建筑材料行业专题研究：储氢瓶用碳纤维赛道：氢风已来，大有可为

建筑材料 储氢瓶用碳纤维赛道：氢风已来，大有可为 证券研究报告|行业专题研究 2022年09月28日 IV型储氢瓶性能优异，预计未来将主导国内车载储氢市场。目前已商业化生产的储氢瓶可分为四种，其中具备长期发展潜力的要属III型（铝内胆碳纤维全缠绕气 增持（维持） 瓶）和IV型瓶（塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶），两者都适用于车载移动储氢等移 动场景，但IV型瓶在轻量化、储氢密度、容积规格等方面性能更优，我们预计后续将作为主流瓶型广泛运用。国外目前已开始商业化生产和使用70MPaIV型瓶，而我国现阶段仍以35MPaIII型瓶的应用为主，但随着技术进步、叠加配套政策体系及基础设施逐渐完善，国内也将逐步向70MPaIV型瓶过渡。 储氢瓶技术壁垒较高，后续成本下降空间大。储氢瓶生产流程可大致分为内胆成型和纤维缠绕两个环节，总体来看技术难度较大、工艺参数众多、关键原材料及装备仍部分依赖进口、精细化生产管理有待提升，存在一定的技术壁垒。储氢瓶 当前成本较高，单瓶售价在2万以上，其成本构成中碳纤维复合材料占比超60%。当下国内储氢瓶所用原材料主要为T700以上小丝束碳纤维，未来若能逐步替换为大丝束碳纤维（国外普遍做法），则有望推动气瓶成本进一步降低。除此之外， 行业走势 16% 0% -16% -32% 建筑材料沪深300 IV型瓶的全面启用、大容量气瓶的研制以及产销规模整体扩大也有望推动储氢瓶降本。 储氢瓶市场参与企业数量有限，但近两年集中度有所下降。储氢瓶属于特种设备， 2021-092022-012022-052022-09 作者 参与企业必须先取得B3级压力容器特种设备制造许可证书，同时其生产的成品 也需经国家市场监督管理总局认可的第三方型式试验机构进行十余项型式试验并取得证书才能对外出售。较高的行业准入壁垒造成参与企业数量相对较少，2019年主要企业仅5家；近年来随着氢产业链景气度不断攀升，2020、2021年行业分别新增1-2家主流企业，目前头部企业7-8家；同时市场集中度呈下降态势，CR3份额从19年的91.21%下滑至21年的76.95%。 氢燃料电池汽车为储氢瓶的核心应用场景：随着中央及各地推广应用氢燃料车的政策陆续出台，氢燃料汽车商业化进程将明显加快，支撑储氢瓶及碳纤维需求高增。储氢瓶直接下游应用为氢燃料电池，燃料电池可用于道路车辆、轨道交通、航运航空等多种交通运输场景以及发电、储能等其他场景，其中氢燃料电池汽车 占据主导地位。现下氢燃料电池汽车仍处于起步阶段，受制于技术、成本和配套设施缺乏等客观因素，早期应用需高度依赖政策支持与政府补贴。2022年3月 《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》出台，明确到25年我国氢燃料车保有量需达到5万辆，我们据此推算出到25年对应碳纤维用量将突破万吨，对应22-25年复合增速超60%。但与此同时，各省市区也在积极制定贴合各地具体经济发展状况的氢燃料汽车产业发展规划，截至目前至少有24个省市区发布了 氢能发展的量化目标，据此测算出到25年我国氢燃料车保有量将达到11.2万辆， 对应22-25年碳纤维用量将超过5万吨。 投资建议。中央及各级地方政府密集出台推广应用氢燃料电池汽车的相关政策文件，中短期来看，氢燃料电池汽车快速投放将带动上游储氢瓶及碳纤维用量激增。建议关注已布局有储氢瓶业务的碳纤维厂家，如光威复材、中复神鹰。 风险提示：政策执行效果不及预期风险；竞品车型攻克关键技术难题风险。 分析师沈猛 执业证书编号：S0680522050001邮箱：shenmeng@gszq.com 研究助理陈冠宇 执业证书编号：S0680122080012邮箱：chenguanyu@gszq.com 相关研究 1、《建筑材料：需求延续弱复苏，静待保交楼和基建资金落实》2022-09-25 2、《建筑材料：“金九银十”需求尚未体现，静待保交楼和基建资金落实》2022-09-18 3、《建筑材料：水泥继续去库涨价，错峰停产叠加天气转凉，旺季行情即将开启》2022-08-28 重点标的 股票代码 股票名称 投资评级 EPS（元） PE 2021A 2022E 2023E 2024E 2021A 2022E 2023E 2024E 300699.SZ 光威复材 - 1.46 1.89 2.39 2.92 57.74 46.58 36.79 30.17 688295.SH 中复神鹰 买入 0.31 0.60 0.82 1.23 132.46 68.40 49.79 33.48 资料来源：Wind，国盛证券研究所；备注：光威复材未覆盖，采用wind一致预测； 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 1生产篇：详述储氢瓶的制造工艺及技术难点4 1.1储氢瓶分类介绍4 1.2储氢瓶生产工艺流程5 1.2.1内胆成型工艺6 1.2.2纤维缠绕成型工艺7 1.3储氢瓶成本构成及降本路径探讨9 2市场篇：氢燃料汽车为核心场景，政策强力推动下增势可期11 2.1竞争格局：准入壁垒高，厂家数量有限11 2.2储氢瓶下游应用：氢燃料电池汽车主导12 2.2.1氢燃料电池汽车：发展方向以商用为主，政策大力引导下商业化进程有望提速12 2.2.2其他应用：处在前期研制阶段，商业化尚未开启19 2.3储氢瓶用碳纤维市场规模测算：高增长、基数小的细分赛道20 3风险提示23 图表目录 图表4：不同类型储氢瓶对比4 图表5：四种储氢瓶剖面和内部结构图5 图表6：III型储氢瓶的生产工艺流程6 图表7：IV型储氢瓶的生产工艺流程6 图表8：金属旋压工艺流程图7 图表9：三种主流IV型瓶内胆成型工艺及装备对比7 图表10：三种纤维缠绕成型工艺对比8 图表11：干法缠绕工艺流程图9 图表12：湿法缠绕工艺流程图9 图表13：35MPaIII型瓶成本构成9 图表14：70MPaIII型瓶成本构成9 图表15：35MPaIV型瓶成本构成10 图表16：70MPaIV型瓶成本构成10 图表17：日本丰田Mirai、韩国现代NEXO气瓶缠绕大丝束碳纤维10 图表18：吉林化纤首条35K高压气瓶缠绕专用大丝束碳化线一次开车成功10 图表19：国内车载储氢瓶市场竞争格局11 图表20：气瓶试验和检验项目12 图表19：氢燃料电池汽车运行原理13 图表20：氢燃料电池汽车运行原理13 图表21：燃料电池反应堆工作原理14 图表21：我国氢燃料电池汽车历年产销量及增速（辆；%）14 图表23：氢能及氢燃料电池产业发展相关的重要政策方案15 图表24：3+2示范城市群16 图表25：“以奖代补”政策推出前后对比16 图表23：TCO模型分析框架17 图表24：不同类型氢燃料电池汽车的TCO成本经济性趋势17 图表25：2021年我国氢燃料汽车市场结构18 图表27：公交车、叉车、采矿车适用氢燃料汽车的原因分析18 图表27：我国氢燃料电池汽车最新补贴政策变动19 图表29：氢燃料电池在非道路交通运输领域的国内项目和技术储备20 图表26：我国燃料电池汽车储氢瓶用碳纤维市场规模测算21 图表33：全国部分省市氢能发展目标22 图表34：碳纤维用量敏感性测算（横排为储氢瓶平均配套数量（个）、纵轴为单瓶平均碳纤维用量（kg））22 1生产篇：详述储氢瓶的制造工艺及技术难点 1.1储氢瓶分类介绍 在高压气态储氢中，目前已商业化的高压氢气瓶分为四种（根据储氢瓶材料不同进行划分），分别为纯钢制金属瓶（I型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）四种。其中： 1）I型瓶由金属钢组成，是目前四类瓶中重量最大、成本最低、工艺最简单的，适用于 压力要求不高的固定应用场景； 2）II型瓶采用金属钢材质，外层缠绕玻璃纤维复合材料，材料包裹形式为采用箍圈式对瓶身进行包裹。II型瓶由于瓶身上有复合材料包裹，耐受压力高于I型瓶，但也多应 用于固定式能源提供等场景； 3）III型瓶内胆为金属（通常为铝合金），但厚度较II型瓶有减薄，外部进行了全瓶身的碳纤维复合材料缠绕，包裹形式为两极铺设或螺旋形铺设。III型瓶重量轻、抗压性能 好、适用于氢燃料电池汽车等移动设备，目前主要的压力规格为35MPa和70MPa两种，国内现阶段35MPa已实现量产； 4）IV型瓶内胆为塑料，瓶身全缠绕碳纤维复合材料，包裹采用两极铺设和螺旋形铺设 混合的形式。IV型瓶瓶壁厚度略薄于III型瓶，储气压力则与之一致，主要包括35MPa 和70MPa两种规格型号，目前国外已投入商业化运用，如日本丰田的Mirai与韩国现代的Nexo均采用了IV型瓶，但国内技术仍有欠缺，尚未达到量产条件。IV型瓶也主要应用于氢燃料车等移动场景。 5）除此之外，目前国外正在研究V型储氢瓶但尚未实现商业化，该气瓶仍然使用碳纤维复合材料缠绕，但不使用任何内胆，国内针对V型瓶的研究仍是空白。 材质 纯钢制金属瓶 金属内胆（钢质）金属内胆（钢/铝塑料内胆纤维全无内胆全缠绕气 瓶 工作压力/MPa 17.5-20 纤维环向缠绕26-30 质）纤维全缠绕30-70 缠绕30-70 介质相容性 有氢脆、有腐蚀性 有氢脆、有腐蚀性 有氢脆、有腐蚀性 有氢脆、有腐蚀性 重量体积（kg/L） 0.9-1.3 0.6-1.0 0.35-1.0 0.3-0.8 使用寿命/年 15 15 15-20 15-20 成本 低 中等 最高 高 车载是否可以使用 否 否 是 是 图表1：不同类型储氢瓶对比 类型I型II型III型IV型Ⅴ型 国外研发中，国内空白 市场应用加氢站等固定式储氢燃料电池汽车 资料来源：DOE、《高压储氢容器研究进展》，国盛证券研究所 图表2：四种储氢瓶剖面和内部结构图 资料来源：燃料电池百科，国盛证券研究所 国内储氢瓶市场预计将逐渐向III型70Mpa和IV型70MPa过渡。2020年7月21日，涉及车载高压供氢系统的两项国标修改后正式实施，均将原范围中的工作压力不超过35MPa修改为70MPa。2021年3月9日《燃料电池电动汽车加氢口》（GB/T26779- 2021）最新国家标准正式发布，新国标增加了70MPa加氢口尺寸及耐臭氧老化、耐盐雾腐蚀、耐温度循环和兼容性测试等多项技术条目，制约70MPa储氢瓶发展的政策条件已经消除。并且，从储运效率、轻量化、成本等角度出发，IV型瓶相较于III型瓶具备显著优势，未来将成为车载供氢系统的主流规格，1）III型瓶重容比在0.98左右，IV型瓶重容比在0.74左右；2）III型瓶储氢密度为3.9%，IV型瓶储氢密度可以达到5.5%；3）IV型瓶单瓶气体容积可达到375升，可降低整个系统复杂性。当前我国还处于35MPa的III型瓶规模化应用和70MPa的III型瓶示范应用阶段，IV型瓶尚未得到大规模推广应用，背后原因一是由于我国氢能及燃料电池产业发展起步较晚，技术水平落后于海外，二是配套基础设施建设缓慢，目前国内加氢站规模较小且以35MPa为主，三是政策及技术标准体系尚未建立健全。后续来看，各方面限制因素将持续改善。伴随着燃料电池汽车的大规模推广，为满足进一步长续驶里程的需求，未来车载储氢瓶规格有望由III型35MPa向III型70MPa或IV型70MPa过渡，逐步与国际技术水平接轨。 1.2储氢瓶生产工艺流程 一般来说储氢瓶的生产可大致分为内胆成型和缠绕固化两个主要工段，共涉及10多道生产工序。总体来讲储氢瓶生产的技术壁垒较高，具体表现在工艺技术难度较大（比如 内胆成型技术和纤维缠绕技术）、工艺参数多、装备精准度控制、检验检测技术与装备有待完善、关键原材料及零部件亟需国产化等方面。 图表3：III型储氢瓶的生产工艺流程 资料来源：国富氢能招股书，国盛证券研究所；备注：停止点指工序暂停，确认前述工序合格再进行下一道工序；检查点指车间检验人员检查、复核的工序；审核点指该工序的材料，需经过第三方或者监检检查确认；见证点指根据国家特种设备法规要求，需当地质监局要现场见证的工序。