车载氢系统成本分析概述

摘 要：车载氢系统作为氢燃料电池动力系统重要组成，为其提供氢气动力，直接影响氢燃料电池商用车的续航里程和成本。行业内外越来越多的人关注车载氢系统，推动相关技术进步。本文通过对燃料电池商用车车用35MPa、70MPa高压气态车载氢系统结构介绍，并根据结构进行成本测算，形成系统总成本。同时对影响车载氢系统成本的关键因素进行分析，预测规模化应用成本，对燃料电池商用车推广具有指导意义。

关键词：35MPa 70MPa 车载氢系统 车载氢系统成本

0 引言

目前市场上常用高压气态车载氢系统，压力等级分为35MPa和70MPa两种，其中35MPa车载氢系统已在公交、重卡、物流等燃料电池商用车市场实现批量应用，而70MPa车载氢系统在乘用车实现批量应用，在商用车上国内尚无规模化应用案例[1-2]。

1 车载氢系统结构及成本分析

车载氢系统是燃料电池车上从加氢口至燃料电池的入口，且与氢气的加注、储存、供给和控制相关的所有装置和零部件的总和。本文以35 MPa 6×140 L公交车车载氢系统和70 MPa 4×134 L中巴车载氢系统为例进行车载氢系统结构及成本分析。

车载氢系统（图1）组成主要包括加氢模块、储氢模块、供氢模块、控制模块和系统配件模块。其中，加氢模块是与加氢设备通讯并实现氢气加注功能的部分，由加氢口、过滤器、单向阀、压力表等组成。储氢模块是将加注的氢气以高压状态存储的部分，由储氢瓶、瓶口组合阀等组成。供氢模块由过滤器、减压阀、安全阀、针阀、电磁阀等组成，按需求压力向燃料电池系统供氢。控制模块是实现对氢系统信号采集、控制并与其他控制器信息交互的部分，由HMS、压力传感器、温度传感器、氢浓度传感器等组成。系统配件由管路、支架等组成[3]。

1.1 加氢模块

加氢模块是氢系统与加氢设备连接并建立通讯实现氢气加注的部分，主要由加氢口、过滤器、压力表、连接管路等部件组成。氢气加注时，加氢机的加氢枪与车载氢系统的加氢口完成对接，高压氢气通过加氢口经连接管路进入氢瓶中。加氢模块还配置压力表，供司机与加氢站工作人员读取车辆当前氢气压力。

加氢口的主流生产厂家为WEH（德国），35MPa氢系统常用加氢口型号为TN5大流量加氢口，价格为3700元/个，70 MPa氢系统目前使用型号为TN1加氢口，具备红外通讯功能，价格通常为3900元/个。国产化方面，富瑞阀门、未势能源等厂家均有加氢口产品取得认证，目前市场应用占比不多，价格约为3000元/个。35 MPa压力表的主流生产厂家为WIKA，高压压力表价格为470元/个。压力表属于特种设备，需要定期年检，给用户后期使用带来了不便，有不少整车厂采用取消压力表，在驾驶室仪表显示氢系统压力的技术方案。70MPa氢系统为减少高压管路漏点，将不再配置压力表。

35 MPa和70MPa氢系统的单向阀因承压不同，70MPa单向阀的制造工艺更为复杂，密封性要求更高，价格也高于35MPa单向阀。目前采用OMB的70MPa单向阀价格约为3500元/个，Swagelok的35MPa单向阀价格约为980元/个。

1.2 储氢模块

储氢模块包含储氢瓶、瓶口组合阀、瓶尾阀，单套车载氢系统往往配备包含多组储氢瓶、瓶口组合阀、瓶尾阀的储氢模块来适配不同储氢量的需求[4]。

储氢模块中储氢瓶成本占主要部分，储氢瓶成本主要集中在外部缠绕用的碳纤维复合材料。据DOE数据，对于储氢质量均为5.6kg的35MPaIII型、70MPa IV型高压储氢瓶成本，碳纤维复合材料成本分别占储氢瓶总成本的 62%和78%。以5～6kg的储氢量计算，单瓶碳纤维用量约为33kg，目前储氢瓶使用的小丝束T700碳纤维价格相对偏高，因此碳纤维价格对储氢瓶成本起着决定作用。35MPaIII型储氢瓶已经完成全面国产化，技术成熟，储氢瓶价格主要受碳纤维价格影响。以140L储氢瓶为例，价格为9000元/支。与35MPaIII型储氢瓶配套的瓶阀产品随着批量化推广，价格较之前已经实现大幅下降，瓶阀（含瓶口组合阀、瓶尾阀）价格为3000元/个。

70MPaIV型瓶由于国内法规限制，暂时没有国产产品。当前国内以70MPa III型瓶为主，且处于试制研发阶段，市场需要承担部分研发费用，加上70MPaIII型瓶的碳纤维用量更大，制造成型难度也更大，导致价格高居不下。以134 LIII型储氢瓶为例，价格为72000元/支。我国70MPa配套瓶阀研制较晚，虽然未势能源已经成功研制70MPa瓶口组合阀，但出于对高压氢气安全性的考虑。目前国内70MPa瓶阀基本采用经过市场验证的国外产品，OMB瓶阀（含瓶口组合阀、瓶尾阀）的价格为21000元/个。

1.3 供氢模块

供氢模块的核心零部件为减压阀。这一核心产品是车载氢系统中“卡脖子”问题比较严重的产品。目前国内在运行的燃料电池汽车，所配套的减压阀绝大部分是外资品牌的产品。市场主流份额由加拿大GFI、美塔特龙等外资品牌长时间盘踞。其中，用于35 MPa和70 MPa系统中的美塔特龙减压阀价格约5500元/个和18000元/个。

供氢模块的过滤器安装在减压阀之前，主要作用为保护减压阀不受杂质损伤。目前，用于35 MPa系统中的过滤器为Swagelok的T型过滤器，价格为1500元/个（70 MPa未安装过滤器）。供氢模块其余零部件由于处在系统低压段，35MPa与70MPa氢系统的价格基本一致。

1.4 控制模块

车载氢系统控制模块主要由控制器、压力传感器、氢浓度传感器、温度传感器组成。

车载氢系统使用了WIKA专为氢燃料电池车辆设计的MH-3-HY系列压力传感器。此类传感器进行了涉氢材料优化，具有高度疲劳强度和优异的耐氢蚀性。35MPa氢系统低、高压压力传感器价格基本一致，单价约为720元。70MPa氢系统使用与35MPa同款低压压力传感器，70MPa使用的高压压力传感器单价约为800元。

国内车载氢浓度传感器研发起步偏晚，近年来国内氢燃料电池汽车采用的氢浓度传感器以进口为主，技术垄断且价格昂贵。氢系统常用FIS的开发的FH2系列催化剂燃烧式氢气传感器，其单价为1000元左右。由于温度传感器集成在瓶口阀内，瓶口阀的成本分析已包含温度传感器，在此不再对其做成本分析。

车载氢系统线束为低压线束，成本计算涉及线束长度、线径和接插件数量。每个氢系统设计方案的差异造成线束规格的不同。以35MPa的6瓶组系统为例，整套线束（含DC/DC转换器）价格为1000元/套。

车载氢系统控制器硬件成本约为1000元，软件成本不同厂家成本不同，5000～20000元不等。70MPa车载氢系统控制模块需额外配置红外通讯模块，实现与加氢站通讯加氢，价格约为16000元。

1.5 系统配件模块

车载氢系统中除了瓶、阀类及电气件外，还有高低压管路、管接头及固定结合组等系统配件。目前70MPa系统管路、接头均采用进口部件，35MPa系统随着国产部件的开发验证，逐步实现国产化替代。

以35 MPa 6×140 L公交车车载氢系统和70 MPa 4×134 L中巴车载氢系统为例，各模块成本占比如图2所示。

2 影响车载氢系统成本因素分析

2.1 储氢瓶

储氢瓶作为氢能产业链的重要组成部分，储氢瓶作为氢能产业链的重要组成部分，随着各省市开始陆续落地氢能示范应用，2025年我国氢燃料电池汽车总计规划推广数量达6.6万辆，在大规模推广储氢瓶的过程中，产品价格成为制约其市场推广的关键因素。从车载储氢瓶成本来看，储氢瓶的成本主要集中在外部缠绕用的碳纤维复合材料。由于日本东丽近一年的对华出口封锁，造成国内高性能碳纤维市场出现短缺，高性能碳纤维价格飞涨，从而导致在2022年储氢瓶全面实现国产化后价格不降反增，阻碍了车载氢系统的成本下降。据美国能源部测算，高压氢气瓶采用碳纤维要实现规模经济效益需要性能达到T700或以上的同时价格达到12.6美元/kg。

综合国内碳纤维市场分析，目前有三大因素将促使储氢瓶碳纤维成本下降。

2.1.1 碳纤维国产化替代

东丽、晓星等国外碳纤维厂家长期把持国内高性能碳纤维市场，价格远高于国内同级别产品。受益于产能扩张与技术水平提升带来的产能利用率增加，以及国外出口封锁，近年来碳纤维国产化率增长迅速，预计2023年国产碳纤维占比可实现反超，碳纤维价格稳步下降[5]。

2.1.2 大规模产能扩张促进储氢瓶生产成本的降低

国内碳纤维行业随技术进步已跨越低达产率阶段。碳纤维行业规模效应显著，产能扩张可有效降低单位生产成本。碳纤维生产过程中，伴随着产能规模扩张/设备国产化/工艺改进，固定成本摊薄更多，能源使用效率提升，有望带来成本端的持续优化，综合成本还有10%-15%的下降空间。

2.1.3 大丝束碳纤维生产工艺，推助储氢瓶碳纤维成本下降

目前日本、韩国等成熟的氢燃料电池车型搭载储氢瓶上已经用上了大丝束碳纤维，而国内储氢瓶市场中T700级小丝束碳纤维仍占据绝对主导。相比小丝束，大丝束碳纤维最大的优势，就是在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能，而且在复合材料制备过程中的铺层效率也更高，生产成本却能降低约30%以上。随着国产大丝束性能的逐步提升以及配套研究的持续突破，大丝束未来性能有望提升至T700以上，在储氢瓶这一细分场景中实现对小丝束的部分或全面替代，带动储氢瓶综合成本的下降[6]。

2.2 管路及阀门件

阀门是构成车载氢系统至关重要的一环，是保障燃料电池汽车安全运转的关键模块。数据显示，车载氢系统阀门中成本占比较高的依次为瓶口阀、减压阀和加氢口。从装机价值量来看，进口品牌在瓶口阀、减压阀等高价值产品方面占据主流，以相关产品营收计算，外资品牌总体市场占有率在70%以上。目前，国内瓶口阀品牌选用OMB和GFI居多；GFI和美塔特龙则在减压阀方面出货占比较高；加氢口代表性品牌为德国WEH。

随着氢进万家项目的开展以及氢燃料车的大规模推广应用，众多国产阀门厂家纷纷入局氢能阀门行业。中国汽车工程研究院股份有限公司牵头开展的《车载氢系统关键部件研制》项目，正逐步攻克涉氢阀门设计、加工等方面的技术瓶颈。目前，国内企业在35 MPa阀件领域已经拥有自主技术，以富瑞阀门为例，已开发出35 MPa瓶口组合阀、安全阀、针阀等关键阀门部件并开展国产化验证应用。而减压阀涉及高精技术国产阀门应用验证实例较少，仍处于试验验证阶段。

由于70MPa阀门压力要求等级更高，技术门槛更高。目前国内市场70MPa储氢系统阀件多为进口，国产阀件还处在试验验证阶段[7]。

从国内各地氢燃料电池汽车推广规划来看，到2025年，氢燃料电池汽车总计规划推广数量可达6.6万辆。随着氢燃料电池汽车的落地，车载氢系统需求量激增，市场规模扩大，会进一步促进阀门国产化替代进程，形成可供竞争的巨量市场，使氢能阀门成本进一步降低。

3 车载氢系统成本预测

通过对车载氢系统的成本及影响车载氢系统成本关键因素分析可知碳纤维原材料价格及管阀件价格是影响车载氢系统成本的关键因素，开展以下工作将有效降低系统成本。

3.1 管阀件国产化替代工作

逐步推动管阀件国产化替代工作，降低物料成本。

3.2 产业链条完善工作

随着产业链建设，供应商体系逐步完善，上下游配套零部件厂商不断增加，形成了较为完善的氢系统产业链，以山东地区为例，碳纤维厂家有威海光威复合材料、储氢瓶厂家有潍坊奥扬科技、系统厂家有潍柴动力等，将有效地降低车载氢系统原料成本。

经过不断深入研究和掌握基础技术的同时国产部件的研发，推测在车载氢系统形成规模化生产后，推测将35MPa车载氢系统的成本从百台级的6200元/kg，降低到万台级的4970元/kg；70MPa车载氢系统的成本从百台级的22400元/kg，降低到万台级的16400元/ kg。

4 总结分析

综上，车载氢系统万台之前的降本以管阀件国产化替代为主，万台之后的降本通过产业链完善，各环节充分发展加上系统模块化、通用化的设计，使得材料成本下降，最终实现系统成本降低。这需要同步开展基础材料的研究，如突破碳纤维技术行业壁垒，减压阀耐低温、高可靠密封技术等，如果国产材料不能实现或保障材料一致性，限制了产品的升级，制约成本的进一步下降和价值提升，影响产品竞争力。

基金项目：本文为国家重点研发计划氢能动力与供能系统关键技术集成及多场景应用示范（2021YFB4001800）研究成果之一。

参考文献：

[1]中国电动汽车百人会．中国氢能产业发展报告2020研究报告[Z].2020.

[2]中国氢能联盟.中国氢能源及燃料电池产业白皮书[Z].2019.

[3]张杰，宋科，等.车载供氢系统发展现状及展望[J].发电技术，2024.

[4]胡金金，邱东，葛兆凤，等.车载储氢系统概述[J].时代汽车，2024（01），111-113.

[5]陈浩武，余嫄嫄，杨逸菲，等.基础化工：化学纤维《中复神鹰》[R].中银国际证券，2023-4-26.

[6]杨阳，李永磊.碳纤维行业框架报告《双碳战略推动碳纤维景气度上行，技术进步产能扩张降本可期》[R].国海证券，2022-5-27.

[7]李磊，王岩斌，李志刚，等.车用高压储氢气瓶组合阀门的设计与开发[J].阀门，2024，3：271-276.