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近日，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发布《电解制氢技术开发路线图》。NEDO自2005年出台《燃料电池和氢能技术开发路线图》以来，进行多次完善修订，2023年2月首次公开电解制氢技术开发课题。在本次发布的路线图中，根据技术现状规划了发展方向，并进一步细化了各项关键电解制氢技术的2040年发展目标以及相关技术开发课题，关键要点如下：
一、整体规划
1、发展方向
氢能在难以电气化减排的领域将发挥重要作用，为了达成碳中和目标，提高日本国内能量自给率，需要拓展电解水市场规模，助力绿氢生产。具体举措包括：①搭建电解水设备的实际验证平台，并结合氢能整体规划推进。②提供电解水设备系统的附加价值，解决技术、制度层面的问题，如国家、电力行业、氢能相关组织、储能设备、电解水设备等产官学一体化，讨论如何配置机械系统以实现可再生能源的最大程度利用。③确定电解水设备的规模和应用方案，通过与下游氢能利用方合作明确氢能的需求规模、氢储存与使用方法。④通过实际验证对电解槽开发、设计进行反馈修正，综合考虑电解槽设备的安全性、可靠性、耗电量、生产规模等，解决对应的技术问题。
通过日本国内实际验证平台进行技术积累，可向国外出口电解水设备与技术，并进口氢气，因此需要考虑不同国家电力环境下的制氢系统适配性，改善电解槽的加压性能。为了保证电解水设备的竞争力，一方面需要低价、环保的稳定电力供应，同时也要持续进行新技术开发，降低电解系统的整体成本，进一步降低氢气制造成本。通过官产学合作，支持材料开发、电解槽设计、系统评价等技术开发，扩展产业化视野，加强市场竞争力。
2、提高电解制氢技术竞争力对策
至2030年：通过建立实际验证平台，保障电解设备的市场竞争力，明确与上游电力提供方和下游氢能利用方的关系，确立技术规范。主要举措包括：
（1）电力供应对策：①从供电系统进行动态供电，接入各类电力供应端，根据低价用电时间段调整电解制氢产能，需要对供电系统整体进行制度规划。②可再生能源直接供电，使用可再生能源发电量的一部分或全部进行电解水。③可再生能源与供电系统混合供电，提高电解设备的利用率，需要对电力变化时的设备启停、负荷变动等工况进行耐久性验证并进行相应的设备改进。
（2）氢能利用对策：①确保电力供应足够的条件下阶段性扩大生产规模，逐步验证配套设备与系统运行能力，当前碱性电解水（AWE）单槽功率为数兆瓦至10兆瓦，质子交换膜电解水（PEMWE）单槽功率为1兆瓦至数兆瓦，阴离子交换膜电解水（AEMWE）和固体氧化物电解水（SOEC）单槽功率向1兆瓦级别发展。②电解设备需要强化加压性能，最大出口压力达到3兆帕，为此需要进行安全性检验、明确设备验证平台的使用范围，并对开发成果的应用范围进行限定。
（3）官产学合作研究：①建立电解水设备的评测平台，制定材料、部件、电池、电解槽耐久等特性的评价标准，分析退化机理、物质输运机理，使用X射线分析、材料信息学、自动自主实验等方法加速材料开发。②根据不同电解槽类型开发关键材料、部件、电堆、系统技术，并开发先进制造工艺。③对研发、市场的最新进展进行情报整理与共享，根据技术经济性模型进行课题分析，更新技术战略。
2030至2040年：AWE和PEMWE从平台验证逐步走向市场应用，下一代AEMWE和SOEC电解槽开始向市场投放。主要举措包括：
（1）降低用电成本，保证低价绿色的电力供应，合理规划电解设施布局提升附加价值，国外的电解制氢基地需要根据当地电力环境进行调整。
（2）提升规模降成本，综合考虑供电端和氢能利用端的情况，以量产为目标，确立最高效的电解制氢系统，建立材料、部件供应链，以量产规模化带动配套设备成本下降。
（3）提高生产力，通过连续生产提升设备利用率，提高回收利用技术水平。
（4）通过电解槽技术进步降低成本，提高电能利用率，提高电流密度，降低贵金属、稀有金属用量，在保证安全性的前提下提高耐久性能。
（5）充分利用官产学联合评测平台，加速开发材料、部件，进行耐久性验证，利用高精度解析、自动自主实验、计算仿真等基础技术进行开发。
2040年以后：以碳中和为目标，应对不断增长的氢能需求。主要举措包括：
（1）通过绿氢生产提高国内能量自给率，引入基于电解制氢的电制气技术（P2G），缓解用电系统紧张问题，利用家庭太阳能发电、海上风力发电等的过剩电能扩大电解水制氢规模。
（2）增加从国外进口氢气，在可再生资源丰富的国家利用低价电力进行大规模电解水制氢，进口至本国后以临海区域为基地，将氢气作为燃料、工业原料等充分利用。
二、碱性电解水（AWE）技术开发路线图
1、2040年目标
系统总成本6.6万日元/千瓦；能耗4.51千瓦时/标准立方米；系统使用年限20年；电堆初期电流-电压特性为1.7伏@1.0安/平方厘米；部件更换时间9万小时（变负载运行）；电荷迁移过电压0.27伏@1.0安/平方厘米；物质迁移过电压0.26伏@1.0安/平方厘米；物质迁移阻抗0.26欧姆·平方厘米。
2、技术开发课题
为实现2040年目标，需开发：①电堆，支持使用气液二相流模拟技术的电解槽设计，通过降低阻抗和简化结构等方式实现高效、低气阻、低成本电解槽，通过零间隙结构降低电极与隔膜接触应力，开发能耐受加压环境的电堆以满足设备出口需求，控制外部负载引起的电解槽放电行为来解决逆电流问题。②隔膜，提高机械性能、耐碱性、氧化还原耐久性、气体分离性，降低物质迁移过电压，对启停、高电流密度运行、电压突变等不同工作条件下的隔膜耐久性与劣化机制进行解析，建立评价标准，开发新型无孔隔膜。③电极，降低电极与催化剂的贵金属用量，开发超高活性、高耐久、高杂质耐受性、低成本电极与催化剂材料，设计新型电极结构，建立不同工作环境下的测试评价标准，解析氢脆、氧化还原等影响材料化学耐久性的机理，研究气泡生成、物质输运等微观过程机制，改进电极、催化剂的生产制造技术，引入贵金属循环利用技术。④配套设备，降低镍使用量从而降低管道构件成本，提高阴极的耐比毒性，高效去除碱性电解液中的溶出金属、二氧化碳等杂质，降低配套设备成本。
⑤生产技术，金属加工、电极制造、检验等工序自动化，开发能兼顾量产、规模化、低成本的生产技术，塑料、密封材料等加工技术量产化。⑥分析评价与标准化，建立材料层级的表征与评价标准，确定相应实验方法；在电池电堆层级规范耐久性测试等实验标准；在系统层级对电解设备整体的性能测试方法进行标准化；对制氢过程进行多维度可视化数据分析，并通过仿真计算建立模型；开发先进原位表征技术，解析实验动态过程。⑦应用验证，验证电解槽启停耐久性；建设大型制氢装置评测验证设备，并与实验室级小型装置的结果进行对比；将开发的制氢装置在真实应用场景中进行测试，通过解决实际问题不断改进。⑧法规制定，国外主流电解装置出口压力为3兆帕，需建立加压试验的基准规范，针对强碱性电解液，需要制定相关设备的功能、放置环境、安全性能等规范。
三、质子交换膜电解水（PEMWE）技术开发路线图
1、2040年目标
系统总成本5.7万日元/千瓦；能量消耗4.62千瓦时/标准立方米；系统使用年限20年；电堆初期电流-电压特性为1.8伏@4.0安/平方厘米；电堆更换时间90000小时（含变负载运行）；催化层铱载量小于0.10毫克/平方厘米；催化层铂载量小于0.1毫克/平方厘米；多孔传输层铂载量小于0.1毫克/平方厘米；质量活性32000安/克@1.5伏；阻抗0.07欧姆·平方厘米；运行温度80摄氏度，运行压力最大3兆帕。
2、技术开发课题
为实现2040年目标，需开发：①电堆，降低材料界面接触阻抗，抑制负载变化时的性能劣化，解析劣化机制并建立评价体系，支持使用气液二相流模拟技术的电解槽设计，与氢燃料电池协同进行高可靠密封件开发，通过自动加工制造技术、金属铱回收技术降低电堆成本。②膜电极组件（MEA），开发可在高温、加压、高电流密度环境下运行并具有优异变负载耐久性的MEA，减少金属铱用量，解析催化剂层及电解质膜中水、气、质子的传输机理，设计最适合物质输运的MEA结构，开发连续生产工艺，提升产品一致性。③电解质膜，开发高质子传导率、薄层化的低阻抗、高耐久电解质膜，解析劣化机理，开发不使用全氟和多氟烷基物质（PFAS）的环境友好型电解质膜，探索低成本连续生产工艺。④阳极催化剂，研究催化剂纳米结构与载体，降低铱载量，提高催化活性，提升负荷变化时的耐久性，开发非贵金属催化剂与低铱载量催化剂层量产工艺，将高性能、高耐久催化剂层推向实用化。
⑤阴极催化剂，以氢燃料电池催化剂为基础，研究低铂载量、变负载运行的高性能高耐久催化剂，开发非贵金属催化剂与低铂载量催化剂层量产工艺。⑥多孔传输层与双极板，研发钛替代材料，降低贵金属用量从而降低成本，开发新型涂层技术，降低接触阻抗，提高阳极和阴极的化学稳定性，研究多孔传输层微观结构对气泡生长、脱离等过程的影响机制，开发高效、高精度、低成本多孔传输层与双极板制造技术。⑦分析评价，建立材料、电池电堆层级的表征与评价方法并进行实验验证；对制氢过程进行多维度可视化数据分析，建立仿真计算模型，从而指导改良电解槽设计；开发先进原位表征技术，解析气泡滞留、物质输运、气液二相流等动态过程；建立系统层级的评测方法并进行验证。⑧配套设备，降低成本，对电解槽压力、温度进行控制，在电力波动情况下保证电解槽的正常运行。⑨应用验证，验证电解槽的启停耐久性，建设大型制氢装置的评测验证设备，将开发的制氢装置在真实应用场景中进行测试，通过解决实际问题不断改进。⑩法规制定，开发低PFAS电解质膜技术，建立加压试验的基准规范，制定高压气体安全使用规范。
四、阴离子交换膜电解水（AEMWE）技术开发课题
预计2030年前AEMWE单槽功率达到1兆瓦，2035年左右多槽并行功率超过10兆瓦，2040年前达成市场应用，需开发的技术课题有：①电堆，降低电解液界面的接触阻抗，开发适配加压环境运行的密封件，控制电池内部的透水性，对电池和电堆结构进行优化设计。②膜电极组件（MEA），优化三相界面，解析催化层中的物质输运机制与劣化原理，设计最佳的催化层与MEA结构，改进目前使用的多孔传输层涂覆法（CCS）和电解质膜涂覆（CCM）法，开发低成本连续生产技术。③电解质材料，开发吸水后保持尺寸稳定的电解质膜，提高阴离子电导率，控制气体与水分的透过性，解析电解质膜、离聚物的劣化、毒化机理，建立评价体系并改善耐久性，开发低成本批量成膜技术。④电极催化剂，提高催化活性并在电解液pH值变化时保持稳定，解析催化剂劣化失效机理，提升耐久性，开发不使用贵金属的阳极催化剂，通过阴极催化剂低铂化降低成本。
⑤多孔传输层，提高保水能力、电子电导率、耐久性，降低镍使用量，开发低成本耐碱性涂层材料与工艺，解析气泡排出与孔隙分布的关系、多孔传输层劣化机制，建立耐腐蚀性评价标准。⑥双极板，开发廉价耐碱性的材料用于双极板制造，研究劣化机理，建立耐腐蚀性评价标准，与PEMWE、氢燃料电池协同进行双极板流道制造的工艺改进。⑦分析评价，建立材料、电池电堆层级的表征与评价方法并进行实验验证；结合实验数据，开发从电池到系统级别的仿真模型进行性能预测；开发先进原位表征技术，解析气泡滞留、物质输运、气液二相流等动态过程；建立系统层级的评测方法并加以验证。⑧配套设备，通过降低镍用量降低成本，开发氢气提纯技术与设备。
五、固体氧化物电解水（SOEC）技术开发课题
目前SOEC单槽功率向兆瓦级发展，预计2030年左右多槽并行功率达到10兆瓦级，2040年前达成吉瓦级装置的普及应用，需开发的技术课题有：①电极，提升单电池性能和水蒸气利用率，提高耐久性和杂质气体耐受性，解析阴极水蒸气环境下镍的迁移和沉积机理、阳极析氧反应的效率与劣化机理。②电解质，抑制二氧化锆系的相变与应力分布，提升单电池耐久性，开发质子电导率高、电子电导率低的陶瓷材料。③电堆，提高电堆性能与耐久性，使用低成本金属、泛用性材料和涂层技术降低成本，开发高性能、热稳定密封材料，优化量产技术。
④系统与配套设备，提高系统生产效率、性能和耐久性，解决规模化量产问题，开发高效水蒸气分离技术提纯氢气产品，实现热交换器、绝热材料、水蒸发器等配套设备的低成本化。⑤分析评价，在材料层级应用材料信息学、人工智能机器学习等技术加速材料开发，对界面微观结构进行表征分析；建立密封材料、连接材料的稳定性评价标准；在电堆层级建立单电池、电堆的耐久性评价标准，使用仿真计算分析内部热场与电流场，进行寿命预测；在系统层级建立标准化评价方法，搭建寿命预测模型。⑥新型电解槽，开发低温运行、耐久性优异的金属支持型固体氧化物电解槽、超高效质子陶瓷电解槽（PCEC）以及可逆固体氧化物电池（rSOC）。
六、系统控制与配套设备技术开发课题
为实现2030年电制气系统的规模扩大以及2040年市场化应用，主要技术开发课题有：①系统控制，开发针对不同层级的电场、气体、液体复合场仿真，对电解槽、电力设备、氢气储存等氢能产业链上所有模块进行建模与仿真；通过协调多个电解槽减少启停次数、控制电解槽的压力与温度、调整配套设备的负荷等方式延长制氢系统使用寿命；通过设计最佳设备容量、并行简化、无人自动运行、故障预测、余热与氧气再利用等方式降低成本。②整流器，针对大电流条件下使用的可控硅整流器，提高功率因数，抑制谐波和纹波，减少滤波器与电容器的使用，通过标准化和模组化降低成本；针对可提供高质量电力的IGBT整流器，提高对大电流的适配性，提升转换效率，通过标准化和模组化降低成本，随着材料技术发展逐步应用碳化硅材料；解析电源纹波对电解槽的影响与劣化机制，通过仿真提升对电解设备的测评效率。
③氢气压缩机，提高对电压变化的适配性，提升压缩效率、氢气密封性、最大流量，通过标准化和模组化降低成本。④纯水制造，提升离子交换膜的使用寿命和表面积，适配大型机械进行生产。⑤氢气提纯，适配变化的输入电压，开发廉价吸附材料等降低氢气提纯成本。⑥计量设备，降低氧浓度检测器、氢浓度检测器、流量计、调节阀等设备的成本，开发新检测技术，安全可靠地检测氢气中的氧量。⑦安全措施，针对阳极氢气浓度、氧气压力建立相关安全措施，开发耐高电压绝缘技术和故障备份技术。
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