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摘要
燃料電池是一種直接把燃料所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，它具有能量轉(zhuǎn)化率高、無(wú)噪聲污染、環(huán)境友好等特點(diǎn)。采用氫氣作為燃料的燃料電池是實(shí)現(xiàn)緩解能源壓力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境和諧的最佳手段，由此并帶動(dòng)了氫能產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。
氫燃料電池汽車(chē)是氫能應(yīng)用場(chǎng)景最具代表性的領(lǐng)域之一，汽車(chē)工程協(xié)會(huì)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》指出，到2030年，中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)將超過(guò)百萬(wàn)輛。面對(duì)氫燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)即將的噴井式增長(zhǎng)，作為氫燃料汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)，車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)直接關(guān)系到燃料電池汽車(chē)的續(xù)航、成本與安全性。
1儲(chǔ)氫瓶行業(yè)概況
1.1儲(chǔ)氫瓶作用與原理
儲(chǔ)氫瓶是一種氫氣儲(chǔ)存的容器?，F(xiàn)有氫氣的儲(chǔ)運(yùn)容器技術(shù)包括高壓儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)存、金屬氫化物儲(chǔ)氫、低溫吸附儲(chǔ)氫、納米碳管高壓吸附儲(chǔ)氫以及液體有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫。各種儲(chǔ)氫技術(shù)相應(yīng)的儲(chǔ)氫瓶也有所區(qū)別。
高壓儲(chǔ)氫是目前較為廣泛使用的一種氫氣儲(chǔ)存方式。氫氣可以在高壓下（15.2～70.9兆帕）裝盛在氣體瓶中運(yùn)輸，可通過(guò)減壓閥的調(diào)節(jié)直接釋放氫氣。方便可靠，是最普通和最直接的儲(chǔ)氫方式。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出碳纖維與鋁復(fù)合材料的高壓氣瓶，大大降低氣瓶自身質(zhì)量，提高容量裝載效率，使高壓儲(chǔ)氫成為較有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的車(chē)載儲(chǔ)氫方式。
1.2儲(chǔ)氫瓶分類(lèi)
按照材質(zhì)分類(lèi)，儲(chǔ)氫瓶分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型，材質(zhì)分別為純鋼制、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞、鋁內(nèi)膽纖維纏繞、塑料內(nèi)膽纖維纏繞、無(wú)內(nèi)膽纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶。
1.3儲(chǔ)氫瓶發(fā)展歷程
最早為純金屬儲(chǔ)氫瓶，由于是單層結(jié)構(gòu)，無(wú)法對(duì)容器安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。因此，這類(lèi)儲(chǔ)罐僅適用于固定式、小儲(chǔ)量的氫氣儲(chǔ)存，遠(yuǎn)不能滿足車(chē)載系統(tǒng)的要求。后來(lái)出現(xiàn)金屬內(nèi)膽外加碳纖維纏繞，最初僅是罐體中部纏繞，后來(lái)發(fā)展到全罐纏繞。纏繞方案主要包括層板理論與網(wǎng)格理論。多層機(jī)構(gòu)的采用不僅可防止內(nèi)部金屬層受侵蝕，還可以各層間形成密閉空間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐安全狀態(tài)的在線監(jiān)控。
為了進(jìn)一步降低儲(chǔ)罐質(zhì)量，人們利用具有一定剛度的熟料代替金屬，制成了全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐。這類(lèi)儲(chǔ)罐的筒體一般包括三層：塑料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)層和保護(hù)層。塑料內(nèi)膽不僅能保持儲(chǔ)罐的形態(tài)，還能兼作纖維纏繞的模具。同時(shí)，塑料內(nèi)膽的沖擊韌性優(yōu)于金屬內(nèi)膽，且具有優(yōu)良的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫和高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)。全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐的質(zhì)量約為相同儲(chǔ)量鋼瓶的50%，因此，其在車(chē)載氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
豐田在2015年5月舉行的日本汽車(chē)技術(shù)協(xié)會(huì)春季大會(huì)上，就燃料電池車(chē)“MIRAI”配備的高壓儲(chǔ)氫罐的輕量化發(fā)表了演講。其內(nèi)層是密封氫氣的樹(shù)脂襯里，中層是確保耐壓強(qiáng)度的碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂層，表層是保護(hù)表面的玻璃纖維強(qiáng)化樹(shù)脂層。
MIRAI的儲(chǔ)氫罐的輕量化瞄準(zhǔn)的是中層。中層采用的是對(duì)含浸了樹(shù)脂的碳纖維施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞工藝。纏繞方法有強(qiáng)化筒部的環(huán)向纏繞、強(qiáng)化邊緣的高角度螺旋纏繞和強(qiáng)化底部的低角度螺旋纏繞三種，三種方式均減少了纏繞圈數(shù)。使得碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂的用量比原來(lái)減少了40%，使重量效率比原來(lái)提高了20%，達(dá)到全球最高水平。
1.4儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模
據(jù)勢(shì)銀咨詢預(yù)測(cè)，車(chē)載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模在2030年預(yù)計(jì)達(dá)到 69 億美元，受中國(guó)市場(chǎng)龐大的重卡基數(shù)推動(dòng)，十年內(nèi)中國(guó)市場(chǎng)的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)份額預(yù)期提升至39%，成為全球最大的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)。考慮到一輛車(chē)車(chē)載氣瓶在3-6個(gè)不等，取平均值假設(shè)一輛車(chē)車(chē)載氣瓶為4.5個(gè)，如按規(guī)劃 2025 年燃料電池車(chē)保有量為10萬(wàn)輛，則2020-2025 新增量 CAGR為 29.05%，對(duì)應(yīng)2025年銷(xiāo)量為 6.88 萬(wàn)輛，儲(chǔ)氫瓶年需求為30.95萬(wàn)個(gè)。我們測(cè)算得2020-2050年中國(guó)儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)有望達(dá)到 3234 億元，其中2020-2025年新增市場(chǎng)規(guī)模約為 111 億元，2020-2035年間市場(chǎng)規(guī)模約為831億元。
1.5儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)業(yè)鏈
復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過(guò)渡層、纖維纏繞層、外殼保護(hù)層。國(guó)內(nèi)內(nèi)襯材料多選用鋁合金，國(guó)外則多選用特種塑料；纖維纏繞層選用碳纖維作為增強(qiáng)材料。
儲(chǔ)氫罐產(chǎn)業(yè)鏈上游主要是原材料和零部件，原材料包括鋁材、鋼材、炭纖維和樹(shù)脂等；零部件包括各種金屬閥門(mén)和各類(lèi)傳感器；中游的生產(chǎn)制造設(shè)備和制造工藝等；下游則就是在燃料汽車(chē)上的應(yīng)用。
在產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)方面，車(chē)載儲(chǔ)氫瓶核心材料及零部件如碳纖維主要依賴進(jìn)口，瓶口閥、減壓閥等也主要依賴進(jìn)口。
1.5.1碳纖維
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、高模量、密度低、無(wú)蠕變、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、非氧化環(huán)境下耐超高溫、耐疲勞性好等特性，碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、電纜芯、建筑建材、儲(chǔ)氫罐、船舶、碳碳復(fù)材、電子電器等多個(gè)領(lǐng)域。
成本方面，儲(chǔ)氫罐的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維上，占比近60%，目前使用的級(jí)別是T800，國(guó)內(nèi)主要從日本東麗進(jìn)口，東麗在碳纖維市場(chǎng)份額占比超過(guò) 80%；近兩年逐漸開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化小批量替代，碳纖維供應(yīng)商國(guó)內(nèi)主要有中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、中簡(jiǎn)科技等，還有楚江新材、博云新材。
1.5.2傳感器
傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，目前儲(chǔ)氫罐使用的主要是壓力傳感器和濕度傳感器等等。
從全球來(lái)看，2018年美日仍是全球傳感器市場(chǎng)主要占有者，分別占據(jù)全球份額的29%和21%；中國(guó)市場(chǎng)份額仍只有10%，且集中在中低端需求領(lǐng)域。
1.5.3纏繞機(jī)
纏繞機(jī)是復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵設(shè)備，與其配套的張力控制系統(tǒng)、浸膠槽、多維度吐絲頭、自轉(zhuǎn)芯軸組成的濕法纏繞體系，不僅控制了生產(chǎn)成本，更決定了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，全球主要有美國(guó)Tankinetic和意大利的Sarplast壟斷了大型纏繞機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。中國(guó)目前還沒(méi)有能力制造大型纏繞機(jī)。
2儲(chǔ)氫瓶行業(yè)驅(qū)動(dòng)因素
2.1符合國(guó)家對(duì)未來(lái)能源安全和能源結(jié)構(gòu)的規(guī)劃
石油與其他炭燃料資源是有限的，因此汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也需要新的再生能源來(lái)替代化石能源，維持其產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。從國(guó)家能源安全的角度，我國(guó)屬于石油進(jìn)口大國(guó)，大力支持發(fā)展燃料電池汽車(chē)，可以降低對(duì)石油進(jìn)口的依賴度。從能源轉(zhuǎn)化效率和尾氣副產(chǎn)品方面考量，燃料電池汽車(chē)順應(yīng)了國(guó)家對(duì)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的能源轉(zhuǎn)化效率很低，據(jù)估計(jì)大約有80%的能源損耗在石油轉(zhuǎn)換成汽車(chē)動(dòng)力的流程中，有研究表明，絕大部分傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車(chē)能源轉(zhuǎn)化效率只有15%左右，而燃料電池的效率可以達(dá)到60%。
汽車(chē)尾氣排放也是碳排放的大戶，燃料電池汽車(chē)除了可以減少噪音污染外，排放產(chǎn)物就是水，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零排放”，可以預(yù)見(jiàn)，在國(guó)家“炭達(dá)峰”目標(biāo)的大背景下，燃料電池汽車(chē)發(fā)展也會(huì)得到大力支持。
整體看，氫能作為一種新能源，受到業(yè)界和政府的較多關(guān)注和支持，儲(chǔ)氫罐作為氫能源利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必將伴隨氫能源行業(yè)發(fā)展而迅速增長(zhǎng)。
2.2國(guó)家政策持續(xù)扶持
國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵材料能否突破，對(duì)于國(guó)內(nèi)燃料電池行業(yè)未來(lái)發(fā)展非常關(guān)鍵。2020年9月落定的“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策鼓勵(lì)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵材料自主化程度提升，給予了儲(chǔ)氫瓶相關(guān)關(guān)鍵材料，如碳纖維、樹(shù)脂的發(fā)展信心，也推動(dòng)著相關(guān)企業(yè)加碼布局。
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