车载储氢行业发展分析报告.docx
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2019年车载储氢行业发展分析报告
2019年车载储氢行业发展分析报告
2019年6月
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2019年车载储氢行业发展分析报告
目 录
1、车载储氢技术多元化，高压气态储氢是主流路径 3
1.1、车载储氢技术是燃料电池重点突破环节 3
1.2、高压气态车载储氢已达可使用状态 4
1.3、其他车载储氢方式尚不成熟 9
1.3.1、有机液体储氢 9
1.3.2、低温液态储氢 10
1.3.3、金属氢化物储氢 11
2、高压气态储氢应用依赖于车载氢瓶技术 12
2.1、我国气瓶制造技术与国际存在一定差距 12
2.2、国内以III型气瓶为主，未来需向IV型过渡 14
2.3、国内以35MPa气态氢为主，未来需向70MPa过渡 16
3、高端碳纤维是制造储氢瓶的核心材料 17
3.1、储氢瓶等压力容器是碳纤维主要下游需求之一 17
3.2、高端碳纤维制造产业被美、日垄断 20
3.3、我国碳纤维对外依存度超过70%，产能集中度逐步提高 23
（1）产能千吨以上：
8家公司。
24
（2）产能在500-1000吨之间：
4家公司 24
4、总结建议 25
4.1、气瓶制造企业加速高压储氢瓶研发 25
4.2、国内高端碳纤维产品研发能力逐步提升 29
5、风险分析 31
32
1、车载储氢技术多元化，高压气态储氢是主流路径
1.1、车载储氢技术是燃料电池重点突破环节
氢能的使用主要包括氢的生产、储存和运输、应用等方面，而决定氢能应用关键的是安全高效的氢能储运技术。
氢燃料电池车需要满足高效、安全、低成本等要求。
氢气储存技术滞后限制了氢能源在各类交通工具上大规模应用，车载储氢技术的改进是未来氢燃料电池车发展的重点突破环节。
图1：
燃料电池车解剖图
为了达到性能要求，众多研究机构对车载储氢技术提出了新标准，其中美国能源部（DOE）公布的标准最具权威性——质量储氢密度为7.5％，体积储氢密度为70g/L，操作温度为40~60℃。
目前，氢燃料电池车车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、高压低温液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢等。
35MPa气态储氢主要应用于商用车，如城市公交车、物流车、团体班车；70MPa气态储氢应用于乘用车；液态储氢主要应用于军事领域，民用推广需要技术突破。
从技术成熟方面分析，高压气态储氢最成熟、成本最低，是现阶段主要应用的储氢技术，在行驶里程、行驶速度及加注时间等方面均能与柴汽油车相媲美，但如果对氢燃料电池汽车有更高要求时，该技术不适用；从质量储氢密度分析，液态储氢、有机液体储氢的质量储氢密度最高，能达到DOE的标准，但两种技术均存在成本高等问题，且操作、安全性等较之气态储氢要差；从成本方面分析，液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢成本均较高，目前不适合推广。
表1：
不同氢气储运技术应用领域
1.2、高压气态车载储氢已达可使用状态
高压气态储氢是一种最常见、应用最广泛的储氢方式，其利用气瓶作为储存容器，通过高压压缩方式储存气态氢。
其优点是成本低、能耗相对小，可以通过减压阀调节氢气释放速度，充放气速度快，动态响应好，能在瞬间开关氢气。
国际主流技术以铝合金/塑料作为氢瓶内胆用于保温，外层则用3公分左右厚度的碳纤维进行包覆，提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。
氢瓶阀门处利用细长的管道将几组氢瓶进行串联，并加装温度传感器等监控设备。
安全性方面，当温度传感器感应到外界温度远高于正常温度时（一般超过100℃时），会自动打开阀门快速释放瓶内所有气体。
根据应用方式的不同，高压气态储氢分为车用高压气态储氢和固
定式高压气态储氢。
车用高压气态储氢
车用高压气态储氢主要应用于车载系统，大多使用金属内胆碳纤维全缠绕气瓶（III型）和塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶（IV型）。
当前国内车载系统中主要以III型瓶为主，国内有科泰克、北京天海、沈阳斯林达、中材、富瑞特装等多家车用氢瓶生产企业。
我国已经完成能够适用于35MPa和70MPa的高压储氢瓶的相应标准GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶》，于2017年12月29日发布，2018年7月1日开始实施。
标准规定了车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标注、包装运输和存储等要求，保障了高压储氢气瓶的安全性。
车载氢系统是燃料电池汽车的重要部件，由储氢瓶及辅助系统
（BOP）两部分组成。
随着生产量的扩大，单位成本将在规模优势下逐步下降。
从表2中可以发现：
储氢瓶成本结构中，湿法缠绕（碳纤维外层覆盖）占比接近90%；
辅助系统成本结构中，组装费用占比极低；
如果生产规模由1万套/年提升至50万套/年，车载氢系统总成本将下降38%，其中储氢瓶与辅助系统成本下降幅度分别为
20%/64%；碳纤维成本占比由45%上升至62%，成为影响最大的成本要素；
表2：
车载氢系统成本
图2：
车载氢系统成本（50万套/年）图3：
车载氢系统成本（1万套/年）
金属内胆碳纤维全缠绕气瓶（III型）：
以6061铝合金为内胆外面全缠绕碳纤维，我国已开发35MPa和70MPa。
其中35MPa已被广泛用于氢燃料电池汽车，70MPa正逐步推广。
沈阳斯林达“70MPa高压气态储氢系统关键技术及应用”项目获得了国家教育部科技进步一等奖。
表3：
金属内胆碳纤维全缠绕气瓶（III型）常见型号型号
塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶（IV型）：
以塑料内胆外面全缠绕碳纤维，国外乘用车以该类型为主，如日本丰田、挪威Hexagon。
图4：
日本丰田高压储氢瓶
图5：
挪威Hexagon高压储氢瓶
固定式高压气态储氢主要应用在固定场所，如制氢厂、加氢站以及其他需要储存高压氢气的地方。
目前主要使用大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐来储氢。
大直径储氢长管：
石家庄安瑞科气体机械有限公司2002年在国内率先研制成功20/25MPa大容积储氢长管，并应用于大规模氢气运输。
长管气瓶材料为铬钼钢4130X，强度高，具有良好的抗氢脆能力。
钢带错绕式储氢罐：
钢带错绕式储氢罐目前有45Mpa和98Mpa
两种型号，如浙大与巨化集团制造生产的两台国内最高压力等级
98MPa立式高压储罐，安装在江苏常熟丰田加氢站中。
图6：
丽江氢气加气站及45Mpa储氢瓶组
目前单座加氢站投资规模（不包括土地）约1500万人民币，固定投资主要包括压缩机、储气罐、分配器、预冷器等设备及安装费用，占比分别为13%/18%/13%/7%/20%。
随着市场规模的扩大，在规模经济的影响下，压缩机、储气罐单位成本下降幅度较大。
根据AhmadMayyas在论文《Manufacturingcompetitivenessanalysisforhydrogenrefuelingstations》测算数据，如果需求量每年由10家增长至100家，那么单位压缩机、储气罐价格将由14.5/32万美元下降至4.6/17.6万美元。
图7：
加氢站固定投资结构
表4：
加氢站的压缩机、储气罐规模经济性显著
1.3、其他车载储氢方式尚不成熟
1.3.1、有机液体储氢
有机液体储氢技术借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气产生可逆反应实现加氢和脱氢。
与常见的高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢材料储氢相比，有机液体储氢具有以下特点：
反应过程可逆，储氢密度高；
氢载体储运安全方便，适合长距离运输；
可利用现有汽油输送管道、加油站等基础设施。
有机液体储氢关键在于选择合适的储氢介质。
目前研究中主要采用的储氢介质包括环乙烷、乙基咔唑等。
环己烷利用苯-氢-环己烷可逆化学反应来实现储氢，具有较高的储氢能力，在常温下为液态，脱氢产物苯在常温常压下也是液态，方便运输。
甲基环己烷脱氢产生氢气和甲苯，且甲基环己烷和甲苯在常温常压下都是液体，因此，甲基环己烷也是比较理想的储氢载体。
表5：
主要有机液体储氢介质
液体有机储氢材料最大的特点就是常温下为液态，能够方便地运输和储存。
武汉氢阳研发了一种稠杂环有机分子作为有机液体储氢材料，储氢高达58g/L，并可在常温常压下利用管道、槽罐车等运输。
该有机液体储氢材料已经投入应用。
其推出的新型有机液态储氢材料安全指标远高于汽油、柴油等传统能源。
表6：
氢阳能源“氢油”与汽油、柴油主要安全数据对比
1.3.2、低温液态储氢
低温液态储氢技术是将氢气压缩后冷却到-252℃以下，使之液化并存放在绝热真空储存器中。
与高压气态储氢相比，低温液态储氢的质量和体积的储氢密度都有大幅度提高，通常低温液态储氢密度可以达到5.7%。
仅从质量和体积储氢密度分析，运输能力是高压气态氢气运输的十倍以上。
在欧美日等国家，液氢应用相对比较成熟，在运输、加氢站和车载中都有应用。
我国液氢目前主要应用在航天领域，以及少数的电子行业。
航天101所在液氢的制备、储运、应用上都有成熟的经验。
相关部门正在研究制定液氢民用标准，车用液氢技术研究正在进行中，未来液氢将应用在一些长途、重型商用车，以及加氢站中。
1.3.3、金属氢化物储氢
金属氢化物储氢适用于对重量不敏感领域，该技术利用过渡金属或稀土材料与氢反应，以金属氢化物形式吸附氢，然后加热氢化物释放氢。
当金属单质作为储氢材料时，能获得较高的质量储氢密度，但释放氢气的温度高，一般超过300℃。
为了降低反应温度，目前主要使用LaNi5、Ml0.8Ca0.2Ni5、Mg2Ni、Ti0.5V0.5Mn、FeTi、Mg2Ni等AB5、A2B、AB型合金，合金储氢材料的操作温度均偏低，质量储氢密度为1％~4.5％。
由于储氢合金具有安全、无污染、可重复利用等优点，已在燃气内燃机汽车、潜艇、小型储氢器及燃料电池车中开发应用。
浙江大学成功开发了燃用氢-汽油混合燃料城市节能公共汽车，其使用的是Ml0.8Ca0.2Ni5合金储氢材料，在汽油中掺入质量分数为4.5％的氢，使内燃机效率提高14％，节约汽油30％。
日本丰田汽车公司采用储氢合金提供氢的方式，汽车时速高达150km/h，行驶距离超过300公里。
虽然金属氢化物储氢在车上已有应用，但与2017年DOE制定的储氢密度标准相比，差距仍较大。
将其发展成为商业车载储氢还需进一步提高质量储氢密度，降低分解氢的温度与压力，延长使用寿命等。
表7：
合金储氢材料的储氢性能
2、高压气态储氢应用依赖于车载氢瓶技术
2.1、我国气瓶制造技术与国际存在一定差距
当前阶段上述各种储氢技术均已经在车载中应用，我国与世界先进国家相比仍然存在一定差距：
国内IV型瓶研发滞后。
国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的IV型瓶，而中国IV型瓶还处于研发阶段，成熟产品只有35MPa和70MPa
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