虑进一步增加薄膜的面积或延长模块的长度，以增加放热量。
图解：在实验开始时材料达到氢饱和的前提下，从2021年5月7日到2022年12月18日的589天内都观测到了余热。（Clean Planet官网）
4. 低温操作
相比于需要复杂设备来维持1亿摄氏度的等离子体温度的热核聚变，量子氢能技术只需在不到1000摄氏度的条件下运行。这种低温操作不仅降低了技术实现的难度，还减少了设备材料的成本和维护要求，使得系统更加经济和易于操作。
5. 使用常见材料
量子氢能技术主要使用镍和铜等常见且廉价的金属复合材料，以及普通氢气作为燃料。与一些依赖稀有金属的能源技术相比，QHe的材料成本较低，有助于大规模应用和推广。材料的易得性和低成本使得QHe技术具有更广泛的市场适应性。
6. 可控性强
量子氢能技术的另一个重要特点是其高可控性。通过精确控制氢气的供应量和反应温度，QHe系统可以灵活地调节输出热量。最近发现的“热爆发”现象使得在特定条件下可以显著提高热量的输出和控制精度，为QHe在不同应用场景中的高效应用提供了可能性。
三 应用前景与挑战
量子氢能技术的高能量密度和低温操作特性使其在多个领域展现出广阔的应用前景。Clean Planet希望将QHe技术扩展到工业和民用领域，包括家庭供暖、无人机和电动飞机等应用场景。公司计划与三浦工业合作，利用QHe技术开发工业高温蒸汽锅炉，通过利用工厂无法使用的废热，将出口温度提升至约500度，大大提高了整体能源效率。此外，Clean Planet计划利用QHe产生的蒸汽来驱动蒸汽涡轮发电机。如果氢气由可再生能源生产，量子氢能是零排放的碳中和系统。相比燃料电池系统，QHe能在相同量的氢气下产生更多的电力，整体系统的效率可能显著超过传统燃料电池系统。
然而，尽管量子氢能展示了巨大的应用潜力，但在技术再现性和规模化应用方面仍面临挑战。尽管实验已经实现了100%的定性再现性，但定量再现性仍需进一步优化和验证。此外，凝聚态核反应的原理尚未完全解明。现有的核物理学尚无法解释在数百摄氏度的环境下发生的核转换，以及不伴随中子或伽马射线的现象。此外，如何有效管理和控制反应条件以确保系统的稳定运行，以及如何降低生产成本和实现大规模生产，都是技术推广的关键问题。
四 结论
通过以上研究，我们可以看到，量子氢能技术代表了清洁能源领域的一次重要突破。其高效能、低环境影响和广泛的应用潜力，使其有望在未来的能源结构中占据重要位置。随着技术的不断完善和市场的逐步开拓，QHe技术作为一种零排放的清洁能源，具有巨大的市场潜力。Clean Planet公司在量子氢能技术领域的领先地位和持续的创新，为全球清洁能源的发展提供了新的方向和可能性。
转载自国际清洁能源论坛
链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YZKW_PIZo1tiTH9D1cF8AA
上一新闻：波音将在澳大利亚打造SAF工厂
下一新闻：全球可控核聚变商业化投资在加速
