近日，美国能源部（DOE）发布《氢能计划发展规划》，提出了未来十年及更长时期氢能研究、开发和示范的总体战略框架。该方案更新了DOE早在2002年发布的《国家氢能路线图》以及2004年启动的“氢能计划”提出的战略规划，综合考虑了DOE多个办公室先后发布的氢能相关计划文件，如化石燃料办公室的氢能战略、能效和可再生能源办公室的氢能和燃料电池技术多年期研发计划、核能办公室的氢能相关计划、科学办公室的《氢经济基础研究需求》报告等，明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战以及研发重点，并提出了氢能计划的主要技术经济指标。关键内容如下：

　　一、“氢能计划”使命及目标

　　DOE“氢能计划”使命为：研究、开发和验证氢能转化相关技术（包括燃料电池和燃气轮机），并解决机构和市场壁垒，最终实现跨应用领域的广泛部署。该计划将利用多样化的国内资源开发氢能，以确保丰富、可靠且可负担的清洁能源供应。

　　“氢能计划”设定了氢能发展到2030年的技术和经济指标，主要包括：①电解槽成本降至300美元/千瓦，运行寿命达到80 000小时，系统转换效率达到65%，工业和电力部门用氢价格降至1美元/千克，交通部门用氢价格降至2美元/千克；②早期市场中交通部门氢气输配成本降至5美元/千克，最终扩大的高价值产品市场中氢气输配成本降至2美元/千克；③车载储氢系统成本在能量密度2.2千瓦时/千克、1.7千瓦时/升下达到8美元/千瓦时，便携式燃料电池电源系统储氢成本在能量密度1千瓦时/千克、1.3千瓦时/升下达到0.5美元/千瓦时，储氢罐用高强度碳纤维成本达到13美元/千克；④用于长途重型卡车的质子交换膜燃料电池系统成本降至80美元/千瓦，运行寿命达到25 000小时，用于固定式发电的固体氧化物燃料电池系统成本降至900美元/千瓦，运行寿命达到40 000小时。

　　二、氢能系统的技术需求及挑战

　　1、制氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发成本更低、效率更高、更耐用的电解槽；②重整、气化和热解制氢技术的先进设计；③开发利用可再生能源、化石能源和核能的创新制氢技术，包括混合制氢系统以及原料灵活的方法；④开发从水、化石燃料、生物质和废弃物中生产氢气的高效低成本技术；⑤开发低成本和环境友好的碳捕集、利用和封存（CCUS）技术。

　　2、输运氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发成本更低、更可靠的氢气分配和输送系统；②开发氢气分配的先进技术和概念，包括液化和化学氢载体；③氢气输运的通行权和许可，以及降低部署输运氢基础设施的投资风险。

　　3、储氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发低成本储氢系统；②开发更高储氢容量、重量和体积更小的储氢介质；③开发大规模储氢设施，包括现场大量应急供应和地质储氢；④优化储氢策略，将氢气存储设施布置于最终用途附近，以满足吞吐量和动态响应要求，并降低投资成本。

　　4、氢转化。该领域的技术开发需求和挑战为：①开发可大规模生产的低成本、更耐用、更可靠的燃料电池；②开发以高浓度氢气或纯氢为燃料的涡轮机；③开发和示范大规模混合系统。

　　5、终端应用和综合能源系统。该领域的技术需求和挑战为：①系统集成、测试和验证，以识别和解决各应用的特有挑战；②终端应用的示范，包括钢铁制造、氨生产以及利用氢气和二氧化碳生产合成燃料的技术；③示范电网集成以验证氢用于储能和电网服务。

　　6、制造和供应链。该领域的技术需求和挑战为：①标准化制造流程、质量控制和优化制造设计；②增材制造和自动化制造工艺；③可回收和减少废物的设计。

　　7、安全、规范和标准。该领域的技术需求和挑战为：①适用、统一的规范和标准，用于所有终端应用，包括燃烧（如涡轮机）以及燃料电池（如卡车、船舶和铁路等需大规模加注氢气的重型应用）；②改进安全信息、分享最佳做法和经验教训。

　　8、教育和专业人员。该领域的技术需求和挑战为：①针对不同利益相关方的教育资源和培训计划，包括应急响应人员、标准规范人员和技术人员（例如，氢及相关技术的操作、维护和处理）；②获得关于氢能相关技术的准确、客观信息。

　　三、近、中、长期技术开发选项

　　DOE基于近年来氢能关键技术的成熟度和预期需求，提出了近、中、长期的技术开发选项，具体包括：

　　1、近期。①制氢：配备CCUS的煤炭、生物质和废弃物气化制氢技术；先进的化石燃料和生物质重整/转化技术；电解制氢技术（低温、高温）。②输运氢：现场制氢配送；气氢长管拖车；液氢槽车。③储氢：高压气态储氢；低温液态储氢。④氢转化：燃气轮机；燃料电池。⑤氢应用：氢制燃料；航空；便携式电源。

　　2、中期。①输运氢：化学氢载体。②储氢：地质储氢（如洞穴、枯竭油气藏）。③氢转化：先进燃烧；下一代燃料电池。④氢应用：注入天然气管道；分布式固定电源；交通运输；分布式燃料电池热电联产；工业和化学过程；国防、安全和后勤应用。

　　3、长期。①制氢：先进生物/微生物制氢；先进热/光电化学水解制氢。②输运氢：大规模管道运输和配送。③储氢：基于材料的储氢技术。④氢转化：燃料电池与燃烧混合系统；可逆燃料电池。⑤氢应用：公用事业系统；综合能源系统。

　　四、关键技术领域研发及示范重点

　　1、制氢

　　该领域的研发和示范重点事项包括：①开发减少铂系金属含量的新型催化剂和电催化剂；②开发分布式和大容量电力系统的模块式气化和电解系统；③开发低成本、耐用的膜和分离材料；④开发新型、耐用、低成本的热化学和光电化学材料；⑤加速应力试验并探索退化机制以提高耐久性；⑥降低自热重整等重整技术的资金成本；⑦改进辅助系统（BOP）组件和子系统，如电力电子、净化和热气体净化；⑧通过组件设计和材料集成实现大规模生产和制造；⑨包括电力和氢的多联产可逆燃料电池系统；⑩系统设计、混合和优化，包括过程强化。

　　2、输运氢

　　该领域的研发和示范重点事项包括：①材料在高压或低温下与氢的相容性；②氢液化的创新技术；③用于氢气储存、运输和释放的载体材料和催化剂；④用于氢气低成本分配的创新组件（如压缩机、储氢罐、加氢机、喷嘴等）。

　　3、储氢

　　该领域的研发和示范重点事项包括：①降低材料、组件和系统成本；②开发用于高压罐的低成本高强度碳纤维；③开发与氢气相容的耐久、安全性好的材料；④低温液态储氢和冷/低温压缩储氢的研究、开发和示范；⑤发现和优化储氢材料，以满足重量、体积、动力学和其他性能要求；⑥利用化学氢载体优化储氢效率；⑦以化学载体形式储氢用于氢燃气轮机；⑧地质储氢的识别、评估和论证；⑨氢和氢载体出口的系统分析；⑩研究可广泛部署的储氢技术和终端用途的优化目标；11研发用于安全、高效和稳定储氢的传感器和其他技术。

　　4、氢转化

　　（1）氢燃烧方面，重点关注如下事项：①在简单循环和组合循环中实现燃料中更高的氢浓度（最高达100%）；②研究燃烧行为并优化低NOx燃烧的组件设计；③应用和开发先进计算流体动力学；④开发先进的燃烧室制造技术；⑤开发新材料、涂层和冷却方案；⑥优化转换效率；⑦提高耐用性和寿命，降低成本，包括运维成本；⑧开发系统优化和控制方案；⑨评估和缓解水分对传热和陶瓷退化的影响；⑩开发和测试氢燃烧改装组件；11实现碳中性燃料（氨气、乙醇蒸汽）的燃烧。

　　（2）质子交换膜燃料电池方面，重点关注如下事项：①通过材料研发，降低铂族金属催化剂的负载量；②开发耐高温、低成本、耐用膜材料；③改进组件设计和材料集成，以优化可制造和可扩展的膜电极组件的电极结构；④开发自供燃料的燃料电池所用碳中性燃料的内部重整技术；⑤加速压力测试，探索老化机理以及缓解方法；⑥改进BOP组件，包括压缩机和电力电子设备；⑦开发适用于多种重型车辆的标准化、模块化堆栈和系统；⑧改进混合和优化系统的设计。

　　（3）固体氧化物燃料电池方面，重点关注如下事项：①研发材料以降低成本并解决高温运行相关问题；②管理燃料电池电堆中的热量和气体流量；③解决堆栈和BOP系统的集成、控制和优化，以实现负荷跟踪和模块化应用；④改进BOP组件，包括压缩机和电力电子设备；⑤开发标准化、模块化堆栈；⑥进一步研究杂质对材料和性能的影响；⑦系统设计、混合和优化，包括可逆燃料电池。

　　5、终端应用

　　该领域的研发和示范重点事项包括：①为氢能的特定用途制定严格的目标；②解决各终端应用中的材料兼容性问题；③降低成本，提高工业规模电解槽、燃料电池系统、燃气轮机和发动机以及混合动力系统的耐用性和效率；④组件和系统级的集成和优化，包括BOP系统和组件；⑤集成系统的优化控制，包括网络安全；⑥制造和规模扩大，包括过程强化；⑦协调规范和标准，包括氢气加注协议；⑧开发新的氢能应用的容量扩展模型，以确定其经济性。