氫能周報 | 氫能技術現狀及未來發展趨勢
2021年國家重點研發計劃啟動實施“氫能技術”重點專項，目標是以能源革命、交通強國等重大需求為牽引，到2025年實現我國氫能技術研發水平進入國際先進行列，關鍵產業鏈技術自主可控，描繪出我國氫能產業發展技術路徑的目標愿景。“氫能技術”重點專項指南中，擬圍繞氫能綠色制取與規模轉存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便攜改質與高效動力系統及“氫進萬家”綜合示范4個技術方向，啟動“光伏/風電等波動性電源電解制氫材料和過程基礎”等19個指南任務。
圖1. 氫能源產業鏈
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氫能周報
氫能技術現狀及未來發展趨勢
高壓氣態儲氫：具有充放氫速度快、容器結構簡單等優點，是現階段主要儲氫方式，分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類。其中鋼質氫瓶和鋼質壓力容器技術最為成熟，成本較低。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開發應用，實現了高壓氣態儲氫由固定式應用向車載儲氫應用的轉變。目前最常用的氣態氫儲存罐是鋼罐，今后的研究熱點是利用抗高壓輕質復合材料罐和玻璃微球儲氫。
復合材料罐儲氫的研究重點是：
（1）運用新技術研究材料脆裂力學性能；
（2）增強材料性能，降低材料成本，尤其是碳纖維；
（3）發展高效、清潔（無油）1000巴的壓縮罐（可考慮利用太陽能或廢熱的實用型氫化物壓縮罐）；
（4）在車輛運行過程中回收壓縮能的技術。
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下游加氫及終端應用
加氫基礎設施
加氫基礎設施是氫能利用和發展的中樞環節，是為燃料電池車充裝燃料的專門場所，不同來源的氫氣經氫氣壓縮機增壓后，儲存在高壓儲罐內，再通過氫氣加注機為氫燃料電池車加注氫氣。加氫站作為氫能源戰略中十分關鍵的一環，以其氫燃料的儲備輻射周邊區域，使得車輛能夠及時補充能源，形成良好的循環，才能推動燃料電池的發展。根據中國氫能聯盟的數據，截止至2020年底，我國已建成運營加氫站127座，新增61座，顯著超過《節能與新能源汽車路線》中規劃的100座目標。
加氫站具有三大核心裝備，為氫氣壓縮機、儲氫系統（國內目前均為高壓儲氫系統）和氫氣加注機（見圖3）。
圖3. 加氫站三大核心設備
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燃料電池
2.1 燃料電池技術
2020年，受疫情等因素影響，燃料電池汽車產銷量出現較大幅度下降；2021 年有所恢復，全年產量及銷量分別為1790輛和1596輛，分別同比增加48.67%和35.03%；2022年以來，2022年1-8月產銷量分別為2196輛和1888輛，分別同比增加203.31%和 157.57%，增勢強勁主要與氫燃料電池汽車示范城市群的開展有關。
現階段國內氫燃料電池車是以客車和重卡等商用車型為主，2021年客車占比 55%，專用車占比44%（其中重卡占比 41%，中卡占比 3%），而乘用車主要用來租賃，占比僅1%左右，原因是此前的產業政策優先支持商用車發展，但最為根本的原因在于氫燃料車的固有屬性。相較于純電動車而言，氫燃料車具備更高功率和能量密度，能勝任更長的續航和更大的載重負荷，因此長途運輸和重載領域是其最為重要的發展方向和優勢應用場景。
汽車的經濟效益一般是通過全生命周期總擁有成本（TCO）模型進行測算，總擁有成本由購買成本及運營成本構成，運營成本包括燃料費用、基礎設施成本、維修成本、零部件替換成本以及保險費用等。
當前時點，氫燃料汽車的TCO明顯高于純電動車和傳統燃油車，隨著燃料電池系統技術成熟以及成本下降、加上氫氣價格及氫耗水平的降低，氫燃料汽車的TCO 將持續下行。
根據《中國氫能產業發展報告2020》測算，不同類型的氫燃料汽車與同類型純電動車的成本平衡點取得時間不同，其中客車、物流車、重卡等氫燃料電池商用車型預計將在2030年前取得與同類型電動車相當的全生命周期經濟性，而續航里程在500km以上的乘用車預計將于2040年前后與純電動車型經濟性相當。
屆時，下游客戶主動采購意愿或將明顯提高，疊加加氫基礎設施的普及，氫燃料車將逐步擺脫政策依賴性，實現自主市場化發展。
2.1 燃料電池技術
燃料電池是氫能高效利用的重要途徑。氫燃料電池原理就是氫與氧結合生成水的同時將化學能轉化為電能和熱能，該過程不受卡諾循環效應的限制，理論效率可達90%以上，具有很高的經濟性。燃料電池的陽極和陰極中間有一層堅韌的隔膜以隔絕氫氣和氧氣，有效規避了氫氣和氧氣直接接觸發生燃燒和爆炸的危險。氫氣進入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下分解成氫離子和電子。隨后，氫離子穿過隔膜到達陰極，在催化劑的作用下與氧氣結合生成水，電子則通過外部電路向陰極移動形成電流。
圖4. 燃料電池核心構成示意圖
自“十五”新能源汽車重大科技專項啟動以來，在國家一系列重大項目的支持下，燃料電池技術取得了一定的進展，初步掌握了燃料電池電堆與關鍵材料、動力系統與核心部件、整車集成等核心技術；部分關鍵技術實驗室水平已接近國際先進水平，但工程化、產業化水平滯后，總體技術水平落后于日本、韓國等國家。具體而言，質子交換膜燃料電池隨著終端應用的逐步推廣，膜電極、雙極板、質子交換膜等已具有國產化的能力，但生產規模較?。浑姸旬a業發展較好，但輔助系統關鍵零部件產業發展較為落后；系統及整車產業發展較好，配套廠家較多且生產規模較大，但大多采用國外進口零部件，對外依賴度高。
表2 國內外質子交換膜燃料電池系統技術指標對比
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燃料電池
2.2 燃料電池應用
隨著燃料電池技術的不斷成熟，相關產品已逐步進入商業化應用階段，在交通領域逐步應用于汽車、船舶、軌道交通等，可降低能源對外依存度以及化石能源污染物和碳的排放。燃料電池商用車率先商業應用，未來鋰電與燃料電池將成為互補關系，歐陽明高院士曾提出“鋰離子電池更適合替代汽油機，氫燃料電池系統更適合替代柴油機”。氫燃料電池目前成本還達不到民用可接受的水平，相比于純電動車和汽油車，氫燃料電池車在購置成本和使用成本上不占優勢，未來隨著應用量提升，整車成本及氫氣成本均有望顯著下降，國內技術還有很大的提升空間。
表3 氫能源產業鏈國內主要公司
未來發展趨勢
2020年是全球氫能發展加速之年，碳達峰、碳中和戰略下脫碳成為全球氫能發展的第一驅動力，習主席2020年在第75屆聯合國大會期間提出，中國二氧化碳排放力爭與2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。低碳清潔氫成為實現碳中和路徑的重要抓手。
各國制氫技術路線重點圍繞可再生能源電解水制氫技術、化石能源制氫+CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術進行項目示范和產業布局。此外，針對燃料電池汽車終端應用場景，開展氫氣純化與氫氣品質研究工作，確保氫氣高品質供應。我國在CCUS技術集成、海底封存和工業應用與國際先進水平差距較大，且CCUS大規模示范項目數量和整體規模均遠低于發達國家。
氫氣純化技術方面，美國與日本立足本國能源結構和技術優勢，分別聚焦小型天然氣重整制氫場景與氨分解重整制氫、有機液體解析氫氣場景，開展燃料電池車用氫氣純化技術研究，包括高效小型變壓吸附技術、有機膜分離、無機膜分離和全屬鈀膜分離技術。我國的氫氣來源廣泛，尤其是副產氣雜質種類多且含量分布寬，單一純化技術路線難以滿足實際需求。尤其在燃料電池車用氫氣純化領域，我國起步較晚，缺乏系統性研究。
氫儲存技術方面，目前我國對儲氫材料的研究比較活躍，研究內容涉及到了高壓儲氫、碳納米管儲氫、新型合金儲氫、有機化合物儲氫、碳凝膠儲氫、玻璃微球儲氫、氫漿儲氫、層狀化合物儲氫等當前國際氫儲存技術研發的主要方面，并在金屬氫化物儲氫、碳納米管儲氫、復雜化合物儲氫等方面具有優勢。
加強氫燃料電池技術和氫燃料電池汽車以及相關基礎設施的研發。發展氫經濟的一個重要方面是發展氫能交通運輸體系和氫能基礎設施建設。
國家重大需求及關鍵技術
國家重點研發計劃《“氫能技術”重點專項2021年度申報指南》中，堅持問題導向、分步實施、重點突出的原則，圍繞氫能綠色制取與規模轉存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便捷改質與高效動力系統及“氫進萬家”綜合示范等4個技術方向，按照基礎前沿技術、共性關鍵技術、示范應用，擬啟動18個項目，擬安排國撥經費7.95億元。其中，圍繞氫能安全存儲與快速輸配體系技術方向，擬部署1個青年科學家課題。
表4 “氫能技術”重點專項2021年度申報指南
氫能是我國現代能源體系的重要組成部分，建設低碳清潔氫能供應體系至關重要。中國氫能聯盟在《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》中建議：完善低碳清潔氫氣政策支持體系、加氫低碳清潔氫氣市場建設、提升低碳清潔氫氣制備技術自主化水平，鼓勵電解槽和CCUS（碳捕獲、利用與封存）等低碳清潔制氫技術應用。
圖5 碳達峰目標下制氫技術路線
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氫能周報
氫燃料電池汽車：獨具優勢 發展前景廣闊
隨著技術的發展和低碳理念的普及，新能源車已成為市場寵兒。截至2022年底，中國新能源汽車保有量已達1310萬輛。但其中，絕大部分是純電動汽車，而氫能源車保有量剛剛突破1萬輛。
如果說，新能源汽車正成為百姓日漸熟悉的伙伴，氫能源車則算得上是其中的“生面孔”。但近年來，這副“生面孔”的發展前景卻被廣泛看好。
2022年，在北京冬奧會期間，氫燃料電池汽車為服務賽事開展示范運營，成為國內氫能源車發展的一個高光時刻。如今，在北京、上海、廣州等地，氫能源車都在加速推廣落地。
由工業和信息化部指導發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》提到，預計到2035年，燃料電池汽車保有量達到100萬輛左右，商用車將實現氫動力轉型。
為何氫能源車如此受到青睞？相較于其他新能源汽車，氫能源車又有哪些獨特優勢？
“氫能源車的技術核心之一在于氫燃料電池。”據國家能源集團北京低碳清潔能源研究院氫能（氨能）技術研究中心副主任何廣利講解，氫能源車的工作原理，是將氫氣通入車內的燃料電池，然后氫氣和氧氣在燃料電池里發生反應，同時發出電，再用電來驅動車前進。
“在我們常見的純電動汽車中，電是直接儲存在車載電池中的，電池是一個儲能機構。而氫燃料電池是一個能量轉化機構。從這點上看，它可以和燃油車的工作方式做一個類比：在燃油車上，我們將汽油加入油箱，供給發動機燃燒；在氫能源車上，我們需要加入氫氣，供給燃料電池使用。”何廣利說。
所以，與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車增加了車載儲氫系統和具有發電能力的燃料電池系統。這讓其獲得了自己的獨特優勢。
首先是相較于純電動汽車，氫燃料電池汽車的續航里程大幅增加。何廣利指出，純電動汽車要提高續航里程，目前采取的方式一般是多增加鋰電池，或者通過更新技術，不斷提高電池高能量密度。但對于車輛生產來說，二者都需要較高的成本。但氫燃料電池汽車增加續航里程，只需增大儲氫罐即可。另外，純電動汽車充電時長比較久，一般要幾個小時才能充滿電。但氫燃料電池汽車加氫補給的時間很短，與燃油車加汽油的時間幾乎相同。
在高海拔、高溫、高寒等多種環境下，氫燃料電池的性能也更加穩定。以目前已在北京市延慶區投入使用的氫燃料電池公交車為例，其裝載的氫燃料電池系統，在零下30℃的環境下能夠無輔熱快速啟動，續航里程可達300公里。北京公交集團第八客運分公司駕駛員郭宏宇，在談及駕駛氫燃料電池公交車的感受時說：“氫能源車不僅更加安全環保、沒有污染，同時噪音更小、續航更久，運行期間很平穩，駕駛起來特別舒適。”
從低碳、環保的角度看，氫能源車也有更優異的表現，有人甚至將氫能源車稱為“移動的空氣凈化器”。這是因為燃料電池非常敏感，為了保證進入燃料電池的空氣是干凈的，氫能源車需要設置物理吸附、化學吸附等多道過濾裝置。所以，氫能源車的前置空氣處理裝置，不僅能夠吸附顆粒物，還會過濾掉空氣中的有害氣體。當過濾后的空氣進入電池與氫氣發生反應后，再排放出去的物質，只有水和更清新的空氣。
基礎設施 建設步伐提速
既然氫能源車有如此多優點，該如何進一步促進其推廣落地？采訪中，多位業內人士表示，加強氫能儲運能力以及完善加氫站等基礎設施建設，是氫燃料電池汽車推廣普及的關鍵所在。
在氫氣制備方面，中國已具有一定優勢?！稓淠墚a業發展中長期規劃（2021—2035年）》指出，中國是世界上最大的制氫國，年制氫產量約3300萬噸，其中，達到工業氫氣質量標準的約1200萬噸。可再生能源裝機量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。
不過，當前利用可再生能源如太陽能、風能等制備出的綠氫，主要來自西部地區；但對氫能需求旺盛的則是東部地區。要解決供需錯配問題，必須加強對氫氣的運輸能力。
在氫氣儲運方面，中國現階段主要以高壓氣態長管拖車運輸為主，管道運輸仍為短板弱項。這導致長距離氫氣運輸一直成本較高、效率較低，也是造成終端用氫成本高的主要原因之一，制約了產業鏈發展。
好在，這一問題將逐步得到解決。前不久，“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》，中國首個純氫長輸管道項目啟動。
該管道起于內蒙古自治區烏蘭察布市，終點位于北京市的燕山石化，全長400多公里，是中國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道。管道建成后，將用于替代京津冀地區現有的化石能源制氫及交通用氫。
據中國石化董事長馬永生介紹，“西氫東送”管道一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力。同時，將在沿線多地預留端口，便于接入潛在氫源。未來，中國石化可依托“西氫東送”管道建設支線及加氫母站，助力京津冀氫能走廊的高效構建。
目前，“西氫東送”輸氫管道示范工程已經在路由選址、技術研究、工程建設方案等方面取得積極進展，基本完成可行性研究報告的編制，正加快推進項目各項工作。
完善加氫站的布局，也是發展氫能源車產業不可或缺的前提條件。
去年9月，在國家發展改革委關于基礎設施建設的發布會上，國家能源局相關負責人介紹，中國已累計建成加氫站超過270座，約占全球總數的40%，位居世界第一。
如位于北京市大興國際氫能示范區的海珀爾加氫站，建成于2021年，占地面積達6000多平方米，是全球規模最大的加氫站。這里共16把加氫槍，日加氫量可達4.8噸。據海珀爾加氫站相關負責人介紹，該加氫站在高峰時一天可服務500多臺車輛。
同樣位于北京市大興區的青云店加油站，則在2022年增設了加氫設備設施，改建為油氫一體站。據介紹，今年大興區規劃再新建2座油氫一體站，同步加快推進2座純氫站建設。計劃到2025年底前，建成不少于10座加氫站，全面保障燃料電池汽車加氫需求。
國家發展改革委相關負責人指出，目前國內的加氫站主要以35MPa氣態加氫站為主，70MPa高壓氣態加氫站占比小，液氫加氫站、制氫加氫一體站建設和運營經驗不足。此外，國內現有加氫站的日加注能力主要分布于500—1000公斤的區間，大于1000公斤的規?；託湔救源M一步建設布局。未來，加氫網絡將以需求導向為原則，在保障安全的前提下，節約集約利用土地資源，支持依法依規利用現有加油加氣站的場地設施改擴建加油站，探索站內制氫、儲氫和加氫站一體化的加氫站等新模式。
根據《北京市氫燃料電池汽車車用加氫站發展規劃（2021—2025年）》，北京市將在2023年前，力爭推廣氫燃料電池汽車3000輛；2025年前，力爭實現氫燃料電池汽車累計推廣量突破1萬輛。與此同時，將在2023年前，力爭建成并投運37座加氫站，加氫總能力達到74噸/日，滿足47噸/日車用氫能需求。2025年前，力爭建成并投運加氫站74座，加氫總能力達到148噸/日，滿足126噸/日車用氫能需求。
近年來，上海市也已陸續建成10余座加氫站?！渡虾Ｊ袣淠墚a業發展中長期規劃（2022-2035年）》提出，到2025年，建設各類加氫站70座左右，燃料電池汽車保有量突破1萬輛，氫能產業鏈產業規模突破1000億元，在交通領域帶動二氧化碳減排5萬—10萬噸/年。
企業創新 瞄準市場發力
隨著基礎設施建設不斷完善，越來越多創新型企業瞄準了氫燃料電池汽車相關市場。
入駐在大興國際氫能示范區的北京穩力科技有限公司，致力于燃料電池系統及其零部件的研發和生產。
“在燃料電池系統很多相關零部件產品的研發上，目前不少國產產品已達到國際領先水平。”北京穩力科技有限公司副總經理左琳琳告訴記者，該公司通過對氣浮軸承技術的研發，開發出的新型燃料電池用空壓機，實現了每分鐘12萬轉的超高轉速。這使得燃料電池系統的體積大幅減小，更適合車載使用。
“燃料電池系統零部件產品的研發，涉及電磁學、流體力學、材料學等多學科知識，產品研發過程比較復雜，技術創新含量也比較高。所以我們花了很多時間去不斷測試、驗證。”據左琳琳介紹，燃料電池用空壓機從開始設計，到成功做出工程樣機，花費了4年時間。然后又經過1年多打磨，才正式成為可量產的產品上市。
目前，北京穩力科技有限公司研發的多款燃料電池系統，功率覆蓋范圍為5kW~150kW，既可以適用于長續航、高功率的重型卡車，也可以用于低功率的叉車、環衛車等場地車輛。左琳琳表示：“相信在不久的將來，氫能源車在乘用車和商用車領域，都會有更好的表現，占據一定比例的市場份額。”
電堆是氫燃料電池系統的關鍵部件，在燃料電池系統中所占成本超過一半，而膜電極又是電堆中的核心部件，產業重要度堪比鋰電池的電芯。
近年來，上海捷氫科技股份有限公司在膜電極的自主研發與制造中，取得多項突破，實現了膜電極的國產化、產業化。該公司新一代膜電極產品同比峰值功率密度提升30%，鉑用量下降23%，壽命提升50%，達到國際先進水平。同時，實現了膜電極成本的大幅下降。
“要促進氫燃料電池推廣普及，降本是至關重要的一環。”在捷氫科技總經理盧兵兵看來，要實現降低成本，打破關鍵部件技術壟斷、實現全產業鏈自主可控不可或缺。
“縱觀氫能和燃料電池產業，國內企業已經在大部分技術和產品上頗具競爭力，但同時我們也需要認識到，包括質子交換膜、碳紙、催化劑等在內的部分核心材料，與國外產品相比仍存在技術差距，這也要求我們必須未雨綢繆，更加注重基礎研發。”盧兵兵表示，希望未來在氫燃料電池領域，可以實現從核心材料、零部件，到生產工藝、裝備等在內的全面國產化，避免“卡脖子”，推動中國氫能和燃料電池產業走在國際前列。
中國氫能源車產業及市場的長遠發展潛力，還吸引了不少外資企業。
在廣東省廣州市，韓國現代汽車集團“HTWO廣州”項目正在建設中，并將于今年竣工投產。這是現代汽車集團首個海外氫燃料電池系統研發、生產、銷售基地。
在北京經濟技術開發區，豐田燃料電池研發與生產項目也已正式落地，即將在2023年年底建成、2024年投產。這是北京市氫能領域引入的最大外資項目，未來將導入豐田技術、合力研發國產化的燃料電池，實現燃料電池系統大規模量產。該項目落地后，將進一步加快氫燃料電池技術的商業化普及，同時帶動上下游產業鏈加速集聚。北京經濟技術開發區相關負責人表示：“隨著豐田燃料電池項目落地，下一步將在燃料電池關鍵零部件方面吸引一批高精尖企業落地，增強上下游協同，不斷完善氫能產業鏈。”
有了政策的支持、技術的創新，再加上市場的期待，國內氫能源車產業必將進入提速發展的新階段。
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氫能周報
氫能儲運市場誰更有優勢？
5月，國家重點研發計劃固態儲氫開發項目率先在廣東廣州和云南昆明實現并網發電。這是我國首次利用光伏發電制成固態氫能并成功應用于電力系統，不僅解決“綠電”與“綠氫”轉換難題，而且實現了常溫狀態下氫能存儲。
據主持項目的南方電網科研人員解釋，裝置利用了儲氫合金，工作原理是通過氫氣與新型合金材料發生化學反應，從而吸引氫原子進入金屬空隙，實現存儲目的。如果將合金的環境溫度升高，其間的氫氣就會被釋放出來，通過燃料電池轉化為電能。這是我國吸附儲氫技術和儲氫材料的一次大飛躍。
目前我國儲氫設備依舊存在成本高的難題。民生證券近期所發布的報告《“氫”風陣陣，制儲運全鏈多點開花》中對氫能儲與運現狀進行了市場和技術的詳細研究。
1 儲氫：技術升級能夠拓寬未來降本空間
氫的儲存主要有氣態儲氫、液態儲氫和固體儲氫三種方式。
1）氣態儲氫：技術成熟，是目前應用最廣泛的方式，但單位體積儲氫密度低、安全性較低。
2）低溫液態儲氫：具有儲氫密度高等優勢，但液氫裝置一次性投資較大，液化過程中能耗較高，儲存過程中有一定的蒸發損失，國內液氫已在航天工程中成功使用，但受制于設備和標準的缺失，且投資高，能耗大，目前仍有局限性。
3）固態儲氫：具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優勢，其體積儲氫密度高于液氫，但還需解決吸放氫溫度偏高、循環性能較差等問題，且技術復雜、投資成本較高，目前尚鮮有規?；瘧?。
2主要儲氫方式和企業
以下是各類技術相關企業：
高壓氣態儲氫：中國石油、中集安瑞科、科泰克、天海工業、中材科技、富瑞氫能、斯林達；
低溫液態儲氫：空氣產品公司、普萊克斯、林德、航天101所、國富氫能、鴻達興業、中集圣達、中科富海；
有機液態儲氫：氫陽能源、HydrogeniousLOH、御氫科技、中車西安、武漢氫陽、日本千代田化工建設公司；
吸附儲氫：廈門鎢業、北京浩運金能、遠建集團、澳大利亞科技生活公司 Lavo。
儲氫設備技術壁壘較高，市場格局較為穩定。國內儲氫瓶企業僅有國富氫能、中材科技、天海工業、奧揚科技、科泰克、中集氫能、斯林達7家企業。
從儲氫瓶市場占有率上看，儲氫瓶市場中TOP5占據了80%左右的市場。2021年市場集中度96%，2022年市場集中度85%，市場集中度略有下滑但仍保持較高水平。
碳纖維復合材料占儲氫成本76%，為儲運環節降本的關鍵環節。高壓氣態儲氫容器共有四類，為純鋼制金屬瓶（Ⅰ型）、鋼制內膽纖維纏繞瓶（Ⅱ型）、鋁內膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型）及塑料內膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型）。
壓力為35Mpa的III型高壓容器是市場上的主流儲氫瓶，技術成熟可靠，70Mpa的IV型氫瓶憑借安全、高儲氫密度、輕量化、低成本等顯著優勢，被國內外廠商廣泛關注。35MPa高壓儲氫瓶中碳纖維復合材料成本2194美元，占比約76%，70MPa高壓儲氫瓶中碳纖維復合材料成本2721美元，占比約78%，碳纖維復合材料是儲氫瓶制造的關鍵原材料，其成本和性能對儲氫瓶的成本和使用性能影響重大。
儲氫瓶百億市場蓄勢待發，未來放量在即。據高工氫電預計，2025年國內車載儲氫瓶市場規模34億元，到2030年國內車載儲氫瓶市場規模為722億元。IV型瓶取代III型瓶被大規模應用，短期儲氫瓶市場規模增長迅速。
3輸氫：運輸液態氫比運輸氣態氫更經濟
運氫：氣態儲運是主流，未來液態儲運在大規模、遠距離運輸上的經濟性有望體現。
1）氣態運輸：分為長管拖車和管道輸運，高壓長管拖車是氫氣近距離輸運的重要方式，技術較為成熟，管道輸運是實現氫氣大規模、長距離運輸的重要方式，具有輸氫量大、能耗小和成本低等優勢，但建造管道投資較大。
2）液態運輸：通常適用于距離較遠、運輸量較大的場合。在長距離環境下，采用液氫儲運能夠減少車輛運輸頻次，提高加氫站單站供應能力。日本、美國已將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一。
3）固態運輸：將低壓高密度固態儲罐僅作為隨車輸氫容器使用，加熱介質和裝置固定放置于充氫和用氫現場，可以同步實現氫的快速充裝及其高密度高安全輸運，提高單車運氫量和運氫安全性。
高壓氣態儲氫為主流，國內普遍采用20Mpa氣態高壓儲氫與集束管車運輸的方式，單車運氫約300-400kg，這種方式技術成熟、成本較低，近距離運輸的經濟性較高。但隨著用氫規模擴大、運輸距離增加，液氫槽車儲運的競爭力隨之提高。
液態儲運的儲氫密度約64kg/m³，單次載氫量可達7000kg，約是氣氫長管拖車單車運量的20倍，極大地提高了運輸效率，適合大批量、遠距離運輸。當前液態儲運主要受限于氫氣液化環節的初始投資和能耗較大，未來隨著液化技術的發展和規模效應，液化環節的設備投資和能耗有望降低，大批量、遠距離液態儲運的成本優勢顯現，經濟性有望進一步提高。
氫能儲運小結
氫能的儲備和運輸是關系氫能普及的重要環節。
目前國內儲氫瓶主流廠家數量僅個位數，但近兩年參與者有所增加，2019 年主要儲氫瓶供應商僅國富氫能、科泰克、天海工業、中材科技、斯林達5家，2020年新增南通中集，2021年新增奧揚科技，另外未勢能源也專門從事氣瓶的生產（偏自產自用）。
從出貨量來看，國富氫能2021年市占率35.63%，位居第一，其次是中材科技；但行業集中度呈持續下降的趨勢，CR3份額從 2019 年的91.21%下滑至2021年的 76.95%，當前氫能產業正處于風口，企業數量不斷增長或將成為常態。
當前國內儲氫瓶的平均售價在2-3萬元/支，對應單套車載供氫系統的成本在20萬上下，后續降本空間充足，降本主要是從材料替換、技術進步及規模效應三方面來實現。
碳纖維是儲氫瓶制造的關鍵原材料，其成本和性能對儲氫瓶的成本和使用性能影響重大。根據美國能源局（DOE）的研究成果，碳纖維復合材料的成本占到儲氫瓶成本的60%以上。
目前日本、韓國等成熟的氫燃料電池車型中已經用上了大絲束碳纖維，而國內儲氫瓶市場中 T700級小絲束碳纖維仍占據絕對主導，大絲束相關的應用仍處在早期的研發試驗階段，隨著國產大絲束性能的逐步提升以及配套研究的持續突破，大絲束有望在氣瓶這一細分場景中實現對小絲束的部分或全面替代，帶動儲氫瓶綜合成本的下降。
根據中國汽車工業協會統計，截止2021年我國氫燃料電池汽車保有量為8922輛，若2025 年要達到11.2萬輛的保有量規模，則2022-2025年需新增投放氫燃料車103078輛，假設單車配置8個儲氫瓶，單瓶碳纖維用量65kg，則2022-2025年合計需耗用碳纖維5.36 萬噸。
從全球產能份額來看，美國、日本依舊領跑全球，在行業中占據舉足輕重的地位，大陸地區緊隨其后，達到17%左右的份額。其中日本、美國供給頭部市場比例遠超其他國家或地區，兩者作為碳纖維研發的領軍者，發展較早，而且工藝技術完備，產品性能好，在下游應用端擁有品牌效應，具備壟斷優勢。
世界主要碳纖維生產企業有日本的東麗、東邦、三菱，美國的Cytec、Hexcel，德國的SGL，土耳其的AKSA等企業。
國內行業領軍碳纖維上市公司為光威復材、中復神鷹、中簡科技、精功科技，上述公司均屬于國內碳纖維行業國產企業的領跑者，在產品性能、生產線設備、核心技術三方面具有大優勢。隨著氫能的不斷普及，碳纖維企業將有大作為。
04
氫能周報
碳纖維應用之氫能篇
01
高壓氣態儲氫瓶是碳纖維在氫能的主要應用場景
1.1. 四種儲氫方式中，僅高壓氣態儲氫會用到碳纖維
在不同的氫儲運方式中，只有高壓氣態儲氫瓶會采用碳纖維。目前，儲氫方式包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態材料儲氫四種，其中高壓氣態儲氫是將氫氣加壓至20MPa-80MPa，對儲氫容器的抗壓和輕量化要求較高，目前常采用碳纖維作為產業化解決儲氫容器輕量化、強度高的材料。
固態儲氫和有機液態儲氫不存在加壓問題，均不會使用碳纖維。固態儲氫和有機液態儲氫均是通過某種特殊材料的吸附進行常壓儲氫，不存在加壓的問題。液氫儲運最核心的是隔熱、防氫脆，其儲罐為真空絕熱深冷壓力容器，由內容器和外容器套合組成雙層臥式圓柱形筒體；液氫儲運的工作壓力在 1-1.3bar，接近常壓，常用奧氏體不銹鋼為內容器材料。
01
高壓氣態儲氫瓶是碳纖維在氫能的主要應用場景
1.2. 碳纖維在高壓儲氫瓶的應用以輕量化為目標，提高質量密度儲氫比
從輕量化角度出發，碳纖維在 II、III、IV型瓶中均有應用。高壓氣體儲氫容器主要包括純鋼制金屬瓶（I 型）、鋼制內膽纖維纏繞瓶（II 型）、鋁內膽纖維纏繞瓶（III 型）及塑料內膽纖維纏繞瓶（IV型），從 I 型瓶發展到 IV型瓶，主要目的是降低氣瓶的壁厚以減重。
燃料電池汽車主要用 III型瓶、IV型瓶，長管拖車主要用II型瓶、III型瓶。I 型瓶是全金屬瓶，主要為15Mpa實驗室用瓶和20Mpa 長管拖車的常用瓶；II 型瓶采用金屬內襯，外部用玻璃增強纖維纏繞瓶身直筒部分；III 型瓶采用金屬內襯，外部用碳纖維纏繞整個瓶身，包括直筒和端蓋；IV型瓶最輕，采用塑料內襯，碳纖維纏繞整個瓶身，是目前技術水平最高的高壓儲氫技術。
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高壓氣態儲氫瓶是碳纖維在氫能的主要應用場景
1.3. 2021年國內高壓儲氫瓶碳纖維需求量超500噸
2021年，我國燃料電池汽車銷量1586輛，按50%的庫存率計算當年燃料電池汽車產量為2,379輛，對應碳纖維的需求量571噸。按燃料電池汽車平均攜帶6個儲氫瓶（規格為35MPa/165L，單瓶碳纖維用量40kg）計算，單車碳纖維用量240kg。
2021年，豐田 Mirai和現代NEXO燃料電池乘用車的碳纖維需求量分別為355噸和577噸。以豐田Mirai為例，搭載兩個高壓儲氫罐，兩個的總容積122.4 升（前 60.0 升+后 62.4L），單車的碳纖維用量約60kg。
02
未來氫能的碳纖維用量取決于燃料電池汽車發展
2.1 預計到2030年，燃料電池汽車用碳纖維12萬噸
到2030年，氫能領域碳纖維用量預計超12萬噸，其中燃料電池汽車用碳纖維12萬噸（對應30萬輛）、長管拖車用碳纖維0.3萬噸（對應0.24萬輛）。
預計到2030年，燃料電池汽車銷量達30萬輛，對應碳纖維需求量 12萬噸。
燃料電池汽車銷量的預測：參考新能源汽車的滲透率，到2030年燃料電池汽車滲透率達到20%估算，到2030年燃料電池汽車銷量30 萬輛，保有量70萬輛。
單車碳纖維用量的預測：一輛車配8個III型儲氫瓶（規格為35MPa、210L），單瓶的碳纖維用量50kg，對應單車碳纖維 400kg。
02
未來氫能的碳纖維用量取決于燃料電池汽車發展
2.2. 預計到2030年，長管拖車用碳纖維0.3萬噸
預計到2030年，新增長管拖車0.24萬輛，對應碳纖維需求量0.3萬噸。
長管拖車新增量的預測：參考各城市氫能產業規劃文件，按每座加氫站配備3臺長管拖車，2030年新增長管拖車2360輛。
單車碳纖維用量的預測：單車9管（每管150kg的碳纖維用量），單車1350kg的碳纖維用量。
05
氫能周報
ZwickRoell復合材料應用案例分享
在氫能產業鏈中除了制氫和用氫階段，在儲氫和運氫環節同樣需要材料擁有穩定的機械性能，因此測試的可靠性尤為關鍵。由于氫氣通常需要在超低溫度下以液態或在高壓下以氣態形式進行儲存和運輸，這就要求氫氣儲罐和運輸管道材料在氫氣環境下和超低溫下要保持穩定的機械性能和長生命周期的考驗，所以材料的靜態、動態力學性能和蠕變性能都需要進行表征。
1 儲氫罐類型與特點
氫氣的儲存運輸是連接氫氣生產端和需求端的關鍵橋梁，深刻影響著氫能行業發展和應用的節奏及進度。由于氫氣在常溫常壓狀態下密度極低（僅為空氣的 1/14）、單位體積儲能密度低、易燃易爆等，其特性導致氫氣的安全高效輸送和儲存難度較大，采用高壓氣態或超低溫液態的方式進行氫氣的儲存和運輸。高壓儲氫罐是現階段主要的儲氫方式，它具有充放氫速度快、容器結構簡單等特點，目前市面上的儲氫壓力罐主要有以下四種類型。
其中I型瓶的重量大，僅適用于加氫站固定式儲氫，II型瓶較I型瓶重量有所下降，但儲氫密度依舊較低，難以滿足車載儲氫要求，III型瓶和IV型瓶使用與車載儲氫，其中帶塑料內襯的IV碳纖維增強復合材料(CFRP)壓力罐具有最先進的技術，不僅重量輕而且具備優異的抗氫脆腐蝕、高儲氫密度等優勢，是車載儲氫和航空航天應用最有效的解決方案。
汽車用IV型儲氫壓力罐結構
與傳統的金屬儲罐相比，CFRP制成的儲氫罐更具有優勢，但仍面臨諸多挑戰，例如復合材料在超低溫環境下的機械性能變化、在高負荷循環下的疲勞行為。
2 CFRP在氫能應用中的機械性能測試
在液氫存在的情況下，CFRP的機械性能、高低溫、靜態和動態載荷下的材料行為均需要量化表征，但是由于測試標準發展的滯后性，目前行業內普遍采用常規復合材料的測試標準進行低溫環境測試。
涉及到的復合材料測試標準包括：
// 拉伸測試：ISO 527-4,5或ASTM D3039
// 壓縮測試：ISO 14126或ASTM D3410、D6641、D695
// 面內剪切應力/剪切應變響應：ISO 14129或ASTM D3518
// 層間剪切強度（ILSS）：ISO 14230 或 ASTM D2344
// 彎曲性能測試：ISO 14125 或 ASTM D7264
// 粘接組件搭接剪切強度測試：EN 1465 或 ASTM D3164
// 層間斷裂韌性Mode II：ASTM D7905
// 拉伸疲勞測試：ISO 13003 或 ASTM D3479
// 彎曲疲勞測試：ISO 13003 附錄 A
3 ZwickRoell在CFRP氫儲罐應用中案例分享
ZwickRoell在CFRP儲罐中的應用有非常完善的解決方案，可以滿足靜態以及動態的超低溫測試要求，同時配備浸入式恒溫器或持續流動式的恒溫器實現測試所需的超低溫環境。
案例1 - 靜態超低溫測試
客戶： 德國某研究所
配置方案：靜態試驗機Z100帶LN2/LHe（液氮/液氦）持續流動式恒溫器
// LN2/LHe連續流動式溫恒溫器，溫度低至15K
// 用于復合材料靜態測試，從室溫至-258℃/15K無級調溫
// 采用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
// 采用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
// 用于拉伸和彎曲測試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar; 載荷：Max 100KN
// 可選：氫氣環境
Z100帶液氮/液氦持續流動式恒溫器
案例2 – 靜/動態超低溫測試
客戶： 德國某研究所
配置方案：動態試驗機HB100 LN2/LHe連續流動式低溫恒溫器
// 用于復合材料動態和靜態測試，從室溫至-258℃/15K無級調溫
// 采用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
// 采用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
// 用于拉伸和彎曲測試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar 載荷：Max 100KN
// 可選：氫氣環境
HB100帶液氮/液氦持續流動式恒溫器
案例3 – 靜/動態超低溫測試
客戶： 歐洲某工廠
配置方案：動態試驗機HB100 帶液氮浸入式恒溫器和低溫箱
// LN2浸入式低溫恒溫器，溫度低至-196℃/77K
// 另配溫箱溫度低至-173℃/100K
// 用于復合材料、塑料和其他材料的超低溫環境下動態和靜態測試
// 采用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
// 采用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
// 用于拉伸和彎曲測試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar
HB100帶液氮浸入式恒溫器和低溫箱
