1、車載儲(chǔ)氫技術(shù)多元化，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是主流路徑 

1.1、車載儲(chǔ)氫技術(shù)是燃料電池重點(diǎn)突破環(huán)節(jié)

氫能的使用主要包括氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸、應(yīng)用等方面，而決定氫能應(yīng)用 關(guān)鍵的是安全的氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。氫燃料電池車需要滿足、安全、低 成本等要求。氫氣儲(chǔ)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(chǔ)氫技術(shù)的改進(jìn)是未來氫燃料電池車發(fā)展的重點(diǎn)突破環(huán)節(jié)。 

為了達(dá)到性能要求，眾多研究機(jī)構(gòu)對(duì)車載儲(chǔ)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)ju性——質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為 7.5%，體積儲(chǔ) 氫密度為 70 g/L，操作溫度為 40~60 °C。 

目前，氫燃料電池車車載儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、 高壓低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫等。35MPa 氣態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫應(yīng)用 于乘用車;液態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于軍事領(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(chǔ)氫成熟、成本低，是現(xiàn)階段主 要應(yīng)用的儲(chǔ)氫技術(shù)，在行駛里程、行駛速度及加注時(shí)間等方面均能與柴汽油 車相媲美，但如果對(duì)氫燃料電池汽車有更高要求時(shí)，該技術(shù)不適用; 

(2)從質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度分析，液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高， 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(chǔ)氫要差; 

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

1.2、高壓氣態(tài)車載儲(chǔ)氫已達(dá)可使用狀態(tài) 

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是一種常見、應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)氫方式，其利用氣瓶作為儲(chǔ)存 容器，通過高壓壓縮方式儲(chǔ)存氣態(tài)氫。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、能耗相對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能在瞬間開關(guān) 氫氣。 

主流技術(shù)以鋁合金/塑料作為氫瓶?jī)?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(zhǎng)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(shí)(一般超過100°C 時(shí))，會(huì)自動(dòng)打開閥門快速釋放瓶?jī)?nèi)所有氣體。 

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

(1)車用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫 

車用高壓氣態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，于2017 年 1 2 月 29 日發(fā)布，2018 年 7 月 1 日開始實(shí)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(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)注、 包裝運(yùn)輸和存儲(chǔ)等要求，保障了高壓儲(chǔ)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(chǔ)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(shì)下逐步下降。從表2 中 可以發(fā)現(xiàn): 

1) 儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國家教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。 

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(chǔ)氫 

固定式高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用在固定場(chǎng)所，如制氫廠、加氫站以及其他需要 儲(chǔ)存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管和鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐來 儲(chǔ)氫。 

l大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管:石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司 2002 年在國內(nèi) 研制成功 20/25MPa 大容積儲(chǔ)氫長(zhǎng)管，并應(yīng)用于大規(guī)模氫氣運(yùn)輸。長(zhǎng)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(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐:鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐目前有 45Mpa 和 98Mpa 兩種型 號(hào)，如浙大與巨化集團(tuán)制造生產(chǎn)的兩臺(tái)國內(nèi)高壓力等級(jí) 98MPa 立式 高壓儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的影響下，壓縮機(jī)、 儲(chǔ)氣罐單位成本下降幅度較大。根據(jù) Ahmad Mayyas 在論文《Manufacturi ng competitiveness analysis for hydrogen refueling stations》測(cè)算數(shù)據(jù)， 如果需求量每年由 10 家增長(zhǎng)至 100 家，那么單位壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐價(jià)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(chǔ)氫方式尚不成熟 

1.3.1、有機(jī)液體儲(chǔ)氫 

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

1) 反應(yīng)過程可逆，儲(chǔ)氫密度高;

2) 氫載體儲(chǔ)運(yùn)安全方便，適合長(zhǎng)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(chǔ)氫關(guān)鍵在于選擇合適的儲(chǔ)氫介質(zhì)。目前研究中主要采用的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn) 儲(chǔ)氫，具有較高的儲(chǔ)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(chǔ)氫載體。 

液體有機(jī)儲(chǔ)氫材料大的特點(diǎn)就是常溫下為液態(tài)，能夠方便地運(yùn)輸和儲(chǔ)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(chǔ)氫材料，儲(chǔ)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(chǔ)氫材料 已經(jīng)投入應(yīng)用。其推出的新型有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫 

低溫液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)存器中。與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫相比，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的質(zhì)量和體積的儲(chǔ) 氫密度都有大幅度提高，通常低溫液態(tài)儲(chǔ)氫密度可以達(dá)到 5.7%。僅從質(zhì)量 和體積儲(chǔ)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?/span>

在歐美日等國家，液氫應(yīng)用相對(duì)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(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用上都有成熟的經(jīng)驗(yàn)。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(zhǎng)途、重 型商用車，以及加氫站中。 

1.3.3、金屬氫化物儲(chǔ)氫 

金屬氫化物儲(chǔ)氫適用于對(duì)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(chǔ)氫材料時(shí)，能獲得較高的質(zhì)量?jī)?chǔ)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 、Ml0.8 Ca0.2 Ni5 、 Mg2Ni、Ti0.5V0.5Mn、FeTi、Mg2Ni 等 AB5 、A2B、AB 型合金，合金儲(chǔ)氫 材料的操作溫度均偏低，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為 1%~4.5%。 

由于儲(chǔ)氫合金具有安全、無污染、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，已在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)汽車、 潛艇、小型儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫合金提供氫的方式，汽車時(shí)速高達(dá)150 km/h，行駛距離超過 300 公里。 

雖然金屬氫化物儲(chǔ)氫在車上已有應(yīng)用，但與2017 年 DOE 制定的儲(chǔ)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(chǔ)氫還需進(jìn)一步提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫 密度，降低分解氫的溫度與壓力，延長(zhǎng)使用壽命等。 

2、高壓氣態(tài)儲(chǔ)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)與存在一定差距 

當(dāng)前階段上述各種儲(chǔ)氫技術(shù)均已經(jīng)在車載中應(yīng)用，我國與世界xian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?jī)?chǔ)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 35 MPa 和 70 MPa III 型瓶，其中 70MPa III 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(chǔ)氫瓶的要求， 主要依賴進(jìn)口。 

(3)液氫儲(chǔ)罐汽車應(yīng)用發(fā)展緩慢。國外液氫儲(chǔ)罐已在汽車上應(yīng)用，而中國 還未實(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行充氣的周期可能較長(zhǎng)，而 氫氣在高壓下又具有很強(qiáng)的滲透性，所以氫氣儲(chǔ)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(chǔ)存于容器中。因此氣瓶?jī)?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(shí)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(jì)性在儲(chǔ)氫氣瓶制備上具有廣闊的應(yīng)用空間。氣瓶長(zhǎng)期在充 氣放氣條件下使用，內(nèi)膽會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著氣瓶的使用裂紋會(huì)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?jī)?chǔ)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(shí)施能夠適用于 35MPa 和 70MPa 的高壓儲(chǔ)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(cè)試驗(yàn)安全后上車運(yùn)行，而對(duì)于 70MPa IV 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(chǔ)氫密度為 3.9%，而 IV 型(非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)的儲(chǔ)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(shì)。 

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(chǔ)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 35 MPa III 型瓶有成熟產(chǎn)品，但是 35 MPa 氣瓶的續(xù)航里程上 對(duì)比純電動(dòng)車沒有優(yōu)勢(shì)，必須采用 70MPa III 型在燃料電池乘用車上才有續(xù) 航里程的優(yōu)勢(shì)，但是 70MPa III 型瓶國內(nèi)僅有個(gè)別廠家具有成熟產(chǎn)品。 

未來國內(nèi)氫燃料電池汽車市場(chǎng)也將會(huì)升級(jí)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(zhǎng)管拖車 儲(chǔ)運(yùn)成本下降幅度大，35MPa 由 2005 年的 5.26$/kg H2 下降到 2015 年 的 2.69$/kg H2，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(chǔ)運(yùn)成本下降到 2$/kg H2 的目標(biāo)。 

3、碳纖維是制造儲(chǔ)氫瓶的核心材料 

3.1、儲(chǔ)氫瓶等壓力容器是碳纖維主要下游需求之一 

我國對(duì)碳纖維相關(guān)研究始于 20 世紀(jì) 60 年代，與*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(shí)際應(yīng)用時(shí) 會(huì)出現(xiàn)毛絲多、斷絲嚴(yán)重、與樹脂浸潤(rùn)性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。近年來， T700/T800 級(jí)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)用于國防工業(yè)以及高性能民用領(lǐng)域。2018 年碳纖維需求 9.26 萬噸，其中航空航天、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(diǎn)。日本氫能源、氫經(jīng) 濟(jì)，極大地刺激了國內(nèi)市場(chǎng)。為了推廣氫燃料汽車，豐田公司開放了所有相 關(guān)的專li，其目的是形成一個(gè)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、低 成本碳纖維及纏繞成型。氫氣瓶的外層纏繞，會(huì)對(duì)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(duì)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，后 由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的終產(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(duì)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(duì)原絲進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝制得碳纖維，通過對(duì)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、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(diǎn):

(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(zhǎng)、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(chǎng)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(jì)與成型需要一體化，下游領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)需要較長(zhǎng)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(zhǎng)期局限在航空航天和 民用領(lǐng)域。 

(3)日本及歐美領(lǐng)xian企業(yè)壟斷市場(chǎng)。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(zhǎng)，使得上真正具有研發(fā)和生產(chǎn)能力的碳纖 維公司。美國注重原始創(chuàng)新，日本擅長(zhǎng)精細(xì)化生產(chǎn)，在碳纖維產(chǎn)業(yè) 發(fā)展中各具優(yōu)勢(shì)。日本東麗、美國赫克塞爾壟斷航空航天高性能碳纖維市場(chǎng)。 

(4)市場(chǎng)和政府在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。碳纖維與國防工業(yè)密不可分， 市場(chǎng)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(chǎng)為主的模式， 主要依靠大企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)，同時(shí)供應(yīng)民用和國防應(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 于日本東麗在碳纖維行業(yè)具有領(lǐng)xian優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn) T700 級(jí)、T800 級(jí)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(shì)企業(yè)相比存在一定差距。T800 作為碳纖維復(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(jí)和 T1100 級(jí)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)和市場(chǎng)銷售的企業(yè)只有日本 東麗(TORAY)和美國赫克塞爾(HEXCEL)。 

從碳纖維市場(chǎng)的份額劃分看，碳纖維市場(chǎng)依然為日、美企業(yè)所壟斷。日本是全qiu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)xian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(jì)，日本 東麗是唯yi碳纖維產(chǎn)能超過 2 萬噸的企業(yè)，長(zhǎng)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)用于航天航空領(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(jí)別大絲束)，生產(chǎn) 難度大于標(biāo)模小絲束(俗稱 T800 級(jí)別小絲束)。 

在小絲束碳纖維市場(chǎng)上，日本企業(yè)的*占到產(chǎn)能的49%;在大絲束碳纖維市場(chǎng)上，美國企業(yè)的*占到產(chǎn)能的 89%。

3.3、我國碳纖維對(duì)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(zhǎng) 32%，其中進(jìn)口 22000 噸國 產(chǎn) 9000 噸，對(duì)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(duì)外依存度已經(jīng)由 2008 年的 98%下降了 27 個(gè)百分點(diǎn)， 進(jìn)口替代趨勢(shì)有望持續(xù)。 

2018 年統(tǒng)計(jì)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(gè)百分點(diǎn)。2018 年銷量/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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行; 

2018 年，產(chǎn)業(yè)集中度在加速，8 家千噸級(jí)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(shì)會(huì)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、投資建議 

車載儲(chǔ)氫的大規(guī)模推廣依賴于高壓儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶還未真正裝車上路，領(lǐng)xian企業(yè)正在研發(fā)或已具 備量產(chǎn) 70MPa III 型瓶能力，并開始配合車企展開上車實(shí)驗(yàn)。這些企業(yè)擁有 多年氣瓶研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)瞄準(zhǔn)未來氫瓶的廣闊市場(chǎng); 

(2)碳纖維作為儲(chǔ)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)集中度提升和新生產(chǎn)線投放，產(chǎn)品研發(fā)能 力將逐步改善。 

我們認(rèn)為，現(xiàn)階段二級(jí)市場(chǎng)的投資機(jī)會(huì)將更多地以主題投資的方式呈現(xiàn)，應(yīng) 關(guān)注具有氣瓶研發(fā)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)的高壓容器公司，以及聚焦碳纖維品 類、市場(chǎng)率領(lǐng)xian的碳纖維。