固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)基本介紹

我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)具備長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿?/span>

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，在2030年碳達(dá)峰愿景下，我國(guó)氫氣的年需求量預(yù)期達(dá)到3,715萬(wàn)噸，在終端能源消費(fèi)中占比約為5%；可再生氫產(chǎn)量約為500萬(wàn)噸，部署電解槽裝機(jī)約80GW。在2060年碳中和愿景下，我國(guó)氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%。其中，工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍然最大，約7,794萬(wàn)噸，占?xì)淇傂枨罅?/span>60%；交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4,051萬(wàn)噸，建筑領(lǐng)域用氫585萬(wàn)噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬(wàn)噸。

儲(chǔ)氫——氣、液、固三種方式

氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)通過(guò)高壓是將氫氣壓縮于高壓容器中，來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存，通常由鋼、鋁、碳/玻璃纖維、 高分子材料等制成。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)主要應(yīng)用在運(yùn)輸領(lǐng)域，加氫站和燃料電池 車上均應(yīng)用高壓儲(chǔ)氫瓶作為儲(chǔ)氫裝置。 加氫站通常使用純鋼制造的I型瓶和II型瓶（鋼制內(nèi)膽，纖維環(huán)向纏繞），工作壓力在17.5-30MPa， 體積較大。加氫站配置250kg的儲(chǔ)氫裝置成本約為170-200萬(wàn)元以上，折合單位儲(chǔ)氫價(jià)格約為6000- 8000元/公斤。 車載儲(chǔ)氫瓶主要分III型瓶和IV型瓶?jī)煞N。III型瓶壓強(qiáng)為35MPa，內(nèi)膽采用鋁合金/鋼，包裹材料為碳纖 維或者混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料。IV型瓶壓強(qiáng)為70MPa，內(nèi)膽采用聚合物（一般包括尼龍，高密度 聚乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外部包裹材料主要是碳纖維或者混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料。國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車配備的儲(chǔ)氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，而70MPa的IV型高壓儲(chǔ)氫 罐，國(guó)外已經(jīng)實(shí)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚未批準(zhǔn)。在燃料電池車上應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫瓶按照儲(chǔ)氫質(zhì)量折算，35MPa 的單價(jià)3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。

液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是采用低溫技術(shù)將氫氣冷卻到液化溫度（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，-253℃）以下，以液體形式儲(chǔ) 存在高度真空的絕熱容器中。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)目前美國(guó)、日本等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最早起步于軍事、航天等 領(lǐng)域。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)興起，民用液氫領(lǐng)域現(xiàn)已匯聚中科富海、航天101所、國(guó)富氫能、鴻達(dá) 興業(yè)等一批科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，在相關(guān)技術(shù)上屢獲重大突破；同時(shí)國(guó)家已發(fā)布液氫生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸?shù)膰?guó) 家標(biāo)準(zhǔn)，這使液氫民用有標(biāo)可依，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)民用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)零突破，為液氫進(jìn)入市場(chǎng)化發(fā)展提 供重要支撐。 液氫槽罐車價(jià)格為350萬(wàn)/臺(tái)，可儲(chǔ)存4300公斤液氫，液化過(guò)程耗電約為15KWh/kg。 2021年月，清華聯(lián)手北汽福田的全球首輛35噸級(jí)、49噸級(jí)分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車成功問(wèn) 世，順利通過(guò)綜合測(cè)試。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、國(guó)富氫能、泰極動(dòng)力簽署協(xié)議在佛山合作 推進(jìn)“液氫儲(chǔ)氫加氫站項(xiàng)目。

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是通過(guò)物理或化學(xué)方式使氫氣與儲(chǔ)氫材料結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存。從材料分類上有金屬合金、 碳材料等。金屬氫化物合金又可細(xì)分為稀土系、鈦鐵/錳系、釩系和鎂系等。

固態(tài)儲(chǔ)氫從體積儲(chǔ)氫密度、安全性等因素考慮，是最具商業(yè)化發(fā)展前景的儲(chǔ)存方式之一。 固態(tài)儲(chǔ)氫目前在交通領(lǐng)域起步相對(duì)較早，氫能自行車、兩輪車、燃料電池叉車、加氫站均有示范項(xiàng)目；國(guó) 內(nèi)企業(yè)如厚普股份也在開發(fā)車載固態(tài)儲(chǔ)氫瓶，目前鈦系儲(chǔ)氫裝置售價(jià)在2萬(wàn)元/kg，未來(lái)希望通過(guò)規(guī)模化生 產(chǎn)，降至8000元/kg以內(nèi)。 固態(tài)儲(chǔ)氫在電力調(diào)峰領(lǐng)域也有示范項(xiàng)目，包括華電集團(tuán)、云南電科院、有研科技集團(tuán)等在四川瀘定、昆明、 張家口建設(shè)了相關(guān)示范項(xiàng)目。 在備用電源領(lǐng)域，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)的示范項(xiàng)目。 在工業(yè)領(lǐng)域：目前化工上使用的是高壓儲(chǔ)氣罐，安全性存在挑戰(zhàn)、復(fù)雜度很高。而固態(tài)儲(chǔ)氫可以作為長(zhǎng)期 的儲(chǔ)存，減輕安全壓力；還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)副產(chǎn)氫凈化-儲(chǔ)運(yùn)一體化。一輛儲(chǔ)運(yùn)車可直接充裝和純化1.2噸氫 氣，得到99.999%的高純氫，有效降低儲(chǔ)運(yùn)成本。

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)路線介紹

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)路線主要可分為金屬氫化物，配位氫化物，碳材料，金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）和水合物儲(chǔ)氫等。 金屬氫化物為固態(tài)儲(chǔ)氫主流技術(shù)路線，涉及材料包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復(fù)合儲(chǔ)氫合金等；其中鎂系合金儲(chǔ)氫容量大（最高可達(dá)7.6%），但放氫溫度高，通常需要300℃；鈦系、釩系、稀土系儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫容量為1.4%-2.4%不等，放氫溫度明顯較鎂系合金低。配位氫化物路線需要堿金屬（鋰、鈉、鉀等）或堿土金屬（鎂、鈣等）或第三主族元素（鋁、硼等）。 碳材料路線需要活性炭、碳納米纖維、碳納米管等材料。

金屬氫化物吸放氫基本原理

金屬儲(chǔ)氫材料通過(guò)金屬氫化物的形式來(lái)將氫氣儲(chǔ)存在合金中。吸氫過(guò)程中，合金儲(chǔ)氫材料在一定的溫度和氫氣壓力下, 發(fā)生放熱反應(yīng)吸收氫氣生成金屬氫化物；放氫過(guò)程中，金屬氫化物在加熱的情況下發(fā)生吸熱反應(yīng)釋放所吸收的氫氣,。 微觀機(jī)理：氫分子首先吸附在金屬表面, 隨著氫鍵斷裂而解離成氫原子, 氫原子通過(guò)內(nèi)部擴(kuò)散進(jìn)入金屬原子的間隙形成金屬固溶體，之后固溶體中的氫原子進(jìn)一步向金屬內(nèi)部擴(kuò)散, 達(dá)到固溶轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附的活化能后從而形成氫化物。

儲(chǔ)氫運(yùn)氫——三種形式的結(jié)合應(yīng)用前景

對(duì)于高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，當(dāng)運(yùn)輸距離為50km時(shí)，運(yùn)輸成本為3.6元/kg，隨著距離的增加長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本大幅上升，當(dāng)運(yùn)輸距離為500km時(shí)，氫氣的運(yùn)輸成本達(dá)到29.4元/kg。因此，長(zhǎng)管拖車只適合短距離運(yùn)輸（小于200km）。固態(tài)儲(chǔ)氫車與液氫槽罐車運(yùn)氫成本對(duì)距離不敏感，當(dāng)加氫站距離氫源點(diǎn)50-600km時(shí)，運(yùn)輸價(jià)格約在10-13元/kg范圍內(nèi)，成本變動(dòng)與儲(chǔ)運(yùn)氫過(guò)程中耗電費(fèi)用，載氫量有關(guān)，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸下，固態(tài)儲(chǔ)氫車與液氫罐車都具備成本優(yōu)勢(shì)。 管道運(yùn)氫成本主要來(lái)源于與輸送距離正相關(guān)的管材折舊及維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)輸送距離為100km時(shí)，運(yùn)氫成本僅為0.5元/kg。但管道運(yùn)氫成本很大程度上受到需求端的影響，在當(dāng)前加氫站尚未普及、站點(diǎn)較為分散的情況下，管道運(yùn)氫的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。

固態(tài)儲(chǔ)氫市場(chǎng)分析

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景

對(duì)于不同的儲(chǔ)氫方式，都有不同的適合場(chǎng)景。固態(tài)儲(chǔ)氫適用的場(chǎng)景有：

工程車載應(yīng)用：1）叉車對(duì)重量不敏感，固態(tài)儲(chǔ)氫較為合適。相比高壓儲(chǔ)氣罐，固態(tài)儲(chǔ)氫能夠儲(chǔ)存兩倍以上的氫氣，續(xù)航時(shí)間翻倍，叉車加氫一次工作可以連續(xù)工作一整天。2）固態(tài)儲(chǔ)氫可以用于港區(qū)、煤礦井下進(jìn)行短途輸運(yùn)的物流車，這種場(chǎng)景下用高壓氣罐有安全風(fēng)險(xiǎn)，用固態(tài)儲(chǔ)氫更合適。3）地鐵施工中的機(jī)械施工車輛也適合使用固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，這些列車建站很小很少，但對(duì)體積和重量的承受力強(qiáng)一些。4）固定路線的重卡、環(huán)衛(wèi)車等等也非常適合。

乘用車載應(yīng)用：目前燃料電池乘用車主要是高壓儲(chǔ)氫，主流車型采用三個(gè)罐，一橫兩豎的擺放方式，比較占用空間，如果使用固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，可以與底盤進(jìn)行一體式設(shè)計(jì)，類似電動(dòng)車，空間利用率會(huì)大大提高，同時(shí)汽車的重心會(huì)降低，汽車的阻力降低，能效提高；同時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫安全性更好，車輛可以放心進(jìn)入地下車庫(kù)停放。目前存在的問(wèn)題是需要在乘用車使用還需要提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度到2%以上，并且降低制造成本。

通信基站的備用電源：例如我國(guó)2008年汶川地震后，一些單位開發(fā)了燃料電池和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置組成的備用電源，一次能夠供給通信基站運(yùn)行17個(gè)小時(shí)左右。

分布式供能：固態(tài)儲(chǔ)氫裝置可以和光伏或風(fēng)電配套使用。因?yàn)楣虘B(tài)儲(chǔ)氫需要的氫氣壓力低，光伏電解水制取的氫氣可以直接存儲(chǔ)在固態(tài)儲(chǔ)氫裝置中。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置平時(shí)常溫常壓儲(chǔ)存，使用時(shí)跟燃料電池配套使用，燃料電池余熱可以放氫時(shí)使用，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置可以作為換熱系統(tǒng)的一部分。近年來(lái)更大規(guī)模的分布式儲(chǔ)能，廣州南沙和云南昆明的分布式供能，一方面可以直接跟燃料電池?zé)犭娐?lián)供結(jié)合使用，另一方面可以把氫氣增壓后給氫能汽車加氫，形成綜合能源站。

綠氫和化工相結(jié)合：化工需要持續(xù)的氫氣供給，單獨(dú)的光伏制氫因?yàn)榫哂虚g歇性，因此不合適獨(dú)立運(yùn)行。目前化工上使用的是高壓儲(chǔ)氣罐，安全性存在挑戰(zhàn)、復(fù)雜度很高。而固態(tài)儲(chǔ)氫可以作為長(zhǎng)期的儲(chǔ)存，減輕安全壓力。

電力調(diào)峰電站：固態(tài)儲(chǔ)氫和200MW以上的燃料電池配套，可用作調(diào)峰電站，能夠供電4、5個(gè)小時(shí)以上。這種電站儲(chǔ)氫量很大，例如我國(guó)張家口的新能源基地，設(shè)計(jì)單日放氫量可達(dá)到50噸以上，這種應(yīng)用非常適合固態(tài)儲(chǔ)氫。按照一周以上的儲(chǔ)存時(shí)間估算，固態(tài)儲(chǔ)氫單位造價(jià)可低至1.0元/wh，略低于當(dāng)前鋰電池的系統(tǒng)價(jià)格1.1-1.2元/wh的水平，但相對(duì)于鋰電池系統(tǒng)，固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在安全性方面的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。

應(yīng)急電源：應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、社區(qū)等工商業(yè)。

固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)品介紹

與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式相比，固態(tài)儲(chǔ)氫罐具有安全可靠的優(yōu)勢(shì)，對(duì)設(shè)備要求較低。目前主流的固態(tài)儲(chǔ)氫罐主要由固態(tài)儲(chǔ)氫材料、不銹鋼/鋁制殼體、氣管通道、過(guò)濾器、散熱鰭片、閥門和加熱/散熱管道組成。因固態(tài)儲(chǔ)氫罐壓力一般低于5MPa，故不需要成本較高的高壓閥門。

固態(tài)儲(chǔ)氫罐成本主要受規(guī)模、殼體材料、儲(chǔ)氫合金等因素影響，各家工藝有所不同，成本差異較大。根據(jù)有研工研院資料顯示，目前固態(tài)儲(chǔ)氫裝置成本約為8000元/kgH2，而轔蕭科技生產(chǎn)的金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫罐成本約為1200元/L。當(dāng)前固態(tài)儲(chǔ)氫裝置處于早期示范階段，未來(lái)隨著產(chǎn)線規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高，制造成本有望大幅降低。同時(shí)，失效儲(chǔ)氫罐中的儲(chǔ)氫材料可以實(shí)現(xiàn)回收，進(jìn)一步壓縮制造成本。

固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

有研工研院開發(fā)的一系列固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)品涵蓋便攜式、大容量、固定式等多種規(guī)格，容量覆蓋0.1-1000Nm3，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。浩運(yùn)金能固態(tài)儲(chǔ)氫罐產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)快速大容量吸放氫，且工作壓力低于3MPa，為多種應(yīng)用場(chǎng)景提供便利。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)固態(tài)儲(chǔ)氫罐的企業(yè)有浩運(yùn)金能、有研工研院、華碩能源、安泰創(chuàng)明、永安行、氫楓能源、轔蕭科技和華碩能源。

目前主流固態(tài)儲(chǔ)氫罐生產(chǎn)企業(yè)均有具備商業(yè)化潛能的產(chǎn)品面市。浩運(yùn)金能開發(fā)的儲(chǔ)氫罐容量最高可達(dá)800L，同時(shí)具備超過(guò)200L/min的快速大流量放氫性能。有研工研院開發(fā)的固態(tài)儲(chǔ)罐已應(yīng)用在與云浮飛馳、佳華利道等合作項(xiàng)目的冷鏈物流車、大巴車上。安泰創(chuàng)明開發(fā)的固態(tài)儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用于兩輪車上，續(xù)航可達(dá)80km；氫楓能源開發(fā)的鎂合金固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸車上搭載14個(gè)儲(chǔ)氫罐，可以實(shí)現(xiàn)1.2噸的氫氣運(yùn)載量。永安行固態(tài)低壓儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

政策：多部門支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展

繼2019年3月氫能被首次寫入政府工作報(bào)告后，國(guó)務(wù)院、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等多部門陸續(xù)印發(fā)了支持、規(guī)范氫能源行業(yè)的發(fā)展政策，主要包括氫能發(fā)展技術(shù)路線、氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、燃料電池汽車發(fā)展等內(nèi)容。

三大氫燃料電池“示范城市群”落地，推動(dòng)氫能跨區(qū)域發(fā)展

2021年8月，財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局《關(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》正式印發(fā)，宣告京津冀、上海、廣東成為國(guó)內(nèi)三大氫燃料電池汽車示范城市群，示范期為期四年。國(guó)家將采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式，按照示范城市群任務(wù)目標(biāo)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。“示范城市群”的落地，將加快燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)自主化與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，有助于探索氫能商業(yè)化模式和燃料電池產(chǎn)業(yè)政策的建立，推動(dòng)氫能跨省跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展。

多省市發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)建設(shè)目標(biāo)

全國(guó)已有20個(gè)省份公開發(fā)布到2025年的氫能規(guī)劃，從我國(guó)各省市出臺(tái)政策來(lái)看，二十省規(guī)劃2025年氫燃料電池汽車保有量合計(jì)將超過(guò)十萬(wàn)輛、加氫站保有量合計(jì)超過(guò)1300座，二十省至2025年氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模合計(jì)將突破萬(wàn)億大關(guān)。

氫燃料電池汽車市場(chǎng)展望

從全球氫燃料電池汽車保有量來(lái)看，近幾年實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，由2019年的2.4萬(wàn)輛增長(zhǎng)至2022年底6.75萬(wàn)輛，CAGR41%；從我國(guó)我國(guó)情況來(lái)看，至2022年底國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車保有量達(dá)到1.23萬(wàn)輛，數(shù)量占全球比例約18.2%。

從全球氫燃料電池汽車銷量來(lái)看，2022全年實(shí)現(xiàn)銷量17926輛，其中我國(guó)實(shí)現(xiàn)銷量3367輛，占比18.8%，隨著燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)?；c燃料電池電堆核心零部件國(guó)產(chǎn)化推動(dòng)成本下降，在2025年燃料電池汽車保有量達(dá)超10萬(wàn)輛政策指引下，我們預(yù)計(jì)未來(lái)幾年我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量迅速上升。

固態(tài)儲(chǔ)氫發(fā)展現(xiàn)狀

總結(jié)

固態(tài)儲(chǔ)氫為儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)新興技術(shù)，相較于高壓氣體儲(chǔ)能和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具備高安全性、高體積儲(chǔ)氫密度、快速充放氫、運(yùn)輸便捷等優(yōu)勢(shì)，并為業(yè)界所重視。目前主流固態(tài)儲(chǔ)氫路線為金屬氫化物，包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復(fù)合儲(chǔ)氫合金等。

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。1）車載儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，伴隨氫燃料電池汽車的推廣和車載固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本下降，固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)市場(chǎng)空間將會(huì)打開，我們預(yù)計(jì)車載固態(tài)儲(chǔ)氫瓶2030年市場(chǎng)規(guī)模突破百億元；2）加氫站環(huán)節(jié)，固態(tài)儲(chǔ)氫相較于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫不需要壓縮機(jī)或液化裝置即可完成充氫，在加氫站建設(shè)成本上較低，具備較好的經(jīng)濟(jì)性，我們估計(jì)當(dāng)前固態(tài)儲(chǔ)氫加氫站整體成本約為800萬(wàn)元，我們預(yù)計(jì)2022-2026年固態(tài)儲(chǔ)氫加氫站建設(shè)累計(jì)新增投資約將增加14.3億元，至2025/2026年新增投資額分別為4.5/5.3億元；3）其他領(lǐng)域：如分布式供能，通信基站的備用電源，電力調(diào)峰電站等，氫儲(chǔ)能的存儲(chǔ)規(guī)模更大，存儲(chǔ)時(shí)間更長(zhǎng)可以滿足長(zhǎng)周期、大容量?jī)?chǔ)能要求，同時(shí)固態(tài)儲(chǔ)氫安全性強(qiáng)，運(yùn)輸靈活性高，在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用空間。