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    歐洲能源研究聯盟發布至2030年氫能與燃料電池研究規劃

    發布日期: 2019-11-29
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    歐洲能源研究聯盟(EERA)日前發布了新版《氫能與燃料電池聯合研究計劃實施規劃》,確定了歐盟到2030年在氫能與燃料電池技術領域的研究目標、行動計劃和優先事項,以促進氫能與燃料電池技術的大規模部署和商業化。EERA是歐洲大的低碳能源研究非營利性協會,由超過250家公共科研機構和高校組成,是歐盟戰略能源技術規劃(SET-Plan)的研究支柱,目前共開展了17個低碳能源技術領域的聯合研究計劃,氫能與燃料電池是其中之一。本次更新的實施規劃提出了7個子領域的研究重點和關鍵項目,并明確了實施優先級和預算:電解質;催化劑與電極;燃料電池電堆材料與設計;燃料電池系統;建模、驗證與診斷;氫氣生產與處理;氫氣儲存。詳細內容如下:

     一、電解質

    1、燃料電池和電解質隔膜中輸運過程研究。該領域計劃投入2400萬歐元資助4個項目,包括:聚合物和無機納米結構復合材料中的離子輸運研究;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用于聚合物、氧化物/陶瓷材料的化學和輸運特性研究;多相氧化物材料中的離子輸運研究。

    2、電解質材料降解過程及其緩解方法研究。該領域計劃投入4600萬歐元資助5個項目,包括:質子導電陶瓷基電解質材料的降解研究(尤其是在高壓電解模式下);開發監測隔膜和電解質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開發電解質降解現象的化學、結構和形態變化表征新技術,如;開發增強聚合物膜化學穩定性和機械穩定性的方法,并進行驗證。

    3、新型膜材料和薄膜電解質沉積方法。該領域計劃投入4200萬歐元資助6個項目,包括:開發穩定的堿性陰離子交換膜;開發具備質子電導率的中溫固體氧化物燃料電池電解質;利用3D打印技術生產高表面積電解質的可行性研究;開發適用于200-450℃的質子導電材料;通過新的電解質膜化學、設計和架構開發智能、自適應材料,以緩解材料隨時間的老化;開發薄膜電解質沉積的新工藝和方法。 

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

    5、在實際運行條件下膜電極組件電解質的性能和耐久性驗證。該領域計劃投入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據的開放獲取數據庫;材料重復利用的可行性研究。

    二、催化劑與電極

    1、燃料電池和電解槽電化學過程和材料基礎研究。該領域計劃投入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;實際運行條件下的催化劑表面結構研究;用于高溫、電壓跨度大的穩定氧電極;優化催化劑和電極性能。

    2、電極、催化劑和載體的設計和開發策略。該領域計劃投入6500萬歐元資助8個項目,包括:集成電荷轉移和催化活性的多功能電催化劑,用于含碳燃料;改進化學穩定性的質子交換膜燃料電池、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;用于干燥環境的多相電極、結構化電極;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定與控制;用于中溫燃料電池中碳氫化合物直接利用的新型陽極電催化劑;低貴金屬含量的陽極電催化劑,用于低溫直氧化甲醇/乙醇。

    3、改進催化劑性能。該領域計劃投入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;耐堿性介質腐蝕電極,質子-電子混合導電電極。

    4、材料集成、電極設計與制造。該領域計劃投入5200萬歐元資助3個項目,包括:電池中先進電極的集成和示范;使用少電催化劑的納米結構電極概念原型;通過可升級、環保和自動化制造技術開發納米結構電極。

    三、燃料電池電堆材料與設計

    1、連接件和雙極板。該領域計劃投入4400萬歐元資助8個項目,包括:開發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;開發用于集成電路(IC)的3D打印材料;開發3D打印的IC設計;開發連接件的鉻蒸發阻擋層的低成本涂層技術;開發用于低溫運行的新型IC材料;開發質子交換膜燃料電池雙極板的非貴金屬涂層;開發用于燃料電池和電解槽管狀電池的連接件;開發燃料電池和電解池雙極板性能和穩定性的原位表征方法。

    2、接觸和氣體分布研究。該領域計劃投入2200萬歐元資助5個項目,包括:低電阻和高穩定性質子交換膜燃料電池微孔層研究;熱循環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;通過增材制造改善接觸并減小面積比電阻。

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

    4、傳感器新型設計。該領域計劃投入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有燃料電池輔助系統(BoP)組件中。  

    5、電堆和BoP新型設計。該領域計劃投入3200萬歐元資助7個項目,包括:通過結合氧氣輸運膜更好地回收燃料;優化BoP以減少低溫系統寄生損耗;開發加壓制氫電解池新型設計,具有更高的穩定性和更低的成本;基于氫能和燃料電池的輕便便攜式發電新概念;質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  

    1、系統組件材料開發。該領域計劃投入1800萬歐元資助7個項目,包括:燃料電池BoP組件的經濟合金材料;高溫BoP組件新型材料;高溫熱交換器用涂料開發;BoP組件耐腐蝕涂層開發。

    2、組件/功能開發。該領域計劃投入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;開發陽極廢氣的再循環風機,用于蒸汽重整。

    3、新系統概念開發。該領域計劃投入1500萬歐元資助4個項目,包括:聯合固體氧化物燃料電池和燃氣輪機的高度靈活熱電聯產系統,以及實現gao效發電;固體氧化物電池和儲熱結合,以大化能量轉換效率;固體氧化物電池和液態有機氫載體儲氫結合,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;集成傳感器低溫燃料電池和電解系統。

    5、系統控制。該領域計劃投入1400萬歐元資助2個項目,包括:基于腳本的系統控制和運行自動化,以實現系統生命周期內簡易低成本檢測電堆性能;基于神經網絡和人工智能的系統容錯控制。

    五、建模、驗證與診斷 

    1、燃料電池組件建模。該領域計劃投入1000萬歐元資助4個項目,包括:利用從頭計算法和連續模型,研究催化劑層的結構和物理特性,以改善其性能和耐久性;基于模型方法優化有源層結構以增加電池功率密度;多尺度輸運機理研究以確定不同組件的jia材料結構,開發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化設計。

    2、燃料電池單元、雙極板建模及實驗驗證。該領域計劃投入900萬歐元資助4個項目,包括:電堆三維計算流體動力學(CFD)開源模型;用于下一代電池組的雙極板設計和膜電極的共同優化;開發電堆先進三維模型,為開發模塊化電池做準備;進行模型的實驗驗證。

    3、燃料電池電堆建模。該領域計劃投入800萬歐元資助2個項目,包括:優化雙極板、集電器等的參數、幾何形狀和配置,開發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備的相互作用,以優化電堆設計;電堆三維仿真、專有設計規則和jia shi踐。

    4、系統建模與控制。該領域計劃投入1400萬歐元資助5個項目,包括:開發可預測壽命的動態多物理場燃料電池系統模型;建立燃料電池系統數據庫;不同環境下運行狀況與壽命關系的模型研究;優化燃料電池管理系統,包括電池組和系統級的性能和耐用性;開放的快速原型仿真平臺用于優化車用燃料電池系統。  

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

    六、氫氣生產與處理

    1、生物質/生物廢物制氫。該領域計劃投入2000萬歐元資助4個項目,包括:非貴金屬催化劑生物質制氫;高性能氣化爐實現廢物氣化連續運行一萬小時以上;改進催化劑和優化過程控制提高氣化爐運行時間;廢物制燃料的標準化并開發過程中燃料分析方法。

    2、藻類制氫。該領域計劃投入3600萬歐元資助3個項目,包括:確定光轉換效率高于5%的高性能藻類;藻類制氫用膜的開發,如聚合物和金屬膜;生物水煤氣變換反應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。該領域計劃投入600萬歐元資助1個項目:開發水和二氧化碳低溫熱分解的新型催化劑。 

    4、更的光催化制氫。該領域計劃投入1600萬歐元資助6個項目,包括:共摻雜TiO2-Co3O4納米結構異質結作為光陽極,通過光催化水分解生產氫;通過改進光催化劑提高產氫率;用于光催化水分解和生產太陽能燃料的納米結構非貴金屬催化劑;光催化重整醇類制氫的催化劑;光催化重整生物質制氫;人工光合作用的多尺度模型開發。 

    5、氫氣壓縮、液化和凈化。該領域計劃投入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一半能耗,集成膜反應器,提高現場生產和膜分離效率;將氫氣液化能耗降低至現有值的1/3;開發金屬膜和陶瓷膜等材料,提高氣體分離膜化學穩定性和機械穩定性及選擇性。

    6、其他制氫方法的安全、規范和標準。該領域計劃投入800萬歐元資助4個項目,包括:確定監測氫氣質量的方法,開發氫氣質量傳感器,評估質量下降對氫裝置的影響,開發可利用低品質氫氣的固體高分子燃料電池(PEFC);通過監控設備、傳感器等評估在建筑物等空間內對氫氣的處理;氫氣生產的安全性和風險評估;建筑物中氫氣使用的風險評估和指南。 

    七、氫氣儲存

    1、壓縮儲氫和液態儲氫。該領域計劃投入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、比例調節器的影響;高壓氫氣罐快速加注的控制系統;液態氫對連接管線、閥門、比例調節器等的影響。  

    2、氫氣載體。該領域計劃投入2400萬歐元資助15個項目,包括:酰胺/酰亞胺基材料;利用體心立方結構合金儲氫;基于輕元素的復合氫化物;新型稀土-鎂-過渡金屬(RE-Mg-TM)三元氫化物實現在環境條件下固態儲氫;基于氨硼和/或硼氫化物的混合系統;復合氫化物;高熵氫化物;金屬氫化物;在環境條件下不穩定但在較高氫氣壓力下穩定的材料;過渡金屬-合金和金屬有機框架(MOFs)復合材料,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;用于液態化學儲氫的硼氫hua鈉溶液及其他化合物(如氨硼);液體有機氫載體,如甲酸、芳烴、酒精等;低成本金屬和氫化物化合物副產物的可控水解和回收。 

    3、儲氫系統。該領域計劃投入900萬歐元資助5個項目,包括:低溫壓縮儲氫、固態壓縮儲氫;儲氫罐與燃料電池系統集成;制定儲氫規范。

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