核心觀點提要

◆車載儲氫技術(shù)是決定未來氫能交通領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的重點。氫能的使用主要包括氫的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸、應(yīng)用等方面，而決定氫能應(yīng)用關(guān)鍵的是安全、高效的氫能儲運(yùn)技術(shù)。氫氣儲存技術(shù)滯后限制了氫能源在各類交通工具上大規(guī)模應(yīng)用，車載儲氫技術(shù)的改進(jìn)是未來氫燃料電池車發(fā)展重點突破環(huán)節(jié)。諸多技術(shù)路線中，高壓氣態(tài)儲氫最成熟、成本最低，未來大規(guī)模推廣需要儲氫瓶工藝提升。

◆國內(nèi)氣瓶制造工藝發(fā)展?jié)摿薮?，未來將向IV型、70MPa氣態(tài)氫過渡。國內(nèi)企業(yè)采用III型(金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)儲氫密度為3.9%，而IV型(非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)的儲氫密度可以達(dá)到5.5%。IV型具有低成本、小重容、輕量化的優(yōu)勢。國內(nèi)在35MPaIII型瓶有成熟產(chǎn)品，但是35MPa氣瓶的續(xù)航里程上對比純電動車沒有優(yōu)勢，需采用70MPaIII型在燃料電池乘用車上才有續(xù)航里程的優(yōu)勢。

◆高端碳纖維材料進(jìn)口依賴，國產(chǎn)化率未來有望提升。氫氣瓶的核心技術(shù)，除了金屬閥門及各類傳感器之外，主要是外層高效、低成本碳纖維及纏繞成型。氫氣瓶的外層纏繞，會對碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)生革命性影響。目前，日本、美國等國家對高端碳纖維技術(shù)形成壟斷，國內(nèi)儲氫瓶廠商需要進(jìn)口，導(dǎo)致儲氫瓶生產(chǎn)成本短期難以大幅下降。隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷突破及產(chǎn)業(yè)集中度的提高，進(jìn)口依賴問題有望逐步緩解。

◆國內(nèi)氣瓶廠加快進(jìn)入儲氫瓶市場，碳纖維材料或是突破口。車載儲氫大規(guī)模推廣依賴于高壓儲氫瓶及碳纖維，該細(xì)分領(lǐng)域目前處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)、法規(guī)仍未成熟。(1)國內(nèi)70MPa高壓儲氫瓶還未真正裝車上路，領(lǐng)先企業(yè)正在研發(fā)或已具備量產(chǎn)70MPaIII型瓶能力，并開始配合車企展開上車實驗。

這些企業(yè)擁有多年氣瓶研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗，同時瞄準(zhǔn)未來氫瓶廣闊市場。(2)碳纖維作為儲氫瓶核心材料之一，技術(shù)被日本、美國壟斷。國內(nèi)大多數(shù)碳纖維企業(yè)所提供產(chǎn)品以中低端碳纖維為主，無法大規(guī)模提供高性能碳纖維。隨著碳纖維行業(yè)集中度提升和龍頭企業(yè)新生產(chǎn)線投放，高端產(chǎn)品研發(fā)能力將逐步改善。

1、車載儲氫技術(shù)多元化，高壓氣態(tài)儲氫是主流路徑

1.1、車載儲氫技術(shù)是燃料電池重點突破環(huán)節(jié)

氫能的使用主要包括氫的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸、應(yīng)用等方面，而決定氫能應(yīng)用關(guān)鍵的是安全高效的氫能儲運(yùn)技術(shù)。氫燃料電池車需要滿足高效、安全、低成本等要求。氫氣儲存技術(shù)滯后限制了氫能源在各類交通工具上大規(guī)模應(yīng)用，車載儲氫技術(shù)的改進(jìn)是未來氫燃料電池車發(fā)展的重點突破環(huán)節(jié)。

為了達(dá)到性能要求，眾多研究機(jī)構(gòu)對車載儲氫技術(shù)提出了新標(biāo)準(zhǔn)，其中美國能源部(DOE)公布的標(biāo)準(zhǔn)最具權(quán)威性——質(zhì)量儲氫密度為7.5%，體積儲氫密度為70g/L，操作溫度為40——60°C。

目前，氫燃料電池車車載儲氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、高壓低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機(jī)液體儲氫等。35MPa氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用于商用車，如城市公交車、物流車、團(tuán)體班車;70MPa氣態(tài)儲氫應(yīng)用于乘用車;液態(tài)儲氫主要應(yīng)用于特種領(lǐng)域，民用推廣需要技術(shù)突破。

(1)從技術(shù)成熟方面分析，高壓氣態(tài)儲氫最成熟、成本最低，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲氫技術(shù)，在行駛里程、行駛速度及加注時間等方面均能與柴汽油車相媲美，但如果對氫燃料電池汽車有更高要求時，該技術(shù)不適用;

(2)從質(zhì)量儲氫密度分析，液態(tài)儲氫、有機(jī)液體儲氫的質(zhì)量儲氫密度最高，能達(dá)到DOE的標(biāo)準(zhǔn)，但兩種技術(shù)均存在成本高等問題，且操作、安全性等較之氣態(tài)儲氫要差;

(3)從成本方面分析，液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機(jī)液體儲氫成本均較高，目前不適合推廣。

1.2、高壓氣態(tài)車載儲氫已達(dá)可使用狀態(tài)

高壓氣態(tài)儲氫是一種最常見、應(yīng)用最廣泛的儲氫方式，其利用氣瓶作為儲存容器，通過高壓壓縮方式儲存氣態(tài)氫。其優(yōu)點是成本低、能耗相對小，可以通過減壓閥調(diào)節(jié)氫氣釋放速度，充放氣速度快，動態(tài)響應(yīng)好，能在瞬間開關(guān)氫氣。

國際主流技術(shù)以鋁合金/塑料作為氫瓶內(nèi)膽用于保溫，外層則用3公分左右厚度的碳纖維進(jìn)行包覆，提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。氫瓶閥門處利用細(xì)長的管道將幾組氫瓶進(jìn)行串聯(lián)，并加裝溫度傳感器等監(jiān)控設(shè)備。安全性方面，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到外界溫度遠(yuǎn)高于正常溫度時(一般超過100°C時)，會自動打開閥門快速釋放瓶內(nèi)所有氣體。

根據(jù)應(yīng)用方式的不同，高壓氣態(tài)儲氫分為車用高壓氣態(tài)儲氫和固定式高壓氣態(tài)儲氫。

(1)車用高壓氣態(tài)儲氫

車用高壓氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用于車載系統(tǒng)，大多使用金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(III型)和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(IV型)。當(dāng)前國內(nèi)車載系統(tǒng)中主要以III型瓶為主，國內(nèi)有科泰克、北京天海、沈陽斯林達(dá)、中材、富瑞特裝等多家車用氫瓶生產(chǎn)企業(yè)。

我國已經(jīng)完成能夠適用于35MPa和70MPa的高壓儲氫瓶的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，于2017年12月29日發(fā)布，2018年7月1日開始實施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)注、包裝運(yùn)輸和存儲等要求，保障了高壓儲氫氣瓶的安全性。

車載氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要部件，由儲氫瓶及輔助系統(tǒng)(BOP)兩部分組成。隨著生產(chǎn)量的擴(kuò)大，單位成本將在規(guī)模優(yōu)勢下逐步下降。從表2中可以發(fā)現(xiàn):

1)儲氫瓶成本結(jié)構(gòu)中，濕法纏繞(碳纖維外層覆蓋)占比接近90%;

2)輔助系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)中，組裝費(fèi)用占比極低;

3)如果生產(chǎn)規(guī)模由1萬套/年提升至50萬套/年，車載氫系統(tǒng)總成本將下降38%，其中儲氫瓶與輔助系統(tǒng)成本下降幅度分別為20%/64%;碳纖維成本占比由45%上升至62%，成為影響最大的成本要素;

金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(III型):以6061鋁合金為內(nèi)膽外面全纏繞碳纖維，我國已開發(fā)35MPa和70MPa。其中35MPa已被廣泛用于氫燃料電池汽車，70MPa正逐步推廣。沈陽斯林達(dá)“70MPa高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目獲得了國家教育部科技進(jìn)步一等獎。

塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(IV型):以塑料內(nèi)膽外面全纏繞碳纖維，國外乘用車以該類型為主，如日本豐田、挪威Hexagon。

(2)固定式高壓氣態(tài)儲氫

固定式高壓氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用在固定場所，如制氫廠、加氫站以及其他需要儲存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲氫長管和鋼帶錯繞式儲氫罐來儲氫。

l大直徑儲氫長管:石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司2002年在國內(nèi)率先研制成功20/25MPa大容積儲氫長管，并應(yīng)用于大規(guī)模氫氣運(yùn)輸。長管氣瓶材料為鉻鉬鋼4130X，強(qiáng)度高，具有良好的抗氫脆能力。

l鋼帶錯繞式儲氫罐:鋼帶錯繞式儲氫罐目前有45Mpa和98Mpa兩種型號，如浙大與巨化集團(tuán)制造生產(chǎn)的兩臺國內(nèi)最高壓力等級98MPa立式高壓儲罐，安裝在江蘇常熟豐田加氫站中。

目前單座加氫站投資規(guī)模(不包括土地)約1500萬人民幣，固定投資主要包括壓縮機(jī)、儲氣罐、分配器、預(yù)冷器等設(shè)備及安裝費(fèi)用，占比分別為13%/18%/13%/7%/20%。

隨著市場規(guī)模的擴(kuò)大，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的影響下，壓縮機(jī)、儲氣罐單位成本下降幅度較大。根據(jù)AhmadMayyas在論文《Manufacturingcompetitivenessanalysisforhydrogenrefuelingstations》測算數(shù)據(jù)，如果需求量每年由10家增長至100家，那么單位壓縮機(jī)、儲氣罐價格將由14.5/32萬美元下降至4.6/17.6萬美元。

1.3、其他車載儲氫方式尚不成熟

1.3.1、有機(jī)液體儲氫

有機(jī)液體儲氫技術(shù)借助某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲氫劑和氫氣產(chǎn)生可逆反應(yīng)實現(xiàn)加氫和脫氫。與常見的高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體儲氫材料儲氫相比，有機(jī)液體儲氫具有以下特點:

1)反應(yīng)過程可逆，儲氫密度高;

2)氫載體儲運(yùn)安全方便，適合長距離運(yùn)輸;

3)可利用現(xiàn)有汽油輸送管道、加油站等基礎(chǔ)設(shè)施。

有機(jī)液體儲氫關(guān)鍵在于選擇合適的儲氫介質(zhì)。目前研究中主要采用的儲氫介質(zhì)包括環(huán)乙烷、乙基咔唑等。環(huán)己烷利用苯-氫-環(huán)己烷可逆化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)儲氫，具有較高的儲氫能力，在常溫下為液態(tài)，脫氫產(chǎn)物苯在常溫常壓下也是液態(tài)，方便運(yùn)輸。甲基環(huán)己烷脫氫產(chǎn)生氫氣和甲苯，且甲基環(huán)己烷和甲苯在常溫常壓下都是液體，因此，甲基環(huán)己烷也是比較理想的儲氫載體。

液體有機(jī)儲氫材料最大的特點就是常溫下為液態(tài)，能夠方便地運(yùn)輸和儲存。武漢氫陽研發(fā)了一種稠雜環(huán)有機(jī)分子作為有機(jī)液體儲氫材料，儲氫高達(dá)58g/L，并可在常溫常壓下利用管道、槽罐車等運(yùn)輸。該有機(jī)液體儲氫材料已經(jīng)投入應(yīng)用。其推出的新型有機(jī)液態(tài)儲氫材料安全指標(biāo)遠(yuǎn)高于汽油、柴油等傳統(tǒng)能源。

1.3.2、低溫液態(tài)儲氫

低溫液態(tài)儲氫技術(shù)是將氫氣壓縮后冷卻到-252°C以下，使之液化并存放在絕熱真空儲存器中。與高壓氣態(tài)儲氫相比，低溫液態(tài)儲氫的質(zhì)量和體積的儲氫密度都有大幅度提高，通常低溫液態(tài)儲氫密度可以達(dá)到5.7%。僅從質(zhì)量和體積儲氫密度分析，運(yùn)輸能力是高壓氣態(tài)氫氣運(yùn)輸?shù)氖兑陨稀?/p>

在歐美日等國家，液氫應(yīng)用相對比較成熟，在運(yùn)輸、加氫站和車載中都有應(yīng)用。我國液氫目前主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，以及少數(shù)的電子行業(yè)。航天101所在液氫的制備、儲運(yùn)、應(yīng)用上都有成熟的經(jīng)驗。相關(guān)部門正在研究制定液氫民用標(biāo)準(zhǔn)，車用液氫技術(shù)研究正在進(jìn)行中，未來液氫將應(yīng)用在一些長途、重型商用車，以及加氫站中。

1.3.3、金屬氫化物儲氫

金屬氫化物儲氫適用于對重量不敏感領(lǐng)域，該技術(shù)利用過渡金屬或稀土材料與氫反應(yīng)，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫。當(dāng)金屬單質(zhì)作為儲氫材料時，能獲得較高的質(zhì)量儲氫密度，但釋放氫氣的溫度高，一般超過300°C。為了降低反應(yīng)溫度，目前主要使用LaNi5、Ml0.8Ca0.2Ni5、Mg2Ni、Ti0.5V0.5Mn、FeTi、Mg2Ni等AB5、A2B、AB型合金，合金儲氫材料的操作溫度均偏低，質(zhì)量儲氫密度為1%——4.5%。

由于儲氫合金具有安全、無污染、可重復(fù)利用等優(yōu)點，已在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)汽車、特種、小型儲氫器及燃料電池車中開發(fā)應(yīng)用。浙江大學(xué)成功開發(fā)了燃用氫-汽油混合燃料城市節(jié)能公共汽車，其使用的是Ml0.8Ca0.2Ni5合金儲氫材料，在汽油中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的氫，使內(nèi)燃機(jī)效率提高14%，節(jié)約汽油30%。日本豐田汽車公司采用儲氫合金提供氫的方式，汽車時速高達(dá)150km/h，行駛距離超過300公里。

雖然金屬氫化物儲氫在車上已有應(yīng)用，但與2017年DOE制定的儲氫密度標(biāo)準(zhǔn)相比，差距仍較大。將其發(fā)展成為商業(yè)車載儲氫還需進(jìn)一步提高質(zhì)量儲氫密度，降低分解氫的溫度與壓力，延長使用壽命等。

2、高壓氣態(tài)儲氫應(yīng)用依賴于車載氫瓶技術(shù)

2.1、我國氣瓶制造技術(shù)與國際存在一定差距

當(dāng)前階段上述各種儲氫技術(shù)均已經(jīng)在車載中應(yīng)用，我國與世界先進(jìn)國家相比仍然存在一定差距:

(1)國內(nèi)IV型瓶研發(fā)滯后。國外乘用車已經(jīng)開始使用質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量儲氫密度更高的IV型瓶，而中國IV型瓶還處于研發(fā)階段，成熟產(chǎn)品只有35MPa和70MPaIII型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用車樣車上應(yīng)用。

(2)碳纖維依賴進(jìn)口。中國制造的III型瓶的主要原材料為碳纖維，由于研發(fā)起步晚、原材料性能差等原因，國產(chǎn)碳纖維還不能滿足車用儲氫瓶的要求，主要依賴進(jìn)口。

(3)液氫儲罐汽車應(yīng)用發(fā)展緩慢。國外液氫儲罐已在汽車上應(yīng)用，而中國還未實現(xiàn)。通用汽車、福特汽車、寶馬汽車等都推出了使用車載液氫儲罐供氫的概念車，而中國可以自行生產(chǎn)液氫，但尚未將其應(yīng)用于車載氫系統(tǒng)。

儲氫氣瓶發(fā)展已有50多年的歷史，從鋼瓶到全復(fù)合材料氣瓶的研制成功，實現(xiàn)了向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕的巨大轉(zhuǎn)變。近年來，70MPa儲氫復(fù)合材料氣瓶已經(jīng)進(jìn)入示范使用階段。國外從事復(fù)合材料氫氣瓶研發(fā)與生產(chǎn)代表性企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有美國Quantum公司、美國通用汽車、美國Impco公司、加拿大Dynetek公司、法國空氣化工產(chǎn)品公司、日本汽車研究所和日本豐田公司等。

2.2、國內(nèi)以III型氣瓶為主，未來需向IV型過渡

復(fù)合材料儲氫氣瓶由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護(hù)層、緩沖層。

(1)國內(nèi)內(nèi)襯材料多選用鋁合金。儲氫氣瓶進(jìn)行充氣的周期可能較長，而氫氣在高壓下又具有很強(qiáng)的滲透性，所以氫氣儲罐內(nèi)襯材料要有良好的阻隔功能，以保證大部分的氣體能夠儲存于容器中。因此氣瓶內(nèi)膽多選用鋁合金材料，這是由于其與氫氣良好的相容性和抗腐蝕性能。鋁合金材料的低密度、高比強(qiáng)度能夠在保障強(qiáng)度的前提下使氣瓶更加輕便。鋁合金材料還擁有很好的導(dǎo)熱性能，在遇到意外事故發(fā)生燃燒時通過將熱量傳遞到閥門的易熔合金塞處，在高熱條件下使其熔化安全泄壓防止爆炸。

(2)纖維纏繞層選用碳纖維作為增強(qiáng)材料。高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術(shù)而制備的復(fù)合材料氣瓶不僅結(jié)構(gòu)合理、重量輕，而且良好的工藝性和可設(shè)計性在儲氫氣瓶制備上具有廣闊的應(yīng)用空間。氣瓶長期在充氣放氣條件下使用，內(nèi)膽會產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著氣瓶的使用裂紋會不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致氣瓶的失效形式表現(xiàn)為“未爆先漏”。

車用氣瓶共分為四種類型:全金屬氣瓶(I型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(II型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III型)、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。I型和II型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質(zhì)量儲氫密度要求，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。采用金屬內(nèi)膽的III型氣瓶為我國在高壓氫氣瓶領(lǐng)域的主要研究方向。

目前我國已經(jīng)實施能夠適用于35MPa和70MPa的高壓儲氫瓶的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)70MPaIII型瓶可經(jīng)過檢測試驗安全后上車運(yùn)行，而對于70MPaIV型瓶法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)尚未做出明確規(guī)定。

國內(nèi)企業(yè)采用III型(金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)儲氫密度為3.9%，而IV型(非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)的儲氫密度可以達(dá)到5.5%。通過相同外徑、容積和壓力(70MPa)的III型與IV型氫氣瓶進(jìn)行比較可以清楚發(fā)現(xiàn)，IV型具有低成本、小重容、輕量化的優(yōu)勢。

2.3、國內(nèi)以35MPa氣態(tài)氫為主，未來需向70MPa過渡

同等體積下，壓力越大儲氫量越高，車輛行駛里程就更遠(yuǎn)。現(xiàn)階段國內(nèi)主流氫燃料電池汽車使用的都是35MPa氣態(tài)氫，歐、美、日國家則是以70MPa為主。國內(nèi)在35MPaIII型瓶有成熟產(chǎn)品，但是35MPa氣瓶的續(xù)航里程上對比純電動車沒有優(yōu)勢，必須采用70MPaIII型在燃料電池乘用車上才有續(xù)航里程的優(yōu)勢，但是70MPaIII型瓶國內(nèi)僅有個別廠家具有成熟產(chǎn)品。

未來國內(nèi)氫燃料電池汽車市場也將會升級使用70MPa壓力的氣態(tài)氫，關(guān)鍵還在于成本。根據(jù)美國能源局(DOE)研究數(shù)據(jù)，自2005年以來長管拖車儲運(yùn)成本下降幅度最大，35MPa由2005年的5.26$/kgH2下降到2015年的2.69$/kgH2，但同期與70MPa相比成本高出10%左右。2020年美國能源局提出70MPa儲運(yùn)成本下降到2$/kgH2的目標(biāo)。

3、高端碳纖維是制造儲氫瓶的核心材料

3.1、儲氫瓶等壓力容器是碳纖維主要下游需求之一

我國對碳纖維相關(guān)研究始于20世紀(jì)60年代，與國外先進(jìn)企業(yè)存在較大差距，主要體現(xiàn)在原絲自主創(chuàng)新不足、質(zhì)量可控性低、生產(chǎn)設(shè)備與工藝需完善等方面。

盡管國產(chǎn)碳纖維單絲性能良好，但其絲束均一性難以保證，實際應(yīng)用時會出現(xiàn)毛絲多、斷絲嚴(yán)重、與樹脂浸潤性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。近年來，T700/T800級國產(chǎn)碳纖維研究與工程化取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但國產(chǎn)碳纖維要廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料氣瓶行業(yè)，在纏繞工藝性及復(fù)合材料中強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率等方面還需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

碳纖維是由有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈機(jī)構(gòu)的無機(jī)纖維，是一種含碳量高于90%的無機(jī)纖維。按照原絲種類分類:碳纖維的原絲主要有聚丙烯腈(PAN)原絲、瀝青纖維和粘膠絲，由這三大類原絲生產(chǎn)出的碳纖維分別稱為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維占據(jù)主流地位，2018年產(chǎn)量占碳纖維總量的90%以上，粘膠基碳纖維還不足1%。

碳纖維不僅具有高強(qiáng)度(強(qiáng)度比密度)及高比剛度(模量比密度)性能，還具有耐腐蝕、耐疲勞等特性，廣泛應(yīng)用于特種工業(yè)以及高性能民用領(lǐng)域。2018年全球碳纖維需求9.26萬噸，其中特種航天、風(fēng)電葉片、體育休閑占比居前，分別為23%/23%15%。壓力容器的碳纖維需求為6200噸，占比7%。

壓力容器，尤其是燃料電池所需的氫氣瓶是未來的熱點。日本氫能源、氫經(jīng)濟(jì)，極大地刺激了國內(nèi)市場。為了推廣氫燃料汽車，豐田公司開放了所有相關(guān)的專利，其目的是形成一個新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

氫氣瓶的核心技術(shù)，除了金屬閥門及各類傳感器之外，主要是外層高效、低成本碳纖維及纏繞成型。氫氣瓶的外層纏繞，會對碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)生革命性影響。若未來燃料電池車大規(guī)模推廣，將極大提升碳纖維需求。汽車公司對碳纖維及復(fù)合材料工藝的成本控制將更加嚴(yán)苛，這將促進(jìn)碳纖維低成本制備技術(shù)的進(jìn)步。其次是成型效率問題，現(xiàn)有的濕法纏繞設(shè)備，需要在材料形態(tài)與效率上進(jìn)行革命性的創(chuàng)新，才能滿足批量氫氣瓶的需求。

完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過程。從石油、煤炭、天然氣均可以得到丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈(PAN)原絲，再經(jīng)過預(yù)氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料，作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的原材料;碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復(fù)合材料，最后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終產(chǎn)品。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游和下游。上游通常是指生產(chǎn)碳纖維專用的材料;下游通常是指生產(chǎn)碳纖維應(yīng)用部件的產(chǎn)品。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游屬于石油化工行業(yè)，主要通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈。碳纖維企業(yè)通過對以丙烯腈為主的原材料進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝制得碳纖維，通過對碳纖維和高質(zhì)量樹脂加工以獲得碳纖維復(fù)合材料從而滿足應(yīng)用需求。

3.2、高端碳纖維制造產(chǎn)業(yè)被美、日壟斷

碳纖維行業(yè)發(fā)展空間巨大，與其他制造業(yè)相比具有如下特點:

(1)碳纖維行業(yè)屬于資本和技術(shù)密集型行業(yè)，行業(yè)壁壘高。碳纖維屬于高技術(shù)密集型產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、研發(fā)周期長、資金投入大，行業(yè)壁壘高。

(2)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，潛在市場逐步成熟。碳纖維下游應(yīng)用技術(shù)開發(fā)難度較高，碳纖維與樹脂、上漿劑等材料之間工藝參數(shù)必須系統(tǒng)配合，復(fù)合材料設(shè)計與成型需要一體化，下游領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)需要較長的研發(fā)過程。加之研發(fā)投入大、生產(chǎn)成本高，導(dǎo)致碳纖維應(yīng)用范圍長期局限在特種航天和高端民用領(lǐng)域。

(3)日本及歐美領(lǐng)先企業(yè)壟斷全球市場。由于碳纖維生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、研發(fā)投入巨大、研發(fā)周期較長，使得國際上真正具有研發(fā)和生產(chǎn)能力的碳纖維公司屈指可數(shù)。美國注重原始創(chuàng)新，日本擅長精細(xì)化生產(chǎn)，在碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中各具優(yōu)勢。日本東麗、美國赫克塞爾壟斷特種航天高性能碳纖維市場。

(4)市場和政府在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。碳纖維與特種工業(yè)密不可分，市場和政府在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。美國和日本采取以市場為主的模式，主要依靠大企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)，同時供應(yīng)民用和特種應(yīng)用領(lǐng)域。

拉伸強(qiáng)度和拉伸模量是衡量碳纖維性能的兩大重要指標(biāo)。我國已于2011年頒布了《聚丙烯腈(PAN)基碳纖維國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T26752-2011)》，由于日本東麗在全球碳纖維行業(yè)具有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢，國內(nèi)一般采用日本東麗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。國內(nèi)部分碳纖維企業(yè)基本實現(xiàn)T700級、T800級碳纖維技術(shù)突破，但穩(wěn)定性、產(chǎn)品離散度等指標(biāo)與國外優(yōu)勢企業(yè)相比存在一定差距。T800作為高端碳纖維復(fù)合材料主要用于飛機(jī)、汽車制造以及壓力容器等領(lǐng)域。全球?qū)崿F(xiàn)T1000級和T1100級碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)和市場銷售的企業(yè)只有日本東麗(TORAY)和美國赫克塞爾(HEXCEL)。

從全球碳纖維市場的份額劃分看，國際碳纖維市場依然為日、美企業(yè)所壟斷。日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本公司手中，其生產(chǎn)的碳纖維無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位。日本代表企業(yè)包

括日本東麗、日本東邦和日本三菱麗陽等，其他地區(qū)的主要廠商包括美國的赫克塞爾、卓爾泰克以及德國的西格里等。根據(jù)CCeV的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，日本東麗是全球唯一碳纖維產(chǎn)能超過2萬噸的企業(yè)，長期為波音公司和空中客車公司主要的穩(wěn)定供貨商。

根據(jù)模量可以分為4大類碳纖維品種，包括標(biāo)模(小絲束)、標(biāo)模(大絲束)、中模量、大模量。其中后兩種碳纖維主要應(yīng)用于航天特種領(lǐng)域，2018年中模量1.69萬噸及高模量0.12萬噸的需求中，有95%以上來自波音、空客等航天公司。從產(chǎn)業(yè)角度來看，標(biāo)模大絲束(俗稱T300級別大絲束)，生產(chǎn)難度大于標(biāo)模小絲束(俗稱T800級別小絲束)。

在小絲束碳纖維市場上，日本企業(yè)的市場份額占到全球產(chǎn)能的49%;在大絲束碳纖維市場上，美國企業(yè)的市場份額占到全球產(chǎn)能的89%。

3.3、我國碳纖維對外依存度超過70%，產(chǎn)能集中度逐步提高

2018年中國碳纖維的總需求31000噸同比增長32%，其中進(jìn)口22000噸國產(chǎn)9000噸，對外依存度高達(dá)71%。從歷史數(shù)據(jù)看，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)起步較晚，但隨著技術(shù)追趕對外依存度已經(jīng)由2008年的98%下降了27個百分點，進(jìn)口替代趨勢有望持續(xù)。

2018年統(tǒng)計全國的理論產(chǎn)能為26800噸，銷量/產(chǎn)能比為33.6%，同比上年提升5.1個百分點。2018年全球銷量/產(chǎn)能比為59.8%，我國整體銷售/產(chǎn)能比較低，主要原因:

(1)部分老生產(chǎn)線缺乏運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益而停產(chǎn);(2)部分生產(chǎn)線技術(shù)水平低，不能長期穩(wěn)定運(yùn)行;

2018年，產(chǎn)業(yè)集中度在加速，8家千噸級碳纖維企業(yè)的理論產(chǎn)能已經(jīng)占到全國的87%，產(chǎn)業(yè)集中度的趨勢會越來越強(qiáng):

(1)產(chǎn)能千噸以上:8家公司。

(2)產(chǎn)能在500-1000噸之間:4家公司

(3)產(chǎn)能在100-500噸之間:5家公司

(4)產(chǎn)能在100噸以下:2家公司

4、建議

車載儲氫的大規(guī)模推廣依賴于高壓儲氫瓶及碳纖維，該細(xì)分領(lǐng)域目前處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)、法規(guī)仍未成熟。

(1)國內(nèi)70MPa高壓儲氫瓶還未真正裝車上路，領(lǐng)先企業(yè)正在研發(fā)或已具備量產(chǎn)70MPaIII型瓶能力，并開始配合車企展開上車實驗。這些企業(yè)擁有多年氣瓶研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗，同時瞄準(zhǔn)未來氫瓶的廣闊市場;

(2)碳纖維作為儲氫瓶核心材料之一，技術(shù)被日本、美國壟斷。國內(nèi)大多數(shù)碳纖維企業(yè)所提供產(chǎn)品以中低端碳纖維為主，無法大規(guī)模提供高性能碳纖維。隨著碳纖維行業(yè)集中度提升和龍頭企業(yè)新生產(chǎn)線投放，高端產(chǎn)品研發(fā)能力將逐步改善。