車載氫系統成本分析概述

摘 要：車載氫系統作為氫燃料電池動力系統重要組成，為其提供氫氣動力，直接影響氫燃料電池商用車的續航里程和成本。行業內外越來越多的人關注車載氫系統，推動相關技術進步。本文通過對燃料電池商用車車用35MPa、70MPa高壓氣態車載氫系統結構介紹，并根據結構進行成本測算，形成系統總成本。同時對影響車載氫系統成本的關鍵因素進行分析，預測規模化應用成本，對燃料電池商用車推廣具有指導意義。

關鍵詞：35MPa 70MPa 車載氫系統 車載氫系統成本

0 引言

目前市場上常用高壓氣態車載氫系統，壓力等級分為35MPa和70MPa兩種，其中35MPa車載氫系統已在公交、重卡、物流等燃料電池商用車市場實現批量應用，而70MPa車載氫系統在乘用車實現批量應用，在商用車上國內尚無規模化應用案例[1-2]。

1 車載氫系統結構及成本分析

車載氫系統是燃料電池車上從加氫口至燃料電池的入口，且與氫氣的加注、儲存、供給和控制相關的所有裝置和零部件的總和。本文以35 MPa 6×140 L公交車車載氫系統和70 MPa 4×134 L中巴車載氫系統為例進行車載氫系統結構及成本分析。

車載氫系統（圖1）組成主要包括加氫模塊、儲氫模塊、供氫模塊、控制模塊和系統配件模塊。其中，加氫模塊是與加氫設備通訊并實現氫氣加注功能的部分，由加氫口、過濾器、單向閥、壓力表等組成。儲氫模塊是將加注的氫氣以高壓狀態存儲的部分，由儲氫瓶、瓶口組合閥等組成。供氫模塊由過濾器、減壓閥、安全閥、針閥、電磁閥等組成，按需求壓力向燃料電池系統供氫。控制模塊是實現對氫系統信號采集、控制并與其他控制器信息交互的部分，由HMS、壓力傳感器、溫度傳感器、氫濃度傳感器等組成。系統配件由管路、支架等組成[3]。

1.1 加氫模塊

加氫模塊是氫系統與加氫設備連接并建立通訊實現氫氣加注的部分，主要由加氫口、過濾器、壓力表、連接管路等部件組成。氫氣加注時，加氫機的加氫槍與車載氫系統的加氫口完成對接，高壓氫氣通過加氫口經連接管路進入氫瓶中。加氫模塊還配置壓力表，供司機與加氫站工作人員讀取車輛當前氫氣壓力。

加氫口的主流生產廠家為WEH（德國），35MPa氫系統常用加氫口型號為TN5大流量加氫口，價格為3700元/個，70 MPa氫系統目前使用型號為TN1加氫口，具備紅外通訊功能，價格通常為3900元/個。國產化方面，富瑞閥門、未勢能源等廠家均有加氫口產品取得認證，目前市場應用占比不多，價格約為3000元/個。35 MPa壓力表的主流生產廠家為WIKA，高壓壓力表價格為470元/個。壓力表屬于特種設備，需要定期年檢，給用戶后期使用帶來了不便，有不少整車廠采用取消壓力表，在駕駛室儀表顯示氫系統壓力的技術方案。70MPa氫系統為減少高壓管路漏點，將不再配置壓力表。

35 MPa和70MPa氫系統的單向閥因承壓不同，70MPa單向閥的制造工藝更為復雜，密封性要求更高，價格也高于35MPa單向閥。目前采用OMB的70MPa單向閥價格約為3500元/個，Swagelok的35MPa單向閥價格約為980元/個。

1.2 儲氫模塊

儲氫模塊包含儲氫瓶、瓶口組合閥、瓶尾閥，單套車載氫系統往往配備包含多組儲氫瓶、瓶口組合閥、瓶尾閥的儲氫模塊來適配不同儲氫量的需求[4]。

儲氫模塊中儲氫瓶成本占主要部分，儲氫瓶成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復合材料。據DOE數據，對于儲氫質量均為5.6kg的35MPaIII型、70MPa IV型高壓儲氫瓶成本，碳纖維復合材料成本分別占儲氫瓶總成本的 62%和78%。以5～6kg的儲氫量計算，單瓶碳纖維用量約為33kg，目前儲氫瓶使用的小絲束T700碳纖維價格相對偏高，因此碳纖維價格對儲氫瓶成本起著決定作用。35MPaIII型儲氫瓶已經完成全面國產化，技術成熟，儲氫瓶價格主要受碳纖維價格影響。以140L儲氫瓶為例，價格為9000元/支。與35MPaIII型儲氫瓶配套的瓶閥產品隨著批量化推廣，價格較之前已經實現大幅下降，瓶閥（含瓶口組合閥、瓶尾閥）價格為3000元/個。

70MPaIV型瓶由于國內法規限制，暫時沒有國產產品。當前國內以70MPa III型瓶為主，且處于試制研發階段，市場需要承擔部分研發費用，加上70MPaIII型瓶的碳纖維用量更大，制造成型難度也更大，導致價格高居不下。以134 LIII型儲氫瓶為例，價格為72000元/支。我國70MPa配套瓶閥研制較晚，雖然未勢能源已經成功研制70MPa瓶口組合閥，但出于對高壓氫氣安全性的考慮。目前國內70MPa瓶閥基本采用經過市場驗證的國外產品，OMB瓶閥（含瓶口組合閥、瓶尾閥）的價格為21000元/個。

1.3 供氫模塊

供氫模塊的核心零部件為減壓閥。這一核心產品是車載氫系統中“卡脖子”問題比較嚴重的產品。目前國內在運行的燃料電池汽車，所配套的減壓閥絕大部分是外資品牌的產品。市場主流份額由加拿大GFI、美塔特龍等外資品牌長時間盤踞。其中，用于35 MPa和70 MPa系統中的美塔特龍減壓閥價格約5500元/個和18000元/個。

供氫模塊的過濾器安裝在減壓閥之前，主要作用為保護減壓閥不受雜質損傷。目前，用于35 MPa系統中的過濾器為Swagelok的T型過濾器，價格為1500元/個（70 MPa未安裝過濾器）。供氫模塊其余零部件由于處在系統低壓段，35MPa與70MPa氫系統的價格基本一致。

1.4 控制模塊

車載氫系統控制模塊主要由控制器、壓力傳感器、氫濃度傳感器、溫度傳感器組成。

車載氫系統使用了WIKA專為氫燃料電池車輛設計的MH-3-HY系列壓力傳感器。此類傳感器進行了涉氫材料優化，具有高度疲勞強度和優異的耐氫蝕性。35MPa氫系統低、高壓壓力傳感器價格基本一致，單價約為720元。70MPa氫系統使用與35MPa同款低壓壓力傳感器，70MPa使用的高壓壓力傳感器單價約為800元。

國內車載氫濃度傳感器研發起步偏晚，近年來國內氫燃料電池汽車采用的氫濃度傳感器以進口為主，技術壟斷且價格昂貴。氫系統常用FIS的開發的FH2系列催化劑燃燒式氫氣傳感器，其單價為1000元左右。由于溫度傳感器集成在瓶口閥內，瓶口閥的成本分析已包含溫度傳感器，在此不再對其做成本分析。

車載氫系統線束為低壓線束，成本計算涉及線束長度、線徑和接插件數量。每個氫系統設計方案的差異造成線束規格的不同。以35MPa的6瓶組系統為例，整套線束（含DC/DC轉換器）價格為1000元/套。

車載氫系統控制器硬件成本約為1000元，軟件成本不同廠家成本不同，5000～20000元不等。70MPa車載氫系統控制模塊需額外配置紅外通訊模塊，實現與加氫站通訊加氫，價格約為16000元。

1.5 系統配件模塊

車載氫系統中除了瓶、閥類及電氣件外，還有高低壓管路、管接頭及固定結合組等系統配件。目前70MPa系統管路、接頭均采用進口部件，35MPa系統隨著國產部件的開發驗證，逐步實現國產化替代。

以35 MPa 6×140 L公交車車載氫系統和70 MPa 4×134 L中巴車載氫系統為例，各模塊成本占比如圖2所示。

2 影響車載氫系統成本因素分析

2.1 儲氫瓶

儲氫瓶作為氫能產業鏈的重要組成部分，儲氫瓶作為氫能產業鏈的重要組成部分，隨著各省市開始陸續落地氫能示范應用，2025年我國氫燃料電池汽車總計規劃推廣數量達6.6萬輛，在大規模推廣儲氫瓶的過程中，產品價格成為制約其市場推廣的關鍵因素。從車載儲氫瓶成本來看，儲氫瓶的成本主要集中在外部纏繞用的碳纖維復合材料。由于日本東麗近一年的對華出口封鎖，造成國內高性能碳纖維市場出現短缺，高性能碳纖維價格飛漲，從而導致在2022年儲氫瓶全面實現國產化后價格不降反增，阻礙了車載氫系統的成本下降。據美國能源部測算，高壓氫氣瓶采用碳纖維要實現規模經濟效益需要性能達到T700或以上的同時價格達到12.6美元/kg。

綜合國內碳纖維市場分析，目前有三大因素將促使儲氫瓶碳纖維成本下降。

2.1.1 碳纖維國產化替代

東麗、曉星等國外碳纖維廠家長期把持國內高性能碳纖維市場，價格遠高于國內同級別產品。受益于產能擴張與技術水平提升帶來的產能利用率增加，以及國外出口封鎖，近年來碳纖維國產化率增長迅速，預計2023年國產碳纖維占比可實現反超，碳纖維價格穩步下降[5]。

2.1.2 大規模產能擴張促進儲氫瓶生產成本的降低

國內碳纖維行業隨技術進步已跨越低達產率階段。碳纖維行業規模效應顯著，產能擴張可有效降低單位生產成本。碳纖維生產過程中，伴隨著產能規模擴張/設備國產化/工藝改進，固定成本攤薄更多，能源使用效率提升，有望帶來成本端的持續優化，綜合成本還有10%-15%的下降空間。

2.1.3 大絲束碳纖維生產工藝，推助儲氫瓶碳纖維成本下降

目前日本、韓國等成熟的氫燃料電池車型搭載儲氫瓶上已經用上了大絲束碳纖維，而國內儲氫瓶市場中T700級小絲束碳纖維仍占據絕對主導。相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優勢，就是在相同的生產條件下可大幅度提高碳纖維的單線產能，而且在復合材料制備過程中的鋪層效率也更高，生產成本卻能降低約30%以上。隨著國產大絲束性能的逐步提升以及配套研究的持續突破，大絲束未來性能有望提升至T700以上，在儲氫瓶這一細分場景中實現對小絲束的部分或全面替代，帶動儲氫瓶綜合成本的下降[6]。

2.2 管路及閥門件

閥門是構成車載氫系統至關重要的一環，是保障燃料電池汽車安全運轉的關鍵模塊。數據顯示，車載氫系統閥門中成本占比較高的依次為瓶口閥、減壓閥和加氫口。從裝機價值量來看，進口品牌在瓶口閥、減壓閥等高價值產品方面占據主流，以相關產品營收計算，外資品牌總體市場占有率在70%以上。目前，國內瓶口閥品牌選用OMB和GFI居多；GFI和美塔特龍則在減壓閥方面出貨占比較高；加氫口代表性品牌為德國WEH。

隨著氫進萬家項目的開展以及氫燃料車的大規模推廣應用，眾多國產閥門廠家紛紛入局氫能閥門行業。中國汽車工程研究院股份有限公司牽頭開展的《車載氫系統關鍵部件研制》項目，正逐步攻克涉氫閥門設計、加工等方面的技術瓶頸。目前，國內企業在35 MPa閥件領域已經擁有自主技術，以富瑞閥門為例，已開發出35 MPa瓶口組合閥、安全閥、針閥等關鍵閥門部件并開展國產化驗證應用。而減壓閥涉及高精技術國產閥門應用驗證實例較少，仍處于試驗驗證階段。

由于70MPa閥門壓力要求等級更高，技術門檻更高。目前國內市場70MPa儲氫系統閥件多為進口，國產閥件還處在試驗驗證階段[7]。

從國內各地氫燃料電池汽車推廣規劃來看，到2025年，氫燃料電池汽車總計規劃推廣數量可達6.6萬輛。隨著氫燃料電池汽車的落地，車載氫系統需求量激增，市場規模擴大，會進一步促進閥門國產化替代進程，形成可供競爭的巨量市場，使氫能閥門成本進一步降低。

3 車載氫系統成本預測

通過對車載氫系統的成本及影響車載氫系統成本關鍵因素分析可知碳纖維原材料價格及管閥件價格是影響車載氫系統成本的關鍵因素，開展以下工作將有效降低系統成本。

3.1 管閥件國產化替代工作

逐步推動管閥件國產化替代工作，降低物料成本。

3.2 產業鏈條完善工作

隨著產業鏈建設，供應商體系逐步完善，上下游配套零部件廠商不斷增加，形成了較為完善的氫系統產業鏈，以山東地區為例，碳纖維廠家有威海光威復合材料、儲氫瓶廠家有濰坊奧揚科技、系統廠家有濰柴動力等，將有效地降低車載氫系統原料成本。

經過不斷深入研究和掌握基礎技術的同時國產部件的研發，推測在車載氫系統形成規模化生產后，推測將35MPa車載氫系統的成本從百臺級的6200元/kg，降低到萬臺級的4970元/kg；70MPa車載氫系統的成本從百臺級的22400元/kg，降低到萬臺級的16400元/ kg。

4 總結分析

綜上，車載氫系統萬臺之前的降本以管閥件國產化替代為主，萬臺之后的降本通過產業鏈完善，各環節充分發展加上系統模塊化、通用化的設計，使得材料成本下降，最終實現系統成本降低。這需要同步開展基礎材料的研究，如突破碳纖維技術行業壁壘，減壓閥耐低溫、高可靠密封技術等，如果國產材料不能實現或保障材料一致性，限制了產品的升級，制約成本的進一步下降和價值提升，影響產品競爭力。

基金項目：本文為國家重點研發計劃氫能動力與供能系統關鍵技術集成及多場景應用示范（2021YFB4001800）研究成果之一。

參考文獻：

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[5]陳浩武，余嫄嫄，楊逸菲，等.基礎化工：化學纖維《中復神鷹》[R].中銀國際證券，2023-4-26.

[6]楊陽，李永磊.碳纖維行業框架報告《雙碳戰略推動碳纖維景氣度上行，技術進步產能擴張降本可期》[R].國海證券，2022-5-27.

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