科技前言快报（2023年4月）

目录 深度关注 日本NEDO发布车用和固定式燃料电池路线图1 基础前沿 美国DARPA启动公用事业规模量子计算系统计划10 信息与材料制造 美国启动首个国家纳米技术挑战项目Nano4EARTH11 美国国际空间站实验室发布先进材料和制造项目征集12 美国能源部资助功率半导体技术研发提升电网韧性14 美国能源部资助轻质材料研发以降低风机成本13 美国支持循环经济技术与工具开发示范15 美国国家纳米技术计划公布2023财年资助的优先重点方向15 生物与医药农业 美国能源部资助生物防范研究虚拟环境计划20 美国政府发布癌症登月计划新行动21 能源与资源环境 美国能源部资助推进增强型地热系统建设24 美国能源部投入2.45亿美元支持低碳能源及减排技术25 英国资助超2亿英镑助力交通运输脱碳30 欧盟宣布资助25亿欧元支持清洁能源技术示范应用31 英国BEIS资助绿色节能新技术开发32 空间与海洋 欧盟“恢复我们的海洋和水域”使命资助20项新项目32 设施与综合 美国能源部加速新兴技术创新35 深度关注 日本NEDO发布车用和固定式燃料电池路线图 2月9日，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发布《汽车和重型卡车用燃料电池路线图》和《固定式燃料电池路线图》1，提出了到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》，旨在统筹产学研界基于一致目标立足长远进行氢能技术开发。NEDO基于政策变化、技术和市场发展情况对该路线图进行了4次修订，并在2022年发布了《重型车辆燃料电池路线图》以扩大燃料电池的应用领域，上述路线图确定了燃料电池在固定式发电和交通领域到2030年的技术开发目标。考虑到当前燃料电池技术已经受到世界各国的广泛重视，NEDO此次出台的路线图进一步确定了到2040年的目标，以抢占全球技术高点并助力实现碳中和目标。 一、车用燃料电池 1、分阶段目标 （1）重型卡车等应用。2030年以前，重点推进重型卡车用燃料电池技术开发，并验证卡车、铁路、船舶、液压挖掘机、叉车、农用拖拉机等多用途应用，到2030年实现25吨级燃料电池卡车的普及应用，开 始向其他应用扩展；到2040年实现40吨级燃料电池卡车普及应用和其他场景的广泛应用，最终实现该领域的碳中和。具体性能目标包括： 2030年：燃料电池系统输出密度0.6千瓦/升；高压储氢密度10% （质量密度），28克/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；最高运行温度105℃； 1燃料電池に関する二つのロードマップと水電解の技術課題を整理した文書を公開.https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101608.html 耐久性5万小时。燃料电池系统成本0.9万日元/千瓦（约合464元人民币/千瓦），电堆成本0.45万日元/千瓦，储氢系统成本2~4万日元/千克，铂含量0.19克/千瓦。 2040年：燃料电池系统输出密度0.8千瓦/升；高压储氢密度15% （质量密度），29克/升以上；材料储氢密度在储氢压力1兆帕以下超过8%（质量密度）、70克/升。燃料电池电堆电流-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；最高运行温度120℃；耐久性5万小时。燃料电池铂含量0.07克/千瓦。 （2）燃料电池越野车、面包车、皮卡等。2025年前支持开发单一车型，2025年以后开始投放市场，并扩展电堆、辅助设备制造产业；2030年以后更多车型进入市场，扩大应用范围，加速成本下降；2040年以后实现大规模普及应用。具体性能目标包括： 2030年：车载高压储氢密度10%（质量密度），28克/升。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，储氢系统成本10~20万日元/千克。 2040年：与重型卡车燃料电池2040年目标相当。 2、技术开发路线 为实现上述目标，NEDO提出了相应的技术开发路线，包括： （1）燃料电池堆。为实现2030年目标，需开发：①膜电极，到 2025年重点关注适应广泛温度条件（-30~120℃），性能和耐久性提升 （铂含量在0.24毫克/平方厘米），离聚物形态控制和催化剂层结构优 化；到2030年关注性能和耐久性的进一步提升。②电解质材料，到2025 重点关注适应广泛温度条件（-30~120℃），提高膜耐久性，提高低温/ 高湿~高温/低湿质子膜的传导性，提高离聚物的透氧性、缓解催化剂的特异性吸附；到2030年重点开发耐久性技术。③电极催化剂，到2025重点关注适应广泛温度条件（-30~120℃），降低贵金属用量，提高阴极催化剂活性、耐久性，抑制碳载体劣化，开发非碳载体材料，开发抑制过氧化氢生成、耐杂质的阳极催化剂；到2030年开发高耐久性技术和废旧电池贵金属循环再利用技术。④分离器、气体扩散层、密封件等，到2025年重点关注降低气体扩散阻力，和其他部件材料组合实现气体扩散层微孔层性能最优，开发高耐腐蚀、低接触电阻的分离器，开发适应广泛运行条件（-30~120℃、内部压力/湿度变化）的垫片、胶粘剂；到2030年开发高耐久性技术。⑤辅助系统，到2030年提高冷却性能，开发适应高温的空气压缩机、加湿器，降低辅机功耗。 为实现2040年目标，需开发：①材料技术，催化剂材料到2030年实现当前贵金属催化剂的性能极限，开发超低铂含量、非铂催化剂，到2040年通过计算设计、材料信息、自主实验等数字技术加速材料开发； 电解质材料到2030年优化含水膜材料性能，开发无水膜，实现成膜技 术的平台化，到2040年通过数字技术加速膜材料开发；催化剂和膜电 极到2030年开发催化剂层、膜电极、气体扩散层、分离器设计，到2040年通过数字技术加速开发，并开发基于新材料的催化剂层、气体扩散层、分离器设计和膜电极制造工艺。②评估分析技术，到2025年开发自主实验技术，材料信息和数据库构建，工艺信息通用基础架构等，实现现有分析工具的平台化，基于计算科学进行电池性能/退化分析、催化剂层形成模拟、系统模拟器开发，通过机器学习等技术实现高速、大规模的模拟；到2030年建立自主实验装置，扩充材料信息数据库，验证基于工艺信息的材料制造工艺，开发利用软X射线的催化剂表面反应原位分析技术和利用硬X射线的自动分析技术，基于中子射线开发电堆 大面积/高分辨率成像技术，分析水、质子的输运现象，进一步探索计算筛选技术，验证基于计算科学的模型，探索电极反应、物质转移、催化剂层形成的原理；到2040年扩大材料探索，通过工艺信息技术确立膜电极等关键部件的工艺设计方法，扩展原位分析技术，扩展催化剂材料、催化剂层生成和性能表征的自动分析技术，扩展电解质材料生成和性能表征的自动分析技术，扩展跨尺度模拟技术，开发适合新材料的部件、电堆的最佳设计。 （2）燃料电池生产。重点关注6个方面的生产技术：①高性能催 化剂涂布和微孔层涂布制备工艺，到2033年开发催化剂调配、催化剂涂布和微孔层涂布干燥的实用技术，包括油墨调配工艺的最优化、涂布量产工艺及设备开发等；②膜电极和电池制造技术，重点关注相关密封技术，到2031年实现电极快速密封和电池快速生产工艺，开发可靠的电池间密封工艺，高精度定位、加压加热工艺，以及量产工艺和设备； ③流道制造，重点开发高性能流道制造技术，到2031年开发高速、高精度冲压工艺和新型流道制造技术，并开发量产工艺和设备；④表面处理技术，重点关注低成本高耐久性表面处理技术，到2031年开发快速表面处理、高精度定位、表面缺陷检测技术，并开发新型表面处理工艺； ⑤缓解老化工艺，到2031年开发催化剂清洗、电解质增湿等工艺，应 用低污染胶粘剂和材料，降低检测装置成本；⑥质检技术，到2031年开发异物金属高速检测技术和高速泄漏检测技术，并开发相应的量产设备。 （3）储氢。需进行7个方面的技术开发：①基础材料方面，到2035 年实现10吉帕级低成本高强度新型碳纤维材料开发、低成本高强度碳 纳米管等短纤维复合材料和罐体安装技术开发；到2038年开发材料可 循环利用或碳中和复合材料及制造工艺。②降低成本方面，到2030年提升现有高压气瓶缠绕结构和制造方法，如通过优化设计、使用热塑性 树脂、开发稳定的缠绕技术等，提升缠绕速度；开发最优的瓶体结构设计和衬里结构，到2038年验证无衬里气瓶；到2030年开发利用热塑性树脂的碳纤维增强塑料罐体成型技术以及冲压成型、拉拔成型等容器制造技术，验证衬里涂布成型的材料及生产技术。③提升便利性方面，开发标准化易装卸的辅助系统，以及可减缓充气过程升温的结构。④智能化方面，到2030年开发和应用高压容器无损监测方法，并实现标准化； 到2033年开发结构健康监测技术；到2036年开发高压容器实时智能监测技术；到2030年完成IV型储氢瓶破前泄漏（LBB）结构开发及标准化；到2040年将可自修复、自检测的智能材料应用于储氢瓶。⑤经济 性和生命周期评估方面，到2036年开发碳纤维可循环再利用的储氢瓶； 到2030年研究高压容器的长寿命设计。⑥下一代工艺设计方面，到2030 年利用数字技术完成瓶体设计和制造的技术验证，到2036年完成储氢 瓶长期使用的数字监测技术验证，到2040年完成资源可循环的储氢瓶 制造、运行监测等数字技术的验证。⑦提高储氢密度方面，到2030年完成液态储氢的分析模型开发、新型绝热材料和结构研究，开发车用储氢容器并减少气体蒸发；到2025年完成储氢材料相关高压设施建设， 到2030年开发先进的自主实验、自动分析技术，建立氢化物储氢的数 据库及材料信息库等，到2040年开发高压合成氢化物材料技术，使用材料信息和工艺信息等技术进行材料开发，提高储氢性能。 （4）数字化技术。需进行5个方面的技术开发：①基础技术方面， 到2031年完成数据库构建和应用，实现研发的标准化，开发数据集成和数据库协同技术，建立系统化的数据平台，实现基于机器学习的数据驱动型技术开发标准化。②信息化方面，利用材料信息、工艺信息技术进行关键材料开发和制造工艺开发，利用测量信息技术促进各种材料结构数据或工艺数据的快速大量生成。③自主实验方面，到2035年通过 自主实验并结合测量分析技术加速关键材料、工艺的开发。④计算技术、模型开发等方面，到2032年通过开发材料特性计算技术实现材料筛选， 到2035年通过跨尺度模拟进行材料及工艺设计，并研究使用新材料的燃料电池的性能和退化机理应用数字孪生技术进行建模模拟。⑤自然语言处理方面，到2028年通过从技术文献中自动抽取和处理信息，制定未来战略方案。 二、固定式燃料电池 1、分阶段目标 （1）家用燃料电池。2025年以前，推广普及家用燃料电池，到2030年应用规模达到300万台，2030年以后推进下一代燃料电池的商业化，包括金属支撑固体氧化物燃料电池、质子陶瓷燃料电池。具体性能目标包括：2025年：燃料电池发电效率（低热值）达到40%~55%，寿命超过10年。 2030年：燃料电池发电效率（低热值）达到40%~60%，寿命达到 15年，系统价格低于50万日元。 2040年：燃料电池发电效率（低热值）达到45%~65%，质子陶瓷燃料电池、废气再循环型固体氧化物燃料电池等发电效率达到70%，寿命超过15年。 （2）商用、工业用燃料电池。2025年前推进在家庭的有效利用；2030年以前作为分布式电源进行推广普及，发展多样化燃料，发挥对可再生能源的调节能力；2040年前推广普及使用绿氢的分布式能源系统，实现高效长寿命运行，可逆固体氧化物电池实现应用，开发CO2分离回收型燃料电池。具体性能目标包括： 2025年：固体氧化物燃料电池效率超过55%，寿命超过10年，系统价格不超