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燃料电池汽车储氢瓶产业深度报告1
更新时间:2021-08-14 浏览数:

摘要

燃料电池是一种直接把燃料所具有的化学能转换成电能的发电装置,它具有能量转化率高、无噪声污染、环境友好等特点。采用氢气作为燃料的燃料电池是实现缓解能源压力、经济发展与环境和谐的最佳手段,由此并带动了氢能产业的大力发展。

氢燃料电池汽车是氢能应用场景最具代表性的领域之一,汽车工程协会《节能与新能源汽车技术路线图》指出,到2030年,中国氢燃料电池汽车将超过百万辆。面对氢燃料电池汽车市场即将的喷井式增长,作为氢燃料汽车发展过程中的关键一环,车载储氢技术直接关系到燃料电池汽车的续航、成本与安全性。

 

  

1储氢瓶行业概况

1.1储氢瓶作用与原理

储氢瓶是一种氢气储存的容器。现有氢气的储运容器技术包括高压储氢、液氢储存、金属氢化物储氢、低温吸附储氢、纳米碳管高压吸附储氢以及液体有机氢化物储氢。各种储氢技术相应的储氢瓶也有所区别。

高压储氢是目前较为广泛使用的一种氢气储存方式。氢气可以在高压下(15.2~70.9兆帕)装盛在气体瓶中运输,可通过减压阀的调节直接释放氢气。方便可靠,是最普通和最直接的储氢方式。随着材料科学的发展,已开发出碳纤维与铝复合材料的高压气瓶,大大降低气瓶自身质量,提高容量装载效率,使高压储氢成为较有竞争优势的车载储氢方式。 

 

1.2储氢瓶分类

按照材质分类,储氢瓶分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型,材质分别为纯钢制、钢制内胆纤维缠绕、铝内胆纤维缠绕、塑料内胆纤维缠绕、无内胆纤维缠绕储氢瓶。

 

1.3储氢瓶发展历程

最早为纯金属储氢瓶,由于是单层结构,无法对容器安全状态进行实时在线监测。因此,这类储罐仅适用于固定式、小储量的氢气储存,远不能满足车载系统的要求。后来出现金属内胆外加碳纤维缠绕,最初仅是罐体中部缠绕,后来发展到全罐缠绕。缠绕方案主要包括层板理论与网格理论。多层机构的采用不仅可防止内部金属层受侵蚀,还可以各层间形成密闭空间,以实现对储罐安全状态的在线监控。

为了进一步降低储罐质量,人们利用具有一定刚度的熟料代替金属,制成了全复合轻质纤维缠绕储罐。这类储罐的筒体一般包括三层:塑料内胆、纤维增强层和保护层。塑料内胆不仅能保持储罐的形态,还能兼作纤维缠绕的模具。同时,塑料内胆的冲击韧性优于金属内胆,且具有优良的气密性、耐腐蚀性、耐高温和高强度、高韧性等特点。全复合轻质纤维缠绕储罐的质量约为相同储量钢瓶的50%,因此,其在车载氢气储存系统中的竞争具备绝对优势。

丰田在2015年5月举行的日本汽车技术协会春季大会上,就燃料电池车“MIRAI”配备的高压储氢罐的轻量化发表了演讲。其内层是密封氢气的树脂衬里,中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂层,表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。

MIRAI的储氢罐的轻量化瞄准的是中层。中层采用的是对含浸了树脂的碳纤维施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕工艺。缠绕方法有强化筒部的环向缠绕、强化边缘的高角度螺旋缠绕和强化底部的低角度螺旋缠绕三种,三种方式均减少了缠绕圈数。使得碳纤维强化树脂的用量比原来减少了40%,使重量效率比原来提高了20%,达到全球最高水平。

 

 

1.4储氢瓶市场规模

据势银咨询预测,车载储氢瓶市场规模在2030年预计达到 69 亿美元,受中国市场庞大的重卡基数推动,十年内中国市场的车载储氢瓶市场份额预期提升至39%,成为全球最大的车载储氢瓶市场。考虑到一辆车车载气瓶在3-6个不等,取平均值假设一辆车车载气瓶为4.5个,如按规划 2025 年燃料电池车保有量为10万辆,则2020-2025 新增量 CAGR为 29.05%,对应2025年销量为 6.88 万辆,储氢瓶年需求为30.95万个。我们测算得2020-2050年中国储氢瓶市场规模合计有望达到 3234 亿元,其中2020-2025年新增市场规模约为 111 亿元,2020-2035年间市场规模约为831亿元。 

 


1.5储氢瓶产业链

复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外壳保护层。国内内衬材料多选用铝合金,国外则多选用特种塑料;纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料。 

 

储氢罐产业链上游主要是原材料和零部件,原材料包括铝材、钢材、炭纤维和树脂等;零部件包括各种金属阀门和各类传感器;中游的生产制造设备和制造工艺等;下游则就是在燃料汽车上的应用。

产业链供应方面,车载储氢瓶核心材料及零部件如碳纤维主要依赖进口,瓶口阀、减压阀等也主要依赖进口

 


1.5.1碳纤维

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料,具有质量轻、强度高、耐腐蚀、高模量、密度低、无蠕变、良好的导电导热性能、非氧化环境下耐超高温、耐疲劳性好等特性,碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、电缆芯、建筑建材、储氢罐、船舶、碳碳复材、电子电器等多个领域。

成本方面,储氢罐的成本主要集中在外部缠绕用的碳纤维上,占比近60%,目前使用的级别是T800,国内主要从日本东丽进口,东丽在碳纤维市场份额占比超过 80%;近两年逐渐开始国产化小批量替代,碳纤维供应商国内主要有中复神鹰、光威复材、中简科技等,还有楚江新材、博云新材。


1.5.2传感器

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求,目前储氢罐使用的主要是压力传感器和湿度传感器等等。

从全球来看,2018年美日仍是全球传感器市场主要占有者,分别占据全球份额的29%和21%;中国市场份额仍只有10%,且集中在中低端需求领域


1.5.3缠绕机

缠绕机是复合材料储氢罐关键设备,与其配套的张力控制系统、浸胶槽、多维度吐丝头、自转芯轴组成的湿法缠绕体系,不仅控制了生产成本,更决定了生产效率和生产质量,全球主要有美国Tankinetic和意大利的Sarplast垄断了大型缠绕机的关键技术。中国目前还没有能力制造大型缠绕机。

 

2储氢瓶行业驱动因素

2.1符合国家对未来能源安全和能源结构的规划

石油与其他炭燃料资源是有限的,因此汽车产业也需要新的再生能源来替代化石能源,维持其产业的持续发展。从国家能源安全的角度,我国属于石油进口大国,大力支持发展燃料电池汽车,可以降低对石油进口的依赖度。从能源转化效率和尾气副产品方面考量,燃料电池汽车顺应了国家对未来能源结构的规划。

传统内燃机的能源转化效率很低,据估计大约有80%的能源损耗在石油转换成汽车动力的流程中,有研究表明,绝大部分传统内燃机的汽车能源转化效率只有15%左右,而燃料电池的效率可以达到60%。

汽车尾气排放也是碳排放的大户,燃料电池汽车除了可以减少噪音污染外,排放产物就是水,可以实现真正意义上的“零排放”,可以预见,在国家“炭达峰”目标的大背景下,燃料电池汽车发展也会得到大力支持。

整体看,氢能作为一种新能源,受到业界和政府的较多关注和支持,储氢罐作为氢能源利用中的关键环节,必将伴随氢能源行业发展而迅速增长。

2.2国家政策持续扶持

国产关键材料能否突破,对于国内燃料电池行业未来发展非常关键。2020年9月落定的“以奖代补”政策鼓励燃料电池产业链关键材料自主化程度提升,给予了储氢瓶相关关键材料,如碳纤维、树脂的发展信心,也推动着相关企业加码布局。


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