2019上半年氣瓶、氫能與燃料電池行業(yè)市場規(guī)模現(xiàn)狀分析[圖]

    一、車載儲氫技術(shù)多元化，高壓氣態(tài)儲氫是主流路徑

    1.1、車載儲氫技術(shù)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(yīng)用等方面，而決定氫能應(yīng)用關(guān)鍵的是安全高效的氫能儲運技術(shù)。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(shù)滯后限制了氫能源在各類交通工具上大規(guī)模應(yīng)用，車載儲氫技術(shù)的改進(jìn)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

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    目前，氫燃料電池車車載儲氫技術(shù)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(jī)液體儲氫等。35MPa氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用于商用車，如城市公交車、物流車、團(tuán)體班車；70MPa氣態(tài)儲氫應(yīng)用于乘用車；液態(tài)儲氫主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，民用推廣需要技術(shù)突破。

    （1）從技術(shù)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(yīng)用的儲氫技術(shù)，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(shù)不適用；

    （2）從質(zhì)量儲氫密度分析，液態(tài)儲氫、有機(jī)液體儲氫的質(zhì)量儲氫密度最高，能達(dá)到DOE的標(biāo)準(zhǔn)，但兩種技術(shù)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(jī)液體儲氫成本均較高，目前不適合推廣。

不同氫氣儲運技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

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    1.2、高壓氣態(tài)車載儲氫已達(dá)可使用狀態(tài)

    （一）高壓氣態(tài)儲氫是一種最常見、應(yīng)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(yīng)好，能在瞬間開關(guān)氫氣。

    安全性方面，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到外界溫度遠(yuǎn)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(yīng)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(kuò)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

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車載氫系統(tǒng)成本（50萬套/年）

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車載氫系統(tǒng)成本（1萬套/年）

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    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(dá)“70MPa高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目獲得了國家教育部科技進(jìn)步一等獎。

金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（III型）常見型號

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    （2）固定式高壓氣態(tài)儲氫
固定式高壓氣態(tài)儲氫主要應(yīng)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(jī)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(yīng)用于大規(guī)模氫氣運輸。長管氣瓶材料為鉻鉬鋼4130X，強(qiáng)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(tuán)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(jié)構(gòu)

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加氫站的壓縮機(jī)、儲氣罐規(guī)模經(jīng)濟(jì)性顯著

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    1.3、其他車載儲氫方式尚不成熟

    1.3.1、有機(jī)液體儲氫

    有機(jī)液體儲氫技術(shù)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(yīng)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(jī)液體儲氫具有以下特點：

    1)反應(yīng)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(chǔ)設(shè)施。

主要有機(jī)液體儲氫介質(zhì)

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氫陽能源“氫油”與汽油、柴油主要安全數(shù)據(jù)對比

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    1.3.2、低溫液態(tài)儲氫

    低溫液態(tài)儲氫技術(shù)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(dá)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(lǐng)域，該技術(shù)利用過渡金屬或稀土材料與氫反應(yīng)，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

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    二、高壓氣態(tài)儲氫應(yīng)用依賴于車載氫瓶技術(shù)

    2.1、我國氣瓶制造技術(shù)與國際存在一定差距

    當(dāng)前階段上述各種儲氫技術(shù)均已經(jīng)在車載中應(yīng)用，我國與世界先進(jìn)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(yīng)用。

IV型與III型瓶國內(nèi)外使用現(xiàn)狀

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    （2）碳纖維依賴進(jìn)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(jìn)口。

    （3）液氫儲罐汽車應(yīng)用發(fā)展緩慢。國外液氫儲罐已在汽車上應(yīng)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(yīng)用于車載氫系統(tǒng)。

國內(nèi)外儲氫瓶性能參數(shù)對比

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    儲氫氣瓶發(fā)展已有50多年的歷史，從鋼瓶到全復(fù)合材料氣瓶的研制成功，實現(xiàn)了向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕的巨大轉(zhuǎn)變。近年來，70MPa儲氫復(fù)合材料氣瓶已經(jīng)進(jìn)入示范使用階段。國外從事復(fù)合材料氫氣瓶研發(fā)與生產(chǎn)代表性企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)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(shù)研發(fā)情況

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    2.2、國內(nèi)以III型氣瓶為主，未來需向IV型過渡

    復(fù)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(hù)層、緩沖層。

    （1）國內(nèi)內(nèi)襯材料多選用鋁合金。儲氫氣瓶進(jìn)行充氣的周期可能較長，而氫氣在高壓下又具有很強(qiáng)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(qiáng)材料。高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術(shù)而制備的復(fù)合材料氣瓶不僅結(jié)構(gòu)合理、重量輕，而且良好的工藝性和可設(shè)計性在儲氫氣瓶制備上具有廣闊的應(yīng)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(kuò)大，導(dǎo)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(lǐng)域的主要研究方向。

車用氣瓶性能參數(shù)比較

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國內(nèi)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)比對

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    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(dá)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(jìn)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

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III型與IV型氫氣瓶重容比

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    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(yuǎn)?，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(guān)鍵還在于成本。

70MPa儲運成本比35MPa高10%（單位：$/kgH2）

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    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(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈機(jī)構(gòu)的無機(jī)纖維，是一種含碳量高于90%的無機(jī)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）

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    碳纖維不僅具有高強(qiáng)度（強(qiáng)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(yīng)用于國防工業(yè)以及高性能民用領(lǐng)域。2018年全球碳纖維需求9.26萬噸，其中航空航天、風(fēng)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(jì)，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(guān)的專利，其目的是形成一個新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    氫氣瓶的核心技術(shù)，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(fù)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(fù)合材料工藝的成本控制將更加嚴(yán)苛，這將促進(jìn)碳纖維低成本制備技術(shù)的進(jìn)步。其次是成型效率問題，現(xiàn)有的濕法纏繞設(shè)備，需要在材料形態(tài)與效率上進(jìn)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）

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    完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)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(yù)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(yù)浸料，作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復(fù)合材料，最后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終產(chǎn)品。

碳纖維單位制配成本構(gòu)成

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    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(yīng)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(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進(jìn)行預(yù)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(fù)合材料從而滿足應(yīng)用需求。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈

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    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(shù)密集型行業(yè)，行業(yè)壁壘高。碳纖維屬于高技術(shù)密集型產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、研發(fā)周期長、資金投入大，行業(yè)壁壘高。

    （2）應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，潛在市場逐步成熟。碳纖維下游應(yīng)用技術(shù)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(fù)合材料設(shè)計與成型需要一體化，下游領(lǐng)域的應(yīng)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(dǎo)致碳纖維應(yīng)用范圍長期局限在航空航天和高端民用領(lǐng)域。

    （3）日本及歐美領(lǐng)先企業(yè)壟斷全球市場。由于碳纖維生產(chǎn)工藝流程復(fù)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(xì)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(yīng)民用和國防應(yīng)用領(lǐng)域。拉伸強(qiáng)度和拉伸模量是衡量碳纖維性能的兩大重要指標(biāo)。

日本東麗聚丙烯腈（PAN）基碳纖維牌號分類

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    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(biāo)模（小絲束）、標(biāo)模（大絲束）、中模量、大模量。其中后兩種碳纖維主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)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(biāo)模大絲束（俗稱T300級別大絲束），生產(chǎn)難度大于標(biāo)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）

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    在小絲束碳纖維市場上，日本企業(yè)的市場份額占到全球產(chǎn)能的49%；在大絲束碳纖維市場上，美國企業(yè)的市場份額占到全球產(chǎn)能的89%。

全球小絲束碳纖維市場份額（2018年）

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全球大絲束碳纖維市場份額（2018年）

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    3.3、我國碳纖維對外依存度超過70%，產(chǎn)能集中度逐步提高

    2018年中國碳纖維的總需求31000噸同比增長32%，其中進(jìn)口22000噸國產(chǎn)9000噸，對外依存度高達(dá)71%。從歷史數(shù)據(jù)看，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)起步較晚，但隨著技術(shù)追趕對外依存度已經(jīng)由2008年的98%下降了27個百分點，進(jìn)口替代趨勢有望持續(xù)。

2018年國內(nèi)碳纖維需求31000噸，對外依存度71%

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2018年中國大陸進(jìn)口日本碳纖維7673噸

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    2018年統(tǒng)計全國的理論產(chǎn)能為26800噸，銷量/產(chǎn)能比為33.6%，同比上年提升5.1個百分點。2018年全球銷量/產(chǎn)能比為59.8%，我國整體銷售/產(chǎn)能比較低，主要原因:

    （1）部分老生產(chǎn)線缺乏運行經(jīng)濟(jì)效益而停產(chǎn)；

    （2）部分生產(chǎn)線技術(shù)水平低，不能長期穩(wěn)定運行；

    2018年，產(chǎn)業(yè)集中度在加速，8家千噸級碳纖維企業(yè)的理論產(chǎn)能已經(jīng)占到全國的87%，產(chǎn)業(yè)集中度的趨勢會越來越強(qiáng)：

    （1）產(chǎn)能千噸以上：8家公司。

    （2）產(chǎn)能在500-1000噸之間：4家公司

    （3）產(chǎn)能在100-500噸之間：5家公司

    （4）產(chǎn)能在100噸以下：2家公司

國內(nèi)主要碳纖維企業(yè)產(chǎn)能（2018年）

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    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國氫能行業(yè)市場競爭現(xiàn)狀及投資方向研究報告》