歐洲能源研究聯(lián)盟發(fā)布至2030年氫能與燃料電池研究規(guī)劃

歐洲能源研究聯(lián)盟(EERA)日前發(fā)布了新版《氫能與燃料電池聯(lián)合研究計劃實施規(guī)劃》，確定了歐盟到2030年在氫能與燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的研究目標(biāo)、行動計劃和優(yōu)先事項，以促進(jìn)氫能與燃料電池技術(shù)的大規(guī)模部署和商業(yè)化。EERA是歐洲最大的低碳能源研究非營利性國際協(xié)會，由超過250家公共科研機(jī)構(gòu)和高校組成，是歐盟戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃(SET-Plan)的研究支柱，目前共開展了17個低碳能源技術(shù)領(lǐng)域的聯(lián)合研究計劃，氫能與燃料電池是其中之一。本次更新的實施規(guī)劃提出了7個子領(lǐng)域的研究重點和關(guān)鍵項目，并明確了實施優(yōu)先級和預(yù)算：電解質(zhì);催化劑與電極;燃料電池電堆材料與設(shè)計;燃料電池系統(tǒng);建模、驗證與診斷;氫氣生產(chǎn)與處理;氫氣儲存。詳細(xì)內(nèi)容如下：

一、電解質(zhì)

1、燃料電池和電解質(zhì)隔膜中輸運(yùn)過程研究。該領(lǐng)域計劃投入2400萬歐元資助4個項目，包括：聚合物和無機(jī)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的離子輸運(yùn)研究;將寬帶電子光譜(BES)、核磁共振(MRI)同步加速器和中子散射技術(shù)用于聚合物、氧化物/陶瓷材料的化學(xué)和輸運(yùn)特性研究;多相氧化物材料中的離子輸運(yùn)研究。

2、電解質(zhì)材料降解過程及其緩解方法研究。該領(lǐng)域計劃投入4600萬歐元資助5個項目，包括：質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷基電解質(zhì)材料的降解研究(尤其是在高壓電解模式下);開發(fā)監(jiān)測隔膜和電解質(zhì)降解的原位診斷傳感器;利用BES、MRI、同步加速器和中子散射等技術(shù)開發(fā)電解質(zhì)降解現(xiàn)象的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化表征新技術(shù)，如;開發(fā)增強(qiáng)聚合物膜化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的方法，并進(jìn)行驗證。

3、新型膜材料和薄膜電解質(zhì)沉積方法。該領(lǐng)域計劃投入4200萬歐元資助6個項目，包括：開發(fā)穩(wěn)定的堿性陰離子交換膜;開發(fā)具備質(zhì)子電導(dǎo)率的中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì);利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)高表面積電解質(zhì)的可行性研究;開發(fā)適用于200-450℃的質(zhì)子導(dǎo)電材料;通過新的電解質(zhì)膜化學(xué)、設(shè)計和架構(gòu)開發(fā)智能、自適應(yīng)材料，以緩解材料隨時間的老化;開發(fā)薄膜電解質(zhì)沉積的新工藝和方法。

4、膜電極界面電解質(zhì)研究。該領(lǐng)域計劃投入1000萬歐元資助2個項目，包括：通過性能、制備、加工路線、表征技術(shù)和工具研究，開發(fā)用于膜電極界面的改進(jìn)離子聚合物;包含新型離聚物材料的油墨催化劑，研究電池運(yùn)行過程中聚合物的降解現(xiàn)象。

5、在實際運(yùn)行條件下膜電極組件電解質(zhì)的性能和耐久性驗證。該領(lǐng)域計劃投入1800萬歐元資助4個項目，包括：新型材料的耐久性研究;建立燃料電池和電解槽長期測試數(shù)據(jù)的開放獲取數(shù)據(jù)庫;材料重復(fù)利用的可行性研究。

二、催化劑與電極

1、燃料電池和電解槽電化學(xué)過程和材料基礎(chǔ)研究。該領(lǐng)域計劃投入3600萬歐元資助5個項目，包括：電極、催化劑和載體的模型和表征;新型分段式雙極板;實際運(yùn)行條件下的催化劑表面結(jié)構(gòu)研究;用于高溫、電壓跨度大的穩(wěn)定氧電極;優(yōu)化催化劑和電極性能。

2、電極、催化劑和載體的設(shè)計和開發(fā)策略。該領(lǐng)域計劃投入6500萬歐元資助8個項目，包括：集成電荷轉(zhuǎn)移和催化活性的多功能電催化劑，用于含碳燃料;改進(jìn)化學(xué)穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜燃料電池、便攜式微流體燃料電池、直接甲醇/乙醇燃料電池，使電池具有更高活性和更佳性能;用于干燥環(huán)境的多相電極、結(jié)構(gòu)化電極;耐腐蝕高溫電極;中溫電池(200–600℃)新型電極;納米級催化劑、氧化物陶瓷電極和載體的穩(wěn)定與控制;用于中溫燃料電池中碳?xì)浠衔镏苯永玫男滦完枠O電催化劑;低貴金屬含量的陽極電催化劑，用于低溫直接氧化甲醇/乙醇。

3、改進(jìn)催化劑性能。該領(lǐng)域計劃投入3200萬歐元資助3個項目，包括：多功能電極材料，用于直接轉(zhuǎn)化和合成氫載體，使用無毒、無害的原料作為電催化劑;非貴金屬電催化劑的合成與表征;耐堿性介質(zhì)腐蝕電極，質(zhì)子-電子混合導(dǎo)電電極。

4、材料集成、電極設(shè)計與制造。該領(lǐng)域計劃投入5200萬歐元資助3個項目，包括：電池中先進(jìn)電極的集成和示范;使用最少電催化劑的納米結(jié)構(gòu)電極概念原型;通過可升級、環(huán)保和自動化制造技術(shù)開發(fā)納米結(jié)構(gòu)電極。

三、燃料電池電堆材料與設(shè)計

1、連接件和雙極板。該領(lǐng)域計劃投入4400萬歐元資助8個項目，包括：開發(fā)用于高溫燃料電池和電解槽的無腐蝕陶瓷連接件的3D打印新工藝;開發(fā)用于集成電路(IC)的3D打印材料;開發(fā)3D打印的IC設(shè)計;開發(fā)連接件的鉻蒸發(fā)阻擋層的低成本涂層技術(shù);開發(fā)用于低溫運(yùn)行的新型IC材料;開發(fā)質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的非貴金屬涂層;開發(fā)用于燃料電池和電解槽管狀電池的連接件;開發(fā)燃料電池和電解池雙極板性能和穩(wěn)定性的原位表征方法。

2、接觸和氣體分布研究。該領(lǐng)域計劃投入2200萬歐元資助5個項目，包括：低電阻和高穩(wěn)定性質(zhì)子交換膜燃料電池微孔層研究;熱循環(huán)過程的接觸損耗原因研究;電堆中電池互連的接觸行為建模和仿真;新型陰極柔性接觸層的開發(fā);通過增材制造改善接觸并減小面積比電阻。

3、電堆密封。該領(lǐng)域計劃投入3400萬歐元資助10個項目，包括：固態(tài)反應(yīng)燒結(jié)法開發(fā)陶瓷密封;固態(tài)氧化物電池電解運(yùn)行對電堆密封膠的影響研究;鑄造和/或成型接近最終形狀密封件的自動化生產(chǎn);開發(fā)雙極板或膜電極密封的低成本集成生產(chǎn)工藝;開發(fā)用于模塊的玻璃-陶瓷密封膠;研究耐用和低成本密封的精確成型增材制造技術(shù);開發(fā)密封材料以提高固態(tài)燃料電池電堆耐用性，實現(xiàn)200次以上熱循環(huán);不同玻璃-陶瓷密封膠材料的測試和表征;開發(fā)玻璃-陶瓷密封膠在工作條件下的表征方法;熱循環(huán)過程中電堆熱應(yīng)力建模與仿真。

4、傳感器新型設(shè)計。該領(lǐng)域計劃投入1400萬歐元資助3個項目，包括：基于O2壓力差和/或濕度傳感器開發(fā)燃料利用率傳感器;嵌入式傳感器;將診斷算法和傳感器等硬件直接集成到現(xiàn)有燃料電池輔助系統(tǒng)(BoP)組件中。

5、電堆和BoP新型設(shè)計。該領(lǐng)域計劃投入3200萬歐元資助7個項目，包括：通過結(jié)合氧氣輸運(yùn)膜更好地回收燃料;優(yōu)化BoP以減少低溫系統(tǒng)寄生損耗;開發(fā)加壓制氫電解池新型設(shè)計，具有更高的穩(wěn)定性和更低的成本;基于氫能和燃料電池的輕便高效便攜式發(fā)電新概念;質(zhì)子交換膜電池和超級電容深度集成的電堆概念。

四、燃料電池系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組件材料開發(fā)。該領(lǐng)域計劃投入1800萬歐元資助7個項目，包括：燃料電池BoP組件的經(jīng)濟(jì)高效合金材料;高溫BoP組件新型材料;高溫?zé)峤粨Q器用涂料開發(fā);BoP組件耐腐蝕涂層開發(fā)。

2、組件/功能開發(fā)。該領(lǐng)域計劃投入1500萬歐元資助3個項目，包括：在電堆中集成重整器和熱交換器;開發(fā)選擇性膜和其他燃料廢氣凈化裝置以獲取熱量、電力和氫氣;開發(fā)陽極廢氣的再循環(huán)風(fēng)機(jī)，用于蒸汽重整。

3、新系統(tǒng)概念開發(fā)。該領(lǐng)域計劃投入1500萬歐元資助4個項目，包括：聯(lián)合固體氧化物燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的高度靈活熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以及實現(xiàn)最高效發(fā)電;固體氧化物電池和儲熱結(jié)合，以最大化能量轉(zhuǎn)換效率;固體氧化物電池和液態(tài)有機(jī)氫載體儲氫結(jié)合，用于汽車和航空。

4、燃料電池和電解槽傳感器及診斷工具。該領(lǐng)域計劃投入1000萬歐元資助2個項目，包括：集成燃料、溫度、流量傳感器的高溫固體氧化物電池系統(tǒng);集成傳感器低溫燃料電池和電解系統(tǒng)。

5、系統(tǒng)控制。該領(lǐng)域計劃投入1400萬歐元資助2個項目，包括：基于腳本的系統(tǒng)控制和運(yùn)行自動化，以實現(xiàn)系統(tǒng)生命周期內(nèi)簡易低成本檢測電堆性能;基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能的系統(tǒng)容錯控制。

五、建模、驗證與診斷

1、燃料電池組件建模。該領(lǐng)域計劃投入1000萬歐元資助4個項目，包括：利用從頭計算法和連續(xù)模型，研究催化劑層的結(jié)構(gòu)和物理特性，以改善其性能和耐久性;基于模型方法優(yōu)化有源層結(jié)構(gòu)以增加電池功率密度;多尺度輸運(yùn)機(jī)理研究以確定不同組件的最佳材料結(jié)構(gòu)，開發(fā)快速可靠的多組件老化模型;通過雙極板相變兩相流仿真模擬以優(yōu)化設(shè)計。

2、燃料電池單元、雙極板建模及實驗驗證。該領(lǐng)域計劃投入900萬歐元資助4個項目，包括：電堆三維計算流體動力學(xué)(CFD)開源模型;用于下一代電池組的雙極板設(shè)計和膜電極的共同優(yōu)化;開發(fā)電堆先進(jìn)三維模型，為開發(fā)模塊化電池做準(zhǔn)備;進(jìn)行模型的實驗驗證。

3、燃料電池電堆建模。該領(lǐng)域計劃投入800萬歐元資助2個項目，包括：優(yōu)化雙極板、集電器等的參數(shù)、幾何形狀和配置，開發(fā)模型測試助劑對電池組性能的影響，并研究電池組與其他電氣設(shè)備的相互作用，以優(yōu)化電堆設(shè)計;電堆三維仿真、專有設(shè)計規(guī)則和最佳實踐。

4、系統(tǒng)建模與控制。該領(lǐng)域計劃投入1400萬歐元資助5個項目，包括：開發(fā)可預(yù)測壽命的動態(tài)多物理場燃料電池系統(tǒng)模型;建立燃料電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;不同環(huán)境下運(yùn)行狀況與壽命關(guān)系的模型研究;優(yōu)化燃料電池管理系統(tǒng)，包括電池組和系統(tǒng)級的性能和耐用性;開放的快速原型仿真平臺用于優(yōu)化車用燃料電池系統(tǒng)。

5、開發(fā)表征工具。該領(lǐng)域計劃投入1100萬歐元資助4個項目，包括：從納米級到微米級結(jié)構(gòu)的多尺度表征;分段式雙極板，用于局部檢查和實時診斷;開發(fā)用于表征單個現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)的燃料電池先進(jìn)異位測試方法，用于模型參數(shù)識別和模型驗證;加速壓力測試以驗證老化模型。

六、氫氣生產(chǎn)與處理

1、生物質(zhì)/生物廢物制氫。該領(lǐng)域計劃投入2000萬歐元資助4個項目，包括：非貴金屬催化劑生物質(zhì)制氫;高性能氣化爐實現(xiàn)廢物氣化連續(xù)運(yùn)行一萬小時以上;改進(jìn)催化劑和優(yōu)化過程控制提高氣化爐運(yùn)行時間;廢物制燃料的標(biāo)準(zhǔn)化并開發(fā)過程中燃料分析方法。

2、藻類制氫。該領(lǐng)域計劃投入3600萬歐元資助3個項目，包括：確定光轉(zhuǎn)換效率高于5%的高性能藻類;藻類制氫用膜的開發(fā)，如聚合物和金屬膜;生物水煤氣變換反應(yīng)中一氧化碳脫氫酶和[鎳鐵]-氫化酶對碳納米管的生物功能化。

3、水熱分解制氫。該領(lǐng)域計劃投入600萬歐元資助1個項目：開發(fā)水和二氧化碳低溫?zé)岱纸獾男滦痛呋瘎?/p>

4、更高效的光催化制氫。該領(lǐng)域計劃投入1600萬歐元資助6個項目，包括：共摻雜TiO2-Co3O4納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)作為光陽極，通過光催化水分解生產(chǎn)氫;通過改進(jìn)光催化劑提高產(chǎn)氫率;用于光催化水分解和生產(chǎn)太陽能燃料的納米結(jié)構(gòu)非貴金屬催化劑;光催化重整醇類制氫的催化劑;光催化重整生物質(zhì)制氫;人工光合作用的多尺度模型開發(fā)。

5、氫氣壓縮、液化和凈化。該領(lǐng)域計劃投入1000萬歐元資助4個項目，包括：減少70 MPa金屬氫化物氫壓縮機(jī)一半能耗，集成膜反應(yīng)器，提高現(xiàn)場生產(chǎn)和膜分離效率;將氫氣液化能耗降低至現(xiàn)有值的1/3;開發(fā)金屬膜和陶瓷膜等材料，提高氣體分離膜化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性及選擇性。

6、其他制氫方法的安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。該領(lǐng)域計劃投入800萬歐元資助4個項目，包括：確定監(jiān)測氫氣質(zhì)量的方法，開發(fā)氫氣質(zhì)量傳感器，評估質(zhì)量下降對氫裝置的影響，開發(fā)可利用低品質(zhì)氫氣的固體高分子燃料電池(PEFC);通過監(jiān)控設(shè)備、傳感器等評估在建筑物等空間內(nèi)對氫氣的處理;氫氣生產(chǎn)的安全性和風(fēng)險評估;建筑物中氫氣使用的風(fēng)險評估和指南。

七、氫氣儲存

1、壓縮儲氫和液態(tài)儲氫。該領(lǐng)域計劃投入600萬歐元資助4個項目，包括：低于目前壓縮氣態(tài)儲氫壓力的碳纖維替代材料，如玻璃纖維或芳綸纖維;高壓氫氣對氫氣管路、閥門、比例調(diào)節(jié)器的影響;高壓氫氣罐快速加注的控制系統(tǒng);液態(tài)氫對連接管線、閥門、比例調(diào)節(jié)器等的影響。

2、氫氣載體。該領(lǐng)域計劃投入2400萬歐元資助15個項目，包括：酰胺/酰亞胺基材料;利用體心立方結(jié)構(gòu)合金儲氫;基于輕元素的復(fù)合氫化物;新型稀土-鎂-過渡金屬(RE-Mg-TM)三元?dú)浠飳崿F(xiàn)在環(huán)境條件下固態(tài)儲氫;基于氨硼烷和/或硼氫化物的混合系統(tǒng);復(fù)合氫化物;高熵氫化物;金屬氫化物;在環(huán)境條件下不穩(wěn)定但在較高氫氣壓力下穩(wěn)定的材料;過渡金屬-合金和金屬有機(jī)框架(MOFs)復(fù)合材料，可在低溫條件下吸附和吸收氫氣;多孔材料(如包合物、多孔冰)儲氫;用于液態(tài)化學(xué)儲氫的硼氫化鈉溶液及其他化合物(如氨硼烷);液體有機(jī)氫載體，如甲酸、芳烴、酒精等;低成本金屬和氫化物化合物副產(chǎn)物的可控水解和回收。

3、儲氫系統(tǒng)。該領(lǐng)域計劃投入900萬歐元資助5個項目，包括：低溫壓縮儲氫、固態(tài)壓縮儲氫;儲氫罐與燃料電池系統(tǒng)集成;制定儲氫規(guī)范。