車載氫系統(tǒng)成本分析概述

摘 要：車載氫系統(tǒng)作為氫燃料電池動力系統(tǒng)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(xù)航里程和成本。行業(yè)內(nèi)外越來越多的人關(guān)注車載氫系統(tǒng)，推動相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。本文通過對燃料電池商用車車用35MPa、70MPa高壓氣態(tài)車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹，并根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成本測算，形成系統(tǒng)總成本。同時對影響車載氫系統(tǒng)成本的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，預(yù)測規(guī)?；瘧?yīng)用成本，對燃料電池商用車推廣具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：35MPa 70MPa 車載氫系統(tǒng) 車載氫系統(tǒng)成本

0 引言

目前市場上常用高壓氣態(tài)車載氫系統(tǒng)，壓力等級分為35MPa和70MPa兩種，其中35MPa車載氫系統(tǒng)已在公交、重卡、物流等燃料電池商用車市場實現(xiàn)批量應(yīng)用，而70MPa車載氫系統(tǒng)在乘用車實現(xiàn)批量應(yīng)用，在商用車上國內(nèi)尚無規(guī)?；瘧?yīng)用案例[1-2]。

1 車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及成本分析

車載氫系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)和70 MPa 4×134 L中巴車載氫系統(tǒng)為例進(jìn)行車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及成本分析。

車載氫系統(tǒng)（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(tǒng)配件模塊。其中，加氫模塊是與加氫設(shè)備通訊并實現(xiàn)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(tài)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(tǒng)供氫?？刂颇K是實現(xiàn)對氫系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)與加氫設(shè)備連接并建立通訊實現(xiàn)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(jī)的加氫槍與車載氫系統(tǒng)的加氫口完成對接，高壓氫氣通過加氫口經(jīng)連接管路進(jìn)入氫瓶中。加氫模塊還配置壓力表，供司機(jī)與加氫站工作人員讀取車輛當(dāng)前氫氣壓力。

加氫口的主流生產(chǎn)廠家為WEH（德國），35MPa氫系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)化方面，富瑞閥門、未勢能源等廠家均有加氫口產(chǎn)品取得認(rèn)證，目前市場應(yīng)用占比不多，價格約為3000元/個。35 MPa壓力表的主流生產(chǎn)廠家為WIKA，高壓壓力表價格為470元/個。壓力表屬于特種設(shè)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(tǒng)壓力的技術(shù)方案。70MPa氫系統(tǒng)為減少高壓管路漏點，將不再配置壓力表。

35 MPa和70MPa氫系統(tǒng)的單向閥因承壓不同，70MPa單向閥的制造工藝更為復(fù)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(tǒng)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(fù)合材料。據(jù)DOE數(shù)據(jù)，對于儲氫質(zhì)量均為5.6kg的35MPaIII型、70MPa IV型高壓儲氫瓶成本，碳纖維復(fù)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(jīng)完成全面國產(chǎn)化，技術(shù)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(chǎn)品隨著批量化推廣，價格較之前已經(jīng)實現(xiàn)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(nèi)法規(guī)限制，暫時沒有國產(chǎn)產(chǎn)品。當(dāng)前國內(nèi)以70MPa III型瓶為主，且處于試制研發(fā)階段，市場需要承擔(dān)部分研發(fā)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(dǎo)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(jīng)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(nèi)70MPa瓶閥基本采用經(jīng)過市場驗證的國外產(chǎn)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(chǎn)品是車載氫系統(tǒng)中“卡脖子”問題比較嚴(yán)重的產(chǎn)品。目前國內(nèi)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(chǎn)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(tǒng)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(hù)減壓閥不受雜質(zhì)損傷。目前，用于35 MPa系統(tǒng)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(tǒng)低壓段，35MPa與70MPa氫系統(tǒng)的價格基本一致。

1.4 控制模塊

車載氫系統(tǒng)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(tǒng)使用了WIKA專為氫燃料電池車輛設(shè)計的MH-3-HY系列壓力傳感器。此類傳感器進(jìn)行了涉氫材料優(yōu)化，具有高度疲勞強度和優(yōu)異的耐氫蝕性。35MPa氫系統(tǒng)低、高壓壓力傳感器價格基本一致，單價約為720元。70MPa氫系統(tǒng)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(nèi)車載氫濃度傳感器研發(fā)起步偏晚，近年來國內(nèi)氫燃料電池汽車采用的氫濃度傳感器以進(jìn)口為主，技術(shù)壟斷且價格昂貴。氫系統(tǒng)常用FIS的開發(fā)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(nèi)，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(tǒng)線束為低壓線束，成本計算涉及線束長度、線徑和接插件數(shù)量。每個氫系統(tǒng)設(shè)計方案的差異造成線束規(guī)格的不同。以35MPa的6瓶組系統(tǒng)為例，整套線束（含DC/DC轉(zhuǎn)換器）價格為1000元/套。

車載氫系統(tǒng)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(tǒng)控制模塊需額外配置紅外通訊模塊，實現(xiàn)與加氫站通訊加氫，價格約為16000元。

1.5 系統(tǒng)配件模塊

車載氫系統(tǒng)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(jié)合組等系統(tǒng)配件。目前70MPa系統(tǒng)管路、接頭均采用進(jìn)口部件，35MPa系統(tǒng)隨著國產(chǎn)部件的開發(fā)驗證，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

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

2 影響車載氫系統(tǒng)成本因素分析

2.1 儲氫瓶

儲氫瓶作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，儲氫瓶作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，隨著各省市開始陸續(xù)落地氫能示范應(yīng)用，2025年我國氫燃料電池汽車總計規(guī)劃推廣數(shù)量達(dá)6.6萬輛，在大規(guī)模推廣儲氫瓶的過程中，產(chǎn)品價格成為制約其市場推廣的關(guān)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(fù)合材料。由于日本東麗近一年的對華出口封鎖，造成國內(nèi)高性能碳纖維市場出現(xiàn)短缺，高性能碳纖維價格飛漲，從而導(dǎo)致在2022年儲氫瓶全面實現(xiàn)國產(chǎn)化后價格不降反增，阻礙了車載氫系統(tǒng)的成本下降。據(jù)美國能源部測算，高壓氫氣瓶采用碳纖維要實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益需要性能達(dá)到T700或以上的同時價格達(dá)到12.6美元/kg。

綜合國內(nèi)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(chǎn)化替代

東麗、曉星等國外碳纖維廠家長期把持國內(nèi)高性能碳纖維市場，價格遠(yuǎn)高于國內(nèi)同級別產(chǎn)品。受益于產(chǎn)能擴(kuò)張與技術(shù)水平提升帶來的產(chǎn)能利用率增加，以及國外出口封鎖，近年來碳纖維國產(chǎn)化率增長迅速，預(yù)計2023年國產(chǎn)碳纖維占比可實現(xiàn)反超，碳纖維價格穩(wěn)步下降[5]。

2.1.2 大規(guī)模產(chǎn)能擴(kuò)張促進(jìn)儲氫瓶生產(chǎn)成本的降低

國內(nèi)碳纖維行業(yè)隨技術(shù)進(jìn)步已跨越低達(dá)產(chǎn)率階段。碳纖維行業(yè)規(guī)模效應(yīng)顯著，產(chǎn)能擴(kuò)張可有效降低單位生產(chǎn)成本。碳纖維生產(chǎn)過程中，伴隨著產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)張/設(shè)備國產(chǎn)化/工藝改進(jìn)，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(xù)優(yōu)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(chǎn)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(jīng)用上了大絲束碳纖維，而國內(nèi)儲氫瓶市場中T700級小絲束碳纖維仍占據(jù)絕對主導(dǎo)。相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢，就是在相同的生產(chǎn)條件下可大幅度提高碳纖維的單線產(chǎn)能，而且在復(fù)合材料制備過程中的鋪層效率也更高，生產(chǎn)成本卻能降低約30%以上。隨著國產(chǎn)大絲束性能的逐步提升以及配套研究的持續(xù)突破，大絲束未來性能有望提升至T700以上，在儲氫瓶這一細(xì)分場景中實現(xiàn)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(gòu)成車載氫系統(tǒng)至關(guān)重要的一環(huán)，是保障燃料電池汽車安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵模塊。數(shù)據(jù)顯示，車載氫系統(tǒng)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(jī)價值量來看，進(jìn)口品牌在瓶口閥、減壓閥等高價值產(chǎn)品方面占據(jù)主流，以相關(guān)產(chǎn)品營收計算，外資品牌總體市場占有率在70%以上。目前，國內(nèi)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(jìn)萬家項目的開展以及氫燃料車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，眾多國產(chǎn)閥門廠家紛紛入局氫能閥門行業(yè)。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(tǒng)關(guān)鍵部件研制》項目，正逐步攻克涉氫閥門設(shè)計、加工等方面的技術(shù)瓶頸。目前，國內(nèi)企業(yè)在35 MPa閥件領(lǐng)域已經(jīng)擁有自主技術(shù)，以富瑞閥門為例，已開發(fā)出35 MPa瓶口組合閥、安全閥、針閥等關(guān)鍵閥門部件并開展國產(chǎn)化驗證應(yīng)用。而減壓閥涉及高精技術(shù)國產(chǎn)閥門應(yīng)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(shù)門檻更高。目前國內(nèi)市場70MPa儲氫系統(tǒng)閥件多為進(jìn)口，國產(chǎn)閥件還處在試驗驗證階段[7]。

從國內(nèi)各地氫燃料電池汽車推廣規(guī)劃來看，到2025年，氫燃料電池汽車總計規(guī)劃推廣數(shù)量可達(dá)6.6萬輛。隨著氫燃料電池汽車的落地，車載氫系統(tǒng)需求量激增，市場規(guī)模擴(kuò)大，會進(jìn)一步促進(jìn)閥門國產(chǎn)化替代進(jìn)程，形成可供競爭的巨量市場，使氫能閥門成本進(jìn)一步降低。

3 車載氫系統(tǒng)成本預(yù)測

通過對車載氫系統(tǒng)的成本及影響車載氫系統(tǒng)成本關(guān)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(tǒng)成本的關(guān)鍵因素，開展以下工作將有效降低系統(tǒng)成本。

3.1 管閥件國產(chǎn)化替代工作

逐步推動管閥件國產(chǎn)化替代工作，降低物料成本。

3.2 產(chǎn)業(yè)鏈條完善工作

隨著產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，供應(yīng)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈，以山東地區(qū)為例，碳纖維廠家有威海光威復(fù)合材料、儲氫瓶廠家有濰坊奧揚科技、系統(tǒng)廠家有濰柴動力等，將有效地降低車載氫系統(tǒng)原料成本。

經(jīng)過不斷深入研究和掌握基礎(chǔ)技術(shù)的同時國產(chǎn)部件的研發(fā)，推測在車載氫系統(tǒng)形成規(guī)?；a(chǎn)后，推測將35MPa車載氫系統(tǒng)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(tǒng)的成本從百臺級的22400元/kg，降低到萬臺級的16400元/ kg。

4 總結(jié)分析

綜上，車載氫系統(tǒng)萬臺之前的降本以管閥件國產(chǎn)化替代為主，萬臺之后的降本通過產(chǎn)業(yè)鏈完善，各環(huán)節(jié)充分發(fā)展加上系統(tǒng)模塊化、通用化的設(shè)計，使得材料成本下降，最終實現(xiàn)系統(tǒng)成本降低。這需要同步開展基礎(chǔ)材料的研究，如突破碳纖維技術(shù)行業(yè)壁壘，減壓閥耐低溫、高可靠密封技術(shù)等，如果國產(chǎn)材料不能實現(xiàn)或保障材料一致性，限制了產(chǎn)品的升級，制約成本的進(jìn)一步下降和價值提升，影響產(chǎn)品競爭力。

基金項目：本文為國家重點研發(fā)計劃氫能動力與供能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成及多場景應(yīng)用示范（2021YFB4001800）研究成果之一。

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