近日，美國能源部（DOE）發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，提出了未來十年及更長時期氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架。該方案更新了DOE早在2002年發(fā)布的《國家氫能路線圖》以及2004年啟動的“氫能計劃”提出的戰(zhàn)略規(guī)劃，綜合考慮了DOE多個辦公室先后發(fā)布的氫能相關(guān)計劃文件，如化石燃料辦公室的氫能戰(zhàn)略、能效和可再生能源辦公室的氫能和燃料電池技術(shù)多年期研發(fā)計劃、核能辦公室的氫能相關(guān)計劃、科學辦公室的《氫經(jīng)濟基礎(chǔ)研究需求》報告等，明確了氫能發(fā)展的核心技術(shù)領(lǐng)域、需求和挑戰(zhàn)以及研發(fā)重點，并提出了氫能計劃的主要技術(shù)經(jīng)濟指標。關(guān)鍵內(nèi)容如下：

　　一、“氫能計劃”使命及目標

　　DOE“氫能計劃”使命為：研究、開發(fā)和驗證氫能轉(zhuǎn)化相關(guān)技術(shù)（包括燃料電池和燃氣輪機），并解決機構(gòu)和市場壁壘，最終實現(xiàn)跨應用領(lǐng)域的廣泛部署。該計劃將利用多樣化的國內(nèi)資源開發(fā)氫能，以確保豐富、可靠且可負擔的清潔能源供應。

　　“氫能計劃”設(shè)定了氫能發(fā)展到2030年的技術(shù)和經(jīng)濟指標，主要包括：①電解槽成本降至300美元/千瓦，運行壽命達到80 000小時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達到65%，工業(yè)和電力部門用氫價格降至1美元/千克，交通部門用氫價格降至2美元/千克；②早期市場中交通部門氫氣輸配成本降至5美元/千克，最終擴大的高價值產(chǎn)品市場中氫氣輸配成本降至2美元/千克；③車載儲氫系統(tǒng)成本在能量密度2.2千瓦時/千克、1.7千瓦時/升下達到8美元/千瓦時，便攜式燃料電池電源系統(tǒng)儲氫成本在能量密度1千瓦時/千克、1.3千瓦時/升下達到0.5美元/千瓦時，儲氫罐用高強度碳纖維成本達到13美元/千克；④用于長途重型卡車的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)成本降至80美元/千瓦，運行壽命達到25 000小時，用于固定式發(fā)電的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)成本降至900美元/千瓦，運行壽命達到40 000小時。

　　二、氫能系統(tǒng)的技術(shù)需求及挑戰(zhàn)

　　1、制氫。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①開發(fā)成本更低、效率更高、更耐用的電解槽；②重整、氣化和熱解制氫技術(shù)的先進設(shè)計；③開發(fā)利用可再生能源、化石能源和核能的創(chuàng)新制氫技術(shù)，包括混合制氫系統(tǒng)以及原料靈活的方法；④開發(fā)從水、化石燃料、生物質(zhì)和廢棄物中生產(chǎn)氫氣的高效低成本技術(shù)；⑤開發(fā)低成本和環(huán)境友好的碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)。

　　2、輸運氫。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①開發(fā)成本更低、更可靠的氫氣分配和輸送系統(tǒng)；②開發(fā)氫氣分配的先進技術(shù)和概念，包括液化和化學氫載體；③氫氣輸運的通行權(quán)和許可，以及降低部署輸運氫基礎(chǔ)設(shè)施的投資風險。

　　3、儲氫。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①開發(fā)低成本儲氫系統(tǒng)；②開發(fā)更高儲氫容量、重量和體積更小的儲氫介質(zhì)；③開發(fā)大規(guī)模儲氫設(shè)施，包括現(xiàn)場大量應急供應和地質(zhì)儲氫；④優(yōu)化儲氫策略，將氫氣存儲設(shè)施布置于最終用途附近，以滿足吞吐量和動態(tài)響應要求，并降低投資成本。

　　4、氫轉(zhuǎn)化。該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)需求和挑戰(zhàn)為：①開發(fā)可大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、更耐用、更可靠的燃料電池；②開發(fā)以高濃度氫氣或純氫為燃料的渦輪機；③開發(fā)和示范大規(guī)模混合系統(tǒng)。

　　5、終端應用和綜合能源系統(tǒng)。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①系統(tǒng)集成、測試和驗證，以識別和解決各應用的特有挑戰(zhàn)；②終端應用的示范，包括鋼鐵制造、氨生產(chǎn)以及利用氫氣和二氧化碳生產(chǎn)合成燃料的技術(shù)；③示范電網(wǎng)集成以驗證氫用于儲能和電網(wǎng)服務。

　　6、制造和供應鏈。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①標準化制造流程、質(zhì)量控制和優(yōu)化制造設(shè)計；②增材制造和自動化制造工藝；③可回收和減少廢物的設(shè)計。

　　7、安全、規(guī)范和標準。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①適用、統(tǒng)一的規(guī)范和標準，用于所有終端應用，包括燃燒（如渦輪機）以及燃料電池（如卡車、船舶和鐵路等需大規(guī)模加注氫氣的重型應用）；②改進安全信息、分享最佳做法和經(jīng)驗教訓。

　　8、教育和專業(yè)人員。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①針對不同利益相關(guān)方的教育資源和培訓計劃，包括應急響應人員、標準規(guī)范人員和技術(shù)人員（例如，氫及相關(guān)技術(shù)的操作、維護和處理）；②獲得關(guān)于氫能相關(guān)技術(shù)的準確、客觀信息。

　　三、近、中、長期技術(shù)開發(fā)選項

　　DOE基于近年來氫能關(guān)鍵技術(shù)的成熟度和預期需求，提出了近、中、長期的技術(shù)開發(fā)選項，具體包括：

　　1、近期。①制氫：配備CCUS的煤炭、生物質(zhì)和廢棄物氣化制氫技術(shù)；先進的化石燃料和生物質(zhì)重整/轉(zhuǎn)化技術(shù)；電解制氫技術(shù)（低溫、高溫）。②輸運氫：現(xiàn)場制氫配送；氣氫長管拖車；液氫槽車。③儲氫：高壓氣態(tài)儲氫；低溫液態(tài)儲氫。④氫轉(zhuǎn)化：燃氣輪機；燃料電池。⑤氫應用：氫制燃料；航空；便攜式電源。

　　2、中期。①輸運氫：化學氫載體。②儲氫：地質(zhì)儲氫（如洞穴、枯竭油氣藏）。③氫轉(zhuǎn)化：先進燃燒；下一代燃料電池。④氫應用：注入天然氣管道；分布式固定電源；交通運輸；分布式燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)；工業(yè)和化學過程；國防、安全和后勤應用。

　　3、長期。①制氫：先進生物/微生物制氫；先進熱/光電化學水解制氫。②輸運氫：大規(guī)模管道運輸和配送。③儲氫：基于材料的儲氫技術(shù)。④氫轉(zhuǎn)化：燃料電池與燃燒混合系統(tǒng)；可逆燃料電池。⑤氫應用：公用事業(yè)系統(tǒng)；綜合能源系統(tǒng)。

　　四、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)及示范重點

　　1、制氫

　　該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點事項包括：①開發(fā)減少鉑系金屬含量的新型催化劑和電催化劑；②開發(fā)分布式和大容量電力系統(tǒng)的模塊式氣化和電解系統(tǒng)；③開發(fā)低成本、耐用的膜和分離材料；④開發(fā)新型、耐用、低成本的熱化學和光電化學材料；⑤加速應力試驗并探索退化機制以提高耐久性；⑥降低自熱重整等重整技術(shù)的資金成本；⑦改進輔助系統(tǒng)（BOP）組件和子系統(tǒng)，如電力電子、凈化和熱氣體凈化；⑧通過組件設(shè)計和材料集成實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和制造；⑨包括電力和氫的多聯(lián)產(chǎn)可逆燃料電池系統(tǒng)；⑩系統(tǒng)設(shè)計、混合和優(yōu)化，包括過程強化。

　　2、輸運氫

　　該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點事項包括：①材料在高壓或低溫下與氫的相容性；②氫液化的創(chuàng)新技術(shù)；③用于氫氣儲存、運輸和釋放的載體材料和催化劑；④用于氫氣低成本分配的創(chuàng)新組件（如壓縮機、儲氫罐、加氫機、噴嘴等）。

　　3、儲氫

　　該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點事項包括：①降低材料、組件和系統(tǒng)成本；②開發(fā)用于高壓罐的低成本高強度碳纖維；③開發(fā)與氫氣相容的耐久、安全性好的材料；④低溫液態(tài)儲氫和冷/低溫壓縮儲氫的研究、開發(fā)和示范；⑤發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化儲氫材料，以滿足重量、體積、動力學和其他性能要求；⑥利用化學氫載體優(yōu)化儲氫效率；⑦以化學載體形式儲氫用于氫燃氣輪機；⑧地質(zhì)儲氫的識別、評估和論證；⑨氫和氫載體出口的系統(tǒng)分析；⑩研究可廣泛部署的儲氫技術(shù)和終端用途的優(yōu)化目標；11研發(fā)用于安全、高效和穩(wěn)定儲氫的傳感器和其他技術(shù)。

　　4、氫轉(zhuǎn)化

　　（1）氫燃燒方面，重點關(guān)注如下事項：①在簡單循環(huán)和組合循環(huán)中實現(xiàn)燃料中更高的氫濃度（最高達100%）；②研究燃燒行為并優(yōu)化低NOx燃燒的組件設(shè)計；③應用和開發(fā)先進計算流體動力學；④開發(fā)先進的燃燒室制造技術(shù)；⑤開發(fā)新材料、涂層和冷卻方案；⑥優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率；⑦提高耐用性和壽命，降低成本，包括運維成本；⑧開發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化和控制方案；⑨評估和緩解水分對傳熱和陶瓷退化的影響；⑩開發(fā)和測試氫燃燒改裝組件；11實現(xiàn)碳中性燃料（氨氣、乙醇蒸汽）的燃燒。

　　（2）質(zhì)子交換膜燃料電池方面，重點關(guān)注如下事項：①通過材料研發(fā)，降低鉑族金屬催化劑的負載量；②開發(fā)耐高溫、低成本、耐用膜材料；③改進組件設(shè)計和材料集成，以優(yōu)化可制造和可擴展的膜電極組件的電極結(jié)構(gòu)；④開發(fā)自供燃料的燃料電池所用碳中性燃料的內(nèi)部重整技術(shù)；⑤加速壓力測試，探索老化機理以及緩解方法；⑥改進BOP組件，包括壓縮機和電力電子設(shè)備；⑦開發(fā)適用于多種重型車輛的標準化、模塊化堆棧和系統(tǒng)；⑧改進混合和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計。

　　（3）固體氧化物燃料電池方面，重點關(guān)注如下事項：①研發(fā)材料以降低成本并解決高溫運行相關(guān)問題；②管理燃料電池電堆中的熱量和氣體流量；③解決堆棧和BOP系統(tǒng)的集成、控制和優(yōu)化，以實現(xiàn)負荷跟蹤和模塊化應用；④改進BOP組件，包括壓縮機和電力電子設(shè)備；⑤開發(fā)標準化、模塊化堆棧；⑥進一步研究雜質(zhì)對材料和性能的影響；⑦系統(tǒng)設(shè)計、混合和優(yōu)化，包括可逆燃料電池。

　　5、終端應用

　　該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點事項包括：①為氫能的特定用途制定嚴格的目標；②解決各終端應用中的材料兼容性問題；③降低成本，提高工業(yè)規(guī)模電解槽、燃料電池系統(tǒng)、燃氣輪機和發(fā)動機以及混合動力系統(tǒng)的耐用性和效率；④組件和系統(tǒng)級的集成和優(yōu)化，包括BOP系統(tǒng)和組件；⑤集成系統(tǒng)的優(yōu)化控制，包括網(wǎng)絡(luò)安全；⑥制造和規(guī)模擴大，包括過程強化；⑦協(xié)調(diào)規(guī)范和標準，包括氫氣加注協(xié)議；⑧開發(fā)新的氫能應用的容量擴展模型，以確定其經(jīng)濟性。