氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，被認為是推動全球能源可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)“碳中和”目標的終極能源。在氫能產業(yè)發(fā)展過程中，氫氣的儲存與運輸是連接上游制氫和下游用氫的關鍵環(huán)節(jié)。目前，氫氣的儲運有高壓氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種方式。其中，固態(tài)儲氫具有體積儲氫密度高、安全性好、儲存時間長等優(yōu)勢，被認為是最有發(fā)展前景的儲氫技術。

固態(tài)儲氫

固態(tài)儲氫是指利用材料對氫氣的物理吸附和化學吸附作用將氫氣存儲在固體材料中。物理吸附機制是指通過范德華力將氫分子可逆地吸附在比表面積高的多孔材料?；瘜W吸附機制中，氫一般是以離子鍵或共價鍵與其他元素結合，生成金屬氫化物等材料，在一定條件下可逆地吸收和釋放氫氣。

1964年，美國Reilly在實驗室合成了MgNi合金，這是歷史上最早的儲氫合金材料。隨后，科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)各種金屬或金屬合金具有優(yōu)良的吸附氫氣性能，包括ZrCr、SmCo5、LaNi5、金屬釩（V）、鈦鐵合金（TiFe）、鎂基合金（Mg）、鋁氫化物（NaAIH4）、金屬氨基物（Li-N-H）等。經(jīng)過50余年的研究和發(fā)展，儲氫性能逐步提升，儲氫材料也在不斷豐富，已經(jīng)形成了合金儲氫、配位氫化物、多孔材料等多個分支領域。

固態(tài)儲氫與其他儲氫方式相比，最顯著的兩個優(yōu)勢，就是體積儲氫密度高與安全性能好。固態(tài)儲氫具有非常高的體積儲氫密度，以MgH2儲氫為例，其體積儲氫密度可達106kg·m3，為標準狀態(tài)下氫氣密度的119倍，70MPa高壓儲氫的2.7倍，液氫的1.5倍。此外，固態(tài)儲氫可在常溫常壓下進行，儲罐易密封，在突發(fā)事件下即使發(fā)生氫氣泄漏，儲罐也可自控式地降低氫氣泄漏速度和泄漏量，為采取安全措施贏得寶貴時間。

儲氫材料

根據(jù)吸附原理的不同，一般將固態(tài)儲氫材料分為物理吸附儲氫材料和化學吸附儲氫材料。

物理吸附儲氫材料包括碳基材料（如石墨、活性炭、碳納米管）、無機多孔材料（如沸石）和金屬有機骨架化合物（MOFs）等。由于大多數(shù)物理吸附類材料在較低的溫度下才能達到一定的儲氫密度，常溫常壓下吸氫量很低，因此限制了其應用。

化學吸附儲氫材料主要包括金屬氫化物（如LaNiH、MgH）、配位氫化物（如NaAIH）、化學氫化物（如NHBH）等；目前以金屬氫化物最為成熟。

同時，金屬氫化物儲氫材料極為豐富，包括鎂系、鈦系、釩系、稀土系及鋯系等。其中，鎂系合金憑借儲氫量高 、原料豐富、價格低廉以及釋放產生氫氣純度高的特點，是當下研究最多的儲氫材料，被認為是最有產業(yè)化發(fā)展前景的固態(tài)儲氫材料之一。

應用前景

當前，固態(tài)儲氫的應用可分為固定式應用和移動式應用2種方式。

固定式應用場景包括分布式供能、電力調峰電站、應急備用電源、制氫或用氫現(xiàn)場緩存等領域。固定式應用對固態(tài)儲氫系統(tǒng)的重量要求不高，但對儲氫系統(tǒng)的安全性、壽命和成本提出了較高要求。

固態(tài)儲氫裝置可以與可再生能源發(fā)電和制氫高效耦合。因為固態(tài)儲氫需要的氫氣壓力低，通過光伏或風電等電解水制取的氫氣可以直接存儲在固態(tài)儲氫裝置中。固態(tài)儲氫裝置可將氫氣進行長時間的常溫常壓儲存，使用時，可利用燃料電池重新將氫氣轉化為電能供應，或直接釋放氫能供應。

移動式應用包括車（船）載儲氫、運氫等領域的應用。移動式應用的需求與固定式應用不同，需要特別關注固態(tài)儲氫系統(tǒng)的重量以及儲氫罐體與系統(tǒng)間的熱交換。在移動應用中，熱交換劑必須控制在最低限度，熱交換裝置應盡可能緊湊和有效。

在氫能交通領域，目前氫能汽車主要采用高壓儲氫，主流車型采用三個罐，擺放占用空間較大。如果使用固態(tài)儲氫裝置，可以與底盤進行一體式設計（類似電動車），空間利用率將會大大提高。此外，固態(tài)儲氫安全性更好，車輛可以放心進入地下車庫停放。需要長時間工作于密閉空間的叉車和潛艇，也是固態(tài)儲氫非常適合的應用場景。

發(fā)展現(xiàn)狀

在全世界范圍內，經(jīng)濟發(fā)達國家和地區(qū)正在積極推動固態(tài)儲氫技術的研究和應用，其中美國、日本、韓國等國家一直處于這項技術的前沿。與國外相比，我國的起步較晚，但是憑借著近年來的技術創(chuàng)新和加強，目前已經(jīng)取得了實質性的進展，一些特殊場景已有示范性應用。

在氫能汽車領域，固態(tài)儲氫的應用集中在氫能兩輪車。目前，氫能兩輪車已在佛山仙湖度假區(qū)、韶州公園、江蘇常州、上海臨港等地示范運營。這些兩輪車采用固態(tài)儲氫技術，續(xù)航里程在55-120km之間，最快時速在20公里左右。

2023年3月，國家重點研發(fā)計劃中的固態(tài)儲氫開發(fā)項目在廣州、昆明同時實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。這是我國首次利用光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能并成功應用于電力系統(tǒng)。項目利用固態(tài)氫儲能技術可以儲存200立方米氫氣，相比同樣體積的3MPa氫氣儲罐儲存的10公斤氫氣，儲氫密度提高20倍。

同月，廣州南沙電氫智慧能源站建設落成，這是我國首個應用固態(tài)儲供氫技術的電網(wǎng)側儲能型加氫站。該項目采用固態(tài)儲氫裝置替代傳統(tǒng)加氫站中的氫壓縮機、高壓儲罐和純化系統(tǒng)，降低了單站建設成本。

今年4月，全球首臺鎂基固態(tài)儲運氫車在上海落地。該車搭載12個鎂基儲氫罐，可以儲存1噸氫氣，是常規(guī)（氣態(tài)儲氫）3-4倍的存儲量，整體具有安全性高、儲氫密度高、低成本、能凈化存儲、場景豐富等優(yōu)勢。

總結

高密度和安全儲運是當前氫能產業(yè)發(fā)展面臨的主要瓶頸，市場需要更經(jīng)濟、更安全的氫能儲運技術，而固態(tài)儲氫正好能提供相應的解決方案。隨著技術和應用的不斷成熟，固態(tài)儲氫將在未來氫能多元化儲運體系中占據(jù)重要地位。有業(yè)內人士預計，到2025年前固態(tài)儲運氫技術將能實現(xiàn)大規(guī)模的示范應用，到2035年前，固態(tài)儲運氫技術將完全成熟，開發(fā)出適用于不同應用場景需要的一系列產品，促進氫能產業(yè)鏈的完善與可持續(xù)發(fā)展。

參考文章：

1. 《固體儲氫材料的研究綜述》張四奇

2. 《固態(tài)儲氫技術的研究進展》張曉飛

3. 《固態(tài)儲氫專題研究報告》國信證券

4. 《來了！國內首個固態(tài)氫儲能加氫站！》廣州供電

5. 《固態(tài)儲氫從0到1：將是下一個大風口？》高工氫電