一文读懂“固态储氢”

随着氢能多元化储运体系的建设推进，固态储氢成为氢能企业研发布局的一大热点。

近日，氢储能源在河南新乡高新区镁合金高密度储氢技术产业化项目的全球首条生产线建成投产测试；有研工研院先后与鸿达兴业、圣元环保达成合作协议，针对固态储氢的研究与应用展开示范运行及平台建设等工作；科新机电、安泰创明将共建“以固态储氢材料为储氢媒介的低压/高压储氢装置及氢储（放）运系统相关产品”联合实验室；新氢动力、九号公司、永安行等也已推出应用固态储氢技术的氢能叉车、两轮车。

企业入局固态储氢领域的意愿强烈，引发行业关注。当前固态储氢发展进程如何？未来市场前景怎样？

固态储氢“升温”

在氢能制取、氢能储运、氢能应用三大环节中，储运环节是高效利用氢能的关键，也是影响氢能向大规模方向发展的重要环节。目前主要的氢储运方式分为高压气态储氢、低温液态储氢、固体材料储氢及有机液体储氢四种。

固态储氢既可以大幅提高体积储氢密度，又可以提高储运氢的安全性，可解决人们最关心的氢能高密度储存和安全应用这两个问题，在国内快速推进氢能产业发展的当下，吸引多家企业入局：

备注：根据公开信息整理，存在遗漏可能

从实现方式来看，固态储氢主要分为物理吸附和化学氢化物储氢。前者通过活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维碳基材料进行物理性质的吸附氢气，以及金属有机框架物（MOFs）、共价有机骨架（COFs）这种具有微孔网格的材料捕捉储存氢气。

而化学氢化物储氢利用金属氢化物储氢。氢气先在其表面催化分解为氢原子，氢原子再扩散进入到材料晶格内部空隙中，以原子状态储存于金属结晶点内，形成金属氢化物，该反应过程可逆，从而实现了氢气的吸、放。

当前主要有镁系储氢合金、铁系储氢合金、镧镍稀土系储氢合金、钛系储氢合金、锆系储氢合金等。单位体积的金属可以储存常温常压下近千体积的氢气，体积密度甚至优于液氢，因此金属储氢成为热门发展趋势，上述入局企业也多数因此入局。

以分子量较轻的金属镁作为基础的镁系合金储氢为例，我国在镁资源方面非常有优势，全球大概90%的镁都是生产于中国，不存在材料被“卡脖子”的问题。其体积储氢密度可达106 kg /m3，为标准状态下氢气密度的1191倍，70MPa高压储氢的2.7倍，液氢的1.5倍，并且对环境非常友好。

从推进主体来看，由于固态储氢的技术门槛较高，资金需求巨大，决定了固态储氢领域的布局推进多以企业与专注有色金属研究的前沿院校、优势企业合作的形式展开，通过形式成立技术攻关平台、示范发展项目等形式抢占发展先机。

其中由原北京有色金属研究总院改制而来的有研科技集团旗下的有研工研院成为固态储氢产业发展的有力推进企业，已先后与圣元环保、氢枫能源、佳华利道、鸿达兴业等氢能企业达成合作，加速固态储氢关键技术突破和成果孵化转化。

从政策环境来看，固态储氢技术路线的发展引导已引发重视。今年3月出台的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出了关于氢能基础设施建设和安全管理的具体要求，致力于加快构建安全、稳定、高效的氢能供应网络。

对此，国家发展改革委高技术司副司长王翔解读：稳步构建储运体系，支持开展多种储运方式的探索和实践，逐步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。除推进高压气态储运、低温液氢储运商业化、产业化外，还要推进探索固态、深冷高压、有机液体等储运方式应用。

今年4月，国家稀土功能材料创新中心在包头市组织召开了“稀土储氢材料及应用技术创新平台-固态储氢系统开发及中试生产线建设”项目实施方案专家论证会；同在4月，科技部发布国家重点研发计划“氢能技术”等重点专项2022年度项目申报指南，其中包括基于固态新材料的可逆储放氢技术、中低压氢气管道固态储氢系统及其应用技术等固态储氢相关项目。

产业链进展及市场前景

发展升温背后，固态储氢材料、储氢系统等环节的商机显现，当前国内的固体储氢材料及储氢系统发展处于怎样的水平？未来的发展方向怎样？

完整的储氢系统单体，包括储氢合金、外壳、阀门、配管管路、内部结构和其它附属装置。由一系列固态储氢模块按照一定设计固态储氢系统，包括固态储氢模块、箱体、监测单元和其它附属装置。

材料及关键部件方面，固态储氢的工作压力低，安全性能好，所以氢化物储罐、阀门、配管管路等附属装置的研发生产难度较低，企业可以采用自行研发生产或采购的形式实现配套；目前储氢合金材料的研发和固态储氢系统控制集成仍是主要掣肘，且金属氢化物储氢存在多种技术路线，根据金属的化学特性和应用场景特点，发展出了低成本、易推广的钛铁材料固态储氢，以及储氢性能、充放性能优越的镁基材料固态储氢等主要路线。

“我们经过多方面考量选取了AB?钛基材料固态储氢，在车用领域的成本上、系统集成上具备优势。”佳华利道技术总监刘洋成表示，目前该公司自主知识产权的4.5T固态储氢燃料电池冷藏车已经交付。

技术发展方面，一方面是金属氢化物储氢材料的技术有待成熟，如重量储氢率、可逆性等；另一方面，尽管储氢合金本身的体积储氢密度很高，但组成储氢系统后的加热和冷却都是通过在储氢罐内部设置换热管道实现，换热管道中的介质流经不同位置的热交换将影响储氢合金的反应速率，因此储氢系统的对吸放氢温度、吸放氢速度、吸放氢循环等的控制提出了较高的要求。如何优化储氢材料性能及储氢系统的控制管理是入局企业的研发重点。

应用领域，固态储氢整体处于研发示范的早期阶段，近年国内陆续有以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等问世。国内以氢储能源、镁源动力、安泰创明为代表的企业已建立起材料及产业化项目产线，这三家的固态储氢产业均采取镁基材料固态储氢路线。

另值得一提的是，由于固态储氢多采用金属氢化物以及铝合金氢罐，使得现有固态储氢罐重量较大，当前的终端应用多集中在固定式储氢应用市场，以及对重量不敏感的小型移动式应用。

“未来固态储氢可能是将来非常大规模的储能的方式，不仅可以作为建筑热电联供电源、微网的可靠电源与移动基站的备用电源，可以安全地进行长期存储，也可以快速进行调峰。移动应用领域，固态储氢罐可以做为一种产品，供给售卖和补能替换。”业内人士推断。

整体看来，固态储氢高密度高安全的优势明显，随着氢能行业及企业对该领域的关注度加大，固态储氢有望在实际应用中不断完善技术，助推氢能行业多元化储运体系实现。

关键词： 储氢装置