近日，美国能源部(DOE)氢能和燃料电池技术办公室更新多年期计划，提出了氢能技术的近期(2025年)、中期(2030年)、远期(2031年及以后)重点研发方向、目标和优先事项。关键要点如下：
一、清洁制氢
1、重点技术领域
近中期重点发展电解制氢技术，研发用于吉瓦级规模运行的经济、高效、耐用电解槽，包括：①低温电解槽，如质子交换膜电解槽、液体碱性电解槽、阴离子交换膜电解槽;②高温电解槽，如氧离子导体固体氧化物电解槽、质子导体固体氧化物电解槽。
远期重点发展电解制氢以外、具有高影响潜力的创新清洁制氢技术，包括：①先进水分解制氢，如光电化学转化、热化学转化(包括太阳能热化学转化)等途径;②生物转化制氢，包括发酵、微生物电解及混合途径。
2、关键指标
(1)清洁制氢成本：到2026年降至2美元/千克，到2031年降至1美元/千克。
(2)低温电解制氢：①到2026年，质子交换膜电解系统成本降至250美元/千瓦，效率达到65%(低热值)，运行寿命8万小时;②到2026年，示范阴离子交换膜电解槽性能在1.8伏运行条件下电流密度2安/平方厘米，衰减速率4毫伏/千小时;③示范液体碱性电解槽性能在1.8伏运行条件下电流密度1安/平方厘米，衰减速率2.3毫伏/千小时，并可在动态条件下运行;④到2031年，示范高效耐用的低铂含量质子交换膜电解槽，载铂量0.125毫克/平方厘米，是当前最先进水平的1/24。
(3)高温电解制氢：①到2026年，高温电解系统成本500美元/千瓦，效率76%(低热值)，运行寿命4万小时;②到2026年，示范质子导体固体氧化物电解槽在中温(低于600℃)下运行，1.3伏条件下电流密度高于0.8安/平方厘米、法拉第效率大于85%，衰减速率低于5毫伏/千小时;③到2031年，高温电解系统成本200美元/千瓦，效率79%(低热值)，运行寿命8万小时。
(4)先进水分解制氢：①到2025年，示范太阳能光电化学转化系统转换效率大于10%，运行寿命大于500小时;②到2031年，验证太阳能光电化学转化制氢系统转换效率大于20%，并可能实现制氢成本低于2美元/千克;③到2031年，示范高温运行太阳能热化学转化系统，并可能实现制氢成本低于2美元/千克。
(5)生物转化制氢：①到2025年，示范一体化微生物电解制氢反应器，使用废水连续制氢产能达到35升氢气/升水/天;验证微生物电解制氢系统的技术经济性，并可能实现制氢成本低于2美元/千克。
二、氢能基础设施
1、重点技术领域
近中期重点发展：①用于高压气态储氢和低温液态储氢的低成本储氢罐;②用于重型卡车的经济可靠氢气输运和分配系统，包括输配基础设施、加氢站等。
远期重点发展：①先进氢气液化及氢载体概念;②高密度、低压的创新储氢材料，如金属氢化物、吸附材料等。
2、关键指标
(1)用于重型卡车的氢能基础设施：①氢气输运基础设施，到2025年，定量评估天然气基础设施对氢-天然气混合气体的兼容性(氢气含量最高100%)并制定相关指南，示范所有类型液氢系统的蒸发率低于0.1%;②加氢站，到2025年实现平均加氢速率大于10公斤/小时，到2030年氢压缩速率提高20倍(高压87.5兆帕)。
(2)高压气态储氢：①到2026年，用于70兆帕高压储氢罐的碳纤维成本降低50%;②到2030年，车载高压气态储氢系统总成本降至9美元/千瓦时。
(3)储运氢领域通用技术：①高压气态储氢，到2025年，将87.5兆帕固定式高压储氢罐寿命比当前最先进水平延长50%;②低温液态储氢，到2025年，评估在低至20开温度下使用的材料的寿命并开发延长其寿命的策略，验证将所有类型液氢系统的蒸发率降至低于0.1%的策略;③加氢技术，到2030年开发在整个加氢过程中以低至10千克/分钟速度进行加氢的具有成本竞争力的方法。
(4)远期开发的氢能基础设施相关技术：①氢气输运和分配，到2030年将氢气液化过程中的能源消耗降低50%;②加氢技术，到2030年验证使用新兴技术使加氢站的氢气输运和分配成本达到2美元/千克
(5)远期开发的储氢技术：重点发展储氢材料，到2030年将储氢能量密度比当前最先进水平提升2倍。
(6)远期开发的储运氢领域通用技术：重点发展氢载体技术，到2030年确定7种可用于规模化储运氢的载体材料，开发容量和整体效率超过传统压缩空气或液态储氢的氢载体。
三、燃料电池
1、重点技术领域
近中期重点发展用于重型卡车的高效、长寿命、低成本燃料电池。
远期重点发展用于多元应用的下一代燃料电池的先进材料和组件，研发的下一代燃料电池技术包括：①无铂质子交换膜燃料电池;②阴离子交换膜燃料电池;③双极膜燃料电池;④直接液体燃料电池;⑤中温燃料电池(运行温度150℃至500℃);⑥可逆燃料电池;⑦燃料电池多联产概念。
2、关键指标
(1)重型卡车用燃料电池：①到2025年，燃料电池系统成本降至140美元/千瓦，到2030年降至80美元/千瓦，寿命达到2.5万小时;②到2030年，燃料电池峰值效率68%，铂族金属用量低于0.3毫克/平方厘米;③到2030年，燃料电池电堆产能达到2万套/年，膜产能37万平方米/年，膜电极组件产能2400件/小时，双极板产能2400片/小时，铂族金属催化剂产能1300千克/年。
(2)其他应用燃料电池：①到2030年，示范巴士用燃料电池寿命达到2.5万小时;②到2027年，开发备用电源用氢燃料电池系统(1-10千瓦)，达到效率60%，成本1000美元/千瓦，寿命1万小时;③到2027年，开发分布式能源用氢燃料电池系统(兆瓦级)，达到效率60%，成本1000美元/千瓦，寿命4万小时;④到2027年，示范中等规模热电联产用燃料电池系统(100千瓦-3瓦)，达到发电效率50%、热电联产效率90%，寿命8万小时，使用沼气燃料运行的成本达到1000美元/千瓦;⑤到2030年，开发用于中等规模分布式发电的燃料电池系统(100千瓦-3瓦)，达到发电效率65%，成本1000美元/千瓦，寿命8万小时;⑥到2030年，示范使用模块式设计、标准化电堆和辅助系统组件的燃料电池发电系统，用于重型卡车、船舶、铁路和非道路车辆。
(3)下一代燃料电池：①到2025年，氢气/空气条件运行的燃料电池实现无铂阴极膜电极组件电流密度在0.8伏时超过100毫安/平方厘米，0.675伏时超过500毫安/平方厘米，加速测试后电流密度损失低于10%;②到2025年，开发阴离子交换膜燃料电池膜电极组件，在氢气/氧气条件下铂族金属含量低于0.125毫克/平方厘米，初始电流密度1000毫安/平方厘米，运行温度280摄氏度，压力低于250千帕，到2030年无铂阴离子交换膜燃料电池初始电流密度超过600毫安/平方厘米;③到2030年，示范直接液体燃料质子交换膜燃料电池，膜电极组件最大功率大于0.3瓦/平方厘米，催化剂铂族金属含量低于3毫克/平方厘米;④到2027年，示范中温运行膜，电导率大于0.05西门子/厘米，寿命高于1万小时，性能衰减率低于1%/千小时;⑤到2030年，实现低温可逆燃料电池往返效率55%，燃料电池模式下电流密度0.5安/平方厘米，电解槽模式下电流密度1安/平方厘米;⑥到2030年，实现高温可逆燃料电池往返效率85%，燃料电池模式下电流密度0.5安/平方厘米，电解槽模式下电流密度1安/平方厘米;到2030年，可逆燃料电池性能衰退率0.25%/千小时，系统往返效率60%，运行寿命4万小时，成本1800美元/千瓦。
四、系统开发与集成
1、重点技术领域
近期至远期重点发展3类应用：①氢能交通及加氢示范;②将氢能技术集成至化工和工业过程以实现脱碳;③氢能用于储能和发电，包括集成、混合能源系统。
2、关键指标
(1)重型运输：①中/重型卡车，到2028年完成4-8级燃料电池卡车原型调试，示范比柴油车减少75%温室气体排放的潜力，到2035年确保联邦政府采购的所有中/重型卡车实现零排放;②海运，到2030年在使用清洁氢的港口实现零排放货运;③铁路，到2026年评估集成储氢的燃料电池列车以及集成氢气生产、存储、分配和加注的铁路实现商用的差距;④航空，到2035年验证城际和支线飞机的储氢和动力系统;⑤非道路车辆，到2028年验证燃料电池在该应用的技术和经济性。
(2)化工和工业过程：①钢铁及冶金，到2024年示范氢直接还原铁产量1吨/周(最终达到5000吨/天)，到2025年示范固体氧化物电解制氢模块与直接还原炼铁炉热和工艺集成的技术和经济可行性，到2025年完成用于工业的离网可再生能源电解制氢综合系统设计(制氢成本低于2美元/千克)，到2027年完成集成清洁氢到难脱碳工业过程的预前端工程设计研究;②化工，到2025年完成将清洁氢集成至燃料和化学品合成的新兴概念验证，到2036年实现4-5种氢能终端应用示范以验证减少85%温室气体排放的潜力。
(3)储能和发电系统：①电网集成和可再生能源混合系统，到2025年示范至少6种综合电解系统(系统总容量超过3兆瓦)，使用至少2种不同发电源并针对至少3种不同的终端用途，到2027年开发10兆瓦级低温和高温电解验证设施;②核能混合系统，2024年示范将1.25兆瓦质子交换膜电解槽集成至核电厂，到2025年使用全仿真核能综合试验台测试250千瓦高温电解系统;③分布式发电系统，2024年在现实数据中心验证集成兆瓦级氢燃料电池系统，进行24至48小时运行性能测试，到2025年完成并网燃料电池逆变器的实验室评估和现场示范。
五、系统分析
近期重点进行工具、建模和分析以为早期市场确定研发优先级。中期重点发展：①评估利基市场和早期-中期市场的进入机会，以及相关的研发需求;②评估主要增长市场的机会，并为多部门综合研发提供信息。远期重点聚焦于为大规模生产和制造决策，以及供应链扩张和能源转型实施提供信息。
主要进行的建模及分析包括：①技术经济性分析;②供应链、影响和生命周期分析;③系统集成及多部门相互作用分析;④市场评估和决策分析;⑤规划、优化及场景开发。
六、安全、规范和标准
该领域重点关注5个优先主题：①氢的行为与风险研究与开发;②组件研究、开发和验证;③材料兼容性研究与开发;④规范和标准的协调;⑤安全资源和支持。近中期重点进行氢气组件技术的安全性研究，包括材料兼容性和环境建模。中远期重点关注安全、规范和标准，尤其强调氢气的大规模存储和应用。
