【技术干货】碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：国内外高压储氢瓶行业分析
摘 要
目前氢燃料电池乘用车日益引起国家重视，而作为该系统关键组成之一——高压储氢瓶尤其是IV型瓶与国外存在较明显差距，但随着有利政策出台，预计国内将会加大IV型瓶技术研发。
本文主要对比分析了国内外高压储氢瓶技术与产业现状，简述了国内与国外技术水平和产品性能的差距。
《宁波材料所新型碳纤维高压储气瓶通过测试》
《2020年压力容器用碳纤维复合材料市场展望》
《碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用》
《详解国外高压储气瓶的市场供需及生产链条》
《碳纤维气瓶专题1：结构及成本分析》
《碳纤维气瓶专题2：III型、IV型气瓶成本对比》
《碳纤维气瓶专题3：碳纤维强度转换效率》
《碳纤维气瓶专题4：高压气瓶成本测算模型》
《碳纤维气瓶专题5：气瓶低成本化技术》
《碳纤维气瓶专题6：提升储氢容量技术》
储氢技术背景
氢气能源能够以气态、液态、固态三种状态储存，而根据储存机理的不同又可分为高压储氢、液态储氢、固体储氢、有机液态储氢等方式，不同储氢技术的优劣势对比如表1所示，其中高压储氢是应用最广泛的方式，也是目前车用储氢的主流方式。
低温液态储氢主要应用于航空航天等领域，如本公众号前面文章《CFRP在高超音速飞行器低温先进储罐中的应用》介绍的一种用于超音速飞行器的低温储气罐系统；而有机液态储氢和固态储氢技术目前尚处于示范阶段，但由于具有较好的发展前景，因此也是国内外研究热点。
高压储氢作为一种最常见、应用最广泛的储氢方式，其特点在于可利用气瓶作为储存容器，通过高压压缩方式储存气态氢。该技术优势在于成本低、能耗小、充放气速度快等。
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，因此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（即所谓的III型、IV型瓶，表2），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。
国内 70MPa 碳纤维缠绕 IV 型瓶的制备面临主要难题在于技术不成熟、无法规模化生产，因此导致成本极高，据估计125kg 的储氢系统价格上万元，表3显示高压储氢瓶和车载氢系统生产成本与规模之间关系，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%。
国外高压储氢行业现状
目前国外高压储氢瓶应用技术最为成熟的国家为美国和日本，美、日从事复合材料氢气瓶研发与生产代表性企业包括美国 Quantum 公司、美国通用汽车、美国 Impco 公司、日本丰田、日本Jari等，其他法国、加拿大、韩国、德国等也有企业开展70MPaIV瓶生产（表4）。
按照日本丰田公司的设计与规划，燃料类型会取决于车辆的续航里程和尺寸大小，通常而言，短续航里程和小尺寸车辆使用动力电池系统，中等续航里程和中尺寸车辆使用燃油对应的混合动力/插电混合动力系统，而长续航里程和大尺寸车辆则最好使用氢燃料电池系统（图1所示）。
图1 动力系统与汽车尺寸和行驶距离对应关系
丰田Mirai中设计了一种一大一小的两储氢瓶系统，并通过高压方式尽可能多充入一些氢气。并且选择了70MPa的高压储气瓶，两储氢瓶系统容量总计122.4L，能够存储约5kg的氢气，汽车续航里程可达650km（图2）。
丰田Mirai汽车研发成功使其销量增加明显，自 2013 年氢燃料电池车商业化到 2017 年年底，在全球氢燃料电池乘用车总销量的 6475 辆中，丰田 Mirai 占比高达 75%（图3）；而在2017 年， 全球售出 3382 辆氢燃料电池乘用车，丰田 Mirai 更是接近 3000 辆。
图3 日本丰田公司开发Mirai汽车销量情况
国内高压储氢行业现状
目前在高压储氢瓶领域，国内与国外存在较大的差距，如目前国外氢能源汽车已经开始大量使用质量更轻、成本更低、质量储氢密度更高的 IV 型瓶，而国内IV 型瓶还处于研发阶段，目前国内应用比较成熟的产品只有 35 MPa 和 70 MPa III 型瓶，其中 70MPa III 型瓶应用也有限。
在III型、IV型高压气瓶领域，国内技术和产品现状与国外对比如表5所示。虽然目前国内已经广泛应用35MPaIII型瓶，但是加工高压气瓶所使用的关键碳纤维材料大多为进口碳纤维。
国内主要高压储气瓶生产企业生产的III型储氢瓶与国外IV型瓶性能对比如表6所示，从表中可以看出IV型瓶质量轻但质量储氢密度高。同等体积下，压力越大储氢量越高，车辆行驶里程就更远。
在三部委发布的《汽车产业中长期发展规划》，短期内国内储氢技术仍然会以高压储氢为主，因此估计十四五期间，国家在高压储氢瓶领域将会继续发布系列支持政策，尤其是在目前国内与国外技术差距比较明显的情况下，加速提高国内IV型瓶的关键技术和产品水平刻不容缓。
图4 国家发布的氢能源汽车产业中长期发展规划
在IV型高压储氢瓶中碳纤维复合材料系统占比将近80%，而国内大部分高压储气瓶生产企业所用碳纤维仍以国外产品为主，但值得庆幸的是，近年来随着国内碳纤维产业高速发展，已有部分国内碳纤维企业开始进入高压储氢气瓶市场，相信未来国内碳纤维产品大量应用将会为降低IV型瓶成本做出积极贡献。
参考文献来源：
北京市氢燃料电池发动机工程技术研究中心