碳纤维行业专题研究:储氢瓶用碳纤维赛道氢风已来,大有可为

发布时间 :2022-09-30 浏览次数 : 623

1 生产篇:详述储氢瓶的制造工艺及技术难点

1.1 储氢瓶分类介绍

在高压气态储氢中,目前已商业化的高压氢气瓶分为四种(根据储氢瓶材料不同进行划 分),分别为纯钢制金属瓶(I 型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II 型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III 型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV 型)四种。其中: 1)I 型瓶由金属钢组成,是目前四类瓶中重量最大、成本最低、工艺最简单的,适用于 压力要求不高的固定应用场景; 2)II 型瓶采用金属钢材质,外层缠绕玻璃纤维复合材料,材料包裹形式为采用箍圈式 对瓶身进行包裹。II 型瓶由于瓶身上有复合材料包裹,耐受压力高于 I 型瓶,但也多应 用于固定式能源提供等场景; 3)III 型瓶内胆为金属(通常为铝合金),但厚度较 II 型瓶有减薄,外部进行了全瓶身 的碳纤维复合材料缠绕,包裹形式为两极铺设或螺旋形铺设。III 型瓶重量轻、抗压性能 好、适用于氢燃料电池汽车等移动设备,目前主要的压力规格为 35MPa 和 70MPa 两种, 国内现阶段 35MPa 已实现量产; 4)IV 型瓶内胆为塑料,瓶身全缠绕碳纤维复合材料,包裹采用两极铺设和螺旋形铺设 混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶,储气压力则与之一致,主要包括 35MPa 和 70MPa 两种规格型号,目前国外已投入商业化运用,如日本丰田的 Mirai 与韩国现代 的 Nexo 均采用了 IV 型瓶,但国内技术仍有欠缺,尚未达到量产条件。IV 型瓶也主要应 用于氢燃料车等移动场景。 5)除此之外,目前国外正在研究 V 型储氢瓶但尚未实现商业化,该气瓶仍然使用碳纤维 复合材料缠绕,但不使用任何内胆,国内针对 V 型瓶的研究仍是空白。




国内储氢瓶市场预计将逐渐向 III 型 70Mpa 和 IV 型 70MPa 过渡。2020 年 7 月 21 日,涉及车载高压供氢系统的两项国标修改后正式实施,均将原范围中的工作压力不超 过 35MPa 修改为 70MPa。2021 年 3 月 9 日《燃料电池电动汽车加氢口》(GB/T26779- 2021)最新国家标准正式发布,新国标增加了 70MPa 加氢口尺寸及耐臭氧老化、耐盐雾 腐蚀、耐温度循环和兼容性测试等多项技术条目,制约 70MPa 储氢瓶发展的政策条件已 经消除。并且,从储运效率、轻量化、成本等角度出发,IV 型瓶相较于 III 型瓶具备显 著优势,未来将成为车载供氢系统的主流规格,1)III 型瓶重容比在 0.98 左右,IV 型瓶 重容比在 0.74 左右;2)III 型瓶储氢密度为 3.9%,IV 型瓶储氢密度可以达到 5.5%; 3)IV 型瓶单瓶气体容积可达到 375 升,可降低整个系统复杂性。当前我国还处于 35MPa 的 III 型瓶规模化应用和 70MPa 的 III 型瓶示范应用阶段,IV 型瓶尚未得到大规模推广 应用,背后原因一是由于我国氢能及燃料电池产业发展起步较晚,技术水平落后于海外, 二是配套基础设施建设缓慢,目前国内加氢站规模较小且以 35MPa 为主,三是政策及技 术标准体系尚未建立健全。后续来看,各方面限制因素将持续改善。伴随着燃料电池汽 车的大规模推广,为满足进一步长续驶里程的需求,未来车载储氢瓶规格有望由 III 型 35MPa 向 III 型 70MPa 或 IV 型 70MPa 过渡,逐步与国际技术水平接轨。

1.2 储氢瓶生产工艺流程

一般来说储氢瓶的生产可大致分为内胆成型和缠绕固化两个主要工段,共涉及 10 多道 生产工序。总体来讲储氢瓶生产的技术壁垒较高,具体表现在工艺技术难度较大(比如内胆成型技术和纤维缠绕技术)、工艺参数多、装备精准度控制、检验检测技术与装备有 待完善、关键原材料及零部件亟需国产化等方面



1.2.1 内胆成型工艺

III 型瓶内胆多为铝合金,目前国内使用的主流成型工艺为铝管强旋,所谓强旋就是将 短厚的毛坯铝筒体套在旋压机的模具上并将其固定,当筒体随机床主轴转动时,用旋轮 或赶棒从端头开始挤压筒体坯料,使坯料逐点连续发生塑性变形,变形的结果是毛坯壁厚减薄,内径基本保持不变,而轴向延伸,最终形成符合壁厚及直径尺寸要求的圆筒。 该种工艺相对简单,但生产效率较低,尤其是用来加工大容积内胆时成型效率低下。目 前国内头部企业有在研究其他更高效的成型方法比如拉深成型,该种工艺优势在于生产 效率高、产品一致性好、圆周壁厚均匀、纵向垂直度偏差小,缺陷在于可能影响产品的 疲劳寿命,且设备成本较高;此外也有企业尝试将两种工艺结合使用,比如先拉成筒状 体再进行强旋。

IV 型瓶内胆多采用尼龙 6、高密度聚乙烯(HDPE)以及 PET 聚酯塑料等,对应的成型 工艺主要为注塑、吹塑和滚塑成型。丰田、现代已量产的 IV 型瓶均为注塑+焊接工艺, 该种成型方式成本低、运用较广泛、但良品率也较低,且必须配合后续的焊接工序。

1.2.2 纤维缠绕成型工艺

纤维缠绕成型也是储氢瓶制备的技术难点之一,目前使用的工艺包括湿法缠绕、干法缠 绕和半干法缠绕。1)湿法缠绕是指将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后,再在张力控制下直接缠绕到芯模上。由于纤维离开浸渍装置后易于将树脂带出,后道工序中存 在树脂滴漏的现象,所以称为湿法缠绕。湿法缠绕工艺生产成本较低,是目前高压储氢 瓶最常用的加工工艺,国内企业基本都采用湿法。但湿法成型下树脂损耗较高,树脂与 碳纤维比例难以控制,产品质量及稳定性相对较差。2)干法缠绕是以经过预浸胶处理的 预浸带为原料,在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸带中纤维和 树脂含量比例控制较好,产品质量可以精确控制,且树脂不会随处滴,整体生产环境整 洁;另外,干法缠绕生产效率高,缠绕设备的速度可以达到 100-200m/min。目前国外正 在逐步向干法缠绕工艺过渡,国内未势能源等极个别企业也在研究和尝试干法。此种工 艺的缺点在于成本较高,主要系预浸料及干法缠绕设备购置费用较高。3)干湿法缠绕结 合了干法和湿法的优点,在浸胶碳纤维缠绕到芯模之前通过烘干设备将浸胶碳纤维纱线 中的溶剂除去,提高制品质量。与干法缠绕相比省却了预浸胶工序和设备,与湿法相比 只是增加了一套烘干设备,却可以大幅降低制品中的气泡含量以及孔隙。

1.3 储氢瓶成本构成及降本路径探讨

碳纤维是储氢瓶制造的关键原材料,其成本和性能对储氢瓶的成本和使用性能影响重大。 根据美国能源局(DOE)的研究成果,碳纤维复合材料的成本占到储氢瓶成本的 60%以 上。 此外,储氢瓶的制造成本还包括阀门、调节器、组装检查、氢气等要素成本。

当前国内储氢瓶的平均售价在2-3万元/支,对应单套车载供氢系统的成本在20万上下, 后续降本空间充足,降本主要是从材料替换、技术进步及规模效应三方面来实现。 1)材料替换:在关键材料碳纤维方面,目前日本、韩国等成熟的氢燃料电池车型中已经 用上了大丝束碳纤维,而国内储氢瓶市场中 T700 级小丝束碳纤维仍占据绝对主导,大 丝束相关的应用仍处在早期的研发试验阶段,随着国产大丝束性能的逐步提升以及配套 研究的持续突破,大丝束有望在气瓶这一细分场景中实现对小丝束的部分或全面替代, 带动储氢瓶综合成本的下降。其次,当前国内储氢瓶所用的部分零部件及设备仍高度依 赖进口(比如瓶阀、纤维缠绕装备等),采购价格高,后续随着构件国产化的持续推进, 整体成本将随之降低。

2)技术进步:技术升级一方面是 III 型瓶向 IV 型瓶的过渡,当前国内 IV 型瓶相关的技 术尚未突破,根据 DOE 的测算,同样储氢质量为 5.6kg 且压力规格相同的 III 型和 IV 型 瓶相比,后者的成本比前者要低 10%左右,因为 III 型瓶采用了大量的铝合金材料导致 内胆成本较高。我们预计国内储氢瓶企业还需要 1-2 年时间才能具备 70MPa IV 型瓶的批量生产能力,届时气瓶在轻量化和成本方面将进一步改善。其次是气瓶容量的提升, 大容量气瓶单瓶储氢密度显著提高,减少单车配套气瓶数量的同时管阀件、管路件的材 料用量和成本也有望随之降低。

3)规模效应:类似于氢燃料汽车的降本路线,储氢瓶成本下降也有望受益于生产规模的 扩大,根据美国汽车研究理事会测算,当气瓶生产规模由 1 万套提高到 50 万套时,氢气 瓶成本会下降 20%。

2 市场篇:氢燃料汽车为核心场景,政策强力推动下增势可期

2.1 竞争格局:准入壁垒高,厂家数量有限

储氢瓶厂家数量有限,但市场集中度呈下降趋势。国内储氢瓶主流厂家数量仅个位数, 但近两年参与者有所增加,2019主要储氢瓶供应商仅国富氢能、科泰克、天海工业、 中材科技、斯林达 5 家,2020 年新增南通中集,2021 年新增奥扬科技,另外未势能源 也专门从事气瓶的生产(偏自产自用)。从出货量来看,国富氢能 21 年市占率达 35.63%, 位居第一,其次是中材科技;但行业集中度呈持续下降的趋势,CR3 份额从 19 年的 91.21% 下滑至 21 年的 76.95%,当前氢能产业正处于风口,企业数量不断增长或将成为常态。

行业准入壁垒较高,主要体现在:1)储氢瓶属于特种设备,首先必须取得 B3 级压力容 器特种设备制造许可证书,取得该许可证的前提是公司的厂房、设备、产线、人员配比 及各方面资质经由国家监管单位审核并通过。2)企业的制造能力必须通过国家市场监督 管理总局指定的评审机构的专家组评审之后,方可进行批量生产;且在生产制造的过程 中会有专门的监检部门定时来查看生产工序流程是否符合手续。3)生产的成品在对外销 售前必须通过国家市场监督管理总局认可的第三方型式试验机构对储氢瓶进行火烧、枪 击、爆破、疲劳、环境、跌落等型式试验,并取得型式检验证书。

2.2 储氢瓶下游应用:氢燃料电池汽车主导

储氢瓶直接用在氢燃料动力电池系统之中,再进一步用于交通运输等领域,具体包括氢 燃料电池汽车、轨道交通、船舶、航空等应用场景,另外还可用于发电、建筑储能等其 他领域。其中氢燃料电池汽车是最主要的下游应用场景。

2.2.1 氢燃料电池汽车:发展方向以商用为主,政策大力引导下商业化进程有望提速

1 氢燃料电池汽车工作原理

在氢燃料电池汽车中,燃料电池系统由燃料电池组和辅助系统组成。燃料电池堆是核心 部件,将化学能转化为电能为汽车提供动力;辅助系统有四个,一是供氢系统,负责将 氢从氢气罐输送到燃料电池堆,并将高压氢气降压至燃料电池所需压力,二是供气系统, 由空气过滤器、空气压缩机、中冷器、加湿器组成并为燃料电池堆提供氧气,三是水管 理系统,由膨胀水箱、去离子器、水泵、散热器等组成,采用独立的水和冷却剂回路来 消除废热和反应产物(水),保证电堆持续工作在最佳温度,四是热管理系统,从燃料电 池中获取热量来加热车辆驾驶室等,提高车辆效率。燃料电池系统产生的电力通过动力 控制单元传到电动机,在电池的辅助下,在需要时提供额外的电力。

氢燃料电池工作原理:氢气首先进入燃料电池的氢电极(阳极),然后氢气与覆盖在阳极 上的催化剂反应,释放电子形成带正电荷的氢离子,氢离子穿过电解液到达阴极,但电 子不能通过电解液,相反,电子流入电路形成电流,产生电能。在阴极,催化剂使氢离 子与空气中的氧结合形成水,水是燃料电池反应中的唯一副产品。

2 发展初期体量尚小,政策驱动为关键引擎

燃料电池汽车产业处于起步阶段,当前产销规模较小。2020 年受疫情等因素影响,燃料 电池汽车产销量出现较大幅度下降;2021 年有所恢复,全年产量及销量分别为 1790 辆 和 1596 辆,分别同比增加 48.67%和 35.03%;2022 年以来 2022 年 1-8 月产销量分别 为 2196 辆和 1888 辆,分别同比增加 203.31%和 157.57%,增势强劲主要与氢燃料电 池汽车示范城市群的开展有关。

当前氢燃料车行业发展靠政策推动。现阶段受制于技术掌握不到位、规模尚小、成本高 昂、加氢基础设施不健全等客观因素,氢燃料电池车的发展仍高度依赖于产业补贴和政 策支持,以 2020 年为例,由于经历了半年左右的氢燃料政策空窗期,直接导致氢燃料商 用车销量腰斩。另外,参考纯电动汽车市场的发展轨迹,纯电市场在成长初期亦为政策 驱动,历经 10 年左右时间才逐步走向市场化,而我国氢燃料电池商用车在 2015 年左右 才起步,预计还需 5-10 年的时间才能逐渐成熟,在市场成熟之前氢燃料车在各地的推广 应用都与政策直接相关。

氢燃料汽车示范城市群相继落地+“以奖代补”政策出台,政策针对性及执行力度进一 步增强。 1)“以奖代补”:在氢能产业发展前期,国家补贴政策聚焦于燃料电池汽车的推广和示范 应用。2009 年,财政部等发布《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》, 对试点城市示范推广单位购买和使用燃料电池汽车给予补助。2015 年《关于 2016-2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》明确指出“中央财政对购买新能源汽车给 予补助,实行普惠制”。2018 年,国家进一步调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政 策,指出“燃料电池汽车补贴力度保持不变,燃料电池乘用车按燃料电池系统的额定功 率进行补贴”。 为进一步提高补贴资金的运行效率,提高产业发展质量,2020 年 4 月财政部等四部委联 合发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,提出将对燃料电池汽车的 购置补贴调整为选择有基础、有积极性、有特色的城市或区域,重点围绕关键零部件的 技术攻关和产业化应用开展示范,中央财政将采取“以奖代补”方式对示范城市给予奖 励;同年 9 月财政部等五部委联合发文《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,提出 根据示范城市在燃料电池汽车推广应用、氢能供应等方面的实际情况给予奖励。

2)五大示范城市群先后确立:前述“以奖代补”政策出台之后约有 17 个城市(群)申报,初步答辩之后选出上海、广东、北京三大示范城市群,后续又确定河南、河北 两大示范城市群。 在城市示范政策发布后,对于氢燃料电池汽车的补贴将不再沿用新能源汽车的“国补 +地补”模式,而是由中央政府将政策奖励下发给城市示范群所在的地方政府,由地方自 主制定并实施产业发展奖励政策,因地制宜发展氢燃料电池产业。

3 长期视角下,TCO 经济性带来真正市场化应用

更长期维度来看,随着氢燃料车经济性拐点的到来,市场应用将从被动过渡到主动。汽 车的经济效益一般是通过全生命周期总拥有成本(TCO)模型进行测算,总拥有成本由 购买成本及运营成本构成,运营成本包括燃料费用、基础设施成本、维修成本、零部件 替换成本以及保险费用等。当前时点氢燃料汽车的 TCO 明显高于纯电动车和传统燃油 车,随着燃料电池系统技术成熟以及成本下降、加上氢气价格及氢耗水平的降低,氢燃 料汽车的 TCO 将持续下行。根据《中国氢能产业发展报告 2020》测算,不同类型的氢 燃料汽车与同类型纯电动车的成本平衡点取得时间不同,其中客车、物流车、重卡等氢 燃料电池商用车型预计将在 2030 年前取得与同类型电动车相当的全生命周期经济性,而续航里程在 500km 以上的乘用车预计将于 2040 年前后与纯电动车型经济性相当,届 时下游客户主动采购意愿或将明显提高,叠加加氢基础设施的普及,氢燃料车将逐步摆 脱政策依赖性,实现自主市场化发展。

4 氢燃料电池汽车的优势应用场景:发力重卡,合理拓展部分客车、专用车等商用车型

我国氢燃料电池汽车应用场景呈现“先商后乘”的发展特点。现阶段国内氢燃料电池车 是以客车和重卡等商用车型为主, 2021 年客车占比 55%,专用车占比 44%(其中重卡 占比 41%,中卡占比 3%),而乘用车主要用来租赁,占比1%左右,原因一方面是由 于此前的产业政策优先支持商用车发展,但最为根本的原因在于氢燃料车的固有属性, 相较于纯电动车而言,氢燃料车具备更高功率和能量密度,能胜任更长的续航和更大的 载重负荷,因此长途运输和重载领域是其最为重要的发展方向和优势应用场景。根据国 际氢能协会分析,燃料电池汽车在续航里程大于 650 公里的交通运输市场更具有成本势,而乘用车和城市短程公共汽车续航里程通常较短,纯电动汽车因而更有优势。我们 预计未来国内氢燃料车市场将继续保持商用为主的局面。

新能源替代(包含纯电动车和氢燃料电池车)是中国道路交通行业未来实现碳中和的最 重要措施之一,目前纯电动车及动力电池技术已实现了一定的商业规模化应用,而氢燃 料电池及汽车技术仍处于起步阶段,产业化进程尚需时日,两者各有各的优势,未来在 使用场景上呈互补而非简单的替代关系。结合氢燃料电池汽车的比较优势来看,其适用 的场景主要分为四大类: 1)固定路线:包括矿山短倒、港口、物流园区等相对封闭和固定路线的场景,方便氢燃 料电池汽车布局加氢站等配套能源加注设施,因此适用于公交车以及叉车、采矿车等专 用车型。

2)中长途干线:里程在 400-800 公里左右,超过纯电动车的续航上限将成为氢燃料电 池汽车的优势应用场景区间,适用于长续航里程的客车、物流车及重卡、乘用等车型。 3)高载重:由于纯电动汽车电池能量密度提升空间有限,特别是对于长途运输用的重型 车辆来说,匹配一定续航里程的电池必然导致其自重较大,以特斯拉的电动重卡模型为 例,预计其电池重量可以达到 4.5 吨。而燃料电池汽车就没有这样的问题,由于氢具有 更高的比能(大约 120MJ/Kg,而电池的比能是 5MJ/Kg),其所携带的氢气质量远小于同 等能量所需的电池质量,未来若过渡到液氢路线后车重优势还将进一步放大。因此氢燃 料电池汽车在对载重要求较高的场景中更有优势。

结合氢燃料汽车在续航能力、载重负荷和能量补给时间等方面的优势,重卡将是氢燃料车的核心优势应用场景。我国的产业发展思路也正在向重卡倾斜,2020 年 9 月五部委联合印发的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》中对氢燃料电池补贴政策做了全面 调整,其中轻型和中型货车单车补贴上限均有所下降(中型车大幅下滑、轻型车稍有),而重型货车则大幅上升,31t 以上的重型货车单车补贴上限涨幅达 36.5%。以最新 的积分标准测算,一台功率≥110kw、31t 以上的重型货车最多可享受补贴 100 万,这 足以让一台均价 150 万的燃料电池重卡在价格上媲美同规格的柴油重卡。重卡补贴政策 明朗之后,我国氢燃料电池重卡逐渐从理论变为实际,2020 年及之前氢燃料重卡销售乎为零,而 21 年销量超 600 台。

4)低温特殊环境:在我国北方部分地区,氢燃料电池汽车也具备在出租车和公务用车领 域的推广潜力,以解决寒冷条件下电动车无法完成较长行驶里程的问题。 综上,相比纯电动车型,燃料电池车克服了载重和续航能力有限、能源补充时间长、低 温环境适应性差等问题,提高了营运效率。而纯电动车在配套设施、成本经济性等方面 优势更为突出,尽管续航能力有弱势,但在乘用车以及城市内的公交、物流车、环卫等 短途商用车领域具备较强的适用性和竞争力。

2.2.2 其他应用:处在前期研制阶段,商业化尚未开启

氢燃料电池的下游应用广泛,包括交通运输、便携式电池、发电和建筑储能领域。其中 交通运输为其核心增量领域,除开道路车辆之外,氢燃料电池还可用于轨道交通、船舶、 无人机、飞机等场景,目前我国正在积极探索上述非道路运输领域,并已形成项目和技 术储备,未来将逐步完成实际运营验证及性能改进,有望推进商业化应用。

2.3 储氢瓶用碳纤维市场规模测算:高增长、基数小的细分赛道

鉴于储氢瓶及氢燃料电池在非道路车辆以外的场景使用量小且难以准确计量。此处我们 仅对氢燃料电池汽车这一主流应用场景进行碳纤维用量测算,测算方式有自上而下和自 下而上两种,前者的计算依据为国家层面出台的政策指引,后者主要是通过加总各地方 政府制定的有关氢燃料汽车的具体发展目标、再进行储氢瓶及碳纤维用量的估算。

1、根据《规划》中制定的全国性目标推算出 22 年储氢瓶对应碳纤维用量超 2500 吨, 到 2025 年或将突破万吨。2022 年 3 月,国家发改委和国家能源局联合发布了《氢能产 业发展中长期规划(2021-2035 年)》(下称《规划》),明确了到 2025 年我国氢燃料电池 车保有量达到 5 万辆的发展目标,对应 2022-2025 年氢燃料车保有量年均复合增速超 50%。我们假设:1)其中重卡车型占比逐渐提升(从 2022 年的 60%提升至 2025 年的 75%),剩下部分为客车、轻卡、物流车等其他商用车型,乘用车在中短期内无法放量(仅 有的量基本为政策推动下的示范应用);2)平均每车搭载储氢瓶数量在 6-10 个不等(搭 载数量取决于车的续航能力要求、装载空间、气瓶的容量规格等);3)储氢瓶平均碳纤 维用量为 60-80kg,综合测算得出 2022 年氢燃料电池汽车碳纤维用量约为 2534 吨, 2025 年碳纤维用量破万吨,对应 2022-2025 年碳纤维年均复合增速超 60%。

2、根据各地给出的氢能发展量化目标推算出 22-25 年碳纤维用量破 5 万吨。截至目 前,至少有 16 个省份制定了氢燃料电池汽车的具体发展规划,像安徽、湖北、湖南、甘 肃等部分省份下属城市也有出台相关的政策文件,假设这些省市区规划的发展目标均能 达到,则到 2025 年全国各地氢燃料电池汽车保有量能够达到 11.2 万辆以上,加氢站建 设数量达到 1143 座,对应氢燃料车保有量年复合增速约 88%,加氢站数量年复合增速 58%。 根据中国汽车工业协会统计,截止 2021 年我国氢燃料电池汽车保有量为 8922 辆,若 2025 年要达到 11.2 万辆的保有量规模,则 2022-2025 年需新增投放氢燃料车 103078 辆,假设单车配置 8 个储氢瓶,单瓶碳纤维用量 65kg,则 2022-2025 年合计需耗用碳 纤维 5.36 万吨。

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