質子交換膜性能優異，應用廣泛

質子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)，也叫質子膜或者氫離子交換膜，是一種致密的離子選擇性透過的膜，最 早應用于海水淡化與氯堿工業，近年來，隨著燃料電池、液流電池等新能源技術的發展，質子交換膜成為新能源領域的關鍵 材料，廣泛應用于電解水制氫、燃料電池以及全釩液流電池等領域。目前市面上主要使用的是全氟磺酸質子交換膜：其主鏈主要是由高度疏水的碳氟骨架構成，而親水磺酸基則分布在側鏈上， 這些基團容易聚在一起形成若干富離子區域，這些富離子區域彼此相連形成有利于質子傳遞的通道，從而形成較高的質子導 電能力。而由于主鏈的碳氟結構，使得膜具有優異的化學穩定性、水穩定性和較高的機械穩定性。

海外企業掌握PEM主要產能，國內近年實現量產

質子交換膜的工業化歷程始于20世紀70年代，最早由美國杜邦公司開發全氟磺酸離子分離膜并將其應用于氯堿工業，后續美 國通用公司將全氟磺酸膜應用于質子交換膜燃料電池，美國GE公司將全氟磺酸膜應用于電解制氫技術。國內方面，東岳集團2010年宣布中國自主研發的全氟離子膜和燃料電池膜實現國產化，其子公司東岳未來氫能公司質子交換 膜項目一期投產，產能達50萬平米/年。

全氟磺酸樹脂是全氟磺酸質子交換膜的關鍵原料

全氟磺酸樹脂(PFAR)是全氟磺酸質子交換膜的關鍵原材料，其主鏈、側鏈均為氟碳結構，側鏈上帶有磺酸基團，可通過全氟 磺酰氟樹脂(PFSR) 經水解轉型后制得，而PFSR是四氟乙烯(TFE)與含有磺酰氟基團的全氟烷基乙烯基醚(PVSE)共聚得到的聚 合物。聚合單體TFE在工業上通過二氟一氯甲烷（R22）熱解法制備，另一聚合單體PVSE則可通過TFE、三氧化硫以及六氟環氧丙烷 反應制得，其反應條件苛刻，大規模生產難度較大，后聚合反應對產品穩定性要求很高，代表了化學工業的較高水平。

氫能驅動PEM需求持續提升

氫能是目前世界上最為理想的能量載體和清潔能源

目前碳基能源仍是我國能源結構主體，據BP統計，2021年化石能源消費占比達82.7%，其中煤炭占比高達54.7%。在雙碳戰略 背景下，必須進行能源結構調整，推動能源結構向深度脫碳轉型，而在這過程中，氫能由于其獨有特性，將發揮重要作用。氫能是一種儲量豐富、可再生的綠色能源，應用范圍廣泛，可廣泛應用于運輸、電力、建筑、工業等領域。既可以為鋼鐵、 化學品生產等提供綠色原料和高品質熱源，也可以通過燃料電池的形式為交通運輸工具提供燃料。不論是通過燃燒，還是通 過燃料電池的電化學反應，其最終產物只有水，不會帶來二氧化碳和污染物的排放，清潔環保。

目前氫氣主要生產方式為煤制氫

目前氫氣主要通過三種較為成熟的路線制取。一是以煤炭、天然氣等傳統化石能源生產氫氣，這也是目前全球制氫最為成熟的技術路線。而我國由于煤炭資源豐富，截至 2020年，62%的氫氣生產來自煤炭。二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產制氫，提純利用這些副產氫氣，不僅可以提高資源利用率，還可以 為相關產業帶來更高的經濟效益。三是電解水制氫，截至2020年在我國，電解水年制氫量約占氫氣總產量的4%。而由于電解水制氫，特別是可再生能源電解制 氫具有綠色環保、生產靈活、純度高等特點，未來發展空間廣大。

國內及全球電解水新增裝機量高速增長

近年，可再生能源高速發展，而電解制氫能匹配可再生能源發電的波動性，提高電力系統靈活性，逐步成為可再生能源發展 和應用的重要方向。據IEA統計，全球電解水總裝機量有望從2019年的242MW增至2023年的5517MW。國內方面，據高工氫電統計，2021年中國電解水制氫裝機量超350MW，預計至2025年國內電解水制氫裝機量將達2000MW， 2022-2025年年均復合增速達39.9%。

近年，國內以PEM制氫為代表的可再生能源制氫項目明顯增多，項目逐漸呈現大型化、規模化、綜合利用趨勢，同時產品研 發及市場推廣進程加快。

我們以高工氫電對國內電解水制氫新增裝機量預測為基礎，考慮2021-2025年PEM在電解水制氫中占比按照10%、15%、20%、 25%、30%的比例遞增，最終測算出2022-2025年國內PEM制氫對質子交換膜的需求量分別為0.5、1.0、1.7和2.9萬平米。

燃料電池是氫能主要應用形式

燃料電池是氫能利用的一種主要形式，氫燃料電池可作為氫能的能量轉化器，具有充氫速度快、排放無污染等特點，一直受 到各國研究者的青睞。作為汽車動力時，氫燃料電池不受卡諾循環熱效率的限制，能量轉化效率高，長久發展下或將成為未來汽車工業持續發展的 方向之一。氫燃料電池汽車的主要結構包括燃料電池堆、電動機、氫罐以及動力控制單元等。

釩電發展給PEM帶來新機遇

釩電池是較為先進、被廣泛商用的液流電池

液流電池是指由電堆（包含電極和離子交換膜）、電解液存儲供給單元以及電池管理控制單元組成的電池類型，與其他電池 最主要的區別在于電解液的儲存方式。目前較為先進、被廣泛商用的主要是釩電池。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，使其在不同的儲 液罐和半電池的閉合回路中循環流動，采用質子交換膜作為電池組的隔膜。電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應， 通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。

釩電池具備多項差異化優勢

相較于鉛酸、鋰電等其他類型電池，以釩電池為代表的液流電池具備多項優勢： 電池壽命長：釩電池循環次數可大于13000次，使用壽命可達20年以上。同時系統深充深放不會對電池性能造成影響，系統放電深度 （DOD）≥90%。在快速、大電流密度下充放電，不會對電池造成損傷。配置靈活性：釩電池設計靈活，功率和容量獨立設計。電池的輸出功率由電堆大小決定，增加單電池數量和有效面積，即可增加電堆 功率；電池的容量大小由電解液的量決定，增加電解液的體積和濃度，即可增加電池容量；安全性高：釩電池為水系體系，幾乎不需要熱管理，無爆炸起火等危險，備有防漏裝置，避免發生電解液泄漏。環境友好：釩電池正負電解液相互不直接接觸，能無限次循環使用，且可回收利用，不會對環境造成污染；電堆材料中電極采用炭 /石 墨氈，雙極板大多采用石墨或碳材料，報廢后不會對環境造成污染；其他材料多為高分子材料，可回收利用。全生命周期成本低：釩電池前期投入較大，材料成本占很大比重，因而單位投資成本高于鋰電池，但其具有耐久性優勢。以大連液流 電池儲能調峰電站國家示范項目為例，單位投資成本達4750元/kWh，電池使役時間可達20年，循環次數16000次以上，全生命周期成 本0.30元/kWh，具備成本優勢。

新型儲能市場空間規模廣大

據CNESA統計，截至2021年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規模46.1GW，占全球市場總規模的22%。其中，抽水 蓄能的累計裝機規模為39.8GW，占比為86.3%，較上年同期下降3個百分點；市場增量主要來自新型儲能，累計裝機規模達 到5.73GW，同比增長75%，占比達12.5%。隨著電力市場的逐漸完善，儲能供應鏈配套，新型儲能憑借建設周期短、環境影響小、選址要求低等優勢，在市場中將呈現 穩步、快速增長的趨勢。據CNESA預測，保守場景下新型儲能累計裝機規模在2022-2026年的年均復合增長率為53.3%， 2026年將達到48.5GW ；理想場景下 ，在2022-2026年的年均復合增長率有望達到 69.2%，預計2026年累計規模將達到 79.5GW。

鐵鉻電池也有望獲得更多應用

除釩電池外，鐵鉻液流電池具備成本低廉、耐寒性好、穩定性好等多項優異性能，也有望在儲能發展中獲得更多應用。成本低廉：電解質溶液原材料資源豐富且成本低，不會出現短期內資源制約發展的情況。鐵鉻液流電池的電解質溶液原材料鐵、 鉻資源豐富，易獲取，成本低。耐寒性好：鐵鉻液流電池在沒有保溫的措施下，管道內溫度適應范圍可以從-20℃至7 0℃，適應地域廣泛，更符合我國電力發 展實際。國家電投“容和一號”大容量電池堆在張家口地區經受-40℃的極寒考驗，為冬奧地區持續穩定存儲，提供清潔電能超 過5萬千瓦時。穩定性好：鐵鉻液流電池系統采用模塊化設計，以250kW一個模塊為例，一個模塊是由8個電池堆放置在一個標準集裝箱內， 共用同一個管理器，因此電池堆之間一致性好，同時減少了電池的冗余配置，系統控制簡單，性能穩定可靠。

PEM國產替代加速進行

國外企業在質子交換膜市場仍占主導地位

質子交換膜由于制備工藝復雜，長期被杜邦、戈爾、旭硝子等美國和日本少數廠家壟斷。杜邦是全球最早開發并銷售質子交換膜的企業，早在1962年就開發出性能優良的全氟磺酸型質子交換膜，即Nafion系列產品， 截至目前Nafion膜也是全球使用最廣泛的。美國戈爾具有超過25年的增強型質子膜的開發和制造經驗，公司更專注于燃料電池膜的研發，其開發的SELECT系列增強型質 子膜憑借超薄、耐用、高功率密度的特性，占據全球主要燃料電池市場。

海外龍頭占據主要市場，國產質子交換膜逐步替代

目前，國內質子交換膜市場主要被海外龍頭占據，國內企業替代率逐步提升。燃料電池質子交換膜領域，2021年戈爾占據85.0%的市場份額，國產質子交換膜市占率從2020年的7.5%，提升至2021年的 11.6%，其中東岳市場份額達9.0%。PEM制氫用質子交換膜領域，2021年科慕（杜邦）占據國內76.0%市場份額，國產質子交換膜市占率達21.5%，其中東岳已 完成部分客戶前期應用驗證開始國產化替代，市占率約15%。液流電池用質子交換膜領域，2021年科慕（杜邦）占據國內75.0%市場份額，國產質子交換膜市占率達23.2%。

國產質子交換膜替代加速

國內質子交換膜生產企業近年國產替代正在提速。一方面，國內企業在不斷提升產品品質的同時，加快驗證擴大應用。其中，東岳同時進入五大燃料電池汽車示范城市群，已累 計裝車超300臺，在氫能重卡、公交等領域開啟示范運營；2022年冬奧會配套的200輛氫能大巴使用了綠動氫能的質子交換膜 產品；浙江漢丞、科潤新材料等企業也實現了小批量的供貨。另一方面國內多家企業進行產能擴建，以提升規模和成本價格優勢。其中，科潤新材料擬在江蘇淮安和江蘇蘇州各建設100萬 平米/年質子交換膜項目，目前兩個項目均已開工；東岳集團除已投產50萬平米/年產能外，仍有100萬平米/年產能規劃建設， 同時2022年11月，東岳披露未來還將建設500萬平米/年質子交換膜項目。同時，東材科技、泛亞微透、萬潤股份等新進入者也積極布局，其中，東材科技50萬平米/年質子交換膜預計2023年建成投產；泛亞微透聯合多家公司成立源氫新能源（泛亞微透參股25%），擬建設150萬平米氫質子交換膜產業化項目，該項目已于2022 年8月開工；萬潤股份擬實現無氟質子交換膜的產業化。

氫燃料電池的基本工作原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。氫氣通過燃料電池的正極當中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質子）。其中質子通過質子交換膜到達負極和氧氣反應變成水和熱量。對應的電子則從正極通過外電路流向負極產生電能。

氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點，相應技術進步可推動氫氣制備、儲藏、運輸等技術體系的發展升級。

氫燃料電池的能量轉化效率高，在 40%-60%范圍內，熱電聯供應用情景下可達 80%；反應產物僅為水，從根本上消除了溫室氣體的排放。燃料電池技術的不斷成熟帶動了以燃料電池為核心的氫燃料電池汽車、叉車、船舶、軌道交通，熱電聯供、分布式發電、移 動電源、輔助電源的應用。

全球能源行業正經歷著以低碳化、無碳化、低污染為方向的第三次能源變革，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的二次能源，可通過一次能源、二次能源及工業領域等多種途徑獲取，氫能將成為第三次能源變革的重要媒介。國家大力發展新能源汽車，不斷出臺政策推動新能源汽車發展。甚至，2020年10月9日，國務院常務會議通過了《新能源汽車產業發展規劃》，明確指出要加強充換電、加氫等基礎設施建設，加快形成快充為主的高速公路和城鄉公共充電網絡。政府大力推動氫燃料電池發展，部分車企也持續進行研發、生產、應用氫燃料電池汽車，氫燃料電池成為下一個風口。

丨“政策扶持”＋“技術進步”雙管齊下，大力推動氫燃料電池發展

一、政策力推氫燃料電池成為新能源電池主力軍

2019 年氫能源首次寫入《政府工作報告》，將氫能納入中國能源體系之中，我國真正開啟氫能大發展元年，按照白皮書路線規劃，預計到 2050 年氫能在中國能源體 系中的占比約為 10%，氫氣需求量接近 6000 萬噸，年經濟產值超過 10 萬億元，全國加氫站達到 10000 座以上，燃料電池汽車年產量達到 520 萬輛。

我國燃料電池汽車保有量及燃料電池系統產能規劃

政策強力支持氫燃料電池汽車發展，可以預見，氫燃料電池汽車將迎來一個高速增長期。

為什么政府急于扶持發展氫能源燃料電池汽車？根據聯合國數據表明，我國減排任務艱巨，年排放量位居世界第一。2018 年中國碳排放達到 137 億噸，同比增長 1.6%。盡管我國碳排放的增速已經放緩，但從總量看， 占全球總排放量的 1/4 以上，仍是全球排名第一的碳排放國。作為世界工廠，在產業鏈日趨完善、國產制造加工能力與日俱增的同時，我國的碳排放量也快速攀升。作為 負責任的大國，走低碳節能發展之路既是我國的責任所系，亦是使命所向。

全球主要碳排放大國二氧化碳排放情況

氫燃料電池汽車的發展之所以獲得政府的不斷重視，與其能源特性有關，一方面，從能源發展視角看，從化石能源向清潔能源轉變過程中，氫氣+電的組合可能是最好的最終形式；另一方面，隨著我國2060年實現碳中和目標的提出，氫氣作為再生能源的儲能載體，可以將難以并入電網的大量風電、光電以及國內大量工業副產氫充分利用起來，承擔調峰作用，是滿足碳中和目標的關鍵舉措之一。

據了解，目前我國每年約有500萬噸的副產氫氣，可滿足約200萬輛乘用車或50萬輛商用車的使用需求。“在2025年之前，氫能產業的發展主要依賴于副產氫，這些氫不管它是從哪兒來的，它已經產生了，我們可以去充分地利用，不會增加額外的污染。但是未來，氫能產業的發展，絕不是走化石能源制氫，一定是可再生能源，清潔的制氫，這必將是未來的方向。

二、技術的進步，給氫燃料電池的發展帶來強有力的支撐

目前國內有幾所高校進行氫能汽車的自主研發和校企合作，尤以清華大學和武漢理工大學最為突出，如清華大學在863項目中研制出“氫能系列”PEMFC公交車，武漢理工大學研制出了“楚天系列”FCEV。

上海汽車的榮威850插電式氫燃料電池轎車搭載了兩個700bar氫氣瓶，放在后排，其H2儲量可達到4.34kg，最大續航里程為400km，可實現純電動模式和氫能源模式，其中純電動模式僅為應急，最多只能行駛30km，當兩者共同工作時可以續航400km。

此外，國內還有一些公司對氫能汽車進行了研究，但都處于研發及示范考核階段，想要盡快大規模市場化還需要進一步的技術研究。

我國氫能產業基礎設施技術發展路線

氫燃料電池商業化進程正在加速。前不久，中國科學院院士歐陽明高表示，近兩年中國燃料電池技術研發取得了巨大進步，和五年前相比各種性能指標都出現了大幅的提高，氫燃料電池技術在中國的產業鏈已經建立起來，國家的示范推廣項目一旦開始，明年將會騰飛。

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審核編輯 ：李倩