固态储氢与液氢储运技术发展现状与趋势分析.docx

固态储氢与液甄储运技术发展现状与趋势分析摘要：乳能被认为是能源转型、工业及交通领域深度脱碳的关世路径.综述固态储氢技术现状和发展玲势，梳理了物理吸附、化学储气和金M¾1.化物等固态储匆技术路线和美国能源部等机构提出的fi量储级密度、体枳储级密度、循环寿命和系统成本等关题技术参数的发展目标.指出目前存在的技术经济何必和改进方向.分析了固态储级应用场景和潜力,并提出未来技术发展、系统集成优化及应用方向等建议,以为开展固态储氢技术研究及工程示他提供思路和参考。氢能被认为是全球能源依型、工业及交通深段脱碳的关键路径。国际级能产业处于快速发展期.2023年6JJ美国发布首个荚国国家清洁级战略和路线图八猿接若日本提出新版M氢能源基本战略K预计到2030年,全球氢能投资总额将达到5000亿美元.中国氢能产业处于政策风口，全国已有30个省（市、自治区）把包能写入“十四五”发展规划中，中石化、中石油等能源央企相绰的局球级制备、管道输缴及绿级炼化等产业链环节，氮气储运是氢能产业於面临的主要瓶颈问跑之，固态储氢具行体枳密度高、安全性好等优势,正成为乳储运技术研发与产业布局热点.本文综述固态愤乳技术现状和发展趋势，梳理J'主要技术路统和目标，指出技术存在何题和优化提升方向，分析了固态储融应用场景，并提出未来技术发展及应用相关建议。本文研究结果可为开展固态储氢技术研究及工程示范提供参考储鉴.1乳气储运发气储运是氢能产业关键环节，整体呈现“低压到高压”“气态到多相态”的发展态势（表1）,不同应用场景适用的氢气储运方式有所不同,而提高氨气储运密度、降低储运成本是共同发展目标.£氢能产业发展中长期规划（20212035年）指出我国将枪步构建乳能储运体系，推动氢储运技术研发，探索固态等储运方式应用.固态储乳作为氧气储运的电要技术分支在美国、11本及欧盟得到广泛研究.2005-2010年，美国能源部支持多家机构词费研究了400多种材料的潜在储级能力和应用前景.同时为满足车载储氢系统的应用需求.美国能就部还制定了车毂储氢系统的技术路线图.提出/不同阶段的技术I1.标.但当前文献报道中，尚没有储氢系统能够同时满足所有的技术要求.目前固态储氢技术研究聚焦新型储发材料、系统装置以及储料应用场景。表1常见储乳方式kg车储氢方式运输工具装救麻优点缺点尚压储履（20MPa）长管搭车300充/放乳速率快，应用广泛储乳密度低，单车载量小液氢液氮槽罐车4000送我才大,级纯度高能耗高设备要求高有机液体储处槽罐车2000安全,无S；高压、低温，储融密度尚脱乳能耗高，催化剂失活等馍基同态储氢货车12安全，储氢密度大，运输方便放级温度较高2固态储履发展现状2.1主要技术路规固态储氢是指在一定温度、压力等条件下,利用同态砧氢材料实现可逆存储与择放氮气的技术.主要分为物理吸附储乳和化学储乳（图1）.具有体枳储氢定度高、吸放氯条件温和、可逆性和循环寿命高、安全性好、供笈纯度高等特点。物理吸用储双利用储疆材料而比表面枳和而微孔容枳等结构特点实现高密度储氢，典型联网材料包括碳纳米管、金属有机框架物（MOF一、共价仃机框架材料（COFs）等,主要通过范德华力实现缴气与吸附材料可逆储级.比表面枳是影响吸附材料储辄容fit的主要因宏.多孔碳材料比表面积和孔容较高稳定性好旦密度低，可重复存储.理论上碳材料和其他无机多孔材料的质量储氢密度可达5%10%,获至更裔。MOFS和CoFS材料是储乳材料另一个Hi要分支，具有框架密度更小、比表面枳更大等优势，但低温吸附旗域储氢密度低F3%,总体上物理吸附储氢处于研究阶段.高谛级容出吸附材料的制备是研究焦点,主要通过内部结构调制和表面改性等手段实现化学储氢借助金属神、共价溟等生成金屈乳化物和配位现化物等物侦形态实现储¾1,主要包括金属延化物和作金属氮化物.金属乳化物足金依/金防合金与级发生可逆反应时生.成的一类氧化物,借助金JR氯化物吸附氢.并通过加热氨化物释放氢，是目前最具商业化前景的固态储氢路线.根据构成二元合金的原子比不同，金属乳化物储乳合金主要包括镁彩、稀土系、钛系、锦系等(去2),其中谖系令佥(MgH2)固态储疆材料处于示范及应用初期阶段。篌价格低、资源有保障，全球己开枭铁矿中90%在国内,不存在桶级材料被“I：脖子，另外铁系合金储氢过程反胸简单、无副产物、控制性良好，於氢密度最大可达7.6wt.%(106kgm3),为标准状态下氧气密度的1191倍.70MPa高压气氮的2.7倍，液乳的1.5倍.材料可回收，对环境友好。总体上，轻旗、高容量储辄合金的开发和性能提升仍是化学储氢材料的研究重点.表2主要金屈氮化物储氮性能对比储级材料谛乳密便wt.%放氮压力/MPa放氢温度C90%放级所需时间mn循J'寿命成本较储1.aNiS1.31.50.2-08253好较高乳合金TiFeTiM21.8-1.92.(T2.10.2TQ0.51.0302553好好技低低V-Ti-Cr3.53.80.1-0.3255好高轻较较质MgH27.60.1287<20好高储较较氯Mg2Ni3.60.128220.zT好出材MAIH4150,料(M=1.i、7.510.60.1多步放<120I1.T薪Na)氮好较牧1.i-Mg-N-H5.60.190120D好题MBH425O.<M=IJ7.5-18.50.1多步放180屋柚Na.Mg,K.Ti,Zr)国内主要同态储瓠研究单位包括中船七一二所、上海交通大学、育研工程技术研咒院有限公司等，另外上海铁源动力、辄极能源等企业正加速固态储笈关键技术突破和转化应用开发。表3国内主要固态储级研究机构概况单位储氢材料进展及成果应用场景钛铁系储履：开发140kg级固态储氢系统；机系储级：开发绿色船舶动力、电中船七一二所钛铁系和机系储氢量5-ISOOkg单个箱式网调峰（储能）.储氢系统，单个20尺箱式氢离网供电电系统储悭28MWh10ta级化篌粉末生产戏，储翁用电海、无人级密度15.2wt.%:30ta多孔机、水下潜航器:上海交通大学供基储氢颗粒生产建，常温常乳气储运:加氧站压储疆密度6.0wt.%,循环寿/虱-电储能站，储命3000次：合作开发吨级铁能/分布式发电；基固态储运氮车220ta高容辰储氢合金巾试战：开发500Nm3储履装置；叉车有研工程技术研究院有限公司稀土系金属乳化物开展多项可再生制级固态储氢-燃料电池发电应用示范：合叉车：船Sh助力车:轨道机车：现作开发45t低压合金储氢式氢燃料电池冷链物流车:制定多项固态储氢国家标准模储能注：根据公开资料整理2.2技术目标国内外固态储疆技术研究聚焦在调控材料体系、提升材料综合性能和优化储氢系统方案。为推动技术应用,美国能源部（DoE）（表4）、欧洲为料电池和氢能联合组织（FCHJU）sH本新能源和工业技术开发组织（NEDO）（表5）以及国际能源署（IEA）等机构对体积;重H储氢密度、乳压他眼、褥环寿命与成本等关键技术参数提出明确发展目标和要求，为囿态储履技术发展及应用指明了方向。表4D0E轻盘燃料电池汽车车载储乳技术目标技术参数2025年最终指标体枳储氢密度/（kH21.-1.）0.0400.050侦录储氢密度/（kgH2kw1.）0.0550.065最低/最高工作温度，C-40/85-40/85最低/股高工作压力（绝对乐力）/bar*2yi2系统充满时间min3-53-5启动时间到全流价（20C至20'C）/S5-15515运行循环寿命（达祥至充满）/次循环151500氮气纯度/%99.97（符合或超过SA2719标准车我效率/%9090全生命周期效率/%6060蒸发损失目标30d后从初始的9S%可川容贵最大减1010少)/%储乳系统成本/Ck8-1H2储存）300266表5不同储疑技术关键指标对比储乳系统场鼠储氢密度/体枳储氧密度/储策系统成本/（$(kgH2kg1.><kgH21.-1.>kg1.H2>2bar压缩（铜腌）.5O1.H20.01580.017-700bar压缩为（IV型,单0.0420.024500Mf>.5.6kgH2700bar压缩1（IV型，两0.0570.041466500t*>.5.6kgH2液乳，5.6kgH2大小依赖于-0.07126670Obar低温压缩，S.6kgH20.Q690.0503500金属乳化物：NaAIH40.0120.0121430吸附剂:MOF-5,100bar,80k0.0380.021490化学储乳：氨珊烷化合物0.0460.0405S0DOE最终目标0.06S0.050266FCHJU2030目标0.0600.035338NED02030年目标0.0750.0711802.3存在问跑囿态储氢技术种类多样,各技术路线优法点明显，适用场块有所不同.按照DOE.FCHJU或NEDO设定的2030年技术发展目标，即使仅考虑JR量储氢密度、体枳储发密度和系统成本3个参数，现阶段仍没有储缭材料能达到要求，从技术成熟度来看，相比物理吸附储氢，金属乳化物化学储辄技术更接近商业化.特别是铁基储氢路线.但现阶段冏态储氢大规模应刖仍存在技术羟济同52.技术方面提升储氢材料性能及优化系统控制是关键，主要技术挑战包括低温、低压快速吸放双，廉价、环保、轻质、高容量储气材料开发以及装汽系统设计与控制管理优化等.另外储氮材料和系统集成的工程设计技术也面临挑战，并制约着吸放乳温度、氮循环速率、循环寿命等关城性能指标.储氢材料成本受有色金属原材料价格波动影响显著.固态储级整体处于示意阶段，不具备规模化生产储氧材料、承压容罂及阀门管道等比件的条件，V致固态储履系统成本偏高。相同储氮规模，离压气料和铁琥固态储履的投资、经济运输半径接近，适合20Okm以内短地离运输,液级远距离,大规模运输成本优势突出.但投资大.未来基于应川场景.开发新型谛乳材料.优化储辄材料制备及使用条件、充分发挥国内合金材料产业规模优势是加速固态储氢技术降本和应用的主要路径.3应用场景分析相比气态储氢和液态储氢，固态储级花储氢密度和本征安全性能方面优势明显。近年来铁基、蚊快系、班系固态谛班技术日趋成熟,示范应用取税突破.级枫能源、安泰创明等企业建成千吨级镁基储班材料生产税,产业魅上中下游合作加强，不断拓宽固定式、移动式细分应用场景。固态体乱应用场景见图2,图2固态储氢应用场景3.1固定式场景固定式应用场景对储氢系统重设不敏感,但对安全性、寿命