2021年国家重点研发计划启动实施“氢能技术”重点专项，目标是以能源革命、交通强国等重大需求为牵引，到2025年实现我国氢能技术研发水平进入国际先进行列，关键产业链技术自主可控，描绘出我国氢能产业发展技术路径的目标愿景。“氢能技术”重点专项指南中，拟围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便携改质与高效动力系统及“氢进万家”综合示范4个技术方向，启动“光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程基础”等19个指南任务。
图1. 氢能源产业链
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氢能周报
氢能技术现状及未来发展趋势
高压气态储氢：具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要储氢方式，分为高压氢瓶和高压容器两大类。其中钢质氢瓶和钢质压力容器技术最为成熟，成本较低。碳纤维缠绕高压氢瓶的开发应用，实现了高压气态储氢由固定式应用向车载储氢应用的转变。目前最常用的气态氢储存罐是钢罐，今后的研究热点是利用抗高压轻质复合材料罐和玻璃微球储氢。
复合材料罐储氢的研究重点是：
（1）运用新技术研究材料脆裂力学性能；
（2）增强材料性能，降低材料成本，尤其是碳纤维；
（3）发展高效、清洁（无油）1000巴的压缩罐（可考虑利用太阳能或废热的实用型氢化物压缩罐）；
（4）在车辆运行过程中回收压缩能的技术。
01
下游加氢及终端应用
加氢基础设施
加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节，是为燃料电池车充装燃料的专门场所，不同来源的氢气经氢气压缩机增压后，储存在高压储罐内，再通过氢气加注机为氢燃料电池车加注氢气。加氢站作为氢能源战略中十分关键的一环，以其氢燃料的储备辐射周边区域，使得车辆能够及时补充能源，形成良好的循环，才能推动燃料电池的发展。根据中国氢能联盟的数据，截止至2020年底，我国已建成运营加氢站127座，新增61座，显著超过《节能与新能源汽车路线》中规划的100座目标。
加氢站具有三大核心装备，为氢气压缩机、储氢系统（国内目前均为高压储氢系统）和氢气加注机（见图3）。
图3. 加氢站三大核心设备
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燃料电池
2.1 燃料电池技术
2020年，受疫情等因素影响，燃料电池汽车产销量出现较大幅度下降；2021 年有所恢复，全年产量及销量分别为1790辆和1596辆，分别同比增加48.67%和35.03%；2022年以来，2022年1-8月产销量分别为2196辆和1888辆，分别同比增加203.31%和 157.57%，增势强劲主要与氢燃料电池汽车示范城市群的开展有关。
现阶段国内氢燃料电池车是以客车和重卡等商用车型为主，2021年客车占比 55%，专用车占比44%（其中重卡占比 41%，中卡占比 3%），而乘用车主要用来租赁，占比仅1%左右，原因是此前的产业政策优先支持商用车发展，但最为根本的原因在于氢燃料车的固有属性。相较于纯电动车而言，氢燃料车具备更高功率和能量密度，能胜任更长的续航和更大的载重负荷，因此长途运输和重载领域是其最为重要的发展方向和优势应用场景。
汽车的经济效益一般是通过全生命周期总拥有成本（TCO）模型进行测算，总拥有成本由购买成本及运营成本构成，运营成本包括燃料费用、基础设施成本、维修成本、零部件替换成本以及保险费用等。
当前时点，氢燃料汽车的TCO明显高于纯电动车和传统燃油车，随着燃料电池系统技术成熟以及成本下降、加上氢气价格及氢耗水平的降低，氢燃料汽车的TCO 将持续下行。
根据《中国氢能产业发展报告2020》测算，不同类型的氢燃料汽车与同类型纯电动车的成本平衡点取得时间不同，其中客车、物流车、重卡等氢燃料电池商用车型预计将在2030年前取得与同类型电动车相当的全生命周期经济性，而续航里程在500km以上的乘用车预计将于2040年前后与纯电动车型经济性相当。
届时，下游客户主动采购意愿或将明显提高，叠加加氢基础设施的普及，氢燃料车将逐步摆脱政策依赖性，实现自主市场化发展。
2.1 燃料电池技术
燃料电池是氢能高效利用的重要途径。氢燃料电池原理就是氢与氧结合生成水的同时将化学能转化为电能和热能，该过程不受卡诺循环效应的限制，理论效率可达90%以上，具有很高的经济性。燃料电池的阳极和阴极中间有一层坚韧的隔膜以隔绝氢气和氧气，有效规避了氢气和氧气直接接触发生燃烧和爆炸的危险。氢气进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下分解成氢离子和电子。随后，氢离子穿过隔膜到达阴极，在催化剂的作用下与氧气结合生成水，电子则通过外部电路向阴极移动形成电流。
图4. 燃料电池核心构成示意图
自“十五”新能源汽车重大科技专项启动以来，在国家一系列重大项目的支持下，燃料电池技术取得了一定的进展，初步掌握了燃料电池电堆与关键材料、动力系统与核心部件、整车集成等核心技术；部分关键技术实验室水平已接近国际先进水平，但工程化、产业化水平滞后，总体技术水平落后于日本、韩国等国家。具体而言，质子交换膜燃料电池随着终端应用的逐步推广，膜电极、双极板、质子交换膜等已具有国产化的能力，但生产规模较小；电堆产业发展较好，但辅助系统关键零部件产业发展较为落后；系统及整车产业发展较好，配套厂家较多且生产规模较大，但大多采用国外进口零部件，对外依赖度高。
表2 国内外质子交换膜燃料电池系统技术指标对比
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燃料电池
2.2 燃料电池应用
随着燃料电池技术的不断成熟，相关产品已逐步进入商业化应用阶段，在交通领域逐步应用于汽车、船舶、轨道交通等，可降低能源对外依存度以及化石能源污染物和碳的排放。燃料电池商用车率先商业应用，未来锂电与燃料电池将成为互补关系，欧阳明高院士曾提出“锂离子电池更适合替代汽油机，氢燃料电池系统更适合替代柴油机”。氢燃料电池目前成本还达不到民用可接受的水平，相比于纯电动车和汽油车，氢燃料电池车在购置成本和使用成本上不占优势，未来随着应用量提升，整车成本及氢气成本均有望显著下降，国内技术还有很大的提升空间。
表3 氢能源产业链国内主要公司
未来发展趋势
2020年是全球氢能发展加速之年，碳达峰、碳中和战略下脱碳成为全球氢能发展的第一驱动力，习主席2020年在第75届联合国大会期间提出，中国二氧化碳排放力争与2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。低碳清洁氢成为实现碳中和路径的重要抓手。
各国制氢技术路线重点围绕可再生能源电解水制氢技术、化石能源制氢+CCUS（碳捕获、利用与封存）技术进行项目示范和产业布局。此外，针对燃料电池汽车终端应用场景，开展氢气纯化与氢气品质研究工作，确保氢气高品质供应。我国在CCUS技术集成、海底封存和工业应用与国际先进水平差距较大，且CCUS大规模示范项目数量和整体规模均远低于发达国家。
氢气纯化技术方面，美国与日本立足本国能源结构和技术优势，分别聚焦小型天然气重整制氢场景与氨分解重整制氢、有机液体解析氢气场景，开展燃料电池车用氢气纯化技术研究，包括高效小型变压吸附技术、有机膜分离、无机膜分离和全属钯膜分离技术。我国的氢气来源广泛，尤其是副产气杂质种类多且含量分布宽，单一纯化技术路线难以满足实际需求。尤其在燃料电池车用氢气纯化领域，我国起步较晚，缺乏系统性研究。
氢储存技术方面，目前我国对储氢材料的研究比较活跃，研究内容涉及到了高压储氢、碳纳米管储氢、新型合金储氢、有机化合物储氢、碳凝胶储氢、玻璃微球储氢、氢浆储氢、层状化合物储氢等当前国际氢储存技术研发的主要方面，并在金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、复杂化合物储氢等方面具有优势。
加强氢燃料电池技术和氢燃料电池汽车以及相关基础设施的研发。发展氢经济的一个重要方面是发展氢能交通运输体系和氢能基础设施建设。
国家重大需求及关键技术
国家重点研发计划《“氢能技术”重点专项2021年度申报指南》中，坚持问题导向、分步实施、重点突出的原则，围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统及“氢进万家”综合示范等4个技术方向，按照基础前沿技术、共性关键技术、示范应用，拟启动18个项目，拟安排国拨经费7.95亿元。其中，围绕氢能安全存储与快速输配体系技术方向，拟部署1个青年科学家课题。
表4 “氢能技术”重点专项2021年度申报指南
氢能是我国现代能源体系的重要组成部分，建设低碳清洁氢能供应体系至关重要。中国氢能联盟在《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》中建议：完善低碳清洁氢气政策支持体系、加氢低碳清洁氢气市场建设、提升低碳清洁氢气制备技术自主化水平，鼓励电解槽和CCUS（碳捕获、利用与封存）等低碳清洁制氢技术应用。
图5 碳达峰目标下制氢技术路线
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氢能周报
氢燃料电池汽车：独具优势 发展前景广阔
随着技术的发展和低碳理念的普及，新能源车已成为市场宠儿。截至2022年底，中国新能源汽车保有量已达1310万辆。但其中，绝大部分是纯电动汽车，而氢能源车保有量刚刚突破1万辆。
如果说，新能源汽车正成为百姓日渐熟悉的伙伴，氢能源车则算得上是其中的“生面孔”。但近年来，这副“生面孔”的发展前景却被广泛看好。
2022年，在北京冬奥会期间，氢燃料电池汽车为服务赛事开展示范运营，成为国内氢能源车发展的一个高光时刻。如今，在北京、上海、广州等地，氢能源车都在加速推广落地。
由工业和信息化部指导发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提到，预计到2035年，燃料电池汽车保有量达到100万辆左右，商用车将实现氢动力转型。
为何氢能源车如此受到青睐？相较于其他新能源汽车，氢能源车又有哪些独特优势？
“氢能源车的技术核心之一在于氢燃料电池。”据国家能源集团北京低碳清洁能源研究院氢能（氨能）技术研究中心副主任何广利讲解，氢能源车的工作原理，是将氢气通入车内的燃料电池，然后氢气和氧气在燃料电池里发生反应，同时发出电，再用电来驱动车前进。
“在我们常见的纯电动汽车中，电是直接储存在车载电池中的，电池是一个储能机构。而氢燃料电池是一个能量转化机构。从这点上看，它可以和燃油车的工作方式做一个类比：在燃油车上，我们将汽油加入油箱，供给发动机燃烧；在氢能源车上，我们需要加入氢气，供给燃料电池使用。”何广利说。
所以，与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车增加了车载储氢系统和具有发电能力的燃料电池系统。这让其获得了自己的独特优势。
首先是相较于纯电动汽车，氢燃料电池汽车的续航里程大幅增加。何广利指出，纯电动汽车要提高续航里程，目前采取的方式一般是多增加锂电池，或者通过更新技术，不断提高电池高能量密度。但对于车辆生产来说，二者都需要较高的成本。但氢燃料电池汽车增加续航里程，只需增大储氢罐即可。另外，纯电动汽车充电时长比较久，一般要几个小时才能充满电。但氢燃料电池汽车加氢补给的时间很短，与燃油车加汽油的时间几乎相同。
在高海拔、高温、高寒等多种环境下，氢燃料电池的性能也更加稳定。以目前已在北京市延庆区投入使用的氢燃料电池公交车为例，其装载的氢燃料电池系统，在零下30℃的环境下能够无辅热快速启动，续航里程可达300公里。北京公交集团第八客运分公司驾驶员郭宏宇，在谈及驾驶氢燃料电池公交车的感受时说：“氢能源车不仅更加安全环保、没有污染，同时噪音更小、续航更久，运行期间很平稳，驾驶起来特别舒适。”
从低碳、环保的角度看，氢能源车也有更优异的表现，有人甚至将氢能源车称为“移动的空气净化器”。这是因为燃料电池非常敏感，为了保证进入燃料电池的空气是干净的，氢能源车需要设置物理吸附、化学吸附等多道过滤装置。所以，氢能源车的前置空气处理装置，不仅能够吸附颗粒物，还会过滤掉空气中的有害气体。当过滤后的空气进入电池与氢气发生反应后，再排放出去的物质，只有水和更清新的空气。
基础设施 建设步伐提速
既然氢能源车有如此多优点，该如何进一步促进其推广落地？采访中，多位业内人士表示，加强氢能储运能力以及完善加氢站等基础设施建设，是氢燃料电池汽车推广普及的关键所在。
在氢气制备方面，中国已具有一定优势。《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》指出，中国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，其中，达到工业氢气质量标准的约1200万吨。可再生能源装机量全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。
不过，当前利用可再生能源如太阳能、风能等制备出的绿氢，主要来自西部地区；但对氢能需求旺盛的则是东部地区。要解决供需错配问题，必须加强对氢气的运输能力。
在氢气储运方面，中国现阶段主要以高压气态长管拖车运输为主，管道运输仍为短板弱项。这导致长距离氢气运输一直成本较高、效率较低，也是造成终端用氢成本高的主要原因之一，制约了产业链发展。
好在，这一问题将逐步得到解决。前不久，“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，中国首个纯氢长输管道项目启动。
该管道起于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市的燕山石化，全长400多公里，是中国首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道。管道建成后，将用于替代京津冀地区现有的化石能源制氢及交通用氢。
据中国石化董事长马永生介绍，“西氢东送”管道一期运力10万吨/年，预留50万吨/年的远期提升潜力。同时，将在沿线多地预留端口，便于接入潜在氢源。未来，中国石化可依托“西氢东送”管道建设支线及加氢母站，助力京津冀氢能走廊的高效构建。
目前，“西氢东送”输氢管道示范工程已经在路由选址、技术研究、工程建设方案等方面取得积极进展，基本完成可行性研究报告的编制，正加快推进项目各项工作。
完善加氢站的布局，也是发展氢能源车产业不可或缺的前提条件。
去年9月，在国家发展改革委关于基础设施建设的发布会上，国家能源局相关负责人介绍，中国已累计建成加氢站超过270座，约占全球总数的40%，位居世界第一。
如位于北京市大兴国际氢能示范区的海珀尔加氢站，建成于2021年，占地面积达6000多平方米，是全球规模最大的加氢站。这里共16把加氢枪，日加氢量可达4.8吨。据海珀尔加氢站相关负责人介绍，该加氢站在高峰时一天可服务500多台车辆。
同样位于北京市大兴区的青云店加油站，则在2022年增设了加氢设备设施，改建为油氢一体站。据介绍，今年大兴区规划再新建2座油氢一体站，同步加快推进2座纯氢站建设。计划到2025年底前，建成不少于10座加氢站，全面保障燃料电池汽车加氢需求。
国家发展改革委相关负责人指出，目前国内的加氢站主要以35MPa气态加氢站为主，70MPa高压气态加氢站占比小，液氢加氢站、制氢加氢一体站建设和运营经验不足。此外，国内现有加氢站的日加注能力主要分布于500—1000公斤的区间，大于1000公斤的规模化加氢站仍待进一步建设布局。未来，加氢网络将以需求导向为原则，在保障安全的前提下，节约集约利用土地资源，支持依法依规利用现有加油加气站的场地设施改扩建加油站，探索站内制氢、储氢和加氢站一体化的加氢站等新模式。
根据《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站发展规划（2021—2025年）》，北京市将在2023年前，力争推广氢燃料电池汽车3000辆；2025年前，力争实现氢燃料电池汽车累计推广量突破1万辆。与此同时，将在2023年前，力争建成并投运37座加氢站，加氢总能力达到74吨/日，满足47吨/日车用氢能需求。2025年前，力争建成并投运加氢站74座，加氢总能力达到148吨/日，满足126吨/日车用氢能需求。
近年来，上海市也已陆续建成10余座加氢站。《上海市氢能产业发展中长期规划（2022-2035年）》提出，到2025年，建设各类加氢站70座左右，燃料电池汽车保有量突破1万辆，氢能产业链产业规模突破1000亿元，在交通领域带动二氧化碳减排5万—10万吨/年。
企业创新 瞄准市场发力
随着基础设施建设不断完善，越来越多创新型企业瞄准了氢燃料电池汽车相关市场。
入驻在大兴国际氢能示范区的北京稳力科技有限公司，致力于燃料电池系统及其零部件的研发和生产。
“在燃料电池系统很多相关零部件产品的研发上，目前不少国产产品已达到国际领先水平。”北京稳力科技有限公司副总经理左琳琳告诉记者，该公司通过对气浮轴承技术的研发，开发出的新型燃料电池用空压机，实现了每分钟12万转的超高转速。这使得燃料电池系统的体积大幅减小，更适合车载使用。
“燃料电池系统零部件产品的研发，涉及电磁学、流体力学、材料学等多学科知识，产品研发过程比较复杂，技术创新含量也比较高。所以我们花了很多时间去不断测试、验证。”据左琳琳介绍，燃料电池用空压机从开始设计，到成功做出工程样机，花费了4年时间。然后又经过1年多打磨，才正式成为可量产的产品上市。
目前，北京稳力科技有限公司研发的多款燃料电池系统，功率覆盖范围为5kW~150kW，既可以适用于长续航、高功率的重型卡车，也可以用于低功率的叉车、环卫车等场地车辆。左琳琳表示：“相信在不久的将来，氢能源车在乘用车和商用车领域，都会有更好的表现，占据一定比例的市场份额。”
电堆是氢燃料电池系统的关键部件，在燃料电池系统中所占成本超过一半，而膜电极又是电堆中的核心部件，产业重要度堪比锂电池的电芯。
近年来，上海捷氢科技股份有限公司在膜电极的自主研发与制造中，取得多项突破，实现了膜电极的国产化、产业化。该公司新一代膜电极产品同比峰值功率密度提升30%，铂用量下降23%，寿命提升50%，达到国际先进水平。同时，实现了膜电极成本的大幅下降。
“要促进氢燃料电池推广普及，降本是至关重要的一环。”在捷氢科技总经理卢兵兵看来，要实现降低成本，打破关键部件技术垄断、实现全产业链自主可控不可或缺。
“纵观氢能和燃料电池产业，国内企业已经在大部分技术和产品上颇具竞争力，但同时我们也需要认识到，包括质子交换膜、碳纸、催化剂等在内的部分核心材料，与国外产品相比仍存在技术差距，这也要求我们必须未雨绸缪，更加注重基础研发。”卢兵兵表示，希望未来在氢燃料电池领域，可以实现从核心材料、零部件，到生产工艺、装备等在内的全面国产化，避免“卡脖子”，推动中国氢能和燃料电池产业走在国际前列。
中国氢能源车产业及市场的长远发展潜力，还吸引了不少外资企业。
在广东省广州市，韩国现代汽车集团“HTWO广州”项目正在建设中，并将于今年竣工投产。这是现代汽车集团首个海外氢燃料电池系统研发、生产、销售基地。
在北京经济技术开发区，丰田燃料电池研发与生产项目也已正式落地，即将在2023年年底建成、2024年投产。这是北京市氢能领域引入的最大外资项目，未来将导入丰田技术、合力研发国产化的燃料电池，实现燃料电池系统大规模量产。该项目落地后，将进一步加快氢燃料电池技术的商业化普及，同时带动上下游产业链加速集聚。北京经济技术开发区相关负责人表示：“随着丰田燃料电池项目落地，下一步将在燃料电池关键零部件方面吸引一批高精尖企业落地，增强上下游协同，不断完善氢能产业链。”
有了政策的支持、技术的创新，再加上市场的期待，国内氢能源车产业必将进入提速发展的新阶段。
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氢能周报
氢能储运市场谁更有优势？
5月，国家重点研发计划固态储氢开发项目率先在广东广州和云南昆明实现并网发电。这是我国首次利用光伏发电制成固态氢能并成功应用于电力系统，不仅解决“绿电”与“绿氢”转换难题，而且实现了常温状态下氢能存储。
据主持项目的南方电网科研人员解释，装置利用了储氢合金，工作原理是通过氢气与新型合金材料发生化学反应，从而吸引氢原子进入金属空隙，实现存储目的。如果将合金的环境温度升高，其间的氢气就会被释放出来，通过燃料电池转化为电能。这是我国吸附储氢技术和储氢材料的一次大飞跃。
目前我国储氢设备依旧存在成本高的难题。民生证券近期所发布的报告《“氢”风阵阵，制储运全链多点开花》中对氢能储与运现状进行了市场和技术的详细研究。
1 储氢：技术升级能够拓宽未来降本空间
氢的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式。
1）气态储氢：技术成熟，是目前应用最广泛的方式，但单位体积储氢密度低、安全性较低。
2）低温液态储氢：具有储氢密度高等优势，但液氢装置一次性投资较大，液化过程中能耗较高，储存过程中有一定的蒸发损失，国内液氢已在航天工程中成功使用，但受制于设备和标准的缺失，且投资高，能耗大，目前仍有局限性。
3）固态储氢：具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势，其体积储氢密度高于液氢，但还需解决吸放氢温度偏高、循环性能较差等问题，且技术复杂、投资成本较高，目前尚鲜有规模化应用。
2主要储氢方式和企业
以下是各类技术相关企业：
高压气态储氢：中国石油、中集安瑞科、科泰克、天海工业、中材科技、富瑞氢能、斯林达；
低温液态储氢：空气产品公司、普莱克斯、林德、航天101所、国富氢能、鸿达兴业、中集圣达、中科富海；
有机液态储氢：氢阳能源、HydrogeniousLOH、御氢科技、中车西安、武汉氢阳、日本千代田化工建设公司；
吸附储氢：厦门钨业、北京浩运金能、远建集团、澳大利亚科技生活公司 Lavo。
储氢设备技术壁垒较高，市场格局较为稳定。国内储氢瓶企业仅有国富氢能、中材科技、天海工业、奥扬科技、科泰克、中集氢能、斯林达7家企业。
从储氢瓶市场占有率上看，储氢瓶市场中TOP5占据了80%左右的市场。2021年市场集中度96%，2022年市场集中度85%，市场集中度略有下滑但仍保持较高水平。
碳纤维复合材料占储氢成本76%，为储运环节降本的关键环节。高压气态储氢容器共有四类，为纯钢制金属瓶（Ⅰ型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（Ⅱ型）、铝内胆纤维缠绕瓶（Ⅲ型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（Ⅳ型）。
压力为35Mpa的III型高压容器是市场上的主流储氢瓶，技术成熟可靠，70Mpa的IV型氢瓶凭借安全、高储氢密度、轻量化、低成本等显著优势，被国内外厂商广泛关注。35MPa高压储氢瓶中碳纤维复合材料成本2194美元，占比约76%，70MPa高压储氢瓶中碳纤维复合材料成本2721美元，占比约78%，碳纤维复合材料是储氢瓶制造的关键原材料，其成本和性能对储氢瓶的成本和使用性能影响重大。
储氢瓶百亿市场蓄势待发，未来放量在即。据高工氢电预计，2025年国内车载储氢瓶市场规模34亿元，到2030年国内车载储氢瓶市场规模为722亿元。IV型瓶取代III型瓶被大规模应用，短期储氢瓶市场规模增长迅速。
3输氢：运输液态氢比运输气态氢更经济
运氢：气态储运是主流，未来液态储运在大规模、远距离运输上的经济性有望体现。
1）气态运输：分为长管拖车和管道输运，高压长管拖车是氢气近距离输运的重要方式，技术较为成熟，管道输运是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式，具有输氢量大、能耗小和成本低等优势，但建造管道投资较大。
2）液态运输：通常适用于距离较远、运输量较大的场合。在长距离环境下，采用液氢储运能够减少车辆运输频次，提高加氢站单站供应能力。日本、美国已将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。
3）固态运输：将低压高密度固态储罐仅作为随车输氢容器使用，加热介质和装置固定放置于充氢和用氢现场，可以同步实现氢的快速充装及其高密度高安全输运，提高单车运氢量和运氢安全性。
高压气态储氢为主流，国内普遍采用20Mpa气态高压储氢与集束管车运输的方式，单车运氢约300-400kg，这种方式技术成熟、成本较低，近距离运输的经济性较高。但随着用氢规模扩大、运输距离增加，液氢槽车储运的竞争力随之提高。
液态储运的储氢密度约64kg/m³，单次载氢量可达7000kg，约是气氢长管拖车单车运量的20倍，极大地提高了运输效率，适合大批量、远距离运输。当前液态储运主要受限于氢气液化环节的初始投资和能耗较大，未来随着液化技术的发展和规模效应，液化环节的设备投资和能耗有望降低，大批量、远距离液态储运的成本优势显现，经济性有望进一步提高。
氢能储运小结
氢能的储备和运输是关系氢能普及的重要环节。
目前国内储氢瓶主流厂家数量仅个位数，但近两年参与者有所增加，2019 年主要储氢瓶供应商仅国富氢能、科泰克、天海工业、中材科技、斯林达5家，2020年新增南通中集，2021年新增奥扬科技，另外未势能源也专门从事气瓶的生产（偏自产自用）。
从出货量来看，国富氢能2021年市占率35.63%，位居第一，其次是中材科技；但行业集中度呈持续下降的趋势，CR3份额从 2019 年的91.21%下滑至2021年的 76.95%，当前氢能产业正处于风口，企业数量不断增长或将成为常态。
当前国内储氢瓶的平均售价在2-3万元/支，对应单套车载供氢系统的成本在20万上下，后续降本空间充足，降本主要是从材料替换、技术进步及规模效应三方面来实现。
碳纤维是储氢瓶制造的关键原材料，其成本和性能对储氢瓶的成本和使用性能影响重大。根据美国能源局（DOE）的研究成果，碳纤维复合材料的成本占到储氢瓶成本的60%以上。
目前日本、韩国等成熟的氢燃料电池车型中已经用上了大丝束碳纤维，而国内储氢瓶市场中 T700级小丝束碳纤维仍占据绝对主导，大丝束相关的应用仍处在早期的研发试验阶段，随着国产大丝束性能的逐步提升以及配套研究的持续突破，大丝束有望在气瓶这一细分场景中实现对小丝束的部分或全面替代，带动储氢瓶综合成本的下降。
根据中国汽车工业协会统计，截止2021年我国氢燃料电池汽车保有量为8922辆，若2025 年要达到11.2万辆的保有量规模，则2022-2025年需新增投放氢燃料车103078辆，假设单车配置8个储氢瓶，单瓶碳纤维用量65kg，则2022-2025年合计需耗用碳纤维5.36 万吨。
从全球产能份额来看，美国、日本依旧领跑全球，在行业中占据举足轻重的地位，大陆地区紧随其后，达到17%左右的份额。其中日本、美国供给头部市场比例远超其他国家或地区，两者作为碳纤维研发的领军者，发展较早，而且工艺技术完备，产品性能好，在下游应用端拥有品牌效应，具备垄断优势。
世界主要碳纤维生产企业有日本的东丽、东邦、三菱，美国的Cytec、Hexcel，德国的SGL，土耳其的AKSA等企业。
国内行业领军碳纤维上市公司为光威复材、中复神鹰、中简科技、精功科技，上述公司均属于国内碳纤维行业国产企业的领跑者，在产品性能、生产线设备、核心技术三方面具有大优势。随着氢能的不断普及，碳纤维企业将有大作为。
04
氢能周报
碳纤维应用之氢能篇
01
高压气态储氢瓶是碳纤维在氢能的主要应用场景
1.1. 四种储氢方式中，仅高压气态储氢会用到碳纤维
在不同的氢储运方式中，只有高压气态储氢瓶会采用碳纤维。目前，储氢方式包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态材料储氢四种，其中高压气态储氢是将氢气加压至20MPa-80MPa，对储氢容器的抗压和轻量化要求较高，目前常采用碳纤维作为产业化解决储氢容器轻量化、强度高的材料。
固态储氢和有机液态储氢不存在加压问题，均不会使用碳纤维。固态储氢和有机液态储氢均是通过某种特殊材料的吸附进行常压储氢，不存在加压的问题。液氢储运最核心的是隔热、防氢脆，其储罐为真空绝热深冷压力容器，由内容器和外容器套合组成双层卧式圆柱形筒体；液氢储运的工作压力在 1-1.3bar，接近常压，常用奥氏体不锈钢为内容器材料。
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高压气态储氢瓶是碳纤维在氢能的主要应用场景
1.2. 碳纤维在高压储氢瓶的应用以轻量化为目标，提高质量密度储氢比
从轻量化角度出发，碳纤维在 II、III、IV型瓶中均有应用。高压气体储氢容器主要包括纯钢制金属瓶（I 型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III 型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型），从 I 型瓶发展到 IV型瓶，主要目的是降低气瓶的壁厚以减重。
燃料电池汽车主要用 III型瓶、IV型瓶，长管拖车主要用II型瓶、III型瓶。I 型瓶是全金属瓶，主要为15Mpa实验室用瓶和20Mpa 长管拖车的常用瓶；II 型瓶采用金属内衬，外部用玻璃增强纤维缠绕瓶身直筒部分；III 型瓶采用金属内衬，外部用碳纤维缠绕整个瓶身，包括直筒和端盖；IV型瓶最轻，采用塑料内衬，碳纤维缠绕整个瓶身，是目前技术水平最高的高压储氢技术。
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高压气态储氢瓶是碳纤维在氢能的主要应用场景
1.3. 2021年国内高压储氢瓶碳纤维需求量超500吨
2021年，我国燃料电池汽车销量1586辆，按50%的库存率计算当年燃料电池汽车产量为2,379辆，对应碳纤维的需求量571吨。按燃料电池汽车平均携带6个储氢瓶（规格为35MPa/165L，单瓶碳纤维用量40kg）计算，单车碳纤维用量240kg。
2021年，丰田 Mirai和现代NEXO燃料电池乘用车的碳纤维需求量分别为355吨和577吨。以丰田Mirai为例，搭载两个高压储氢罐，两个的总容积122.4 升（前 60.0 升+后 62.4L），单车的碳纤维用量约60kg。
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未来氢能的碳纤维用量取决于燃料电池汽车发展
2.1 预计到2030年，燃料电池汽车用碳纤维12万吨
到2030年，氢能领域碳纤维用量预计超12万吨，其中燃料电池汽车用碳纤维12万吨（对应30万辆）、长管拖车用碳纤维0.3万吨（对应0.24万辆）。
预计到2030年，燃料电池汽车销量达30万辆，对应碳纤维需求量 12万吨。
燃料电池汽车销量的预测：参考新能源汽车的渗透率，到2030年燃料电池汽车渗透率达到20%估算，到2030年燃料电池汽车销量30 万辆，保有量70万辆。
单车碳纤维用量的预测：一辆车配8个III型储氢瓶（规格为35MPa、210L），单瓶的碳纤维用量50kg，对应单车碳纤维 400kg。
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未来氢能的碳纤维用量取决于燃料电池汽车发展
2.2. 预计到2030年，长管拖车用碳纤维0.3万吨
预计到2030年，新增长管拖车0.24万辆，对应碳纤维需求量0.3万吨。
长管拖车新增量的预测：参考各城市氢能产业规划文件，按每座加氢站配备3台长管拖车，2030年新增长管拖车2360辆。
单车碳纤维用量的预测：单车9管（每管150kg的碳纤维用量），单车1350kg的碳纤维用量。
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氢能周报
ZwickRoell复合材料应用案例分享
在氢能产业链中除了制氢和用氢阶段，在储氢和运氢环节同样需要材料拥有稳定的机械性能，因此测试的可靠性尤为关键。由于氢气通常需要在超低温度下以液态或在高压下以气态形式进行储存和运输，这就要求氢气储罐和运输管道材料在氢气环境下和超低温下要保持稳定的机械性能和长生命周期的考验，所以材料的静态、动态力学性能和蠕变性能都需要进行表征。
1 储氢罐类型与特点
氢气的储存运输是连接氢气生产端和需求端的关键桥梁，深刻影响着氢能行业发展和应用的节奏及进度。由于氢气在常温常压状态下密度极低（仅为空气的 1/14）、单位体积储能密度低、易燃易爆等，其特性导致氢气的安全高效输送和储存难度较大，采用高压气态或超低温液态的方式进行氢气的储存和运输。高压储氢罐是现阶段主要的储氢方式，它具有充放氢速度快、容器结构简单等特点，目前市面上的储氢压力罐主要有以下四种类型。
其中I型瓶的重量大，仅适用于加氢站固定式储氢，II型瓶较I型瓶重量有所下降，但储氢密度依旧较低，难以满足车载储氢要求，III型瓶和IV型瓶使用与车载储氢，其中带塑料内衬的IV碳纤维增强复合材料(CFRP)压力罐具有最先进的技术，不仅重量轻而且具备优异的抗氢脆腐蚀、高储氢密度等优势，是车载储氢和航空航天应用最有效的解决方案。
汽车用IV型储氢压力罐结构
与传统的金属储罐相比，CFRP制成的储氢罐更具有优势，但仍面临诸多挑战，例如复合材料在超低温环境下的机械性能变化、在高负荷循环下的疲劳行为。
2 CFRP在氢能应用中的机械性能测试
在液氢存在的情况下，CFRP的机械性能、高低温、静态和动态载荷下的材料行为均需要量化表征，但是由于测试标准发展的滞后性，目前行业内普遍采用常规复合材料的测试标准进行低温环境测试。
涉及到的复合材料测试标准包括：
// 拉伸测试：ISO 527-4,5或ASTM D3039
// 压缩测试：ISO 14126或ASTM D3410、D6641、D695
// 面内剪切应力/剪切应变响应：ISO 14129或ASTM D3518
// 层间剪切强度（ILSS）：ISO 14230 或 ASTM D2344
// 弯曲性能测试：ISO 14125 或 ASTM D7264
// 粘接组件搭接剪切强度测试：EN 1465 或 ASTM D3164
// 层间断裂韧性Mode II：ASTM D7905
// 拉伸疲劳测试：ISO 13003 或 ASTM D3479
// 弯曲疲劳测试：ISO 13003 附录 A
3 ZwickRoell在CFRP氢储罐应用中案例分享
ZwickRoell在CFRP储罐中的应用有非常完善的解决方案，可以满足静态以及动态的超低温测试要求，同时配备浸入式恒温器或持续流动式的恒温器实现测试所需的超低温环境。
案例1 - 静态超低温测试
客户： 德国某研究所
配置方案：静态试验机Z100带LN2/LHe（液氮/液氦）持续流动式恒温器
// LN2/LHe连续流动式温恒温器，温度低至15K
// 用于复合材料静态测试，从室温至-258℃/15K无级调温
// 采用低温clip-on引伸计进行伸长率测量
// 采用低温clip-on挠度计进行弯曲挠度测量
// 用于拉伸和弯曲测试的低温夹具
// 压力：max 1bar; 载荷：Max 100KN
// 可选：氢气环境
Z100带液氮/液氦持续流动式恒温器
案例2 – 静/动态超低温测试
客户： 德国某研究所
配置方案：动态试验机HB100 LN2/LHe连续流动式低温恒温器
// 用于复合材料动态和静态测试，从室温至-258℃/15K无级调温
// 采用低温clip-on引伸计进行伸长率测量
// 采用低温clip-on挠度计进行弯曲挠度测量
// 用于拉伸和弯曲测试的低温夹具
// 压力：max 1bar 载荷：Max 100KN
// 可选：氢气环境
HB100带液氮/液氦持续流动式恒温器
案例3 – 静/动态超低温测试
客户： 欧洲某工厂
配置方案：动态试验机HB100 带液氮浸入式恒温器和低温箱
// LN2浸入式低温恒温器，温度低至-196℃/77K
// 另配温箱温度低至-173℃/100K
// 用于复合材料、塑料和其他材料的超低温环境下动态和静态测试
// 采用低温clip-on引伸计进行伸长率测量
// 采用低温clip-on挠度计进行弯曲挠度测量
// 用于拉伸和弯曲测试的低温夹具
// 压力：max 1bar
HB100带液氮浸入式恒温器和低温箱
鲁公网安备 37140202000173号