固態儲氫專題研究報告：新興技術優勢凸顯，從零到一前景廣闊

固態儲氫技術基本介紹

我國氫能產業具備長期發展潛力

根據中國氫能聯盟的預測，在2030年碳達峰愿景下，我國氫氣的年需求量預期達到3,715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%；可再生氫產量約為500萬噸，部署電解槽裝機約80GW。在2060年碳中和愿景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約為20%。其中，工業領域用氫占比仍然最大，約7,794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4,051萬噸，建筑領域用氫585萬噸，發電與電網平衡用氫600萬噸。

儲氫——氣、液、固三種方式

氣態儲氫技術通過高壓是將氫氣壓縮于高壓容器中，來實現氫氣的儲存，通常由鋼、鋁、碳/玻璃纖維、 高分子材料等制成。

高壓氣態儲氫技術成熟，應用廣泛。目前高壓氣態儲氫技術主要應用在運輸領域，加氫站和燃料電池 車上均應用高壓儲氫瓶作為儲氫裝置。 加氫站通常使用純鋼制造的I型瓶和II型瓶（鋼制內膽，纖維環向纏繞），工作壓力在17.5-30MPa， 體積較大。加氫站配置250kg的儲氫裝置成本約為170-200萬元以上，折合單位儲氫價格約為6000- 8000元/公斤。 車載儲氫瓶主要分III型瓶和IV型瓶兩種。III型瓶壓強為35MPa，內膽采用鋁合金/鋼，包裹材料為碳纖 維或者混合碳/玻璃纖維復合材料。IV型瓶壓強為70MPa，內膽采用聚合物（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/玻璃纖維復合材料。國內氫燃料電池汽車配備的儲氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，而70MPa的IV型高壓儲氫 罐，國外已經實應用，國內尚未批準。在燃料電池車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。

液態儲氫技術是采用低溫技術將氫氣冷卻到液化溫度（標準大氣壓下，-253℃）以下，以液體形式儲 存在高度真空的絕熱容器中。

低溫液態儲氫技術目前美國、日本等已經實現了大規模的商業應用，國內應用最早起步于軍事、航天等 領域。隨著近年來國內氫能產業興起，民用液氫領域現已匯聚中科富海、航天101所、國富氫能、鴻達 興業等一批科研機構和企業，在相關技術上屢獲重大突破；同時國家已發布液氫生產、貯存和運輸的國 家標準，這使液氫民用有標可依，實現了我國液氫產業民用領域標準零突破，為液氫進入市場化發展提 供重要支撐。 液氫槽罐車價格為350萬/臺，可儲存4300公斤液氫，液化過程耗電約為15KWh/kg。 2021年月，清華聯手北汽福田的全球首輛35噸級、49噸級分布式驅動液氫燃料電池重型商用車成功問 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。

固態儲氫技術是通過物理或化學方式使氫氣與儲氫材料結合，來實現氫氣的儲存。從材料分類上有金屬合金、 碳材料等。金屬氫化物合金又可細分為稀土系、鈦鐵/錳系、釩系和鎂系等。

固態儲氫從體積儲氫密度、安全性等因素考慮，是最具商業化發展前景的儲存方式之一。 固態儲氫目前在交通領域起步相對較早，氫能自行車、兩輪車、燃料電池叉車、加氫站均有示范項目；國 內企業如厚普股份也在開發車載固態儲氫瓶，目前鈦系儲氫裝置售價在2萬元/kg，未來希望通過規?；?/span> 產，降至8000元/kg以內。 固態儲氫在電力調峰領域也有示范項目，包括華電集團、云南電科院、有研科技集團等在四川瀘定、昆明、 張家口建設了相關示范項目。 在備用電源領域，應用于數據中心、醫院、社區等工商業的示范項目。 在工業領域：目前化工上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰、復雜度很高。而固態儲氫可以作為長期 的儲存，減輕安全壓力；還可以實現工業副產氫凈化-儲運一體化。一輛儲運車可直接充裝和純化1.2噸氫 氣，得到99.999%的高純氫，有效降低儲運成本。

固態儲氫技術路線介紹

固態儲氫技術路線主要可分為金屬氫化物，配位氫化物，碳材料，金屬有機骨架材料（MOFs）和水合物儲氫等。 金屬氫化物為固態儲氫主流技術路線，涉及材料包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復合儲氫合金等；其中鎂系合金儲氫容量大（最高可達7.6%），但放氫溫度高，通常需要300℃；鈦系、釩系、稀土系儲氫合金儲氫容量為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

金屬儲氫材料通過金屬氫化物的形式來將氫氣儲存在合金中。吸氫過程中，合金儲氫材料在一定的溫度和氫氣壓力下, 發生放熱反應吸收氫氣生成金屬氫化物；放氫過程中，金屬氫化物在加熱的情況下發生吸熱反應釋放所吸收的氫氣,。 微觀機理：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, 氫原子通過內部擴散進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一步向金屬內部擴散, 達到固溶轉化為化學吸附的活化能后從而形成氫化物。

儲氫運氫——三種形式的結合應用前景

對于高壓氣態儲運，當運輸距離為50km時，運輸成本為3.6元/kg，隨著距離的增加長管拖車運輸成本大幅上升，當運輸距離為500km時，氫氣的運輸成本達到29.4元/kg。因此，長管拖車只適合短距離運輸（小于200km）。固態儲氫車與液氫槽罐車運氫成本對距離不敏感，當加氫站距離氫源點50-600km時，運輸價格約在10-13元/kg范圍內，成本變動與儲運氫過程中耗電費用，載氫量有關，在長距離運輸下，固態儲氫車與液氫罐車都具備成本優勢。 管道運氫成本主要來源于與輸送距離正相關的管材折舊及維護費用，當輸送距離為100km時，運氫成本僅為0.5元/kg。但管道運氫成本很大程度上受到需求端的影響，在當前加氫站尚未普及、站點較為分散的情況下，管道運氫的成本優勢并不明顯。

固態儲氫市場分析

固態儲氫技術擁有廣闊的應用前景

對于不同的儲氫方式，都有不同的適合場景。固態儲氫適用的場景有：

工程車載應用：1）叉車對重量不敏感，固態儲氫較為合適。相比高壓儲氣罐，固態儲氫能夠儲存兩倍以上的氫氣，續航時間翻倍，叉車加氫一次工作可以連續工作一整天。2）固態儲氫可以用于港區、煤礦井下進行短途輸運的物流車，這種場景下用高壓氣罐有安全風險，用固態儲氫更合適。3）地鐵施工中的機械施工車輛也適合使用固態儲氫裝置，這些列車建站很小很少，但對體積和重量的承受力強一些。4）固定路線的重卡、環衛車等等也非常適合。

乘用車載應用：目前燃料電池乘用車主要是高壓儲氫，主流車型采用三個罐，一橫兩豎的擺放方式，比較占用空間，如果使用固態儲氫裝置，可以與底盤進行一體式設計，類似電動車，空間利用率會大大提高，同時汽車的重心會降低，汽車的阻力降低，能效提高；同時固態儲氫安全性更好，車輛可以放心進入地下車庫停放。目前存在的問題是需要在乘用車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：例如我國2008年汶川地震后，一些單位開發了燃料電池和固態儲氫裝置組成的備用電源，一次能夠供給通信基站運行17個小時左右。

分布式供能：固態儲氫裝置可以和光伏或風電配套使用。因為固態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態儲氫裝置中。固態儲氫裝置平時常溫常壓儲存，使用時跟燃料電池配套使用，燃料電池余熱可以放氫時使用，固態儲氫裝置可以作為換熱系統的一部分。近年來更大規模的分布式儲能，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熱電聯供結合使用，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。

綠氫和化工相結合：化工需要持續的氫氣供給，單獨的光伏制氫因為具有間歇性，因此不合適獨立運行。目前化工上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰、復雜度很高。而固態儲氫可以作為長期的儲存，減輕安全壓力。

電力調峰電站：固態儲氫和200MW以上的燃料電池配套，可用作調峰電站，能夠供電4、5個小時以上。這種電站儲氫量很大，例如我國張家口的新能源基地，設計單日放氫量可達到50噸以上，這種應用非常適合固態儲氫。按照一周以上的儲存時間估算，固態儲氫單位造價可低至1.0元/wh，略低于當前鋰電池的系統價格1.1-1.2元/wh的水平，但相對于鋰電池系統，固態儲氫系統的長時儲能在安全性方面的優點更為明顯。

應急電源：應用于數據中心、醫院、社區等工商業。

固態儲氫罐產品介紹

與高壓氣態儲氫方式相比，固態儲氫罐具有安全可靠的優勢，對設備要求較低。目前主流的固態儲氫罐主要由固態儲氫材料、不銹鋼/鋁制殼體、氣管通道、過濾器、散熱鰭片、閥門和加熱/散熱管道組成。因固態儲氫罐壓力一般低于5MPa，故不需要成本較高的高壓閥門。

固態儲氫罐成本主要受規模、殼體材料、儲氫合金等因素影響，各家工藝有所不同，成本差異較大。根據有研工研院資料顯示，目前固態儲氫裝置成本約為8000元/kgH2，而轔蕭科技生產的金屬氫化物固態儲氫罐成本約為1200元/L。當前固態儲氫裝置處于早期示范階段，未來隨著產線規模的擴大和自動化程度的提高，制造成本有望大幅降低。同時，失效儲氫罐中的儲氫材料可以實現回收，進一步壓縮制造成本。

固態儲氫罐產業化進程

有研工研院開發的一系列固態儲氫罐產品涵蓋便攜式、大容量、固定式等多種規格，容量覆蓋0.1-1000Nm3，處于行業領先地位。浩運金能固態儲氫罐產品可實現快速大容量吸放氫，且工作壓力低于3MPa，為多種應用場景提供便利。目前國內生產固態儲氫罐的企業有浩運金能、有研工研院、華碩能源、安泰創明、永安行、氫楓能源、轔蕭科技和華碩能源。

目前主流固態儲氫罐生產企業均有具備商業化潛能的產品面市。浩運金能開發的儲氫罐容量最高可達800L，同時具備超過200L/min的快速大流量放氫性能。有研工研院開發的固態儲罐已應用在與云浮飛馳、佳華利道等合作項目的冷鏈物流車、大巴車上。安泰創明開發的固態儲氫瓶應用于兩輪車上，續航可達80km；氫楓能源開發的鎂合金固態儲氫運輸車上搭載14個儲氫罐，可以實現1.2噸的氫氣運載量。永安行固態低壓儲氫瓶生產線已實現規?；a。

政策：多部門支持氫能產業發展

繼2019年3月氫能被首次寫入政府工作報告后，國務院、國家發改委、國家能源局等多部門陸續印發了支持、規范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、燃料電池汽車發展等內容。

三大氫燃料電池“示范城市群”落地，推動氫能跨區域發展

2021年8月，財政部、工業和信息化部、科技部、國家發展改革委和國家能源局《關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》正式印發，宣告京津冀、上海、廣東成為國內三大氫燃料電池汽車示范城市群，示范期為期四年。國家將采取“以獎代補”的方式，按照示范城市群任務目標完成情況給予獎勵。“示范城市群”的落地，將加快燃料電池關鍵核心技術自主化與產業化進程，有助于探索氫能商業化模式和燃料電池產業政策的建立，推動氫能跨省跨區域協同發展。

多省市發布氫能產業建設目標

全國已有20個省份公開發布到2025年的氫能規劃，從我國各省市出臺政策來看，二十省規劃2025年氫燃料電池汽車保有量合計將超過十萬輛、加氫站保有量合計超過1300座，二十省至2025年氫能產業規模合計將突破萬億大關。

氫燃料電池汽車市場展望

從全球氫燃料電池汽車保有量來看，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%；從我國我國情況來看，至2022年底國內氫燃料電池汽車保有量達到1.23萬輛，數量占全球比例約18.2%。

從全球氫燃料電池汽車銷量來看，2022全年實現銷量17926輛，其中我國實現銷量3367輛，占比18.8%，隨著燃料電池系統生產規?；c燃料電池電堆核心零部件國產化推動成本下降，在2025年燃料電池汽車保有量達超10萬輛政策指引下，我們預計未來幾年我國氫燃料電池汽車產銷量迅速上升。

固態儲氫發展現狀

總結

固態儲氫為儲氫環節新興技術，相較于高壓氣體儲能和低溫液態儲氫具備高安全性、高體積儲氫密度、快速充放氫、運輸便捷等優勢，并為業界所重視。目前主流固態儲氫路線為金屬氫化物，包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及復合儲氫合金等。

固態儲氫技術應用前景廣闊。1）車載儲氫環節，伴隨氫燃料電池汽車的推廣和車載固態儲氫系統成本下降，固態儲氫系統市場空間將會打開，我們預計車載固態儲氫瓶2030年市場規模突破百億元；2）加氫站環節，固態儲氫相較于高壓氣態和液態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，我們估計當前固態儲氫加氫站整體成本約為800萬元，我們預計2022-2026年固態儲氫加氫站建設累計新增投資約將增加14.3億元，至2025/2026年新增投資額分別為4.5/5.3億元；3）其他領域：如分布式供能，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，存儲時間更長可以滿足長周期、大容量儲能要求，同時固態儲氫安全性強，運輸靈活性高，在長時儲能領域有廣泛應用空間。