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近日，美國能源部（DOE）發布《氫能計劃發展規劃》，提出了未來十年及更長時期氫能研究、開發和示范的總體戰略框架。該方案更新了DOE早在2002年發布的《國家氫能路線圖》以及2004年啟動的“氫能計劃”提出的戰略規劃，綜合考慮了DOE多個辦公室先后發布的氫能相關計劃文件，如化石燃料辦公室的氫能戰略、能效和可再生能源辦公室的氫能和燃料電池技術多年期研發計劃、核能辦公室的氫能相關計劃、科學辦公室的《氫經濟基礎研究需求》報告等，明確了氫能發展的核心技術領域、需求和挑戰以及研發重點，并提出了氫能計劃的主要技術經濟指標。關鍵內容如下：
一、“氫能計劃”使命及目標
DOE“氫能計劃”使命為：研究、開發和驗證氫能轉化相關技術（包括燃料電池和燃氣輪機），并解決機構和市場壁壘，最終實現跨應用領域的廣泛部署。該計劃將利用多樣化的國內資源開發氫能，以確保豐富、可靠且可負擔的清潔能源供應。
“氫能計劃”設定了氫能發展到2030年的技術和經濟指標，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，系統轉換效率達到65%，工業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品市場中氫氣輸配成本降至2美元/千克；③車載儲氫系統成本在能量密度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子交換膜燃料電池系統成本降至80美元/千瓦，運行壽命達到25 000小時，用于固定式發電的固體氧化物燃料電池系統成本降至900美元/千瓦，運行壽命達到40 000小時。
二、氫能系統的技術需求及挑戰
1、制氫。該領域的技術需求和挑戰為：①開發成本更低、效率更高、更耐用的電解槽；②重整、氣化和熱解制氫技術的先進設計；③開發利用可再生能源、化石能源和核能的創新制氫技術，包括混合制氫系統以及原料靈活的方法；④開發從水、化石燃料、生物質和廢棄物中生產氫氣的高效低成本技術；⑤開發低成本和環境友好的碳捕集、利用和封存（CCUS）技術。
2、輸運氫。該領域的技術需求和挑戰為：①開發成本更低、更可靠的氫氣分配和輸送系統；②開發氫氣分配的先進技術和概念，包括液化和化學氫載體；③氫氣輸運的通行權和許可，以及降低部署輸運氫基礎設施的投資風險。
3、儲氫。該領域的技術需求和挑戰為：①開發低成本儲氫系統；②開發更高儲氫容量、重量和體積更小的儲氫介質；③開發大規模儲氫設施，包括現場大量應急供應和地質儲氫；④優化儲氫策略，將氫氣存儲設施布置于最終用途附近，以滿足吞吐量和動態響應要求，并降低投資成本。
4、氫轉化。該領域的技術開發需求和挑戰為：①開發可大規模生產的低成本、更耐用、更可靠的燃料電池；②開發以高濃度氫氣或純氫為燃料的渦輪機；③開發和示范大規模混合系統。
5、終端應用和綜合能源系統。該領域的技術需求和挑戰為：①系統集成、測試和驗證，以識別和解決各應用的特有挑戰；②終端應用的示范，包括鋼鐵制造、氨生產以及利用氫氣和二氧化碳生產合成燃料的技術；③示范電網集成以驗證氫用于儲能和電網服務。
6、制造和供應鏈。該領域的技術需求和挑戰為：①標準化制造流程、質量控制和優化制造設計；②增材制造和自動化制造工藝；③可回收和減少廢物的設計。
7、安全、規范和標準。該領域的技術需求和挑戰為：①適用、統一的規范和標準，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、分享最佳做法和經驗教訓。
8、教育和專業人員。該領域的技術需求和挑戰為：①針對不同利益相關方的教育資源和培訓計劃，包括應急響應人員、標準規范人員和技術人員（例如，氫及相關技術的操作、維護和處理）；②獲得關于氫能相關技術的準確、客觀信息。
三、近、中、長期技術開發選項
DOE基于近年來氫能關鍵技術的成熟度和預期需求，提出了近、中、長期的技術開發選項，具體包括：
1、近期。①制氫：配備CCUS的煤炭、生物質和廢棄物氣化制氫技術；先進的化石燃料和生物質重整/轉化技術；電解制氫技術（低溫、高溫）。②輸運氫：現場制氫配送；氣氫長管拖車；液氫槽車。③儲氫：高壓氣態儲氫；低溫液態儲氫。④氫轉化：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：地質儲氫（如洞穴、枯竭油氣藏）。③氫轉化：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產；工業和化學過程；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：大規模管道運輸和配送。③儲氫：基于材料的儲氫技術。④氫轉化：燃料電池與燃燒混合系統；可逆燃料電池。⑤氫應用：公用事業系統；綜合能源系統。
四、關鍵技術領域研發及示范重點
1、制氫
該領域的研發和示范重點事項包括：①開發減少鉑系金屬含量的新型催化劑和電催化劑；②開發分布式和大容量電力系統的模塊式氣化和電解系統；③開發低成本、耐用的膜和分離材料；④開發新型、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的資金成本；⑦改進輔助系統（BOP）組件和子系統，如電力電子、凈化和熱氣體凈化；⑧通過組件設計和材料集成實現大規模生產和制造；⑨包括電力和氫的多聯產可逆燃料電池系統；⑩系統設計、混合和優化，包括過程強化。
2、輸運氫
該領域的研發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氫液化的創新技術；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新組件（如壓縮機、儲氫罐、加氫機、噴嘴等）。
3、儲氫
該領域的研發和示范重點事項包括：①降低材料、組件和系統成本；②開發用于高壓罐的低成本高強度碳纖維；③開發與氫氣相容的耐久、安全性好的材料；④低溫液態儲氫和冷/低溫壓縮儲氫的研究、開發和示范；⑤發現和優化儲氫材料，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地質儲氫的識別、評估和論證；⑨氫和氫載體出口的系統分析；⑩研究可廣泛部署的儲氫技術和終端用途的優化目標；11研發用于安全、高效和穩定儲氫的傳感器和其他技術。
4、氫轉化
（1）氫燃燒方面，重點關注如下事項：①在簡單循環和組合循環中實現燃料中更高的氫濃度（最高達100%）；②研究燃燒行為并優化低NOx燃燒的組件設計；③應用和開發先進計算流體動力學；④開發先進的燃燒室制造技術；⑤開發新材料、涂層和冷卻方案；⑥優化轉換效率；⑦提高耐用性和壽命，降低成本，包括運維成本；⑧開發系統優化和控制方案；⑨評估和緩解水分對傳熱和陶瓷退化的影響；⑩開發和測試氫燃燒改裝組件；11實現碳中性燃料（氨氣、乙醇蒸汽）的燃燒。
（2）質子交換膜燃料電池方面，重點關注如下事項：①通過材料研發，降低鉑族金屬催化劑的負載量；②開發耐高溫、低成本、耐用膜材料；③改進組件設計和材料集成，以優化可制造和可擴展的膜電極組件的電極結構；④開發自供燃料的燃料電池所用碳中性燃料的內部重整技術；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備；⑦開發適用于多種重型車輛的標準化、模塊化堆棧和系統；⑧改進混合和優化系統的設計。
（3）固體氧化物燃料電池方面，重點關注如下事項：①研發材料以降低成本并解決高溫運行相關問題；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系統的集成、控制和優化，以實現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備；⑤開發標準化、模塊化堆棧；⑥進一步研究雜質對材料和性能的影響；⑦系統設計、混合和優化，包括可逆燃料電池。
5、終端應用
該領域的研發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，提高工業規模電解槽、燃料電池系統、燃氣輪機和發動機以及混合動力系統的耐用性和效率；④組件和系統級的集成和優化，包括BOP系統和組件；⑤集成系統的優化控制，包括網絡安全；⑥制造和規模擴大，包括過程強化；⑦協調規范和標準，包括氫氣加注協議；⑧開發新的氫能應用的容量擴展模型，以確定其經濟性。
