市場總規(guī)模將達千億！把脈我國車載儲氫瓶發(fā)展趨勢
來源：中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進會氫能分會 時間：2023-08-21 17:50
日前，伴隨著第31屆世界大學生夏季運動會在成都開幕，80輛氫能大巴以及9輛氫能冷鏈物流車作為保障服務(wù)車輛投入運營，再次向世界展示了我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成果。同月，我會會員單位中材科技（蘇州）有限公司成功通過70MPa-IV儲氫氣瓶型式試驗并取得國內(nèi)制造許可證的消息，也再一次引發(fā)各界對IV型儲氫氣瓶的廣泛關(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。近年來高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫、金屬固態(tài)儲氫、碳基吸附儲氫、有機骨架儲氫等技術(shù)百舸爭流、奮楫爭先。在眾多技術(shù)路線中，高壓氣態(tài)儲氫憑借技術(shù)成熟度高、充放氫速度快、成本低等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)階段氫儲運環(huán)節(jié)的主流技術(shù)，而在高壓儲氫技術(shù)路線中，IV型氣瓶以其儲氫密度高、使用壽命長、耐疲勞性能好、成本低等特點成為全球各儲氫裝備制造企業(yè)爭相搶占的技術(shù)高地。
1市場規(guī)模
隨著我國燃料電池汽車推廣規(guī)模進一步擴大，車載儲氫氣瓶巨大的市場潛力引發(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，未勢能源、亞普股份等汽車零部件廠商以及中國中車、航天六院等不同背景企業(yè)也紛紛布局高壓儲氫瓶賽道。豐田、佛吉亞、彼歐、Hexagon等海外儲氫氣瓶制造商也瞄準中國市場，以成立合資公司等形式相繼登陸中國。目前已有超過20家企業(yè)布局IV型儲氫氣瓶，規(guī)劃年產(chǎn)能已達35萬只。
據(jù)氫促會統(tǒng)計，截至2023年7月，我國各省市自治區(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數(shù)量將達115460輛。據(jù)氫促會測算，到2025年，我國車載儲氫瓶需求量達46.2萬-69.3萬只，儲氫瓶市場規(guī)模約為54.2億-81.3億元。到2030年，我國各類燃料電池汽車保有量預(yù)計將突破150萬輛，以《2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》中各類車輛占比測算，35MPa儲氫氣瓶總需求量將達到199萬-298萬只，70MPa儲氫氣瓶總需求量將達到341萬-481萬只，儲氫瓶市場總規(guī)模預(yù)計將達到823億-1194億元。
表1 儲氫瓶價格統(tǒng)計及預(yù)測
注：僅為氣瓶價格，不包含瓶閥
圖1 2030年不同壓力等級燃料電池汽車占比預(yù)測
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型氣瓶為無內(nèi)膽氣瓶。在氫儲運領(lǐng)域，長管拖車采用I型瓶及Ⅱ型瓶，燃料電池汽車儲氫系統(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運領(lǐng)域應(yīng)用
2.2IV型儲氫氣瓶
2.2.1 IV型瓶的優(yōu)勢
在車載儲氫領(lǐng)域，相較于III型瓶，IV型儲氫瓶更具優(yōu)勢，是未來的發(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，無氫脆及腐蝕風險，且抗疲勞性能更好，使用壽命更長；在儲氫密度方面，70MPa-IV型瓶重量僅為III型瓶的60%-70%，且儲氫密度已突破6.1wt%，III型瓶僅為5wt%左右；在經(jīng)濟性方面，IV型瓶采用HDPE、PA等塑料材料制造氣瓶內(nèi)膽，相較于III型瓶的鋁合金內(nèi)膽，成本更低，且加工過程中塑料材料基本無損耗（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），通過測算，IV型儲氫瓶規(guī)模化制造成本僅為III型瓶的70%。此外，電解鋁生產(chǎn)過程能耗較高，隨著雙碳目標臨近，考慮未來電解鋁行業(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)勢有望進一步凸顯。
2.2.2 IV型瓶主要結(jié)構(gòu)
IV型儲氫氣瓶按結(jié)構(gòu)分為塑料內(nèi)膽、瓶閥座、碳纖維纏繞層、玻璃纖維保護層及瓶閥。
圖4 IV型儲氫氣瓶結(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，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型儲氫瓶在纏繞前需要進行表面活化處理，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型儲氫瓶內(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始嘗試采用干法纏繞工藝。
2.2.4 核心技術(shù)要點
瓶閥座
瓶閥座設(shè)計是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)合部位疲勞試驗過程中易出現(xiàn)分離失效。因此，瓶閥座設(shè)計及連接方式可靠性是國內(nèi)外IV型氣瓶研發(fā)制造企業(yè)關(guān)注的焦點，均大力投入資源開展研究并申請相關(guān)專利。通過檢索相關(guān)專利發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)廠商瓶閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計與國外廠商設(shè)計同質(zhì)化現(xiàn)象較為嚴重，缺乏突破性創(chuàng)新。同時，國內(nèi)氣瓶制造商多僅在中國申請專利，而豐田等海外IV氣瓶制造商已在中國、日本、歐洲、美洲等燃料電池車主要市場開展全球知識產(chǎn)權(quán)布局，這為我國儲氫氣瓶“出海”埋下隱患，應(yīng)充分引起國內(nèi)氣瓶廠商重視。
圖6 豐田公開專利中閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖
內(nèi)膽材料
氫氣滲透性極強，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的重要評價指標之一。35MPa儲氫瓶選擇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，國內(nèi)IV型氣瓶內(nèi)膽材料完全依賴進口。
3發(fā)展趨勢及建議
3.1發(fā)展趨勢
預(yù)計到2025年，車用瓶市場仍將以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300公里的公交及市內(nèi)物流運輸?shù)溶囕v，采用35MPa儲氫系統(tǒng)更具經(jīng)濟性，對于日均行駛超過300公里的中重型卡車和省際長途客運車及出租車和家用轎車等將采用70MPa儲氫系統(tǒng)。
3.2政策方面
建議將儲氫瓶納入燃料電池汽車示范應(yīng)用“以獎代補”范圍，重點支持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，帶動儲氫瓶上下游產(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)計及與內(nèi)膽可靠的連接方式仍將是一段時間內(nèi)企業(yè)研發(fā)的重點，建議在探索穩(wěn)定可靠的物理連接方式的同時，嘗試聚合物膠膜等化學連接方式。
3.4原材料國產(chǎn)化
儲氫瓶制造商應(yīng)主動聯(lián)合塑料研發(fā)制造企業(yè)，共同開發(fā)適用于IV型瓶的內(nèi)膽材料，以改性PA6為重點方向，打破國外壟斷，促進氣瓶成本降低。
3.5知識產(chǎn)權(quán)保護方面
國內(nèi)儲氫瓶制造商應(yīng)強化國際市場知識產(chǎn)權(quán)保護意識，適時開展國際專利布局，并對核心專利設(shè)置“護城河專利”，提高國際市場競爭力。
責任編輯：楊娜
