氢能源新材料行业深度报告—碳纤维

一、氢能产业总述

（一）氢能产业链介绍 

在“碳中和”的背景下，世界各国政府做出了 NZE（近零排放）的承诺。氢能作为零碳燃 料，具有储量丰富、热值高、零污染、可存储、来源广泛等优点，逐渐被人们关注。在全球各国政府相继出台政策扶持氢能产业的背景下，政策端的利好有望带动需求量的井喷，进而推动氢能产业链相关企业充分受益；

氢气产业链包含上游制氢、中游储氢运氢和下游加氢用氢三部分。

制氢：目前世界上最常见的制氢方法是化石能源制氢，包括焦煤气重整制氢、工业副产氢以及天然气制氢（也被成为灰氢或蓝氢）等，而与之相对的则是在制氢过程中无排放无污染的电解水制氢，因其对环境友好的特点，故被人们称为绿氢；

储运：由于目前我国制氢产地较为分散，同时氢气的储存和运输面临“氢脆现象”的考验（指金属材料因为长时间在富氢环境中发生吸氢、氢渗等现象造成机械性能下降 从而发生脆断的现象），氢气的储运也自然而然成为了人们关注的话题。目前主要有四种氢气储运方式：高压气体储运、低温液态储运、固态稀土储运以及有机液体储运；

加氢：加氢站加氢是目前燃料电池汽车最主要的加氢途径。加氢站以自身的氢燃料储备服务周围区域，而充足的加氢站覆盖范围亦能加速燃料电池汽车的推广应用。氢气压缩机是加氢站的核心装备之一，是通过压缩空气实现气体输送的设备，目前氢气压缩机主要分为液体活塞式氢气压缩机、隔膜式氢气压缩机以及离子压缩机。

目前氢能产业链路线众多，尚处于产业发展前期，仍存在制氢成本较高、储氢运氢困难以及加氢站覆盖少等问题。因此，为了扶持氢能产业的发展，我国出台了一系列氢能相关的 产业政策来扶持相关领域的发展。

 （二）市场空间增长迅速

氢能的传统需求情况：全球氢能需求自 2000 年以来强劲增长，2020 年全球氢气需求大 约为 9000 万吨，自 2000 年以来增长 50%。目前大部分的需求几乎都来自于精炼环节和工业 用途；其中 2020 年精炼环节消耗 3,840 万吨的氢气作为原料，在这过程中氢气也承担了部分燃料的需求。在工业合成领域，氢气的需求同样十分旺盛，2020 年氢气在工业合成领域的消耗超过 3,000 万吨，大部分都用作原料。而氢能在其他领域的应用进展则相对缓慢；

氢能需求结构即将迎来调整：根据 IEA 的预测，燃料电池、能源发电和合成燃料的需求 将成为未来氢能应用的重要领域，这些改变正将氢气从一个工业生产的原材料转变为新能源社会中必不可少的组成部分。根据 IEA 统计，目前用于燃料电池的氢能大约占全球氢能需求 的 0.02%，而用于能源发电和合成燃料的氢能需求同样占比很低，而在 2050 年，IEA 预计用 于燃料电池、能源发电以及合成燃料的氢能消耗将分别占到全球氢能总需求的 23.2%，19.2% 和 14.2%。而与之相对的则是氢能的传统使用场景，如精炼和工业合成领域，在 2050 年将下 滑至 5.9%、21.9%。随着氢能使用结构的调整，相关产业将迎来更大的发展机遇；

未来氢能需求预测：根据 IEA 预测分析，考虑全球共同宣言承诺的场景下（悲观情况）， 全球氢能总需求将在 2030 年达到 1.28 亿吨，在 2050 年达到 2.57 亿吨。而在考虑全球净零排放（NZE）的场景下（乐观情况），全球氢能总需求将在 2030 年达到 2.29 亿吨，2050 年达 到 5.31 亿吨。具体到我国，根据中国氢能联盟的估计，到 2030 年，我国氢气需求量将达到3,500 万吨，在终端能源体系中占比 5%。到 2050 年，氢能在我国终端能源体系中的占比将至少达到10%，届时氢气需求量将接近 6,000 万吨；

总结：氢能尚处于产业化刚刚落地的阶段，具有较大的想象空间和发展空间；但我国氢能产业未来具体技术路线、生产工艺和应用场景尚未敲定，因此也存在较大的不确定性。而 通过国家和地方的氢能产业政策的正向扶持，行业需求得以快速增长，内部需求结构发生调整，进而牵动了产业链中新材料的应用。而相关新材料，如上游制氢环节以及下游用氢环节使用的质子交换膜、中游环节的储氢用高强度碳纤维等，也将迎来快速发展的机遇期。

 二、储氢需求助推碳纤维产业发展

随着氢气需求的不断提高，氢气的储存成为了很大的问题，而氢气储运面临的难题是氢气自身的特点导致的，氢气易燃易爆炸，在空气中的体积浓度一旦介于 4.0%到 75.6%之间，遇火就会发生爆炸，因此目前氢气在中国属于受管制的危化品。而要保障氢气在储藏和运输之间的安全性，工程师给出了三个解决方案：即液态储氢、气态储氢以及固体氧化物储氢。 目前液态储氢和固态储氢存在成本较高，且尚未形成产业化的问题，因此本文重点考虑气态储氢的情形；

高压氢气瓶储氢是目前最主要的气态储氢方式：目前高压气态储氢瓶有四种类型，Ⅰ型是传统的纯钢制金属瓶，Ⅱ型是钢制内胆碳纤维缠绕瓶，Ⅲ型是铝内胆碳纤维缠绕瓶，Ⅳ型 是塑料内胆碳纤维缠绕瓶。其中Ⅰ型、Ⅱ型价格相对便宜，但储氢密度低，重量重且容易发生氢脆问题，目前 20MPa 的Ⅰ型瓶在国内得到广泛的工业应用，并与 45MPa 钢制氢瓶、98MPa 钢带缠绕式压力容器组合应用于加氢站中。而Ⅲ型、Ⅳ型车载应用已经非常广泛，国外多是 70MPa 的碳纤维缠绕Ⅳ型瓶，而国内由于高强度碳纤维工艺尚不成熟，Ⅳ型储氢瓶的大规模 商用化尚待时日，目前主要是 35MPa 碳纤维缠绕Ⅲ瓶；

储氢瓶产业链梳理：近年来，随着储氢瓶需求的不断增长，国内涌现出一批储氢瓶的制造企业。储氢瓶的制备过程为：上游将原材料运输至储氢瓶制造企业，储氢瓶制造企业通过 冲压、拉伸、热处理制造内胆原胚，然后使用树脂溶液附着碳纤维缠绕内胆，通过固化、自紧的方式将碳纤维固定在内胆上，最后通过气压、水压测试完成制作；

根据碳谱科技拆解分析，以 35Mpa 储氢系统为例，年产量在 50 万套的情况下，碳纤维的成本占储氢系统总成本的比例达到了 62%。由于储氢瓶用碳纤维的价格显著影响到储氢瓶的制作成本，而储氢瓶用碳纤维的供求关系将决定未来几年储氢瓶用碳纤维的价格，因此有必要对其进行分析。

（一）储氢用压力容器碳纤维门槛高，供给有限

储氢用碳纤维壁垒高。由于高压氢气具有较大的危险性，在浓度较高的情况下容易引起爆炸，属于特种装备，因此国家对储氢瓶用碳纤维的质量要求较高，大部分储氢瓶使用的碳 纤维复合材料原材料为 T700 及以上的碳纤维原丝，属于高性能碳纤维，具有较高的行业壁垒：

技术壁垒高、护城河深。碳纤维原丝以及复合材料的生产企业技术壁垒高、护城河深，主要体现在三个方面：配方壁垒、 工艺壁垒和工程壁垒。尽管可以通过直接购买和挖角技术人员等方式获取配方，配方调和仍需要反复的校对调试和大量的经验积累，通常配方壁垒的突破时间需 1-2 年；若想突破工艺壁垒，企业还要在拥有配方的技术上调试磨合，通常需要 3-5 年时间；最后，企业需要投入 大量资本设计改造、调整装备和训练人员，以达到各生产工艺之间的协调配合，通常这个环节需要 5 年以上。总体来说，高性能碳纤维牌号从研发到正式投产大约需要十年的时间，因 此已掌握成熟技术的企业先发优势极大，护城河深厚。就碳纤维制件的研发来说，行业内的相关公司均保持较高的研发投入占比；

特种装备认证，资质壁垒高：国家对压力容器有完善的特种装备认证流程，必须经过中国特种装备检验研究院（CSEI）等官方研究机构认证，并通过客户的资质认证以及多年的实 践检验。（例如中复神鹰于 2018 年完成中材科技 CNG 气瓶产品型式认证，于 2019 年完成江苏国富氢能、沈阳斯林达安科等公司的产品型式认证，大大提高了公司在相关公司的产品销售业绩，根据招股书显示，其在压力容器领域的销售收入相比 2018 年增长 150.6%，销量较 2018 年增加 142.8%，销售单价较 2018 年增加 3.23%）；

高性能碳纤维投产周期较长，资金壁垒较高：恒神股份公告中提到碳纤维行业不同于传统行业，必须建设多条单线千吨级产能生产线和完整生产链，因此建设周期长于传统产业 2- 3 倍，且高性能碳纤维万吨级投资额普遍资金需求 20 亿元以上，较高的资金壁垒使得大量企业难以进入。在前期核心技术尚未突破时，碳纤维产线投资额高但投资回报率低，同时还面临海外企业低价倾销的压力。以行业龙头中复神鹰为例，2020 年碳纤维单吨净利润为 2.3 万 元，投资回报期约 10 年左右。（2020 年中复神鹰产量 3,777 吨，净利润 8,500 万）

高壁垒导致高性能碳纤维产能向头部集中：2021 年国内前四大高性能碳纤维生产商共拥 有等同东丽 T700 性能的碳纤维产能 20,076 吨（考虑国泰大成一期项目 3,000 吨产能），其中中复神鹰万吨级 T700 性能碳纤维项目产能于 2022 年 3 月达产，达产后 T700 级碳纤维总产能达到 12,500 吨/年。2020 年国内 T700 产能为 9,076 吨，2021 年新增产能11,000 吨，同比 增长 121.2%，增速较快。预计 2022 年国内 T700级碳纤维产能增加 7,000 吨，同比增加 34.9%。

碳纤维行业集中度较高，其中江苏地区，连云港中复神鹰、常州中简科技、镇江恒神股份三家碳纤维生产商，2020 年产能占到全国高端碳纤维产能的 90%以上，近年来随着各企业扩产 进度的加快，有进一步向头部企业集中的趋势。而地域产能来看，碳纤维产能正在从东部沿海向西部地区转移，例如中复神鹰从 2019 年启动的两万吨高性能碳纤维项目，选址在西宁地区的可能原因包括当地优惠政策、电力费用以及劳动力成本等综合因素等；

头部企业财务数据持续改善：目前从事高性能碳纤维业务的上市公司主要包括光威复材 （300699.SZ）、中简科技（300777.SZ）、中复神鹰（已过会）、恒神股份（832397.NQ）。 通过比较上述几家公司的经营指标，不难看出，光威复材的产品单吨价格远高于其他三家， 原因是其主要产品为高端航空航天件；恒神股份产品价格落后于同行，仅为中复神鹰和中简科技的一半，主要原因是其大部分业务为风电碳纤维，单吨价格较低。产品盈利性方面，中简科技毛利率领先对手，达到80%以上，近几年保持稳定，主要原因是中简科技产品基本为军用，相对于民品毛利率较高。

此外，中复神鹰的毛利率近几年快速提升，主要原因包括：前期市场开拓阶段主动压低价格、因供不应求带来的碳纤维市场价格提升、2018~2021 年原油 价格下跌和下游晴纶需求萎靡等因素影响，原材料丙烯晴价格下降、规模效应带来综合成本下降、西宁生产基地水电费较低、产品结构改善等。恒神股份在 2021年上半年实现了业绩扭亏为盈且毛利率有所提升，主要受益于产品结构改善（公司升级产线，T300 系列产品比例降低，T700，T800 占比提升）、产能利用率提升带来的规模化效应等因素；

小结：技术研发、资质认证和资金投入三大因素构筑的综合性壁垒将有效维系行业整体竞争格局。近年来，虽然有化工行业的公司切入碳纤维产业链，但几乎都聚焦于普通碳纤维； 而目前国内生产 T700 及以上级别碳纤维的企业较少，相关上市公司往往会通过上市平台募集资金来进行产能扩张，以加深其在行业内的竞争优势。

由于我国高性能碳纤维市场中原有玩家因规模化效应，在单位成本方面较新入场玩家具有优势;同时碳纤维生产线的建设周期较长、难度较高，因此该行业将在中长期维持相对稳定的竞争格局。在近年来我国先进材料强调国产化替代的大背景下，相关上市公司多为竞合关系，相互合作共同提升碳纤维的国产化替代水平。由此可见，行业竞争格局在未来的 2-3 年内会继续向头部集中，而光威复材、中复神鹰和中简科技等龙头企业通过产能扩张，将进一步保持并突出自身的竞争优势。

（二）储氢用碳纤维需求井喷，有望开启碳纤维应用新的增长点

压力容器是现代工业中不可缺少的重要设备，传统的压力容器多是以金属或合金为容器 壁制造，成本和质量较低，结构简单，但存在应力分布不集中、高温高压耐受性差、耐腐蚀 性差等缺陷，难以满足特种装备的需求；而以碳纤维复合材料压力容器为代表的新型复合材料以其高安全可靠性、长使用寿命以及较大的承压能力获得了人们的关注。近年来，碳纤维在压力容器中的应用不断增长，尤其是以航空航天、医疗、燃料电池汽车等领域增长迅速，包括：座椅弹射器、医疗呼吸器以及储氢瓶。而储氢瓶作为氢能产业链的重要组成部分，随着 2021 年下半年各省市开始陆续落地氢能示范应用，储氢瓶用碳纤维的需求迅速提高；

储氢瓶用碳纤维主要应用领域包括燃料电池汽车车载储氢瓶、可再生能源制氢用储氢瓶以及加氢站用储氢瓶等：

燃料电池汽车快速增长，带动车用储氢瓶市场扩大：2019 年清洁能源部长级会议中提出 了在 2020 年到 2030 年这十年间全球生产 1,000 万辆燃料电池汽车的目标；2030 年全球销售的汽车中，氢燃料电池汽车的渗透率需达 3%；到 2050 年这一数字需达到 36%。未来我国氢燃料电池汽车 2025 年保有量 10 万辆，2030 年保有量 100 万辆，2050 年保有量 3000 万辆，按照其中 90%为四瓶商用车，10%为两瓶乘用车来估算，2025 年车用储氢瓶总需求将达到 38 万只，2030 年总需求将达到 380 万只；

可再生能源催生储能需求，氢储能成为最后一块拼图：随着风能、太阳能装机规模的上升，传统电力系统调峰调频能力已无法满足可再生能源发电波动性储能需求。当全国非抽水可再生能源装机规模达到 1,500GW 到 2,000GW 以上时，传统的电力系统调节和优化手段将遇到天花板，在极端情况下，即使全国煤电机组全部用于为可再生能源发电调峰，也难以满足电力系统安全可靠运行的要求，即意味着传统调峰方式失效。

随着可再生能源发电规模的扩大，为平滑波动性产生的二次调峰储能需求也将提高，到 2030年可再生能源功率缺口将达到 1,200GW，到 2050 年缺口将扩大至 2,600GW。在此情形下，可再生能源必须寻求新的储能方式，而氢能兼具清洁二次能源和高效储能载体的角色，可以实现大规模跨季节存储，逐渐被人们关注。我国对可再生能源储能的需要，将有效带动储氢瓶在氢气储存层面的需求；

加氢站加速布局或将掀起储氢瓶部署热潮：到 2020 年年底，我国国内累计建成加氢站 118 座，建成并运营加氢站 101 座，代运营 17 座，建设中和规划建设的加氢站 170 座。我国的加氢站将于 2050 年达到 1.2 万座，单座加氢站成本为 800 万元。虽然目前大部分加氢站使用的储氢瓶为较为便宜的钢制储氢瓶，但相信随着碳纤维的成本降低和大规模运用，碳纤维储氢瓶的梯次利用也会成为可能；

封锁加速国产化替代节奏：2021 年以来，受到新冠疫情封锁以及日本东丽对中国高端碳 纤维市场供应限制的影响，我国压力容器用碳纤维进口供应比例下降。目前我国储氢瓶使用的碳纤维一般是由国外厂商供应，日本东丽、日本东邦、韩国 SK 等是我国高端碳纤维主要供应商，日韩企业占据我国进口储氢瓶用碳纤维 70%以上的市场份额。由于海外供应量下降，下游氢气瓶制造商纷纷选择国产碳纤维。目前储氢瓶制造商主要有京城股份、中材科技、国富 氢能、科泰克、斯林达以及中集安瑞科等，储氢瓶的平均扩产周期大约在 12 个月左右，相较 于碳纤维厂商 24~48 个月的扩产周期要短；

在大规模推广储氢瓶的过程中，产品价格成为制约需求的关键因素。目前有三大因素促使储氢瓶的生产成本下降：1）国产化替代节奏。根据高工氢电的调研，目前国产储氢用碳纤维价格比国外便宜 30%。2）大规模产能扩张促进了储氢瓶生产成本的降低。根据美国国家橡树实验室的分析，在大规模（万吨级）生产条件下，储氢用碳纤维生产成本从原先的 9.88 美 元/公斤下降至 7.86 美元/公斤，下降幅度约 20%。而储氢瓶生产成本在大规模生产条件下会下降的更快——在 1 万套储氢系统的情况下，单位成本为 4,289 元/套，而到储氢瓶系统数量达到 50 万套以后，单位成本为 2,630 元/套，下降约38.7%。

碳谱科技则指出，在储氢瓶系统 中，62%的成本为碳纤维，因此在大规模生产中降低碳纤维的成本是产业界最关心的话题。因此，3）通过优化碳纤维生产工艺，同样有助于碳纤维生产成本的下降。此前的碳纤维生产多使用湿喷湿纺的工艺，根据中复神鹰招股书说明，传统工艺纺速约 80 米/分钟，使用改进后的干喷湿纺工艺，纺速可提高 4 倍，达到 300 米/分钟，未来 2 到 3 年内，纺速可达到 400~500 米/分钟。此外，原丝聚合（一步法、二步法）等工艺的改善也是有效降低成本的重要方式。

三、总结

储氢瓶用碳纤维需求维持高增：由于目前加氢站在建设过程中更重视成本，主要使用钢瓶储氢，碳纤维的使用量较少，因此对于近五年储氢瓶碳纤维的市场预测，暂不考虑加氢站 应用的影响。根据上述分析，碳纤维储氢瓶未来市场主要分为两个方面：

（1）车用储氢瓶方 面，2020 年汽车销量1,177 辆，2025 年中国氢能源汽车保有量 10 万辆。按照商用车销量占比最终 90%，乘用车销量占比 10%计算。根据宁波材料所数据，其中商用车单车 4 个储氢瓶，单储氢瓶 80kg 碳纤维，乘用车单车 2 个储氢瓶，单储氢瓶碳纤维重量 37.5kg，到 2025年燃料电池电车的累计储氢瓶用碳纤维需求约为 30,050 吨。

（2）可再生能源制氢方面，假设 2025年氢气调峰调频渗透率最终达到 50%，总调峰需求氢气 926 吨，假设其中Ⅱ型瓶渗透率 15%,Ⅲ型瓶渗透率 5%,根据《车用压缩 氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准，计算可得Ⅱ型瓶碳纤维总用量为 4,633 吨，Ⅲ型瓶碳纤维总用量为 24 吨，因此到 2025年可再生能源制氢累计需要的储氢瓶用碳纤维需求量约为 4,657 吨。

此外，燃料电池的核心材料之一是碳纸为基础的气态扩散层 GDL，碳纸碳纤维含量在 10%~50%不等，每辆汽车大约使用碳纸用碳纤维 5kg，如果按照 2025 年的 10 万台燃料电池汽车来估算，大约总共需要 500 吨碳纸用碳纤维，数量不如氢气瓶庞大，但技术密集度高，价值斐然，亦属于燃料电池汽车的核心技术之一，也值得关注。到 2025 年，国内储氢瓶碳纤维总累计需求量达到 34，707 吨，市场空间达到 48.6 亿元，CAGR 为 60.3%。下游储氢用碳纤维需求将随着氢能产业的快速发展而快速释放；

储氢瓶用碳纤维供给依然有限：储氢瓶供给国内供给端来看，除中复神鹰以外，其余有能力生产 T700 及以上碳纤维原丝的企业此前鲜有涉足压力容器用碳纤维领域，光威复材、恒神股份在 2021 年才宣布进军储氢用碳纤维行业；而海外供应端，2020 年以前，海外供应了国内超过 70%的储氢用碳纤维，2020 年 9 月后，受到日本政府端压力，东丽东邦等公司对中国碳纤维进口减少。我们预测随着中日关系改善以及东丽等公司库存压力加大等因素，日本东丽通过子公司向中国出口 T700 及以上碳纤维量可能性提高，进口依赖度或出现小幅反弹。随后随着国内碳纤维生产企业竞争力提高，进口依赖度进一步下降；

结论：大规模高端碳纤维制造能力弥足珍贵，整体来看未来几年储氢用碳纤维的紧缺情况将继续维持。目前，很多氢气瓶企业对碳纤维的战略意义认识不足，各储氢瓶制造商对碳 纤维需求量小，仅数百吨，通过市场采购而无需签订协议便可满足当前的生产需求；但当碳纤维需求达到万吨级别时，上游碳纤维生产商保障大规模交付的能力，将在下游储氢瓶企业的扩产中起到重要作用。同时，我们认为，随着氢能产业的景气度不断抬升，对于储氢瓶扩产项目的投资热情日益高涨，对储氢瓶用碳纤维的需求将继续提升；然而储氢用碳纤维的供给能力在国内和海外两端增长有限；因此，整体来看储氢用碳纤维的紧缺情况将继续维持。

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