幾乎所有的人對(duì)燃料電池汽車的采購成本都是盯住燃料電池的，包括“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的八大件，也是圍繞燃料電池系統(tǒng)和核心零部件，車載供氫系統(tǒng)占燃料電池汽車的14%，以目前的成本，如果將35MPaIII型瓶過渡到70MPaIV型瓶，則車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本還會(huì)成倍增加。但車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)沒有補(bǔ)貼，如何通過市場(chǎng)化的路徑降低儲(chǔ)氫瓶成本成為產(chǎn)業(yè)鏈上一個(gè)非常重要的課題。

“氫瓶成本不降，燃料電池車難發(fā)展”

成本始終都是氫能應(yīng)用推廣需要突破的門檻，從交通領(lǐng)域來看，燃料電池成本下降的路徑已經(jīng)非常清晰，空壓機(jī)、循環(huán)泵等配套零部件規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也已經(jīng)顯現(xiàn)，示范期的補(bǔ)貼就是幫助相關(guān)企業(yè)從研發(fā)階段過渡到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，燃料電池成本從4000元/kW降到1000元/kW可以預(yù)期。

目前國內(nèi)示范車輛基本上都還是采用的35MPa的III型瓶，瓶閥和氣瓶產(chǎn)品技術(shù)都相對(duì)比較成熟，成本在可控范圍。但國際市場(chǎng)歐美日韓基本上都采用的是70MPa的IV型瓶。如果儲(chǔ)氫瓶達(dá)不到70MPa，不僅與國際上燃料電池企業(yè)比較沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且與鋰電比較續(xù)航里程優(yōu)勢(shì)也無法體現(xiàn)，現(xiàn)在示范期主要是測(cè)試燃料電池的性能，但真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，必須采用70MPa的氣瓶。

事實(shí)上，現(xiàn)階段儲(chǔ)氫瓶特別是70MPa的III型瓶和IV型瓶的成本也非常高，也就是說，燃料電池汽車的成本除了燃料電池的規(guī)模化以外，還需要經(jīng)歷從目前35MPaIII型瓶到國際市場(chǎng)70MPaIV型瓶的過渡階段。

前不久的一次氣體裝備展會(huì)上，一家氣瓶企業(yè)的員工發(fā)愁：“氣瓶成本無法下降，所以，燃料電池汽車很難推廣。”他指著公司展位上的IV型瓶跟我說：“你看，這三個(gè)70MPa的IV型瓶，價(jià)格達(dá)到50多萬，成本太貴了，僅閥門的成本就去到了20多萬，市場(chǎng)怎樣接受？”

一般參加展會(huì)的都是銷售部門的員工，我也是第一次遇到有員工對(duì)自己的產(chǎn)品如此沒有信心，或許是因?yàn)槲沂菢I(yè)內(nèi)人士而不是客戶所以向我坦誠了公司IV型瓶開發(fā)的難度；也可能因?yàn)檫@個(gè)員工純粹只是銷售人員，他在抱怨技術(shù)人員沒有為公司設(shè)計(jì)出市場(chǎng)可以接受的產(chǎn)品。

我本是想打破沙鍋問到底的，但從對(duì)方的言談中我看不到進(jìn)一步溝通的機(jī)會(huì)，只能帶著這個(gè)問題回來查閱資料，并繼續(xù)跟產(chǎn)業(yè)鏈上的技術(shù)人員交流。

“70MPaIV型瓶是方向”

目前國內(nèi)車載瓶主要采用的是35MPa的III型瓶，碳纖維的性能參數(shù)各大廠家均對(duì)標(biāo)日本東麗，應(yīng)用在高壓氣瓶領(lǐng)域?yàn)門700、T800以及少量的T720系列，碳纖維絲束一般為24K；使用12K碳纖維時(shí)，通過增加碳纖維股數(shù)的方法達(dá)到相同的工藝要求，成本就會(huì)相應(yīng)增加。

III型瓶的20MPa、35MPa氣瓶，IV型瓶的20MPa、35MPa、70MPa均使用T700級(jí)別的碳纖維。在70MPaIII型瓶，通常使用級(jí)別更高的T800、T720級(jí)別碳纖維，由于東麗的封鎖只能使用韓國曉星的產(chǎn)品。

東麗封鎖了約1年的對(duì)華出口，目前進(jìn)口碳纖維以韓國曉星TH2550為主，其產(chǎn)品性能優(yōu)越，纏繞工藝性好，使用在35MPa、70MPa壓力等級(jí)較高的纏繞氣瓶。國外封鎖恰恰是國產(chǎn)碳纖維替代的良好契機(jī)，也是近年國產(chǎn)化替代快速增長的重要原因。原以為到2025年進(jìn)口與國產(chǎn)持平，現(xiàn)在看起來，國內(nèi)主要碳纖維企業(yè)都已經(jīng)上市或正在準(zhǔn)備上市，所以產(chǎn)能擴(kuò)張很快，預(yù)計(jì)到2022年國產(chǎn)碳纖維與進(jìn)口量就可以持平。

圖片圖1 我國碳纖維進(jìn)口與國產(chǎn)量變化情況

目前國內(nèi)氫瓶碳纖維供應(yīng)商主要有中復(fù)神鷹、光威復(fù)材和中安信可以達(dá)到氣瓶纏繞的要求，不過目前依然以小絲束為主，而且供不應(yīng)求，T700價(jià)格基本上都在200元/kg以上，如果上到T800價(jià)格就要翻十倍。

不過，國產(chǎn)碳纖維還存在產(chǎn)品穩(wěn)定性差，毛紗率高，纏繞工藝性差的問題，大多使用在20MPa的纏繞等級(jí)上，35MPa的壓力等級(jí)也有使用，但在70MPa等級(jí)使用較少。且除中復(fù)神鷹外，其余品牌的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)量較低，可使用的廠家不多。

III型瓶和IV型瓶的差異在內(nèi)膽材料的工藝和性能上。中集安瑞科的工程師于海泉說：“從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，同樣壓力的III型瓶和IV型瓶材料成本差別不大，主要成本差異在工藝上，因?yàn)镮V型瓶塑料內(nèi)膽不需要熱處理，且成型更加容易，所以比鋁制內(nèi)膽的成本更低。問題是，國內(nèi)IV型瓶需要解決材料耐疲勞性和溫度適應(yīng)性的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。解決這些問題就需要攤銷成本，所以目前價(jià)格比較高。”

70MPa與35PMa的成本差異在閥門上，于海泉說，雖然三個(gè)70MPaIV型瓶的閥門成本達(dá)不到20萬，但目前也有差不多10萬左右，這也是非常高的成本，因?yàn)?0MPa的儲(chǔ)氫瓶要求閥門承受的壓力更大，集成度更高，所以現(xiàn)在的閥門成本包括了研發(fā)費(fèi)用，研發(fā)階段沒有規(guī)模，因此閥門的成本很高，未來規(guī)模化生產(chǎn)成本有很大的下降空間。

于海泉說，目前國內(nèi)IV型瓶開發(fā)之所以難是因?yàn)橐恍┢髽I(yè)操之過急，總希望產(chǎn)品的儲(chǔ)氫密度能夠達(dá)到極致，超越世界先進(jìn)水平，但研發(fā)是需要有積累的，儲(chǔ)氫密度的提升、塑料內(nèi)膽對(duì)高溫、低溫的適應(yīng)性都是研究IV型瓶需要解決的痛點(diǎn)，這也成為研發(fā)階段的成本。

因?yàn)闅馄繘]有補(bǔ)貼，所以，市場(chǎng)就需要承擔(dān)這一部分研發(fā)費(fèi)用，從已經(jīng)比較成熟的產(chǎn)品來看，即使現(xiàn)在還沒有規(guī)模，成熟產(chǎn)品的價(jià)格也不算太貴，國富氫能招股說明書顯示，公司2019年-2021年氣瓶平均價(jià)格分別為8.84萬元/套，12.43萬元/套、13.78萬元/套，只是，因?yàn)榻鼛啄赇N量沒有突破，同一規(guī)格的產(chǎn)品價(jià)格也沒有下降。

數(shù)據(jù)來源：國富氫能招股說明書

如果采用70MPaIV型瓶，短期內(nèi)因?yàn)檠邪l(fā)費(fèi)用成本上升，但長期來看，IV型瓶成本低于III型瓶。

“碳纖維成本不用擔(dān)心”

我查閱了幾份研究報(bào)告，錢鑫在《碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：III型、IV型氣瓶成本對(duì)比》和《碳纖維高壓儲(chǔ)氫瓶的結(jié)構(gòu)及成本分析》中引用美國能源部DOE（Department of Energe）的研究結(jié)果展示了35MPa、70MPa碳纖維材質(zhì)IV型瓶的生產(chǎn)成本：

35MPaIV型、70MPaIV型、35MPaIII型、70MPaIII型成本分別為2865美元、3488美元、3085美元、3920美元，其中碳纖維材料占比分別為76.58%、78.01%、62.43%、65.64%。也就是說，碳纖維對(duì)氫瓶的成本起著決定性的作用。

圖片表2  35MPa和70MPa氣瓶成本比較，

數(shù)據(jù)來源：錢鑫《碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：III型、IV型氣瓶成本對(duì)比》

碳纖維不同模量級(jí)絲束成本相差巨大，其中用于航空領(lǐng)域的碳纖維材料價(jià)格遠(yuǎn)高于民用市場(chǎng)。而儲(chǔ)氫瓶是一個(gè)要求高性能、低成本的應(yīng)用端，實(shí)際上對(duì)碳纖維提出了更高的要求，只有大絲束碳纖維才能達(dá)到這一目標(biāo)，目前，能夠滿足這一要求的供應(yīng)商很少，以美國Zoltek（被東麗收購）和德國SGL為主。

以日本東麗公司的標(biāo)準(zhǔn)模量級(jí)，其中24KT700S碳纖維，價(jià)格最低，按照DOE提供數(shù)據(jù)價(jià)格為20美元/kg；高強(qiáng)中模18KT800S碳纖維價(jià)格為58美元/kg；12KT1000G的碳纖維價(jià)格高達(dá)170美元/kg。

不過廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司總經(jīng)理林剛說：“你們把氣瓶做好就行，碳纖維成本不用擔(dān)心。”林剛說，碳纖維依然是一個(gè)技術(shù)主導(dǎo)型的產(chǎn)業(yè)，成本的下降也需要技術(shù)上的突破，大絲束、高性能、低成本才是氣瓶用碳纖維發(fā)展的方向。今年年初130元/kg，現(xiàn)在110元/kg，到今年年底或明年差不多就可以做到100元/kg，距離美國對(duì)氣瓶成本12美元目標(biāo)不遠(yuǎn)。“

林剛預(yù)計(jì)到12美元（合人民幣84元)，碳纖維材料企業(yè)依然有40-50%的毛利，這主要是48K以上大絲束碳纖維技術(shù)的突破和規(guī)模經(jīng)濟(jì)帶來的結(jié)果。

圖片表3 2021年不同用途的碳纖維比例與價(jià)格

滿足兩個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)氣瓶經(jīng)濟(jì)性

碳纖維材料具有高強(qiáng)度、低質(zhì)量密度的特征，是人類材料應(yīng)用的一次革命，但長期以來，碳纖維就像是一個(gè)貴族，只能用于”奢侈“領(lǐng)域，如軍工領(lǐng)域和高端體育休閑用品。近年來隨著大絲束技術(shù)的突破和新能源領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用，碳纖維綜合成本呈下降趨勢(shì)。

這是一個(gè)發(fā)展極其漫長的行業(yè)，國際市場(chǎng)從發(fā)明碳纖維到產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷了上百年，我國上世紀(jì)60、70年代就開始了碳纖維的研究，但中途因?yàn)楦母镩_放而中斷，直到2003年后才進(jìn)入新的發(fā)展階段，而且相關(guān)企業(yè)都有非常深厚的沉淀，通過技術(shù)積累和工藝上的進(jìn)步推動(dòng)行業(yè)的進(jìn)步。

碳纖維核心原材料是丙烯腈，吉林碳谷招股說明書顯示，國內(nèi)丙烯腈供應(yīng)商主要有中石化、中石油、江蘇斯?fàn)柊钍邢薰镜取?019年-2021年價(jià)格走勢(shì)來看，丙烯腈價(jià)格與石油價(jià)格波動(dòng)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖片圖2 丙烯腈價(jià)格與同期國際石油價(jià)格走勢(shì)比較

前幾年國內(nèi)丙烯腈市場(chǎng)處于供不應(yīng)求，2019年新建產(chǎn)能逐步釋放 ，截止2021年7月，國內(nèi)丙烯腈產(chǎn)能共計(jì)258.9萬噸/年，在建項(xiàng)目190萬噸。

圖片圖3 2021年全球碳纖維產(chǎn)能及擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃

近年來，碳纖維民用市場(chǎng)對(duì)大絲束碳纖維需求快速增長。大絲束碳纖維通常指碳纖維根數(shù)在48000 根即(48k)以上的纖維束，包括50000(50k)、60000(60k)、120000(120k)、360000(360k)等，而小絲束碳纖維指纖維根數(shù)小于48k 的碳纖維束，如1000(1k)、3000(3k)、12000(12k)、24000(24k)等。

相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢(shì)，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，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低成本化。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。民用聚丙烯腈原絲是制備大絲束碳纖維的原絲，通常原絲價(jià)格約為制備碳纖維成本的 50~60%左右，因此，大絲束碳纖維的售價(jià)可以控制到小絲束碳纖維的50%-60%左右。

大絲束在原絲、聚合、預(yù)氧化、碳化等多個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，比小絲束碳纖維的制備技術(shù)都更難。比如，生產(chǎn)1k、3k的小絲束碳纖維的一個(gè)噴絲板上會(huì)有1000個(gè)、3000個(gè)孔，但生產(chǎn)50K大絲束碳纖維的一個(gè)噴絲板上會(huì)有50000個(gè)孔，工藝上的挑戰(zhàn)性大大增加。

所以，大絲束具有高性能低成本的特點(diǎn)，是碳纖維領(lǐng)域“皇冠上的明珠”。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)（2019年）顯示，在小絲束碳纖維市場(chǎng)上，日本企業(yè)所占有的市場(chǎng)份額占到全球產(chǎn)能的49%；在大絲束碳纖維市場(chǎng)，美國Zoltek占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，全球市場(chǎng)份額高達(dá)58%；其次是德國SGL，占比31%；日本三菱排在第三，占比9%；這三家企業(yè)占據(jù)了全球大絲束碳纖維市場(chǎng)份額的98%，其他企業(yè)僅占剩余的2%。

如從工藝上，吉林碳谷濕法紡絲技術(shù)的紡速已經(jīng)逐年從紡速55m/min升到100m/min，是一個(gè)逐年進(jìn)步的過程。

上海石化自2016年5月開始研發(fā)48K大絲束原絲試驗(yàn)，2018年4月官方稱突破了48K大絲束碳纖維，于2021年1月4日舉辦開工儀式建設(shè)2.4萬噸大絲束原絲、1.2萬噸48K大絲束碳纖維項(xiàng)目。

上海石化工程師黃翔宇說：“從12K小絲束到48K大絲束，并不是把噴絲口數(shù)量從1.2萬個(gè)放大到4.8萬個(gè)這么簡(jiǎn)單，中間要走過一條十分艱難的攻關(guān)之路，這需要深厚的科研理論作指導(dǎo)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作支撐，才能解決很多關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，從量變到質(zhì)變的飛躍。”

即使這樣，林剛認(rèn)為，上海石化的產(chǎn)業(yè)化也還需要三年左右才能夠滿足市場(chǎng)的需求。民用市場(chǎng)有很大的發(fā)展空間，壓力容器是非常重要的增長點(diǎn)，但林剛說，未來碳纖維一定要走大絲束、高性能和低成本的路線，而且他認(rèn)為碳纖維行業(yè)會(huì)出現(xiàn)分化，因?yàn)橐恍┢髽I(yè)不在正確的路上。

目前，新增產(chǎn)能主要來自中國，其中上海石化定位大絲束，1.2萬噸大絲束項(xiàng)目正在抓緊建設(shè)，預(yù)計(jì)在今年實(shí)現(xiàn)6,000噸產(chǎn)能輸出。

儲(chǔ)氫瓶將成為碳纖維市場(chǎng)大戶

為什么值得投入呢？因?yàn)閮?chǔ)氫瓶是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。以中集合思康的產(chǎn)能規(guī)劃為例，公司一期產(chǎn)能規(guī)劃10萬只瓶子對(duì)碳纖維的需求就是4000噸，這相當(dāng)于國內(nèi)一家中等規(guī)模企業(yè)一年的產(chǎn)量。

2021年中國市場(chǎng)車載儲(chǔ)氫瓶出貨量為30284支，同比增長122.43%，如果按照每個(gè)瓶子40kg計(jì)算，對(duì)碳纖維的需求是1211.36噸，如果達(dá)到2025年5萬輛車，每個(gè)車8個(gè)瓶，那么就是16000噸；2030年達(dá)到100萬輛車，如果40%商用車，60%乘用車，我們可以用40*8*40+60*2*25來模擬計(jì)算，則中國市場(chǎng)未來幾年車載瓶對(duì)碳纖維的累計(jì)需求達(dá)到15.8萬噸，而到2021年，全球碳纖維的需求也只有11.8萬噸。

而我們還只算了國內(nèi)市場(chǎng)的車載瓶，為了提高氫氣運(yùn)輸量，現(xiàn)在長管拖車已經(jīng)開始用到碳纖維纏繞瓶，而一輛碳纖維的長管拖車要用到一噸以上的碳纖維，如果按照一輛長管拖車服務(wù)50輛燃料電池汽車計(jì)算（現(xiàn)在差不多30輛），則2025年就需要1000輛管束車，如果50%采用碳纖維，未來三年長管拖車帶來的需求就是500噸，而到2030年管束車需要的碳纖維需求估計(jì)在6000噸以上。

林剛預(yù)測(cè)2025年壓力容器對(duì)碳纖維的需求22810噸，如果到2030年增長10倍，則碳纖維的需求量就是22.81萬噸。

顯然，碳纖維材料和閥門的高性能、低成本是推動(dòng)儲(chǔ)氫瓶規(guī)模化的條件，反過來，只有規(guī)模化和碳纖維材料的“平民化”才能讓碳纖維材料和閥門有更大的發(fā)展空間。從2014年-2021年，因?yàn)闈M足市場(chǎng)需求的碳纖維總體上處于供不應(yīng)求，市場(chǎng)價(jià)格一直都很高，碳纖維的價(jià)格只有通過技術(shù)上突破提高大絲束碳纖維的比例，才可能降低成本進(jìn)入更大的民用市場(chǎng)。

表4  2014年以來全球碳纖維價(jià)格與壓力容器用碳纖維價(jià)格，數(shù)據(jù)來源：根據(jù)廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司《全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》整理。

據(jù)國富氫能招股說明書，車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)占據(jù)燃料電池汽車成本的 14%，過去三年國富氫能車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)平均單價(jià)為8.84萬元、12.43萬元、13.38萬元；碳纖維采購價(jià)為130.06元/kg、130.87元/kg、166.03元/kg，這基本上代表了35MPaIII型瓶車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)和碳纖維的市場(chǎng)價(jià)格；閥門（應(yīng)該含加氫站用閥門）平均采購價(jià)格1422.96元、1302.96元、1600.44元。

從35MPaIII型瓶到70MPaIII型瓶或IV型瓶，碳纖維材料和瓶閥都有一個(gè)過渡期，以目前70MPa碳纖維價(jià)格130元/kg-200元/kg，未來大絲束規(guī)模化后84元/kg；目前35MPa瓶閥國外價(jià)格3000-4000元/個(gè)，國內(nèi)1800元/個(gè)；70MPa暫時(shí)沒有國產(chǎn)閥，國外供應(yīng)商價(jià)格原來最高達(dá)到10萬/個(gè)，現(xiàn)在也有4-5萬/個(gè)，最低約22000元/個(gè)，國內(nèi)企業(yè)未勢(shì)能源、瀚氫動(dòng)力、旗磐科技、神通新能源等都在積極研發(fā)70MPa瓶口閥，預(yù)計(jì)國產(chǎn)閥取得上車資格后成本可以降至1萬元/個(gè)左右，規(guī)模化后可以下降至5000元/個(gè)。

圖片圖4 規(guī)模化生產(chǎn)成本下降趨勢(shì)（模擬）

假設(shè)從35MPa過渡到70MPa車載供氫系統(tǒng)碳纖維和瓶口閥以外的成本不變，研發(fā)期采用進(jìn)口瓶閥，商用車供氫系統(tǒng)成本達(dá)到37萬左右，如果大絲束碳纖維和瓶口閥國產(chǎn)化，規(guī)模化生產(chǎn)則商用車的供氫系統(tǒng)基本可以達(dá)到現(xiàn)階段35MPa的成本，如果采用IV型瓶，則成本還可以下降大約10%。

也就是說，盡管從35MPa過渡到70MPa會(huì)增加研發(fā)費(fèi)用，但從目前國內(nèi)碳纖維和閥門企業(yè)的布局來看，過渡到70MPaIV型瓶可以實(shí)現(xiàn)配套的經(jīng)濟(jì)性。除上海石化，吉林碳谷、吉林化工、光威復(fù)材、中復(fù)神鷹等企業(yè)都在開發(fā)48K大絲束原絲或碳纖維材料。

圖片表5 模擬70MPa商用車和乘用車車載系統(tǒng)成本

與燃料電池核心零部件一樣，國內(nèi)市場(chǎng)的大絲束碳纖維和70MPa閥門的研發(fā)和規(guī)模化供應(yīng)的進(jìn)度與燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)基本一致。