English
簡(jiǎn)體中文
2021年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，目標(biāo)是以能源革命、交通強(qiáng)國(guó)等重大需求為牽引，到2025年實(shí)現(xiàn)我國(guó)氫能技術(shù)研發(fā)水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)自主可控，描繪出我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路徑的目標(biāo)愿景。“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)指南中，擬圍繞氫能綠色制取與規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全存儲(chǔ)與快速輸配體系、氫能便攜改質(zhì)與高效動(dòng)力系統(tǒng)及“氫進(jìn)萬家”綜合示范4個(gè)技術(shù)方向，啟動(dòng)“光伏/風(fēng)電等波動(dòng)性電源電解制氫材料和過程基礎(chǔ)”等19個(gè)指南任務(wù)。
圖1. 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈
01
氫能周報(bào)
氫能技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫：具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段主要儲(chǔ)氫方式，分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類。其中鋼質(zhì)氫瓶和鋼質(zhì)壓力容器技術(shù)最為成熟，成本較低。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫由固定式應(yīng)用向車載儲(chǔ)氫應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。目前最常用的氣態(tài)氫儲(chǔ)存罐是鋼罐，今后的研究熱點(diǎn)是利用抗高壓輕質(zhì)復(fù)合材料罐和玻璃微球儲(chǔ)氫。
復(fù)合材料罐儲(chǔ)氫的研究重點(diǎn)是：
（1）運(yùn)用新技術(shù)研究材料脆裂力學(xué)性能；
（2）增強(qiáng)材料性能，降低材料成本，尤其是碳纖維；
（3）發(fā)展高效、清潔（無油）1000巴的壓縮罐（可考慮利用太陽(yáng)能或廢熱的實(shí)用型氫化物壓縮罐）；
（4）在車輛運(yùn)行過程中回收壓縮能的技術(shù)。
01
下游加氫及終端應(yīng)用
加氫基礎(chǔ)設(shè)施
加氫基礎(chǔ)設(shè)施是氫能利用和發(fā)展的中樞環(huán)節(jié)，是為燃料電池車充裝燃料的專門場(chǎng)所，不同來源的氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)增壓后，儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐內(nèi)，再通過氫氣加注機(jī)為氫燃料電池車加注氫氣。加氫站作為氫能源戰(zhàn)略中十分關(guān)鍵的一環(huán)，以其氫燃料的儲(chǔ)備輻射周邊區(qū)域，使得車輛能夠及時(shí)補(bǔ)充能源，形成良好的循環(huán)，才能推動(dòng)燃料電池的發(fā)展。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截止至2020年底，我國(guó)已建成運(yùn)營(yíng)加氫站127座，新增61座，顯著超過《節(jié)能與新能源汽車路線》中規(guī)劃的100座目標(biāo)。
加氫站具有三大核心裝備，為氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)（國(guó)內(nèi)目前均為高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)）和氫氣加注機(jī)（見圖3）。
圖3. 加氫站三大核心設(shè)備
02
燃料電池
2.1 燃料電池技術(shù)
2020年，受疫情等因素影響，燃料電池汽車產(chǎn)銷量出現(xiàn)較大幅度下降；2021 年有所恢復(fù)，全年產(chǎn)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(chǎn)銷量分別為2196輛和1888輛，分別同比增加203.31%和 157.57%，增勢(shì)強(qiáng)勁主要與氫燃料電池汽車示范城市群的開展有關(guān)。
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)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(chǎn)業(yè)政策優(yōu)先支持商用車發(fā)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(dòng)車而言，氫燃料車具備更高功率和能量密度，能勝任更長(zhǎng)的續(xù)航和更大的載重負(fù)荷，因此長(zhǎng)途運(yùn)輸和重載領(lǐng)域是其最為重要的發(fā)展方向和優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景。
汽車的經(jīng)濟(jì)效益一般是通過全生命周期總擁有成本（TCO）模型進(jìn)行測(cè)算，總擁有成本由購(gòu)買成本及運(yùn)營(yíng)成本構(gòu)成，運(yùn)營(yíng)成本包括燃料費(fèi)用、基礎(chǔ)設(shè)施成本、維修成本、零部件替換成本以及保險(xiǎn)費(fèi)用等。
當(dāng)前時(shí)點(diǎn)，氫燃料汽車的TCO明顯高于純電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車，隨著燃料電池系統(tǒng)技術(shù)成熟以及成本下降、加上氫氣價(jià)格及氫耗水平的降低，氫燃料汽車的TCO 將持續(xù)下行。
根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》測(cè)算，不同類型的氫燃料汽車與同類型純電動(dòng)車的成本平衡點(diǎn)取得時(shí)間不同，其中客車、物流車、重卡等氫燃料電池商用車型預(yù)計(jì)將在2030年前取得與同類型電動(dòng)車相當(dāng)?shù)娜芷诮?jīng)濟(jì)性，而續(xù)航里程在500km以上的乘用車預(yù)計(jì)將于2040年前后與純電動(dòng)車型經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。
屆時(shí)，下游客戶主動(dòng)采購(gòu)意愿或?qū)⒚黠@提高，疊加加氫基礎(chǔ)設(shè)施的普及，氫燃料車將逐步擺脫政策依賴性，實(shí)現(xiàn)自主市場(chǎng)化發(fā)展。
2.1 燃料電池技術(shù)
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(jié)合生成水的同時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，該過程不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，理論效率可達(dá)90%以上，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。燃料電池的陽(yáng)極和陰極中間有一層堅(jiān)韌的隔膜以隔絕氫氣和氧氣，有效規(guī)避了氫氣和氧氣直接接觸發(fā)生燃燒和爆炸的危險(xiǎn)。氫氣進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)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(dá)陰極，在催化劑的作用下與氧氣結(jié)合生成水，電子則通過外部電路向陰極移動(dòng)形成電流。
圖4. 燃料電池核心構(gòu)成示意圖
自“十五”新能源汽車重大科技專項(xiàng)啟動(dòng)以來，在國(guó)家一系列重大項(xiàng)目的支持下，燃料電池技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，初步掌握了燃料電池電堆與關(guān)鍵材料、動(dòng)力系統(tǒng)與核心部件、整車集成等核心技術(shù)；部分關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)室水平已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但工程化、產(chǎn)業(yè)化水平滯后，總體技術(shù)水平落后于日本、韓國(guó)等國(guó)家。具體而言，質(zhì)子交換膜燃料電池隨著終端應(yīng)用的逐步推廣，膜電極、雙極板、質(zhì)子交換膜等已具有國(guó)產(chǎn)化的能力，但生產(chǎn)規(guī)模較小；電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，但輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為落后；系統(tǒng)及整車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，配套廠家較多且生產(chǎn)規(guī)模較大，但大多采用國(guó)外進(jìn)口零部件，對(duì)外依賴度高。
表2 國(guó)內(nèi)外質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比
02
燃料電池
2.2 燃料電池應(yīng)用
隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，相關(guān)產(chǎn)品已逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，在交通領(lǐng)域逐步應(yīng)用于汽車、船舶、軌道交通等，可降低能源對(duì)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(yè)應(yīng)用，未來鋰電與燃料電池將成為互補(bǔ)關(guān)系，歐陽(yáng)明高院士曾提出“鋰離子電池更適合替代汽油機(jī)，氫燃料電池系統(tǒng)更適合替代柴油機(jī)”。氫燃料電池目前成本還達(dá)不到民用可接受的水平，相比于純電動(dòng)車和汽油車，氫燃料電池車在購(gòu)置成本和使用成本上不占優(yōu)勢(shì)，未來隨著應(yīng)用量提升，整車成本及氫氣成本均有望顯著下降，國(guó)內(nèi)技術(shù)還有很大的提升空間。
表3 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)內(nèi)主要公司
未來發(fā)展趨勢(shì)
2020年是全球氫能發(fā)展加速之年，碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略下脫碳成為全球氫能發(fā)展的第一驅(qū)動(dòng)力，習(xí)主席2020年在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)與2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。低碳清潔氫成為實(shí)現(xiàn)碳中和路徑的重要抓手。
各國(guó)制氫技術(shù)路線重點(diǎn)圍繞可再生能源電解水制氫技術(shù)、化石能源制氫+CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目示范和產(chǎn)業(yè)布局。此外，針對(duì)燃料電池汽車終端應(yīng)用場(chǎng)景，開展氫氣純化與氫氣品質(zhì)研究工作，確保氫氣高品質(zhì)供應(yīng)。我國(guó)在CCUS技術(shù)集成、海底封存和工業(yè)應(yīng)用與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，且CCUS大規(guī)模示范項(xiàng)目數(shù)量和整體規(guī)模均遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。
氫氣純化技術(shù)方面，美國(guó)與日本立足本國(guó)能源結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分別聚焦小型天然氣重整制氫場(chǎng)景與氨分解重整制氫、有機(jī)液體解析氫氣場(chǎng)景，開展燃料電池車用氫氣純化技術(shù)研究，包括高效小型變壓吸附技術(shù)、有機(jī)膜分離、無機(jī)膜分離和全屬鈀膜分離技術(shù)。我國(guó)的氫氣來源廣泛，尤其是副產(chǎn)氣雜質(zhì)種類多且含量分布寬，單一純化技術(shù)路線難以滿足實(shí)際需求。尤其在燃料電池車用氫氣純化領(lǐng)域，我國(guó)起步較晚，缺乏系統(tǒng)性研究。
氫儲(chǔ)存技術(shù)方面，目前我國(guó)對(duì)儲(chǔ)氫材料的研究比較活躍，研究?jī)?nèi)容涉及到了高壓儲(chǔ)氫、碳納米管儲(chǔ)氫、新型合金儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、碳凝膠儲(chǔ)氫、玻璃微球儲(chǔ)氫、氫漿儲(chǔ)氫、層狀化合物儲(chǔ)氫等當(dāng)前國(guó)際氫儲(chǔ)存技術(shù)研發(fā)的主要方面，并在金屬氫化物儲(chǔ)氫、碳納米管儲(chǔ)氫、復(fù)雜化合物儲(chǔ)氫等方面具有優(yōu)勢(shì)。
加強(qiáng)氫燃料電池技術(shù)和氫燃料電池汽車以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)。發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要方面是發(fā)展氫能交通運(yùn)輸體系和氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
國(guó)家重大需求及關(guān)鍵技術(shù)
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2021年度申報(bào)指南》中，堅(jiān)持問題導(dǎo)向、分步實(shí)施、重點(diǎn)突出的原則，圍繞氫能綠色制取與規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全存儲(chǔ)與快速輸配體系、氫能便捷改質(zhì)與高效動(dòng)力系統(tǒng)及“氫進(jìn)萬家”綜合示范等4個(gè)技術(shù)方向，按照基礎(chǔ)前沿技術(shù)、共性關(guān)鍵技術(shù)、示范應(yīng)用，擬啟動(dòng)18個(gè)項(xiàng)目，擬安排國(guó)撥經(jīng)費(fèi)7.95億元。其中，圍繞氫能安全存儲(chǔ)與快速輸配體系技術(shù)方向，擬部署1個(gè)青年科學(xué)家課題。
表4 “氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2021年度申報(bào)指南
氫能是我國(guó)現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，建設(shè)低碳清潔氫能供應(yīng)體系至關(guān)重要。中國(guó)氫能聯(lián)盟在《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)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(chǎng)建設(shè)、提升低碳清潔氫氣制備技術(shù)自主化水平，鼓勵(lì)電解槽和CCUS（碳捕獲、利用與封存）等低碳清潔制氫技術(shù)應(yīng)用。
圖5 碳達(dá)峰目標(biāo)下制氫技術(shù)路線
02
氫能周報(bào)
氫燃料電池汽車：獨(dú)具優(yōu)勢(shì) 發(fā)展前景廣闊
隨著技術(shù)的發(fā)展和低碳理念的普及，新能源車已成為市場(chǎng)寵兒。截至2022年底，中國(guó)新能源汽車保有量已達(dá)1310萬輛。但其中，絕大部分是純電動(dòng)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(fā)展前景卻被廣泛看好。
2022年，在北京冬奧會(huì)期間，氫燃料電池汽車為服務(wù)賽事開展示范運(yùn)營(yíng)，成為國(guó)內(nèi)氫能源車發(fā)展的一個(gè)高光時(shí)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(yè)和信息化部指導(dǎo)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》提到，預(yù)計(jì)到2035年，燃料電池汽車保有量達(dá)到100萬輛左右，商用車將實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力轉(zhuǎn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)？
“氫能源車的技術(shù)核心之一在于氫燃料電池。”據(jù)國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院氫能（氨能）技術(shù)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(nèi)的燃料電池，然后氫氣和氧氣在燃料電池里發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)發(fā)出電，再用電來驅(qū)動(dòng)車前進(jìn)。
“在我們常見的純電動(dòng)汽車中，電是直接儲(chǔ)存在車載電池中的，電池是一個(gè)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)。而氫燃料電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)。從這點(diǎn)上看，它可以和燃油車的工作方式做一個(gè)類比：在燃油車上，我們將汽油加入油箱，供給發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車增加了車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)和具有發(fā)電能力的燃料電池系統(tǒng)。這讓其獲得了自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
首先是相較于純電動(dòng)汽車，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程大幅增加。何廣利指出，純電動(dòng)汽車要提高續(xù)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(shù)，不斷提高電池高能量密度。但對(duì)于車輛生產(chǎn)來說，二者都需要較高的成本。但氫燃料電池汽車增加續(xù)航里程，只需增大儲(chǔ)氫罐即可。另外，純電動(dòng)汽車充電時(shí)長(zhǎng)比較久，一般要幾個(gè)小時(shí)才能充滿電。但氫燃料電池汽車加氫補(bǔ)給的時(shí)間很短，與燃油車加汽油的時(shí)間幾乎相同。
在高海拔、高溫、高寒等多種環(huán)境下，氫燃料電池的性能也更加穩(wěn)定。以目前已在北京市延慶區(qū)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(tǒng)，在零下30℃的環(huán)境下能夠無輔熱快速啟動(dòng)，續(xù)航里程可達(dá)300公里。北京公交集團(tuán)第八客運(yùn)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(shí)說：“氫能源車不僅更加安全環(huán)保、沒有污染，同時(shí)噪音更小、續(xù)航更久，運(yùn)行期間很平穩(wěn)，駕駛起來特別舒適。”
從低碳、環(huán)保的角度看，氫能源車也有更優(yōu)異的表現(xiàn)，有人甚至將氫能源車稱為“移動(dòng)的空氣凈化器”。這是因?yàn)槿剂想姵胤浅Ｃ舾校瑸榱吮ＷC進(jìn)入燃料電池的空氣是干凈的，氫能源車需要設(shè)置物理吸附、化學(xué)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(huì)過濾掉空氣中的有害氣體。當(dāng)過濾后的空氣進(jìn)入電池與氫氣發(fā)生反應(yīng)后，再排放出去的物質(zhì)，只有水和更清新的空氣。
基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè)步伐提速
既然氫能源車有如此多優(yōu)點(diǎn)，該如何進(jìn)一步促進(jìn)其推廣落地？采訪中，多位業(yè)內(nèi)人士表示，加強(qiáng)氫能儲(chǔ)運(yùn)能力以及完善加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是氫燃料電池汽車推廣普及的關(guān)鍵所在。
在氫氣制備方面，中國(guó)已具有一定優(yōu)勢(shì)。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》指出，中國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，其中，達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約1200萬噸。可再生能源裝機(jī)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(dāng)前利用可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等制備出的綠氫，主要來自西部地區(qū)；但對(duì)氫能需求旺盛的則是東部地區(qū)。要解決供需錯(cuò)配問題，必須加強(qiáng)對(duì)氫氣的運(yùn)輸能力。
在氫氣儲(chǔ)運(yùn)方面，中國(guó)現(xiàn)階段主要以高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸為主，管道運(yùn)輸仍為短板弱項(xiàng)。這導(dǎo)致長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)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(chǎn)業(yè)鏈發(fā)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(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，中國(guó)首個(gè)純氫長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目啟動(dòng)。
該管道起于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，終點(diǎn)位于北京市的燕山石化，全長(zhǎng)400多公里，是中國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的純氫輸送管道。管道建成后，將用于替代京津冀地區(qū)現(xiàn)有的化石能源制氫及交通用氫。
據(jù)中國(guó)石化董事長(zhǎng)馬永生介紹，“西氫東送”管道一期運(yùn)力10萬噸/年，預(yù)留50萬噸/年的遠(yuǎn)期提升潛力。同時(shí)，將在沿線多地預(yù)留端口，便于接入潛在氫源。未來，中國(guó)石化可依托“西氫東送”管道建設(shè)支線及加氫母站，助力京津冀氫能走廊的高效構(gòu)建。
目前，“西氫東送”輸氫管道示范工程已經(jīng)在路由選址、技術(shù)研究、工程建設(shè)方案等方面取得積極進(jìn)展，基本完成可行性研究報(bào)告的編制，正加快推進(jìn)項(xiàng)目各項(xiàng)工作。
完善加氫站的布局，也是發(fā)展氫能源車產(chǎn)業(yè)不可或缺的前提條件。
去年9月，在國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)布會(huì)上，國(guó)家能源局相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，中國(guó)已累計(jì)建成加氫站超過270座，約占全球總數(shù)的40%，位居世界第一。
如位于北京市大興國(guó)際氫能示范區(qū)的海珀?duì)柤託湔荆ǔ捎?021年，占地面積達(dá)6000多平方米，是全球規(guī)模最大的加氫站。這里共16把加氫槍，日加氫量可達(dá)4.8噸。據(jù)海珀?duì)柤託湔鞠嚓P(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該加氫站在高峰時(shí)一天可服務(wù)500多臺(tái)車輛。
同樣位于北京市大興區(qū)的青云店加油站，則在2022年增設(shè)了加氫設(shè)備設(shè)施，改建為油氫一體站。據(jù)介紹，今年大興區(qū)規(guī)劃再新建2座油氫一體站，同步加快推進(jìn)2座純氫站建設(shè)。計(jì)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(guó)家發(fā)展改革委相關(guān)負(fù)責(zé)人指出，目前國(guó)內(nèi)的加氫站主要以35MPa氣態(tài)加氫站為主，70MPa高壓氣態(tài)加氫站占比小，液氫加氫站、制氫加氫一體站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足。此外，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有加氫站的日加注能力主要分布于500—1000公斤的區(qū)間，大于1000公斤的規(guī)模化加氫站仍待進(jìn)一步建設(shè)布局。未來，加氫網(wǎng)絡(luò)將以需求導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，在保障安全的前提下，節(jié)約集約利用土地資源，支持依法依規(guī)利用現(xiàn)有加油加氣站的場(chǎng)地設(shè)施改擴(kuò)建加油站，探索站內(nèi)制氫、儲(chǔ)氫和加氫站一體化的加氫站等新模式。
根據(jù)《北京市氫燃料電池汽車車用加氫站發(fā)展規(guī)劃（2021—2025年）》，北京市將在2023年前，力爭(zhēng)推廣氫燃料電池汽車3000輛；2025年前，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)推廣量突破1萬輛。與此同時(shí)，將在2023年前，力爭(zhēng)建成并投運(yùn)37座加氫站，加氫總能力達(dá)到74噸/日，滿足47噸/日車用氫能需求。2025年前，力爭(zhēng)建成并投運(yùn)加氫站74座，加氫總能力達(dá)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(xù)建成10余座加氫站。《上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2022-2035年）》提出，到2025年，建設(shè)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(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1000億元，在交通領(lǐng)域帶動(dòng)二氧化碳減排5萬—10萬噸/年。
企業(yè)創(chuàng)新 瞄準(zhǔn)市場(chǎng)發(fā)力
隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，越來越多創(chuàng)新型企業(yè)瞄準(zhǔn)了氫燃料電池汽車相關(guān)市場(chǎng)。
入駐在大興國(guó)際氫能示范區(qū)的北京穩(wěn)力科技有限公司，致力于燃料電池系統(tǒng)及其零部件的研發(fā)和生產(chǎn)。
“在燃料電池系統(tǒng)很多相關(guān)零部件產(chǎn)品的研發(fā)上，目前不少國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。”北京穩(wěn)力科技有限公司副總經(jīng)理左琳琳告訴記者，該公司通過對(duì)氣浮軸承技術(shù)的研發(fā)，開發(fā)出的新型燃料電池用空壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)了每分鐘12萬轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速。這使得燃料電池系統(tǒng)的體積大幅減小，更適合車載使用。
“燃料電池系統(tǒng)零部件產(chǎn)品的研發(fā)，涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，產(chǎn)品研發(fā)過程比較復(fù)雜，技術(shù)創(chuàng)新含量也比較高。所以我們花了很多時(shí)間去不斷測(cè)試、驗(yàn)證。”據(jù)左琳琳介紹，燃料電池用空壓機(jī)從開始設(shè)計(jì)，到成功做出工程樣機(jī)，花費(fèi)了4年時(shí)間。然后又經(jīng)過1年多打磨，才正式成為可量產(chǎn)的產(chǎn)品上市。
目前，北京穩(wěn)力科技有限公司研發(fā)的多款燃料電池系統(tǒng)，功率覆蓋范圍為5kW~150kW，既可以適用于長(zhǎng)續(xù)航、高功率的重型卡車，也可以用于低功率的叉車、環(huán)衛(wèi)車等場(chǎng)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(lǐng)域，都會(huì)有更好的表現(xiàn)，占據(jù)一定比例的市場(chǎng)份額。”
電堆是氫燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在燃料電池系統(tǒng)中所占成本超過一半，而膜電極又是電堆中的核心部件，產(chǎn)業(yè)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(fā)與制造中，取得多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了膜電極的國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。該公司新一代膜電極產(chǎn)品同比峰值功率密度提升30%，鉑用量下降23%，壽命提升50%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了膜電極成本的大幅下降。
“要促進(jìn)氫燃料電池推廣普及，降本是至關(guān)重要的一環(huán)。”在捷氫科技總經(jīng)理盧兵兵看來，要實(shí)現(xiàn)降低成本，打破關(guān)鍵部件技術(shù)壟斷、實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控不可或缺。
“縱觀氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在大部分技術(shù)和產(chǎn)品上頗具競(jìng)爭(zhēng)力，但同時(shí)我們也需要認(rèn)識(shí)到，包括質(zhì)子交換膜、碳紙、催化劑等在內(nèi)的部分核心材料，與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在技術(shù)差距，這也要求我們必須未雨綢繆，更加注重基礎(chǔ)研發(fā)。”盧兵兵表示，希望未來在氫燃料電池領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)從核心材料、零部件，到生產(chǎn)工藝、裝備等在內(nèi)的全面國(guó)產(chǎn)化，避免“卡脖子”，推動(dòng)中國(guó)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)走在國(guó)際前列。
中國(guó)氫能源車產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?jié)摿Γ€吸引了不少外資企業(yè)。
在廣東省廣州市，韓國(guó)現(xiàn)代汽車集團(tuán)“HTWO廣州”項(xiàng)目正在建設(shè)中，并將于今年竣工投產(chǎn)。這是現(xiàn)代汽車集團(tuán)首個(gè)海外氫燃料電池系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售基地。
在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，豐田燃料電池研發(fā)與生產(chǎn)項(xiàng)目也已正式落地，即將在2023年年底建成、2024年投產(chǎn)。這是北京市氫能領(lǐng)域引入的最大外資項(xiàng)目，未來將導(dǎo)入豐田技術(shù)、合力研發(fā)國(guó)產(chǎn)化的燃料電池，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)。該項(xiàng)目落地后，將進(jìn)一步加快氫燃料電池技術(shù)的商業(yè)化普及，同時(shí)帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈加速集聚。北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“隨著豐田燃料電池項(xiàng)目落地，下一步將在燃料電池關(guān)鍵零部件方面吸引一批高精尖企業(yè)落地，增強(qiáng)上下游協(xié)同，不斷完善氫能產(chǎn)業(yè)鏈。”
有了政策的支持、技術(shù)的創(chuàng)新，再加上市場(chǎng)的期待，國(guó)內(nèi)氫能源車產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入提速發(fā)展的新階段。
03
氫能周報(bào)
氫能儲(chǔ)運(yùn)市場(chǎng)誰更有優(yōu)勢(shì)？
5月，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃固態(tài)儲(chǔ)氫開發(fā)項(xiàng)目率先在廣東廣州和云南昆明實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。這是我國(guó)首次利用光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能并成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)，不僅解決“綠電”與“綠氫”轉(zhuǎn)換難題，而且實(shí)現(xiàn)了常溫狀態(tài)下氫能存儲(chǔ)。
據(jù)主持項(xiàng)目的南方電網(wǎng)科研人員解釋，裝置利用了儲(chǔ)氫合金，工作原理是通過氫氣與新型合金材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而吸引氫原子進(jìn)入金屬空隙，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)目的。如果將合金的環(huán)境溫度升高，其間的氫氣就會(huì)被釋放出來，通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。這是我國(guó)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)和儲(chǔ)氫材料的一次大飛躍。
目前我國(guó)儲(chǔ)氫設(shè)備依舊存在成本高的難題。民生證券近期所發(fā)布的報(bào)告《“氫”風(fēng)陣陣，制儲(chǔ)運(yùn)全鏈多點(diǎn)開花》中對(duì)氫能儲(chǔ)與運(yùn)現(xiàn)狀進(jìn)行了市場(chǎng)和技術(shù)的詳細(xì)研究。
1 儲(chǔ)氫：技術(shù)升級(jí)能夠拓寬未來降本空間
氫的儲(chǔ)存主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固體儲(chǔ)氫三種方式。
1）氣態(tài)儲(chǔ)氫：技術(shù)成熟，是目前應(yīng)用最廣泛的方式，但單位體積儲(chǔ)氫密度低、安全性較低。
2）低溫液態(tài)儲(chǔ)氫：具有儲(chǔ)氫密度高等優(yōu)勢(shì)，但液氫裝置一次性投資較大，液化過程中能耗較高，儲(chǔ)存過程中有一定的蒸發(fā)損失，國(guó)內(nèi)液氫已在航天工程中成功使用，但受制于設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的缺失，且投資高，能耗大，目前仍有局限性。
3）固態(tài)儲(chǔ)氫：具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì)，其體積儲(chǔ)氫密度高于液氫，但還需解決吸放氫溫度偏高、循環(huán)性能較差等問題，且技術(shù)復(fù)雜、投資成本較高，目前尚鮮有規(guī)模化應(yīng)用。
2主要儲(chǔ)氫方式和企業(yè)
以下是各類技術(shù)相關(guān)企業(yè)：
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫：中國(guó)石油、中集安瑞科、科泰克、天海工業(yè)、中材科技、富瑞氫能、斯林達(dá)；
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫：空氣產(chǎn)品公司、普萊克斯、林德、航天101所、國(guó)富氫能、鴻達(dá)興業(yè)、中集圣達(dá)、中科富海；
有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫：氫陽(yáng)能源、HydrogeniousLOH、御氫科技、中車西安、武漢氫陽(yáng)、日本千代田化工建設(shè)公司；
吸附儲(chǔ)氫：廈門鎢業(yè)、北京浩運(yùn)金能、遠(yuǎn)建集團(tuán)、澳大利亞科技生活公司 Lavo。
儲(chǔ)氫設(shè)備技術(shù)壁壘較高，市場(chǎng)格局較為穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶企業(yè)僅有國(guó)富氫能、中材科技、天海工業(yè)、奧揚(yáng)科技、科泰克、中集氫能、斯林達(dá)7家企業(yè)。
從儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)占有率上看，儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)中TOP5占據(jù)了80%左右的市場(chǎng)。2021年市場(chǎng)集中度96%，2022年市場(chǎng)集中度85%，市場(chǎng)集中度略有下滑但仍保持較高水平。
碳纖維復(fù)合材料占儲(chǔ)氫成本76%，為儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)降本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器共有四類，為純鋼制金屬瓶（Ⅰ型）、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅱ型）、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型）及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型）。
壓力為35Mpa的III型高壓容器是市場(chǎng)上的主流儲(chǔ)氫瓶，技術(shù)成熟可靠，70Mpa的IV型氫瓶憑借安全、高儲(chǔ)氫密度、輕量化、低成本等顯著優(yōu)勢(shì)，被國(guó)內(nèi)外廠商廣泛關(guān)注。35MPa高壓儲(chǔ)氫瓶中碳纖維復(fù)合材料成本2194美元，占比約76%，70MPa高壓儲(chǔ)氫瓶中碳纖維復(fù)合材料成本2721美元，占比約78%，碳纖維復(fù)合材料是儲(chǔ)氫瓶制造的關(guān)鍵原材料，其成本和性能對(duì)儲(chǔ)氫瓶的成本和使用性能影響重大。
儲(chǔ)氫瓶百億市場(chǎng)蓄勢(shì)待發(fā)，未來放量在即。據(jù)高工氫電預(yù)計(jì)，2025年國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模34億元，到2030年國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模為722億元。IV型瓶取代III型瓶被大規(guī)模應(yīng)用，短期儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速。
3輸氫：運(yùn)輸液態(tài)氫比運(yùn)輸氣態(tài)氫更經(jīng)濟(jì)
運(yùn)氫：氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)是主流，未來液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)在大規(guī)模、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸上的經(jīng)濟(jì)性有望體現(xiàn)。
1）氣態(tài)運(yùn)輸：分為長(zhǎng)管拖車和管道輸運(yùn)，高壓長(zhǎng)管拖車是氫氣近距離輸運(yùn)的重要方式，技術(shù)較為成熟，管道輸運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑哂休敋淞看蟆⒛芎男『统杀镜偷葍?yōu)勢(shì)，但建造管道投資較大。
2）液態(tài)運(yùn)輸：通常適用于距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的場(chǎng)合。在長(zhǎng)距離環(huán)境下，采用液氫儲(chǔ)運(yùn)能夠減少車輛運(yùn)輸頻次，提高加氫站單站供應(yīng)能力。日本、美國(guó)已將液氫罐車作為加氫站運(yùn)氫的重要方式之一。
3）固態(tài)運(yùn)輸：將低壓高密度固態(tài)儲(chǔ)罐僅作為隨車輸氫容器使用，加熱介質(zhì)和裝置固定放置于充氫和用氫現(xiàn)場(chǎng)，可以同步實(shí)現(xiàn)氫的快速充裝及其高密度高安全輸運(yùn)，提高單車運(yùn)氫量和運(yùn)氫安全性。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主流，國(guó)內(nèi)普遍采用20Mpa氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑔诬囘\(yùn)氫約300-400kg，這種方式技術(shù)成熟、成本較低，近距離運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性較高。但隨著用氫規(guī)模擴(kuò)大、運(yùn)輸距離增加，液氫槽車儲(chǔ)運(yùn)的競(jìng)爭(zhēng)力隨之提高。
液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的儲(chǔ)氫密度約64kg/m³，單次載氫量可達(dá)7000kg，約是氣氫長(zhǎng)管拖車單車運(yùn)量的20倍，極大地提高了運(yùn)輸效率，適合大批量、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。當(dāng)前液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)主要受限于氫氣液化環(huán)節(jié)的初始投資和能耗較大，未來隨著液化技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模效應(yīng)，液化環(huán)節(jié)的設(shè)備投資和能耗有望降低，大批量、遠(yuǎn)距離液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的成本優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性有望進(jìn)一步提高。
氫能儲(chǔ)運(yùn)小結(jié)
氫能的儲(chǔ)備和運(yùn)輸是關(guān)系氫能普及的重要環(huán)節(jié)。
目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶主流廠家數(shù)量?jī)H個(gè)位數(shù)，但近兩年參與者有所增加，2019 年主要儲(chǔ)氫瓶供應(yīng)商僅國(guó)富氫能、科泰克、天海工業(yè)、中材科技、斯林達(dá)5家，2020年新增南通中集，2021年新增奧揚(yáng)科技，另外未勢(shì)能源也專門從事氣瓶的生產(chǎn)（偏自產(chǎn)自用）。
從出貨量來看，國(guó)富氫能2021年市占率35.63%，位居第一，其次是中材科技；但行業(yè)集中度呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，CR3份額從 2019 年的91.21%下滑至2021年的 76.95%，當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)正處于風(fēng)口，企業(yè)數(shù)量不斷增長(zhǎng)或?qū)⒊蔀槌B(tài)。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶的平均售價(jià)在2-3萬元/支，對(duì)應(yīng)單套車載供氫系統(tǒng)的成本在20萬上下，后續(xù)降本空間充足，降本主要是從材料替換、技術(shù)進(jìn)步及規(guī)模效應(yīng)三方面來實(shí)現(xiàn)。
碳纖維是儲(chǔ)氫瓶制造的關(guān)鍵原材料，其成本和性能對(duì)儲(chǔ)氫瓶的成本和使用性能影響重大。根據(jù)美國(guó)能源局（DOE）的研究成果，碳纖維復(fù)合材料的成本占到儲(chǔ)氫瓶成本的60%以上。
目前日本、韓國(guó)等成熟的氫燃料電池車型中已經(jīng)用上了大絲束碳纖維，而國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)中 T700級(jí)小絲束碳纖維仍占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)，大絲束相關(guān)的應(yīng)用仍處在早期的研發(fā)試驗(yàn)階段，隨著國(guó)產(chǎn)大絲束性能的逐步提升以及配套研究的持續(xù)突破，大絲束有望在氣瓶這一細(xì)分場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)對(duì)小絲束的部分或全面替代，帶動(dòng)儲(chǔ)氫瓶綜合成本的下降。
根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2021年我國(guó)氫燃料電池汽車保有量為8922輛，若2025 年要達(dá)到11.2萬輛的保有量規(guī)模，則2022-2025年需新增投放氫燃料車103078輛，假設(shè)單車配置8個(gè)儲(chǔ)氫瓶，單瓶碳纖維用量65kg，則2022-2025年合計(jì)需耗用碳纖維5.36 萬噸。
從全球產(chǎn)能份額來看，美國(guó)、日本依舊領(lǐng)跑全球，在行業(yè)中占據(jù)舉足輕重的地位，大陸地區(qū)緊隨其后，達(dá)到17%左右的份額。其中日本、美國(guó)供給頭部市場(chǎng)比例遠(yuǎn)超其他國(guó)家或地區(qū)，兩者作為碳纖維研發(fā)的領(lǐng)軍者，發(fā)展較早，而且工藝技術(shù)完備，產(chǎn)品性能好，在下游應(yīng)用端擁有品牌效應(yīng)，具備壟斷優(yōu)勢(shì)。
世界主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有日本的東麗、東邦、三菱，美國(guó)的Cytec、Hexcel，德國(guó)的SGL，土耳其的AKSA等企業(yè)。
國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)軍碳纖維上市公司為光威復(fù)材、中復(fù)神鷹、中簡(jiǎn)科技、精功科技，上述公司均屬于國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)國(guó)產(chǎn)企業(yè)的領(lǐng)跑者，在產(chǎn)品性能、生產(chǎn)線設(shè)備、核心技術(shù)三方面具有大優(yōu)勢(shì)。隨著氫能的不斷普及，碳纖維企業(yè)將有大作為。
04
氫能周報(bào)
碳纖維應(yīng)用之氫能篇
01
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶是碳纖維在氫能的主要應(yīng)用場(chǎng)景
1.1. 四種儲(chǔ)氫方式中，僅高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫會(huì)用到碳纖維
在不同的氫儲(chǔ)運(yùn)方式中，只有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶會(huì)采用碳纖維。目前，儲(chǔ)氫方式包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)材料儲(chǔ)氫四種，其中高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣加壓至20MPa-80MPa，對(duì)儲(chǔ)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(chǎn)業(yè)化解決儲(chǔ)氫容器輕量化、強(qiáng)度高的材料。
固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫不存在加壓?jiǎn)栴}，均不會(huì)使用碳纖維。固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫均是通過某種特殊材料的吸附進(jìn)行常壓儲(chǔ)氫，不存在加壓的問題。液氫儲(chǔ)運(yùn)最核心的是隔熱、防氫脆，其儲(chǔ)罐為真空絕熱深冷壓力容器，由內(nèi)容器和外容器套合組成雙層臥式圓柱形筒體；液氫儲(chǔ)運(yùn)的工作壓力在 1-1.3bar，接近常壓，常用奧氏體不銹鋼為內(nèi)容器材料。
01
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶是碳纖維在氫能的主要應(yīng)用場(chǎng)景
1.2. 碳纖維在高壓儲(chǔ)氫瓶的應(yīng)用以輕量化為目標(biāo)，提高質(zhì)量密度儲(chǔ)氫比
從輕量化角度出發(fā)，碳纖維在 II、III、IV型瓶中均有應(yīng)用。高壓氣體儲(chǔ)氫容器主要包括純鋼制金屬瓶（I 型）、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶（II 型）、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III 型）及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV型），從 I 型瓶發(fā)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室用瓶和20Mpa 長(zhǎng)管拖車的常用瓶；II 型瓶采用金屬內(nèi)襯，外部用玻璃增強(qiáng)纖維纏繞瓶身直筒部分；III 型瓶采用金屬內(nèi)襯，外部用碳纖維纏繞整個(gè)瓶身，包括直筒和端蓋；IV型瓶最輕，采用塑料內(nèi)襯，碳纖維纏繞整個(gè)瓶身，是目前技術(shù)水平最高的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)。
01
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶是碳纖維在氫能的主要應(yīng)用場(chǎng)景
1.3. 2021年國(guó)內(nèi)高壓儲(chǔ)氫瓶碳纖維需求量超500噸
2021年，我國(guó)燃料電池汽車銷量1586輛，按50%的庫(kù)存率計(jì)算當(dāng)年燃料電池汽車產(chǎn)量為2,379輛，對(duì)應(yīng)碳纖維的需求量571噸。按燃料電池汽車平均攜帶6個(gè)儲(chǔ)氫瓶（規(guī)格為35MPa/165L，單瓶碳纖維用量40kg）計(jì)算，單車碳纖維用量240kg。
2021年，豐田 Mirai和現(xiàn)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(gè)高壓儲(chǔ)氫罐，兩個(gè)的總?cè)莘e122.4 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(fā)展
2.1 預(yù)計(jì)到2030年，燃料電池汽車用碳纖維12萬噸
到2030年，氫能領(lǐng)域碳纖維用量預(yù)計(jì)超12萬噸，其中燃料電池汽車用碳纖維12萬噸（對(duì)應(yīng)30萬輛）、長(zhǎng)管拖車用碳纖維0.3萬噸（對(duì)應(yīng)0.24萬輛）。
預(yù)計(jì)到2030年，燃料電池汽車銷量達(dá)30萬輛，對(duì)應(yīng)碳纖維需求量 12萬噸。
燃料電池汽車銷量的預(yù)測(cè)：參考新能源汽車的滲透率，到2030年燃料電池汽車滲透率達(dá)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(yù)測(cè)：一輛車配8個(gè)III型儲(chǔ)氫瓶（規(guī)格為35MPa、210L），單瓶的碳纖維用量50kg，對(duì)應(yīng)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(fā)展
2.2. 預(yù)計(jì)到2030年，長(zhǎng)管拖車用碳纖維0.3萬噸
預(yù)計(jì)到2030年，新增長(zhǎng)管拖車0.24萬輛，對(duì)應(yīng)碳纖維需求量0.3萬噸。
長(zhǎng)管拖車新增量的預(yù)測(cè)：參考各城市氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃文件，按每座加氫站配備3臺(tái)長(zhǎng)管拖車，2030年新增長(zhǎng)管拖車2360輛。
單車碳纖維用量的預(yù)測(cè)：?jiǎn)诬?管（每管150kg的碳纖維用量），單車1350kg的碳纖維用量。
05
氫能周報(bào)
ZwickRoell復(fù)合材料應(yīng)用案例分享
在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中除了制氫和用氫階段，在儲(chǔ)氫和運(yùn)氫環(huán)節(jié)同樣需要材料擁有穩(wěn)定的機(jī)械性能，因此測(cè)試的可靠性尤為關(guān)鍵。由于氫氣通常需要在超低溫度下以液態(tài)或在高壓下以氣態(tài)形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，這就要求氫氣儲(chǔ)罐和運(yùn)輸管道材料在氫氣環(huán)境下和超低溫下要保持穩(wěn)定的機(jī)械性能和長(zhǎng)生命周期的考驗(yàn)，所以材料的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和蠕變性能都需要進(jìn)行表征。
1 儲(chǔ)氫罐類型與特點(diǎn)
氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸是連接氫氣生產(chǎn)端和需求端的關(guān)鍵橋梁，深刻影響著氫能行業(yè)發(fā)展和應(yīng)用的節(jié)奏及進(jìn)度。由于氫氣在常溫常壓狀態(tài)下密度極低（僅為空氣的 1/14）、單位體積儲(chǔ)能密度低、易燃易爆等，其特性導(dǎo)致氫氣的安全高效輸送和儲(chǔ)存難度較大，采用高壓氣態(tài)或超低溫液態(tài)的方式進(jìn)行氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。高壓儲(chǔ)氫罐是現(xiàn)階段主要的儲(chǔ)氫方式，它具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前市面上的儲(chǔ)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(chǔ)氫，II型瓶較I型瓶重量有所下降，但儲(chǔ)氫密度依舊較低，難以滿足車載儲(chǔ)氫要求，III型瓶和IV型瓶使用與車載儲(chǔ)氫，其中帶塑料內(nèi)襯的IV碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)壓力罐具有最先進(jìn)的技術(shù)，不僅重量輕而且具備優(yōu)異的抗氫脆腐蝕、高儲(chǔ)氫密度等優(yōu)勢(shì)，是車載儲(chǔ)氫和航空航天應(yīng)用最有效的解決方案。
汽車用IV型儲(chǔ)氫壓力罐結(jié)構(gòu)
與傳統(tǒng)的金屬儲(chǔ)罐相比，CFRP制成的儲(chǔ)氫罐更具有優(yōu)勢(shì)，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如復(fù)合材料在超低溫環(huán)境下的機(jī)械性能變化、在高負(fù)荷循環(huán)下的疲勞行為。
2 CFRP在氫能應(yīng)用中的機(jī)械性能測(cè)試
在液氫存在的情況下，CFRP的機(jī)械性能、高低溫、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的材料行為均需要量化表征，但是由于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的滯后性，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用常規(guī)復(fù)合材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫環(huán)境測(cè)試。
涉及到的復(fù)合材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括：
// 拉伸測(cè)試：ISO 527-4,5或ASTM D3039
// 壓縮測(cè)試：ISO 14126或ASTM D3410、D6641、D695
// 面內(nèi)剪切應(yīng)力/剪切應(yīng)變響應(yīng)：ISO 14129或ASTM D3518
// 層間剪切強(qiáng)度（ILSS）：ISO 14230 或 ASTM D2344
// 彎曲性能測(cè)試：ISO 14125 或 ASTM D7264
// 粘接組件搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試：EN 1465 或 ASTM D3164
// 層間斷裂韌性Mode II：ASTM D7905
// 拉伸疲勞測(cè)試：ISO 13003 或 ASTM D3479
// 彎曲疲勞測(cè)試：ISO 13003 附錄 A
3 ZwickRoell在CFRP氫儲(chǔ)罐應(yīng)用中案例分享
ZwickRoell在CFRP儲(chǔ)罐中的應(yīng)用有非常完善的解決方案，可以滿足靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)的超低溫測(cè)試要求，同時(shí)配備浸入式恒溫器或持續(xù)流動(dòng)式的恒溫器實(shí)現(xiàn)測(cè)試所需的超低溫環(huán)境。
案例1 - 靜態(tài)超低溫測(cè)試
客戶： 德國(guó)某研究所
配置方案：靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)Z100帶LN2/LHe（液氮/液氦）持續(xù)流動(dòng)式恒溫器
// LN2/LHe連續(xù)流動(dòng)式溫恒溫器，溫度低至15K
// 用于復(fù)合材料靜態(tài)測(cè)試，從室溫至-258℃/15K無級(jí)調(diào)溫
// 采用低溫clip-on引伸計(jì)進(jìn)行伸長(zhǎng)率測(cè)量
// 采用低溫clip-on撓度計(jì)進(jìn)行彎曲撓度測(cè)量
// 用于拉伸和彎曲測(cè)試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar; 載荷：Max 100KN
// 可選：氫氣環(huán)境
Z100帶液氮/液氦持續(xù)流動(dòng)式恒溫器
案例2 – 靜/動(dòng)態(tài)超低溫測(cè)試
客戶： 德國(guó)某研究所
配置方案：動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)HB100 LN2/LHe連續(xù)流動(dòng)式低溫恒溫器
// 用于復(fù)合材料動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試，從室溫至-258℃/15K無級(jí)調(diào)溫
// 采用低溫clip-on引伸計(jì)進(jìn)行伸長(zhǎng)率測(cè)量
// 采用低溫clip-on撓度計(jì)進(jìn)行彎曲撓度測(cè)量
// 用于拉伸和彎曲測(cè)試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar 載荷：Max 100KN
// 可選：氫氣環(huán)境
HB100帶液氮/液氦持續(xù)流動(dòng)式恒溫器
案例3 – 靜/動(dòng)態(tài)超低溫測(cè)試
客戶： 歐洲某工廠
配置方案：動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)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(fù)合材料、塑料和其他材料的超低溫環(huán)境下動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試
// 采用低溫clip-on引伸計(jì)進(jìn)行伸長(zhǎng)率測(cè)量
// 采用低溫clip-on撓度計(jì)進(jìn)行彎曲撓度測(cè)量
// 用于拉伸和彎曲測(cè)試的低溫夾具
// 壓力：max 1bar
HB100帶液氮浸入式恒溫器和低溫箱