固态储氢技术现状与发展趋势分析.docx

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1、固态储氢技术现状与发展趋势分析摘要：氢能被认为是能源转型、工业及交通领域深度脱碳的关键路径。综述固态储氢技术现状和发展趋势，梳理了物理吸附、化学储氢和金属氢化物等固态储氢技术路线和美国能源部等机构提出的重量储氢密度、体积储氢密度、循环寿命和系统成本等关键技术参数的发展目标，指出目前存在的技术经济问题和改进方向，分析了固态储氢应用场景和潜力，并提出未来技术发展、系统集成优化及应用方向等建议，以为开展固态储氢技术研究及工程示范提供思路和参考。氢能被认为是全球能源转型、工业及交通深度脱碳的关键路径。国际氢能产业处于快速发展期，2023年6月美国发布首个美国国家清洁氢战略和路线图，紧接着日本提出新版氢

2、能源基本战略，预计到2030年，全球氢能投资总额将达到5000亿美元。中国氢能产业处于政策风口，全国已有30个省（市、自治区）把氢能写入“十四五”发展规划中，中石化、中石油等能源央企相继布局绿氢制备、管道输氢及绿氢炼化等产业链环节。氢气储运是氢能产业链面临的主要瓶颈问题之一。固态储氢具有体积密度高.、安全性好等优势，正成为氢储运技术研发与产业布局热点。本文综述固态储氢技术现状和发展趋势，梳理了主要技术路线和目标，指出技术存在问题和优化提升方向，分析了固态储氢应用场景，并提出未来技术发展及应用相关建议。本文研究结果可为开展固态储氢技术研究及工程示范提供参考借鉴。1、氢气储运氢气储运是氢能产业关键

3、环节，整体呈现“低压到高压”“气态到多相态”的发展态势（表1）。不同应用场景适用的氢气储运方式布.所不同，而提高氢气储运密度、降低储运成本是共同发展目标。氢能产业发展中长期规划（20212035年）指出我国将稳步构建氢能储运体系，推动氢储运技术研发，探索固态等储运方式应用。固态储氢作为氢气储运的重要技术分支在美国、口木及欧盟得到广泛研究。20052010年，美国能源部支持多家机构调查研究了400多种材料的潜在储氢能力和应用前景。同时为满足车载储氢系统的应用需求，美国能源部还制定了车载储氢系统的技术路线图，提出了不同阶段的技术目标。但当前文献报道中，尚没有储氢系统能够同时满足所有的技术要求。目前

4、固态储氢技术研究聚焦新型储氢材料、系统装置以及储氢应用场景。表】常见储氢方式kg车储包方式运输工具装数量优点缺点高压储级（20MPH）长管拖车300充/放氢速率快，应用广泛储气密度低，单车载量小液氯液氯梢窿车4000运载量大，缴纯度高能耗窗，设备要求高有机液体储氢槽罐车2000安全，无需高压、低温，储同密度高脱匆能耗高，催化剂失活等铁基固态储氢货车1200安全，储氢密度大，运输方便放氢温度较高2固态储氢发展现状2.1主要技术路线固态储氢是指在一定温度、压力等条件下，利用固态储氢材料实现可逆存储与释放氢气的技术，主要分为物理吸附储氢和化学储氢(图1),具有体积储氢密度高、吸放氢条件温和、可逆性和

5、循环寿命高、安全性好、供氢纯度高等特点。物理吸附储氢利用储氢材料高比表面积和高微孔容积等结构特点实现高密度储氢，典型吸附材料包括碳纳米管、金属有机框架物(MOFs),共价有机框架材料(COFs)等，主要通过范德华力实现氢气与吸附材料可逆储氢。比表面积是影响吸附材料储氢容量的主要因素。多孔碳材料比表面积和孔容较高,稳定性好且密度低，可重熨存储。理论上碳材料和其他无机多孔材料的质量储氢密度可达5%-v10%,甚至更高。MOEs和COFs材料是储氢材料另一个重要分支，具有框架密度更小、比表面积更大等优势，但低温吸附质量储氢密度低于3机总体上物理吸附储氢处于研究阶段，高储氢容量吸附材料的制备是研究焦点

6、主要通过内部结构调制和表而改性等手段实现温和条件下高储氢容量。固态储氢材料1一、1化学施依材料非含黑氧化谷UM1.tMttMakt*fttm K系傅徽材 QUB值*化*诔材料含量有机能紫(MOFs)材料共馀有机枪a?(COFs)图1固态储氢材料分类化学储氢借助金属键、共价键等生成金属氢化物和配位氢化物等物质形态实现储氢，主要包括金属氮化物和非金属氢化物。金属氢化物是金属/金属合金与氢发生可逆反应时生成的一类氨化物，借助金属氨化物吸附氢，并通过加热氢化物释放氢，是目前最具商业化前景的固态储氢路线。根据构成二元合金的原子比不同，金属氢化物储氢合金主要包括镁系、稀土系、钛系、错系等(表2)。其中镁

7、系合金(MgH2)固态储氢材料处于示范及应用初期阶段。镁价格低、资源有保障，全球已开采镁矿中90%在国内，不存在储氢材料被“卡脖子”。另外镁系合金储氢过程反应简单、无副产物、控制性良好，储氢密度最大可达7.6wt.%(106kgm3),为标准状态下氨气密度的1191倍,70MPa高压气氢的2.7倍，液氢的1.5倍，材料可回收，对环境友好。总体上，轻质、高容量储氢合金的开发和性能提升仍走化学储氢材料的研窕重点。表2主要金属氧化物储氢性能对比储氢材料储氢密度/Wt.%放氧压力/MPa放氢温度*c90%放辄所需时间min循环寿命H1.aNii1.31.50.20.8253好较高TiFe1.81.9O

8、21.030W5较好低TiMn22.02.1O.51.025W3好低V-Ti-Cr3.53.8O.3255较好高轻质储氢材料MgH：7.60.1287W20晨好较高Mg2Ni3.60.1282W20理好较高MMHt(M=1.isNa)7.510.60.1150.多步放氢120较好高1.i-Mg-N-H5.60.190120较好较高MBH1(M=1.isNa、Mg、K,Ti,Zr)7.518.50.12250,多步放氢180差高国内主要固态储氢研究单位包括中船七一二所、上海交通大学、有研工程技术研究院有限公司等，另外上海镁源动力、氢枫能源等企业正加速固态储氢关键技术突破和转化应用开发。表3国内

9、主要固态储氢研究机构概况单位储氢材料进展及成果应用场景中船七一二所钛铁系和机系钛铁系储氢：开发MOkg级固态储氢系统：饥系储氢：开发储狙量5001500k1.单个箱式储氢系统，单个20尺箱式氢电系统储能28MWh绿色船舶动力、电网调峰（储能）、离网供电上海交通大学铁系10ta氢化镁粉末生产线,储匆密度15.2wt.%;30ta多孔镁基储氢颗粒生产线,常温常压储氢密度6.Owt.%,循环寿命3000次：合作开发吨级镁基固态储运翻车备用电源、无人机、水下潜航器：氧气储运：加氢站/加-电储能站，储能/分布式发电；叉车有研工程技术研究院有限公司稀土系金同氢化物220ta而容量储级合金中试线：开发500

10、N/储氢装置：开展多项可再生制氢-固态储氢-燃料电池发电应用示范：合作开发45I低压合金储氧式缎燃料电池冷链物流车：制定多项固态储氢国家标准叉车：船艇：助力车：轨道机车：规模储能注：根据公开资料整理2.2技术目标国内外固态储氢技术研究聚焦在调控材料体系、提升材料综合性能和优化储氢系统方案。为推动技术应用，美国能源部（DOE）（表4）、欧洲燃料电池和氢能联合组织（FCHJ1.O、日本新能源和工业技术开发组织CEDO）（表5）以及国际能源署（IEA）等机构对体积/市量储氢密度、氢压范围、循环寿命与成本等关键技术参数提出明确发展目标和要求，为固态储氢技术发展及应用指明了方向。表4DOE轻型燃料电池汽

11、车车载储氢技术目标技术参数2025年最终指标体积储氢密度/（kgHA1.I）0.0100.050痂量储氢密度/（kgHi.kg,）0.0550.065最低/最高工作温度/C-10/85-10/85最低/最高工作压力（绝对压力）/bar5/125/12系统充满时间min3-53-5启动时间到全流量（-20C至20C）/s5-155-15运行循环寿命（4速至充满）/次循环15001500辄气纯度/%99.97（符合或超过SAEJ2719标准）车教效率/%9090全生命周期效率/%6060蒸发损失目标（30d后从初始的95%可用容量最大减少）/%1010储氢系统成本/（KkgH2,fr）300266

12、表5不同储氢技术关键指标对比储气系统质量储气密度/（kgHkg,）体积储氢密度/（kgH.1.,）储药系统成本/（Jkg,H：）200bar压缩（钢瓶），501.H20.01580.017-700bar压缩氢（IY型，单选）,5.6kg比0.0420.024500700bar压缩氢（IV型，两罐），5.6kgH20.0570.041466500液氯，5.6kH?大小依赖于0.071266700bar低温压缩，5.6kg压0.0690.0503500金属狙化物：NiiA1.Hi0.0120.0121430吸附剂:MOF-5,100bar,80k0.0380.021490化学储氢：氨硼烷化合物0.

13、0460.040550DoE最终目标0.0650.050266FCHJU2030目标0.0600.035338NEDO2030年目标0.0750.0711802.3存在问题固态储氢技术种类多样，各技术路线优缺点明显，适用场景有所不同。按照DOE、FCHJU或NEDo设定的20或年技术发展目标,即使仅考虑重量储氢密度、体积储氢密度和系统成本3个参数，现阶段仍没有储氢材料能达到要求。从技术成熟度来看，相比物理吸附储氢,金属氢化物化学储氢技术更接近商业化，特别是镁基储氢路线，但现阶段固态储氢大规模应用仍存在技术经济问题。技术方面提升储氢材料性能及优化系统控制是关键，主要技术挑战包括低温、低压快速吸放

14、氢，廉价、环保、轻质、高容量储氢材料开发以及装置系统设计与控制管理优化等。另外储氢材料和系统集成的工程设计技术也面临挑战，并制约着吸放氢温度、氢循环速率、循环寿命等关键性能指标。储氢材料成本受有色金屈原材料价格波动影响显著。固态储氢整体处于示范阶段，不具备规模化生产储氢材料、承压容器及阀门管道等配件的条件，导致固态储氢系统成本偏高。相同储氢规模，高压气氢和铁基固态储氢的投资、经济运输半径接近，适合20Okm以内短距离运输。液氨远距离、大规模运输成本优势突出，但投资大。未来基于应用场景，开发新型储氢材料、优化储氢材料制备及使用条件、充分发挥国内合金材料产业规模优势是加速固态储氢技术降本和应用的主

15、要路径。3应用场景分析相比气态储氢和液态储氢，固态储氢在储氢密度和本征安全性能方面优势明显。近年来镁基、钛铁系、钿系固态储氢技术口趋成熟，示范应用取得突破。氢枫能源、安泰创明等企业建成千吨级镁基储氢材料生产线。产业链上中下游合作加强，不断拓宽固定式、移动式细分应用场景。固态储氢应用场景见图2,3.1固定式场景固定式应用场景对储氢系统重量不敏感，但对安全性、寿命和成本要求较高，主要包括可再生能源制氢、储氢及应用，电网调峰储能，建筑分布式热电联供电源，备用电源等。国内外开展了百公斤级金属氢化物储氢示范与应用（表6）。2017-2019年口本环境省资助了“创建氢社会项目，Hitachi等企业在光伏、

16、风电制氢储氢及应用项目中进行储氢合金材料应用示范。国内进行了电网调峰同态储氢技术示范，2023年南方电网建成广州南沙电氢智慧能源站，实现光伏发电制氢耦合固态储氢及燃料电池发电应用于电力系统，用电高峰可稳定出力23h、发供电2300kWhO表6国内外固态储氢应用案例概况实施单位储氢材料储级规模kg案例情况JapanStee1.Works,1.td.1.aNiS120格里菲斯大学（Griffith1.niversity）建造的离网光伏制氧金属缎化物储氢-燃料电池发电系统法国McPhy铁基750意大利TroiaIngrid可再生能源电解水制氢固态储於平台，5个HDS150储氢模块，15OkgHj模块

17、2016年完成调试澳大利亚Hydrexia铁基100澳大利亚Brisbane生产设施采用镁基固态储氢模块中国南方电网有限货任公司稀土/钛台金165广州南沙电辄智慧能源站由PEM制狙系统、固态储级系统（7个储氢模块）、45MPa静态增压系统、35MPa经气加注系统以及100kW燃料电池发电系统构成义车、港口及矿区物流车、环卫车等行驶路线相对固定，行驶范用有限，是固态储氢移动应用的重要场兔。相比高压氢气罐，固态储氢密度和安全性高，续航时间长，固态储氢罐可减轻叉车配重，适合相对密闭、运行环境清洁的仓储物流园区。美国普拉格能源、德国Sti1.1.公司和日本丰田是全球主要氢燃料电池叉车生产商，主要用户

18、包括沃尔玛、亚马逊、宝洁、家乐福、奔驰、联想等大型企业。根据ModernMateria1.sHand1.ing2020年调查结果和美国能源部(PGM)的数据，截至2020年10月，全球有超过3.5万台燃料电池叉车。替代现有氢燃料电池乘用车高压储氢瓶是固态储氢移动应用的另一重要方向。本田、丰田等车企进行了固态储氢燃料电池车辆开发和运行示范，国内TiMn系固态储氢系统成功应用于燃料电池客车，但总体进展缓慢不具备批量生产条件(表7)。另外H行车、两轮车等也是发展方向，深圳、常州等地已开展了固态储氢供能的氢能自行车运行示范。表7固态储氢燃料电池车开发概况制造商车型动力类型储翅材料年份马自达Cape1.

19、1.a内燃机AB,AB,AB；,镁合金氢化物1994丰田RAV4FCEV氢燃料电池AB,AB”Aft,镁合金乳化物1996本田FCX-V1.氢燃料电池AB,AB“AB,镁合金氢化物1999萨凡纳河国家实验室Gator1燃料电池混合动力Mm(NijA1.)i1998萨凡纳河国家实验室Gator2燃料电池混合动力Ti(Fe,Mn)1998丰田FCHV-3氢燃料电池AB,Bj,AB5,镁合金氮化物2001燃料电池推进研究所/桑迪亚国家实验室矿山机车氢燃料电池(Ti,Zr)(Mn,V,Cr,Fe)22001通用军用卡车氢燃料电池低压金属氧化物2003STI1.1.Gmb1.i叉车氢燃料电池Tia出Zr

20、O1.a5(Fo,Cr.Mn,Ni)22015科威特科学研究所乘用车氢燃料电池MgHMNbPdH1.2018南非先进材料研究所小型摩托车氢燃料电池TinKIZr(II,(Fe,Nn,Cr,Ni,V)22019中国有研科技集团有限公司公交车笈燃料电池AB；合金20194建议固态储氢技术是储氢领域的重要分支。当前主流氢气储运技术仍是气态高压氢，固态储氢在多个场景得到小规模示范应用，但大规范应用仍受到综合技术性能和成本高的制约。技术方面储氢机理研究及性能提升，温和吸放氢、高容量可逆新型储氢材料开发,低膨胀应力、高导热储氢床开发，轻质耐压、高空间利用率储氢嘛体设计，以及快速响应、安全可靠储氢装置的系统设计优化等是攻关重点。系统集成优化提升固态储氢整体效率、环保性和经济性，如现有固态储氢材料放氢温度高，可考虑与SOFC电站进行集成设计，充分利用SoFC余热作为储氢材料放氢的热源。应用方面近期以加快拓展固定式储氢应用市场为主，尤其需要关注与可再生能源制氢集成的现场储氢，该场景有望成为现有固态储氢技术规模化发展的重要突破口。中远期车载固态储氢是市要市场，但目前对标高压储氢和车载储氢应用要求仍有差距，仍需技术攻关快速响应、安全可靠、高容量车载储氢系统。工法伐发砥纳聚纤维-*xtf