固态儲氫專題研究報告：新興技術優勢凸顯，從零到一(yī)前景廣闊

固态儲氫技術基本介紹

我(wǒ)(wǒ)國氫能産業具備長期發展潛力

根據中(zhōng)國氫能聯盟的預測，在2030年碳達峰願景下(xià)，我(wǒ)(wǒ)國氫氣的年需求量預期達到3,715萬噸，在終端能源消費(fèi)中(zhōng)占比約爲5%；可再生(shēng)氫産量約爲500萬噸，部署電解槽裝機約80GW。在2060年碳中(zhōng)和願景下(xià)，我(wǒ)(wǒ)國氫氣的年需求量将增至1.3億噸左右，在終端能源消費(fèi)中(zhōng)占比約爲20%。其中(zhōng)，工(gōng)業領域用氫占比仍然最大(dà)，約7,794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4,051萬噸，建築領域用氫585萬噸，發電與電網平衡用氫600萬噸。

儲氫——氣、液、固三種方式

氣态儲氫技術通過高壓是将氫氣壓縮于高壓容器中(zhōng)，來實現氫氣的儲存，通常由鋼、鋁、碳/玻璃纖維、 高分(fēn)子材料等制成。

高壓氣态儲氫技術成熟，應用廣泛。目前高壓氣态儲氫技術主要應用在運輸領域，加氫站和燃料電池 車(chē)上均應用高壓儲氫瓶作爲儲氫裝置。 加氫站通常使用純鋼制造的I型瓶和II型瓶（鋼制内膽，纖維環向纏繞），工(gōng)作壓力在17.5-30MPa， 體(tǐ)積較大(dà)。加氫站配置250kg的儲氫裝置成本約爲170-200萬元以上，折合單位儲氫價格約爲6000- 8000元/公斤。 車(chē)載儲氫瓶主要分(fēn)III型瓶和IV型瓶兩種。III型瓶壓強爲35MPa，内膽采用鋁合金/鋼，包裹材料爲碳纖 維或者混合碳/玻璃纖維複合材料。IV型瓶壓強爲70MPa，内膽采用聚合物(wù)（一(yī)般包括尼龍，高密度 聚乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外(wài)部包裹材料主要是碳纖維或者混合碳/玻璃纖維複合材料。國内氫燃料電池汽車(chē)配備的儲氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶爲主，而70MPa的IV型高壓儲氫 罐，國外(wài)已經實應用，國内尚未批準。在燃料電池車(chē)上應用的高壓儲氫瓶按照儲氫質量折算，35MPa 的單價3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。

液态儲氫技術是采用低溫技術将氫氣冷卻到液化溫度（标準大(dà)氣壓下(xià)，-253℃）以下(xià)，以液體(tǐ)形式儲 存在高度真空的絕熱容器中(zhōng)。

低溫液态儲氫技術目前美國、日本等已經實現了大(dà)規模的商(shāng)業應用，國内應用最早起步于軍事、航天等 領域。随着近年來國内氫能産業興起，民用液氫領域現已彙聚中(zhōng)科富海、航天101所、國富氫能、鴻達 興業等一(yī)批科研機構和企業，在相關技術上屢獲重大(dà)突破；同時國家已發布液氫生(shēng)産、貯存和運輸的國 家标準，這使液氫民用有标可依，實現了我(wǒ)(wǒ)國液氫産業民用領域标準零突破，爲液氫進入市場化發展提 供重要支撐。 液氫槽罐車(chē)價格爲350萬/台，可儲存4300公斤液氫，液化過程耗電約爲15KWh/kg。 2021年月，清華聯手北(běi)汽福田的全球首輛35噸級、49噸級分(fēn)布式驅動液氫燃料電池重型商(shāng)用車(chē)成功問 世，順利通過綜合測試。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、國富氫能、泰極動力簽署協議在佛山合作 推進“液氫儲氫加氫站項目。

固态儲氫技術是通過物(wù)理或化學方式使氫氣與儲氫材料結合，來實現氫氣的儲存。從材料分(fēn)類上有金屬合金、 碳材料等。金屬氫化物(wù)合金又(yòu)可細分(fēn)爲稀土系、钛鐵/錳系、釩系和鎂系等。

固态儲氫從體(tǐ)積儲氫密度、安全性等因素考慮，是最具商(shāng)業化發展前景的儲存方式之一(yī)。 固态儲氫目前在交通領域起步相對較早，氫能自行車(chē)、兩輪車(chē)、燃料電池叉車(chē)、加氫站均有示範項目；國 内企業如厚普股份也在開(kāi)發車(chē)載固态儲氫瓶，目前钛系儲氫裝置售價在2萬元/kg，未來希望通過規模化生(shēng) 産，降至8000元/kg以内。 固态儲氫在電力調峰領域也有示範項目，包括華電集團、雲南(nán)電科院、有研科技集團等在四川泸定、昆明、 張家口建設了相關示範項目。 在備用電源領域，應用于數據中(zhōng)心、醫院、社區等工(gōng)商(shāng)業的示範項目。 在工(gōng)業領域：目前化工(gōng)上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰、複雜(zá)度很高。而固态儲氫可以作爲長期 的儲存，減輕安全壓力；還可以實現工(gōng)業副産氫淨化-儲運一(yī)體(tǐ)化。一(yī)輛儲運車(chē)可直接充裝和純化1.2噸氫 氣，得到99.999%的高純氫，有效降低儲運成本。

固态儲氫技術路線介紹

固态儲氫技術路線主要可分(fēn)爲金屬氫化物(wù)，配位氫化物(wù)，碳材料，金屬有機骨架材料（MOFs）和水合物(wù)儲氫等。 金屬氫化物(wù)爲固态儲氫主流技術路線，涉及材料包括鎂系、钛系、釩系、稀土系及複合儲氫合金等；其中(zhōng)鎂系合金儲氫容量大(dà)（最高可達7.6%），但放(fàng)氫溫度高，通常需要300℃；钛系、釩系、稀土系儲氫合金儲氫容量爲1.4%-2.4%不等，放(fàng)氫溫度明顯較鎂系合金低。配位氫化物(wù)路線需要堿金屬（锂、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(wù)吸放(fàng)氫基本原理

金屬儲氫材料通過金屬氫化物(wù)的形式來将氫氣儲存在合金中(zhōng)。吸氫過程中(zhōng)，合金儲氫材料在一(yī)定的溫度和氫氣壓力下(xià), 發生(shēng)放(fàng)熱反應吸收氫氣生(shēng)成金屬氫化物(wù)；放(fàng)氫過程中(zhōng)，金屬氫化物(wù)在加熱的情況下(xià)發生(shēng)吸熱反應釋放(fàng)所吸收的氫氣,。 微觀機理：氫分(fēn)子首先吸附在金屬表面, 随着氫鍵斷裂而解離(lí)成氫原子, 氫原子通過内部擴散進入金屬原子的間隙形成金屬固溶體(tǐ)，之後固溶體(tǐ)中(zhōng)的氫原子進一(yī)步向金屬内部擴散, 達到固溶轉化爲化學吸附的活化能後從而形成氫化物(wù)。

儲氫運氫——三種形式的結合應用前景

對于高壓氣态儲運，當運輸距離(lí)爲50km時，運輸成本爲3.6元/kg，随着距離(lí)的增加長管拖車(chē)運輸成本大(dà)幅上升，當運輸距離(lí)爲500km時，氫氣的運輸成本達到29.4元/kg。因此，長管拖車(chē)隻适合短距離(lí)運輸（小(xiǎo)于200km）。固态儲氫車(chē)與液氫槽罐車(chē)運氫成本對距離(lí)不敏感，當加氫站距離(lí)氫源點50-600km時，運輸價格約在10-13元/kg範圍内，成本變動與儲運氫過程中(zhōng)耗電費(fèi)用，載氫量有關，在長距離(lí)運輸下(xià)，固态儲氫車(chē)與液氫罐車(chē)都具備成本優勢。 管道運氫成本主要來源于與輸送距離(lí)正相關的管材折舊(jiù)及維護費(fèi)用，當輸送距離(lí)爲100km時，運氫成本僅爲0.5元/kg。但管道運氫成本很大(dà)程度上受到需求端的影響，在當前加氫站尚未普及、站點較爲分(fēn)散的情況下(xià)，管道運氫的成本優勢并不明顯。

固态儲氫市場分(fēn)析

固态儲氫技術擁有廣闊的應用前景

對于不同的儲氫方式，都有不同的适合場景。固态儲氫适用的場景有：

工(gōng)程車(chē)載應用：1）叉車(chē)對重量不敏感，固态儲氫較爲合适。相比高壓儲氣罐，固态儲氫能夠儲存兩倍以上的氫氣，續航時間翻倍，叉車(chē)加氫一(yī)次工(gōng)作可以連續工(gōng)作一(yī)整天。2）固态儲氫可以用于港區、煤礦井下(xià)進行短途輸運的物(wù)流車(chē)，這種場景下(xià)用高壓氣罐有安全風險，用固态儲氫更合适。3）地鐵施工(gōng)中(zhōng)的機械施工(gōng)車(chē)輛也适合使用固态儲氫裝置，這些列車(chē)建站很小(xiǎo)很少，但對體(tǐ)積和重量的承受力強一(yī)些。4）固定路線的重卡、環衛車(chē)等等也非常适合。

乘用車(chē)載應用：目前燃料電池乘用車(chē)主要是高壓儲氫，主流車(chē)型采用三個罐，一(yī)橫兩豎的擺放(fàng)方式，比較占用空間，如果使用固态儲氫裝置，可以與底盤進行一(yī)體(tǐ)式設計，類似電動車(chē)，空間利用率會大(dà)大(dà)提高，同時汽車(chē)的重心會降低，汽車(chē)的阻力降低，能效提高；同時固态儲氫安全性更好，車(chē)輛可以放(fàng)心進入地下(xià)車(chē)庫停放(fàng)。目前存在的問題是需要在乘用車(chē)使用還需要提高質量儲氫密度到2%以上，并且降低制造成本。

通信基站的備用電源：例如我(wǒ)(wǒ)國2008年汶川地震後，一(yī)些單位開(kāi)發了燃料電池和固态儲氫裝置組成的備用電源，一(yī)次能夠供給通信基站運行17個小(xiǎo)時左右。

分(fēn)布式供能：固态儲氫裝置可以和光伏或風電配套使用。因爲固态儲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在固态儲氫裝置中(zhōng)。固态儲氫裝置平時常溫常壓儲存，使用時跟燃料電池配套使用，燃料電池餘熱可以放(fàng)氫時使用，固态儲氫裝置可以作爲換熱系統的一(yī)部分(fēn)。近年來更大(dà)規模的分(fēn)布式儲能，廣州南(nán)沙和雲南(nán)昆明的分(fēn)布式供能，一(yī)方面可以直接跟燃料電池熱電聯供結合使用，另一(yī)方面可以把氫氣增壓後給氫能汽車(chē)加氫，形成綜合能源站。

綠氫和化工(gōng)相結合：化工(gōng)需要持續的氫氣供給，單獨的光伏制氫因爲具有間歇性，因此不合适獨立運行。目前化工(gōng)上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰、複雜(zá)度很高。而固态儲氫可以作爲長期的儲存，減輕安全壓力。

電力調峰電站：固态儲氫和200MW以上的燃料電池配套，可用作調峰電站，能夠供電4、5個小(xiǎo)時以上。這種電站儲氫量很大(dà)，例如我(wǒ)(wǒ)國張家口的新能源基地，設計單日放(fàng)氫量可達到50噸以上，這種應用非常适合固态儲氫。按照一(yī)周以上的儲存時間估算，固态儲氫單位造價可低至1.0元/wh，略低于當前锂電池的系統價格1.1-1.2元/wh的水平，但相對于锂電池系統，固态儲氫系統的長時儲能在安全性方面的優點更爲明顯。

應急電源：應用于數據中(zhōng)心、醫院、社區等工(gōng)商(shāng)業。

固态儲氫罐産品介紹

與高壓氣态儲氫方式相比，固态儲氫罐具有安全可靠的優勢，對設備要求較低。目前主流的固态儲氫罐主要由固态儲氫材料、不鏽鋼/鋁制殼體(tǐ)、氣管通道、過濾器、散熱鳍片、閥門和加熱/散熱管道組成。因固态儲氫罐壓力一(yī)般低于5MPa，故不需要成本較高的高壓閥門。

固态儲氫罐成本主要受規模、殼體(tǐ)材料、儲氫合金等因素影響，各家工(gōng)藝有所不同，成本差異較大(dà)。根據有研工(gōng)研院資(zī)料顯示，目前固态儲氫裝置成本約爲8000元/kgH2，而辚蕭科技生(shēng)産的金屬氫化物(wù)固态儲氫罐成本約爲1200元/L。當前固态儲氫裝置處于早期示範階段，未來随着産線規模的擴大(dà)和自動化程度的提高，制造成本有望大(dà)幅降低。同時，失效儲氫罐中(zhōng)的儲氫材料可以實現回收，進一(yī)步壓縮制造成本。

固态儲氫罐産業化進程

有研工(gōng)研院開(kāi)發的一(yī)系列固态儲氫罐産品涵蓋便攜式、大(dà)容量、固定式等多種規格，容量覆蓋0.1-1000Nm3，處于行業領先地位。浩運金能固态儲氫罐産品可實現快速大(dà)容量吸放(fàng)氫，且工(gōng)作壓力低于3MPa，爲多種應用場景提供便利。目前國内生(shēng)産固态儲氫罐的企業有浩運金能、有研工(gōng)研院、華碩能源、安泰創明、永安行、氫楓能源、辚蕭科技和華碩能源。

目前主流固态儲氫罐生(shēng)産企業均有具備商(shāng)業化潛能的産品面市。浩運金能開(kāi)發的儲氫罐容量最高可達800L，同時具備超過200L/min的快速大(dà)流量放(fàng)氫性能。有研工(gōng)研院開(kāi)發的固态儲罐已應用在與雲浮飛馳、佳華利道等合作項目的冷鏈物(wù)流車(chē)、大(dà)巴車(chē)上。安泰創明開(kāi)發的固态儲氫瓶應用于兩輪車(chē)上，續航可達80km；氫楓能源開(kāi)發的鎂合金固态儲氫運輸車(chē)上搭載14個儲氫罐，可以實現1.2噸的氫氣運載量。永安行固态低壓儲氫瓶生(shēng)産線已實現規模化生(shēng)産。

政策：多部門支持氫能産業發展

繼2019年3月氫能被首次寫入政府工(gōng)作報告後，國務院、國家發改委、國家能源局等多部門陸續印發了支持、規範氫能源行業的發展政策，主要包括氫能發展技術路線、氫能基礎設施建設、燃料電池汽車(chē)發展等内容。

三大(dà)氫燃料電池“示範城市群”落地，推動氫能跨區域發展

2021年8月，财政部、工(gōng)業和信息化部、科技部、國家發展改革委和國家能源局《關于啓動燃料電池汽車(chē)示範應用工(gōng)作的通知(zhī)》正式印發，宣告京津冀、上海、廣東成爲國内三大(dà)氫燃料電池汽車(chē)示範城市群，示範期爲期四年。國家将采取“以獎代補”的方式，按照示範城市群任務目标完成情況給予獎勵。“示範城市群”的落地，将加快燃料電池關鍵核心技術自主化與産業化進程，有助于探索氫能商(shāng)業化模式和燃料電池産業政策的建立，推動氫能跨省跨區域協同發展。

多省市發布氫能産業建設目标

全國已有20個省份公開(kāi)發布到2025年的氫能規劃，從我(wǒ)(wǒ)國各省市出台政策來看，二十省規劃2025年氫燃料電池汽車(chē)保有量合計将超過十萬輛、加氫站保有量合計超過1300座，二十省至2025年氫能産業規模合計将突破萬億大(dà)關。

氫燃料電池汽車(chē)市場展望

從全球氫燃料電池汽車(chē)保有量來看，近幾年實現快速增長，由2019年的2.4萬輛增長至2022年底6.75萬輛，CAGR41%；從我(wǒ)(wǒ)國我(wǒ)(wǒ)國情況來看，至2022年底國内氫燃料電池汽車(chē)保有量達到1.23萬輛，數量占全球比例約18.2%。

從全球氫燃料電池汽車(chē)銷量來看，2022全年實現銷量17926輛，其中(zhōng)我(wǒ)(wǒ)國實現銷量3367輛，占比18.8%，随着燃料電池系統生(shēng)産規模化與燃料電池電堆核心零部件國産化推動成本下(xià)降，在2025年燃料電池汽車(chē)保有量達超10萬輛政策指引下(xià)，我(wǒ)(wǒ)們預計未來幾年我(wǒ)(wǒ)國氫燃料電池汽車(chē)産銷量迅速上升。

固态儲氫發展現狀

總結

固态儲氫爲儲氫環節新興技術，相較于高壓氣體(tǐ)儲能和低溫液态儲氫具備高安全性、高體(tǐ)積儲氫密度、快速充放(fàng)氫、運輸便捷等優勢，并爲業界所重視。目前主流固态儲氫路線爲金屬氫化物(wù)，包括鎂系、钛系、釩系、稀土系及複合儲氫合金等。

固态儲氫技術應用前景廣闊。1）車(chē)載儲氫環節，伴随氫燃料電池汽車(chē)的推廣和車(chē)載固态儲氫系統成本下(xià)降，固态儲氫系統市場空間将會打開(kāi)，我(wǒ)(wǒ)們預計車(chē)載固态儲氫瓶2030年市場規模突破百億元；2）加氫站環節，固态儲氫相較于高壓氣态和液态儲氫不需要壓縮機或液化裝置即可完成充氫，在加氫站建設成本上較低，具備較好的經濟性，我(wǒ)(wǒ)們估計當前固态儲氫加氫站整體(tǐ)成本約爲800萬元，我(wǒ)(wǒ)們預計2022-2026年固态儲氫加氫站建設累計新增投資(zī)約将增加14.3億元，至2025/2026年新增投資(zī)額分(fēn)别爲4.5/5.3億元；3）其他領域：如分(fēn)布式供能，通信基站的備用電源，電力調峰電站等，氫儲能的存儲規模更大(dà)，存儲時間更長可以滿足長周期、大(dà)容量儲能要求，同時固态儲氫安全性強，運輸靈活性高，在長時儲能領域有廣泛應用空間。