面向氫儲能的高性能固態(tài)儲氫材料開發(fā)與應(yīng)用鄒建新2025.09.11上海交通大學(xué)材料學(xué)院氫科學(xué)中心上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1研究背景2研究進(jìn)展2.1固態(tài)儲氫材料開發(fā)2.2固態(tài)儲氫技術(shù)應(yīng)用3結(jié)論展望目

錄S

J

T

U推動能源低碳化和綠色發(fā)展傳統(tǒng)化石燃料大量消耗

1.1研究背景太陽能、

風(fēng)能潮汐能、

氫能資源枯竭、

環(huán)境污染

溫室效應(yīng)、

全球變暖能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型勢在必行31.2氫能的應(yīng)用與挑戰(zhàn)制氫儲運(yùn)氫用氫高效安全的氫儲運(yùn)技術(shù)——?dú)淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸！4氫能——實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要能源載體不能滿足

應(yīng)用要求儲運(yùn)H2H2工業(yè)副產(chǎn)制氫電解水制氫煤基制氫應(yīng)用端供給端（可再生能源發(fā)電）氫儲能氫工業(yè)氫農(nóng)業(yè)氫醫(yī)學(xué)氫交通瓶頸1.3現(xiàn)有儲氫技術(shù)固態(tài)儲氫關(guān)鍵材料：

臨氫材料

，

低貴金屬催化劑

，

儲氫材料?

體積儲氫密度高?

安全性高?

未形成規(guī)模?

運(yùn)輸方便?

氫氣純度低?

需合成與裂解?

技術(shù)成熟?

安全性低?

體積密度低?

儲氫量大?

液化能耗高?

低溫、

揮發(fā)高壓氣氫低溫液氫富氫液體儲氫密度儲氫密度儲氫密度5目

錄1研究背景2研究進(jìn)展2.1固態(tài)儲氫材料開發(fā)2.2固態(tài)儲氫技術(shù)應(yīng)用3結(jié)論展望S

J

T

U

固態(tài)儲氫材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用要求

資

源

和

成

本

可

滿

足

規(guī)

模

需

要

性

能滿

足

不同

應(yīng)

用

場

景

需

求質(zhì)量/體積儲氫密度儲放氫熱/動力學(xué)、

循環(huán)壽命、

操作溫度

71958-ZrNiH3

Libowitz1968-鎂系Mg2

NiReilly,Wiswall1974-鈦系Ti

FeReilly,Wiswall

固態(tài)儲氫特點(diǎn)?

儲氫密度高?

反應(yīng)簡單可逆、無副反應(yīng)?

放氫反應(yīng)需要熱

，安全性好?

充/放氫條件范圍寬

，適用性廣固態(tài)儲氫材料發(fā)展歷程1990s-碳材料物理吸附2000s-金屬有機(jī)框架吸附

固態(tài)儲氫材料：

利用物理吸附/化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)作用儲存氫氣的一類固態(tài)材料1997-復(fù)雜氫化物NaAl

H4

Bogdanovic1969-稀土系A(chǔ)B5型Philips實(shí)驗室1966-Zr基AB2型Pebler固態(tài)儲運(yùn)氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用類型MOF基AB型AB2型AB5型Mg基典型代表MOF-74，

UiO-66FeTiTiMn2

，ZrMn2LaNi5Mg，

Mg-Ni質(zhì)量儲氫密度4~14.5wt.%~1.9wt.%1.8~2.4wt.%1.4wt.%5.5~7.6wt.%活化性能無需活化活化極為困難初期活化困難易活化易活化吸放氫性能低溫吸放氫室溫吸放氫室溫吸放氫快、壓力高室溫吸放氫快高溫吸放氫循環(huán)穩(wěn)定性非常好反復(fù)吸放氫后性能下降一般好好抗毒化性能對水敏感，可高溫除去抗雜質(zhì)氣體中毒能力差一般不易中毒不易中毒（對水較敏感）材料成本未市場化，價格高~0.6W/kg

H2~0.7W/kg

H2~1.4W/kg

H2~0.15W/kgH2典型固態(tài)儲氫材料8粉體材料

，

在100

bar和77

K條件下

，

儲氫密度為4.5wt.%

(42g/L)

；

壓塊后儲氫密度為4.5wt%

(33g/L)

；

一分鐘內(nèi)完成吸放氫；

1000次循環(huán)無性能衰減。MOF-808-mc塊體材料儲氫性能Li

Z.Zou

J.X.et

al.Adv.

Energy

Mater.2025,

e03295.9MOF塊體和儲氫罐系統(tǒng)

(2.4

L)：

在100

bar和77

K條件下

，

填充1.4

kg

MOF,可儲存72g

H2;該系統(tǒng)可在30分鐘內(nèi)完全釋放100%

H2且材料1000次循環(huán)無衰減。MOF-808-mc吸附儲氫系統(tǒng)性能Li

Z.Zou

J.X.et

al.Adv.

Energy

Mater.2025,

e03295.empty

tank

wof

pellet

10循環(huán)壽命高熱導(dǎo)高密度Ti基儲氫合金塊床體有效熱導(dǎo)率最大9.56W/m/K床體有效熱導(dǎo)率3

MPa&298

K塊體最大儲氫量>1.7wt%循環(huán)壽命>3000次較粉體提高64倍較普通塊體提高7倍塊體180s內(nèi)吸氫至1.6wt%材料熱導(dǎo)率11.72W/m/K室溫放氫11455×289×170mm鰭片實(shí)物

多瓶組實(shí)物25℃空冷&4MPa50℃熱風(fēng)&0.1MPa恒流放氫性能預(yù)測平均放氫速率：

15.5

L/min釋放90%氫氣12

多瓶組鈦基儲氫系統(tǒng)減重優(yōu)化放氫速率不變系統(tǒng)減重7.4kg

多瓶組鈦基儲氫系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計儲氫量250g(3個1.4L鋁瓶)耦合充放氫過程的外鰭片拓?fù)鋬?yōu)化流程鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫材料的優(yōu)勢

簡單反應(yīng)/無副產(chǎn)物/控制性良好

可在多種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)輸

高純度

儲氫密度最大可達(dá)7.6wt%(110g/L)

可多種方式放氫

材料可回收

對環(huán)境友好

，無三害產(chǎn)生

資源豐富

，全球已開采鎂礦中

，90%在國內(nèi)

鎂作為常見金屬

，價格便宜

，不限制進(jìn)出口技術(shù)優(yōu)勢環(huán)境優(yōu)勢Mg+H2

=MgH2MgH2

+2H2O=Mg(OH)2

+2H2鎂基固態(tài)儲氫材料性能優(yōu)勢資源優(yōu)勢13鎂基儲氫材料基礎(chǔ)研究Lu

C.Zou

J.X.et

al.

Journal

of

Materials

Chemistry

A,

2019,

7:

14629美國專利：

US2021/0046550A1

Mg@TM儲氫材料核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

材料免活化首次吸氫量可達(dá)6.477wt%14鎂基儲氫材料基礎(chǔ)研究?儲氫容量4.1wt%

，起始放氫溫度低至140℃。?200℃進(jìn)行快速吸放氫循環(huán)60次無明顯容量和動力學(xué)衰減。

基于穩(wěn)定第二相分散的鎂基復(fù)合儲氫材料

長使用壽命Zhu

W.,Zou

J.X.et

al.

ACS

Nano,2021美國專利：

US

12,227,413

B2,

15,

11,

18494.15Lin

X.,Zou

J.X.et

al.

Chemical

Eng

J,

2023,

472:

144鎂基固態(tài)儲氫裝置試驗與模擬

75kg級鎂基固態(tài)儲氫罐的原型試驗

鎂基固態(tài)儲氫罐的數(shù)值模擬不同換熱介質(zhì)流速對溫度和放氫速率影響2

m/s流速的換熱介質(zhì)溫度分布鎂基固態(tài)儲氫罐及其測試系統(tǒng)鎂基固態(tài)儲氫罐試驗結(jié)果94316目

錄1研究背景2研究進(jìn)展2.1固態(tài)儲氫材料開發(fā)2.2固態(tài)儲氫技術(shù)應(yīng)用3結(jié)論展望S

J

T

U2.2鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫系統(tǒng)

20尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱

總質(zhì)量30噸

裝填15.6噸鎂基儲氫材料

最大儲氫量1.1噸

常溫常壓運(yùn)輸

智能安全控制

噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫車（槽罐式

，

國際能源署Hydrogen

TCP獎）槽罐式噸級鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫裝置18

鎂基固態(tài)儲運(yùn)氫加氫站

Mg

based

solid

state

hydrogen

storage

and

refueling

station壓縮機(jī)Compressors加熱系統(tǒng)Heatingsystem鎂基儲氫罐Mg

based

hydrogen

storagetank氫氣系統(tǒng)Hydrogensystem加氫站Refuelingstation19鎂基氫-熱聯(lián)儲系統(tǒng)原理鎂基氫-熱聯(lián)儲系統(tǒng)原型利用鎂基儲氫-材料儲熱的氫-熱耦合過程

，

實(shí)現(xiàn)了低能耗綠氫儲存與釋放固態(tài)綠氫儲能系統(tǒng)應(yīng)用熱交換鎂基材料熱交換鎂基材料儲熱材料儲熱材料充

氫放

氫20浦江特氣充氫并運(yùn)輸至交大

直接充氫至~1.64wt%

金山區(qū)閔行區(qū)21鎂基-鈦基固態(tài)儲氫耦合應(yīng)用解決分布式、

小規(guī)模固態(tài)儲氫裝備充氫的問題支撐“氫進(jìn)萬家”快速插頭

鎂合金儲氫罐→Ti基儲氫瓶

(無增壓)單瓶/多瓶組固態(tài)儲氫叉車/自行車/物流車固態(tài)儲氫多瓶組及固態(tài)儲氫燃料電池叉車/三輪物流車應(yīng)用22目

錄1研究背景2研究進(jìn)展2.1固態(tài)儲氫材料開發(fā)2.2固態(tài)儲氫系統(tǒng)應(yīng)用3結(jié)論展望S

J

T

U基于固態(tài)儲氫的氫能“制-儲-運(yùn)-用”全產(chǎn)業(yè)鏈

氫冶金

燃料電池發(fā)電固態(tài)儲氫儲運(yùn)氫

制氫固態(tài)儲氫應(yīng)用

場

景用氫

24大規(guī)模儲能…>新能源發(fā)電電解水制氫電網(wǎng)供電氫氣加注氫進(jìn)萬家分配上網(wǎng)中國水電光電制氫

儲運(yùn)氫綠電綠氫全球跨區(qū)域Kent

(8.40$/kg)

Jiuquan

(3.40$/kg)California(4.59$/kg)Jeddah

(3.21$/kg)Queensland

(4.09$/kg)

u預(yù)計到2050年

，基于PV-SOEC的綠氫生產(chǎn)技術(shù)將使氫氣生產(chǎn)成本降至1.4-1.7

$

kg-1

，如中國酒泉~1.47

$

kg-1

，澳大利亞昆士蘭

~

1.52$

kg-1

，

美國加利福尼亞州~1.64$

kg-1。Wang

X.S.,Zou

J.X.,et

al.Energy

&

Enviro.

Sci,

2024,

17:8429Wang

X.S.,Zou

J.X.,et

al.Renew&

Sustain.

Energy

Review,

2025,

219:115881

25固態(tài)制儲氫一體化的綠氫“制-儲-運(yùn)-用”技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估中國/全球大規(guī)?！爸?儲”

氫經(jīng)濟(jì)性評估風(fēng)

電

核

電交

通化工氫進(jìn)萬家發(fā)電可再生能源太陽能風(fēng)能3結(jié)論展望未來：

氫-電耦合的能源綜合利用方式

，

儲能方式多樣化發(fā)