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近日，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发布《汽车和重型车用燃料电池技术开发路线图》，提出到2040年燃料电池技术发展目标及技术开发路线。NEDO早在2005年就出台《燃料电池和氢能技术开发路线图》，并分别于2010年、2017年、2022年、2023年、2024年进行了5次修订。本次修订更新并细化了2030、2035和2040年的发展目标，并加入了相关的技术开发课题。关键要点如下：
一、燃料电池产品与系统技术开发路线图
1、阶段性目标
2030年：在补贴支持下市场缓步增长，多用途市场开始形成，燃料电池年装机容量达到60吉瓦，燃料电池汽车年市场规模达到约23万辆，燃料电池重型车约17万辆。
2035年：氢能供应充足，燃料电池成本下降，市场扩大，燃料电池年装机容量达到160吉瓦，燃料电池汽车年市场规模达到约60万辆，燃料电池重型车约45万辆。
2040年：市场进一步扩大，燃料电池年装机容量达到420吉瓦，燃料电池汽车年市场规模达到约150万辆，燃料电池重型车约120万辆。
2、燃料电池重型车（FCH）
2030年以前，重点推进重型车用燃料电池技术开发，从巴士和叉车开始进行先行试验运行，逐步验证卡车、铁路、船舶等领域的技术可行性，并在海外同步开展多用途运行验证。以铁路、叉车作为商业运营的开端，并推进航空领域燃料电池系统开发。2030年以后，在国内及主要国家正式普及燃料电池重型卡车、船舶、电车、建筑机械、农业机械等应用，实现25吨级燃料电池卡车的普及应用。2035、2040年左右实现44吨级燃料电池卡车普及应用和其他场景的广泛应用。2050年，通过重型车燃料电池助力交通运输领域碳中和，预计将有超过25%的商用车通过燃料电池驱动。各阶段具体性能目标包括：
2030年：燃料电池系统输出功率密度0.6千瓦/升；燃料电池电堆电流-电压特性初始0.77伏@1.63安/平方厘米，报废时0.72伏@1.76安/平方厘米；最低启动温度零下30℃，最高运行温度105℃；耐久性5万小时。燃料电池系统成本0.9万日元/千瓦，电堆成本0.45万日元/千瓦，铂含量0.19克/千瓦。高压储氢质量密度10%，体积密度28克/升，储氢成本4万日元/千克。
2035年：燃料电池系统输出功率密度0.75千瓦/升；燃料电池电堆电流-电压特性初始0.76伏@2.18安/平方厘米，报废时0.71伏@2.37安/平方厘米；最低启动温度零下30℃，最高运行温度120℃；耐久性5万小时。铂含量0.13克/千瓦。低成本高压储氢质量密度4%，体积密度28克/升，储氢成本2万日元/千克。液态储氢质量密度20%~30%，体积密度35克/升，储存时间5天以上。
2040年：燃料电池系统输出功率密度0.8千瓦/升；燃料电池电堆电流-电压特性初始0.86伏@2.29安/平方厘米，报废时0.81伏@2.44安/平方厘米；最低启动温度零下30℃，最高运行温度120℃；耐久性5万小时。铂含量0.07克/千瓦。高压储氢质量密度15%，体积密度29克/升，储氢成本2万日元/千克。低成本高压储氢质量密度4%，体积密度29克/升，储氢成本1万日元/千克。液态储氢质量密度30%-40%，体积密度40克/升，储存时间7天以上。
3、燃料电池汽车（FCV）
当前处于单一车型的市场导入阶段，约2028年左右进入市场普及扩大阶段，并扩展电堆、辅助设备制造产业；2030年以后更多轿车车型进入市场，扩大应用范围，加速成本下降；2035年后大型SUV等车型也纳入燃料电池车开发范围，减少电堆发热，提高输出功率，促进低成本化与高耐久化；2040年以后实现大规模普及应用。具体性能目标包括：
2030年：车载高压储氢质量密度10%，体积密度28克/升，储氢成本4万日元/千克。燃料电池电堆电流-电压特性为初始0.84伏@0.2安/平方厘米，报废时0.66伏@3.8安/平方厘米；最低启动温度零下30℃，最高运行温度105℃；耐久性15年以上；铂含量0.05-0.1克/千瓦。燃料电池系统成本0.4万日元/千瓦，电堆成本0.2万日元/千瓦。
2035年：燃料电池电堆电流-电压特性为初始0.77伏@1.8安/平方厘米，报废时0.73伏@1.92安/平方厘米；最低启动温度零下30℃，最高运行温度120℃；耐久性10000小时/15年以上；铂含量0.1克/千瓦。
2040年：车载高压储氢质量密度15%，体积密度29克/升，储氢成本2万日元/千克；提高效率以改善燃料效率，增加功率密度以促进燃料电池小型化；最低启动温度零下30℃，最高运行温度120℃；进一步降低铂用量至资源可循环水平。
二、燃料电池电堆技术路线图
1、阶段性目标
2030年：电流-电压特性为初始0.77伏@1.63安/平方厘米，报废时0.72伏@1.76安/平方厘米；工作温度范围为零下30℃-120℃；耐久性5万小时。阴极铂载量0.2毫克/平方厘米；催化剂活性在80℃、100%相对湿度下1740安/克；电解质膜厚度8微米，电解质质子传导率在80℃、100%相对湿度下0.12西门子/厘米，120℃、30%相对湿度下0.032西门子/厘米；气体扩散阻力在80℃、80%相对湿度下28秒/米。
2035年：电流-电压特性为初始0.761伏@2.18安/平方厘米，报废时0.706伏@2.37安/平方厘米；工作温度范围为零下30℃~125℃；耐久性5万小时。FCV阴极铂载量0.1毫克/平方厘米，HDV阴极铂载量0.178毫克/平方厘米；催化剂活性在80℃、100%相对湿度下4630安/克；电解质膜厚度5微米，电解质质子传导率在120℃、30%相对湿度下0.05西门子/厘米；气体扩散阻力在80℃、80%相对湿度下26秒/米。
2040年：电流-电压特性为初始0.86伏@2.29安/平方厘米，报废时0.81伏@2.44安/平方厘米；工作温度范围为零下30℃~125℃；耐久性5万小时。阴极铂载量0.12毫克/平方厘米；催化剂活性在在80℃、100%相对湿度下39000安/克；电解质膜厚度1微米，电解质质子传导率在55~120℃、12%相对湿度下0.15西门子/厘米；气体扩散阻力在在80℃、80%相对湿度下26秒/米。
2、技术开发课题
为实现2030年目标，需开发：①电极催化剂，关注低温启动性能，能适应零下30~120℃的宽温域工作条件，兼顾性能和耐久性，建立铂等贵金属回收再利用机制，实现高温催化剂量产。②电解质材料，需要在80℃、80%相对湿度的高湿状态到120℃、30%相对湿度的低湿状态下均具有足够的质子传导性，提高膜强度并实现10微米以下的薄膜化，提升化学耐久性和机械耐久性，提高离聚物的透氧性、缓解对铂催化剂的特异性吸附。③气体扩散层，通过薄层化、提高孔隙率、改变几何形状等方式降低氧气扩散阻力，同时保持电子传导率和膜电极的稳定性，通过分析多孔结构对氧气扩散阻力的影响原理，设计最佳内部结构提升性能，组成高耐久膜电极。④膜电极，需要关注低温运行能力，耐久性，离聚物的形态调控，设计最佳的催化层结构，提高电堆的输出功率与耐久性。
为实现2035年目标，需开发：①电极催化剂，适应零下30~125℃的宽温域工作条件，保持高催化活性，抑制铂溶出，抑制阳极自由基产生，提高杂质耐性，开发高性能、高耐久的催化剂载体，并实现量产化。②电解质材料，薄层化的同时提高耐久性，开发针对新材料的自由基淬灭剂，提高成膜性，实现薄膜的大面积卷对卷生产。③气体扩散层，通过薄层化降低氧气扩散阻力，保证足够的机械强度，提高电子传导性和热传导性，构造低成本多孔隙流道，与数字化技术结合，进行包含流道在内的整体设计。④膜电极，设计理想的催化层结构，降低气体扩散阻力，关注催化层制备工艺，结合数字化技术进行性能劣化预测，保证膜电极的耐久性。⑤密封材料，需要在125~130℃的高温环境下使用，实现低成本、高速生产、高耐久性、紧凑设计的电池密封件结构。⑥隔板与表面处理，随着工作温度提升，需要对隔板进行高防腐蚀性的表面处理，防止其劣化与接触电阻上升，提高耐久性，降低生产成本。
为实现2040年目标，需开发：①阴极催化剂材料，开发新型超低铂、非铂催化剂，构造单原子/多原子催化剂活性位点，超高耐久性、无铂溶解催化剂材料。②电解质膜材料，开发氟化合物、碳氢化合物电解质膜，优化含水膜性能；开发无水膜技术，建立成膜技术平台，通过数字化技术加速电解质膜薄层化、膜电极制造工艺优化；考虑阴离子交换膜型燃料电池的开发可行性。③其它材料与部件，根据路线图时间规划，选取与主要材料性能密切相关的材料与零部件，动态调整研发需求。
三、燃料电池生产技术路线图
1、阶段性目标
2030年：燃料电池重卡、船舶等开始普及，燃料电池重卡在欧洲销售累积达到10万辆，日本国内销售数万辆，燃料电池系统成本0.9万日元/千瓦，电堆成本0.45万日元/千瓦；燃料电池汽车日本国内累积销售约80万辆，燃料电池系统成本0.4万日元/千瓦，电堆成本0.2万日元/千瓦；燃料电池车总产能达到21万辆/年，建立约3条生产线，单条产线产能达到6000辆/月，单电池生产速度0.5秒/个，连续生产速度15米/分钟；材料成本和加工成本降低70%以上，工厂能源绿色化程度达到80%。
2035年：重型车用燃料电池成本进一步降低；燃料电池汽车日本国内累积销量约200万辆，电池系统与电堆成本进一步降低；燃料电池车总产能达到32万辆/年，建立约4条生产线，单条产线产能达到7000辆/月，单电池生产速度0.4秒/个，连续生产速度19米/分钟；材料成本和加工成本降低72%以上。
2040年：燃料电池重卡全球累积销量达到1500万辆；燃料电池汽车累积销量达到300~600万辆；燃料电池车总产能达到50~120万辆/年，建立多条生产线，单条产线产能达到10000辆/月，单电池生产速度0.33秒/个，连续生产速度25米/分钟；材料成本和加工成本降低74%以上，工厂能源绿色化程度达到100%。
2、技术开发课题
重点关注的生产技术为：①催化剂调配涂布和微孔层调配涂布工艺，到2028年左右开发浆料性能测试技术与连续制造技术，2030年左右开发浆料分散状态的可视化表征技术与催化层微观构造控制方法，2035年左右应用快速化的新型催化剂浆料涂布技术。②膜电极与单电池制造工艺，到2028年左右开发优化的加热加压工艺、高精度定位方法，到2030年左右使用新密封材料的膜电极制造工艺实现快速生产，到2035年左右应用新型的焊接技术，开发无切割技术。③流道制造工艺，到2030年左右开发金属+碳材料等高耐腐蚀材料、表面处理后材料的加工技术，应用高速、高精度冲压连续成型工艺，到2035年左右应用高速细微流道成型技术。④表面处理技术，到2030年左右开发低成本、易操作的表面处理技术，提高基材导电性与耐腐蚀性，开发低真空表面处理技术，到2035年左右应用卷对卷高速表面处理技术。⑤防老化技术，到2030年左右，开发低污染防老化技术，防止污染物附着，到2035年左右应用电解质预增湿、催化剂清洗等技术。⑥质检技术，到2030年左右开发表面处理的纳米缺陷检测技术，应用快速检测涂布膜厚和缺陷检测工艺。
四、燃料电池储氢系统技术路线图
1、阶段性目标
2030年：高性能高压储氢质量密度10%，体积密度28克/升，储氢成本4万日元/千克；储氢罐使用的碳纤维增强复合材料（CFRP）比2020年水平降低15%质量分数，抗拉强度达到5900兆帕，55°C、80.5兆帕下氢气透过率0.15×10-10立方厘米·厘米/(平方厘米·秒·厘米汞柱)。
2035年：低成本高压储氢质量密度4%，体积密度28克/升，储氢成本2万日元/千克；储氢罐CFRP材料使用量比2020年降低35%质量分数，55°C、80.5兆帕下氢气透过率0.01×10-10立方厘米·厘米/(平方厘米·秒·厘米汞柱)；液态储氢质量密度20%~30%，体积密度35克/升，储存时间5天以上。
2040年：高性能高压储氢质量密度15%，体积密度29克/升，储氢成本2万日元/千克；低成本高压储氢质量密度4%，体积密度29克/升，储氢成本1万日元/千克；储氢罐CFRP材料抗拉强度达到7100兆帕；液态储氢质量密度30%~40%，体积密度40克/升，储存时间7天以上。
2、技术开发课题
高压储氢重点关注的主题为：①降低成本，提升质量储氢密度，开发高强度碳纤维、碳纤维增强复合材料等新型材料，在2025~2030年实现低成本碳纤维的强度达标，到2040年进一步削减高压储氢罐中的碳纤维使用量，通过结构改良实现7吉帕的高强度；通过降低碳纤维使用量、设计气体屏障结构以及适配生产工艺，降低储氢成本。②低成本储氢罐，通过多材料、多负载路径设计，将作用在压力容器上的一部分负荷由轴力构件承担，两个部件的连接部使用廉价金属等材料，大幅度降低碳纤维使用量，配合焊接及密封工艺开发，降低储氢罐生产成本。③安全性认证实验条件规范化，基于碳纤维增强复合材料的疲劳/损伤机制，建立高压储氢罐的疲劳/损伤模型，运用结构健康监测技术和数字化技术，对安全率进行规范化，并建立储氢相关的国际技术标准。④降低环境影响，开发长寿命材料、可循环材料，引入自修复性树脂等新技术，对储氢罐进行长寿命设计以及回收再利用。⑤提升便利性，通过材料改良，提高储氢罐自身的散热性与蓄热性，或加装具有散热蓄热功能的零部件；改进储氢罐的外形设计，使用标准规格、可伸缩罐等概念，提高车辆搭载的便利性。⑥储氢罐管理制度，对市场上的储氢罐等物料流动进行数字化和可视化管理，监控和预测储氢罐的剩余寿命等性能数据，实现资源再利用。
液态储氢重点关注的技术为：①操作层面，提高储氢罐隔热性能，解决液氢沸点低的问题；减小储氢罐的体积，实现轻量化；开发静电容量式和超导式液面计等，监测储氢罐中的残余液氢量；液氢灌装技术开发；提升安全性以及规范评价体系。②应用层面，以重型卡车为代表的商用车，需要进行材料层级开发以实现轻量化，并在系统层级根据储氢罐隔热性能的需求对尺寸进行重新设计，对车辆的长度限制和重量限制制定新的规范；在航空领域，需要开发兼具经济性和安全性的隔热储氢罐，并考虑符合各国的安全规范。
五、燃料电池数字化技术路线图
通过数字化技术，支持燃料电池各项技术目标的高效达成，主要技术开发课题有：①基础技术方面，建立并应用燃料电池开发数据库，实现数据标准化和体系化；建立系统化的数据平台，运用数据仿真、机器学习进行分析与可视化技术支援，形成数据积累与研究开发的良性循环；建立自动自主实验基地，开发、维护、使用自动化实验装置，提高实验效率，推进相关知识与技术储备以及人才培养，加速材料与工艺探索、测试、分析相关的自动化实验研究。②信息学方面，运用材料信息学（MI）进行材料设计开发、性能预测、机理分析；到2030年左右，工艺信息学（PI）处于应用积累期，工序段数据库积累较少，需要关注提高少量数据预测精度的方法，以及联动自动自主实验系统获取大量优质数据，到2040年左右，PI技术处于应用扩展期，除了对现有工艺进行优化，也将运用于未来燃料电池的创新工艺；测量信息学（MEI）技术在2030年左右应用于电子显微镜技术等尖端测试分析技术，获取催化剂、电解质材料、催化层、储氢材料等大量表征数据，到2035年左右将积累的数据应用于燃料电池开发。③自动自主实验方面，2030年左右通过自动实验装置的应用，加速阴极催化剂材料开发、电解质成膜工艺和膜电极测试评价，2035年开始导入企业应用，加速产品开发性能提升。④计算技术、模型开发方面，2030年左右通过材料物性计算数据库实现快速的材料筛选，通过跨尺度模拟支持材料与工艺设计开发，通过数字孪生技术进行原理分析，2035年左右实现模型的高精度化，将材料筛选、设计变更的高速分析评价技术推向实用。⑤自然语言处理方面，进行文献的自动筛选和整理，并利用迅速发展的大语言模型，从2030年开始将技术文献的信息处理功能实用化，基于情报分析功能进行战略规划。
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