一、“氫能計(jì)劃”使命及目標(biāo)

DOE“氫能計(jì)劃”使命為：研究、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證氫能轉(zhuǎn)化相關(guān)技術(shù)（包括燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)），并解決機(jī)構(gòu)和市場(chǎng)壁壘，最終實(shí)現(xiàn)跨應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛部署。該計(jì)劃將利用多樣化的國(guó)內(nèi)資源開(kāi)發(fā)氫能，以確保豐富、可靠且可負(fù)擔(dān)的清潔能源供應(yīng)。

“氫能計(jì)劃”設(shè)定了氫能發(fā)展到2030年的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，主要包括：①電解槽成本降至300美元/千瓦，運(yùn)行壽命達(dá)到80000小時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到65%，工業(yè)和電力部門(mén)用氫價(jià)格降至1美元/千克，交通部門(mén)用氫價(jià)格降至2美元/千克；②早期市場(chǎng)中交通部門(mén)氫氣輸配成本降至5美元/千克，最終擴(kuò)大的高價(jià)值產(chǎn)品市場(chǎng)中氫氣輸配成本降至2美元/千克；③車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本在能量密度2.2千瓦時(shí)/千克、1.7千瓦時(shí)/升下達(dá)到8美元/千瓦時(shí)，便攜式燃料電池電源系統(tǒng)儲(chǔ)氫成本在能量密度1千瓦時(shí)/千克、1.3千瓦時(shí)/升下達(dá)到0.5美元/千瓦時(shí)，儲(chǔ)氫罐用高強(qiáng)度碳纖維成本達(dá)到13美元/千克；④用于長(zhǎng)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(yùn)行壽命達(dá)到25000小時(shí)，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(yùn)行壽命達(dá)到40000小時(shí)。

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

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

4、氫轉(zhuǎn)化。該領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)需求和挑戰(zhàn)為：①開(kāi)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(kāi)發(fā)以高濃度氫氣或純氫為燃料的渦輪機(jī)；③開(kāi)發(fā)和示范大規(guī)模混合系統(tǒng)。

5、終端應(yīng)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(cè)試和驗(yàn)證，以識(shí)別和解決各應(yīng)用的特有挑戰(zhàn)；②終端應(yīng)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(yàn)證氫用于儲(chǔ)能和電網(wǎng)服務(wù)。

6、制造和供應(yīng)鏈。該領(lǐng)域的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)為：①標(biāo)準(zhǔn)化制造流程、質(zhì)量控制和優(yōu)化制造設(shè)計(jì)；②增材制造和自動(dòng)化制造工藝；③可回收和減少?gòu)U物的設(shè)計(jì)。

7、安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，用于所有終端應(yīng)用，包括燃燒（如渦輪機(jī)）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(yīng)用）；②改進(jìn)安全信息、分享最佳做法和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

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(duì)不同利益相關(guān)方的教育資源和培訓(xùn)計(jì)劃，包括應(yīng)急響應(yīng)人員、標(biāo)準(zhǔn)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(hù)和處理）；②獲得關(guān)于氫能相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)確、客觀信息。

三、近、中、長(zhǎng)期技術(shù)開(kāi)發(fā)選項(xiàng)

DOE基于近年來(lái)氫能關(guān)鍵技術(shù)的成熟度和預(yù)期需求，提出了近、中、長(zhǎng)期的技術(shù)開(kāi)發(fā)選項(xiàng)，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(jìn)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(yùn)氫：現(xiàn)場(chǎng)制氫配送；氣氫長(zhǎng)管拖車；液氫槽車。③儲(chǔ)氫：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。④氫轉(zhuǎn)化：燃?xì)廨啓C(jī)；燃料電池。⑤氫應(yīng)用：氫制燃料；航空；便攜式電源。

2、中期。①輸運(yùn)氫：化學(xué)氫載體。②儲(chǔ)氫：地質(zhì)儲(chǔ)氫（如洞穴、枯竭油氣藏）。③氫轉(zhuǎn)化：先進(jìn)燃燒；下一代燃料電池。④氫應(yīng)用：注入天然氣管道；分布式固定電源；交通運(yùn)輸；分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)；工業(yè)和化學(xué)過(guò)程；國(guó)防、安全和后勤應(yīng)用。

3、長(zhǎng)期。①制氫：先進(jìn)生物/微生物制氫；先進(jìn)熱/光電化學(xué)水解制氫。②輸運(yùn)氫：大規(guī)模管道運(yùn)輸和配送。③儲(chǔ)氫：基于材料的儲(chǔ)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(yīng)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(diǎn)

1、制氫

該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點(diǎn)事項(xiàng)包括：①開(kāi)發(fā)減少鉑系金屬含量的新型催化劑和電催化劑；②開(kāi)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(kāi)發(fā)低成本、耐用的膜和分離材料；④開(kāi)發(fā)新型、耐用、低成本的熱化學(xué)和光電化學(xué)材料；⑤加速應(yīng)力試驗(yàn)并探索退化機(jī)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(jìn)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(guò)組件設(shè)計(jì)和材料集成實(shí)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(jì)、混合和優(yōu)化，包括過(guò)程強(qiáng)化。

2、輸運(yùn)氫

該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點(diǎn)事項(xiàng)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(chǔ)存、運(yùn)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(jī)、儲(chǔ)氫罐、加氫機(jī)、噴嘴等）。

3、儲(chǔ)氫

該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點(diǎn)事項(xiàng)包括：①降低材料、組件和系統(tǒng)成本；②開(kāi)發(fā)用于高壓罐的低成本高強(qiáng)度碳纖維；③開(kāi)發(fā)與氫氣相容的耐久、安全性好的材料；④低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和冷/低溫壓縮儲(chǔ)氫的研究、開(kāi)發(fā)和示范；⑤發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化儲(chǔ)氫材料，以滿足重量、體積、動(dòng)力學(xué)和其他性能要求；⑥利用化學(xué)氫載體優(yōu)化儲(chǔ)氫效率；⑦以化學(xué)載體形式儲(chǔ)氫用于氫燃?xì)廨啓C(jī)；⑧地質(zhì)儲(chǔ)氫的識(shí)別、評(píng)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(chǔ)氫技術(shù)和終端用途的優(yōu)化目標(biāo)；?研發(fā)用于安全、高效和穩(wěn)定儲(chǔ)氫的傳感器和其他技術(shù)。

4、氫轉(zhuǎn)化

（1）氫燃燒方面，重點(diǎn)關(guān)注如下事項(xiàng)：①在簡(jiǎn)單循環(huán)和組合循環(huán)中實(shí)現(xiàn)燃料中更高的氫濃度（最高達(dá)100%）；②研究燃燒行為并優(yōu)化低NOx燃燒的組件設(shè)計(jì)；③應(yīng)用和開(kāi)發(fā)先進(jìn)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；④開(kāi)發(fā)先進(jìn)的燃燒室制造技術(shù)；⑤開(kāi)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(yùn)維成本；⑧開(kāi)發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化和控制方案；⑨評(píng)估和緩解水分對(duì)傳熱和陶瓷退化的影響；⑩開(kāi)發(fā)和測(cè)試氫燃燒改裝組件；?實(shí)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(diǎn)關(guān)注如下事項(xiàng)：①通過(guò)材料研發(fā)，降低鉑族金屬催化劑的負(fù)載量；②開(kāi)發(fā)耐高溫、低成本、耐用膜材料；③改進(jìn)組件設(shè)計(jì)和材料集成，以優(yōu)化可制造和可擴(kuò)展的膜電極組件的電極結(jié)構(gòu)；④開(kāi)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(cè)試，探索老化機(jī)理以及緩解方法；⑥改進(jìn)BOP組件，包括壓縮機(jī)和電力電子設(shè)備；⑦開(kāi)發(fā)適用于多種重型車輛的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化堆棧和系統(tǒng)；⑧改進(jìn)混合和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（3）固體氧化物燃料電池方面，重點(diǎn)關(guān)注如下事項(xiàng)：①研發(fā)材料以降低成本并解決高溫運(yùn)行相關(guān)問(wèn)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(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤和模塊化應(yīng)用；④改進(jìn)BOP組件，包括壓縮機(jī)和電力電子設(shè)備；⑤開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化堆棧；⑥進(jìn)一步研究雜質(zhì)對(duì)材料和性能的影響；⑦系統(tǒng)設(shè)計(jì)、混合和優(yōu)化，包括可逆燃料電池。

5、終端應(yīng)用

該領(lǐng)域的研發(fā)和示范重點(diǎn)事項(xiàng)包括：①為氫能的特定用途制定嚴(yán)格的目標(biāo)；②解決各終端應(yīng)用中的材料兼容性問(wèn)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?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力系統(tǒng)的耐用性和效率；④組件和系統(tǒng)級(jí)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(kuò)大，包括過(guò)程強(qiáng)化；⑦協(xié)調(diào)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括氫氣加注協(xié)議；⑧開(kāi)發(fā)新的氫能應(yīng)用的容量擴(kuò)展模型，以確定其經(jīng)濟(jì)性。