2022车载供氢系统产业发展蓝皮书

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。 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 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。 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。 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）。 3500 3000 2500 上牌装车量（辆) 2000 1500 1000 500 0 201720182019202020212022(1-7月) 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 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。 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 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。 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 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。 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。 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