2022车载供氢系统产业发展蓝皮书-势银.pdf-solarbe文库

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1 氢能一直以来都是全球能源界关注的重点，燃料电池汽车则是氢能应用与发展道路上的重要领域之一。作为具有战略意义的清洁能源，全球多个国家已经将其纳入国家战略规划中，并加快推进燃料电池汽车商业化示范和应用，如日本、韩国及欧洲部分国家，中国也明确将氢能写入中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要中。自 2017年以来，中国氢能与燃料电池汽车发展极为迅速。截至 2022 年 6 月底，国内燃料电池汽车保有量已超 10000 辆，累计销量 9487 辆； 2022 年上半年，国内燃料电池汽车销量为 1033辆，同比 2021 上半年的 637辆大幅提升，增幅达 62。车载供氢系统是氢燃料电池车的关键组成部分，主要功能有两点一是储存氢气，二是车辆行驶过程中向电堆（即化学能转化为电能部件）提供满足压力、流量需求的氢气。氢气属于易燃易爆且小分子易泄漏气体，因而在整个调压输送过程中，密封是很重要的环节。同时，电堆对于氢气流量的稳定输送以及快速响应流量需求变化有较高要求，而且供氢系统中调压模块的设计可以有效改善氢燃料利用效率，因而供氢系统的设计对燃料电池整车的安全与稳定性具有重要意义。高压气态储氢具有结构简单，充放氢速度快等优点，是目前最主要的车载储氢方案。车载储氢瓶与工业气瓶的服役要求，工作环境不同，具备的特点也不同，其特点主要包含体积受限，充装要求特殊，服役时间长，使用环境复杂等。储氢瓶一共有四类，依次被称为 I型、 II型、 III型与 IV型瓶。目前，轻量化，高密度已成为车载储氢瓶的主要要求，故 III型瓶与 IV型瓶已成为各大厂家生产的主要类型。 2 随着燃料电池汽车市场逐步火热，供氢系统产业链也逐步迎来了产业降本期，众多国产企业纷纷入局，零部件供应企业也在逐步增多，供氢系统市场规模正在快速提高。势银（ TrendBank）作为国内最早从事氢能与燃料电池产业研究的咨询机构，深耕氢能产业多年，结合已有研究及产业最新动态编写蓝皮书，重点介绍供氢系统技术、市场、供应链现状，为业内企业、政府、投资机构等服务，让业界更多的了解和关注中国供氢系统产业发展情况。 3 4 序言近期很多人在问，氢燃料电池车何时才能商业化、市场化我想对于每一位投身于氢能行业的人来说，这个问题只有一个答案厉兵秣马，蓄势待发。近年，氢能在交通领域的热度逐年上升，比如围绕燃料电池关键材料和核心技术的加速攻关，以城市客运、重卡、物流等商用车型为先导逐步开展的规模化示范运行，以及加氢基础设施建设的提速等。 2022年北京绿色冬奥的成功举办，更是以燃料电池汽车为代表的氢能交通系统发展的示范性体现。冬奥的微火点燃了中国冬季运动的蓬勃发展的信心，同时也点亮了中国重视氢能产业、努力完成脱碳目标的信心。作为氢燃料电池车的关键部件，车载供氢系统直接影响到汽车的性能与安全。当更多人的焦点聚焦在燃料电池系统时，中材科技（苏州）有限公司与势银（ TrendBank）联合推出 2022车载供氢系统产业发展蓝皮书，也是希望让行业内外越来越多的人，关注车载供氢系统、储氢气瓶的发展，推动该环节的技术进步与新型产品的不断涌现。希望很快，更安全、更高效、更轻量化的储氢气瓶、供氢系统应用在越来越多的乘用车上，走进百姓人家。 5 序言在双碳目标及“十四五”氢能产业政策指导下，氢能发展前景一片向好。氢能作为清洁智慧能源体系中能源储存和转换的二次能源载体，各示范城市群纷纷将氢能及氢燃料电池产业作为新经济增长点，并相继建立了一系列示范和商业运行。作为国内绿氢装备“制、储、运、加”全产业链整体解决方案提供商之一，国富氢能在此之前便已经开始了绿氢探索之旅，并在绿氢版图上留下了专属印记。在 2021 年，国富氢能正式成立了水电解装置事业部。该事业部的设立，不仅促进了国富氢能液氢战略的进一步完善，还将促使国富氢能液氢全产业链进一步升级为绿氢全产业链，其工作重点是实现 MW 级电解槽和制氢装置的批量化生产制造与服务。氢能产业链各环节紧密相连，国富氢能与势银（ Trendbank）联合发布 2022 车载供氢系统产业发展蓝皮书，聚焦于氢能储运及利用的关键环节，将与新能源领域各方从业者及研究人员一道，共同探索氢能市场化的经验及发展路径，为推动氢能产业链高质量发展做出贡献。 6 7 8 9 10 11 12 13 中国车用燃料电池的研发经过了四个五年计划的积累，并在 863 计划的相关重大科技专项和项目支持下，中国基本初步掌握了燃料电池汽车整车开发及动力系统集成的关键技术，基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台，并开展了多层次的燃料电池汽车示范运营，随着五大城市群落地，燃料电池发展步入高速发展新篇章。截至 2022 年 7 月，中国燃料电池汽车保有量近 11000 辆。其中 2022 年 1 月至 2022 年 7 月份，国内燃料电池汽车上牌装车量达 1617 辆，已接近 2021 年整年度的销量（ 1862 辆）。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 2017 2018 2019 2020 2021 20221-7月上牌装车量（辆 14 氢燃料电池汽车的结构主要包括燃料电池系统、车载供氢系统及动力电池，其核心为燃料电池系统。燃料电池车上的燃料电池系统也称为燃料电池发动机，主要由氢气循环子系统、空气供应子系统、水热管理子系统、燃料电池电堆和控制子系统组成。车载氢气供给系统是氢燃料电池车的关键组成部分，主要功能有两点，一是储存氢气，二是车辆行驶过程中向电堆（即化学能转化为电能部件）提供满足压力、流量需求的氢气。氢气属于易燃易爆且小分子易泄漏气体，因而在整个调压 15 输送过程密封是很重要的环节。同时，电堆对于氢气流量的稳定输送以及快速响应流量需求变化有较高要求，而且供给系统中循环换系统的设计可以有效改善氢燃料利用效率，因而氢气供给系统的设计对燃料电池具有重要意义。供氢系统由瓶口阀、过流阀、过滤器、减压阀、泄压阀、截止阀、气水分离器及管路和接头组成，根据系统需求不同还配有单向阀、压力感应器等。如图 3 车载供氢系统原理图所示，氢气由高压储氢瓶释出，经瓶口阀检测温度压力，限流阀检测流量，确认这些气体参数是否在设计允许范围内，否则启动温度紧急泄控装置或过流泄压装置。之后，高压过滤器净化气体，拦截杂质使其不至于污染电堆。根据减压阀性能及瓶口压力的不同设计一级或二级减压，调节氢气压力，为电堆前最后一级减压稳压装置提供足够流量合适压力的氢气。阀后设置了过压泄压阀以防止减压阀失效导致高压气体损坏阀后器件，手动排放阀则为了实验结束在电堆前有泄放管内残余气体的出口。在保证氢气路出口的氢气浓度足够的前提下，为了提高氢气利用率，氢气尾排经历了直排、脉冲排等阶段。 16 氢气供给系统主要性能需求在以下三个方面 1）管路接口处的高压静密封及阀门密封其重点在于保证管路、阀门泄漏率在规定范围内，同时要求接头密封性能好，拆装方便，且成本较低。主要采用方式有锥管螺纹密封、球面密封以及平面密封。 2）减压阀减压稳压性能其重点在于要求减压跨度大，不同流量和阀前压力下减压阀后端压力波动小，同时由于多级减压以及安全保护阀门造成的体积过大，需要对减压模块进行集成以减小体积。 3）管道阀门洁净度其关键在于选取管道精度等级以及阀门对气体介质纯度影响程度。车载氢系统根据其功能性可以分为 3 个模块，分别是储氢模块、加氢模块、调压模块。储氢模块的重要零部件是高压复合材料气瓶，气瓶框架及低压连接管路 ;加氢模块中主要零部件是加氢口、过滤器及单向阀等功能部件 ;而调压模块中最重 17 要的零部件是减压阀和高压管接头，此外还包含有过滤器、低压泄放阀及排气截止阀等功能部件。管路由于高压氢气这样的特殊环境，系统中使用的气体管路采用 316L 不锈钢，耐压等级也是符合相关标准管路电磁阀在给氢气瓶充气时，可有效防止气体进入燃料电池。瓶口阀集成瓶口阀中包括 TPRD、电磁阀、压力传感器、温度传感器等功能部件热熔栓（ TPRD）设置在高压氢瓶内，可防止周边着火导致氢瓶发生爆炸。 18 一旦温度传感器检测到储氢瓶周边温度过高，则氢瓶内的热熔栓将熔化，使氢气低流速释放，如果周边有火源，只出现氢气缓慢燃烧而避免爆燃情况发生。气瓶电磁阀气瓶电磁阀为 12V 直流电源驱动，无电源时处于常闭状态，主要起开关气瓶的作用，与氢气泄漏报警系统联动。当系统正常通电工作时，电池阀处于开启状态，一旦泄漏氢气浓度达到保护值则自动关闭，从而达到切断氢源的目的。气瓶安全阀当储氢瓶氢气压力超过设定值后能自动泄压。例如在瓶体温度由于某种原因突然升高造成瓶内气体压力升高，使压力超过安全阀设定值时，安全阀自动泄压，保证气瓶在安全的工作压力范围之内。压力传感器用于判断气瓶中剩余氢气量，保证车辆的正常行驶。当压力低于某值时可以提示驾驶员加注氢气。温度传感器通过气体温度的变化判断外界是否有异常情况发生。如果气体温度突然急剧上升时，若非温度传感器故障，则在气瓶周围可能有火警发生，可通过氢系统控制器立即报警。加氢口在加注时与加氢机的加气枪相连，加氢口集成有加氢嘴、过滤器及单向阀等功能部件。 1 过滤器一般在供氢管路减压阀前，会配置一个过滤精度更高的 T 型过滤器，此过滤器主要功能是净化氢气，拦截颗粒杂质，防止污染电堆，同时考虑到减压阀的密封对颗粒杂质比较敏感，此过滤器也起到了保护减压阀的作 19 用。 2 单向阀在加气口损坏时，阻止气体向外泄漏。 4. 减压阀将氢气的压力调节到燃料电池所需要的压力。当出现异常情况，可以与针阀、安全阀联动将氢气瓶中的残余氢气安全放空。为了保证供氢管路的性能，燃料电池汽车在不同工况下，无论氢气消耗造成进口压力衰减或氢气流量发生怎样变化，减压阀都应保证输出压力的稳定。 1 过流阀是一种安全保护装置。当过流阀两端压差过大时，该阀可以起到限制气体流量的作用，主要是防止管路产生破裂等意外。通常建议该阀的安装位置是紧邻储氢瓶出口。 2 手动截止阀通常处于常开状态，当气瓶电磁阀失效时可以手动切断氢源。电磁阀和手动截止阀联合作用，可有效地避免了氢气泄漏。追溯到关键基础材料、核心基础零部件、元器件的层面，部分批量化产品的应用仍需依赖进口。依赖进口的原因主要有两个，一是国内产业链尚存空白；二是国内有供应商，但产品性能或供应商配套能力不能满足要求。下图所示是 35MPa 车载供氢系统产业链，图中红色阴影部分的产品是目前国内产业空白，完全依赖进口；灰色阴影部分代表国内虽然有相应产品，但由于性能不足或车标配套能力不足，目前阶段也主要依赖于进口。在车载供氢系统核心部件方面，国内目前主要掌握的是低压管路及车载储氢瓶的集成。 20 目前 35MPa 供氢系统产业链绝大部分已经实现国产化或正在实现国产替代，而 70MPa 供氢系统由于其压力更高，对于产品质量和性能提出了更高要求。目前， 70MPa 供氢系统产业链零部件绝大部分为进口产品，下表列举 70MPa 车载供氢系统产业链产品概况及发展建议。 21 22 高压储氢技术具有结构简单，充放氢速度快等优点，是目前最主要的车载储氢方案。车载储氢瓶与工业气瓶的服役要求、工作环境不同，其具有以下特点车载储氢瓶在汽车上固定安装，受车内空间限制，容积一般不会超过 450L。此外，各类车型对车载储氢瓶的体积提出了更多要求。例如，在高压氢气瓶的体积上，重卡主要考虑转弯半径所带来的影响，而叉车主要考虑在有限空间里的集成效果。充装过程中，需利用压力传感器与加氢枪进行实时通信，当氢气瓶内压力达到设定值时，自动停止加气。为满足商业化要求，车载储氢瓶充装过程需在 5～ 12min 内完成，而且高压氢气在快速充装过程中有明显的温度升高，需要采取措施限制快充温升。车载储氢瓶的设计使用寿命通常与机动车强制报废年限相同，一般为 15 年，避免造成资源浪费。车载储氢瓶随车辆行驶于不同地域、路况条件下时，会面临多种形式的机械损伤和环境侵蚀。为保证其运行过程中的安全可靠，需要针对不同类别的车载储氢瓶设计更为严格的仿真试验。现阶段，车载储氢瓶共分为四类，依次为 I 型、 II 型、 III 型与 IV 型瓶。从形 23 状上看四种瓶的差别不大，其主要区别在于材料及工艺。其中 I 型瓶为金属外壳无纤维缠绕； II 型瓶为厚金属内胆，瓶体缠绕纤维树脂复合材料； III 型瓶为金属内胆，瓶体缠绕碳纤维树脂复合材料； IV 型瓶为聚合物内胆，瓶体缠绕碳纤维树脂复合材料。回顾储氢容器的发展过程，其本质是通过改变结构及材料，提升单位质量储氢密度。与最早的金属储氢容器不同， II、 III、 IV 型高压储氢容器通过在内胆外缠绕多种纤维固化形成增强结构，通过不断改善内衬材料及纤维缠绕模式，不断提升高压复合储氢瓶的承压能力和质量储氢密度。 I 型瓶是是金属气瓶，整个瓶只有一层材料构成，且这层材料为多用耐压钢材。是目前这四类氢瓶中重量最大，成本最低，制造工艺最简单的一类瓶。然而，由于高压气态储氢容器 I 型、 II 型储氢密度低、氢脆问题严重，车载储氢瓶很少使用该类型号。一般存储的气体压力在 15 至 30MPa。 I 型瓶目前应用场景主要有两种，第一种以固定应用方式为主，适用于对压力要求不高的场景；第二种用于燃料电池叉车的供氢系统，目的是为了满足叉车自重的需求。 24 其主要瓶胆的材料与 I 型瓶相同，也为耐压钢材，不同的是在整个瓶身外面采用了纤维 -树脂复合材料包裹。包裹材料的形式只采用箍圈式对瓶身进行包裹。从其瓶身的剖面示意图上也可以看出这一点。由于有瓶身上的复合材料包裹，提升了其耐受压力，一般都高于 I 型瓶，具体没有明确的上限，可以为了满足储压上限的需求来选定瓶身的材料与外部的包裹物。就目前应用场景来看， II 型瓶多应用于固定式能源的提供和交通领域 CNG 气瓶。较 I 和 II 型瓶， III 型瓶的出现主要为了应对氢气在移动式设备上的应用，对设备的轻量化提出了一定的要求，比如燃料电池汽车。产品重量降低的同时，为了保证性能，制造成本也比 I 和 II 型瓶都有了增加。从外形示意图上看， III 型瓶仍然采用了金属衬里，只是衬里的厚度较 II 型瓶有所减少，对瓶身则进行了全瓶身的纤维与树脂复合材料的包裹。包裹形式则采用两极铺设或螺旋形铺设。 III 型瓶可以满足燃料电池汽车上的压力需求，分为 35MPa 和 70MPa 两种。目前国内燃料电池车用氢瓶通常为比较成熟的 III 型瓶。 25 较 III 型瓶， IV 型瓶则在轻量化上做出了较大的改进，衬里为高分子材料制成，比金属衬里重量更轻。瓶身上由纤维树脂复合材料全包裹。包裹采用两极铺设和螺旋形铺设混合的形式。不同于前面 I、 II、 III 三种氢瓶， IV 型瓶在氢瓶口处制成金属型，并集成了 Boss 结构。基于以上分析，势银（ TrendBank）对以上四种储氢瓶主要参数做出总结，具体如下表所示。 26 目前，轻量化、高密度已成为车载储氢瓶的主要要求，故 III 型瓶与 IV 型瓶已成为各大厂家生产的主要类型。势银（ TrendBank）对 III 型瓶与 IV 型瓶做了综合对比，结果表明目前，虽然 III 型瓶的质量储氢密度低于 IV 型瓶，但其体积储氢密度相差不大，而且其储氢成本低于 IV 型瓶；在安全性方面，氢气快充过程中， IV 型瓶氢气温度较高，但由于其塑料内胆的低热传导率，其碳纤维加强层的温度一般不会高于 III 型瓶。此外，由于 III 型瓶铝内胆的强度和硬度高于塑料内胆，故其耐火烧性能明显高于 IV 型瓶。 27 为了更好地推动氢燃料电池汽车供氢系统的发展 , 势银（ TrendBank）对产业驱动因素进行了分析，主要包括市场，产品，技术，应用及供应链。对于车载供氢系统来说，市场和供应链是影响产业发展的主要因素。在市场层面上，供需情况和竞争格局是驱动供氢系统发展的主要因素。首先是供需情况，势银（ TrendBank）认为相比 2022 年，当燃料电池车销量达到 10 万辆时，供氢系统的成本预计能下降约 19；当燃料电池车销量达到 50 万辆时，供氢系统的成本能下降约 34左右。成本的下降能进一步推动供氢系统的商业化发展。其次是竞争格局，供氢系统产业正处于发展初期，不断有新企业加入行业内并进行技术优化和产品创新。经过一系列的市场角逐，供氢系统厂商已从单一的舜华、派瑞华发展为包括国富、兰天达、科泰克、天海、中材、中集、东峻、捷氢、未势、斯林达、星驰蓝氢等 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 燃料电池车保有量 1万辆燃料电池车保有量 10万辆燃料电池车保有量 50万辆供氢系统成本（万元 /kg ） 28 诸多厂商群雄逐鹿的局面；供氢系统的稳定性和可靠性也得到了有效提升。在供应链层面，供应链本土化完备性是驱动供氢系统发展的主要因素。从上文图 5 中可以发现，目前在高压端管阀件及减压阀层面仍依赖进口产品。在这种卖方市场的情况下，国内供氢系统企业议价能力弱，直接造成了成本上升并影响了毛利率水平。有供氢系统企业表示，公司对上游原材料议价能力弱，虽然通过采用适当备货、成本加成定价等措施应对，但仍可能无法完全消化原材料价格大幅上涨所带来的风险。因此，供应链本土化完备性的提升也将大大促进车载供氢系统的发展进程。因为各类车型结构的不同，因此不同车型供氢系统的设计也存在不同，且同一类型车辆不同型号车型的供氢系统设计也可能有很大差异。本次势银（ TrendBank）将罗列客车，重型卡车及叉车的供氢系统作为案例，以供参考。 29 客车供氢系统设计采用顶置式和底置式，其中 ,公交客车采用顶置式布置方式 ,公路客车采用底置式布置方式。原因方便用户上车，采用低地板底盘，因此其供氢系统一般采用顶置式。原因公路客车一般覆盖中长途客运，具有运输货物或堆放行李需求，因此其设计一般具有车底行李仓，因此其供氢系统一般采用底置式，但也有部分采用底置式和顶置式结合的方式，去增加客车的续航里程。