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固态储氢多技术路径进展及适配场景分析 | 技术

3060 · 公众号 · · 2024-12-30 11:29

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在有空间、压力限制的场景下或是较佳选择。

近两年，国内固态储氢的应用发展比较迅速， 一方面在储能、绿氢项目、交通工具、备用电源等场景不乏首台套式的应用，另一方面也有一些新材料、新产品实现了产业化， 近期还实现了全球首台套大型固态储氢产品出口海外，说明在某些场景下，固态储氢正逐渐展现出不输于高压气态储氢的应用优势。

能景研究重新梳理了固态储氢的材料及发展阶段，以及目前固态储氢具有应用潜力的一些场景，以供行业参考。

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01 固态储氢：一种体积小、重量高的储氢技术路线

固态储氢技术通过物理或化学方式将氢气储存在固体介质中，其性能、成本等取决于固态储氢材料本身的性能特征及材料组成。

与传统高压气态储罐储氢技术相比，固态储氢具有高体积储氢密度、低压工作条件等优势：

一是高体积储氢密度。 目前产业化的固态储氢装置的体积储氢密度可以达到60g/L（含储罐），与低温液氢接近，是35MPa III型储氢瓶的近3倍。

二是安全性较高 。相比于一般30 MPa以上的高压气态储氢，目前产业化的固态储氢储罐的压力一般在1 MPa以下，属于低压容器范畴。

固态储氢受限于储氢材料的发展，目前在条件、寿命、成本等方面也仍存在一些制约因素：

一是储氢重量较高。 由于固态储氢依靠介质储氢，单位储氢量下的重量比高压气态较大，目前小型固态储氢装置的质量储氢密度可以达到1wt%左右，是35MPa III型储氢瓶的3分之一左右。

二是初始购置成本较高。 固态储氢依赖于储氢介质，不同材料的成本不同，仅看单位储氢量下的装备成本约在高压气态的3倍以上。

三是循环寿命限制。 不同固态储氢材料的寿命有区别，部分材料充放氢次数过多时可能发生粉化等情况，影响储氢量和充放速度。

02 固态储氢有着400余种材料路线，性能特点存差异

固态储氢材料主要分为物理吸附材料和化学储氢材料两大类。

一是物理吸附材料储氢。 通过物理作用力（分子间作用力）将氢气吸附在材料中微孔、介孔等表面，在需要氢气时可以通过加热或降压释放。 物理吸附材料储氢量随压力、温度变化，一般充放氢速度较快。

但在常温常压下物理吸附储氢材料的储氢量一般有限。 由于物理吸附主要依赖微小的孔道等实现，提高储氢量需要高压、低温等辅助。 在常温常压下的储氢量一般不高于1%（质量储氢密度）， 在低温（如-200℃）或中高压（如8 MPa）辅助下部分材料可达5.5%左右。

常见的物理吸附材料以各类多孔材料为主。 典型如 多孔碳材料： 包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等，通过其多孔结构和高比表面积物理吸附氢气。 多孔无机材料： 包括沸石、分子筛等，具有较多微孔或介孔孔道。 多孔有机框架材料： 包括金属-有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）材料，一类由金属离子、有机分子合成的高比表面积、高孔隙率的多孔材料。

二是化学储氢材料储氢。 通过化学反应与氢气发生结合形成化合物，当需要释放氢气时，再通过化学反应将氢气从化合物中释放出来。化学储氢在原理上属于微观分子级别的储氢， 能够实现与低温液氢相近的体积储氢密度。 一般在常温常压下的储氢量一般在1%以上（质量储氢密度），部分材料接近20%。

但化学储氢材料的性能也受化学反应原理的限制。 但由于化学储氢主要依靠化学反应来实现，不同材料之间存在反应速率快或慢的差别，部分材料需要高温或催化剂辅助，有些化学储氢材料在多次充放氢循环中会出现容量衰减的问题。

常见的化学储氢材料以各类高化学活性的材料为主。 典型如 储氢合金： 包括各类能够与氢气反应的高活性金属材料或合金材料，能够与氢气直接反应生成氢化物，通过降压、加热等释放氢气，反应可逆。 储氢化合物： 包括硼氢化钠、氮化锂等能够与氢气反应或含氢的化合物，通过与水反应、热解等方式释放氢气。相关反应比较复杂，一般可逆性较弱。

现阶段，物理吸附材料储氢仍在早期阶段，依靠精细的微观孔道结构或微观表面来增加氢气吸附量，虽然已有一些MOF等产业化案例，但总体来看案例仍然较少。

化学储氢材料也存在能耗、循环效率等难点，但已经有部分材料突破了低能耗、长循环寿命等性能，实现了产业化应用，其中最成熟的是金属储氢材料（储氢合金）。

美国能源部（DOE）调查了 400 多种材料在储氢应用中的潜在用途的独立项目， 并制定了各类储氢合金的发展目标。DOE计划最终实现 固态储氢质量储氢密度（kgH2/kg 系统）达到6.5%以上，体积储氢密度（kg H(2)/L 系统）达到5%以上，固态储氢成本降至266美元/kg H(2)。

按照该目标，最终固态储氢的质量能量密度能达到当前锂电池的5到10倍左右。

03 各材料路径中，2大类储氢合金技术率先实现产业化

在众多储氢材料类型中，化学储氢材料中的储氢合金因其独特的储氢性能和实际应用潜力，最先实现产业化。

储氢合金主要有高温型、室温型2类技术路线。

高温型储氢合金： 以镁基固态储氢材料为代表，如Mg2Ni等。镁基储氢材料是质量储氢密度最高的储氢合金类型之一， 不含储罐等最高可达7.6wt% 。但充放氢温度较高，通常需要300℃左右。

室温型储氢合金： 以钛铁/锰系、钒系、稀土系及锆系储氢合金等为代表，典型有TiFe、TiMn2、V-Ti-Fe、LaNi5等。 这些材料的质量储氢密度在1.2wt%至2.6wt%不等，一般在室温下充放氢。

现阶段，国内高温型以及是室温型储氢合金均已有企业或单位进行产业化布局。

高温型储氢合金方面，以氢化镁大型储氢装置为代表， 主要有上海交通大学以及氢枫能源、氢储（上海）能源科技等在布局。目前，国内某镁基储氢材料中试线报价约10万元/吨，对应储氢的材料成本1400元/kg氢左右（仅材料成本，未含储氢过程的加热辅助以及能耗成本）。

室温型储氢合金方面，以稀土系、钛系等为代表已有各种类型产品案例， 主要有有研工研院、中电工研（徐州）、国机集团、安泰创明等十余家企业在布局。目前，国内TiFe等钛系储氢的材料成本约6000至8000元/kg氢左右，钒系、稀土系等10000元/kg氢以上。

04 在多种场景下固态储氢具有一定的适用性或竞争力

固态储运已在燃料电池非道路机动车方面广泛应用，同时在一些氢气输运、制氢项目方面有示范应用案例。

燃料电池轻型应用： 包括两轮车、观光车等，对体积储氢量要求较高，同时要求较低的储氢压力，因此固态储氢具有较高的适应性。2023年国内燃料电池两轮车示范投入近2000辆，已知案例均采用固态储氢，主要为稀土系、钛系等。

工程车辆： 包括燃料电池叉车等，该场景下叉车对连续运行的续航时间要求较长，且本身具有一定的配重要求，对固态储氢重量不敏感。此外，港区、地铁施工、矿区、仓库等对安全性要求较高的场景，常压工作环境的固态储氢也具有一定优势。

固定式储氢： 如电解水制氢站、氢储能电站等氢储量较大的场景，与1.5 MPa的储氢球罐等相比，等体积下固态储氢储氢量可达50倍左右。2023年国内南方电网在广东南沙的氢储能项目实现了固态储氢技术首次并网发电，2024年10月国电投大安绿氨项目招标48000 Nm3固态储氢装置。

备用电源： 如移动式电源、通信基站备用电源、离网超充等分布式的场景，对储氢的空间要求较高，同时对高压储氢容器的安装应用有许可要求。与锂电相比，固态储氢同体积下的储能密度是锂电的3至4倍。国内已有多家固态储氢企业推出了固态储氢电源装备。

氢气输运： 氢气运输车辆的氢气装载量越高，有利于降低氢气运输成本。若储氢量达到1吨以上，不考虑充卸能耗等的情况下氢气运输成本能低至4元/kg以下。2023年，上海氢枫科技推出国内首个固态储氢运输车，采用镁基材料，单车储氢量1吨左右。

来源：能景研究

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