掌上金普
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氢能作为来源丰富、绿色高效的二次能源,已成为全球能源体系清洁、低碳转型的重要路径。据中国产业发展促进会氢能分会(简称“氢能促进会”)统计,截至2024年11月,全球已有53个国家和地区制定了氢能产业发展战略或路线图,旨在推动技术研发和构建氢能产业生态。在此过程中,氢储运作为联接上游氢气生产和终端应用的关键环节,其技术发展水平对氢能产业链构建有着不可忽视的重要作用。在众多氢储运技术路线中,高压气态储氢凭借技术成熟度高、充放氢速度快、成本低等优势,成为了现阶段氢储运环节的主要技术路线,其中,高压气瓶氢储运技术更是作为当前各领域氢能应用,尤其是交通领域氢能应用的优选路线而受到了重点关注。
交通运输是氢能产业发展的先导领域,其商业化进程对推动氢能产业发展有着重要意义。我国将扩大氢能交通领域应用规模作为推动氢能产业快速发展的重要抓手,出台了一系列支持政策。车载储氢气瓶技术作为氢交通产业链中的关键环节之一,其技术迭代与降本速度是决定产业规模化发展进程的重要因素。
市场规模
不同于美国、日本等以乘用车为主的发展路线,我国将货运物流和公交等高载重的商用车作为发展重点。因此,车载储氢瓶在不断提高储氢密度的同时,也同步向大容积发展,目前我国车载储氢气瓶的单瓶容积已达450L,达到了相关法规标准的上限尺寸。根据车型不同,氢燃料电池商用车气瓶配置数量一般为4~10支,8.5米和10.5米公交车一般配备140L或170L气瓶组,12吨和18吨物流车一般配备170L或210L气瓶组,49吨重卡一般配备210L、260L或385L气瓶组。
氢能促进会分析认为,截至2024年10月,我国氢燃料电池车累计销量约为22790辆,距离《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》提出的到2025年燃料电池汽车保有量5万辆左右的目标仍有一定差距。2024年以来,山东、四川等6个省市陆续出台了氢车高速通行费减免政策,成渝、渝黔桂、长三角等多地提出构建跨地域氢走廊。因此,预计2025年,我国氢燃料电池汽车推广将迎来一轮高潮,预计到2025年末,全国氢燃料电池汽车保有量将达到4.5万辆左右,基本完成《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》的推广目标。据此测算,2025年,我国车载储氢瓶需求量达6~8万支,同时,考虑到70MPa压力等级配套加氢站建设速度和70MPa储氢气瓶量产规模,预计2025年,车用瓶市场仍将以35MPa为主,储氢瓶市场规模约为8~12亿元人民币。预计到2030年,我国燃料电池汽车保有量预计将突破35万辆,同时,随着70MPa压力等级加氢站的陆续投建和储氢瓶产能不断提升,车用瓶市场将呈现35MPa和70MPa并存的发展态势,对于日均行驶里程不超高300公里的公交及市内物流运输等车辆采用35MPa储氢系统更具经济性,对于日均行驶超过300公里的中重型卡车和省际长途客运车等载重量大、运距较长的商用车以及出租车和家用轿车等乘用车将普遍采用70MPa储氢系统,综合判断,到2030年,我国70MPa和35MPa车载燃料电池系统的装机比例将分别为58.55%和41.45%,35MPa储氢气瓶总需求量将达到70-80万支,70MPa储氢气瓶总需求量将达到100~120万支。预计2025~2030年间,我国车载储氢瓶市场总规模将达到380~460亿元。
表1 储氢瓶成本预测(不含阀门)
图1 2030年不同压力等级燃料电池汽车占比预测
巨大的市场潜力引发高涨的投资热情。中集氢能、中材科技、天海工业作为气瓶制造领域龙头企业,是我国最早一批布局车载储氢气瓶技术的企业。
中集氢能隶属于中集安瑞科控股,是国内唯一一家同时布局气氢、液氢技术路线,商业化产品覆盖车载储氢、道路运输、基地大规模储氢的装备企业。中集氢能曾深耕CNG车载瓶十余年,基于此自主研发了Ⅲ型车载储氢瓶,产品覆盖110~450L。2021年中集氢能与全球Ⅳ型瓶行业领导者挪威HEXAGON集团成立合资公司中集合斯康,在河北石家庄成功建设了亚洲最大的Ⅳ型瓶生产基地,计划产能10万支/年,其Ⅳ型车载供氢系统产品已在香港首台氢能双层巴士、澳洲首台氢能重卡、东南亚首列氢能智轨电车成功应用并稳定运行。
中材科技(苏州)2008年承担了国家节能与新能源汽车“863”重大项目“燃料电池车用高压供氢瓶及组合阀研究”,将氢燃料电池气瓶作为公司前瞻性储备产品开展研究,并于2023年7月取得了IV型气瓶生产许可,目前已具备10万支/年III型储氢瓶和3万支/年IV型储氢瓶生产能力。2024年10月中材科技(苏州)全新研发的工作压力70MPa容积210L-IV型储氢气瓶产品搭载知名车企最新款重卡车型,成功上路试跑,为氢能重卡市场交出更高效、更安全、更经济的储能方案。
天海工业2017年承担了科技部重大专项《基于本质安全的新型气瓶设计制造关键技术研究》子课题“塑料内胆纤维全缠绕气瓶设计制造关键技术研究”,并于2019年成功取得国内首张IV型储氢气瓶制造许可。作为北京市属骨干企业,天海工业圆满完成了2022年北京冬奥会140套冬奥会车用70MPa储氢系统任务,为绿色冬奥作出了重要贡献。2024年5月,天海工业旗下天海氢能“氢能前沿科技产业发展项目”获批,项目建成后将具备4.8万支/年III型和IV型储氢气瓶生产能力。
国富氢能成立于2016年,是国内最早一批开展车载高压储氢系统研发布局的企业之一。2024年6月,国富氢能装备产业基地三期项目智能化工厂在张家港市建成投产。项目具备年产6万只III型储氢气瓶生产能力,通过采用全智能化设计,产线能实现从ERP产生生产订单到MES端的订单分解,再到具体产线和工位的物流调度的全流程智能化管理、柔性化生产。2024年11月,国富氢能在香港联交所正式挂牌上市。
除了中集氢能等老牌气瓶制造企业外,Hexagon、佛吉亚、彼欧、丰田等海外储氢气瓶制造商也瞄准中国市场,结合市场准入机制以成立合资公司或并购的方式登陆中国。虽然公司背景各有不同,但在技术路线布局中,所有企业均将目光瞄向更具发展潜力的IV储氢气瓶研发制造,据氢能促进会不完全统计,国内目前宣布开展IV型储氢瓶研发制造的企业已达20余家,已公布的名义产能超20万支/年。
技术路线及制造工艺
气瓶分类
气瓶按结构形式分为I型、II型、III型、IV型、V型。I型瓶为金属气瓶,多用于氧、氮、氩、氢等工业气体储存,部分用于公交车等车载压缩天然气储存,用于氢气、天然气等气态能源运输的长管拖车也多采用I型气瓶,此类气瓶成本较低,但重容比较高(重容比:气瓶重量与容积的比值);II型瓶为金属内胆纤维环向缠绕气瓶,即由环向缠绕的纤维替代金属,降低重容比,目前广泛应用于公交、出租车等车载压缩天然气储存,部分应用于氢气长管拖车;III型气瓶为金属内胆纤维全缠绕气瓶,此类气瓶多采用6061铝合金为内胆材料,并用碳纤维进行全缠绕,在增强气瓶承压能力的同时,降低重容比,但成本较高,目前主要用于车载储氢;IV型气瓶为非金属内胆全缠绕气瓶,内胆由塑料非金属材料制成,规模化生产成本略低于III型气瓶。V型气瓶为无内胆气瓶,目前尚处于实验室研发阶段。
表2 储氢瓶的分类及应用领域
IV型储氢气瓶
IV型气瓶按结构可分为塑料内胆、瓶口阀座、碳纤维缠绕层、玻璃纤维保护层及气瓶阀门。
2.2.1.1、成型工艺方面
塑料内胆分为无缝内胆和焊接内胆两类,无缝内胆为一体成型内胆,多采用吹塑或滚塑工艺;焊接内胆则是采用注塑工艺制造两个空心半圆柱体,再采用激光焊接等工艺将其焊接在一起制成气瓶内胆。吹塑、滚塑、注塑工艺在内胆成型和产品性能方面各有优势,目前三种工艺均有应用案例,暂未形成统一技术路线,丰田、现代、中材等企业采用注塑工艺,天海工业等企业采用滚塑工艺,亚普股份等企业采用吹塑工艺。
表3 内胆成型工艺对比
2.2.1.2、原材料方面
IV型气瓶内胆以尼龙6(PA6)、高密度聚乙烯(HDPE)等改性塑料为原料,采用吹塑、注塑、滚塑等工艺制成。氢气作为自然界中最小的分子,渗透性极强,非金属内胆在有效的避免氢气对金属造成氢脆损伤的同时,还可提升气瓶耐疲劳性能,延长使用寿命。另一方面,塑料材料分子间距离和分子间作用力弱于金属原子,由此导致氢气在压力的作用下会穿透塑料内胆产生渗漏现象。因此,内胆材料的气体阻隔性是材料选择时的重要评价指标之一。根据国内标准要求,储氢瓶的工作温度为-40~85℃,为避免快速充装导致的温升影响复合层寿命,氢气在加注前通常会预冷制-40℃,因此内胆材料还需具备良好的耐低温性能。随着气瓶压力等级的提高,对塑料材料的要求也更为严苛,目前,IV型气瓶研发制造单位在设计35MPa储氢瓶时,选择HDPE、PA6等塑料作为内胆材料,在设计70MPa储氢瓶时,基于满足渗透性要求的考虑,一般选择PA6作为内胆材料。在原材料方面,高阻隔性耐低温的改性PA6材料的制造配方和工艺仍被荷兰帝斯曼、日本宇部等海外企业所垄断。
2.2.1.3、制造设备方面
我国塑料成型工业基础雄厚,具备较为完整的注塑机、吹塑机、滚塑机以及模具加工制造能力,但在吹塑机口模材料、大尺寸产品加工精度等方面,与国外设备厂商仍有差距。
瓶口阀座设计是IV型气瓶设计制造的核心技术之一,目前,瓶口阀座多采用铝合金加工而成,且与内胆材料的连接方式多采用物理连接方式,由于金属与塑料的膨胀系数和弹性变形量不同,导致金属与塑料结合部位在疲劳试验过程中易出现分离失效。因此,瓶口阀座的设计及有效连接方式是国内外IV型气瓶研发制造企业关注的焦点。各大气瓶制造商均大力投入资源开展瓶口阀座设计及阀座与内胆连接工艺研究,在IV型气瓶相关专利中,瓶口阀座设计及与内胆连接工艺方面相关专利占50%以上。
2.2.3.1、成型工艺方面
缠绕工艺是IV型储氢瓶制造的主要工艺,缠绕工艺作为纤维制品成型的主要工艺之一,在气瓶领域有广泛的应用基础和经验。相较于III型储氢瓶,IV型储氢瓶在缠绕前需要采用等离子或火焰处理等方式将塑料表面活化,以此提高塑料与缠绕层间的粘合力,避免使用过程中内胆失稳变形。同时,由于缠绕过程中纤维张力较大,因此需要在缠绕开始前向气瓶内部充压,并随着纤维铺层厚度的增加,逐步增大充气压力,以保证内胆在缠绕过程中的尺寸稳定性。
缠绕工艺可分为湿法缠绕、干法缠绕、半干法缠绕三种。湿法缠绕工艺是将碳纤维浸渍树脂后,在张力控制下直接缠绕在塑料内胆上,然后再经过高温固化成型;干法缠绕工艺是由碳纤维供应商或用户方通过专用设备将纤维浸渍树脂制成预浸纱,在缠绕开始前,将预浸纱进行加热软化处理后再缠绕到内胆上;与湿法工艺相比,半干法是在纤维浸渍树脂到缠绕至内胆途中增加一套烘干设备,将粘胶纤维中的溶剂去除后,缠绕到内胆上。目前,湿法缠绕是气瓶制造的主流工艺。
表4 缠绕工艺对比
2.2.3.2、原材料方面
70MPa-IV型储氢多采用T700或T800级碳纤维进行缠绕,国内中复神鹰、吉林化纤等企业已完成国产化突破,并进入批量应用阶段。目前国产T700和T800碳纤维性能指标基本与日本东丽等国际碳纤维制造龙头企业相当,并已在储氢瓶市场占据较大市场份额。同时,国产碳纤维的规模化供应也将带动材料成本的快速下降,目前国产12K的T700碳纤维价格已降至约150元/公斤,并且随着48K等大丝束产品的量产,成本有望进一步降低。乐观预计,到2030年,国产T700碳纤维价格将下降至100元/公斤以内。
其他方面
瓶阀
瓶阀是储氢瓶的关键部件之一,35MPa储氢瓶阀已实现国产化,价格约为2000元/个,进口阀门价格为3000元/个;70MPa储氢瓶阀依然依赖进口,且价格较高,约13000元/个,目前国内已研制出70MPa储氢瓶阀样品。预计随着需求的增加,到2030年,70MPa储氢瓶阀成本有望降至8000元/个左右。
标准化
随着燃料电池汽车应用推广的深入开展,国内储氢瓶相关标准快速完善,已初步形成了较为完整的标准体系。
表5 车载储氢瓶主要标准
来源:中国产业发展促进会氢能分会
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