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在有空間、壓力限制的場景下或是較佳選擇。

近兩年，國內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫的應(yīng)用發(fā)展比較迅速，一方面在儲(chǔ)能、綠氫項(xiàng)目、交通工具、備用電源等場景不乏首臺(tái)套式的應(yīng)用，另一方面也有一些新材料、新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，近期還實(shí)現(xiàn)了全球首臺(tái)套大型固態(tài)儲(chǔ)氫產(chǎn)品出口海外，說明在某些場景下，固態(tài)儲(chǔ)氫正逐漸展現(xiàn)出不輸于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的應(yīng)用優(yōu)勢。能景研究重新梳理了固態(tài)儲(chǔ)氫的材料及發(fā)展階段，以及目前固態(tài)儲(chǔ)氫具有應(yīng)用潛力的一些場景，以供行業(yè)參考。

01 固態(tài)儲(chǔ)氫：一種體積小、重量高的儲(chǔ)氫技術(shù)路線

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)通過物理或化學(xué)方式將氫氣儲(chǔ)存在固體介質(zhì)中，其性能、成本等取決于固態(tài)儲(chǔ)氫材料本身的性能特征及材料組成。與傳統(tǒng)高壓氣態(tài)儲(chǔ)罐儲(chǔ)氫技術(shù)相比，固態(tài)儲(chǔ)氫具有高體積儲(chǔ)氫密度、低壓工作條件等優(yōu)勢：

一是高體積儲(chǔ)氫密度。目前產(chǎn)業(yè)化的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的體積儲(chǔ)氫密度可以達(dá)到60g/L（含儲(chǔ)罐），與低溫液氫接近，是35MPa III型儲(chǔ)氫瓶的近3倍。

二是安全性較高。相比于一般30 MPa以上的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，目前產(chǎn)業(yè)化的固態(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)罐的壓力一般在1 MPa以下，屬于低壓容器范疇。

固態(tài)儲(chǔ)氫受限于儲(chǔ)氫材料的發(fā)展，目前在條件、壽命、成本等方面也仍存在一些制約因素：

一是儲(chǔ)氫重量較高。由于固態(tài)儲(chǔ)氫依靠介質(zhì)儲(chǔ)氫，單位儲(chǔ)氫量下的重量比高壓氣態(tài)較大，目前小型固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度可以達(dá)到1wt%左右，是35MPa III型儲(chǔ)氫瓶的3分之一左右。

二是初始購置成本較高。固態(tài)儲(chǔ)氫依賴于儲(chǔ)氫介質(zhì)，不同材料的成本不同，僅看單位儲(chǔ)氫量下的裝備成本約在高壓氣態(tài)的3倍以上。

三是循環(huán)壽命限制。不同固態(tài)儲(chǔ)氫材料的壽命有區(qū)別，部分材料充放氫次數(shù)過多時(shí)可能發(fā)生粉化等情況，影響儲(chǔ)氫量和充放速度。

02 固態(tài)儲(chǔ)氫有著400余種材料路線，性能特點(diǎn)存差異

固態(tài)儲(chǔ)氫材料主要分為物理吸附材料和化學(xué)儲(chǔ)氫材料兩大類。

一是物理吸附材料儲(chǔ)氫。通過物理作用力（分子間作用力）將氫氣吸附在材料中微孔、介孔等表面，在需要?dú)錃鈺r(shí)可以通過加熱或降壓釋放。物理吸附材料儲(chǔ)氫量隨壓力、溫度變化，一般充放氫速度較快。但在常溫常壓下物理吸附儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫量一般有限。由于物理吸附主要依賴微小的孔道等實(shí)現(xiàn)，提高儲(chǔ)氫量需要高壓、低溫等輔助。在常溫常壓下的儲(chǔ)氫量一般不高于1%（質(zhì)量儲(chǔ)氫密度），在低溫（如-200℃）或中高壓（如8 MPa）輔助下部分材料可達(dá)5.5%左右。常見的物理吸附材料以各類多孔材料為主。典型如多孔碳材料：包括活性炭、碳納米管、石墨烯等， 通過其多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積物理吸附氫氣。多孔無機(jī)材料：包括沸石、分子篩等，具有較多微孔或介孔孔道。多孔有機(jī)框架材料：包括金屬-有機(jī)框架（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架（COFs）材料，一類由金屬離子、有機(jī)分子合成的高比表面積、高孔隙率的多孔材料。

二是化學(xué)儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫。通過化學(xué)反應(yīng)與氫氣發(fā)生結(jié)合形成化合物，當(dāng)需要釋放氫氣時(shí)，再通過化學(xué)反應(yīng)將氫氣從化合物中釋放出來�；瘜W(xué)儲(chǔ)氫在原理上屬于微觀分子級(jí)別的儲(chǔ)氫，能夠?qū)崿F(xiàn)與低溫液氫相近的體積儲(chǔ)氫密度。一般在常溫常壓下的儲(chǔ)氫量一般在1%以上（質(zhì)量儲(chǔ)氫密度），部分材料接近20%。但化學(xué)儲(chǔ)氫材料的性能也受化學(xué)反應(yīng)原理的限制。但由于化學(xué)儲(chǔ)氫主要依靠化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，不同材料之間存在反應(yīng)速率快或慢的差別，部分材料需要高溫或催化劑輔助，有些化學(xué)儲(chǔ)氫材料在多次充放氫循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)容量衰減的問題。常見的化學(xué)儲(chǔ)氫材料以各類高化學(xué)活性的材料為主。典型如儲(chǔ)氫合金：包括各類能夠與氫氣反應(yīng)的高活性金屬材料或合金材料，能夠與氫氣直接反應(yīng)生成氫化物，通過降壓、加熱等釋放氫氣，反應(yīng)可逆。儲(chǔ)氫化合物：包括硼氫化鈉、氮化鋰等能夠與氫氣反應(yīng)或含氫的化合物，通過與水反應(yīng)、熱解等方式釋放氫氣。相關(guān)反應(yīng)比較復(fù)雜，一般可逆性較弱。

現(xiàn)階段，物理吸附材料儲(chǔ)氫仍在早期階段，依靠精細(xì)的微觀孔道結(jié)構(gòu)或微觀表面來增加氫氣吸附量，雖然已有一些MOF等產(chǎn)業(yè)化案例，但總體來看案例仍然較少�；瘜W(xué)儲(chǔ)氫材料也存在能耗、循環(huán)效率等難點(diǎn)，但已經(jīng)有部分材料突破了低能耗、長循環(huán)壽命等性能，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，其中最成熟的是金屬儲(chǔ)氫材料（儲(chǔ)氫合金）。

美國能源部（DOE）調(diào)查了 400 多種材料在儲(chǔ)氫應(yīng)用中的潛在用途的獨(dú)立項(xiàng)目，并制定了各類儲(chǔ)氫合金的發(fā)展目標(biāo)。DOE計(jì)劃最終實(shí)現(xiàn)固態(tài)儲(chǔ)氫質(zhì)量儲(chǔ)氫密度（kgH2/kg 系統(tǒng)）達(dá)到6.5%以上，體積儲(chǔ)氫密度（kg H(2)/L 系統(tǒng)）達(dá)到5%以上，固態(tài)儲(chǔ)氫成本降至266美元/kg H(2)。按照該目標(biāo)，最終固態(tài)儲(chǔ)氫的質(zhì)量能量密度能達(dá)到當(dāng)前鋰電池的5到10倍左右。

03 各材料路徑中，2大類儲(chǔ)氫合金技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

在眾多儲(chǔ)氫材料類型中，化學(xué)儲(chǔ)氫材料中的儲(chǔ)氫合金因其獨(dú)特的儲(chǔ)氫性能和實(shí)際應(yīng)用潛力，最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。儲(chǔ)氫合金主要有高溫型、室溫型2類技術(shù)路線。高溫型儲(chǔ)氫合金：以鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料為代表， 如Mg2Ni等。鎂基儲(chǔ)氫材料是質(zhì)量儲(chǔ)氫密度最高的儲(chǔ)氫合金類型之一，不含儲(chǔ)罐等最高可達(dá)7.6wt% 。但充放氫溫度較高，通常需要300℃左右。室溫型儲(chǔ)氫合金：以鈦鐵/錳系、釩系、稀土系及鋯系儲(chǔ)氫合金等為代表，典型有TiFe、TiMn2、V-Ti-Fe、LaNi5等。這些材料的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度在1.2wt%至2.6wt%不等，一般在室溫下充放氫。

現(xiàn)階段，國內(nèi)高溫型以及是室溫型儲(chǔ)氫合金均已有企業(yè)或單位進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化布局。高溫型儲(chǔ)氫合金方面，以氫化鎂大型儲(chǔ)氫裝置為代表，主要有上海交通大學(xué)以及氫楓能源、氫儲(chǔ)（上海）能源科技等在布局。目前，國內(nèi)某鎂基儲(chǔ)氫材料中試線報(bào)價(jià)約10萬元/噸，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氫的材料成本1400元/kg氫左右（僅材料成本，未含儲(chǔ)氫過程的加熱輔助以及能耗成本）。室溫型儲(chǔ)氫合金方面，以稀土系、鈦系等為代表已有各種類型產(chǎn)品案例，主要有有研工研院、中電工研（徐州）、國機(jī)集團(tuán)、安泰創(chuàng)明等十余家企業(yè)在布局。目前，國內(nèi)TiFe等鈦系儲(chǔ)氫的材料成本約6000至8000元/kg氫左右，釩系、稀土系等10000元/kg氫以上。

04 在多種場景下固態(tài)儲(chǔ)氫具有一定的適用性或競爭力

固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)已在燃料電池非道路機(jī)動(dòng)車方面廣泛應(yīng)用，同時(shí)在一些氫氣輸運(yùn)、制氫項(xiàng)目方面有示范應(yīng)用案例。

燃料電池輕型應(yīng)用：包括兩輪車、觀光車等，對(duì)體積儲(chǔ)氫量要求較高，同時(shí)要求較低的儲(chǔ)氫壓力，因此固態(tài)儲(chǔ)氫具有較高的適應(yīng)性。2023年國內(nèi)燃料電池兩輪車示范投入近2000輛，已知案例均采用固態(tài)儲(chǔ)氫，主要為稀土系、鈦系等。

工程車輛：包括燃料電池叉車等，該場景下叉車對(duì)連續(xù)運(yùn)行的續(xù)航時(shí)間要求較長，且本身具有一定的配重要求，對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫重量不敏感。此外，港區(qū)、地鐵施工、礦區(qū)、倉庫等對(duì)安全性要求較高的場景，常壓工作環(huán)境的固態(tài)儲(chǔ)氫也具有一定優(yōu)勢。

固定式儲(chǔ)氫：如電解水制氫站、氫儲(chǔ)能電站等氫儲(chǔ)量較大的場景，與1.5 MPa的儲(chǔ)氫球罐等相比，等體積下固態(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)氫量可達(dá)50倍左右。2023年國內(nèi)南方電網(wǎng)在廣東南沙的氫儲(chǔ)能項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)首次并網(wǎng)發(fā)電，2024年10月國電投大安綠氨項(xiàng)目招標(biāo)48000 Nm3固態(tài)儲(chǔ)氫裝置。

備用電源：如移動(dòng)式電源、通信基站備用電源、離網(wǎng)超充等分布式的場景，對(duì)儲(chǔ)氫的空間要求較高，同時(shí)對(duì)高壓儲(chǔ)氫容器的安裝應(yīng)用有許可要求。與鋰電相比，固態(tài)儲(chǔ)氫同體積下的儲(chǔ)能密度是鋰電的3至4倍。國內(nèi)已有多家固態(tài)儲(chǔ)氫企業(yè)推出了固態(tài)儲(chǔ)氫電源裝備。

氫氣輸運(yùn)：氫氣運(yùn)輸車輛的氫氣裝載量越高，有利于降低氫氣運(yùn)輸成本。若儲(chǔ)氫量達(dá)到1噸以上，不考慮充卸能耗等的情況下氫氣運(yùn)輸成本能低至4元/kg以下。2023年，上海氫楓科技推出國內(nèi)首個(gè)固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸車，采用鎂基材料，單車儲(chǔ)氫量1噸左右。

來源：能景研究

       原文標(biāo)題 : 技術(shù)|固態(tài)儲(chǔ)氫多技術(shù)路徑進(jìn)展及適配場景分析