氢能产业链解析——储氢：固态储氢技术

SMM氢能源 2024-02-23

氢的储运是当前我国氢能行业大规模发展的痛点，在此其中固态储氢优势凸显。储氢的技术有很多种，如液态储氢、气态储氢、固态储氢等。相比高压气态储氢、液态储氢方式，固态储氢的体积储氢密度非常高，固态储氢能够在常温常压下储存，使用方便，安全性更好。

政策推动氢能产业高质量发展。从全球氢燃料电池汽车保有量来看，近几年已实现快速增长。固态储氢在车载储氢环节、加氢站环节、分布式供能、通信基站的备用电源、电力调峰电站等具备广阔的技术应用前景。

本文主要依据国信证券经济研究院王蔚祺团队的氢能专题研究报告，对固态储氢的技术、市场和发展现状做行业数据整理和深入了解。

一、固态储氢技术基本介绍

1.1 氢能优势与应用场景

氢气是常见燃料中热值最高的（143 kJ/g），是石油的约3倍，煤炭的4.5倍；燃烧过程无碳排放、无污染物产生，发生泄露后极易扩散，爆炸下限浓度高于汽油和天然气，具备无碳排、无污染、热值高、安全性好的特点。

在应用场景方面：交通运输业排放占全球碳排放量的1/3，氢燃料电池汽车具有零排放、续航里程长等特点，是交运行业减碳的最佳选择；建筑领域中分布式热电联供系统采用氢气供燃料电池发电，燃料电池发电产生热量用于供，暖与热水供应；储能领域中氢储能参与电网辅助，氢储能系统耦合风光等可再生能源参与电网削峰填谷、调峰调频等作用；工业领域中氢能炼钢利用氢气的高还原性，代替焦炭作为高炉还原剂，以避免钢铁生产中的碳排放。

1.2 我国氢能产业具备长期发展潜力

根据中国氢能联盟的预测，在2030年碳达峰愿景下，我国氢气的年需求量预期达到3,715万吨，在终端能源消费中占比约为5% ；可再生氢产量约为500万吨，部署电解槽装机约80GW。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。其中，工业领域用氢占比仍然最大，约7,794万吨，占氢总需求量60% ；交通运输领域用氢4,051万吨，建筑领域用氢585万吨，发电与电网平衡用氢600万吨。

图：我国氢能年产量以及未来预期（万吨）

图：2060年我国氢能各领域用量展望

1.3 储氢：气态、液态、固态

高压气态储氢技术通过高压是将氢气压缩于高压容器中，来实现氢气的储存，通常由钢、铝、碳/玻璃纤维、高分子材料等制成。优点：压力容器容易制造；制备压缩氢的技术简单；成本较低；缺点：能耗高；安全性隐患高，加氢站成本高。目前高压气态储氢技术主要应用在运输领域，加氢站和燃料电池车上均应用高压储氢瓶作为储氢装置。

低温液态储氢技术是采用低温技术将氢气冷却到液化温度（标准大气压下，-253℃）以下，以液体形式储存在高度真空的绝热容器中；优点：质量储氢密度高（大于5%），常温常压下液氢的密度为气氢的845倍，适用于距离较远、运输量较大的场合；缺点：成本高，能效低，存在泄露问题，每天损失可能达到1-2%；绝热系统复杂。低温液态储氢技术目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用，国内应用最早起步于军事、航天等领域。

固态储氢技术是通过物理或化学方式使氢气与储氢材料结合，来实现氢气的储存。从材料分类上有金属合金、碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系、钛铁/锰系、钒系和镁系等；优点：体积储氢率高，安全性能高、能效高，加氢站从成本低；缺点：大多数材料质量密度低，镁系质量密度高，但放氢需要消耗大量热，对热交换装置要求高；尚未达到产业化规模。固态储氢从体积储氢密度、安全性等因素考虑，是最具商业化发展前景的储存方式之一。

1.3.1 固态储氢的技术路线

固态储氢技术路线主要可分为金属氢化物，配位氢化物，碳材料，金属有机骨架材料（MOFs）和水合物储氢等。

1）金属氢化物为固态储氢主流技术路线，涉及材料包括镁系、钛系、钒系、稀土系及复合储氢合金等；其中镁系合金储氢容量大（最高可达7.6%），但放氢温度高，通常需要300℃；钛系、钒系、稀土系储氢合金储氢容量为1.4%-2.4%不等，放氢温度明显较镁系合金低。

2）配位氢化物路线需要碱金属（锂、钠、钾等）或碱土金属（镁、钙等）或第三主族元素（铝、硼等）。

3）碳材料路线需要活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管等材料。

表：不同金属氢化物相关性能对比

1.3.2 金属氢化物吸放氢基本原理

金属储氢材料通过金属氢化物的形式来将氢气储存在合金中。吸氢过程中，合金储氢材料在一定的温度和氢气压力下, 发生放热反应吸收氢气生成金属氢化物；放氢过程中，金属氢化物在加热的情况下发生吸热反应释放所吸收的氢气。

微观机理：氢分子首先吸附在金属表面, 随着氢键断裂而解离成氢原子, 氢原子通过内部扩散进入金属原子的间隙形成金属固溶体，之后固溶体中的氢原子进一步向金属内部扩散, 达到固溶转化为化学吸附的活化能后从而形成氢化物。

图：金属氢化物吸放氢基本元力

1.4.1 储氢运氢：气、液、固三种方式比较

表：不同氢储运方式比较

1.4.2 储氢运氢：三种形式的结合应用场景

对于高压气态储运，当运输距离为50km时，运输成本为3.6元/kg，随着距离的增加长管拖车运输成本大幅上升，当运输距离为500km时，氢气的运输成本达到29.4元/kg。因此，长管拖车只适合短距离运输（小于200km）。

固态储氢车与液氢槽罐车运氢成本对距离不敏感，当加氢站距离氢源点50-600km时，运输价格约在10-13元/kg范围内，成本变动与储运氢过程中耗电费用，载氢量有关，在长距离运输下，固态储氢车与液氢罐车都具备成本优势。

管道运氢成本主要来源于与输送距离正相关的管材折旧及维护费用，当输送距离为100km时，运氢成本仅为0.5元/kg。但管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响，在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下，管道运氢的成本优势并不明显。

图：不同输氢方式在不同运输距离下的成本对比（元/kg）

二、固态储氢市场分析

2.1 固态储氢技术拥有广阔的应用前景

对于不同的储氢方式，都有不同的适合场景。固态储氢适用的场景有：工程车载应用、乘用车载应用、通信基站的备用电源、分布式供能、绿氢和化工相结合、电力调峰电站、应急电源。

图：固态储氢与绿电结合的应用场景

2.2 固态储氢罐

与高压气态储氢方式相比，固态储氢罐具有安全可靠的优势，对设备要求较低。目前主流的固态储氢罐主要由固态储氢材料、不锈钢/铝制壳体、气管通道、过滤器、散热鳍片、阀门和加热/散热管道组成。因固态储氢罐压力一般低于5MPa，故不需要成本较高的高压阀门。

固态储氢罐成本主要受规模、壳体材料、储氢合金等因素影响，各家工艺有所不同，成本差异较大。根据有研工研院资料显示，目前固态储氢装置成本约为8000元/kg H2，而辚萧科技生产的金属氢化物固态储氢罐成本约为1200元/L。当前固态储氢装置处于早期示范阶段，未来随着产线规模的扩大和自动化程度的提高，制造成本有望大幅降低。同时，失效储氢罐中的储氢材料可以实现回收，进一步压缩制造成本。

图：固态储氢罐结构

2.2.1 固态储氢罐产业化进程

有研工研院开发的一系列固态储氢罐产品涵盖便携式、大容量、固定式等多种规格，容量覆盖0.1-1000Nm3，处于行业领先地位。浩运金能固态储氢罐产品可实现快速大容量吸放氢，且工作压力低于3MPa，为多种应用场景提供便利。目前国内生产固态储氢罐的企业有浩运金能、有研工研院、华硕能源、安泰创明、永安行、氢枫能源、辚萧科技和华硕能源。

目前主流固态储氢罐生产企业均有具备商业化潜能的产品面市。浩运金能开发的储氢罐容量最高可达800L，同时具备超过200L/min的快速大流量放氢性能。有研工研院开发的固态储罐已应用在与云浮飞驰、佳华利道等合作项目的冷链物流车、大巴车上。安泰创明开发的固态储氢瓶应用于两轮车上，续航可达80km；氢枫能源开发的镁合金固态储氢运输车上搭载14个储氢罐，可以实现1.2吨的氢气运载量。永安行固态低压储氢瓶生产线已实现规模化生产。

图：国内主要固态储氢罐生产企业介绍

2.3 全球氢能产业规划汇总-生产端

表：各国氢能生产与应用规划

2.4 全球氢能产业规划汇总-应用端

表：各国氢能生产与应用规划

2.5 我国支持氢能产业发展政策

继2019年3月氢能被首次写入政府工作报告后，国务院、国家发改委、国家能源局等多部门陆续印发了支持、规范氢能源行业的发展政策，主要包括氢能发展技术路线、氢能基础设施建设、燃料电池汽车发展等内容。

图：氢能产业发展政策梳理

2.6 三大氢燃料电池“示范城市群”落地

2021年8月，财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委和国家能源局《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》正式印发，宣告京津冀、上海、广东成为国内三大氢燃料电池汽车示范城市群，示范期为期四年。国家将采取“以奖代补”的方式，按照示范城市群任务目标完成情况给予奖励。

“示范城市群”的落地，将加快燃料电池关键核心技术自主化与产业化进程，有助于探索氢能商业化模式和燃料电池产业政策的建立，推动氢能跨省跨区域协同发展。

图：三大氢燃料电池汽车城市示范群任务目标

2.7 氢燃料电池汽车市场展望

从全球氢燃料电池汽车保有量来看，近几年实现快速增长，由2019年的2.4万辆增长至2022年底6.75万辆，CAGR41%；从我国我国情况来看，至2022年底国内氢燃料电池汽车保有量达到1.23万辆，数量占全球比例约18.2%。

从全球氢燃料电池汽车销量来看，2022全年实现销量17926辆，其中我国实现销量3367辆，占比18.8%，随着燃料电池系统生产规模化，与燃料电池电堆核心零部件国产化推动成本下降，在2025年燃料电池汽车保有量达超10万辆政策指引下，我们预计未来几年我国氢燃料电池汽车产销量迅速上升。

图：国内及全球氢燃料电池汽车保有量（辆）

图：全球氢燃料电池汽车销量及国内氢燃料电池汽车产销量（辆）

2.8 储氢系统成本下降空间大

当前估计车载高压气体储氢系统价格约为4300元/kg，固态储氢系统价格约为8000元/Kg，参照《中国氢能产业发展报告2020》中提出的未来储氢系统成本下降趋势，伴随着储氢系统中关键零部件国产化，储氢系统容量提升以及系统使用寿命提升，储氢系统成本将不断下降。

预计未来国内储氢系统价格下降空间较大，且固态储氢系统价格下降幅度，将高于车载高压气体储氢系统。

图：储氢系统成本下降空间

三、固态储氢发展现状

3.1 固态储氢相关企业进展-国内企业

厚普股份（300471.SZ)：公司当前氢能领域业务包括氢能加注设备，氢能源相关工程EPC等，其中氢能加注设备包括氢压缩机橇、液氢真空管、氢气质量流量计、加氢机、加氢枪等，2021年公司氢能加注设备实现收入8126万元。公司另于2021年发布定增项目，募集资金1.55亿元建设车载低压固态储氢系统1万套、大型储能场景储氢系统5000套、小型储氢系统8000套年产线。

东方电气（600875.SH）：2023年3月25日，在广州南沙电氢智慧能源站固态氢能发电并网项目中，东方电气总承包建设低压高密度储氢、耦合氢燃料电池热电联供系统和三级静态压缩系统的工作。其固态储氢系统可对金属氢化物进行四级加压，通过改变温度等参数，将压力从3Mpa提升至80Mpa，从而为氢燃料汽车加氢。东方电气旗下氢能平台东方锅炉聚焦氢能供应端，包括制-储-运-加氢等环节，目前已经具备高压储氢容器批量化制造能力，同时正在开发固态储氢容器。

圣元环保（300867.SZ）：公司2022年与有研工研院达成战略合作，合作内容包括：1.氢能源研究院发展规划与平台建设，2.储氢材料研究与制备，3.固态储氢装置， 4.风光制氢-储氢-用氢应用示范及迭代，主要以泉州、厦门两地作为试点，以厦门圣元绿色能源有限公司及泉州有元氢能源研究院有限公司

鸿达兴业（002002.SZ）：鸿达兴业是早期国内开展液氢生产和储运联动业务的上市公司之一，在氢储运环节，公司已拥有气态、液态、固态三种储运模式。公司研发生产包括储氢瓶、储氢罐、质子交换膜等产品。2021年公司氢能业务实现收入2.57亿元。

3.2 固态储氢相关企业进展-科研院所

中国有研科技集团有限公司：

研发：固态储氢领域。在学术带头人蒋利军的带领下，先后开展了稀土系AB5型、钛锰系AB2型、钛锰系AB型、钒钛系BCC型，镁系A2B型等一系列合金储氢材料以及复杂化合物NaAlH4，Li-Mg-N-H，碳纳米管等新型高容量储氢材料研究；在此基础上，攻克了高熔点、高活性钛系合金熔炼规模技术，低熔点易挥发镁基储氢材料可控气氛机械合金化纳米晶批量制备技术等行业技术难题。

应用：有研工研院实现了固态储氢技术在移动式制储一体化燃料电池应急发电车、燃料电池移动通讯基站备用电源、氢能燃料电池加氢站、燃料电池大巴、物流车，以及电网储能等应用。

包头稀土研究院：

包头稀土研究院储氢领域研究方向包括稀土储氢材料，固态储氢装置等。在稀土固态储氢材料中拥有完整的材料制备、测试及应用实验条件和产业化装备，形成了稀土储氢合金材料研究、应用及产业化技术开发团队，研发工作处于国内外先进水平。目前包头稀土院已获授权国际专利2项，国内发明专利20余项。

燕山大学：

燕山大学韩树民团队长期致力于新型稀土储氢材料的基础理论和应用技术研发，在揭示新型稀土储氢合金超晶格结构、储氢机理、生成条件和构效关系等基础理论研究中取得重要成果。目前累计发表SCI论文200余篇，出版学术专著1部，获国内外发明专利30余项。

2017年成立中科轩达，依托团队的研究成果，迅速启动了新型稀土储氢合金电极生产线建设项目，该项目已于2019年12月顺利完成，是中国第一条具有自主知识产权的新型稀土储氢材料生产线，目前产能达300吨/年以上，已进入技术成熟、生产稳定和产品市场推广阶段。

3.3 固态储氢相关企业进展-海外企业

美国

GKN Hydrogen公司：2021年，获得了美国能源部170万美元资助开发HY2MEGA固态氢化物储氢罐，该项目为期三年，可以储存500kg氢气，项目于2022年底启动。

Green Fortress公司：获得了来自美国联邦政府的资助开发固态氢燃料的储氢系统。其固态储氢材料主要是催化改性的多孔硅，氢气储存成本低于8美元/kWh，规模可在电网级别。

英国

Cella Energy公司：开发出聚合物和氨硼烷组成的轻质固态高密度储氢材料，该材料提供的能量是同等重量下锂离子电池的3倍，稳定性和贮氢性能良好，可在100℃左右几分钟内释放约9%的氢气。该固体材料能够进行模块化设计，制备成不同形状，根据应用需求灵活组合。

与从事航空航天技术和固体火箭发动机技术的法国Safran集团开展合作，将其应用于航空航天领域的氢燃料电池储氢材料。2016 年利用该固体材料的无人机成功实现首飞；• 与色列的Israel AesospaceIndustries（IAI）合作，将其应用于Bird Eyes 650小型无人机的燃料电池能源系统上，可大幅减少供电系统的重量，提升无人机的续航能力。

日本

东芝公司：开发的自给型能源供应系统H2One已在日本国内医院、旅馆、铁路站台及紧急避难场所等多个场景得到应用，系统采用固态储氢技术，氢气储存量达270Nm3，电力存储量可达350kWh。

固态储氢为储氢环节新兴技术，相较于高压气体储能和低温液态储氢具备高安全性、高体积储氢密度、快速充放氢、运输便捷等优势，并为业界所重视。

目前主流固态储氢路线为金属氢化物，包括镁系、钛系、钒系、稀土系及复合储氢合金等。固态储氢技术应用前景广阔。

1）车载储氢环节，伴随氢燃料电池汽车的推广和车载固态储氢系统成本下降，固态储氢系统市场空间将会打开，预计车载固态储氢瓶2030年市场规模突破百亿元；

2）加氢站环节，固态储氢相较于高压气态和液态储氢不需要压缩机或液化装置即可完成充氢，在加氢站建设成本上较低，具备较好的经济性，估计当前固态储氢加氢站整体成本约为800万元，预计2022-2026年固态储氢加氢站建设累计新增投资约将增加14.3亿元，至2025/2026年新增投资额分别为4.5/5.3亿元；

3）其他领域：如分布式供能，通信基站的备用电源，电力调峰电站等，氢储能的存储规模更大，存储时间更长可以满足长周期、大容量储能要求，同时固态储氢安全性强，运输灵活性高，在长时储能领域有广泛应用空间。

本文内容来源于：SMM氢能源，责任编辑：胡静，审核人：李峥