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碳纖維行業(yè)專(zhuān)題研究:儲氫瓶用碳纖維賽道氫風(fēng)已來(lái),大有可為

發(fā)布時(shí)間 :2022-09-30 瀏覽次數 : 3211

1 生產(chǎn)篇:詳述儲氫瓶的制造工藝及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 儲氫瓶分類(lèi)介紹

在高壓氣態(tài)儲氫中,目前已商業(yè)化的高壓氫氣瓶分為四種(根據儲氫瓶材料不同進(jìn)行劃 分),分別為純鋼制金屬瓶(I 型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II 型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III 型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV 型)四種。其中: 1)I 型瓶由金屬鋼組成,是目前四類(lèi)瓶中重量最大、成本最低、工藝最簡(jiǎn)單的,適用于 壓力要求不高的固定應用場(chǎng)景; 2)II 型瓶采用金屬鋼材質(zhì),外層纏繞玻璃纖維復合材料,材料包裹形式為采用箍圈式 對瓶身進(jìn)行包裹。II 型瓶由于瓶身上有復合材料包裹,耐受壓力高于 I 型瓶,但也多應 用于固定式能源提供等場(chǎng)景; 3)III 型瓶?jì)饶憺榻饘伲ㄍǔ殇X合金),但厚度較 II 型瓶有減薄,外部進(jìn)行了全瓶身 的碳纖維復合材料纏繞,包裹形式為兩極鋪設或螺旋形鋪設。III 型瓶重量輕、抗壓性能 好、適用于氫燃料電池汽車(chē)等移動(dòng)設備,目前主要的壓力規格為 35MPa 和 70MPa 兩種, 國內現階段 35MPa 已實(shí)現量產(chǎn); 4)IV 型瓶?jì)饶憺樗芰?,瓶身全纏繞碳纖維復合材料,包裹采用兩極鋪設和螺旋形鋪設 混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶,儲氣壓力則與之一致,主要包括 35MPa 和 70MPa 兩種規格型號,目前國外已投入商業(yè)化運用,如日本豐田的 Mirai 與韓國現代 的 Nexo 均采用了 IV 型瓶,但國內技術(shù)仍有欠缺,尚未達到量產(chǎn)條件。IV 型瓶也主要應 用于氫燃料車(chē)等移動(dòng)場(chǎng)景。 5)除此之外,目前國外正在研究 V 型儲氫瓶但尚未實(shí)現商業(yè)化,該氣瓶仍然使用碳纖維 復合材料纏繞,但不使用任何內膽,國內針對 V 型瓶的研究仍是空白。




國內儲氫瓶市場(chǎng)預計將逐漸向 III 型 70Mpa 和 IV 型 70MPa 過(guò)渡。2020 年 7 月 21 日,涉及車(chē)載高壓供氫系統的兩項國標修改后正式實(shí)施,均將原范圍中的工作壓力不超 過(guò) 35MPa 修改為 70MPa。2021 年 3 月 9 日《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)加氫口》(GB/T26779- 2021)最新國家標準正式發(fā)布,新國標增加了 70MPa 加氫口尺寸及耐臭氧老化、耐鹽霧 腐蝕、耐溫度循環(huán)和兼容性測試等多項技術(shù)條目,制約 70MPa 儲氫瓶發(fā)展的政策條件已 經(jīng)消除。并且,從儲運效率、輕量化、成本等角度出發(fā),IV 型瓶相較于 III 型瓶具備顯 著(zhù)優(yōu)勢,未來(lái)將成為車(chē)載供氫系統的主流規格,1)III 型瓶重容比在 0.98 左右,IV 型瓶 重容比在 0.74 左右;2)III 型瓶?jì)涿芏葹?3.9%,IV 型瓶?jì)涿芏瓤梢赃_到 5.5%; 3)IV 型瓶單瓶氣體容積可達到 375 升,可降低整個(gè)系統復雜性。當前我國還處于 35MPa 的 III 型瓶規?;瘧煤?70MPa 的 III 型瓶示范應用階段,IV 型瓶尚未得到大規模推廣 應用,背后原因一是由于我國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚,技術(shù)水平落后于海外, 二是配套基礎設施建設緩慢,目前國內加氫站規模較小且以 35MPa 為主,三是政策及技 術(shù)標準體系尚未建立健全。后續來(lái)看,各方面限制因素將持續改善。伴隨著(zhù)燃料電池汽 車(chē)的大規模推廣,為滿(mǎn)足進(jìn)一步長(cháng)續駛里程的需求,未來(lái)車(chē)載儲氫瓶規格有望由 III 型 35MPa 向 III 型 70MPa 或 IV 型 70MPa 過(guò)渡,逐步與國際技術(shù)水平接軌。

1.2 儲氫瓶生產(chǎn)工藝流程

一般來(lái)說(shuō)儲氫瓶的生產(chǎn)可大致分為內膽成型和纏繞固化兩個(gè)主要工段,共涉及 10 多道 生產(chǎn)工序??傮w來(lái)講儲氫瓶生產(chǎn)的技術(shù)壁壘較高,具體表現在工藝技術(shù)難度較大(比如內膽成型技術(shù)和纖維纏繞技術(shù))、工藝參數多、裝備精準度控制、檢驗檢測技術(shù)與裝備有 待完善、關(guān)鍵原材料及零部件亟需國產(chǎn)化等方面


。


1.2.1 內膽成型工藝

III 型瓶?jì)饶懚酁殇X合金,目前國內使用的主流成型工藝為鋁管強旋,所謂強旋就是將 短厚的毛坯鋁筒體套在旋壓機的模具上并將其固定,當筒體隨機床主軸轉動(dòng)時(shí),用旋輪 或趕棒從端頭開(kāi)始擠壓筒體坯料,使坯料逐點(diǎn)連續發(fā)生塑性變形,變形的結果是毛坯壁厚減薄,內徑基本保持不變,而軸向延伸,最終形成符合壁厚及直徑尺寸要求的圓筒。 該種工藝相對簡(jiǎn)單,但生產(chǎn)效率較低,尤其是用來(lái)加工大容積內膽時(shí)成型效率低下。目 前國內頭部企業(yè)有在研究其他更高效的成型方法比如拉深成型,該種工藝優(yōu)勢在于生產(chǎn) 效率高、產(chǎn)品一致性好、圓周壁厚均勻、縱向垂直度偏差小,缺陷在于可能影響產(chǎn)品的 疲勞壽命,且設備成本較高;此外也有企業(yè)嘗試將兩種工藝結合使用,比如先拉成筒狀 體再進(jìn)行強旋。

IV 型瓶?jì)饶懚嗖捎媚猃?6、高密度聚乙烯(HDPE)以及 PET 聚酯塑料等,對應的成型 工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。豐田、現代已量產(chǎn)的 IV 型瓶均為注塑+焊接工藝, 該種成型方式成本低、運用較廣泛、但良品率也較低,且必須配合后續的焊接工序。

1.2.2 纖維纏繞成型工藝

纖維纏繞成型也是儲氫瓶制備的技術(shù)難點(diǎn)之一,目前使用的工藝包括濕法纏繞、干法纏 繞和半干法纏繞。1)濕法纏繞是指將碳纖維絲束在特定浸膠裝置中浸漬處理后,再在張力控制下直接纏繞到芯模上。由于纖維離開(kāi)浸漬裝置后易于將樹(shù)脂帶出,后道工序中存 在樹(shù)脂滴漏的現象,所以稱(chēng)為濕法纏繞。濕法纏繞工藝生產(chǎn)成本較低,是目前高壓儲氫 瓶最常用的加工工藝,國內企業(yè)基本都采用濕法。但濕法成型下樹(shù)脂損耗較高,樹(shù)脂與 碳纖維比例難以控制,產(chǎn)品質(zhì)量及穩定性相對較差。2)干法纏繞是以經(jīng)過(guò)預浸膠處理的 預浸帶為原料,在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預浸帶中纖維和 樹(shù)脂含量比例控制較好,產(chǎn)品質(zhì)量可以精確控制,且樹(shù)脂不會(huì )隨處滴,整體生產(chǎn)環(huán)境整 潔;另外,干法纏繞生產(chǎn)效率高,纏繞設備的速度可以達到 100-200m/min。目前國外正 在逐步向干法纏繞工藝過(guò)渡,國內未勢能源等極個(gè)別企業(yè)也在研究和嘗試干法。此種工 藝的缺點(diǎn)在于成本較高,主要系預浸料及干法纏繞設備購置費用較高。3)干濕法纏繞結 合了干法和濕法的優(yōu)點(diǎn),在浸膠碳纖維纏繞到芯模之前通過(guò)烘干設備將浸膠碳纖維紗線(xiàn) 中的溶劑除去,提高制品質(zhì)量。與干法纏繞相比省卻了預浸膠工序和設備,與濕法相比 只是增加了一套烘干設備,卻可以大幅降低制品中的氣泡含量以及孔隙。

1.3 儲氫瓶成本構成及降本路徑探討

碳纖維是儲氫瓶制造的關(guān)鍵原材料,其成本和性能對儲氫瓶的成本和使用性能影響重大。 根據美國能源局(DOE)的研究成果,碳纖維復合材料的成本占到儲氫瓶成本的 60%以 上。 此外,儲氫瓶的制造成本還包括閥門(mén)、調節器、組裝檢查、氫氣等要素成本。

當前國內儲氫瓶的平均售價(jià)在2-3萬(wàn)元/支,對應單套車(chē)載供氫系統的成本在20萬(wàn)上下, 后續降本空間充足,降本主要是從材料替換、技術(shù)進(jìn)步及規模效應三方面來(lái)實(shí)現。 1)材料替換:在關(guān)鍵材料碳纖維方面,目前日本、韓國等成熟的氫燃料電池車(chē)型中已經(jīng) 用上了大絲束碳纖維,而國內儲氫瓶市場(chǎng)中 T700 級小絲束碳纖維仍占據絕對主導,大 絲束相關(guān)的應用仍處在早期的研發(fā)試驗階段,隨著(zhù)國產(chǎn)大絲束性能的逐步提升以及配套 研究的持續突破,大絲束有望在氣瓶這一細分場(chǎng)景中實(shí)現對小絲束的部分或全面替代, 帶動(dòng)儲氫瓶綜合成本的下降。其次,當前國內儲氫瓶所用的部分零部件及設備仍高度依 賴(lài)進(jìn)口(比如瓶閥、纖維纏繞裝備等),采購價(jià)格高,后續隨著(zhù)構件國產(chǎn)化的持續推進(jìn), 整體成本將隨之降低。

2)技術(shù)進(jìn)步:技術(shù)升級一方面是 III 型瓶向 IV 型瓶的過(guò)渡,當前國內 IV 型瓶相關(guān)的技 術(shù)尚未突破,根據 DOE 的測算,同樣儲氫質(zhì)量為 5.6kg 且壓力規格相同的 III 型和 IV 型 瓶相比,后者的成本比前者要低 10%左右,因為 III 型瓶采用了大量的鋁合金材料導致 內膽成本較高。我們預計國內儲氫瓶企業(yè)還需要 1-2 年時(shí)間才能具備 70MPa IV 型瓶的批量生產(chǎn)能力,屆時(shí)氣瓶在輕量化和成本方面將進(jìn)一步改善。其次是氣瓶容量的提升, 大容量氣瓶單瓶?jì)涿芏蕊@著(zhù)提高,減少單車(chē)配套氣瓶數量的同時(shí)管閥件、管路件的材 料用量和成本也有望隨之降低。

3)規模效應:類(lèi)似于氫燃料汽車(chē)的降本路線(xiàn),儲氫瓶成本下降也有望受益于生產(chǎn)規模的 擴大,根據美國汽車(chē)研究理事會(huì )測算,當氣瓶生產(chǎn)規模由 1 萬(wàn)套提高到 50 萬(wàn)套時(shí),氫氣 瓶成本會(huì )下降 20%。

2 市場(chǎng)篇:氫燃料汽車(chē)為核心場(chǎng)景,政策強力推動(dòng)下增勢可期

2.1 競爭格局:準入壁壘高,廠(chǎng)家數量有限

儲氫瓶廠(chǎng)家數量有限,但市場(chǎng)集中度呈下降趨勢。國內儲氫瓶主流廠(chǎng)家數量?jì)H個(gè)位數, 但近兩年參與者有所增加,2019主要儲氫瓶供應商僅國富氫能、科泰克、天海工業(yè)、 中材科技、斯林達 5 家,2020 年新增南通中集,2021 年新增奧揚科技,另外未勢能源 也專(zhuān)門(mén)從事氣瓶的生產(chǎn)(偏自產(chǎn)自用)。從出貨量來(lái)看,國富氫能 21 年市占率達 35.63%, 位居第一,其次是中材科技;但行業(yè)集中度呈持續下降的趨勢,CR3 份額從 19 年的 91.21% 下滑至 21 年的 76.95%,當前氫能產(chǎn)業(yè)正處于風(fēng)口,企業(yè)數量不斷增長(cháng)或將成為常態(tài)。

行業(yè)準入壁壘較高,主要體現在:1)儲氫瓶屬于特種設備,首先必須取得 B3 級壓力容 器特種設備制造許可證書(shū),取得該許可證的前提是公司的廠(chǎng)房、設備、產(chǎn)線(xiàn)、人員配比 及各方面資質(zhì)經(jīng)由國家監管單位審核并通過(guò)。2)企業(yè)的制造能力必須通過(guò)國家市場(chǎng)監督 管理總局指定的評審機構的專(zhuān)家組評審之后,方可進(jìn)行批量生產(chǎn);且在生產(chǎn)制造的過(guò)程 中會(huì )有專(zhuān)門(mén)的監檢部門(mén)定時(shí)來(lái)查看生產(chǎn)工序流程是否符合手續。3)生產(chǎn)的成品在對外銷(xiāo) 售前必須通過(guò)國家市場(chǎng)監督管理總局認可的第三方型式試驗機構對儲氫瓶進(jìn)行火燒、槍 擊、爆破、疲勞、環(huán)境、跌落等型式試驗,并取得型式檢驗證書(shū)。

2.2 儲氫瓶下游應用:氫燃料電池汽車(chē)主導

儲氫瓶直接用在氫燃料動(dòng)力電池系統之中,再進(jìn)一步用于交通運輸等領(lǐng)域,具體包括氫 燃料電池汽車(chē)、軌道交通、船舶、航空等應用場(chǎng)景,另外還可用于發(fā)電、建筑儲能等其 他領(lǐng)域。其中氫燃料電池汽車(chē)是最主要的下游應用場(chǎng)景。

2.2.1 氫燃料電池汽車(chē):發(fā)展方向以商用為主,政策大力引導下商業(yè)化進(jìn)程有望提速

1 氫燃料電池汽車(chē)工作原理

在氫燃料電池汽車(chē)中,燃料電池系統由燃料電池組和輔助系統組成。燃料電池堆是核心 部件,將化學(xué)能轉化為電能為汽車(chē)提供動(dòng)力;輔助系統有四個(gè),一是供氫系統,負責將 氫從氫氣罐輸送到燃料電池堆,并將高壓氫氣降壓至燃料電池所需壓力,二是供氣系統, 由空氣過(guò)濾器、空氣壓縮機、中冷器、加濕器組成并為燃料電池堆提供氧氣,三是水管 理系統,由膨脹水箱、去離子器、水泵、散熱器等組成,采用獨立的水和冷卻劑回路來(lái) 消除廢熱和反應產(chǎn)物(水),保證電堆持續工作在最佳溫度,四是熱管理系統,從燃料電 池中獲取熱量來(lái)加熱車(chē)輛駕駛室等,提高車(chē)輛效率。燃料電池系統產(chǎn)生的電力通過(guò)動(dòng)力 控制單元傳到電動(dòng)機,在電池的輔助下,在需要時(shí)提供額外的電力。

氫燃料電池工作原理:氫氣首先進(jìn)入燃料電池的氫電極(陽(yáng)極),然后氫氣與覆蓋在陽(yáng)極 上的催化劑反應,釋放電子形成帶正電荷的氫離子,氫離子穿過(guò)電解液到達陰極,但電 子不能通過(guò)電解液,相反,電子流入電路形成電流,產(chǎn)生電能。在陰極,催化劑使氫離 子與空氣中的氧結合形成水,水是燃料電池反應中的唯一副產(chǎn)品。

2 發(fā)展初期體量尚小,政策驅動(dòng)為關(guān)鍵引擎

燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)處于起步階段,當前產(chǎn)銷(xiāo)規模較小。2020 年受疫情等因素影響,燃料 電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量出現較大幅度下降;2021 年有所恢復,全年產(chǎn)量及銷(xiāo)量分別為 1790 輛 和 1596 輛,分別同比增加 48.67%和 35.03%;2022 年以來(lái) 2022 年 1-8 月產(chǎn)銷(xiāo)量分別 為 2196 輛和 1888 輛,分別同比增加 203.31%和 157.57%,增勢強勁主要與氫燃料電 池汽車(chē)示范城市群的開(kāi)展有關(guān)。

當前氫燃料車(chē)行業(yè)發(fā)展靠政策推動(dòng)?,F階段受制于技術(shù)掌握不到位、規模尚小、成本高 昂、加氫基礎設施不健全等客觀(guān)因素,氫燃料電池車(chē)的發(fā)展仍高度依賴(lài)于產(chǎn)業(yè)補貼和政 策支持,以 2020 年為例,由于經(jīng)歷了半年左右的氫燃料政策空窗期,直接導致氫燃料商 用車(chē)銷(xiāo)量腰斬。另外,參考純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展軌跡,純電市場(chǎng)在成長(cháng)初期亦為政策 驅動(dòng),歷經(jīng) 10 年左右時(shí)間才逐步走向市場(chǎng)化,而我國氫燃料電池商用車(chē)在 2015 年左右 才起步,預計還需 5-10 年的時(shí)間才能逐漸成熟,在市場(chǎng)成熟之前氫燃料車(chē)在各地的推廣 應用都與政策直接相關(guān)。

氫燃料汽車(chē)示范城市群相繼落地+“以獎代補”政策出臺,政策針對性及執行力度進(jìn)一 步增強。 1)“以獎代補”:在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期,國家補貼政策聚焦于燃料電池汽車(chē)的推廣和示范 應用。2009 年,財政部等發(fā)布《節能與新能源汽車(chē)示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》, 對試點(diǎn)城市示范推廣單位購買(mǎi)和使用燃料電池汽車(chē)給予補助。2015 年《關(guān)于 2016-2020 年新能源汽車(chē)推廣應用財政支持政策的通知》明確指出“中央財政對購買(mǎi)新能源汽車(chē)給 予補助,實(shí)行普惠制”。2018 年,國家進(jìn)一步調整完善新能源汽車(chē)推廣應用財政補貼政 策,指出“燃料電池汽車(chē)補貼力度保持不變,燃料電池乘用車(chē)按燃料電池系統的額定功 率進(jìn)行補貼”。 為進(jìn)一步提高補貼資金的運行效率,提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量,2020 年 4 月財政部等四部委聯(lián) 合發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車(chē)推廣應用財政補貼政策的通知》,提出將對燃料電池汽車(chē)的 購置補貼調整為選擇有基礎、有積極性、有特色的城市或區域,重點(diǎn)圍繞關(guān)鍵零部件的 技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化應用開(kāi)展示范,中央財政將采取“以獎代補”方式對示范城市給予獎 勵;同年 9 月財政部等五部委聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應用的通知》,提出 根據示范城市在燃料電池汽車(chē)推廣應用、氫能供應等方面的實(shí)際情況給予獎勵。

2)五大示范城市群先后確立:前述“以獎代補”政策出臺之后約有 17 個(gè)城市(群)申報,初步答辯之后選出上海、廣東、北京三大示范城市群,后續又確定河南、河北 兩大示范城市群。 在城市示范政策發(fā)布后,對于氫燃料電池汽車(chē)的補貼將不再沿用新能源汽車(chē)的“國補 +地補”模式,而是由中央政府將政策獎勵下發(fā)給城市示范群所在的地方政府,由地方自 主制定并實(shí)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展獎勵政策,因地制宜發(fā)展氫燃料電池產(chǎn)業(yè)。

3 長(cháng)期視角下,TCO 經(jīng)濟性帶來(lái)真正市場(chǎng)化應用

更長(cháng)期維度來(lái)看,隨著(zhù)氫燃料車(chē)經(jīng)濟性拐點(diǎn)的到來(lái),市場(chǎng)應用將從被動(dòng)過(guò)渡到主動(dòng)。汽 車(chē)的經(jīng)濟效益一般是通過(guò)全生命周期總擁有成本(TCO)模型進(jìn)行測算,總擁有成本由 購買(mǎi)成本及運營(yíng)成本構成,運營(yíng)成本包括燃料費用、基礎設施成本、維修成本、零部件 替換成本以及保險費用等。當前時(shí)點(diǎn)氫燃料汽車(chē)的 TCO 明顯高于純電動(dòng)車(chē)和傳統燃油 車(chē),隨著(zhù)燃料電池系統技術(shù)成熟以及成本下降、加上氫氣價(jià)格及氫耗水平的降低,氫燃 料汽車(chē)的 TCO 將持續下行。根據《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告 2020》測算,不同類(lèi)型的氫 燃料汽車(chē)與同類(lèi)型純電動(dòng)車(chē)的成本平衡點(diǎn)取得時(shí)間不同,其中客車(chē)、物流車(chē)、重卡等氫 燃料電池商用車(chē)型預計將在 2030 年前取得與同類(lèi)型電動(dòng)車(chē)相當的全生命周期經(jīng)濟性,而續航里程在 500km 以上的乘用車(chē)預計將于 2040 年前后與純電動(dòng)車(chē)型經(jīng)濟性相當,屆 時(shí)下游客戶(hù)主動(dòng)采購意愿或將明顯提高,疊加加氫基礎設施的普及,氫燃料車(chē)將逐步擺 脫政策依賴(lài)性,實(shí)現自主市場(chǎng)化發(fā)展。

4 氫燃料電池汽車(chē)的優(yōu)勢應用場(chǎng)景:發(fā)力重卡,合理拓展部分客車(chē)、專(zhuān)用車(chē)等商用車(chē)型

我國氫燃料電池汽車(chē)應用場(chǎng)景呈現“先商后乘”的發(fā)展特點(diǎn)?,F階段國內氫燃料電池車(chē) 是以客車(chē)和重卡等商用車(chē)型為主, 2021 年客車(chē)占比 55%,專(zhuān)用車(chē)占比 44%(其中重卡 占比 41%,中卡占比 3%),而乘用車(chē)主要用來(lái)租賃,占比1%左右,原因一方面是由 于此前的產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)先支持商用車(chē)發(fā)展,但最為根本的原因在于氫燃料車(chē)的固有屬性, 相較于純電動(dòng)車(chē)而言,氫燃料車(chē)具備更高功率和能量密度,能勝任更長(cháng)的續航和更大的 載重負荷,因此長(cháng)途運輸和重載領(lǐng)域是其最為重要的發(fā)展方向和優(yōu)勢應用場(chǎng)景。根據國 際氫能協(xié)會(huì )分析,燃料電池汽車(chē)在續航里程大于 650 公里的交通運輸市場(chǎng)更具有成本優(yōu)勢,而乘用車(chē)和城市短程公共汽車(chē)續航里程通常較短,純電動(dòng)汽車(chē)因而更有優(yōu)勢。我們 預計未來(lái)國內氫燃料車(chē)市場(chǎng)將繼續保持商用為主的局面。

新能源替代(包含純電動(dòng)車(chē)和氫燃料電池車(chē))是中國道路交通行業(yè)未來(lái)實(shí)現碳中和的最 重要措施之一,目前純電動(dòng)車(chē)及動(dòng)力電池技術(shù)已實(shí)現了一定的商業(yè)規?;瘧?,而氫燃 料電池及汽車(chē)技術(shù)仍處于起步階段,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程尚需時(shí)日,兩者各有各的優(yōu)勢,未來(lái)在 使用場(chǎng)景上呈互補而非簡(jiǎn)單的替代關(guān)系。結合氫燃料電池汽車(chē)的比較優(yōu)勢來(lái)看,其適用 的場(chǎng)景主要分為四大類(lèi): 1)固定路線(xiàn):包括礦山短倒、港口、物流園區等相對封閉和固定路線(xiàn)的場(chǎng)景,方便氫燃 料電池汽車(chē)布局加氫站等配套能源加注設施,因此適用于公交車(chē)以及叉車(chē)、采礦車(chē)等專(zhuān) 用車(chē)型。

2)中長(cháng)途干線(xiàn):里程在 400-800 公里左右,超過(guò)純電動(dòng)車(chē)的續航上限將成為氫燃料電 池汽車(chē)的優(yōu)勢應用場(chǎng)景區間,適用于長(cháng)續航里程的客車(chē)、物流車(chē)及重卡、乘用等車(chē)型。 3)高載重:由于純電動(dòng)汽車(chē)電池能量密度提升空間有限,特別是對于長(cháng)途運輸用的重型 車(chē)輛來(lái)說(shuō),匹配一定續航里程的電池必然導致其自重較大,以特斯拉的電動(dòng)重卡模型為 例,預計其電池重量可以達到 4.5 噸。而燃料電池汽車(chē)就沒(méi)有這樣的問(wèn)題,由于氫具有 更高的比能(大約 120MJ/Kg,而電池的比能是 5MJ/Kg),其所攜帶的氫氣質(zhì)量遠小于同 等能量所需的電池質(zhì)量,未來(lái)若過(guò)渡到液氫路線(xiàn)后車(chē)重優(yōu)勢還將進(jìn)一步放大。因此氫燃 料電池汽車(chē)在對載重要求較高的場(chǎng)景中更有優(yōu)勢。

結合氫燃料汽車(chē)在續航能力、載重負荷和能量補給時(shí)間等方面的優(yōu)勢,重卡將是氫燃料車(chē)的核心優(yōu)勢應用場(chǎng)景。我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路也正在向重卡傾斜,2020 年 9 月五部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應用的通知》中對氫燃料電池補貼政策做了全面 調整,其中輕型和中型貨車(chē)單車(chē)補貼上限均有所下降(中型車(chē)大幅下滑、輕型車(chē)稍有),而重型貨車(chē)則大幅上升,31t 以上的重型貨車(chē)單車(chē)補貼上限漲幅達 36.5%。以最新 的積分標準測算,一臺功率≥110kw、31t 以上的重型貨車(chē)最多可享受補貼 100 萬(wàn),這 足以讓一臺均價(jià) 150 萬(wàn)的燃料電池重卡在價(jià)格上媲美同規格的柴油重卡。重卡補貼政策 明朗之后,我國氫燃料電池重卡逐漸從理論變?yōu)閷?shí)際,2020 年及之前氫燃料重卡銷(xiāo)售乎為零,而 21 年銷(xiāo)量超 600 臺。

4)低溫特殊環(huán)境:在我國北方部分地區,氫燃料電池汽車(chē)也具備在出租車(chē)和公務(wù)用車(chē)領(lǐng) 域的推廣潛力,以解決寒冷條件下電動(dòng)車(chē)無(wú)法完成較長(cháng)行駛里程的問(wèn)題。 綜上,相比純電動(dòng)車(chē)型,燃料電池車(chē)克服了載重和續航能力有限、能源補充時(shí)間長(cháng)、低 溫環(huán)境適應性差等問(wèn)題,提高了營(yíng)運效率。而純電動(dòng)車(chē)在配套設施、成本經(jīng)濟性等方面 優(yōu)勢更為突出,盡管續航能力有弱勢,但在乘用車(chē)以及城市內的公交、物流車(chē)、環(huán)衛等 短途商用車(chē)領(lǐng)域具備較強的適用性和競爭力。

2.2.2 其他應用:處在前期研制階段,商業(yè)化尚未開(kāi)啟

氫燃料電池的下游應用廣泛,包括交通運輸、便攜式電池、發(fā)電和建筑儲能領(lǐng)域。其中 交通運輸為其核心增量領(lǐng)域,除開(kāi)道路車(chē)輛之外,氫燃料電池還可用于軌道交通、船舶、 無(wú)人機、飛機等場(chǎng)景,目前我國正在積極探索上述非道路運輸領(lǐng)域,并已形成項目和技 術(shù)儲備,未來(lái)將逐步完成實(shí)際運營(yíng)驗證及性能改進(jìn),有望推進(jìn)商業(yè)化應用。

2.3 儲氫瓶用碳纖維市場(chǎng)規模測算:高增長(cháng)、基數小的細分賽道

鑒于儲氫瓶及氫燃料電池在非道路車(chē)輛以外的場(chǎng)景使用量小且難以準確計量。此處我們 僅對氫燃料電池汽車(chē)這一主流應用場(chǎng)景進(jìn)行碳纖維用量測算,測算方式有自上而下和自 下而上兩種,前者的計算依據為國家層面出臺的政策指引,后者主要是通過(guò)加總各地方 政府制定的有關(guān)氫燃料汽車(chē)的具體發(fā)展目標、再進(jìn)行儲氫瓶及碳纖維用量的估算。

1、根據《規劃》中制定的全國性目標推算出 22 年儲氫瓶對應碳纖維用量超 2500 噸, 到 2025 年或將突破萬(wàn)噸。2022 年 3 月,國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn) 業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃(2021-2035 年)》(下稱(chēng)《規劃》),明確了到 2025 年我國氫燃料電池 車(chē)保有量達到 5 萬(wàn)輛的發(fā)展目標,對應 2022-2025 年氫燃料車(chē)保有量年均復合增速超 50%。我們假設:1)其中重卡車(chē)型占比逐漸提升(從 2022 年的 60%提升至 2025 年的 75%),剩下部分為客車(chē)、輕卡、物流車(chē)等其他商用車(chē)型,乘用車(chē)在中短期內無(wú)法放量(僅 有的量基本為政策推動(dòng)下的示范應用);2)平均每車(chē)搭載儲氫瓶數量在 6-10 個(gè)不等(搭 載數量取決于車(chē)的續航能力要求、裝載空間、氣瓶的容量規格等);3)儲氫瓶平均碳纖 維用量為 60-80kg,綜合測算得出 2022 年氫燃料電池汽車(chē)碳纖維用量約為 2534 噸, 2025 年碳纖維用量破萬(wàn)噸,對應 2022-2025 年碳纖維年均復合增速超 60%。

2、根據各地給出的氫能發(fā)展量化目標推算出 22-25 年碳纖維用量破 5 萬(wàn)噸。截至目 前,至少有 16 個(gè)省份制定了氫燃料電池汽車(chē)的具體發(fā)展規劃,像安徽、湖北、湖南、甘 肅等部分省份下屬城市也有出臺相關(guān)的政策文件,假設這些省市區規劃的發(fā)展目標均能 達到,則到 2025 年全國各地氫燃料電池汽車(chē)保有量能夠達到 11.2 萬(wàn)輛以上,加氫站建 設數量達到 1143 座,對應氫燃料車(chē)保有量年復合增速約 88%,加氫站數量年復合增速 58%。 根據中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )統計,截止 2021 年我國氫燃料電池汽車(chē)保有量為 8922 輛,若 2025 年要達到 11.2 萬(wàn)輛的保有量規模,則 2022-2025 年需新增投放氫燃料車(chē) 103078 輛,假設單車(chē)配置 8 個(gè)儲氫瓶,單瓶碳纖維用量 65kg,則 2022-2025 年合計需耗用碳 纖維 5.36 萬(wàn)噸。

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