固態金屬儲氫具有儲氫密度高、運行壓力低、安全性好等優點，被認為是今后較具前景的儲氫方式之一。介紹固態金屬儲氫的基本原理，歸納其在國內外研究和商業化的現狀，并基于固態金屬儲氫的特點，分析與展望其未來應用前景。

 

引 言

 

隨著全球溫室減排問題的加劇，世界各國都在向清潔低碳化的能源之路轉型，我國也提出了“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”目標，踐行低碳能源利用。氫能作為最重要的清潔能源形式之一，因此愈發得到重視。2022 年 3 月，國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035 年）》，明確了氫是未來國家能源體系的重要組成部分，氫能正成為我國戰略新興產業的支點之一。

 

加氫站作為交通氫能產業的重要基礎設施，近年來得到了快速發展。截至國家能源局 2022 年 4月數據，我國已累計建成加氫站 250 多座，數量位居世界第一。目前國內商業化運營的加氫站均為高壓氣態儲氫。雖然高壓氣氫技術較成熟，但氣態儲氫密度低、儲氫壓力高的固有特征，導致其運輸效率低、儲氫容器成本高、移動拖車道路運輸風險高等問題，始終制約著氫儲運大規模應用的發展[1]。（關注氫電邦微信公眾號，申請加入微信群）另外低溫液態儲氫技術受安全政策、國產技術和規模經濟性等因素限制，短期仍無法推廣使用[2]。固態金屬儲氫能有效彌補高壓氣態和低溫液態兩種儲氫方式的不足，憑借其能量密度高、操作便捷、運輸安全的優勢，未來或將助力加氫站領域的儲運術發展。

 

固態金屬儲氫原理及應用現狀

 

固態儲氫是基于氫氣與儲氫材料間的物理或化學變化，形成固溶體或者氫化物，從而實現氫氣的存儲。固態儲氫材料包括物理吸附和化學吸附兩類，其中固態金屬儲氫（合金儲氫）材料是目前化學吸附材料中最為成熟的。

 

1.1、 原理

 

固態金屬儲氫的原理，如圖 1 所示。其儲氫步驟如下：①氫氣分子物理吸附在金屬或合金表面；②氫分子在金屬或合金表面解離為氫原子；③材料表面的氫原子擴散至金屬或合金內部，形成固溶體（α 相）；④材料內部的氫原子與金屬原子發生化學吸附生成氫化物（β 相）[3]。

 

固態金屬儲氫的體積儲氫密度遠高于高壓氣態儲氫，是大型儲罐 3 MPa 的 10 倍，標準鋼瓶組15 MPa 的 4 倍，纖維纏繞罐 35 MPa 的 3 倍。

 

 

典型儲氫合金及其儲氫性能如表 1 所示。

 

1.2、 國內外應用現狀

 

1.2.1、 國外應用現狀

 

美國早在 20 世紀中期就開始金屬氫化物的研究。1968 年 Philips 實驗室即制備出金屬氫化物LaNi5，并應用于鎳氫電池。日本自 20 世紀 70 年代。開始固態金屬儲氫研究。1996 年豐田推出首款搭載固態儲氫系統的燃料電池汽車，2001 年其新一代固態儲氫燃料電池車 FCVH-2 行駛里程可達 300 km。澳大利亞 Hydrexia 公司于 2015 年開發了基于鎂基合金的材料，單車儲運氫量 700 kg。2020 年澳大利亞新南威爾士大學與 LAVO 合作，推出 40 kW·h 的氫備用電源，采用低溫型儲氫合金作為介質。

 

 

1.2.2、國內應用現狀

 

國內關于固態金屬儲氫的研發及商業應用方向突出兩類技術，分別為鎂基儲氫材料和鈦錳系儲氫材料技術。

 

（1） 鎂基。鎂的微觀結構孔隙能讓氫以原子的形式儲存其中，具有較高的儲氫能力，質量儲氫密度可達 7.6%。鎂合金中的氫釋放速度可控性好，保證了利用的安全性[5]。目前，基于上海交大技術的氫儲（上海）能源科技有限公司已完成鎂基儲氫材料的研發，并于 2022 年 4 月投產測試首條鎂基儲氫生產線，其鎂基大容量固態儲氫運輸車的最大裝載量為 1.2 t 氫，是常規長管拖車的 4 倍。

 

（2） 鈦錳系。諸多儲氫合金材料中適用于汽車的是鈦錳系材料。基于有研科技集團研發技術并由深圳市佳華利道公司開發的 20 kg 鈦錳儲氫系統，已成功應用于佛山飛馳汽車科技有限公司 9 m 氫能公交車。該車滿載模式下百公里氫耗為 4.77 kg，在5 MPa 低壓加氫條件下，15 min 即可加滿。

 

固態金屬儲氫應用場景

 

固態金屬儲氫的加氫站應用場景主要有兩個：一個是高溫析氫的鎂基合金材料，應用于大容量固態儲氫運輸；另一個是常溫析氫的鈦錳系合金材料，應用于燃料電池汽車。兩者在加氫站及其上下游氫能儲運方面，均具有良好的應用場景，如圖 2所示。

 

 

對比常規的高壓氣態儲氫，采用固態金屬儲氫技術后的加氫站在工藝設備、建設用地、建站投資和運行成本方面具有自己的特點。

 

2.1、工藝設備

 

固態金屬儲氫加氫站的工藝設備更簡約，有利于氫產業的商業化推廣。車載金屬儲氫容器工作壓力低于 5 MPa，加氫站可通過拖車和加氫機直接為燃料電池汽車加注，無需增壓，站內儲氫容器的設計壓力也可降低，從而可省去高壓氣態儲氫中最復雜的壓縮機及其高壓儲氫容器。兩者的主要設備對比見表 2。

 

 

2.2、建設用地

 

加氫站的安全間距直接影響其站點規劃布局，日益緊張的城市用地也制約了加氫站的推廣。高壓氣態儲氫由于儲氫效率的限制，設施占地面積較大，直接影響選址布局和安全性。采用固態金屬儲氫后，儲氫效率得以提升，儲氫壓力大幅降低，選址受周邊環境限制影響減小，尤其在針對既有油氣站增設加氫的場景時，節省了用地面積，普及性更好。

 

2.3、建站投資和運行成本

 

加氫站的建站投資主要集中于設備費用，其中高壓氣態儲氫中的壓縮機、儲氫容器費用占比較大，分別為 20%和 13%，但該設備在金屬儲氫加氫站中可以得以節省。如國內某在建的金屬儲氫加氫站，其總投資為 300 余萬元，對比高壓氣態儲氫加氫站普遍 1 000 萬元以上的投資，大幅降低了投資金額。

 

另外，固態金屬儲氫在上游運輸環節的單次運氫量大、單位運輸成本低，并在加氫環節省去了壓縮機電耗，故在運行成本方面也有其優勢。

 

2.4、應用設想

 

本文以廣東某已建綜合能源供應站為例，設想固態金屬儲氫技術在加氫站及其上下游的應用。該站位于市郊，是制加氫一體化的加氫母站，站內配置天然氣制氫，采用高壓氣態儲氫，服務于城市公交車和外供拖車。設想將該項目的高壓氣態儲氫（35/70 MPa）替換成更安全的低壓固態金屬儲氫（小于 5 MPa）。首先，選址前期無需避開中心城區，可布置于公交線路較密集的區位，同時還節省建站投資；其次，該站具有站內制氫功能，制氫系統壓力與鎂基材料的匹配性高，無需增壓；再次，采用固態金屬儲氫的運輸車將所制氫氣托運至其他用戶，覆蓋了更大輸送半徑，并能在城區內安全通行；最后，省卻了高壓氣態站壓縮機的日加注能力限制，理論上在上游氫源供應充足時，城市可投放更多數量的氫能汽車。

 

綜上所述，固態金屬儲氫技術在加氫站及其上下游的多元化應用場景，是對現有高壓氣態儲氫體系的有益拓展和補充，具備廣闊的應用前景。

 

研發展望

 

雖然固態金屬儲氫的應用前景樂觀，但鑒于其在使用壽命、設施造價、熱脫附及加注速度等尚存在技術問題，需繼續加大研發。

 

3.1、使用壽命

 

加氫站以設備 10 a 的使用壽命計，日均吸放氫1 次，全年工作 300 d，則需保證的循環壽命要到達3 000 次以上。現有固態金屬儲氫材料的生產過程采用壓制一體成型，材料本體一旦受外力，便會發生連鎖式碎裂，并隨著吸放氫循環次數的增加，材料碎裂愈加嚴重，從而使用壽命降低。因此，現有固態金屬儲氫材料的使用壽命還存在技術瓶頸，仍需繼續研發及實證。

 

3.2、設施造價

 

目前固態金屬儲氫處于實驗室或中試規模，單件制造成本較高，通過打通使用場景、實現規模化的流水線生產可有效降低設施造價，是未來固態金屬儲氫的裝備研發關鍵。

 

3.3、新型材料

 

開發新型合金儲氫材料是提高固態金屬儲氫密度的重要途徑。目前，在金屬氫化物、含氮氫化物、金屬硼氫化物等含氫金屬化合物與硼氫化鎂復合的基礎上，通過不同方法引入催化劑、多孔材料等，以進一步提升復合系統儲氫性能和耐久性。

 

3.4、熱脫附

 

高質量密度的金屬儲氫材料的脫附反應溫度普遍在 300 ℃以上，這是氫從材料中釋放所須克服的能量。未來應繼續研發低溫高密度的脫附技術，如中科院大化所采用鈷基納米催化劑已實現250 ℃的低溫脫附。此外，還應探索其他熱源與熱脫附的熱耦合利用，如利用燃料電池余熱進行脫附等。

 

3.5、加注速度

 

目前，低壓合金儲氫車輛的加氫速度在 15 min左右，低于高壓氣態的 5 min，加氫速度有待提升。在保證低壓加注壓差的安全性前提下，建議車輛可設置雙加注口，其車載儲氫瓶設閥分組，研發站內相匹配的雙槍加氫機，利用雙槍雙口同時加注，可提高 1 倍加注速度。

 

結 語

 

固態金屬儲氫具有使用壓力低及儲氫密度高等特點，能有效彌補目前廣泛使用的高壓氣態儲氫的不足。國外在固態金屬儲氫技術方面開展了大量研發工作，而國內在鎂基和鈦錳系材料方面也已有應用嘗試。預計今后固態金屬儲氫技術或在加氫站及其上下游儲氫場景中將有較好的應用，并且在解決現存技術問題后，通過不斷的技術研發迭代，固態金屬儲氫會在加氫站儲氫領域得到市場的廣泛認可。