核心观点提要
◆车载储氢技术是决定未来氢能交通领域大规模应用的重点。氢能的使用主要包括氢的生产、储存和运输、应用等方面，而决定氢能应用关键的是安全、高效的氢能储运技术。氢气储存技术滞后限制了氢能源在各类交通工具上大规模应用，车载储氢技术的改进是未来氢燃料电池车发展重点突破环节。诸多技术路线中，高压气态储氢最成熟、成本最低，未来大规模推广需要储氢瓶工艺提升。
◆国内气瓶制造工艺发展潜力巨大，未来将向IV型、70MPa气态氢过渡。国内企业采用III型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)储氢密度为3.9%，而IV型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)的储氢密度可以达到5.5%。IV型具有低成本、小重容、轻量化的优势。国内在35MPaIII型瓶有成熟产品，但是35MPa气瓶的续航里程上对比纯电动车没有优势，需采用70MPaIII型在燃料电池乘用车上才有续航里程的优势。
◆高端碳纤维材料进口依赖，国产化率未来有望提升。氢气瓶的核心技术，除了金属阀门及各类传感器之外，主要是外层高效、低成本碳纤维及缠绕成型。氢气瓶的外层缠绕，会对碳纤维及其复合材料产生革命性影响。目前，日本、美国等国家对高端碳纤维技术形成垄断，国内储氢瓶厂商需要进口，导致储氢瓶生产成本短期难以大幅下降。随着国内技术的不断突破及产业集中度的提高，进口依赖问题有望逐步缓解。
◆国内气瓶厂加快进入储氢瓶市场，碳纤维材料或是突破口。车载储氢大规模推广依赖于高压储氢瓶及碳纤维，该细分领域目前处于发展初期，相关技术、法规仍未成熟。(1)国内70MPa高压储氢瓶还未真正装车上路，领先企业正在研发或已具备量产70MPaIII型瓶能力，并开始配合车企展开上车实验。
这些企业拥有多年气瓶研发生产经验，同时瞄准未来氢瓶广阔市场。(2)碳纤维作为储氢瓶核心材料之一，技术被日本、美国垄断。国内大多数碳纤维企业所提供产品以中低端碳纤维为主，无法大规模提供高性能碳纤维。随着碳纤维行业集中度提升和龙头企业新生产线投放，高端产品研发能力将逐步改善。
1、车载储氢技术多元化，高压气态储氢是主流路径
1.1、车载储氢技术是燃料电池重点突破环节
氢能的使用主要包括氢的生产、储存和运输、应用等方面，而决定氢能应用关键的是安全高效的氢能储运技术。氢燃料电池车需要满足高效、安全、低成本等要求。氢气储存技术滞后限制了氢能源在各类交通工具上大规模应用，车载储氢技术的改进是未来氢燃料电池车发展的重点突破环节。
为了达到性能要求，众多研究机构对车载储氢技术提出了新标准，其中美国能源部(DOE)公布的标准最具权威性——质量储氢密度为7.5%，体积储氢密度为70g/L，操作温度为40——60°C。
目前，氢燃料电池车车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、高压低温液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢等。35MPa气态储氢主要应用于商用车，如城市公交车、物流车、团体班车;70MPa气态储氢应用于乘用车;液态储氢主要应用于特种领域，民用推广需要技术突破。
(1)从技术成熟方面分析，高压气态储氢最成熟、成本最低，是现阶段主要应用的储氢技术，在行驶里程、行驶速度及加注时间等方面均能与柴汽油车相媲美，但如果对氢燃料电池汽车有更高要求时，该技术不适用;
(2)从质量储氢密度分析，液态储氢、有机液体储氢的质量储氢密度最高，能达到DOE的标准，但两种技术均存在成本高等问题，且操作、安全性等较之气态储氢要差;
(3)从成本方面分析，液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢成本均较高，目前不适合推广。
1.2、高压气态车载储氢已达可使用状态
高压气态储氢是一种最常见、应用最广泛的储氢方式，其利用气瓶作为储存容器，通过高压压缩方式储存气态氢。其优点是成本低、能耗相对小，可以通过减压阀调节氢气释放速度，充放气速度快，动态响应好，能在瞬间开关氢气。
国际主流技术以铝合金/塑料作为氢瓶内胆用于保温，外层则用3公分左右厚度的碳纤维进行包覆，提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。氢瓶阀门处利用细长的管道将几组氢瓶进行串联，并加装温度传感器等监控设备。安全性方面，当温度传感器感应到外界温度远高于正常温度时(一般超过100°C时)，会自动打开阀门快速释放瓶内所有气体。
根据应用方式的不同，高压气态储氢分为车用高压气态储氢和固定式高压气态储氢。
(1)车用高压气态储氢
车用高压气态储氢主要应用于车载系统，大多使用金属内胆碳纤维全缠绕气瓶(III型)和塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(IV型)。当前国内车载系统中主要以III型瓶为主，国内有科泰克、北京天海、沈阳斯林达、中材、富瑞特装等多家车用氢瓶生产企业。
我国已经完成能够适用于35MPa和70MPa的高压储氢瓶的相应标准GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶》，于2017年12月29日发布，2018年7月1日开始实施。标准规定了车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标注、包装运输和存储等要求，保障了高压储氢气瓶的安全性。
车载氢系统是燃料电池汽车的重要部件，由储氢瓶及辅助系统(BOP)两部分组成。随着生产量的扩大，单位成本将在规模优势下逐步下降。从表2中可以发现:
1)储氢瓶成本结构中，湿法缠绕(碳纤维外层覆盖)占比接近90%;
2)辅助系统成本结构中，组装费用占比极低;
3)如果生产规模由1万套/年提升至50万套/年，车载氢系统总成本将下降38%，其中储氢瓶与辅助系统成本下降幅度分别为20%/64%;碳纤维成本占比由45%上升至62%，成为影响最大的成本要素;
金属内胆碳纤维全缠绕气瓶(III型):以6061铝合金为内胆外面全缠绕碳纤维，我国已开发35MPa和70MPa。其中35MPa已被广泛用于氢燃料电池汽车，70MPa正逐步推广。沈阳斯林达“70MPa高压气态储氢系统关键技术及应用”项目获得了国家教育部科技进步一等奖。
塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(IV型):以塑料内胆外面全缠绕碳纤维，国外乘用车以该类型为主，如日本丰田、挪威Hexagon。
(2)固定式高压气态储氢
固定式高压气态储氢主要应用在固定场所，如制氢厂、加氢站以及其他需要储存高压氢气的地方。目前主要使用大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐来储氢。
l大直径储氢长管:石家庄安瑞科气体机械有限公司2002年在国内率先研制成功20/25MPa大容积储氢长管，并应用于大规模氢气运输。长管气瓶材料为铬钼钢4130X，强度高，具有良好的抗氢脆能力。
l钢带错绕式储氢罐:钢带错绕式储氢罐目前有45Mpa和98Mpa两种型号，如浙大与巨化集团制造生产的两台国内最高压力等级98MPa立式高压储罐，安装在江苏常熟丰田加氢站中。
目前单座加氢站投资规模(不包括土地)约1500万人民币，固定投资主要包括压缩机、储气罐、分配器、预冷器等设备及安装费用，占比分别为13%/18%/13%/7%/20%。
随着市场规模的扩大，在规模经济的影响下，压缩机、储气罐单位成本下降幅度较大。根据AhmadMayyas在论文《Manufacturingcompetitivenessanalysisforhydrogenrefuelingstations》测算数据，如果需求量每年由10家增长至100家，那么单位压缩机、储气罐价格将由14.5/32万美元下降至4.6/17.6万美元。
1.3、其他车载储氢方式尚不成熟
1.3.1、有机液体储氢
有机液体储氢技术借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气产生可逆反应实现加氢和脱氢。与常见的高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢材料储氢相比，有机液体储氢具有以下特点:
1)反应过程可逆，储氢密度高;
2)氢载体储运安全方便，适合长距离运输;
3)可利用现有汽油输送管道、加油站等基础设施。
有机液体储氢关键在于选择合适的储氢介质。目前研究中主要采用的储氢介质包括环乙烷、乙基咔唑等。环己烷利用苯-氢-环己烷可逆化学反应来实现储氢，具有较高的储氢能力，在常温下为液态，脱氢产物苯在常温常压下也是液态，方便运输。甲基环己烷脱氢产生氢气和甲苯，且甲基环己烷和甲苯在常温常压下都是液体，因此，甲基环己烷也是比较理想的储氢载体。
液体有机储氢材料最大的特点就是常温下为液态，能够方便地运输和储存。武汉氢阳研发了一种稠杂环有机分子作为有机液体储氢材料，储氢高达58g/L，并可在常温常压下利用管道、槽罐车等运输。该有机液体储氢材料已经投入应用。其推出的新型有机液态储氢材料安全指标远高于汽油、柴油等传统能源。
1.3.2、低温液态储氢
低温液态储氢技术是将氢气压缩后冷却到-252°C以下，使之液化并存放在绝热真空储存器中。与高压气态储氢相比，低温液态储氢的质量和体积的储氢密度都有大幅度提高，通常低温液态储氢密度可以达到5.7%。仅从质量和体积储氢密度分析，运输能力是高压气态氢气运输的十倍以上。
在欧美日等国家，液氢应用相对比较成熟，在运输、加氢站和车载中都有应用。我国液氢目前主要应用在航天领域，以及少数的电子行业。航天101所在液氢的制备、储运、应用上都有成熟的经验。相关部门正在研究制定液氢民用标准，车用液氢技术研究正在进行中，未来液氢将应用在一些长途、重型商用车，以及加氢站中。
1.3.3、金属氢化物储氢
金属氢化物储氢适用于对重量不敏感领域，该技术利用过渡金属或稀土材料与氢反应，以金属氢化物形式吸附氢，然后加热氢化物释放氢。当金属单质作为储氢材料时，能获得较高的质量储氢密度，但释放氢气的温度高，一般超过300°C。为了降低反应温度，目前主要使用LaNi5、Ml0.8Ca0.2Ni5、Mg2Ni、Ti0.5V0.5Mn、FeTi、Mg2Ni等AB5、A2B、AB型合金，合金储氢材料的操作温度均偏低，质量储氢密度为1%——4.5%。
由于储氢合金具有安全、无污染、可重复利用等优点，已在燃气内燃机汽车、特种、小型储氢器及燃料电池车中开发应用。浙江大学成功开发了燃用氢-汽油混合燃料城市节能公共汽车，其使用的是Ml0.8Ca0.2Ni5合金储氢材料，在汽油中掺入质量分数为4.5%的氢，使内燃机效率提高14%，节约汽油30%。日本丰田汽车公司采用储氢合金提供氢的方式，汽车时速高达150km/h，行驶距离超过300公里。
虽然金属氢化物储氢在车上已有应用，但与2017年DOE制定的储氢密度标准相比，差距仍较大。将其发展成为商业车载储氢还需进一步提高质量储氢密度，降低分解氢的温度与压力，延长使用寿命等。
2、高压气态储氢应用依赖于车载氢瓶技术
2.1、我国气瓶制造技术与国际存在一定差距
当前阶段上述各种储氢技术均已经在车载中应用，我国与世界先进国家相比仍然存在一定差距:
(1)国内IV型瓶研发滞后。国外乘用车已经开始使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的IV型瓶，而中国IV型瓶还处于研发阶段，成熟产品只有35MPa和70MPaIII型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用车样车上应用。
(2)碳纤维依赖进口。中国制造的III型瓶的主要原材料为碳纤维，由于研发起步晚、原材料性能差等原因，国产碳纤维还不能满足车用储氢瓶的要求，主要依赖进口。
(3)液氢储罐汽车应用发展缓慢。国外液氢储罐已在汽车上应用，而中国还未实现。通用汽车、福特汽车、宝马汽车等都推出了使用车载液氢储罐供氢的概念车，而中国可以自行生产液氢，但尚未将其应用于车载氢系统。
储氢气瓶发展已有50多年的历史，从钢瓶到全复合材料气瓶的研制成功，实现了向产品结构合理、质量轻的巨大转变。近年来，70MPa储氢复合材料气瓶已经进入示范使用阶段。国外从事复合材料氢气瓶研发与生产代表性企业和科研机构有美国Quantum公司、美国通用汽车、美国Impco公司、加拿大Dynetek公司、法国空气化工产品公司、日本汽车研究所和日本丰田公司等。
2.2、国内以III型气瓶为主，未来需向IV型过渡
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、外保护层、缓冲层。
(1)国内内衬材料多选用铝合金。储氢气瓶进行充气的周期可能较长，而氢气在高压下又具有很强的渗透性，所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能，以保证大部分的气体能够储存于容器中。因此气瓶内胆多选用铝合金材料，这是由于其与氢气良好的相容性和抗腐蚀性能。铝合金材料的低密度、高比强度能够在保障强度的前提下使气瓶更加轻便。铝合金材料还拥有很好的导热性能，在遇到意外事故发生燃烧时通过将热量传递到阀门的易熔合金塞处，在高热条件下使其熔化安全泄压防止爆炸。
(2)纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料。高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术而制备的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻，而且良好的工艺性和可设计性在储氢气瓶制备上具有广阔的应用空间。气瓶长期在充气放气条件下使用，内胆会产生疲劳裂纹，随着气瓶的使用裂纹会不断扩大，导致气瓶的失效形式表现为“未爆先漏”。
车用气瓶共分为四种类型:全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。I型和II型气瓶重容比较大，难以满足单位质量储氢密度要求，用于车载供氢系统并不理想。采用金属内胆的III型气瓶为我国在高压氢气瓶领域的主要研究方向。
目前我国已经实施能够适用于35MPa和70MPa的高压储氢瓶的相应标准GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶》。根据标准70MPaIII型瓶可经过检测试验安全后上车运行，而对于70MPaIV型瓶法规标准尚未做出明确规定。
国内企业采用III型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)储氢密度为3.9%，而IV型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)的储氢密度可以达到5.5%。通过相同外径、容积和压力(70MPa)的III型与IV型氢气瓶进行比较可以清楚发现，IV型具有低成本、小重容、轻量化的优势。
2.3、国内以35MPa气态氢为主，未来需向70MPa过渡
同等体积下，压力越大储氢量越高，车辆行驶里程就更远。现阶段国内主流氢燃料电池汽车使用的都是35MPa气态氢，欧、美、日国家则是以70MPa为主。国内在35MPaIII型瓶有成熟产品，但是35MPa气瓶的续航里程上对比纯电动车没有优势，必须采用70MPaIII型在燃料电池乘用车上才有续航里程的优势，但是70MPaIII型瓶国内仅有个别厂家具有成熟产品。
未来国内氢燃料电池汽车市场也将会升级使用70MPa压力的气态氢，关键还在于成本。根据美国能源局(DOE)研究数据，自2005年以来长管拖车储运成本下降幅度最大，35MPa由2005年的5.26$/kgH2下降到2015年的2.69$/kgH2，但同期与70MPa相比成本高出10%左右。2020年美国能源局提出70MPa储运成本下降到2$/kgH2的目标。
3、高端碳纤维是制造储氢瓶的核心材料
3.1、储氢瓶等压力容器是碳纤维主要下游需求之一
我国对碳纤维相关研究始于20世纪60年代，与国外先进企业存在较大差距，主要体现在原丝自主创新不足、质量可控性低、生产设备与工艺需完善等方面。
尽管国产碳纤维单丝性能良好，但其丝束均一性难以保证，实际应用时会出现毛丝多、断丝严重、与树脂浸润性差、质量不稳定等问题。近年来，T700/T800级国产碳纤维研究与工程化取得了突飞猛进的发展，但国产碳纤维要广泛应用于复合材料气瓶行业，在缠绕工艺性及复合材料中强度转化率等方面还需要进一步研究与改进。
碳纤维是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构的无机纤维，是一种含碳量高于90%的无机纤维。按照原丝种类分类:碳纤维的原丝主要有聚丙烯腈(PAN)原丝、沥青纤维和粘胶丝，由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，聚丙烯腈(PAN)基碳纤维占据主流地位，2018年产量占碳纤维总量的90%以上，粘胶基碳纤维还不足1%。
碳纤维不仅具有高强度(强度比密度)及高比刚度(模量比密度)性能，还具有耐腐蚀、耐疲劳等特性，广泛应用于特种工业以及高性能民用领域。2018年全球碳纤维需求9.26万吨，其中特种航天、风电叶片、体育休闲占比居前，分别为23%/23%15%。压力容器的碳纤维需求为6200吨，占比7%。
压力容器，尤其是燃料电池所需的氢气瓶是未来的热点。日本氢能源、氢经济，极大地刺激了国内市场。为了推广氢燃料汽车，丰田公司开放了所有相关的专利，其目的是形成一个新的行业标准。
氢气瓶的核心技术，除了金属阀门及各类传感器之外，主要是外层高效、低成本碳纤维及缠绕成型。氢气瓶的外层缠绕，会对碳纤维及其复合材料产生革命性影响。若未来燃料电池车大规模推广，将极大提升碳纤维需求。汽车公司对碳纤维及复合材料工艺的成本控制将更加严苛，这将促进碳纤维低成本制备技术的进步。其次是成型效率问题，现有的湿法缠绕设备，需要在材料形态与效率上进行革命性的创新，才能满足批量氢气瓶的需求。
完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯，丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料;碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。
碳纤维产业链可以分为上游和下游。上游通常是指生产碳纤维专用的材料;下游通常是指生产碳纤维应用部件的产品。碳纤维产业链上游属于石油化工行业，主要通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈。碳纤维企业通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝，对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维，通过对碳纤维和高质量树脂加工以获得碳纤维复合材料从而满足应用需求。
3.2、高端碳纤维制造产业被美、日垄断
碳纤维行业发展空间巨大，与其他制造业相比具有如下特点:
(1)碳纤维行业属于资本和技术密集型行业，行业壁垒高。碳纤维属于高技术密集型产品，产品质量标准高、研发周期长、资金投入大，行业壁垒高。
(2)应用领域不断拓展，潜在市场逐步成熟。碳纤维下游应用技术开发难度较高，碳纤维与树脂、上浆剂等材料之间工艺参数必须系统配合，复合材料设计与成型需要一体化，下游领域的应用开发需要较长的研发过程。加之研发投入大、生产成本高，导致碳纤维应用范围长期局限在特种航天和高端民用领域。
(3)日本及欧美领先企业垄断全球市场。由于碳纤维生产工艺流程复杂、研发投入巨大、研发周期较长，使得国际上真正具有研发和生产能力的碳纤维公司屈指可数。美国注重原始创新，日本擅长精细化生产，在碳纤维产业发展中各具优势。日本东丽、美国赫克塞尔垄断特种航天高性能碳纤维市场。
(4)市场和政府在行业发展中发挥重要作用。碳纤维与特种工业密不可分，市场和政府在行业发展中发挥重要作用。美国和日本采取以市场为主的模式，主要依靠大企业研发和生产，同时供应民用和特种应用领域。
拉伸强度和拉伸模量是衡量碳纤维性能的两大重要指标。我国已于2011年颁布了《聚丙烯腈(PAN)基碳纤维国家标准(GB/T26752-2011)》，由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势，国内一般采用日本东丽标准进行分类。国内部分碳纤维企业基本实现T700级、T800级碳纤维技术突破，但稳定性、产品离散度等指标与国外优势企业相比存在一定差距。T800作为高端碳纤维复合材料主要用于飞机、汽车制造以及压力容器等领域。全球实现T1000级和T1100级碳纤维工业化生产和市场销售的企业只有日本东丽(TORAY)和美国赫克塞尔(HEXCEL)。
从全球碳纤维市场的份额划分看，国际碳纤维市场依然为日、美企业所垄断。日本是全球最大的碳纤维生产国，世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位。日本代表企业包
括日本东丽、日本东邦和日本三菱丽阳等，其他地区的主要厂商包括美国的赫克塞尔、卓尔泰克以及德国的西格里等。根据CCeV的数据统计，日本东丽是全球唯一碳纤维产能超过2万吨的企业，长期为波音公司和空中客车公司主要的稳定供货商。
根据模量可以分为4大类碳纤维品种，包括标模(小丝束)、标模(大丝束)、中模量、大模量。其中后两种碳纤维主要应用于航天特种领域，2018年中模量1.69万吨及高模量0.12万吨的需求中，有95%以上来自波音、空客等航天公司。从产业角度来看，标模大丝束(俗称T300级别大丝束)，生产难度大于标模小丝束(俗称T800级别小丝束)。
在小丝束碳纤维市场上，日本企业的市场份额占到全球产能的49%;在大丝束碳纤维市场上，美国企业的市场份额占到全球产能的89%。
3.3、我国碳纤维对外依存度超过70%，产能集中度逐步提高
2018年中国碳纤维的总需求31000吨同比增长32%，其中进口22000吨国产9000吨，对外依存度高达71%。从历史数据看，我国碳纤维产业起步较晚，但随着技术追赶对外依存度已经由2008年的98%下降了27个百分点，进口替代趋势有望持续。
2018年统计全国的理论产能为26800吨，销量/产能比为33.6%，同比上年提升5.1个百分点。2018年全球销量/产能比为59.8%，我国整体销售/产能比较低，主要原因:
(1)部分老生产线缺乏运行经济效益而停产;(2)部分生产线技术水平低，不能长期稳定运行;
2018年，产业集中度在加速，8家千吨级碳纤维企业的理论产能已经占到全国的87%，产业集中度的趋势会越来越强:
(1)产能千吨以上:8家公司。
(2)产能在500-1000吨之间:4家公司
(3)产能在100-500吨之间:5家公司
(4)产能在100吨以下:2家公司
4、建议
车载储氢的大规模推广依赖于高压储氢瓶及碳纤维，该细分领域目前处于发展初期，相关技术、法规仍未成熟。
(1)国内70MPa高压储氢瓶还未真正装车上路，领先企业正在研发或已具备量产70MPaIII型瓶能力，并开始配合车企展开上车实验。这些企业拥有多年气瓶研发生产经验，同时瞄准未来氢瓶的广阔市场;
(2)碳纤维作为储氢瓶核心材料之一，技术被日本、美国垄断。国内大多数碳纤维企业所提供产品以中低端碳纤维为主，无法大规模提供高性能碳纤维。随着碳纤维行业集中度提升和龙头企业新生产线投放，高端产品研发能力将逐步改善。
