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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有所不同，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（2021—2035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、日本及欧盟得到广泛研究。2005—2010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1常见储氢方式

kg/车

储氢方式

运输工具

装载量

优点

缺点

高压储氢

（20MPa）

长管拖车

300

充/放氢速率快，应用广泛

储氢密度低，单车载量小

液氢

液氢槽罐车

4000

运载量大，氢纯度高

能耗高，设备要求高

有机液体储氢

槽罐车

2000

安全，无需高压、低温，储氢密度高

脱氢能耗高，催化剂失活等

镁基固态储氢

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，可重复存储。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%~10%，甚至更高。MOFs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%。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，主要通过内部结构调制和表面改性等手段实现温和条件下高储氢容量。

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，主要包括金属氢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氢化物，借助金属氢化物吸附氢，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、锆系等（表2）。其中镁系合金（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.%（106kg/m3），为标准状态下氢气密度的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是化学储氢材料的研究重点。

表2主要金属氢化物

储氢性能对比

储氢材料

储氢密度/wt