美國能源部（Department of Energy，DOE）7月7日宣布投入5250萬美元用于支持31個氫能相關(guān)項目，促進該行業(yè)的技術(shù)進步，加快市場化進程。其中，DOE能效和可再生能源辦公室（Office of Energy Efficiency ＆ Renewable Energy， EERE）提供3600萬美元，共資助19個項目；DOE化石能源和碳管理辦公室（Department of Energy’s Office of Fossil Energy and Carbon Management， FECM）提供1650萬美元，共資助12個項目。

1

31個項目簡介

制作：香橙會研究院

2

各項目主要工作與預計目標

1、燃料電池單元化的連續(xù)制造工藝

開發(fā)一種能夠連續(xù)生產(chǎn)并且與卷對卷生產(chǎn)方法兼容的雙極板。該雙極板不僅具有大的活性面積400cm2，而且能夠滿足重型卡車對反應物質(zhì)的高通量需求。研發(fā)先進的電壓測試系統(tǒng)，監(jiān)測電池／電堆性能和健康狀態(tài)。

2、大功率、低成本、薄柔性石墨雙極板開發(fā)

開發(fā)能夠滿足DOE壽命和成本要求的下一代薄柔性石墨板。通過三年的技術(shù)積累，不僅要顯著降低成本，而且要將壽命增長至25000h。

3、 大功率燃料電池雙極板技術(shù)研發(fā)

提出一套全面的金屬雙極板加工工藝以使其滿足DOE低成本、高性能、長壽命的要求。通過專注鐵素體不銹鋼的沖壓、涂層和焊接的工藝優(yōu)化，使金屬雙極板即使在低成本的制造條件下也能展現(xiàn)出在25000h運行時間后僅產(chǎn)生微小性能衰減的潛力。

4． 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板無貴金屬涂層研發(fā)和生產(chǎn)

該項目以材料加工和涂層方法為手段，開發(fā)經(jīng)濟耐用的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。三年研發(fā)攻關(guān)結(jié)束后將交付十套金屬雙極板給百萬里燃料電池卡車聯(lián)盟（M2FCT）進行測試和驗證。

5． 基于高溫成型和和擴撒粘結(jié)技術(shù)的低成本耐腐蝕涂層鋁雙極板

通過抗腐蝕材料的擴散粘結(jié)和鋁板的高溫成型，加上TreadStone專有的DOT涂覆技術(shù)，研發(fā)一種無缺陷、低成本、高腐蝕抗性的鋁制雙極板。這個項目將上述技術(shù)流程從概念驗證推進至制造全尺寸雙極板實物驗證，以滿足DOE對大功率燃料電池用雙極板的成本和壽命目標。

6． 利用ICE空氣系統(tǒng)技術(shù)減少燃料電池系統(tǒng)成本

研發(fā)350kW至1000kW大功率燃料電池空氣供給系統(tǒng)以滿足不同使用場景，包括卡車、公共汽車、建筑、采礦設(shè)備、船舶和鐵路。開發(fā)一種能夠滿足DOE效率、成本、可靠性、耐用性、體積和重量目標的高效電動離心壓縮機－膨脹機系統(tǒng)。

7． 重型燃料電池卡車高效、實用的瞬態(tài)空氣管理系統(tǒng)

開發(fā)一種高效且耐用的羅茨型燃料電池空氣系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不到兩秒的響應時間和和較寬的調(diào)節(jié)比，這是大功率燃料電池運用于交通設(shè)備時對不斷變化的駕駛條件做出快速響應的理想特性。該項目包括系統(tǒng)與燃料電池的耦合驗證，證明其在快速響應領(lǐng)域的優(yōu)越性。

8． 箔片軸承支承的壓縮機－膨脹機

開發(fā)一種基于空氣箔軸承的離心式壓縮機－膨脹機系統(tǒng)，可以消除油基軸承潤滑劑污染陰極催化劑的風險。研究燃料電池參數(shù)，了解設(shè)計需求，通過將精密加工、高效直流永磁電機和最先進的碳化硅開關(guān)設(shè)備結(jié)合起來，生產(chǎn)出能夠滿足甚至超出DOE性能標準的壓縮機－膨脹機。

9． 基于離心式壓縮機的長壽命高效系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

該項目專注于研發(fā)用于大功率燃料電池空氣系統(tǒng)中離心壓縮機－膨脹機新型水潤滑3D軸承，并結(jié)合其他技術(shù)，提升輸送到燃料電池堆內(nèi)空氣的清潔度來提高電池堆的壽命和耐用性。

10． 高溫電解槽的低成本制造

該項目通過提升單電池／電堆的兼容性及優(yōu)化組裝工藝，增加活性面積100％，減少電池厚度25％，使電解槽成本降至100美元／kW以下，從而能夠制造生產(chǎn)滿足美國能源部2美元每千克氫氣的目標。項目驗收時，愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）根據(jù)該項目取得的制造技術(shù)進步對電解槽（約14kW）進行測試和驗證。隨后將進一步與Strategic Analysis公司合作，基于電解槽性能和制造成本探究未來大規(guī)模生產(chǎn)時降低50％成本的可能性。

11． 固體氧化物電解槽及組件的自動化生產(chǎn)

該項目以康明斯公司成熟的熱噴涂沉積工藝為基礎(chǔ)大批量制造SOEC。該項目利用增材制造和自動化質(zhì)量控制和組裝方面的最新進展來支持固體氧化物電解槽疊層的自動化生產(chǎn)，不僅減少了昂貴的燒結(jié)需求，并將所需的密封材料減少了50％。該項目的目標為自動組裝60kW電解槽，這極大地減少了勞動力輸入，增加電池產(chǎn)量，并形成100％質(zhì)量控制。創(chuàng)建的電解槽自動化生產(chǎn)線將建立94兆瓦每年的電解槽生產(chǎn)能力。

12． 新型生物質(zhì)廢物制氫技術(shù)研發(fā)

該項目通過發(fā)酵或微生物電解的方式利用食物／有機廢物產(chǎn)生氫氣，是一種高效、低成本的可再生氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)。該項目最終交付成果是一個1立方米的綜合試點系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑽醇庸さ氖澄锢�圾轉(zhuǎn)化為99．999％的純氫氣，產(chǎn)量為40％，從而實現(xiàn)美國能源部2美元每千克氫氣的目標。

13． 利用廢水高效制氫的新型微生物電解槽研發(fā)

提出了一種創(chuàng)新的微生物電解槽（microbial electrolysis cell， MEC）的概念，能夠有效解決當前微生物電解最先進技術(shù)的重要障礙，例如擴散限制和局部環(huán)境PH過低以及以前MEC耐用性不足的問題。創(chuàng)新性的電池設(shè)計促進了高效的離子轉(zhuǎn)移，減少了對昂貴的抗腐蝕材料的需求，并以真正的廢水原料在100cm2的微生物電解槽中實現(xiàn)了20L氫氣每反應器每天的氫氣生產(chǎn)速率目標，從而為減輕廢水管理負擔和生產(chǎn)低成本氫氣（2美元每千克）提供了一條可行路徑。

14． 用于中重型交通工具的先進氫氣加注系統(tǒng)

該項目將開發(fā)一種隔膜壓縮機，能夠以600kg／h的速度加注氫氣，比當前先進水平快10倍以上。為了完成快速加注，該技術(shù)設(shè)定的加注壓力為1000bar（100MPa）。該項目創(chuàng)新還包括閥門優(yōu)化和液壓驅(qū)動，以實現(xiàn)靈活操作（高調(diào)節(jié)比）和模塊化。

15． 一種經(jīng)濟高效的加氫系統(tǒng)

該項目將開發(fā)一種多級200kW氫氣冷卻器，可以將氫氣預冷至－40℃。該項目的主要創(chuàng)新點在于兩級氨／二氧化碳循環(huán)，其效率高于傳統(tǒng)的一級循環(huán)，因此所消耗的功率預定比舊式機器低50％。最后，該項目將提供經(jīng)過全面驗證的高流量氫氣冷卻器設(shè)計，并將之運用于大功率燃料電池加氫站。

16． 重載燃料電池卡車自動燃料加注系統(tǒng)

該項目將為重載燃料電池卡車開發(fā)和測試首創(chuàng)的自動氫氣加注系統(tǒng)。該系統(tǒng)可保證在15分鐘內(nèi)快速、安全、高效地加載80kg以上的氫氣。項目中開發(fā)的機器人可賦予燃料加注設(shè)備組件更多選擇。該項目還將探索在自主設(shè)備中使用傳感器監(jiān)測加氫站性能和泄露情況，以實現(xiàn)更安全、更可靠的運行。最后，該項目還將評估美國國內(nèi)各個地區(qū)不同氣候條件對該加注系統(tǒng)（機器人、傳感器和大功率燃料電池）的影響。

17－19． 燃料電池、氫能生產(chǎn)、氫能儲存成本和性能分析

負責該項目的Strategic Analysis公司將與原始設(shè)備制造商、 供應商和系統(tǒng)專家組成的行業(yè)團體進行互動并開展技術(shù)經(jīng)濟分析。該項目將為DOE提供準確的、最新的關(guān)于不同生產(chǎn)路徑下的氫能生產(chǎn)、氫能儲存和燃料電池的成本估算。

20． 基于質(zhì)子傳導的長壽命、高性能電解槽技術(shù)開發(fā)

該項目將深入研究電解條件下電解質(zhì)、電極和催化劑材料的降解機制，以合理設(shè)計更好的電極和催化劑材料。該項目的主要目標是展示具有氫氣生產(chǎn)和電能生產(chǎn)功能的低成本、高效的可逆固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)可行性。

21． 基于控制氧電極表面成分提升固體氧化物電解槽和耐久性的研究

該項目將以目前最先進的（La0．6Sr0．4）0．95Co0．2Fe0．8O3－ （LSCF）氧電極作為研究對象，探討不純反應氣體中的雜質(zhì)毒物耦合到鈣鈦礦氧電極上的降解途徑。該項目的主要目標有：1）提供LSCF的化學和電化學穩(wěn)定性，防止摻雜劑鍶（Sr）偏析以及隨之而來的鉻（Cr）和硫（S）中毒；2）基于滲透化學以最有效、最高效和最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)表面改性，抑制摻雜劑鍶（Sr）偏析及鉻（Cr）和硫（S）中毒；3）了解相關(guān)操作參數(shù)對氧電極性能的影響。

22． 穩(wěn)定、低成本的固體氧化物電解槽開發(fā)

該項目將在實驗室測試臺上運行固體氧化物電解槽，要展現(xiàn)出比對比電解槽更優(yōu)異的性能，并且需要在穩(wěn)健性、可靠性、耐用性、H2純度，高壓（2－3bar）產(chǎn)氫這些指標方面展現(xiàn)出更好的性能。項目結(jié)題時提交的固體氧化物電解槽產(chǎn)品（6節(jié)電池的短堆）能夠在不同蒸汽模式下制氫運行至少500小時，然后在S0FC模式下發(fā)電運行300小時，以驗證其存在可逆運行的功能。另外需要單獨測試一個短堆以驗證其是否能在產(chǎn)生2－3bar高壓氫氣的工況下連續(xù)運行100h。

23． 開發(fā)高效、耐用、高氧化還原抗性的固體氧化物電解槽的新型3D電池結(jié)構(gòu)和制造工藝

該項目將開發(fā)一種用于制氫的高效、耐用且抗氧化還原的固體氧化物電解槽。采取的技術(shù)路徑為新型電池結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制造工藝優(yōu)化，該技術(shù)能夠增大當前SOEC的尺寸，提升其性能和氧化還原抗性，并使其更加適合于蒸汽工況下生產(chǎn)氫氣，提升其壽命。

24． 開發(fā)具有金屬支撐的高性能固體氧化物電解槽并創(chuàng)新故障診斷方法

該項目將開發(fā)高性能金屬支撐的固體氧化物電解槽并創(chuàng)新診斷方法。該項目計劃制造金屬支撐的固體氧化物電解槽（MS－SOECs）以提高電解性能，同時保證電堆組件的機械強度。該項目還將制定SOEC加速測試方案，并采用理論分析提高其穩(wěn)定性并抑制氧電極爆裂。該項目還將使用機器學習研究電化學性能對電極微觀結(jié)構(gòu)的依賴性。

25． 開發(fā)高通量和高效制氫的可逆固體氧化物電池的穩(wěn)定關(guān)鍵材料和微結(jié)構(gòu)

該項目將通過基礎(chǔ)材料和微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新解決關(guān)鍵的遺留問題，推進可逆固體氧化物燃料電池（Reversible solid oxide cell，RSOC）技術(shù)，用于獨自供能或混合動力，也可作為一種儲能手段生產(chǎn)氫氣。該項目旨在推進RSOC技術(shù)的商業(yè)化，并將之拓展至公共事業(yè)領(lǐng)域。

26． 高效長壽命固體氧化物電解槽多孔電極內(nèi)表面設(shè)計研發(fā)

該項目開發(fā)高活性和穩(wěn)定的納米涂層并將其用于多孔電極內(nèi)表面。涂層將使用原子層沉積（Atomic Layer Deposition， ALD）和增材制造（additive manufacturing process）工藝開發(fā)，并將其植入多孔電極內(nèi)表面，從而為電池層級的各種材料挑戰(zhàn)提供一個簡單的解決方案，進一步實現(xiàn)更高效的SOEC堆和系統(tǒng)。

27． 異質(zhì)結(jié)構(gòu)固體氧化物電解槽耐鉻氧電極研發(fā)

該項目采用聯(lián)合集成計算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）設(shè)計、測試和驗證SOEC的氧電極材料�；�于實驗室的測試工況，該材料能夠在含鉻氣體雜質(zhì)存在的操作條件下保持高性能和低降解率。電極材料完全優(yōu)化后，在700℃工況下每運行1000小時的固有長期降解率低于0．3％。

28． 基于Svante公司固體二氧化碳吸附技術(shù)的Linde甲烷重整制氫工廠脫碳

林德（Linde）公司將完成用于蒸汽甲烷重整器（SMR）的商業(yè)規(guī)模二氧化碳捕集裝置的初始工程設(shè)計，使用Svante公司提供的固體吸附劑進行二氧化碳吸附以制造藍氫。整個系統(tǒng)設(shè)計為從美國墨西哥沿岸林德現(xiàn)有SMR工廠中以90％或更高的碳捕獲效率捕獲1，1000，000噸／年的凈二氧化碳量，同時生產(chǎn)純度為99．97％的氫氣。該項目能夠滿足DOE制定的整體目標，即通過SMR技術(shù)生產(chǎn)的氫氣純度達到99．97％，同時該工廠能夠?qū)崿F(xiàn)90％的碳捕獲率，二氧化碳純度為95％。

29． 菲利普斯（Phillips 66）Rodeo煉油廠先進碳捕捉裝置研究

該項目將完成商業(yè)規(guī)模級、先進的CO2捕集和封存工廠的初步設(shè)計。該工廠每年能夠從現(xiàn)有蒸汽中分離和儲存約190，000噸CO2，能夠滿足位于加利福尼亞州Phillips 66 Rodeo煉油廠碳捕捉效率達到90％的標準。

30．Blue Bison工廠自熱重整系統(tǒng)（Autothermal Reforming， ATR）與CCUS系統(tǒng)的結(jié)合

該項目在Blue Bison工廠自熱重整制氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成設(shè)計了碳捕捉、利用與封存系統(tǒng)（Carbon Capture， utilization and Storage， CCUS）。優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠每年分離和儲存166萬噸CO2，碳捕獲效率達97％，碳純度為95％。按照設(shè)計理念，Blue Bison工廠首次將碳捕獲、純氫氣生產(chǎn)（純度為99．97％）和輔助燃燒器中的氫氣燃燒結(jié)合起來。該項目將打造可復制的世界級ATR藍氫工廠先驅(qū)，生產(chǎn)具有成本競爭力的碳中性燃料，可以顯著使能源經(jīng)濟脫碳，并使該國豐富的自然資源得到充分地利用。

31． 用于純氫和氫氣／天然氣混合物的工業(yè)燃氣輪機燃燒系統(tǒng)開發(fā)

該項目將為100％氫氣或天然氣／氫氣混合物開發(fā)可改裝地干式低排放燃氣輪機系統(tǒng)。該項目能夠為工業(yè)用燃氣輪機脫碳，也能夠產(chǎn)生快速調(diào)度的電力，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。該項目的整體目標是原型機能夠在100％氫氣和天然氣／氫氣混合物作為燃料的工況下進行完整測試，表明該技術(shù)的可行性 ，并進行燃燒性能分析。該項目還將開發(fā)發(fā)動機控制算法和氫氣火焰檢測方法并使用CFD和LES進行簡化動力學分析。最后，該項目還將對以氫氣為燃料的燃氣輪機發(fā)電廠和管道壓縮機站進行經(jīng)濟技術(shù)分析。

3

項目分析與評估

在本次DOE資助的31個氫能相關(guān)的項目中，資助金額最高的前三個項目分別為項目11：固體氧化物電解槽和電堆的自動化生產(chǎn)，資助金額＄5，000，000；項目31：開發(fā)用于純氫和氫氣／天然氣混合物的可改裝干式低排放工業(yè)燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，資助金額＄4，500，000；項目10：高溫電解槽的低成本制造技術(shù)，資助金額＄3，333，257。資助最少的項目金額約100萬美元，共有13個項目。項目資助金額平均值約為167萬美元，低于資助平均值的項目有21個，約2500萬美元，而剩下的10個項目則擁有2700多萬美元的資助。

31個項目中，以高校為主要負責人的項目僅有8個，其中7個項目著重于低成本、長壽命、高效的固體氧化物電解槽或可逆固體氧化物電解槽（制氫和發(fā)電）技術(shù)的開發(fā)，另外一個項目是采用微生物廢水制氫的研究。表明美國氫能已經(jīng)從實驗室的基礎(chǔ)研究階段開始轉(zhuǎn)向商業(yè)化應用示范階段。

從氫能應用一體化供應鏈生態(tài)“制－儲－運－加”進行分析。

首先，低成本、低碳的制氫方式受到了廣泛的重視。其中，固體氧化物電解槽技術(shù)作為一種制氫和供能的手段在本次氫能研究資助中得到了最大的支持，共計10個項目，資助金額達1600多萬美元。美國希望通過電解槽技術(shù)和制造工藝的創(chuàng)新降低氫氣生產(chǎn)成本至每千克2美元。

除此之外，美國也還尋求其他創(chuàng)新性的低成本制氫方式，如微生物制氫。在低碳制氫方面，美國在如今現(xiàn)有制氫工廠技術(shù)的基礎(chǔ)上集成CCUS系統(tǒng)生產(chǎn)低碳藍氫，預計將產(chǎn)生良好的示范作用。氫氣加注方面，美國資助的開發(fā)項目注重減少加氫時間和加氫人工成本，預計將氫氣加注壓力提升至1000kPa，并計劃實現(xiàn)全自動加氫站的全美覆蓋建設(shè)。最后，在此次氫能資助項目中，沒有涉及氫氣儲存和運輸?shù)南嚓P(guān)項目。

從氫氣終端利用進行分析。

本次DOE資助項目氫能利用終端有兩個：大功率燃料電池和氫氣用燃氣輪機。其中，大功率燃料電池類別中主要包括雙極板和空氣管理系統(tǒng)的相關(guān)研發(fā)。主要研發(fā)目標是提升雙極板的壽命至25000h并降低雙極板的制造成本。為了追求更高的功率密度，目前金屬雙極板在所有大功率燃料電池中得到了廣泛地運用，但薄柔性石墨雙極板也得到了DOE的相關(guān)資助，這表明其并未被金屬雙極板淘汰。

大功率燃料電池空氣管理系統(tǒng)的研發(fā)主要包括兩個方面，第一個方面是研發(fā)高效、低成本、動態(tài)響應速度快的空氣管理系統(tǒng)；第二個方面是研發(fā)無潤滑油空氣管理系統(tǒng)組件。氫氣用燃氣輪機能夠?qū)⒖稍偕�能源存儲在氫氣中的能量重新轉(zhuǎn)化為電能，具有可調(diào)控性強的顯著優(yōu)點，如能真正取得突破，那么就可建立未利用可再生能源發(fā)電電解水制氫－氫氣用燃氣輪機燃燒氫發(fā)電上網(wǎng)的完全無污染的電力供給，具有非常重要的價值，是氫能應用的另一大重要場景。