儲氫瓶是用于儲存氫氣的容器，應用于各種使用氫氣的場景。本報告主要分析氫燃料電池產業鏈上下游市場儲氫瓶需求。

 

根據氫燃料電池汽車產業上下游市場分析，儲氫瓶主要應用于三個環節：

 

（1）、車用儲氫瓶；

 

（2）、加氫站（加氫母站）用儲氫瓶；

 

（3）、運輸設備用儲氫瓶。

 

1.1、按生產材料分類

 

根據安全制造材質和工藝，氣瓶一般分為四型。一型瓶（Ⅰ型）是金屬氣瓶；二型瓶（Ⅱ型）是金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶；三型瓶（III型）是金屬內膽纖維全纏繞氣瓶；四型瓶（IV型）是非金屬類的纖維全纏繞氣瓶。

 

金屬儲瓶采用性能較好的金屬材料（如鋼）制成，受其耐壓性限制，早期鋼瓶的儲存壓力為12～15 MPa，氫氣質量密度低于1.6%。通過增加儲罐厚度，能一定程度地提高儲氫壓力，但會導致儲罐容積降低，70MPa時的大容積僅300L，氫氣質量較低。由于儲罐多采用高強度無縫鋼管旋壓收口而成，隨著材料強度提高，對氫脆的敏感性增強（氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內部形成細小的裂紋，又稱白點。），失效的風險有所增加。同時，由于金屬儲氫鋼瓶為單層結構，無法對容器安全狀態進行實時在線監測。因此這類儲罐僅適用于固定式、小儲量的氫氣儲存，遠不能滿足車載系統要求。

 

隨著氫能的發展、高壓儲氫技術對容器的承載能力要求增加，金屬內襯纖維纏繞儲罐逐步應用。其利用不銹鋼或鋁合金制成金屬內襯，用于密封氫氣，利用纖維增強層作為承壓層，儲氫壓力可達40MPa。由于不用承壓，金屬內襯的厚度較薄，大大降低了儲罐質量。多層結構的采用不僅可防止內部金屬層受侵蝕，還可在各層間形成密閉空間，以實現對儲罐安全狀態的在線監控。由于金屬內襯纖維纏繞儲罐成本相對較低，儲氫密度相對較大，也常被用作大容積的氫氣儲罐。

 

為了進一步降低儲罐質量，人們利用具有一定剛度的塑料代替金屬，制成了全復合輕質纖維纏繞儲罐。這類儲罐的筒體一般包括3層：塑料內膽、纖維增強層、保護層。塑料內膽不僅能保持儲罐的形態，還能兼作纖維纏繞的模具。同時，塑料內膽的沖擊韌性優于金屬內膽，且具有優良的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫和高強度、高韌性等特點。由于全復合輕質纖維纏繞儲罐的質量更低，約為相同儲量鋼瓶的50%，因此，其在車載氫氣儲存系統中的競爭力較大。為了將儲罐進一步輕質化，提出了3種優化的纏繞方法：強化筒部的環向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強化底部的低角度螺旋纏繞，能減少纏繞圈數，減少纖維用量40%。

 

1.1.1、I型、II型儲氫瓶

 

由于高壓氣態儲氫容器I型、II型儲氫密度低、氫脆問題嚴重，車載儲氫瓶很少使用該類型號。

 

I型、II型儲氫密度低、安全性能差、質量重，技術成熟，應用早，少量應用于CNG（壓縮天然氣）的客車和卡車。

 

I型長管大量應用于高壓氣體儲運市場，國內的相關的車用制作標準是《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》GB 17258-2011。

 

Ⅱ型氣瓶一邊內膽材質是鋼類的，采用的玻璃纖維或碳纖維環向纏繞工藝，交通領域主要應用于CNG車用氣瓶，二型長管少量用于儲運市場，車用的制造標準目前是《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》GB24160和一些企業標準。

 

1.1.2、III型、IV型儲氫瓶

 

III型、IV型瓶由于制作內膽和保護層的材料密度低、氣瓶質量輕、單位質量儲氫密度增加。憑借提高安全性、減輕重量、提高質量儲氫密度等優勢，車載應用已經較為廣泛，其外多為IV型瓶，國內則多為III型瓶。因此，燃料電池汽車儲氫瓶大多使用III型、IV型這兩種型號。

 

III型氣瓶主要的材質有鋼類的和鋁類的，采用的是碳纖維或者是玻璃纖維全纏繞工藝，主要應用于輕量化的CNG車型和氫燃料電池車、氫燃料無人機等市場。國內車用氫氣瓶的標準是《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》GB/T 35544-2017。

 

IV型氣瓶就是通常說的塑料內膽的氣瓶，內膽是符合材料內膽的，采用碳纖維、玻璃纖維全纏繞工藝，目前國際市場上應用比較多，在國內市場目前是暫時沒有應用，也沒有相關的一些標準。

 

 

1.2、按儲氫壓力分類

 

氫氣質量密度隨壓力增加而增加，在30-40MPa時，增加較快，當壓力大于70MPa時，變化很小。因此儲氫瓶工作壓力須在30-70MPa。氫燃料電池汽車中的高壓儲氫瓶一般有35Mpa和70Mpa兩種。

 

III型瓶與IV型瓶都分不同的壓力等級，III型瓶分35MPa和70MPa，而IV型瓶也可以區分高壓力和低壓力，但由于IV型瓶只有在高壓力下的優勢才能更好的體現，如果只是低壓力，III型瓶或許在成本及后期使用上更有優勢。所以企業在研發方面主要是集中于70MPa IV型瓶。

 

1.3、儲氫容器性能對比

 

 

01

 

液態儲、運容器

 

 

 

 

林德子公司Linde Kryotechnik是上為數不多的幾家具有低溫液化系統（氦氣和氫氣的大批量低溫液化）設計和建造能力的公司。林德為液氮、液氬、液氧、液體二氧化碳、液態氫、液化天然氣和液體一氧化二氮提供低溫標準儲罐。儲罐的容量從3000升到450000升，標準工作壓力為18MPa、22MPa或36MPa。每個儲罐都是真空絕緣的，可以垂直或水平安放進行運輸。內部容器和管道由不銹鋼制成，以確保清潔度，外殼采用特殊涂層，以提高絕緣性能。

 

常溫下100L儲罐中存儲4.1kg氫氣，其壓力需要達到75 MPa。而當氫氣溫度降到77 K時，儲存相同量的氫氣在100L儲罐中壓力僅為15MPa。Linde公司采用的低溫液態泵其排氣壓力35-90 MPa，排量超過1000 Nm3/h。

 

美國加利福尼亞州的勞倫斯利沃莫爾實驗室研發了新型高壓低溫液態儲罐，外罐長度為129cm、直徑58cm。該儲氫罐內襯為鋁，外部纏繞碳纖維，其外套保護由高反射率的金屬化塑料和不銹鋼組成，儲氫罐和保護套之間為真空狀態。現有的低溫液態儲罐僅能維持介質2-4天無揮發，將新研發的高壓低溫液態儲氫罐安裝在混合動力車上進行測試，結果表明可以有效降低液氫揮發，其保持6天無揮發。

 

日本企業為了支撐液氫供應鏈體系的發展，解決液氫儲運方面的關鍵性技術難題，投入了大量研發，推出的產品大多已經進入實際檢驗階段，如日本企業開發的大型液氫儲運罐，通過真空排氣設計保證了儲運罐高強度的同時實現了高阻熱性。

 

我國中科富海將向空氣產品公司引進代表先進技術水平的液氫儲運加氫站成套設備，并在廣東省建成座商業運營的液氫儲運型加氫站。

 

近年來，包括中集安瑞科在內，我國在液氫裝備制造產業關鍵部件和技術開發方面潛心研究，不斷取得突破。其中，液氫儲罐已經完產化，大容積可達300m3；氦制冷循環設備方面，中科院理化所和中科富海已掌握核心技術；中科富海研發的位于上海的1000L/h氫液化系統，預計于2019年上半年正式投入運行。

 

但仍有不少核心液氫裝備依然主要依靠進口。比如，國內在用的氫液化裝置主要來自法液空和林德，在用的鐵路氫運輸罐車來自俄羅斯，高壓液氫泵國內暫無商用產品，氫循環液化裝置用的氫透平膨脹機國內尚無成熟產品，液氫相關的測量分析儀器還依賴進口等。