近日，美國能源部(DOE)氫能和燃料電池技術(shù)辦公室更新多年期計劃，提出了氫能技術(shù)的近期(2025年)、中期(2030年)、遠期(2031年及以后)重點(diǎn)研發(fā)方向、目標和優(yōu)先事項。關(guān)鍵要點(diǎn)如下：
一、清潔制氫
1、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點(diǎn)發(fā)展電解制氫技術(shù)，研發(fā)用于吉瓦級規模運行的經(jīng)濟、高效、耐用電解槽，包括：①低溫電解槽，如質(zhì)子交換膜電解槽、液體堿性電解槽、陰離子交換膜電解槽;②高溫電解槽，如氧離子導體固體氧化物電解槽、質(zhì)子導體固體氧化物電解槽。
遠期重點(diǎn)發(fā)展電解制氫以外、具有高影響潛力的創(chuàng )新清潔制氫技術(shù)，包括：①先進(jìn)水分解制氫，如光電化學(xué)轉化、熱化學(xué)轉化(包括太陽(yáng)能熱化學(xué)轉化)等途徑;②生物轉化制氫，包括發(fā)酵、微生物電解及混合途徑。
2、關(guān)鍵指標
(1)清潔制氫成本：到2026年降至2美元/千克，到2031年降至1美元/千克。
(2)低溫電解制氫：①到2026年，質(zhì)子交換膜電解系統成本降至250美元/千瓦，效率達到65%(低熱值)，運行壽命8萬(wàn)小時(shí);②到2026年，示范陰離子交換膜電解槽性能在1.8伏運行條件下電流密度2安/平方厘米，衰減速率4毫伏/千小時(shí);③示范液體堿性電解槽性能在1.8伏運行條件下電流密度1安/平方厘米，衰減速率2.3毫伏/千小時(shí)，并可在動(dòng)態(tài)條件下運行;④到2031年，示范高效耐用的低鉑含量質(zhì)子交換膜電解槽，載鉑量0.125毫克/平方厘米，是當前最先進(jìn)水平的1/24。
(3)高溫電解制氫：①到2026年，高溫電解系統成本500美元/千瓦，效率76%(低熱值)，運行壽命4萬(wàn)小時(shí);②到2026年，示范質(zhì)子導體固體氧化物電解槽在中溫(低于600℃)下運行，1.3伏條件下電流密度高于0.8安/平方厘米、法拉第效率大于85%，衰減速率低于5毫伏/千小時(shí);③到2031年，高溫電解系統成本200美元/千瓦，效率79%(低熱值)，運行壽命8萬(wàn)小時(shí)。
(4)先進(jìn)水分解制氫：①到2025年，示范太陽(yáng)能光電化學(xué)轉化系統轉換效率大于10%，運行壽命大于500小時(shí);②到2031年，驗證太陽(yáng)能光電化學(xué)轉化制氫系統轉換效率大于20%，并可能實(shí)現制氫成本低于2美元/千克;③到2031年，示范高溫運行太陽(yáng)能熱化學(xué)轉化系統，并可能實(shí)現制氫成本低于2美元/千克。
(5)生物轉化制氫：①到2025年，示范一體化微生物電解制氫反應器，使用廢水連續制氫產(chǎn)能達到35升氫氣/升水/天;驗證微生物電解制氫系統的技術(shù)經(jīng)濟性，并可能實(shí)現制氫成本低于2美元/千克。
二、氫能基礎設施
1、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點(diǎn)發(fā)展：①用于高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫的低成本儲氫罐;②用于重型卡車(chē)的經(jīng)濟可靠氫氣輸運和分配系統，包括輸配基礎設施、加氫站等。
遠期重點(diǎn)發(fā)展：①先進(jìn)氫氣液化及氫載體概念;②高密度、低壓的創(chuàng )新儲氫材料，如金屬氫化物、吸附材料等。
2、關(guān)鍵指標
(1)用于重型卡車(chē)的氫能基礎設施：①氫氣輸運基礎設施，到2025年，定量評估天然氣基礎設施對氫-天然氣混合氣體的兼容性(氫氣含量最高100%)并制定相關(guān)指南，示范所有類(lèi)型液氫系統的蒸發(fā)率低于0.1%;②加氫站，到2025年實(shí)現平均加氫速率大于10公斤/小時(shí)，到2030年氫壓縮速率提高20倍(高壓87.5兆帕)。
(2)高壓氣態(tài)儲氫：①到2026年，用于70兆帕高壓儲氫罐的碳纖維成本降低50%;②到2030年，車(chē)載高壓氣態(tài)儲氫系統總成本降至9美元/千瓦時(shí)。
(3)儲運氫領(lǐng)域通用技術(shù)：①高壓氣態(tài)儲氫，到2025年，將87.5兆帕固定式高壓儲氫罐壽命比當前最先進(jìn)水平延長(cháng)50%;②低溫液態(tài)儲氫，到2025年，評估在低至20開(kāi)溫度下使用的材料的壽命并開(kāi)發(fā)延長(cháng)其壽命的策略，驗證將所有類(lèi)型液氫系統的蒸發(fā)率降至低于0.1%的策略;③加氫技術(shù)，到2030年開(kāi)發(fā)在整個(gè)加氫過(guò)程中以低至10千克/分鐘速度進(jìn)行加氫的具有成本競爭力的方法。
(4)遠期開(kāi)發(fā)的氫能基礎設施相關(guān)技術(shù)：①氫氣輸運和分配，到2030年將氫氣液化過(guò)程中的能源消耗降低50%;②加氫技術(shù)，到2030年驗證使用新興技術(shù)使加氫站的氫氣輸運和分配成本達到2美元/千克
(5)遠期開(kāi)發(fā)的儲氫技術(shù)：重點(diǎn)發(fā)展儲氫材料，到2030年將儲氫能量密度比當前最先進(jìn)水平提升2倍。
(6)遠期開(kāi)發(fā)的儲運氫領(lǐng)域通用技術(shù)：重點(diǎn)發(fā)展氫載體技術(shù)，到2030年確定7種可用于規?；瘍\氫的載體材料，開(kāi)發(fā)容量和整體效率超過(guò)傳統壓縮空氣或液態(tài)儲氫的氫載體。
三、燃料電池
1、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點(diǎn)發(fā)展用于重型卡車(chē)的高效、長(cháng)壽命、低成本燃料電池。
遠期重點(diǎn)發(fā)展用于多元應用的下一代燃料電池的先進(jìn)材料和組件，研發(fā)的下一代燃料電池技術(shù)包括：①無(wú)鉑質(zhì)子交換膜燃料電池;②陰離子交換膜燃料電池;③雙極膜燃料電池;④直接液體燃料電池;⑤中溫燃料電池(運行溫度150℃至500℃);⑥可逆燃料電池;⑦燃料電池多聯(lián)產(chǎn)概念。
2、關(guān)鍵指標
(1)重型卡車(chē)用燃料電池：①到2025年，燃料電池系統成本降至140美元/千瓦，到2030年降至80美元/千瓦，壽命達到2.5萬(wàn)小時(shí);②到2030年，燃料電池峰值效率68%，鉑族金屬用量低于0.3毫克/平方厘米;③到2030年，燃料電池電堆產(chǎn)能達到2萬(wàn)套/年，膜產(chǎn)能37萬(wàn)平方米/年，膜電極組件產(chǎn)能2400件/小時(shí)，雙極板產(chǎn)能2400片/小時(shí)，鉑族金屬催化劑產(chǎn)能1300千克/年。
(2)其他應用燃料電池：①到2030年，示范巴士用燃料電池壽命達到2.5萬(wàn)小時(shí);②到2027年，開(kāi)發(fā)備用電源用氫燃料電池系統(1-10千瓦)，達到效率60%，成本1000美元/千瓦，壽命1萬(wàn)小時(shí);③到2027年，開(kāi)發(fā)分布式能源用氫燃料電池系統(兆瓦級)，達到效率60%，成本1000美元/千瓦，壽命4萬(wàn)小時(shí);④到2027年，示范中等規模熱電聯(lián)產(chǎn)用燃料電池系統(100千瓦-3瓦)，達到發(fā)電效率50%、熱電聯(lián)產(chǎn)效率90%，壽命8萬(wàn)小時(shí)，使用沼氣燃料運行的成本達到1000美元/千瓦;⑤到2030年，開(kāi)發(fā)用于中等規模分布式發(fā)電的燃料電池系統(100千瓦-3瓦)，達到發(fā)電效率65%，成本1000美元/千瓦，壽命8萬(wàn)小時(shí);⑥到2030年，示范使用模塊式設計、標準化電堆和輔助系統組件的燃料電池發(fā)電系統，用于重型卡車(chē)、船舶、鐵路和非道路車(chē)輛。
(3)下一代燃料電池：①到2025年，氫氣/空氣條件運行的燃料電池實(shí)現無(wú)鉑陰極膜電極組件電流密度在0.8伏時(shí)超過(guò)100毫安/平方厘米，0.675伏時(shí)超過(guò)500毫安/平方厘米，加速測試后電流密度損失低于10%;②到2025年，開(kāi)發(fā)陰離子交換膜燃料電池膜電極組件，在氫氣/氧氣條件下鉑族金屬含量低于0.125毫克/平方厘米，初始電流密度1000毫安/平方厘米，運行溫度280攝氏度，壓力低于250千帕，到2030年無(wú)鉑陰離子交換膜燃料電池初始電流密度超過(guò)600毫安/平方厘米;③到2030年，示范直接液體燃料質(zhì)子交換膜燃料電池，膜電極組件最大功率大于0.3瓦/平方厘米，催化劑鉑族金屬含量低于3毫克/平方厘米;④到2027年，示范中溫運行膜，電導率大于0.05西門(mén)子/厘米，壽命高于1萬(wàn)小時(shí)，性能衰減率低于1%/千小時(shí);⑤到2030年，實(shí)現低溫可逆燃料電池往返效率55%，燃料電池模式下電流密度0.5安/平方厘米，電解槽模式下電流密度1安/平方厘米;⑥到2030年，實(shí)現高溫可逆燃料電池往返效率85%，燃料電池模式下電流密度0.5安/平方厘米，電解槽模式下電流密度1安/平方厘米;到2030年，可逆燃料電池性能衰退率0.25%/千小時(shí)，系統往返效率60%，運行壽命4萬(wàn)小時(shí)，成本1800美元/千瓦。
四、系統開(kāi)發(fā)與集成
1、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域
近期至遠期重點(diǎn)發(fā)展3類(lèi)應用：①氫能交通及加氫示范;②將氫能技術(shù)集成至化工和工業(yè)過(guò)程以實(shí)現脫碳;③氫能用于儲能和發(fā)電，包括集成、混合能源系統。
2、關(guān)鍵指標
(1)重型運輸：①中/重型卡車(chē)，到2028年完成4-8級燃料電池卡車(chē)原型調試，示范比柴油車(chē)減少75%溫室氣體排放的潛力，到2035年確保聯(lián)邦政府采購的所有中/重型卡車(chē)實(shí)現零排放;②海運，到2030年在使用清潔氫的港口實(shí)現零排放貨運;③鐵路，到2026年評估集成儲氫的燃料電池列車(chē)以及集成氫氣生產(chǎn)、存儲、分配和加注的鐵路實(shí)現商用的差距;④航空，到2035年驗證城際和支線(xiàn)飛機的儲氫和動(dòng)力系統;⑤非道路車(chē)輛，到2028年驗證燃料電池在該應用的技術(shù)和經(jīng)濟性。
(2)化工和工業(yè)過(guò)程：①鋼鐵及冶金，到2024年示范氫直接還原鐵產(chǎn)量1噸/周(最終達到5000噸/天)，到2025年示范固體氧化物電解制氫模塊與直接還原煉鐵爐熱和工藝集成的技術(shù)和經(jīng)濟可行性，到2025年完成用于工業(yè)的離網(wǎng)可再生能源電解制氫綜合系統設計(制氫成本低于2美元/千克)，到2027年完成集成清潔氫到難脫碳工業(yè)過(guò)程的預前端工程設計研究;②化工，到2025年完成將清潔氫集成至燃料和化學(xué)品合成的新興概念驗證，到2036年實(shí)現4-5種氫能終端應用示范以驗證減少85%溫室氣體排放的潛力。
(3)儲能和發(fā)電系統：①電網(wǎng)集成和可再生能源混合系統，到2025年示范至少6種綜合電解系統(系統總容量超過(guò)3兆瓦)，使用至少2種不同發(fā)電源并針對至少3種不同的終端用途，到2027年開(kāi)發(fā)10兆瓦級低溫和高溫電解驗證設施;②核能混合系統，2024年示范將1.25兆瓦質(zhì)子交換膜電解槽集成至核電廠(chǎng)，到2025年使用全仿真核能綜合試驗臺測試250千瓦高溫電解系統;③分布式發(fā)電系統，2024年在現實(shí)數據中心驗證集成兆瓦級氫燃料電池系統，進(jìn)行24至48小時(shí)運行性能測試，到2025年完成并網(wǎng)燃料電池逆變器的實(shí)驗室評估和現場(chǎng)示范。
五、系統分析
近期重點(diǎn)進(jìn)行工具、建模和分析以為早期市場(chǎng)確定研發(fā)優(yōu)先級。中期重點(diǎn)發(fā)展：①評估利基市場(chǎng)和早期-中期市場(chǎng)的進(jìn)入機會(huì )，以及相關(guān)的研發(fā)需求;②評估主要增長(cháng)市場(chǎng)的機會(huì )，并為多部門(mén)綜合研發(fā)提供信息。遠期重點(diǎn)聚焦于為大規模生產(chǎn)和制造決策，以及供應鏈擴張和能源轉型實(shí)施提供信息。
主要進(jìn)行的建模及分析包括：①技術(shù)經(jīng)濟性分析;②供應鏈、影響和生命周期分析;③系統集成及多部門(mén)相互作用分析;④市場(chǎng)評估和決策分析;⑤規劃、優(yōu)化及場(chǎng)景開(kāi)發(fā)。
六、安全、規范和標準
該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注5個(gè)優(yōu)先主題：①氫的行為與風(fēng)險研究與開(kāi)發(fā);②組件研究、開(kāi)發(fā)和驗證;③材料兼容性研究與開(kāi)發(fā);④規范和標準的協(xié)調;⑤安全資源和支持。近中期重點(diǎn)進(jìn)行氫氣組件技術(shù)的安全性研究，包括材料兼容性和環(huán)境建模。中遠期重點(diǎn)關(guān)注安全、規范和標準，尤其強調氫氣的大規模存儲和應用。
