氣瓶、氫能與燃料電池行業(yè)市場規(guī)?，F(xiàn)狀分析

氣瓶、氫能與燃料電池行業(yè)市場規(guī)?，F(xiàn)狀分析

一、車載儲氫技術多元化，高壓氣態(tài)儲氫是主流路徑

1.1、車載儲氫技術是燃料電池重點突破環(huán)節(jié)

氫能的使用主要包括氫的生產(chǎn)、儲存和運輸、應用等方面，而決定氫能應用關鍵的是安全高效的氫能儲運技術。氫燃料電池車需要滿足高效、安全、低成本等要求。氫氣儲存技術滯后限制了氫能源在各類交通工具上大規(guī)模應用，車載儲氫技術的改進是未來氫燃料電池車發(fā)展的重點突破環(huán)節(jié)。燃料電池車解剖圖

目前，氫燃料電池車車載儲氫技術主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、高壓低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫等。35MPa氣態(tài)儲氫主要應用于商用車，如城市公交車、物流車、團體班車；70MPa氣態(tài)儲氫應用于乘用車；液態(tài)儲氫主要應用于軍事領域，民用推廣需要技術突破。

（1）從技術成熟方面分析，高壓氣態(tài)儲氫最成熟、成本最低，是現(xiàn)階段主要應用的儲氫技術，在行駛里程、行駛速度及加注時間等方面均能與柴汽油車相媲美，但如果對氫燃料電池汽車有更高要求時，該技術不適用；

（2）從質(zhì)量儲氫密度分析，液態(tài)儲氫、有機液體儲氫的質(zhì)量儲氫密度最高，能達到DOE的標準，但兩種技術均存在成本高等問題，且操作、安全性等較之氣態(tài)儲氫要差；

（3）從成本方面分析，液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫成本均較高，目前不適合推廣。不同氫氣儲運技術應用領域

1.2、高壓氣態(tài)車載儲氫已達可使用狀態(tài)

（一）高壓氣態(tài)儲氫是一種最常見、應用最廣泛的儲氫方式，其利用氣瓶作為儲存容器，通過高壓壓縮方式儲存氣態(tài)氫。其優(yōu)點是成本低、能耗相對小，可以通過減壓閥調(diào)節(jié)氫氣釋放速度，充放氣速度快，動態(tài)響應好，能在瞬間開關氫氣。

安全性方面，當溫度傳感器感應到外界溫度遠高于正常溫度時（一般超過100℃時），會自動打開閥門快速釋放瓶內(nèi)所有氣體。

根據(jù)應用方式的不同，高壓氣態(tài)儲氫分為車用高壓氣態(tài)儲氫和固定式高壓氣態(tài)儲氫。

車載氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要部件，由儲氫瓶及輔助系統(tǒng)（BOP）兩部分組成。隨著生產(chǎn)量的擴大，單位成本將在規(guī)模優(yōu)勢下逐步下降。從表中可以發(fā)現(xiàn)：

1)儲氫瓶成本結構中，濕法纏繞（碳纖維外層覆蓋）占比接近90%；

2)輔助系統(tǒng)成本結構中，組裝費用占比極低；

3)如果生產(chǎn)規(guī)模由1萬套/年提升至50萬套/年，車載氫系統(tǒng)總成本將下降38%，其中儲氫瓶與輔助系統(tǒng)成本下降幅度分別為20%/64%；碳纖維成本占比由45%上升至62%，成為影響最大的成本要素；車載氫系統(tǒng)成本車載氫系統(tǒng)成本（50萬套/年）

車載氫系統(tǒng)成本（1萬套/年）

金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（III型）：以6061鋁合金為內(nèi)膽外面全纏繞碳纖維，我國已開發(fā)35MPa和70MPa。其中35MPa已被廣泛用于氫燃料電池汽車，70MPa正逐步推廣。沈陽斯林達“70MPa高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)關鍵技術及應用”項目獲得了國家教育部科技進步一等獎。金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（III型）常見型號

（2）固定式高壓氣態(tài)儲氫

固定式高壓氣態(tài)儲氫主要應用在固定場所，如制氫廠、加氫站以及其他需要儲存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲氫長管和鋼帶錯繞式儲氫罐來儲氫。

大直徑儲氫長管：石家莊安瑞科氣體機械有限公司2002年在國內(nèi)率先研制成功20/25MPa大容積儲氫長管，并應用于大規(guī)模氫氣運輸。長管氣瓶材料為鉻鉬鋼4130X，強度高，具有良好的抗氫脆能力。

鋼帶錯繞式儲氫罐：鋼帶錯繞式儲氫罐目前有45Mpa和98Mpa兩種型號，如浙大與巨化集團制造生產(chǎn)的兩臺國內(nèi)最高壓力等級98MPa立式高壓儲罐，安裝在江蘇常熟豐田加氫站中。加氫站固定投資結構

加氫站的壓縮機、儲氣罐規(guī)模經(jīng)濟性顯著

1.3、其他車載儲氫方式尚不成熟

1.3.1、有機液體儲氫

有機液體儲氫技術借助某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲氫劑和氫氣產(chǎn)生可逆反應實現(xiàn)加氫和脫氫。與常見的高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體儲氫材料儲氫相比，有機液體儲氫具有以下特點：

1)反應過程可逆，儲氫密度高；

2)氫載體儲運安全方便，適合長距離運輸；

3)可利用現(xiàn)有汽油輸送管道、加油站等基礎設施。主要有機液體儲氫介質(zhì)氫陽能源“氫油”與汽油、柴油主要安全數(shù)據(jù)對比

1.3.2、低溫液態(tài)儲氫

低溫液態(tài)儲氫技術是將氫氣壓縮后冷卻到-252℃以下，使之液化并存放在絕熱真空儲存器中。與高壓氣態(tài)儲氫相比，低溫液態(tài)儲氫的質(zhì)量和體積的儲氫密度都有大幅度提高，通常低溫液態(tài)儲氫密度可以達到5.7%。僅從質(zhì)量和體積儲氫密度分析，運輸能力是高壓氣態(tài)氫氣運輸?shù)氖兑陨稀?/p>

1.3.3、金屬氫化物儲氫

金屬氫化物儲氫適用于對重量不敏感領域，該技術利用過渡金屬或稀土材料與氫反應，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫。合金儲氫材料的儲氫性能

二、高壓氣態(tài)儲氫應用依賴于車載氫瓶技術

2.1、我國氣瓶制造技術與國際存在一定差距

當前階段上述各種儲氫技術均已經(jīng)在車載中應用，我國與世界先進國家相比仍然存在一定差距：

（1）國內(nèi)IV型瓶研發(fā)滯后。國外乘用車已經(jīng)開始使用質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量儲氫密度更高的IV型瓶，而中國IV型瓶還處于研發(fā)階段，成熟產(chǎn)品只有35MPa和70MPaIII型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用車樣車上應用。IV型與III型瓶國內(nèi)外使用現(xiàn)狀

（2）碳纖維依賴進口。中國制造的III型瓶的主要原材料為碳纖維，由于研發(fā)起步晚、原材料性能差等原因，國產(chǎn)碳纖維還不能滿足車用儲氫瓶的要求，主要依賴進口。

（3）液氫儲罐汽車應用發(fā)展緩慢。國外液氫儲罐已在汽車上應用，而中國還未實現(xiàn)。通用汽車、福特汽車、寶馬汽車等都推出了使用車載液氫儲罐供氫的概念車，而中國可以自行生產(chǎn)液氫，但尚未將其應用于車載氫系統(tǒng)。國內(nèi)外儲氫瓶性能參數(shù)對比

儲氫氣瓶發(fā)展已有50多年的歷史，從鋼瓶到全復合材料氣瓶的研制成功，實現(xiàn)了向產(chǎn)品結構合理、質(zhì)量輕的巨大轉變。近年來，70MPa儲氫復合材料氣瓶已經(jīng)進入示范使用階段。國外從事復合材料氫氣瓶研發(fā)與生產(chǎn)代表性企業(yè)和科研機構有美國Quantum公司、美國通用汽車、美國Impco公司、加拿大Dynetek公司、法國空氣化工產(chǎn)品公司、日本汽車研究所和日本豐田公司等國際儲氫氣瓶技術研發(fā)情況

2.2、國內(nèi)以III型氣瓶為主，未來需向IV型過渡

復合材料儲氫氣瓶由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層、緩沖層。

（1）國內(nèi)內(nèi)襯材料多選用鋁合金。儲氫氣瓶進行充氣的周期可能較長，而氫氣在高壓下又具有很強的滲透性，所以氫氣儲罐內(nèi)襯材料要有良好的阻隔功能，以保證大部分的氣體能夠儲存于容器中。

（2）纖維纏繞層選用碳纖維作為增強材料。高強度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術而制備的復合材料氣瓶不僅結構合理、重量輕，而且良好的工藝性和可設計性在儲氫氣瓶制備上具有廣闊的應用空間。氣瓶長期在充氣放氣條件下使用，內(nèi)膽會產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著氣瓶的使用裂紋會不斷擴大，導致氣瓶的失效形式表現(xiàn)為“未爆先漏”。

車用氣瓶共分為四種類型：全金屬氣瓶(I型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(II型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III型)、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。I型和II型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質(zhì)量儲氫密度要求，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。采用金屬內(nèi)膽的III型氣瓶為我國在高壓氫氣瓶領域的主要研究方向。車用氣瓶性能參數(shù)比較國內(nèi)企業(yè)標準與國際標準比對

國內(nèi)企業(yè)采用III型（金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶）儲氫密度為3.9％，而IV型（非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶）的儲氫密度可以達到5.5％。通過相同外徑、容積和壓力（70MPa）的III型與IV型氫氣瓶進行比較可以清楚發(fā)現(xiàn)，IV型具有低成本、小重容、輕量化的優(yōu)勢。III型與IV型氫氣瓶成本、重量

III型與IV型氫氣瓶重容比

2.3、國內(nèi)以35MPa氣態(tài)氫為主，未來需向70MPa過渡

同等體積下，壓力越大儲氫量越高，車輛行駛里程就更遠?，F(xiàn)階段國內(nèi)主流氫燃料電池汽車使用的都是35MPa氣態(tài)氫，歐、美、日國家則是以70MPa為主。

國內(nèi)在35MPaIII型瓶有成熟產(chǎn)品，但是35MPa氣瓶的續(xù)航里程上對比純電動車沒有優(yōu)勢，必須采用70MPaIII型在燃料電池乘用車上才有續(xù)航里程的優(yōu)勢，但是70MPaIII型瓶國內(nèi)僅有個別廠家具有成熟產(chǎn)品。未來國內(nèi)氫燃料電池汽車市場也將會升級使用70MPa壓力的氣態(tài)氫，關鍵還在于成本。70MPa儲運成本比35MPa高10%（單位：$/kgH2）

三、高端碳纖維是制造儲氫瓶的核心材料

3.1、儲氫瓶等壓力容器是碳纖維主要下游需求之一

碳纖維是由有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈機構的無機纖維，是一種含碳量高于90%的無機纖維。按照原絲種類分類：碳纖維的原絲主要有聚丙烯腈（PAN）原絲、瀝青纖維和粘膠絲，由這三大類原絲生產(chǎn)出的碳纖維分別稱為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維占據(jù)主流地位，2018年產(chǎn)量占碳纖維總量的90%以上，粘膠基碳纖維還不足1%。聚丙烯腈（PAN）基碳纖維占碳纖維總量的90%（2018年）

碳纖維不僅具有高強度（強度比密度）及高比剛度（模量比密度）性能，還具有耐腐蝕、耐疲勞等特性，廣泛應用于國防工業(yè)以及高性能民用領域。2018年全球碳纖維需求9.26萬噸，其中航空航天、風電葉片、體育休閑占比居前，分別為23%/23%15%。壓力容器的碳纖維需求為6200噸，占比7%。壓力容器，尤其是燃料電池所需的氫氣瓶是未來的熱點。日本氫能源、氫經(jīng)濟，極大地刺激了國內(nèi)市場。為了推廣氫燃料汽車，豐田公司開放了所有相關的專利，其目的是形成一個新的行業(yè)標準。

氫氣瓶的核心技術，除了金屬閥門及各類傳感器之外，主要是外層高效、低成本碳纖維及纏繞成型。氫氣瓶的外層纏繞，會對碳纖維及其復合材料產(chǎn)生革命性影響。若未來燃料電池車大規(guī)模推廣，將極大提升碳纖維需求。汽車公司對碳纖維及復合材料工藝的成本控制將更加嚴苛，這將促進碳纖維低成本制備技術的進步。其次是成型效率問題，現(xiàn)有的濕法纏繞設備，需要在材料形態(tài)與效率上進行革命性的創(chuàng)新，才能滿足批量氫氣瓶的需求。壓力容器碳纖維需求占比7%（2018年）

完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。從石油、煤炭、天然氣均可以得到丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲，再經(jīng)過預氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，作為生產(chǎn)碳纖維復合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結合，形成碳纖維復合材料，最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終產(chǎn)品。碳纖維單位制配成本構成

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游和下游。上游通常是指生產(chǎn)碳纖維專用的材料；下游通常是指生產(chǎn)碳纖維應用部件的產(chǎn)品。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游屬于石油化工行業(yè)，主要通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈。碳纖維企業(yè)通過對以丙烯腈為主的原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進行預氧化、碳化等工藝制得碳纖維，通過對碳纖維和高質(zhì)量樹脂加工以獲得碳纖維復合材料從而滿足應用需求。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈

3.2、高端碳纖維制造產(chǎn)業(yè)被美、日壟斷

碳纖維行業(yè)發(fā)展空間巨大，與其他制造業(yè)相比具有如下特點：

（1）碳纖維行業(yè)屬于資本和技術密集型行業(yè)，行業(yè)壁壘高。碳纖維屬于高技術密集型產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量標準高、研發(fā)周期長、資金投入大，行業(yè)壁壘高。

（2）應用領域不斷拓展，潛在市場逐步成熟。碳纖維下游應用技術開發(fā)難度較高，碳纖維與樹脂、上漿劑等材料之間工藝參數(shù)必須系統(tǒng)配合，復合材料設計與成型需要一體化，下游領域的應用開發(fā)需要較長的研發(fā)過程。加之研發(fā)投入大、生產(chǎn)成本高，導致碳纖維應用范圍長期局限在航空航天和高端民用領域。

（3）日本及歐美領先企業(yè)壟斷全球市場。由于碳纖維生產(chǎn)工藝流程復雜、研發(fā)投入巨大、研發(fā)周期較長，使得國際上真正具有研發(fā)和生產(chǎn)能力的碳纖維公司屈指可數(shù)。美國注重原始創(chuàng)新，日本擅長精細化生產(chǎn)，在碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中各具優(yōu)勢。日本東麗、美國赫克塞爾壟斷航空航天高性能碳纖維市場。

（4）市場和政府在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。碳纖維與國防工業(yè)密不可分，市場和政府在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。美國和日本采取以市場為主的模式，主要依靠大企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)，同時供應民用和國防應用領域。拉伸強度和拉伸模量是衡量碳纖維性能的兩大重要指標。日本東麗聚丙烯腈（PAN）基碳纖維牌號分類

從全球碳纖維市場的份額劃分看，國際碳纖維市場依然為日、美企業(yè)所壟斷。

根據(jù)模量可以分為4大類碳纖維品種，包括標模（小絲束）、標模（大絲束）、中模量、大模量。其中后兩種碳纖維主要應用于航天航空領域，2018年中模量1.69萬噸及高模量0.12萬噸的需求中，有95%以上來自波音、空客等航天公司。從產(chǎn)業(yè)角度來看，標模大絲束（俗稱T300級別大絲束），生產(chǎn)難度大于標模小絲束（俗稱T800級別小絲束）。4大類碳纖維品種需求量及占比（2018年）

在小絲束碳纖維市場上，