碳纖維：當前氫能裝備制造的“最大瓶頸”

Callejon

進口碳纖維價格上浮

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在目前主流氫燃料電池車中，氫燃料大多以35兆帕或70兆帕的工作壓力儲存于儲氫瓶中。碳纖維纏繞復合材料作為儲氫瓶的內膽，是氫氣儲運領域必不可少的關鍵部件。然而，據記者了解，壓力容器用碳纖維技術多年來始終由日本、美國、韓國等國壟斷。

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“雖然近幾年我國國產碳纖維產能明顯增長，與三四年前相比，進口碳纖維價格也出現了一定程度的下降，然而今年以來，受到新冠肺炎疫情影響，國外碳纖維生產和交付能力跟不上，同時全球各國也加大了氫能行業布局，推高了整體需求，導致今年進口碳纖維價格出現明顯上漲。”一位不愿具名的氫能制造業內人士告訴記者。“目前多家儲氫瓶制造商都感受到了供應緊缺的壓力，這對出貨情況肯定會造成不利影響。”

據了解，我國儲氫瓶使用的碳纖維約有一半由國外廠商供應，日本東麗、日本東邦、韓國SK等化工產品廠商均是我國市場的主要供應商。其中，日韓企業占據我國進口儲氫瓶用碳纖維70%以上的市場份額。

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據一位資深氫能業內人士透露，近期日本東麗方面減少了對國內市場的碳纖維供應，采購企業正面臨斷供風險。

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碳纖維是目前“最大瓶頸”

去年以來，我國已有11個省份宣布將在“十四五”期間大力推動氫能產業發展，另外也有十多個城市將氫燃料汽車納入未來規劃，氫能市場需求即將爆發。

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根據華泰證券最新發布的預測，在2021年至2050年期間，我國儲氫瓶市場規模有望達到3234億元；受到氫能重卡等領域的需求推動，未來我國很可能成為全球最大的車載儲氫瓶市場。多位業內人士向記者表示，面對即將爆發的車載儲氫瓶市場需求，碳纖維已經成為了目前氫能裝備制造業的“最大瓶頸”。

上述不愿具名業內人士指出，從目前國內高壓儲氫瓶市場供應來看，制造廠家的產能布局已遠超過需求。“北京天海、國富氫能、科泰克、沈陽斯林達、成都中材科技、中集能源等制造商均已開辟了成熟的儲氫瓶產線。然而，50%依賴進口的碳纖維卻成為了阻礙產能發揮的‘絆腳石’。”

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“一方面，盡管國內生產碳纖維的廠家很多，但不是所有廠家都能供貨給儲氫瓶，高壓容器用碳纖維需要特定的機械性能，技術壁壘相對較高。同時，國內碳纖維生產廠家沒有預料到氫能產業的爆發，從產能上看尚不足以滿足需求。另一方面，國產碳纖維的品質控制仍存在問題，國產碳纖維產品質量仍不穩定。在高壓容器用儲氫瓶制造過程中，制造廠商本身需要滿足嚴格的安全要求，材料生產以及制造工藝都有較大的難度，這也都為我國本土碳纖維生產商帶來了挑戰。”

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碳纖維國產化已在提速

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目前車載儲氫瓶中的主流產品仍是35兆帕三型瓶以及35兆帕四型瓶，同時容量更大、性能更優的70兆帕四型瓶也進入了各大生產廠商的研發計劃之中。業界普遍認為，隨著高壓儲氫瓶的更新換代，碳纖維用量預計將進一步上漲。

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“除了碳纖維本身的性能外，影響碳纖維增強復合材料的性能還有膠和樹脂的配方，并且涉及到復雜的生產過程和固化工藝。但近年來，國內碳纖維行業發展十分迅速，與美、日等國的差距已在不斷縮小。”上述業內人士告訴記者，“在龐大的市場需求面前，目前已有越來越多制造商進入碳纖維這一領域，部分現有的碳纖維廠商也開始了轉型，預計未來一至兩年內我國碳纖維供應緊缺的情況將有所緩解。”

目前上海石化、中復神鷹等制造企業已開啟碳纖維國產化的進程。今年6月4日，中國石化所屬上海石化全資注冊成立上海金山石化碳纖維有限責任公司，正式進入碳纖維新材料、下游復合材料等領域。

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“盡管今年碳纖維以至于儲氫瓶成本略有回升，對于未來高壓儲氫瓶降本空間，業界仍持有樂觀態度。一旦有市場需求，通過三至五年的時間，到‘十四五末’預計碳纖維價格能下降40%左右。”上述業內人士表示。

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引申閱讀：發展氫能的幾大瓶頸

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制1公斤氫產生10公斤二氧化碳

目前制氫常見技術有三種，分別是煤制氫，天然氣制氫，電解水制氫。

但無論哪種制取方法，都必須要有能源支撐，并在此基礎上有灰氫、藍氫、綠氫之分。通過煤和天然氣等化石能源制取的氫氣稱為灰氫，因為獲得氫氣的過程中產生了大量碳。如果是通過天然氣制氫，加入了碳捕捉和儲存技術，提升了清潔度之后，所制取的氫氣被稱為藍氫，意思是雖然產生了碳，但進行了技術處理，遏制了碳排放。而如果通過可再生能源制取氫氣，實現了整個制取過程凈零排放，這被稱為綠氫。

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目前來看，煤制氫耗能小，但制備1公斤氫氣會排放約10公斤二氧化碳。如果用天然氣水蒸氣重整制氫，1公斤氫氣耗電約11度，如果碳捕集技術目前也還沒有完全克服。如果用電解水制氫則要耗電約48度，能耗之高會讓人感慨，如此高能耗能支撐氫能產業的美好未來嗎？

近日，四川大學芶富均教授帶領的液態金屬團隊公布了一項成果，在國內首次研發出液態金屬熱裂解裝置，以液態金屬為媒介，助力甲烷裂解，實現零排放、低成本、高效制氫。實驗室里，芶富均教授設計了一個3米高的“方盒子”，液態金屬燃燒形成高溫環境，甲烷從“方盒子”尾端輸入后，經過裂解，從頂部輸出氫氣。液態金屬熱裂解技術使甲烷轉化率達到90%以上，只產生單一的氫氣，完全不含二氧化碳。據教授說，制備1公斤氫氣耗電16度。

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除了芶教授，世界各地也都在研究能耗更加少、更加可靠的制氫方式。但目前常見的還是化石能源制氫和電解水制氫。日本63%的氫都是電解法，但是全球只有4%的氫是通過電解獲得的，因為它確實太貴了。

鉑金的氫燃料電池誰用得起？

氫燃料電池和普通電動車的最大差異是，去掉電動車底盤下邊的電池組，換成若干不同體積的高壓氫氣罐，并依靠一個燃料電池組，把氫氣通過化學反應變成水和電，并用生產出來的電來驅動車輛。

這時人們發現，氫燃料電池組的性能成為了這輛氫燃料電池車的“性能瓶頸”，眼下，韓國現代汽車的氫燃料電池車NEXO的氫燃料電池組的功率設計為120kW，豐田Mirai和本田Clarity這兩款車的氫燃料電池堆的設計功率分別為114kW和100kW。

能不能跨越這個功率水平？世界的科學家還在摸索中。之所以這一問題讓人頭痛，是因為如果把氫燃料電池組的功率提高，那么隨之而來的就是重量和體積增加。

在氫燃料電池應用中一個很大的資源限制是鉑。正是依靠鉑，讓讓氫氣和氧氣產生化學反應。也不僅是氫燃料電池，其他燃料電池的催化劑也用鉑。

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鉑的工業應用非常廣泛，燃料電池是其中一部分。但從2019年的數據可以看到，汽車工業使用鉑占最大比例，37%。這其中絕大部分是用來做燃料電池催化劑。

目前氫燃料電池價格高，其中一部分因素就是所使用的鉑成本高。鉑本身價格就貴，要知道鉑就是我們日常用于首飾的那個鉑金，一克的價格都在500元左右，而用做催化劑時又不是一克兩克地用。如果催化劑技術不變革，可以想象得到，我們原來依賴石油，以后換成了鉑，那氫燃料汽車可以說就是移動的“奢侈品”。

氫燃料電池車大規模推廣時，顯然鉑資源在全球的資源和產量顯然會捉襟見肘，而且也一定會推高鉑在國際市場上的售價，讓鉑的價格更加成為氫燃料電池車的障礙。

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更讓人擔心的是，鉑礦在全世界的分布卻極不均衡，南非占世界鉑的總儲量的90%，產量也是遙遙領先。中國的鉑資源只占0.58%，也就是說，我們國家想大規模發展氫燃料電池，就需要大量進口金屬鉑。

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氫儲運是一項高危行動

氫儲運難關是由氫的特點決定的。目前氫以液態和氣態兩種形式存在。氣氫易燃易爆炸是常識，氫氣在空氣中的體積濃度只要介于4.0%～75.6%之間，遇火源就會直接爆炸。加油站雖然有時也會因加油站使用手機等行為引發火災，但相比氫氣的易彌散度可小多了。所以氫在中國屬于受管制的危化品。如何將易燃易爆炸的物質運載來去而不發生危險，人們想了三種辦法。第一種是低溫儲氫，當將氫氣放在-253攝氏度時，氣氫變身成功，成為液氫。除了降溫，要維持儲氫罐體內的溫度，這樣就需要巨大能耗，也就是說相當于你用直升飛機運輸一筐廉價水果，根本得不償失。

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第二種儲氫方式是高壓氣態儲氫，目前其質量儲氫密度大約為4.0～5.7%。從技術成熟方面來看，高壓氣態儲氫最成熟、成本最低，是現階段主要應用的儲氫技術，在基本能與傳統加油方式相媲美。國外已經將70MPa的儲氫罐已應用到燃料電池汽車上，但國內的儲氫罐關鍵材料仍依賴進口。盡管這種儲氫方式比較穩妥，但是對于更高的車載儲氫要求如儲氫量、安全性等問題，目前世界范圍內尚未有合適的解決方案。

除此以外，還通過有機液體和金屬氫化物進行儲氫。這兩種方式可以實現密度大于5.7%且最高可達到67%，但目前存在成本高的問題，而且還處于技術研發階段。預計化學方法儲氫是未來重要的發展方向，但也沒有商業化。

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僅僅儲氫就有一大堆問題，下面再說說運氫。

運氫方式主要有：氣氫拖車運輸、氣氫管道運輸和液氫罐車運輸。氣氫拖車運輸技術成熟，是國內最普遍的運氫方式，但運輸效率極低，僅為1-2%，僅適用于小規模、200km內的短途運輸。一臺長管拖車的成本約為160萬元。當運輸距離100km時，運輸成本為8.66元/kg。隨著距離增加，運輸成本受人工費和油費推動顯著上升。

氣氫管道運輸適合大規模、長距離運氫。但初始投資較大，預計每公里管道投資額584萬元。將氫氣混入天然氣管道中進行運輸可解決基礎設施不足的問題，德、法、西班牙等國家已有應用。運輸距離100km時，管道運輸成本僅為1.20元/kg，在三種方式中成本最低。但其成本受運能利用率影響，當運能利用率低于20%時將不具備成本優勢。

液氫槽車運輸效率高，而且可以進行大規模、長距離運氫，與管道運輸比，又具有很大的靈活性和機動性。但是目前液氫運輸也存在成本過高的問題。一臺液氫槽車的投資額為超過300萬元。這是因為液化成本就很高，達到總成本的60%-70%，而且目前國內由于缺乏這一民用標準，該方法僅少部分用于航天領域。

加氫站的運維難題

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加氫站有三個類型，分別是外供氫高壓氫加氫站、外供氫液氫加氫站、站內水電解制氫加氫站我國建設的加氫站。我國加氫站以高壓氫氣加氫站為主，造價大約在1500萬元。壓縮機、儲氫瓶以及加氫及冷卻系統是最核心的成本構成部分，約占加氫站投資總量的50%，其中加氫及冷卻系統成本占比最高，約占22%。

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液氫加氫站由于液氫需要保持低溫，需要使用低溫型壓縮機和儀用空壓機，價格是高壓氫氣站的2.93倍。總體來看，液氫站建設成本比高壓氫氣站成本高30.8%。站內制氫加氫站較外供氫加氫站多了制氫設施，這類加氫站實現了制氫與加氫一體化，造價更高一些。

還有一個加注壓力的問題。我國早期建造的加氫站設計的加注壓力多為35Mpa，主要原因是我國燃料電池車以商用車為主，如客車、專用車、物流車等，這類車需要35Mpa的加注壓力，而小轎車需要70Mpa的加注壓力。目前，新建的加氫站開始出現了35/70Mpa并存的加注壓力設計，這類加氫站不僅可以給商用車加氫，還可以服務于乘用車。

截止到2020年底，全球已有33個國家進行了加氫站的布局，共建成584座加氫站。其中日本擁有近150座加氫站，是世界第一。中國目前已有超過100座加氫站投入運營，成為世界第二名。因為目前城市土地短缺，加氫站的土地成本也是其建設運營成本居高不下的一大難題。而且還涉及更多的安全性細則問題，并不是尋常企業可以參與的。或許只有中石化這樣的大型央企才有實力去建加氫站并且支付高額的建設和運維成本。

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綜上所述，我們在發展氫能面臨著眾多難題，氫能成為所謂的“終極能源”恐怕不是短期可以實現的。當一種能源成為人們的首選的時候，除了清潔環保之外，更重要的一點是資源量大，價格低，否則這種能源很難普及。

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對于發展氫能產業來說，技術突破的路還有很長。

sgxap666

有點閑的蛋疼，還不如直接用電了。