作者：孙云鹤

 本文共5200字，阅读需要25分钟。

氢的高密度储存一直是一个世界级难题。

当前制约氢燃料电池发展的三大障碍：质子交换膜燃料电池价格较高；氢的高密度储存技术未有显著突破；从生产到加注的供氢基础设施的缺乏。

三者中制氢和用氢两端的技术难度已非不可逾越，氢燃料电池的寿命和成本也已不再是瓶颈，但储氢技术的革新和突破始终是无法绕过去的中间核心环节。

解决储运氢的密度问题很大程度上影响了氢能和燃料电池产业大规模进入市场的步伐。

（一）氢能市场分析

氢能市场规模

我国是世界第一大产氢国。2012年，我国氢气产量约为1600万吨，2017年达到1915万吨，年均增长率约为3.66%。氢能已经被纳入我国能源战略，成为我国优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。

根据规划，2020年，我国以能源形式利用的氢气产能规模将达到720亿m3；加氢站数量达到100座；燃料电池车辆达到10000辆；氢能轨道交通车辆达到50列；行业总产值达到3000亿元。 2030年，氢能产业将成为我国新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分，产业产值将突破10000亿元；加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆。2050年，氢能市场规模到达40000亿人民币。

图1 中国氢能产业基础设施发展蓝皮书

资料来源：《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》

氢储能应用规模

我国氢能的应用场景有三种，分别为：传统石油化工生产的原材料、可再生能源储能发电、氢燃料电池为核心的能源网络。目前，传统石化生产应用领域占据95%的氢能应用份额，氢能源在新能源领域的5%应用份额集中在储能和燃料电池方面。清华大学核能与新能源技术研究院毛宗强教授预计，到2030年我国将成为世界最大的氢能与燃料电池市场，2040年氢能将会成为我国主体能源，消费占比将达到10%，2050年将达到18%。

储能端——目前，新能源领域的氢能与燃料电池市场中，氢的运输成本在氢气交货成本中占约6%左右，而制氢和储运氢的成本占加氢站终端氢气售价的70%。大致推算氢气储运的市场规模将占到氢能市场的10%-20%。

图2 氢能作为储能介质的应用领域

资料来源：莫尼塔研究

（二）储氢行业技术分析

目前，全球氢气储运主要有以下四种方式：

1、高压气态储氢；

2、低温液态储氢；

3、固态储氢；

4、有机液态储氢等。

1. 高压气态储氢技术（10家代表公司）

高压气态储氢是现在最常用并且发展比较成熟的储氢技术，其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。国外普遍使用70MPa压力标准的Ⅳ型碳纤维瓶，我国目前普遍为35MPa的Ⅲ型钢瓶。原本高压储氢量就小，对比下来，国内的高压储氢重量比国际水平低更多，氢气重量尚不到储氢瓶重量的1%，只能适合小规模、短距离的运输场景。

国内市场推广的高压加氢站，初期不含土地费用的建设成本就高达1200万-2000万元，且后期运维成本较高，投入产出比较低。

图3 Ⅳ型储氢罐的解剖示意图

资料来源：公开资料

根据生产和使用的应用方式不同，高压储氢设备大致可分为三种：车用高压储氢容器、高压氢气运输设备、固定式高压氢气储存设备。

表1 三种高压储氢设备的特点

资料来源：香橙会研究院整理

虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍，但是体积比容量小，未达到美国能源部（DOE）制定的发展目标，是该技术一个致命的弱点。除此之外，高压气态储氢存有泄漏、爆炸的安全隐患，因此安全性能有待提升。未来，高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。国内目前生产高压储氢罐的优质企业有京城股份、中材科技、中集安瑞科等；具备高压储氢系统生产能力的企业有舜华新能源、伯肯节能等。

2. 低温液态储氢技术（6家代表公司）

液态氢的密度是气体氢的845倍，如果氢气能以液态形式存在，储运会变得简单安全，将大幅减小体积占比，适合长距离运输。但要把气态氢变成液态并不容易，液化1kg的氢气需要耗电15.2 kWh，此值大约是氢气低热值的一半，这就增加了储氢和用氢的成本。此外，液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器，储存容器需要抗冻、抗压以及必须严格绝热，运输过程中不可避免的气化和液氢容器必须保持常压的条件，其必然结果就是要不断向大气释放氢气。

随着氢燃料电池汽车的普及，大规模储运氢的方向之一就是液氢储运，1000+ kg/天的加氢站将成为主流。目前，国际上300多座落成的加氢站中，已有约1/3采用液氢进行储运，采用液氢储运方式的加氢站建造、运行成本低，有利于加氢站的基础建设。

液氢的生产和储运涉及到很多核心部件和关键技术，主要方向分为三块：氢液化设备、液氢储运设备和液氢加氢站设备。

表2 三种液氢应用方向介绍

资料来源：香橙会研究院整理

低温液态储氢在全球的加氢站中有较大范围的应用。但是在车载系统中的应用不成熟，存有安全隐患。我国的液氢工厂仅为航天火箭发射服务，受法规所限，还无法应用于民用领域。并且，受限于技术，国内的应用成本很高。国内目前有液氢储运技术储备和产业化能力的企业有富瑞氢能、中科富海等。

3. 固态合金储氢技术（5家代表公司）

固态储氢方式是利用过渡金属或合金与氢反应，以金属氢化物形式吸附氢，然后加热氢化物释放氢。稀土类化合物（LaNi5）、钛系化合物（TiFe）、镁系化合物（Mg2Ni）以及钒、铌、镐等金属合金等都是合适的金属储氢材料，能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方式的不足，且储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全等，特别适合对体积要求较严格的场合，如在燃料电池汽车上的使用，是最具发展潜力的一种储氢方式。储氢材料种类非常多，主要可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢。化学氢化物储氢的最大特点是储氢量大，目前所知的就有至少16种材料理论储氢量超过DOE最终目标6.5 wt.%，有不下6种理论储氢量大于12 wt.%。

固态储氢的储氢密度与高压气态储氢相比优势明显。有实验数据验证分析，低压固态合金AB2储氢装置单元（压力5MPa，有效储氢量为8.4kg，体积376.9L）与高压气态储氢罐组单元（压力35MPa，有效储氢量为9.5kg，体积1295.8L），在相同体积下，固态低压合金储氢装置，压力降低为高压气瓶的1/7，有效储存的氢气质量为高压气瓶的3倍。

图4 高压储运氢与固态镁基储运氢能耗对比

资料来源：镁源动力，香橙会研究院

另外，合金储氢技术简化了加氢站的建设，企业不用进口昂贵的隔膜式压缩机和其他硬件，只需常规20MPa压力的长管拖车即可，使初始建设成本降至700万元以下，占地面积仅为约500平方米。更重要的是，低压加氢站日供氢量完全取决于长管拖车和加氢口的周转率，终端用户的氢气使用成本（含气体提纯）可降至20-30元/kg。

目前在固态合金储氢和车用储氢装置配套给燃料电池供氢的用量还不大，且产业化成果鲜有突破，国内固态储氢代表企业有稀土储氢材料的北京浩运金能、厦门钨业，和镁基储氢材料的镁源动力和中日合资公司镁格氢动。

表3 两种固态储氢技术和公司

资料来源：香橙会研究院整理

稀土储氢公司——浩运金能

北京浩运金能是一家专注于固态储氢材料及储氢解决方案的公司。其利用稀土储氢材料做成的金属氢化物储氢装置，可以实现3 MPa以下的低压高密度储运，同时由于放氢速度受温度控制，安全性大大提升，体积储氢密度可超过30 g/L。

从成本角度考量，稀土合金材料在氢储运端的应用成本较高，这源于稀土高原料价格，而稀土金属分子量导致的较大自重也增加了运输成本；从应用端考量，稀土合金材料最大的应用是镍氢电池，用于混合电动汽车（HEV）等，而直接在燃料电池汽车的应用还有较大距离。

镁基合金储氢公司——镁源动力

镁源动力主要从事镁基储氢材料及其电池系统的研发和生产、销售。团队核心来自于上海交通大学和轻合金精密成型国家工程研究中心，2015年全球范围内率先攻克镁基储氢材料——氢化镁的大批量生产技术。技术路线有两种储放氢技术路线：a.可逆储放氢，主要应用于大型储运氢系统；b.水解产氢，主要应用于备用电源、无人机、健康等领域。

公司最主要的业务-储氢系统的可逆储放氢在1.4MPa常压可控温的条件下实现材料的可逆循环使用，突破了固态合金材料吸放氢的动力学限制，且吸放氢循环测试已达到3500次，储氢量做到了6.5 wt.%（55 g/L），储运氢整体质量密度达到4%（高压储氢密度尚不到储氢瓶重量的1%），加之原料镁的质量轻、价格更具经济性，是大型储运氢系统的理想材料。

4. 有机液态储氢技术（3家代表公司）

有机液体储氢是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应来实现储氢，近年来备受关注。有机液体具有高质量储氢密度和高体积储氢密度，现常用材料（如环己烷、甲基环己烷、十氢化萘等）均可达到规定标准，并且可用现有管道设备进行长期储存和远距离运输，一定程度上解决能源短缺问题。

在成本上，氢油（有机液态储氢的化合物）加注站只有高压加氢站的1/50，一个氢油加注站的建设成本在30万元左右，成本低得多，并且可以与现有汽柴油站并站，无须新建。

但有机液体储氢在实际应用时存在很多不足：技术操作条件较为苛刻，要求催化加氢和脱氢的装置配置较高，导致费用较高；脱氢反应需在低压高温非均相条件下，否则脱氢反应效率较低，且容易发生副反应，使得释放的氢气不纯。并且由于冷启动和补充脱氢反应能量需要燃烧少量有机化合物，因此该技术很难实现“零排放”目标。

在有机液态储氢材料的应用端，主要有以下三种领先的技术：

表4 三种有机液态储氢技术

资料来源：香橙会研究院整理

有机液体储氢技术的发展在国外如日本，由政府主导，8个部门一起协作，诸多知名公司如日本岩谷、丰田等都在积极参与，目前在储氢载体的选择上进展缓慢。在中国已有所成就，代表是以普林斯顿大学归国博士程寒松教授为技术核心的武汉氢阳能源，选用的有机液态储氢材料为氮乙基咔唑。2016年9月到2018年6月，武汉氢阳能源陆续联合扬子江汽车集团开发成功全球首台常温常压液态有机供氢的燃料电池汽车工程样车“泰歌号”和第二代氢燃料电池客车“氢扬号”；与湖北三环集团合作研制成功全球首台基于液体有机储氢技术的氢燃料电池物流车“新氢卡”。

（三）总结与发展判断

综上，四种储氢方式各自的特点我们总结如下表：

表5 四种储氢方式各自的优点和缺点对比

资料来源：香橙会研究院整理

通过比较可以给出如下几个判断：

1、高压储氢使用方便，但储氢量小和安全隐患的缺点显而易见。长期来看在满足氢能规模利用的需求方面存在不足，而通过高压来增加续航能力始终是个安全和产业化之间的悖论。

2、低温液化储氢技术的储氢量较高。但是目前的用氢量囿于成本和能耗问题，使其无法规模化利用。在氢能产业规模扩大、配套设备和技术提升之后未来可期。

3、固态合金储氢技术的综合性能突出，若能通过动力学控制提高材料的热交换效率，将其吸放氢性能提升，则固态合金储氢的实际应用将得以广泛实现。

4、有机液态储氢不改变目前的能源经济结构，可利用现有汽油输送方式和加油站构架建设氢油站，如能突破复杂制备技术、有效解决脱氢效率低的问题，在产业普及阻碍上相比较小。

说明：本文参考了部分香橙会研究院《氢能和燃料电池产业链分析报告（2018年》。欲了解更多，可与后台联系。

香橙会研究院是上海大智慧股份有限公司（601519.SH）旗下子公司，是全球领先的氢能服务机构。提供数据研报、资讯PR、政府招商、战略咨询、融资FA等服务。

（来源：香橙会的财富号 2019-03-04 10:28） [点击查看原文]