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(yuǎn)期(2031年及以后)重點研發(fā)方向、目標(biāo)和優(yōu)先事項。關(guān)鍵要點如下：
一、清潔制氫
1、重點技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點發(fā)展電解制氫技術(shù)，研發(fā)用于吉瓦級規(guī)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(dǎo)體固體氧化物電解槽、質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物電解槽。
遠(yuǎn)期重點發(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先進水分解制氫，如光電化學(xué)轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化(包括太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化)等途徑;②生物轉(zhuǎn)化制氫，包括發(fā)酵、微生物電解及混合途徑。
2、關(guān)鍵指標(biāo)
(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(tǒng)成本降至250美元/千瓦，效率達(dá)到65%(低熱值)，運行壽命8萬小時;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;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，并可在動態(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(dāng)前最先進水平的1/24。
(3)高溫電解制氫：①到2026年，高溫電解系統(tǒng)成本500美元/千瓦，效率76%(低熱值)，運行壽命4萬小時;②到2026年，示范質(zhì)子導(dǎo)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;③到2031年，高溫電解系統(tǒng)成本200美元/千瓦，效率79%(低熱值)，運行壽命8萬小時。
(4)先進水分解制氫：①到2025年，示范太陽能光電化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率大于10%，運行壽命大于500小時;②到2031年，驗證太陽能光電化學(xué)轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率大于20%，并可能實現(xiàn)制氫成本低于2美元/千克;③到2031年，示范高溫運行太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并可能實現(xiàn)制氫成本低于2美元/千克。
(5)生物轉(zhuǎn)化制氫：①到2025年，示范一體化微生物電解制氫反應(yīng)器，使用廢水連續(xù)制氫產(chǎn)能達(dá)到35升氫氣/升水/天;驗證微生物電解制氫系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性，并可能實現(xiàn)制氫成本低于2美元/千克。
二、氫能基礎(chǔ)設(shè)施
1、重點技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點發(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用于重型卡車的經(jīng)濟可靠氫氣輸運和分配系統(tǒng)，包括輸配基礎(chǔ)設(shè)施、加氫站等。
遠(yuǎn)期重點發(fā)展：①先進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(biāo)
(1)用于重型卡車的氫能基礎(chǔ)設(shè)施：①氫氣輸運基礎(chǔ)設(shè)施，到2025年，定量評估天然氣基礎(chǔ)設(shè)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，示范所有類型液氫系統(tǒng)的蒸發(fā)率低于0.1%;②加氫站，到2025年實現(xiàn)平均加氫速率大于10公斤/小時，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，車載高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)總成本降至9美元/千瓦時。
(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(dāng)前最先進水平延長50%;②低溫液態(tài)儲氫，到2025年，評估在低至20開溫度下使用的材料的壽命并開發(fā)延長其壽命的策略，驗證將所有類型液氫系統(tǒng)的蒸發(fā)率降至低于0.1%的策略;③加氫技術(shù)，到2030年開發(fā)在整個加氫過程中以低至10千克/分鐘速度進行加氫的具有成本競爭力的方法。
(4)遠(yuǎn)期開發(fā)的氫能基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù)：①氫氣輸運和分配，到2030年將氫氣液化過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(dá)到2美元/千克
(5)遠(yuǎn)期開發(fā)的儲氫技術(shù)：重點發(fā)展儲氫材料，到2030年將儲氫能量密度比當(dāng)前最先進水平提升2倍。
(6)遠(yuǎn)期開發(fā)的儲運氫領(lǐng)域通用技術(shù)：重點發(fā)展氫載體技術(shù)，到2030年確定7種可用于規(guī)模化儲運氫的載體材料，開發(fā)容量和整體效率超過傳統(tǒng)壓縮空氣或液態(tài)儲氫的氫載體。
三、燃料電池
1、重點技術(shù)領(lǐng)域
近中期重點發(fā)展用于重型卡車的高效、長壽命、低成本燃料電池。
遠(yuǎn)期重點發(fā)展用于多元應(yīng)用的下一代燃料電池的先進材料和組件，研發(fā)的下一代燃料電池技術(shù)包括：①無鉑質(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(biāo)
(1)重型卡車用燃料電池：①到2025年，燃料電池系統(tǒng)成本降至140美元/千瓦，到2030年降至80美元/千瓦，壽命達(dá)到2.5萬小時;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(dá)到2萬套/年，膜產(chǎn)能37萬平方米/年，膜電極組件產(chǎn)能2400件/小時，雙極板產(chǎn)能2400片/小時，鉑族金屬催化劑產(chǎn)能1300千克/年。
(2)其他應(yīng)用燃料電池：①到2030年，示范巴士用燃料電池壽命達(dá)到2.5萬小時;②到2027年，開發(fā)備用電源用氫燃料電池系統(tǒng)(1-10千瓦)，達(dá)到效率60%，成本1000美元/千瓦，壽命1萬小時;③到2027年，開發(fā)分布式能源用氫燃料電池系統(tǒng)(兆瓦級)，達(dá)到效率60%，成本1000美元/千瓦，壽命4萬小時;④到2027年，示范中等規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)用燃料電池系統(tǒng)(100千瓦-3瓦)，達(dá)到發(fā)電效率50%、熱電聯(lián)產(chǎn)效率90%，壽命8萬小時，使用沼氣燃料運行的成本達(dá)到1000美元/千瓦;⑤到2030年，開發(fā)用于中等規(guī)模分布式發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)(100千瓦-3瓦)，達(dá)到發(fā)電效率65%，成本1000美元/千瓦，壽命8萬小時;⑥到2030年，示范使用模塊式設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化電堆和輔助系統(tǒng)組件的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，用于重型卡車、船舶、鐵路和非道路車輛。
(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現(xiàn)無鉑陰極膜電極組件電流密度在0.8伏時超過100毫安/平方厘米，0.675伏時超過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年無鉑陰離子交換膜燃料電池初始電流密度超過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(dǎo)率大于0.05西門子/厘米，壽命高于1萬小時，性能衰減率低于1%/千小時;⑤到2030年，實現(xiàn)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，實現(xiàn)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，系統(tǒng)往返效率60%，運行壽命4萬小時，成本1800美元/千瓦。
四、系統(tǒng)開發(fā)與集成
1、重點技術(shù)領(lǐng)域
近期至遠(yuǎn)期重點發(fā)展3類應(yīng)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)過程以實現(xiàn)脫碳;③氫能用于儲能和發(fā)電，包括集成、混合能源系統(tǒng)。
2、關(guān)鍵指標(biāo)
(1)重型運輸：①中/重型卡車，到2028年完成4-8級燃料電池卡車原型調(diào)試，示范比柴油車減少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/重型卡車實現(xiàn)零排放;②海運，到2030年在使用清潔氫的港口實現(xiàn)零排放貨運;③鐵路，到2026年評估集成儲氫的燃料電池列車以及集成氫氣生產(chǎn)、存儲、分配和加注的鐵路實現(xiàn)商用的差距;④航空，到2035年驗證城際和支線飛機的儲氫和動力系統(tǒng);⑤非道路車輛，到2028年驗證燃料電池在該應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟性。
(2)化工和工業(yè)過程：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(dá)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(tǒng)設(shè)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)過程的預(yù)前端工程設(shè)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年實現(xiàn)4-5種氫能終端應(yīng)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(tǒng)：①電網(wǎng)集成和可再生能源混合系統(tǒng)，到2025年示范至少6種綜合電解系統(tǒng)(系統(tǒng)總?cè)萘砍^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年開發(fā)10兆瓦級低溫和高溫電解驗證設(shè)施;②核能混合系統(tǒng)，2024年示范將1.25兆瓦質(zhì)子交換膜電解槽集成至核電廠，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(tǒng);③分布式發(fā)電系統(tǒng)，2024年在現(xiàn)實數(shù)據(jù)中心驗證集成兆瓦級氫燃料電池系統(tǒng)，進行24至48小時運行性能測試，到2025年完成并網(wǎng)燃料電池逆變器的實驗室評估和現(xiàn)場示范。
五、系統(tǒng)分析
近期重點進行工具、建模和分析以為早期市場確定研發(fā)優(yōu)先級。中期重點發(fā)展：①評估利基市場和早期-中期市場的進入機會，以及相關(guān)的研發(fā)需求;②評估主要增長市場的機會，并為多部門綜合研發(fā)提供信息。遠(yuǎn)期重點聚焦于為大規(guī)模生產(chǎn)和制造決策，以及供應(yīng)鏈擴張和能源轉(zhuǎn)型實施提供信息。
主要進行的建模及分析包括：①技術(shù)經(jīng)濟性分析;②供應(yīng)鏈、影響和生命周期分析;③系統(tǒng)集成及多部門相互作用分析;④市場評估和決策分析;⑤規(guī)劃、優(yōu)化及場景開發(fā)。
六、安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)
該領(lǐng)域重點關(guān)注5個優(yōu)先主題：①氫的行為與風(fēng)險研究與開發(fā);②組件研究、開發(fā)和驗證;③材料兼容性研究與開發(fā);④規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào);⑤安全資源和支持。近中期重點進行氫氣組件技術(shù)的安全性研究，包括材料兼容性和環(huán)境建模。中遠(yuǎn)期重點關(guān)注安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，尤其強調(diào)氫氣的大規(guī)模存儲和應(yīng)用。
