$科新机电(SZ300092)$ 
一、氢能储运是产业链的关键环节
1.1 氢能储运在产业链中成本较高

氢能产业链整体可以分为氢能制取、氢能储运、氢能应用三大环节，其中储运环节是高效利用氢能的关键，是影响氢能向大 规模方向发展的重要环节。在氢能全产业链中，氢的储运是制约我国氢能和燃料电池产业发展的关键环节，因为氢气特殊的 物理、化学性能，使得它储运难度大、成本高、安全性低。

（1）重量轻、密度小：在所有元素中，氢的重量最轻、密度小，需要提高储运容器压力进而提高氢的密度来提高氢能利用 的效率；

（2）液化温度低：常压下氢气在-253℃温度才能液化，液化能耗高、静态蒸发损失大，对液氢储罐要求很高；

（3）原子半径小：氢的原子半径非常小，氢气能穿过大部分肉眼看不到的微孔，在高温、高压下，氢气甚至可以穿过很厚 的钢板；

（4）性质活泼：氢气非常活泼，稳定性极差，泄露后易发生燃烧和爆炸，这些因素都对氢气的储运技术提出了挑战。

从终端氢气价格组成来看，氢气储运成本占总成本的 30%左右，经济、高效、安全的储运氢已成为当前制约氢能规模 应用的主要瓶颈之一。


1.2 高效率和低成本是氢能储运发展趋势

氢能储运包括氢能储存和氢能运输两部分，氢能的储存方式决定了采用何种氢能运输方式。提高氢能储运效率，降低氢能储 运，是氢能储运技术发展重点。 氢能源汽车存储 5公斤的氢气，在 70MPa的压力下，存储系统的容量约为 200升，是当今燃油汽车中汽油箱容量的 3-4倍。

氢能的储运具有难度。一方面，氢气是世界上密度最小的气体，体积能量密度较低，扩散系数较大；另一方面，氢气的 燃点较低，爆炸极限宽，对储运过程中的安全性也有极高的要求。因此如何实现经济、高效、安全的储氢技术是氢能利用走 向实用化、产业化的关键。

1.3 储氢的技术要求

储氢技术的关键在于提高氢气能量密度。美国能源部（DOE）要求 2020年国内车载氢能电池的氢气质量密度（即释放出的 氢气质量与总质量之比）须达到 4.5%，2025 年达到 5.5%，最终目标6.5%。

国际能源署（IEA）规定的未来新型储氢材料的储氢质量标准为 5%。美国 2010 年到 2015的体积储氢容量分别为 45g/L 和 81g/L、存储成本分别为 4 美元／kWh 和 2 美元／kWh。 同时氢气为易燃、易爆气体，当氢气浓度为 4.1%-74.2%时，遇火即爆。因此评价储氢技术优劣，还必须考虑安全性。


1.4 氢能储存场景及相关标准

氢能储存场景主要包括在加氢站的储存、在运输车的储存和燃料电池车的储存等几种场景，目前已经形成加氢站及车载氢系 统、气液固储氢等相关标准。

1.5 氢能给压力容器行业带来新机遇

氢能产业的发展给压力容器行业带来新的发展机遇，一方面，氢能储运设备是氢能利用的重要基础设施，是促进氢能产业展的必要支撑。另一方面，氢能产业发展将推动临氢、超高压、超低温以及纤维缠绕复合材料、多层包扎结构设备的设计制 造、检验检测、风险评估等方面技术的发展和进步，也推动压力容器产业向高端、清洁、环保、高效方向的转型升级。但氢 能产业的快速发展也对压力容器技术要求提出了更高的挑战，目前一系列关键技术有待突破。

(1)氢能储运装备的材料方面亟待解决。目前高压氢气长管拖车、管束式集装箱、站用储氢瓶组等设备所用的高强钢既没有 制定标准，也没有成熟的材料可供选用，4130X钢已应用于 45MPa站用储氢瓶组，但其可靠性尚未得到充分验证，需要研提出高压临氢环境下设备选材的安全基本要求，开发专用材料。针对已有应用经验的 4130X 钢，仍需对其与高压氢气的 相容性进行系统研究以掌握氢脆受材料成分、组织、加工方法、氢分压等的影响规律，形成 4130X用于高压氢气储运场的专项技术要求。对于 IV 型储氢气瓶，需要研发内胆专用塑料材料，建立材料性能指标体系等相应标准。

(2)氢能储运设备设计制造应不断创新。对于 IV 型瓶，其设计制造关键技术主要有内胆结构设计方法、有限元应力分析设计 方法、塑料内胆成型方法和工艺、内胆与瓶口密封结构设计方法等，需要研究解决结构尺寸的确定方法及其对气瓶安全性能 的影响、内胆与瓶口之间泄漏机理及影响因素、内胆常见缺陷及其成因和预防措施等科学技术问题，有待提出内胆成型、纤 维带压缠绕、树脂固化的工艺评定方法。


(3)储氢设备的型式试验能力还不全面，需加强试验环节以提高压力容器的安全性能。对 35MPa以上压力等级的车载氢气瓶， 按 GB/T 35544-2017 标准的要求，型式试验项目包括氢气循环试验，但我国目前还没有通过氢试验的产品，氢循环试 验装置技术复杂度高、投资大、建设周期长、建设难度大、后期维护成本高，我国仅有个别型式试验机构搭建了试验装置。

此外，为推进氢能储运设备的成熟发展，我们还需要对相应的氢能储运设备使用管理方面提出更高的要求，建立现代化管理 平台，通过搭载安全监控系统并构建基于全生命周期的大数据平台，实现储氢压力设备的“智能网联化”。

1.6 储氢材料要求不断提升

高压储氢气瓶是压缩氢广泛使用的关键技术，随着应用端的应用需求不断提高，轻质高压是高压储氢气瓶发展的不懈追求。 目前高压储氢容器已经逐渐由全金属气瓶(Ⅰ型瓶)发展到非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型瓶)。

（1）全金属储氢气瓶/罐（Ⅰ型瓶），其制作材料一般为 Cr-Mo钢、6061铝合金、316L等。由于氢气的分子渗透作用，钢 制气瓶很容易被氢气腐蚀出现氢脆现象，导致气瓶在高压下失效，出现爆裂等风险。2004 年 7 月，中石化牵头成立了由钢 铁企业、使用单位以及有关科研单位等组成压力容器钢板国产化联合攻关组，共同推动钢板研制和应用工作。参与研制的 5 家钢铁企业(宝钢、鞍钢、武钢、舞钢、济钢)目前已经陆续成功开发了用于大型储备罐的高强度大线能量焊接用钢板。9Ni 钢最早由太钢于 2007 年开发生产，目前鞍钢、武钢、南钢、湘钢均有生产能力，由于储罐需要 6mm 厚的中厚板，南钢的 市场份额较大。太钢、鞍钢和南钢等钢企研发的 LNG 低温压力容器用 9％Ni 钢板也通过了国家容标委鉴定审查，实现了工 程应用，填补了国内的空白。

（2）纤维复合材料缠绕气瓶（Ⅱ型瓶、Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶）。Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶是纤维复合材料缠绕制造的主流气瓶。其主要由 内胆和碳纤维缠绕层组成。Ⅲ型瓶的内胆为铝合金，Ⅳ型的内胆为聚合物。纤维复合材料则以螺旋和环箍的方式缠绕在内胆 的外围，以增加内胆的结构强度。

总体而言，高压储氢气瓶Ⅰ型瓶、Ⅱ型瓶和Ⅲ型瓶常用的材料有铝(6061 或 7060)、钢(不锈钢或铬-钼钢)。Ⅳ型瓶内胆常用 的聚合物材料为高密度聚乙烯、聚酰胺基聚合物等。高性能纤维是纤维复合材料缠绕气瓶的主要增强体。通过对高性能纤维 的含量、张力、缠绕轨迹等进行设计和控制，可充分发挥高性能纤维的性能，确保复合材料增强压力容器性能均一、稳定， 爆破压力离散度小。玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和 PBO 纤维等纤维均被用于制造纤维复 合材料缠绕气瓶，其中碳纤维以其出色的性能逐渐成为主流纤维原料(如日本东丽的 T300、T700、T1000)。（报告来源：未来智库）

二、氢能储存技术以高压储氢为主
2.1 氢能有三种储存方式

目前，主要储氢方式有三种，分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。从技术发展方向来看，目前高压气态储氢技术比较成 熟，一定时间内都将是国内主推的储氢技术；有机物液体储氢技术可以利用传统的石油基础设施进行运输、加注，方便建立 像加油站那样的加氢网络，相比于其它技术而言，具有独一无二的安全性和运输便利性，但该技术尚有较多技术难题，未来 看会极具应用前景；固态储氢应用在燃料电池汽车上优点十分明显，但现在技术还有待突破，短期内不会有较大范围的应用， 长期来看发展潜力比较大。

根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019 版）》预测：我国氢能储运将按照“低压到高压”“气 态到多相态”的方向发展，由此逐步提高氢气储存和运输的能力。氢能市场渗入前期，氢气用量及运输半径相对较小，此时 高压气态运输的转换成本较低，更具性价比；氢能市场发展到中期（2030年），氢气需求半径将逐步提升，将以气态和低温 液态为主；远期（2050 年）来看，高密度、高安全储氢将成为现实，完备的氢能管网也将建成，同时出台固态、有机液态 等储运标准及管道输配标准作为配套。


2.2 氢能储运发展空间广阔

国际氢能委员会预测，到 2050 年，氢能产业将创造 2.5 万亿美元的市场规模。根据中国氢能联盟预计，到 2025 年，我国 氢能产业产值将达到 1万亿元；到 2050年，氢能在我国终端能源体系中占比超过 10%，产业链年产值达到 12万亿元，这 将对氢能储运设备材料提出了大量市场需求，氢能储运设备材料或成为较好的投资机会。

国家对储氢环节技术研发更加重视。根据 2018-2021 年国家“氢能技术”重点专项指南汇总数据，从三大产业链环节分布 变化中可以发现，国家加大了制氢和储氢技术的研发重视。相比 2018—2020 年，2021 年储氢技术的研发项目占比大幅提 升，氢能源储运愈发重要。


三、高压储气瓶技术逐步成熟
3.1 高压储氢瓶的应用场景

高压气态储氢是目前广泛应用的储氢方式，在国内外已经实现一定规模商用。这种技术路线主要通过高压储气瓶来实现氢气 的储存和释放。根据材质的不同，高压储氢瓶分为纯钢制金属瓶（I 型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）、金属内胆纤维缠绕 瓶（III 型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）4 种。

根据高压氢容器的不同使用要求，可以将高压储氢分为固定式高压储氢、车载轻质高压储氢和运输用高压储氢。 固定式储氢瓶：在高压储氢技术中，目前最为成熟且成本较低的技术是钢制氢瓶和钢制压力容器，如目前工业中广泛采用 20MPa 钢制氢瓶，并且可与 45MPa 钢制氢瓶、98MPa 钢带缠绕式压力容器进行组合应用于加氢站。但是钢制氢气瓶由于 较高的重量，因此并不适宜汽车用。 储氢装置是加氢站中的一个重要装置，一般采用 45MPa储氢瓶。一般有两种方式，一种是用具有较大容积的气瓶，该类气 瓶的单个容积在 600-1500L 之间，为无缝锻造压力容器；另一种是采用小容积的气瓶，单个气瓶的容积在 45L-80L。

储运气瓶与车载气瓶的差别在于压力不同，储运气瓶的压力高于车载氢气瓶。当为燃料电池汽车加注时，以站内储氢瓶和车 载瓶之间的压差为驱动力。 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。 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。


车用储氢瓶：目前车用高压储氢瓶的国际主流技术通过以铝合金/塑料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆，提升氢瓶的结 构强度并尽可能减轻整体质量。目前国外氢燃料电池汽车已经广泛使用 70MPa碳纤维缠绕 IV 型瓶，与之相比，目前我国车 载储氢方式大多为 35MPa 碳纤维缠绕III 型瓶，而 70MPa 碳纤维缠绕 III 型瓶也已少量用于国产汽车中。

运输用高压储氢瓶：高压氢气的运输设备主要用于将氢气从产地运输到使用地或加氢站。管式拖车用旋压成型的大型高压气 瓶盛装氢气。典型管式拖车长 10.0-11.4m，高 2.5m，宽 2.0-2.3m，盛装的氢气压力在 16-21MPa 之间，质量在 280kg 左 右。


3.2 车用储氢瓶成本碳纤维占比高，成本有望逐步下降

（1）储氢瓶关键材料和零部件国产化亟待突破

储氢瓶产业链可以简单划分为上游原材料和零部件，中游生产制造和下游终端应用三个环节。其中，上游原材料包括铝材、 钢材、碳纤维和树脂等，零部件包括各种金属阀门和各类传感器；中游生产制造设备和制造工艺等；下游则是在燃料汽车、 氢气运输罐、加氢站等场景上的应用。在产业链供应方面，目前车载储氢瓶核心材料及零部件如碳纤维主要依赖进口，瓶口 阀、减压阀等也主要依赖进口，未来这些关键材料和零部件将逐步实现国产化。

（2）车用储氢瓶材料中碳纤维复合材料成本占比高

目前，国内外车载储氢气瓶（III/IV 型）由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外壳保护层。国内内衬材料多选用 铝合金，国外则多选用特种塑料；内层之外又称为复合材料层，一般分为两层，内层为碳纤维缠绕层，一般是由碳纤维和环 氧树脂构成；外层为玻璃纤维保护层，一般是由玻璃纤维和环氧树脂构成。两层均是由缠绕工艺制作而成，通过对环氧树脂 加热固化，以保证气瓶强度。

从车载储氢瓶材料成本来看，储氢瓶的成本主要集中在外部缠绕用的碳纤维复合材料。对于储氢质量均为 5.6kg的 35MPa、 70MPa 高压储氢IV 型瓶成本构成来看，碳纤维复合材料成本分别占系统总成本的 75%和 78%。


目前，高压储氢瓶用碳纤维主要采用 T700级及以上规格，从企业碳纤维生产企业角度来看，目前碳纤维生产企业中，日本 和美国依旧占据主导地位。2020 年全球 碳纤维行业有效产能为 16.79 万吨，比 2019 年增加了约 1.30 万吨。从全球范围来看，中国、美国和日本三国产能分别为4.50 万吨、3.73万吨和 2.92万吨，占全球总产能 6成以上。目前我国碳纤维企业主要以中复神鹰、恒神股份、光威复材等 企业为主。

目前，由于国内 70MPa碳纤维缠绕 IV 型瓶的制备技术不成熟、规模化生产难度大，因此目前成本相对较高，抑制了 IV 型 储氢瓶的需求。据美国汽车研究理事会研究发现，当生产规模越大，储氢瓶成本也就越低，如当气瓶生产规模由 1万套提高 到 50 万套时，氢气瓶成本会下降 20%。未来随着氢能源汽车的快速发展，储氢瓶成本有望下降。