一、氫能儲(chǔ)運(yùn)是產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
1.1 氫能儲(chǔ)運(yùn)在產(chǎn)業(yè)鏈中成本較高
氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體可以分為氫能制取、氫能儲(chǔ)運(yùn)、氫能應(yīng)用三大環(huán)節(jié)，其中儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)是高效利用氫能的關(guān)鍵，是影響氫能向大 規(guī)模方向發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中，氫的儲(chǔ)運(yùn)是制約我國氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)闅錃馓厥獾奈锢?、化學(xué)性能，使得它儲(chǔ)運(yùn)難度大、成本高、安全性低。
(1)重量輕、密度?。涸谒性刂?，氫的重量最輕、密度小，需要提高儲(chǔ)運(yùn)容器壓力進(jìn)而提高氫的密度來提高氫能利用的效率;
(2)液化溫度低：常壓下氫氣在-253℃溫度才能液化，液化能耗高、靜態(tài)蒸發(fā)損失大，對液氫儲(chǔ)罐要求很高;
(3)原子半徑?。簹涞脑影霃椒浅Ｐ。瑲錃饽艽┻^大部分肉眼看不到的微孔，在高溫、高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板;
(4)性質(zhì)活潑：氫氣非常活潑，穩(wěn)定性極差，泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸，這些因素都對氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。
從終端氫氣價(jià)格組成來看，氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本占總成本的 30%左右，經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)已成為當(dāng)前制約氫能規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸之一。
1.2 高效率和低成本是氫能儲(chǔ)運(yùn)發(fā)展趨勢
氫能儲(chǔ)運(yùn)包括氫能儲(chǔ)存和氫能運(yùn)輸兩部分，氫能的儲(chǔ)存方式?jīng)Q定了采用何種氫能運(yùn)輸方式。提高氫能儲(chǔ)運(yùn)效率，降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本，是氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。氫能源汽車存儲(chǔ) 5公斤的氫氣，在 70MPa的壓力下，存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量約為 200升，是當(dāng)今燃油汽車中汽油箱容量的 3-4倍。
氫能的儲(chǔ)運(yùn)具有較大難度。一方面，氫氣是世界上密度最小的氣體，體積能量密度較低，擴(kuò)散系數(shù)較大;另一方面，氫氣的 燃點(diǎn)較低，爆炸極限寬，對儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全性也有極高的要求。因此如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能利用走向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。
1.3 儲(chǔ)氫的技術(shù)要求
儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)鍵在于提高氫氣能量密度。美國能源部(DOE)要求 2020年國內(nèi)車載氫能電池的氫氣質(zhì)量密度(即釋放出的 氫氣質(zhì)量與總質(zhì)量之比)須達(dá)到 4.5%，2025 年達(dá)到 5.5%，最終目標(biāo)是 6.5%。
國際能源署(IEA)規(guī)定的未來新型儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為 5%。美國 2010 年到 2015 年的體積儲(chǔ)氫容量分別為 45g/L 和 81g/L、存儲(chǔ)成本分別為 4 美元/kWh 和 2 美元/kWh。同時(shí)氫氣為易燃、易爆氣體，當(dāng)氫氣濃度為 4.1%-74.2%時(shí)，遇火即爆。因此評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣，還必須考慮安全性。
1.4 氫能儲(chǔ)存場景及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
氫能儲(chǔ)存場景主要包括在加氫站的儲(chǔ)存、在運(yùn)輸車的儲(chǔ)存和燃料電池車的儲(chǔ)存等幾種場景，目前已經(jīng)形成加氫站及車載氫系統(tǒng)、氣液固儲(chǔ)氫等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
1.5 氫能給壓力容器行業(yè)帶來新機(jī)遇
氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給壓力容器行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，一方面，氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備是氫能利用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā) 展的必要支撐。另一方面，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將推動(dòng)臨氫、超高壓、超低溫以及纖維纏繞復(fù)合材料、多層包扎結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)制 造、檢驗(yàn)檢測、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也推動(dòng)壓力容器產(chǎn)業(yè)向高端、清潔、環(huán)保、高效方向的轉(zhuǎn)型升級(jí)。但氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也對壓力容器技術(shù)要求提出了更高的挑戰(zhàn)，目前一系列關(guān)鍵技術(shù)有待突破。
(1)氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備的材料方面亟待解決。目前高壓氫氣長管拖車、管束式集裝箱、站用儲(chǔ)氫瓶組等設(shè)備所用的高強(qiáng)鋼既沒有 制定標(biāo)準(zhǔn)，也沒有成熟的材料可供選用，4130X鋼已應(yīng)用于 45MPa站用儲(chǔ)氫瓶組，但其可靠性尚未得到充分驗(yàn)證，需要研 究提出高壓臨氫環(huán)境下設(shè)備選材的安全基本要求，開發(fā)專用材料。針對已有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的 4130X 鋼，仍需對其與高壓氫氣的 相容性進(jìn)行系統(tǒng)研究以掌握氫脆受材料成分、組織、加工方法、氫分壓等的影響規(guī)律，形成 4130X 鋼用于高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)場合的專項(xiàng)技術(shù)要求。對于 IV 型儲(chǔ)氫氣瓶，需要研發(fā)內(nèi)膽專用塑料材料，建立材料性能指標(biāo)體系等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造應(yīng)不斷創(chuàng)新。對于 IV 型瓶，其設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)主要有內(nèi)膽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法、塑料內(nèi)膽成型方法和工藝、內(nèi)膽與瓶口密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等，需要研究解決結(jié)構(gòu)尺寸的確定方法及其對氣瓶安全性能 的影響、內(nèi)膽與瓶口之間泄漏機(jī)理及影響因素、內(nèi)膽常見缺陷及其成因和預(yù)防措施等科學(xué)技術(shù)問題，有待提出內(nèi)膽成型、纖 維帶壓纏繞、樹脂固化的工藝評(píng)定方法。
(3)儲(chǔ)氫設(shè)備的型式試驗(yàn)?zāi)芰€不全面，需加強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)以提高壓力容器的安全性能。對 35MPa以上壓力等級(jí)的車載氫氣瓶， 按 GB/T 35544-2017 標(biāo)準(zhǔn)的要求，型式試驗(yàn)項(xiàng)目包括氫氣循環(huán)試驗(yàn)，但我國目前還沒有通過氫循環(huán)試驗(yàn)的產(chǎn)品，氫循環(huán)試 驗(yàn)裝置技術(shù)復(fù)雜度高、投資大、建設(shè)周期長、建設(shè)難度大、后期維護(hù)成本高，我國僅有個(gè)別型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)搭建了試驗(yàn)裝置。
此外，為推進(jìn)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的成熟發(fā)展，我們還需要對相應(yīng)的氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備使用管理方面提出更高的要求，建立現(xiàn)代化管理 平臺(tái)，通過搭載安全監(jiān)控系統(tǒng)并構(gòu)建基于全生命周期的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫壓力設(shè)備的“智能網(wǎng)聯(lián)化”。
1.6 儲(chǔ)氫容器材料要求不斷提升
高壓儲(chǔ)氫氣瓶是壓縮氫廣泛使用的關(guān)鍵技術(shù)，隨著應(yīng)用端的應(yīng)用需求不斷提高，輕質(zhì)高壓是高壓儲(chǔ)氫氣瓶發(fā)展的不懈追求。目前高壓儲(chǔ)氫容器已經(jīng)逐漸由全金屬氣瓶(Ⅰ型瓶)發(fā)展到非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型瓶)。
(1)全金屬儲(chǔ)氫氣瓶/罐(Ⅰ型瓶)，其制作材料一般為 Cr-Mo鋼、6061鋁合金、316L等。由于氫氣的分子滲透作用，鋼 制氣瓶很容易被氫氣腐蝕出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致氣瓶在高壓下失效，出現(xiàn)爆裂等風(fēng)險(xiǎn)。2004 年 7 月，中石化牽頭成立了由鋼 鐵企業(yè)、使用單位以及有關(guān)科研單位等組成壓力容器鋼板國產(chǎn)化聯(lián)合攻關(guān)組，共同推動(dòng)鋼板研制和應(yīng)用工作。參與研制的 5 家鋼鐵企業(yè)(寶鋼、鞍鋼、武鋼、舞鋼、濟(jì)鋼)目前已經(jīng)陸續(xù)成功開發(fā)了用于大型儲(chǔ)備罐的高強(qiáng)度大線能量焊接用鋼板。9Ni 鋼最早由太鋼于 2007 年開發(fā)生產(chǎn)，目前鞍鋼、武鋼、南鋼、湘鋼均有生產(chǎn)能力，由于儲(chǔ)罐需要 6mm 厚的中厚板，南鋼的 市場份額較大。太鋼、鞍鋼和南鋼等鋼企研發(fā)的 LNG 低溫壓力容器用 9%Ni 鋼板也通過了國家容標(biāo)委鑒定審查，實(shí)現(xiàn)了工 程應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。
(2)纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶(Ⅱ型瓶、Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶)。Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶是纖維復(fù)合材料纏繞制造的主流氣瓶。其主要由 內(nèi)膽和碳纖維纏繞層組成。Ⅲ型瓶的內(nèi)膽為鋁合金，Ⅳ型的內(nèi)膽為聚合物。纖維復(fù)合材料則以螺旋和環(huán)箍的方式纏繞在內(nèi)膽 的外圍，以增加內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
總體而言，高壓儲(chǔ)氫氣瓶Ⅰ型瓶、Ⅱ型瓶和Ⅲ型瓶常用的材料有鋁(6061 或 7060)、鋼(不銹鋼或鉻-鉬鋼)。Ⅳ型瓶內(nèi)膽常用 的聚合物材料為高密度聚乙烯、聚酰胺基聚合物等。高性能纖維是纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶的主要增強(qiáng)體。通過對高性能纖維 的含量、張力、纏繞軌跡等進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器性能均一、穩(wěn)定， 爆破壓力離散度小。玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和 PBO 纖維等纖維均被用于制造纖維復(fù) 合材料纏繞氣瓶，其中碳纖維以其出色的性能逐漸成為主流纖維原料(如日本東麗的 T300、T700、T1000)。
二、氫能儲(chǔ)存技術(shù)以高壓儲(chǔ)氫為主
2.1 氫能有三種儲(chǔ)存方式
目前，主要儲(chǔ)氫方式有三種，分別是氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫。從技術(shù)發(fā)展方向來看，目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成 熟，一定時(shí)間內(nèi)都將是國內(nèi)主推的儲(chǔ)氫技術(shù);有機(jī)物液體儲(chǔ)氫技術(shù)可以利用傳統(tǒng)的石油基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸、加注，方便建立 像加油站那樣的加氫網(wǎng)絡(luò)，相比于其它技術(shù)而言，具有獨(dú)一無二的安全性和運(yùn)輸便利性，但該技術(shù)尚有較多技術(shù)難題，未來 看會(huì)極具應(yīng)用前景;固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用在燃料電池汽車上優(yōu)點(diǎn)十分明顯，但現(xiàn)在技術(shù)還有待突破，短期內(nèi)不會(huì)有較大范圍的應(yīng)用， 長期來看發(fā)展?jié)摿Ρ容^大。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(2019 版)》預(yù)測：我國氫能儲(chǔ)運(yùn)將按照“低壓到高壓”“氣 態(tài)到多相態(tài)”的方向發(fā)展，由此逐步提高氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)哪芰?。氫能市場滲入前期，氫氣用量及運(yùn)輸半徑相對較小，此時(shí) 高壓氣態(tài)運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)換成本較低，更具性價(jià)比;氫能市場發(fā)展到中期(2030年)，氫氣需求半徑將逐步提升，將以氣態(tài)和低溫 液態(tài)為主;遠(yuǎn)期(2050 年)來看，高密度、高安全儲(chǔ)氫將成為現(xiàn)實(shí)，完備的氫能管網(wǎng)也將建成，同時(shí)出臺(tái)固態(tài)、有機(jī)液態(tài) 等儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)及管道輸配標(biāo)準(zhǔn)作為配套。
2.2 氫能儲(chǔ)運(yùn)發(fā)展空間廣闊
國際氫能委員會(huì)預(yù)測，到 2050 年，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造 2.5 萬億美元的市場規(guī)模。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到 2025 年，我國 氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到 1萬億元;到 2050年，氫能在我國終端能源體系中占比超過 10%，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到 12萬億元，這 將對氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備材料提出了大量市場需求，氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備材料或成為較好的投資機(jī)會(huì)。
國家對儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)技術(shù)研發(fā)更加重視。根據(jù) 2018-2021 年國家“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)指南匯總數(shù)據(jù)，從三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)分布 變化中可以發(fā)現(xiàn)，國家加大了制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)的研發(fā)重視。相比 2018—2020 年，2021 年儲(chǔ)氫技術(shù)的研發(fā)項(xiàng)目占比大幅提 升，氫能源儲(chǔ)運(yùn)愈發(fā)重要。
三、高壓儲(chǔ)氣瓶技術(shù)逐步成熟
3.1 高壓儲(chǔ)氫瓶的應(yīng)用場景
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)氫方式，在國內(nèi)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模商用。這種技術(shù)路線主要通過高壓儲(chǔ)氣瓶來實(shí)現(xiàn)氫氣 的儲(chǔ)存和釋放。根據(jù)材質(zhì)的不同，高壓儲(chǔ)氫瓶分為純鋼制金屬瓶(I 型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II 型)、金屬內(nèi)膽纖維纏繞 瓶(III 型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV 型)4 種。
根據(jù)高壓氫容器的不同使用要求，可以將高壓儲(chǔ)氫分為固定式高壓儲(chǔ)氫、車載輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫和運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫。固定式儲(chǔ)氫瓶：在高壓儲(chǔ)氫技術(shù)中，目前最為成熟且成本較低的技術(shù)是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，如目前工業(yè)中廣泛采用 20MPa 鋼制氫瓶，并且可與 45MPa 鋼制氫瓶、98MPa 鋼帶纏繞式壓力容器進(jìn)行組合應(yīng)用于加氫站。但是鋼制氫氣瓶由于 較高的重量，因此并不適宜汽車用。儲(chǔ)氫裝置是加氫站中的一個(gè)重要裝置，一般采用 45MPa儲(chǔ)氫瓶。一般有兩種方式，一種是用具有較大容積的氣瓶，該類氣 瓶的單個(gè)容積在 600-1500L 之間，為無縫鍛造壓力容器;另一種是采用小容積的氣瓶，單個(gè)氣瓶的容積在 45L-80L。
儲(chǔ)運(yùn)氣瓶與車載氣瓶的差別在于壓力不同，儲(chǔ)運(yùn)氣瓶的壓力高于車載氫氣瓶。當(dāng)為燃料電池汽車加注時(shí)，以站內(nèi)儲(chǔ)氫瓶和車 載瓶之間的壓差為驅(qū)動(dòng)力。大直徑儲(chǔ)氫長管：石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司 2002年在國內(nèi)率先研制成功 20/25MPa大容積儲(chǔ)氫長管，并應(yīng)用于大規(guī) 模氫氣運(yùn)輸。長管氣瓶材料為鉻鉬鋼 4130X，強(qiáng)度高，具有良好的抗氫脆能力。鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐：鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐目前有 45MPa 和 98MPa 兩種型號(hào)，如浙大與巨化集團(tuán)制造生產(chǎn)的兩臺(tái)國內(nèi)最高壓 力等級(jí) 98MPa 立式高壓儲(chǔ)罐，安裝在江蘇常熟豐田加氫站中。
車用儲(chǔ)氫瓶：目前車用高壓儲(chǔ)氫瓶的國際主流技術(shù)通過以鋁合金/塑料作為內(nèi)膽，外層則用碳纖維進(jìn)行包覆，提升氫瓶的結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。目前國外氫燃料電池汽車已經(jīng)廣泛使用 70MPa碳纖維纏繞 IV 型瓶，與之相比，目前我國車 載儲(chǔ)氫方式大多為 35MPa 碳纖維纏繞III 型瓶，而 70MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶也已少量用于國產(chǎn)汽車中。
運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫瓶：高壓氫氣的運(yùn)輸設(shè)備主要用于將氫氣從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞褂玫鼗蚣託湔?。管式拖車用旋壓成型的大型高壓?瓶盛裝氫氣。典型管式拖車長 10.0-11.4m，高 2.5m，寬 2.0-2.3m，盛裝的氫氣壓力在 16-21MPa 之間，質(zhì)量在 280kg 左 右。
3.2 車用儲(chǔ)氫瓶成本碳纖維占比高，成本有望逐步下降
(1)儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵材料和零部件國產(chǎn)化亟待突破
儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)業(yè)鏈可以簡單劃分為上游原材料和零部件，中游生產(chǎn)制造和下游終端應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。其中，上游原材料包括鋁材、 鋼材、碳纖維和樹脂等，零部件包括各種金屬閥門和各類傳感器;中游生產(chǎn)制造設(shè)備和制造工藝等;下游則是在燃料汽車、 氫氣運(yùn)輸罐、加氫站等場景上的應(yīng)用。在產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)方面，目前車載儲(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，未來這些關(guān)鍵材料和零部件將逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
(2)車用儲(chǔ)氫瓶材料中碳纖維復(fù)合材料成本占比高
目前，國內(nèi)外車載儲(chǔ)氫氣瓶(III/IV 型)由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外殼保護(hù)層。國內(nèi)內(nèi)襯材料多選用 鋁合金，國外則多選用特種塑料;內(nèi)層之外又稱為復(fù)合材料層，一般分為兩層，內(nèi)層為碳纖維纏繞層，一般是由碳纖維和環(huán) 氧樹脂構(gòu)成;外層為玻璃纖維保護(hù)層，一般是由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成。兩層均是由纏繞工藝制作而成，通過對環(huán)氧樹脂 加熱固化，以保證氣瓶強(qiáng)度。
從車載儲(chǔ)氫瓶材料成本來看，儲(chǔ)氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復(fù)合材料。對于儲(chǔ)氫質(zhì)量均為 5.6kg的 35MPa、 70MPa 高壓儲(chǔ)氫IV 型瓶成本構(gòu)成來看，碳纖維復(fù)合材料成本分別占系統(tǒng)總成本的 75%和 78%。
目前，高壓儲(chǔ)氫瓶用碳纖維主要采用 T700級(jí)及以上規(guī)格，從企業(yè)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)角度來看，目前碳纖維生產(chǎn)企業(yè)中，日本 和美國依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。2020 年全球 碳纖維行業(yè)有效產(chǎn)能為 16.79 萬噸，比 2019 年增加了約 1.30 萬噸。從全球范圍來看，中國、美國和日本三國產(chǎn)能分別為4.50 萬噸、3.73萬噸和 2.92萬噸，占全球總產(chǎn)能 6成以上。目前我國碳纖維企業(yè)主要以中復(fù)神鷹、恒神股份、光威復(fù)材等 企業(yè)為主。
目前，由于國內(nèi) 70MPa碳纖維纏繞 IV 型瓶的制備技術(shù)不成熟、規(guī)模化生產(chǎn)難度大，因此目前成本相對較高，抑制了 IV 型 儲(chǔ)氫瓶的需求。據(jù)美國汽車研究理事會(huì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模越大，儲(chǔ)氫瓶成本也就越低，如當(dāng)氣瓶生產(chǎn)規(guī)模由 1萬套提高 到 50 萬套時(shí)，氫氣瓶成本會(huì)下降 20%。未來隨著氫能源汽車的快速發(fā)展，儲(chǔ)氫瓶成本有望下降。
3.3 國內(nèi)高壓儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)鏈主要企業(yè)及產(chǎn)品
從國內(nèi)主要高壓儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的 III型儲(chǔ)氫瓶與國外 IV型瓶性能對比來看，IV型瓶質(zhì)量輕且儲(chǔ)氫密度高。同等體積下， 壓力越大儲(chǔ)氫量越高，車輛行駛里程就更遠(yuǎn)。根據(jù)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，短期內(nèi)國內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)仍然會(huì)以高壓儲(chǔ)氫為 主。
蘭石重裝：公司在氫能源領(lǐng)域主要產(chǎn)品為加氫反應(yīng)器等用氫裝備、煤氣化制氫裝備、儲(chǔ)氫用球罐設(shè)備等，正在研發(fā)超高壓儲(chǔ) 氫裝備(45Mpa/75Mpa)、高壓氣固組合儲(chǔ)氫容器、POX 造氣制氫裝置廢熱鍋爐等。近年來，公司依托所屬工程研究院、 控股股東蘭石集團(tuán)研發(fā)力量和蘭州新區(qū)國家裝備制造高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地平臺(tái)，重點(diǎn)圍繞電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)、 分布式氫儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用、煤氣化制氫技術(shù)、大型高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器的研發(fā)和制造、加氫站配套使用的換熱冷卻裝置——微 通道換熱器、高壓大流量氫氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及制造等開展技術(shù)研究，并在“高溫氣冷堆核能制氫系統(tǒng)中的甲烷蒸汽重整反應(yīng) 器”研制領(lǐng)域有相應(yīng)技術(shù)合作及儲(chǔ)備。
中國一重：公司是最早實(shí)現(xiàn)鍛焊結(jié)構(gòu)熱壁加氫反應(yīng)器國產(chǎn)化的企業(yè)，目前國內(nèi)石化企業(yè)所使用的國產(chǎn)鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器多 為公司生產(chǎn)。
國機(jī)重裝：公司研制的加氫反應(yīng)器，創(chuàng)造了世界加氫反應(yīng)器產(chǎn)品和制造技術(shù)工藝復(fù)雜性的“世界之最”。公司氫能源裝備目 前正處于研發(fā)階段，重點(diǎn)加強(qiáng)在儲(chǔ)氫裝備等方面的產(chǎn)品開發(fā)。
巨化集團(tuán)公司工程有限公司(簡稱“巨化集團(tuán)工程公司”)：公司有三十多年的壓力容器制造歷史，具有美國 ASME、美國 DOT和歐盟 TPED國際認(rèn)證。近年來公司與浙江大學(xué)合作開展“863”項(xiàng)目—高壓儲(chǔ)氫罐的制造，完成了加氫示范站(在北 京)三臺(tái)氫氣儲(chǔ)存容器(壓力分別為 47Mpa和 75MPa，容積 5m³)的制作交付使用并順利通過驗(yàn)收;在鋼制包裝容器系列 方面，分別建有非重復(fù)充裝鋼瓶、可重復(fù)充裝鋼瓶到罐式集裝箱生產(chǎn)線。
葛洲壩中科儲(chǔ)能技術(shù)有限公司(簡稱“葛洲壩中科儲(chǔ)能”)：公司是中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司的控股子公司，在北京擁有 研發(fā)中心，在武漢葛洲壩裝備產(chǎn)業(yè)園建有自己的生產(chǎn)基地。具有國際的大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能核心技術(shù)和產(chǎn)品，致力于儲(chǔ)電、 儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷、儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氣等多種儲(chǔ)能領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、系統(tǒng)集成及產(chǎn)業(yè)化推廣，在能源供給側(cè)為客戶提供國際的儲(chǔ)能解決 方案。
富瑞特裝：公司正在進(jìn)行氫燃料電池車用液氫供氣系統(tǒng)及配套氫閥的研發(fā)工作，該產(chǎn)品是對目前應(yīng)用較多的車用高壓供氫系 統(tǒng)的補(bǔ)充，主要用于氫燃料電池重卡，液氫供氣系統(tǒng)產(chǎn)品樣品現(xiàn)已試制完成有待進(jìn)行裝車試驗(yàn)，配套氫閥有待交付第三方進(jìn) 行試驗(yàn)。
北京科泰克科技有限責(zé)任公司(簡稱“北京科泰克”)：公司是專業(yè)生產(chǎn)高壓容器的高新技術(shù)企業(yè)。長期從事鋁合金內(nèi)膽、呼 吸氣瓶、車用復(fù)合氣瓶、高壓及超高壓容器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售。已展開 IV 型瓶的材料選型匹配等基礎(chǔ)性研究工作。隸屬 國家市場監(jiān)管總局的中國特種設(shè)備檢測研究院，也已經(jīng)到參與到國家 70MPa IV 型瓶的課題研究中。
京城股份：公司所屬企業(yè)北京天海，深耕氣體儲(chǔ)運(yùn)裝備業(yè)務(wù)二十余年，在 2014 年率先完成 70MPa 高壓氫燃料車用儲(chǔ)氫瓶 的開發(fā)。
沈陽斯林達(dá)深冷科技有限公司(簡稱“沈陽斯林達(dá)”)：公司已研發(fā)出無縫不銹鋼內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶、鋁合金內(nèi)膽、鋁合金 無縫氣瓶、鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶、鋁合金內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶、鋼質(zhì)無縫氣瓶、車用壓縮天然氣鋼瓶、車用壓 縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、車用壓縮天然氣鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶、車用氫氣鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶、消 防氣瓶、便攜式醫(yī)用供氧器十三類別二百八十余種規(guī)格產(chǎn)品。2016年 70MPa高壓儲(chǔ)氫瓶通過了國家型式試驗(yàn)，搭載該氣瓶 的燃料電池汽車可實(shí)現(xiàn) 400 公里的續(xù)航能力。
亞普股份：公司自主研發(fā)的 III 型 35MPa車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)正與相關(guān)方深度合作，公司自主研發(fā)的 IV 型 70MPa小容積車載儲(chǔ)氫 瓶正在搭載整車臺(tái)架進(jìn)行相關(guān)性能驗(yàn)證;大容積車載儲(chǔ)氫瓶正在進(jìn)行 A(能滿足基本功能的)樣件的試制工作。公司已與相 關(guān)方簽訂了合作協(xié)議，雙方共同推進(jìn) IV 型 70MPa 氫燃料系統(tǒng)的研發(fā)、應(yīng)用。
中集安瑞科：與 IV 型儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域的“鼻祖”挪威 Hexagon簽署《戰(zhàn)略合作意向書》。與 Hexagon成立針對中國及東南亞市 場快速增長的高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)的合營公司。中
復(fù)神鷹：公司是一家專業(yè)從事碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家高新技術(shù)企業(yè)，對外銷售主要產(chǎn)品為碳纖維。通過多年自主 研發(fā)掌握了碳纖維生產(chǎn)全流程核心技術(shù)，在國內(nèi)率先突破了千噸級(jí)碳纖維原絲干噴濕紡工業(yè)化制造技術(shù)，建成了國內(nèi)首條千 噸級(jí)干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線。2018 年 1 月，公司“干噴濕紡千噸級(jí)高強(qiáng)/百噸級(jí)中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用” 成果榮獲 2017 年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
光威復(fù)材：公司是專業(yè)從事碳纖維、碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料、碳纖維復(fù)合材料制品及碳纖維核心生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn) 與銷售的高新技術(shù)企業(yè)，擁有碳纖維行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。光威復(fù)材采用干濕法處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)的 T700S 級(jí)碳纖維可用于 通過纏繞工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理包括儲(chǔ)氫瓶在內(nèi)的高壓氣瓶。
中簡科技：公司自成立以來，以“技術(shù)領(lǐng)先，注重應(yīng)用，技術(shù)向縱深發(fā)展，應(yīng)用向縱橫發(fā)展”為戰(zhàn)略目標(biāo)，用科技與創(chuàng)新為 社會(huì)持續(xù)提供更高性能的碳纖維。公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)要求較高，在航空航天裝備論證階段即 對碳纖維各項(xiàng)指標(biāo)予以確定，目前公司所生產(chǎn)碳纖維主要為高端、高性能型碳纖維產(chǎn)品，已達(dá)到同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平。
恒神股份：公司主要從事碳纖維、碳纖維織物、預(yù)浸料及其復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)。主要產(chǎn)品為碳纖維、 碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料、碳纖維復(fù)合材料制品、丹強(qiáng)絲及功能性纖維、技術(shù)服務(wù)等。
四、液體和固體儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入示范階段
4.1 液態(tài)儲(chǔ)氫目前主要應(yīng)用在航天工程中
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將氫氣冷卻至-253 攝氏度，液化儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐中，儲(chǔ)氫密度可達(dá) 70.6kg/m3，體積密度為氣態(tài)時(shí)的 845 倍，實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)氫，其輸送效率高于氣態(tài)氫。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，其蒸發(fā)率與儲(chǔ)氫罐容積有關(guān)，大儲(chǔ)罐的蒸發(fā)率遠(yuǎn)低于小儲(chǔ)罐。國內(nèi)液氫已在航天工程中成功使用。
優(yōu)點(diǎn)：液化儲(chǔ)氫具有熱值高、體積能量密度高、占用空間體積較小等優(yōu)點(diǎn)。氫能以液態(tài)儲(chǔ)存能夠同時(shí)滿足質(zhì)量密度和體積密 度的要求。
缺點(diǎn)：液氫的使用也存在一系列的難題，如液氫易揮發(fā)，不便長期保存且存在安全隱患，氫氣的液化過程能耗高，氫液化所 需能量為液化氫燃燒產(chǎn)熱額的 30%，對儲(chǔ)氫容器材料有較為苛刻的要求等。由于液化儲(chǔ)氫的成本較高，且其安全技術(shù)非常復(fù)雜，因此不適合廣泛使用，但其作為航空燃料已在航空領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。多級(jí)壓縮冷卻能耗巨大，低溫儲(chǔ)氫罐的設(shè) 計(jì)制造及材料一直存在成本高昂的難題。
4.2 有機(jī)液體儲(chǔ)氫仍處于研究或示范階段
(1)有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)
有機(jī)液體儲(chǔ)氫利用某些不飽和有機(jī)物與氫氣進(jìn)行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存，加氫后形成的液體有機(jī)氫化物性能穩(wěn) 定，安全性高，儲(chǔ)存方式與石油產(chǎn)品相似。但存在著反應(yīng)溫度較高、脫氫效率較低、催化劑易被中間產(chǎn)物毒化等問題。國內(nèi) 已有燃料電池客車車載儲(chǔ)氫示范應(yīng)用案例。
優(yōu)點(diǎn)：從儲(chǔ)氫含量、儲(chǔ)氫過程能量消耗、儲(chǔ)氫成本高低等角度綜合考慮，類似苯、甲苯這樣的單環(huán)芳香烴儲(chǔ)氫量較大、儲(chǔ)氫 過程可逆、效果好。儲(chǔ)氫量大、儲(chǔ)氫密度高。接近美國能源部對儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求。循環(huán)系統(tǒng)熱效率較高。加氫過程為放熱反 應(yīng)，脫氫過程為吸熱反應(yīng)，加氫反應(yīng)過程中釋放出的熱量可以回收作為脫氫反應(yīng)中所需的熱量，從而有效地減少熱量損失， 使整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的熱效率提高。氫載體可以利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，適合于長距離氫能的輸送。
缺點(diǎn)：加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)設(shè)備較為復(fù)雜，操作費(fèi)用較高;加氫反應(yīng)過程和脫氫反應(yīng)過程均要使用催化劑，且催化劑活性不 夠穩(wěn)定;脫氫反應(yīng)溫度較高等。
技術(shù)應(yīng)用：氫陽新能源控股有限公司就宜都 10000t/a儲(chǔ)油項(xiàng)目與中國五環(huán)工程有限公司簽約了 EPC總承包合同，該項(xiàng)目采 用的專利技術(shù)為氫陽能源開發(fā)的常溫常壓有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料生產(chǎn)技術(shù)(LOHC)。LOHC 技術(shù)是新型安全高效的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技 術(shù)，可有效地破解當(dāng)前氫能源產(chǎn)業(yè)在存儲(chǔ)、運(yùn)輸和應(yīng)用方面存在的低安全性和高成本難題，處于世界領(lǐng)先水平。
(2)液氨儲(chǔ)氫技術(shù)
液氨儲(chǔ)氫技術(shù)是指將氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)生成液氨，作為氫能的載體進(jìn)行利用。液氨在常壓、400℃的條件下即可得到 H2，常用 的催化劑包括釕系、鐵系、鈷系與鎳系，其中釕系的活性最高。液氨燃燒產(chǎn)物為氮?dú)夂退瑹o對環(huán)境有害氣體。
2015年 7月，作為氫能載體的液氨首次作為直接燃料用于燃料電池中。通過對 比，發(fā)現(xiàn)液氨燃燒渦輪發(fā)電系統(tǒng)的效率(69%)與液氫系統(tǒng)效率(70%)近似。然而液氨的儲(chǔ)存條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)緩和于液氫，與丙烷 類似，可直接利用丙烷的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，大大降低了設(shè)備投入。因此，液氨儲(chǔ)氫技術(shù)被視為最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)之一。
2021年 12月 10日，福州大學(xué)與紫金礦業(yè)集團(tuán)、三聚環(huán)保舉行了綠色能源重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目戰(zhàn)略合作簽約儀式，根據(jù)協(xié)議，三方將 合力打造一支國家級(jí)“氨-氫”能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，合資成立高新企業(yè)，發(fā)展集綠氨產(chǎn)業(yè)、氫能產(chǎn)業(yè)及可再生能源產(chǎn)業(yè)于一體的 萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈。
(3)甲醇儲(chǔ)氫
甲醇儲(chǔ)氫技術(shù)是指將一氧化碳與氫氣在一定條件下反應(yīng)生成液體甲醇，作為氫能的載體進(jìn)行利用。在一定條件下，甲醇可分解得 到氫氣用于燃料電池，甲醇還可直接用作燃料。2017年，我國北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種鉑-碳化鉬雙功能催化劑，讓甲醇 與水反應(yīng)，不僅能釋放出甲醇中的氫，還可以活化水中的氫，最終得到更多的氫氣。同時(shí)，甲醇的儲(chǔ)存條件為常溫常壓，且沒有刺激性氣味。中集安瑞科與大化所合作建造的冬奧會(huì)的站內(nèi)制氫項(xiàng)目就是甲醇制氫。
4.3 固體儲(chǔ)氫也已經(jīng)進(jìn)入示范階段
固態(tài)儲(chǔ)氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲(chǔ)氫載體，通過化學(xué)吸附和物理吸附的方式實(shí)現(xiàn)氫的存儲(chǔ)。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，其體積儲(chǔ)氫密度高于液氫。但主流金屬儲(chǔ)氫材料重量儲(chǔ)氫 率仍低于 3.8wt%，重量儲(chǔ)氫率大于 7wt%的輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料還需解決吸放氫溫度偏高、循環(huán)性能較差等問題。國外固態(tài)儲(chǔ)氫 已在燃料電池潛艇中商業(yè)應(yīng)用，在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲(chǔ)氫中得到示范應(yīng)用;國內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫已在分布式發(fā)電中得到示 范應(yīng)用。
氫儲(chǔ)科技：2019 年 11 月氫儲(chǔ)科技開始承擔(dān)上海市科委關(guān)于 500kg/天的鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的研發(fā)任務(wù)。目前，涵蓋材料、 機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱系統(tǒng)管理、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及容器等的研發(fā)均已完成，并進(jìn)行了大量的理論模擬和實(shí)驗(yàn)測試。2020 年第四季 度，首座鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫示范站將在山東省濟(jì)寧市落成，加氫能力為 550 公斤/天，供兩條公交線使用。
從儲(chǔ)氫成本、技術(shù)、安全性等方面來看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍是當(dāng)下儲(chǔ)氫方式的最優(yōu)選擇，短中期高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍是主流。因 受技術(shù)和成本端的制約，國內(nèi)低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)、金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫短期難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用;因氫能需求量及建設(shè)成 本問題，管道輸氫還不能規(guī)?；瘧?yīng)用，長期來看，待技術(shù)突破及產(chǎn)能擴(kuò)大后，管道輸氫、低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)與金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫有望成為儲(chǔ)氫的主流方式。
五、投資分析
固定式儲(chǔ)罐壁壘高，車載儲(chǔ)氫空間大
固定式儲(chǔ)氫罐：目前，固定式儲(chǔ)氫罐主要用于加氫站、制氫站，按近期各省市出臺(tái)的氫能規(guī)劃政策，固定式儲(chǔ)氫罐市場需求 較大，但競爭對手較少，市場前景廣闊。根據(jù)氫氣加注壓力，加氫站分為 35MPa 和 70MPa 兩類。我國絕大多數(shù)在用或在 建的是 35MPa加氫站。為了適應(yīng)燃料電池汽車供氫系統(tǒng)壓力逐漸從 35MPa增加到 70MPa的需求，加氫站的加注壓力提高 到 70MPa已到了十分緊迫的地步。隨著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加氫站、制氫站的建設(shè)增多，儲(chǔ)罐需求也將增加，高壓、高容量的 儲(chǔ)罐需求將逐步釋放。一般情況下，容器體積越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)殼體壁厚越大，受壓元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更復(fù)雜，焊接和組裝的要求更嚴(yán)熱處理，無損檢測要嚴(yán)格控制，高壓大容量的儲(chǔ)罐壁壘較高。
車載儲(chǔ)氫氣瓶：在高壓儲(chǔ)氫技術(shù)中，目前最為成熟且成本較低的技術(shù)是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，但是鋼制氫氣瓶由于較高 的重量，不適宜汽車用，因此車用高壓儲(chǔ)氫瓶的國際主流技術(shù)通過以鋁合金/塑料作為內(nèi)膽，外層則用碳纖維進(jìn)行包覆(即所謂的 III 型、IV 型瓶)，提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。國內(nèi)車載儲(chǔ)氫氣瓶的企業(yè)較多，特別是 III 型。隨著氫燃料電池車的發(fā)展，車載儲(chǔ)氫瓶的需求量是相對最大的領(lǐng)域，但是競爭也較為激烈，技術(shù)領(lǐng)先、儲(chǔ)氫成本較低的公司將受益。
管束集裝箱：現(xiàn)階段，我國普遍采用 20MPa氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫與管束集裝箱運(yùn)輸?shù)姆绞?。在加氫站日需求?500kg以下，運(yùn)輸距離在 200 公里以內(nèi)經(jīng)濟(jì)性較高。該技術(shù)較為成熟，參與的企業(yè)較多。
本文來源：平安證券
評(píng)論