氢能产业链中的阀门

admin2年前 (2024-09-21)产业地产资讯87

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　　根据世界能源理事会（World Energy Council，WEC）报告，氢不是能源，而是能量载体，必须在使用前生产和储存。氢能产业链涉及环节众多，主要包括：制氢、储运氢（储存、运输、加注等）、供氢（氢能应用场景中对接用氢环节）、用氢（燃料电池、氢内燃机等）等环节。基于氢的物理特性，阀门作为开闭气态或液态氢管路、控制流向、调节和控制输送参数（温度、压力、流量等）的重要组件，是氢能产业链上必不可少的组件及零部件（视集成程度区分组件和零部件）产品。

　　首先，氢具备的物理性质包括：分子小易渗透、易逃逸；氢原子的空隙效应容易融入金属原子晶格，并在有缺陷的晶格中重新化合为氢分子造成应力，发生氢脆；以及爆炸性（爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度））。因此，在制氢环节乃至整个氢能产业链中，对阀门的材料、结构及强度、密封性能、安全性等都提出了很高的要求。

　　化石能源制氢：伴有大量碳排放的氢被WEC定义为“灰氢”，并不可取。通过CCUS（碳捕集、利用与封存）避免碳排放的氢被定义为“蓝氢”，CCUS产业用阀门足以另辟专题，且并非氢能专有，不做探讨。

　　工业副产回收制氢：首先是满足业主自用。

　　电解水制氢：通过风力、光伏等可再生能源制氢，即“绿氢”；同时新型制氢技术也不断涌现。

　　制氢环节主要关注“蓝氢”和“绿氢”的阀门。

　　储运环节：储氢方法主要分为（高压）气态储氢、液态储氢、固体储氢三种；氢储运分为气氢输送（长管拖车和管道输送）、液氢输送（液氢槽车）和固氢输送（货车）。

　　加注环节：按氢气来源可以分为站外制氢和站内制氢，站外制氢的输入加注和储运基本是同一形态，站内制氢基本同电解水制氢环节，加注环节的输出加注和储运是同一形态。

　　现阶段的主要储氢方式分为高压氢瓶和高压容器两大类。高压气态储氢瓶主要分为纯钢制金属瓶（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）四代产品，主要应用场景为车载式（车用及储运）和固定式（制氢厂、加氢站等）储氢。

　　目前70MPa碳纤维缠绕IV型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢的主流技术，我国燃料电池商用车载储氢方式以35MPa碳纤维缠绕III型瓶为主。高压气体储运氢目前是和供氢环节最紧密的储运方式，高压气态储氢瓶口阀（瓶阀）是核心的阀门产品。

　　车载储氢系统一般包含多个储氢瓶，由于设计车载储氢系统时，有严格的标准（我国为例：GB/T 26990-2011《燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件》、GB/T 29126-2012《燃料电池电动汽车车载氢系统试验方法》），车载储氢系统设计应最大限度减少高压管路管件连接点及阀门的数量，减少潜在漏点；而瓶口阀集成的功能越多，管路的连接点越少，故目前瓶口阀成熟产品的集成度较高，至少应集成主关断阀、单向阀和压力释放装置（PRD）、溢流阀等功能。

　　可分为低温液态储氢和有机液态储氢。

　　有机液态储氢加、脱氢温度较高、催化剂成本和效率难以兼容、装置复杂；目前液氢主要还是低温液氢。低温液氢目前除航天（液氢液氧直接做推进剂）用途之外，民用应用场景（液氢气化后输入进燃料电池，例如车载等）相对较少，主要是储运环节，涉及供氢环节较少。

　　关于低温液态储氢阀门，目前核心产品是低温液氢加注阀。由于低温液态氢在储运和加注过程中易出现漏热和残留液氢的问题，故相关阀门必须采用高真空绝热设计；此外，阀门设计还需要考虑材料因低温变形而产生的偏差。

　　以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储，储运本身不涉及阀门。

　　供氢环节主要指对接氢能的各个应用场景，如船舶、重卡等重型机动应用或调峰氢电站等。供氢环节和储运氢环节有可能是相互融合或交叉的，例如车载式高压气态储氢瓶即可以视为储运氢环节，又可视为供氢环节的一部分。

　　目前氢能民用主流的供氢为气态氢，即无论是低温液态氢储运和高压气态氢储运，到了供氢环节主流方式只有气态氢，这是目前用氢环节的燃料电池性质决定的。

　　减压阀是供氢环节的重要产品，因为燃料电池入口的压力比高压储氢系统出口的压力要小很多，而大跨度的减压对于减压能力和稳压效力有较高要求，减压阀需要既可以大压力跨度减压，又保证阀后波动，一般在储氢系统出口后和燃料电池入口前会分别设计两级减压阀。车载储氢系统加上减压阀构成了车载储供氢系统。

　　氢能民用的最终应用主要有两种方式：一是直接燃烧（氢内燃机），二是采用燃料电池技术。燃料电池技术相比于氢内燃机效率更高，目前是主流。

　　氢燃料电池目前按电解质和工作原理分类主要有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等，无论哪种燃料电池，系统基本都是由电堆（核心）、氢气供给循环系统（空压机）、空气供给循环系统、水热管理系统（增湿器）、电控系统、智能监控系统相互协调构成。都有管路设计。

　　燃料电池不涉及高压或低温环境，阀门设计难度相对没有储运氢和供氢环节难度大。电控技术将成为氢燃料电池系统开发最核心的技术之一，电磁阀将成为燃料电池阀门的主流方向，此外，对车载环境，阀门体积也要求越来越小。

　　高压气态氢的专有产品主要用于车载场景-车载储运氢系统。

　　前文提到瓶口阀的集成度很高，具体看，瓶口阀至少集成如下功能：过滤器、手动截止阀、电磁阀、限流阀、温度传感器、TPRD（热泄压装置）、放散阀等装置（如图5中虚线框内所示）。

　　不同于一般介质，高压储氢瓶用瓶口阀氢气压力高(35至70 MPa)，容易造成金属件氢蚀氢脆，非金属件破坏。因此选材时，结合研发和实际应用经验及行业内的惯用，综合考虑工况适应性和轻量性要求，常选用铝合金材质制造主体，操作部件选用抗氢蚀316不锈钢，密封件选用PEEK、氢化丁腈橡胶等适应高压高低温并与氢相容性良好的材料制造。

　　目前国内主要是35MPa的III型瓶及瓶阀，国际OECD国家70MPa的IV型瓶及瓶阀已逐渐成为主流。70MPa瓶口阀比35MPa瓶口阀成本提高很多，规模化后可大幅降低成本。

　　主要在储氢系统和燃料电池之间，调节储氢系统管路出口（高压）和燃料电池管路入口（低压）的氢气压力。减压阀和储氢系统构成了储供氢系统。减压阀常见于高压气态氢储供氢系统，尤其常见于车载高压气态储供氢系统。

　　供氢环节减压阀作用凸显。减压阀是通过调节阀门开度，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门，优质减压阀需要既可以大压力跨度减压，又保证阀后波动。由于燃料电池的电堆对于进堆氢气压力的稳定性有较高要求，但考虑气瓶压力本身是不断下降的，故一般设计两级减压阀，确保进堆氢气压力的稳定性。

　　此外，在燃料电池管路入口前使用喷射器也是研究方向之一，喷射器是高频电磁阀的一种。

　　减压阀的市场空间意义在于：与氢储运形式无关，调压及稳压的需求（基于电堆对于进堆氢气压力稳定性的高要求）是刚需。

　　（三）高压气态氢的其他代表性阀门

　　代表性阀门包括截止阀、单向阀、减压阀、排空阀等，和车载环境的区别在于加氢站阀门不需要较高集成度。

　　低温液态氢的专有产品，是低温液态储运氢过程中的关键部件。

　　目前低温液态氢主要是储运环节，涉及供氢环节较少，液氢直接为燃料电池供氢（需要汽化器）目前也仅有：Chart Industries和巴拉德动力系统公司合作的船用氢燃料电池、法液空（Air Liquide）和戴姆勒卡车合作的氢燃料电池重卡等个位数的测试案例，故储运环节的加注阀应用面更广。

　　液氢加注阀应具备良好的安全使用性能和良好的绝热性能。当前常用的提高阀门绝热性的方式：堆积绝热；真空绝热。堆积绝热容易造成阀门体积和重量增加；真空绝热方式则多通过提高真空度或优化绝热层结构来削弱换热,对阀门的密封性提出了较高要求。

　　操作可靠性也是设计重点,因外界环境与阀门内部温差较大，或出现变形量不一致导致阀门操作不利。

　　与气态氢相比，液氢供氢有显著的空间、载重和航程优势，未来或占据重要比例。

　　（一）氢能产业链阀门国产被卡脖子

　　目前整个氢能产业链中，大部分核心产品已经完成国产化替代，但阀门特别是高压气态储运氢及供氢和低温液态储运氢的阀门卡脖子问题仍然比较为突出。

　　1.氢物理性质特殊，对阀门的设计要求非常高；特别在高压、超低温等极端环境下，对可靠性、密封等都有更高要求。

　　2.国外企业研究超前，在材料/工艺/密封理论等方面的研究比较领先，率先研发出高压气态储运氢及供氢、低温液态储运氢专用阀门，又经过大量验证，使产品技术指标、性能、质量、可靠性等有比较显著的提升。国内企业起步较晚。

　　3.目前国内氢能产业处于发展早期，氢能业主和用户打造样品工程，不敢轻易试用国产品牌。

　　在加氢站领域，主要阀门种类如截止阀、单向阀、减压阀、排空阀、电磁阀等产品的主流供应商以进口品牌为主，全球头部企业包括德国麦格思维特（MAXIMATOR）、美国世伟洛克（Swagelok）、意大利OMB等。

　　高压氢瓶瓶口阀等技术含量高的产品，其全球头部企业包括加拿大GFI、意大利OMB、美国勒科斯弗（Luxfer）等。

　　低温液氢加注阀，全球基本被法液空（Air Liquide）、德国林德（Linde）及俄罗斯深冷（JSC）等几家公司所垄断。

　　车载供氢方面，减压阀的全球龙头是意大利美塔特龙（Metatron）、加拿大GFI、美国艾默生旗下的TESCOM。

　　（三）氢能阀门相关国内企业和机构

　　高压气态氢（储运氢及供氢）阀门领域已有神通阀门、富瑞特装、瀚氢动力、上海舜华、旗磐科技、未势能源、国机集团合肥通用机械研究院、亚普股份、和瑞精密等布局。

　　低温液态氢（储运氢）方面的企业有杭氧股份、纽威股份、上海百图、先创流体等。

　　用氢方面的企业有威孚高科、浙江宏昇、神通、富瑞等。

　　中国通用机械工业协会2022年9月10日批准《氢用低温阀门通用试验方法》（T/CGMA 0405—2022）、《高压氢气阀门安全要求和测试方法》（T/CGMA 0406—2022）、《氢用低温阀门通用技术规范》（T/CGMA 0407—2022）等标准，自2022年11月1日起实施。

　　需要注意的是，《高压氢气阀门安全要求和测试方法》不适用气瓶瓶口阀和紧急切断阀或紧急切断装置。

　　氢能阀门是先进制造和新能源结合的细分交叉领域。成本可控前提，部分应用场景下电磁阀或以电磁阀作为核心部件的阀门组件将成为主流。

　　氢能阀门种类众多，本文也仅仅选取了高压气态氢瓶瓶口阀、减压阀、低温液氢加注阀等少数有代表性的阀门。虽然每种阀门可能暂时市场规模较小，但从整体看，氢能阀门依然有广阔的市场空间。根据前瞻产业研究院GIA的数据，预计2026年，全球阀门制造行业的市场规模能够超过900亿美元。未来随着氢能等新能源发展，氢能阀门将会兴起，并逐渐融合石油等化石能源的传统阀门市场。在氢能阀门这一细分交叉领域，国内企业均有广阔机会。

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