碳纤维在氢能领域的应用

1

高压气态储氢瓶是碳纤维在氢能的主要应用场景

1.1. 四种储氢方式中，仅高压气态储氢会用到碳纤维

在不同的氢储运方式中，只有高压气态储氢瓶会采用碳纤维。目前，储氢方式包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态材料储氢四种，其中高压气态储氢是将氢气加压至 20MPa-80MPa，对储氢容器的抗压和轻量化要求较高，目前常采用碳纤维作为产业化解决储氢容器轻量化、强度高的材料。

固态储氢和有机液态储氢不存在加压问题，均不会使用碳纤维。固态储氢和有机液态储氢均是通过某种特殊材料的吸附进行常压储氢，不存在加压的问题。液氢储运最核心的是隔热、防氢脆，其储罐为真空绝热深冷压力容器，由内容器和外容器套合组成双层卧式圆柱形筒体；液氢储运的工作压力在 1-1.3bar，接近常压，常用奥氏体不锈钢为内容器材料。

1.2. 碳纤维在高压储氢瓶的应用以轻量化为目标，提高质量密度储氢比

从轻量化角度出发，碳纤维在 II、III、IV型瓶中均有应用。高压气体储氢容器主要包括纯钢制金属瓶（I 型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III 型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型），从 I 型瓶发展到 IV型瓶，主要目的是降低气瓶的壁厚以减重。

燃料电池汽车主要用 III型瓶、IV型瓶，长管拖车主要用 II型瓶、III型瓶。I 型瓶是全金属瓶，主要为 15Mpa 实验室用瓶和 20Mpa 长管拖车的常用瓶；II 型瓶采用金属内衬，外部用玻璃增强纤维缠绕瓶身直筒部分；III 型瓶采用金属内衬，外部用碳纤维缠绕整个瓶身，包括直筒和端盖；IV型瓶最轻，采用塑料内衬，碳纤维缠绕整个瓶身，是目前技术水平最高的高压储氢技术。

1.3. 2021 年国内高压储氢瓶碳纤维需求量超 500 吨

2021年，我国燃料电池汽车销量 1586辆，按 50%的库存率计算当年燃料电池汽车产量为 2,379辆，对应碳纤维的需求量 571吨。按燃料电池汽车平均携带 6 个储氢瓶（规格为 35MPa/165L，单瓶碳纤维用量 40kg）计算，单车碳纤维用量 240kg。

2021 年，丰田 Mirai和现代 NEXO燃料电池乘用车的碳纤维需求量分别为 355 吨和 577 吨。以丰田 Mirai为例，搭载两个高压储氢罐，两个的总容积 122.4 升（前 60.0 升 后 62.4L），单车的碳纤维用量约 60kg。

2

氢燃料电池发展关键变量：补贴、成本、龙头

借鉴新能源汽车和光伏的发展，我们认为补贴、成本以及龙头企业是决定氢燃料电池汽车产业发展的关键要素。

2.1. 初期看财政补贴：燃料电池的补贴弱于锂电和光伏

在补贴政策上，氢能很大程度上借鉴了新能源汽车和光伏补贴过程中的教训和经验，因此相比而言，从起步阶段的制定就显得谨慎、稳妥。针对燃料电池汽车的补贴，最早是在 2009 年发布的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》予以明确；2020 年 9 月，《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》出台，采取“以奖代补”方式，对入围示范的城市群按照其目标完成情况给予奖励，示范期暂定为四年。

燃料电池汽车借鉴了光伏与新能源汽车降补后的框架：①补贴门槛提高，明确各项技术指标要求，仅对符合功率、里程标准的整车提供补贴；②重视发挥集群示范效应，燃料电池汽车自 2020 年起转向示范应用后，已经形成“3 2”示范城市群格局，以打破地方保护，避免低水平重复建设。

受限于目前下游量产少，以及补贴门槛严格，燃料电池的补贴额度远低于锂电池汽车和光伏。截至 2021年，光伏和锂电池汽车累计补贴额度均已超过 3500 亿元，氢燃料电池累计补贴额度仅 60 亿元。若按 5 大示范城市群规划，2018 年到 2025 年，氢燃料电池累计补贴额度累计接近 300亿元；按光伏和锂电池汽车发展初期看（2009 年-2016 年），光伏和锂电池汽车累计补贴均已超过 1500 亿元，财政补贴额度已大幅减弱。

2.2. 中长期看全生命周期成本：燃料电池重卡可具备经济性

《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》提出深化“三纵三横”战略，锂电池汽车与氢燃料电池汽车区隔竞争，在各自的优势领域发挥最大效用。氢燃料电池优势在于功率高、能量密度大，载重能力强和续驶里程长，基于与锂电池汽车互补的思路，重卡特别是干线长途运输场景将成为氢燃料电池最具渗透力的领域。

对比柴油重卡、换电重卡、氢燃料电池重卡，即使在考虑补贴的情况下，氢燃料电池的全生命周期成本（5 年 100 万公里）仍然不具备经济性；预计到 2030 年，燃料电池系统降至 800 元/kw、氢气价格 25 元/kg、百公里氢耗 10kg，燃料电池重卡的全生命周期成本（不考虑补贴）为 270万元，实现经济性。

2.3. 拐点看重卡龙头企业：关注潍柴的燃料电池重卡布局

主流重卡车企与发动机厂商多数存在股权关系，配套体系稳固；其中，重卡发动机龙头潍柴动力市占率超 30%，且氢能布局最为领先。一汽解放约 70%的发动机由全资子公司锡柴和大柴配套，中国重汽 90%以上的柴油机份额由集团下属的济南动力与杭州发动机配套，陕重汽约 90%的柴油机则由持股51%的母公司潍柴动力供应。在发动机企业中，仅潍柴、玉柴在氢能领域有所布局。

潍柴在新能源领域的布局坚持“混合动力、燃料电池、纯电动”多线并举；在氢能领域，潍柴 2016 年收购弗尔塞入局氢能，并于 2018 年入股加拿大巴拉德，布局时间早、力度大；在技术路线上，坚持多方向发力，在质子交换膜燃料电池、固态氧化物燃料电池，以及氢内燃机均已形成技术储备。

3

未来氢能的碳纤维用量取决于燃料电池汽车发展

到 2030年，氢能领域碳纤维用量预计超 12万吨，其中燃料电池汽车用碳纤维 12 万吨（对应 30 万辆）、长管拖车用碳纤维 0.3 万吨（对应 0.24万辆）。

3.1. 预计到 2030 年，燃料电池汽车用碳纤维 12 万吨

预计到 2030 年，燃料电池汽车销量达 30 万辆，对应碳纤维需求量 12 万吨。

燃料电池汽车销量的预测：参考新能源汽车的渗透率，到2030年燃料电池汽车渗透率达到 20%估算，到 2030 年燃料电池汽车销量 30 万辆，保有量 70 万辆。

单车碳纤维用量的预测：一辆车配 8 个 III 型储氢瓶（规格为 35MPa、210L），单瓶的碳纤维用量 50kg，对应单车碳纤维 400kg。

3.2. 预计到 2030 年，长管拖车用碳纤维 0.3 万吨

预计到 2030 年，新增长管拖车 0.24 万辆，对应碳纤维需求量 0.3 万吨。

长管拖车新增量的预测：参考各城市氢能产业规划文件，按每座加氢站配备 3 台长管拖车，2030 年新增长管拖车 2360 辆。

单车碳纤维用量的预测：单车 9 管（每管 150kg 的碳纤维用量），单车1350kg 的碳纤维用量。

来源：国泰君安证券