2020年前，完成大规模煤制氢、燃料电池发电、氢气燃气轮机联合循环发电和CO₂捕集和埋存等技术的工程化研究和开发；在第二阶段示范工程的基础上建成40万千瓦级 “绿色煤电”示范工程，形成系统和关键设备的设计集成技术、机组运行技术；达到燃煤发电的高效和近零排放，验证“绿色煤电”系统的技术经济性，为大规模商业化作好技术准备。

该阶段的技术路线是：
        通过气化炉和煤气净化装置制成的洁净煤气全流程经过新型的煤制氢工艺，生成氢和CO₂，将氢和CO₂进行分离，氢气主要用于氢气轮机和燃料电池联合发电，并使系统达到整体化，被分离的CO₂有一部分被工业再利用，剩余部分被安全地储藏和封存；系统最终生产的主力产品有电力、高纯度氢。系统产生的副产品有高纯度硫磺、可利用性较高的灰渣，可销售的氧气、氮气、CO₂和氩气等气体。系统达到包括CO₂在内的各种污染物的近零排放。

技术路线图：