市場(chǎng)總規(guī)模將達(dá)千億！把脈我國(guó)車載儲(chǔ)氫瓶發(fā)展趨勢(shì)
來(lái)源：中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì) 時(shí)間：2023-08-21 17:50
日前，伴隨著第31屆世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)在成都開(kāi)幕，80輛氫能大巴以及9輛氫能冷鏈物流車作為保障服務(wù)車輛投入運(yùn)營(yíng)，再次向世界展示了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成果。同月，我會(huì)會(huì)員單位中材科技（蘇州）有限公司成功通過(guò)70MPa-IV儲(chǔ)氫氣瓶型式試驗(yàn)并取得國(guó)內(nèi)制造許可證的消息，也再一次引發(fā)各界對(duì)IV型儲(chǔ)氫氣瓶的廣泛關(guān)注。
作為聯(lián)接氫能上游生產(chǎn)與終端用能間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高效儲(chǔ)氫技術(shù)的突破速度，影響著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化和商業(yè)化步伐。近年來(lái)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、金屬固態(tài)儲(chǔ)氫、碳基吸附儲(chǔ)氫、有機(jī)骨架儲(chǔ)氫等技術(shù)百舸爭(zhēng)流、奮楫爭(zhēng)先。在眾多技術(shù)路線中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫憑借技術(shù)成熟度高、充放氫速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)階段氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的主流技術(shù)，而在高壓儲(chǔ)氫技術(shù)路線中，IV型氣瓶以其儲(chǔ)氫密度高、使用壽命長(zhǎng)、耐疲勞性能好、成本低等特點(diǎn)成為全球各儲(chǔ)氫裝備制造企業(yè)爭(zhēng)相搶占的技術(shù)高地。
1市場(chǎng)規(guī)模
隨著我國(guó)燃料電池汽車推廣規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，車載儲(chǔ)氫氣瓶巨大的市場(chǎng)潛力引發(fā)投資熱情高漲，除天海工業(yè)、中材科技、中集安瑞科等老牌氣瓶制造企業(yè)外，未勢(shì)能源、亞普股份等汽車零部件廠商以及中國(guó)中車、航天六院等不同背景企業(yè)也紛紛布局高壓儲(chǔ)氫瓶賽道。豐田、佛吉亞、彼歐、Hexagon等海外儲(chǔ)氫氣瓶制造商也瞄準(zhǔn)中國(guó)市場(chǎng)，以成立合資公司等形式相繼登陸中國(guó)。目前已有超過(guò)20家企業(yè)布局IV型儲(chǔ)氫氣瓶，規(guī)劃年產(chǎn)能已達(dá)35萬(wàn)只。
據(jù)氫促會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2023年7月，我國(guó)各省市自治區(qū)直轄市已發(fā)布的氫能規(guī)劃中，到2025年燃料電池車推廣目標(biāo)數(shù)量將達(dá)115460輛。據(jù)氫促會(huì)測(cè)算，到2025年，我國(guó)車載儲(chǔ)氫瓶需求量達(dá)46.2萬(wàn)-69.3萬(wàn)只，儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)規(guī)模約為54.2億-81.3億元。到2030年，我國(guó)各類燃料電池汽車保有量預(yù)計(jì)將突破150萬(wàn)輛，以《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中各類車輛占比測(cè)算，35MPa儲(chǔ)氫氣瓶總需求量將達(dá)到199萬(wàn)-298萬(wàn)只，70MPa儲(chǔ)氫氣瓶總需求量將達(dá)到341萬(wàn)-481萬(wàn)只，儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)總規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到823億-1194億元。
表1 儲(chǔ)氫瓶?jī)r(jià)格統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)
注：僅為氣瓶?jī)r(jià)格，不包含瓶閥
圖1 2030年不同壓力等級(jí)燃料電池汽車占比預(yù)測(cè)
2發(fā)展現(xiàn)狀
2.1氣瓶分類
氣瓶按結(jié)構(gòu)形式分為I型、Ⅱ型、III型、IV型、V型，I型氣瓶為金屬氣瓶，Ⅱ型氣瓶為金屬內(nèi)膽環(huán)向纖維纏繞氣瓶，III型氣瓶為金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶，多采用鋁合金等金屬作為內(nèi)膽材料，并用碳纖維進(jìn)行全纏繞，IV型氣瓶則多采用高密度聚乙烯（HDPE）、改性尼龍（PA）等非金屬材料作為內(nèi)膽，V型氣瓶為無(wú)內(nèi)膽氣瓶。在氫儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域，長(zhǎng)管拖車采用I型瓶及Ⅱ型瓶，燃料電池汽車儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用III型瓶及IV型瓶；V型瓶目前主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，且V型瓶尚不能完全滿足35MPa使用要求，仍處于研發(fā)階段。
圖2 不同類型氣瓶圖例
圖3 不同類型氣瓶在氫儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用
2.2IV型儲(chǔ)氫氣瓶
2.2.1 IV型瓶的優(yōu)勢(shì)
在車載儲(chǔ)氫領(lǐng)域，相較于III型瓶，IV型儲(chǔ)氫瓶更具優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)的發(fā)展方向。在安全性方面，IV型瓶采用非金屬材料作為內(nèi)膽，不存在晶格，無(wú)氫脆及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，且抗疲勞性能更好，使用壽命更長(zhǎng)；在儲(chǔ)氫密度方面，70MPa-IV型瓶重量?jī)H為III型瓶的60%-70%，且儲(chǔ)氫密度已突破6.1wt%，III型瓶僅為5wt%左右；在經(jīng)濟(jì)性方面，IV型瓶采用HDPE、PA等塑料材料制造氣瓶?jī)?nèi)膽，相較于III型瓶的鋁合金內(nèi)膽，成本更低，且加工過(guò)程中塑料材料基本無(wú)損耗（III型瓶鋁管普遍采用模鍛、熱擠壓、闊拔等加工工藝，管材內(nèi)外表面質(zhì)量不穩(wěn)定，需后續(xù)修磨，材料損耗較大），通過(guò)測(cè)算，IV型儲(chǔ)氫瓶規(guī)?；圃斐杀緝H為III型瓶的70%。此外，電解鋁生產(chǎn)過(guò)程能耗較高，隨著雙碳目標(biāo)臨近，考慮未來(lái)電解鋁行業(yè)碳排放配額縮減及落后產(chǎn)能淘汰導(dǎo)致的原材料成本上升，IV型瓶成本優(yōu)勢(shì)有望進(jìn)一步凸顯。
2.2.2 IV型瓶主要結(jié)構(gòu)
IV型儲(chǔ)氫氣瓶按結(jié)構(gòu)分為塑料內(nèi)膽、瓶閥座、碳纖維纏繞層、玻璃纖維保護(hù)層及瓶閥。
圖4 IV型儲(chǔ)氫氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.3 技術(shù)路線
塑料內(nèi)膽：內(nèi)膽一般采用吹塑、滾塑或注塑工藝。注塑工藝尺寸穩(wěn)定性好、材料致密度高、瓶閥座設(shè)計(jì)自由度高，但后續(xù)焊接工序成品率低；滾塑工藝壁厚均勻度好、可制造超大容積內(nèi)膽，但尺寸穩(wěn)定性差、致密性低、內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷且生產(chǎn)能耗大、效率低；吹塑工藝生產(chǎn)效率高，模具工裝成本低，但壁厚均勻性差。三種技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)，各氣瓶制造商暫未形成統(tǒng)一技術(shù)路線。豐田、現(xiàn)代、中材等企業(yè)采用注塑工藝，天海工業(yè)以及富瑞等企業(yè)采用滾塑工藝，亞普股份等企業(yè)采用吹塑工藝。
纏繞前處理：IV型儲(chǔ)氫瓶在纏繞前需要進(jìn)行表面活化處理，以此提高塑料與纏繞層間粘合力，避免使用過(guò)程中內(nèi)膽失穩(wěn)變形，目前制造廠普遍采用等離子或火焰處理等方式。
圖5 IV型儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽失穩(wěn)塌陷CT照片
纖維纏繞：纏繞工藝分為濕法纏繞、干法纏繞、半干法纏繞。目前濕法纏繞仍是主流工藝，但未勢(shì)能源等少數(shù)企業(yè)，基于提高纖維含膠量一致性等方面考慮已開(kāi)始嘗試采用干法纏繞工藝。
2.2.4 核心技術(shù)要點(diǎn)
瓶閥座
瓶閥座設(shè)計(jì)是IV型氣瓶研發(fā)制造的核心技術(shù)。瓶閥座多采用鋁合金為原材料，且與內(nèi)膽材料的連接方式多采用物理連接。由于金屬與塑料膨脹系數(shù)和彈性變形量不同，導(dǎo)致瓶閥座金屬與塑料結(jié)合部位疲勞試驗(yàn)過(guò)程中易出現(xiàn)分離失效。因此，瓶閥座設(shè)計(jì)及連接方式可靠性是國(guó)內(nèi)外IV型氣瓶研發(fā)制造企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，均大力投入資源開(kāi)展研究并申請(qǐng)相關(guān)專利。通過(guò)檢索相關(guān)專利發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)廠商瓶閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與國(guó)外廠商設(shè)計(jì)同質(zhì)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，缺乏突破性創(chuàng)新。同時(shí)，國(guó)內(nèi)氣瓶制造商多僅在中國(guó)申請(qǐng)專利，而豐田等海外IV氣瓶制造商已在中國(guó)、日本、歐洲、美洲等燃料電池車主要市場(chǎng)開(kāi)展全球知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，這為我國(guó)儲(chǔ)氫氣瓶“出海”埋下隱患，應(yīng)充分引起國(guó)內(nèi)氣瓶廠商重視。
圖6 豐田公開(kāi)專利中閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
內(nèi)膽材料
氫氣滲透性極強(qiáng)，塑料分子間距離及分子間作用力弱于金屬原子，導(dǎo)致氫氣在壓力作用下穿透塑料內(nèi)膽發(fā)生滲透現(xiàn)象。因此，內(nèi)膽材料氣體阻隔性是材料選擇時(shí)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。35MPa儲(chǔ)氫瓶選擇HDPE、PA6、PA11等塑料作為內(nèi)膽材料；基于滲透性要求考慮，70MPa儲(chǔ)氫瓶普遍采用PA6作為內(nèi)膽材料。高阻隔性耐低溫改性PA6等材料的配方及工藝仍被荷蘭帝斯曼和日本宇部等海外材料巨頭壟斷，國(guó)內(nèi)IV型氣瓶?jī)?nèi)膽材料完全依賴進(jìn)口。
3發(fā)展趨勢(shì)及建議
3.1發(fā)展趨勢(shì)
預(yù)計(jì)到2025年，車用瓶市場(chǎng)仍將以35MPa為主，到2030年，將呈現(xiàn)35MPa和70MPa并存的格局。日均行駛里程不超過(guò)300公里的公交及市內(nèi)物流運(yùn)輸?shù)溶囕v，采用35MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于日均行駛超過(guò)300公里的中重型卡車和省際長(zhǎng)途客運(yùn)車及出租車和家用轎車等將采用70MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)。
3.2政策方面
建議將儲(chǔ)氫瓶納入燃料電池汽車示范應(yīng)用“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”范圍，重點(diǎn)支持70MPa-IV型氣瓶產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新突破熱情，帶動(dòng)儲(chǔ)氫瓶上下游產(chǎn)業(yè)鏈形成創(chuàng)新合力。
3.3技術(shù)突破
可靠的瓶閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及與內(nèi)膽可靠的連接方式仍將是一段時(shí)間內(nèi)企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)，建議在探索穩(wěn)定可靠的物理連接方式的同時(shí)，嘗試聚合物膠膜等化學(xué)連接方式。
3.4原材料國(guó)產(chǎn)化
儲(chǔ)氫瓶制造商應(yīng)主動(dòng)聯(lián)合塑料研發(fā)制造企業(yè)，共同開(kāi)發(fā)適用于IV型瓶的內(nèi)膽材料，以改性PA6為重點(diǎn)方向，打破國(guó)外壟斷，促進(jìn)氣瓶成本降低。
3.5知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面
國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫瓶制造商應(yīng)強(qiáng)化國(guó)際市場(chǎng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，適時(shí)開(kāi)展國(guó)際專利布局，并對(duì)核心專利設(shè)置“護(hù)城河專利”，提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
責(zé)任編輯：楊娜
