北京世紀森朗在制氫、儲氫、用氫、氫安全等新能源方面技術均有突破，在本體系的高壓反應設備，材料、能源反應裝置，歡迎咨詢
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質子交換膜憑借特異性的質子傳遞功能，在氫能等領域有著廣泛的應用場景，其中全氟磺酸質子膜是主要的類型，其原料全氟磺酸樹脂由PSVE單體和四氟乙烯共聚制成，PSVE單體的制備、四氟乙烯的獲取、樹脂的聚合和最終成膜等環(huán)節(jié)決定了質子膜的生產(chǎn)難度，全球僅杜邦、旭化成、旭硝子和戈爾等少數(shù)公司掌握質子膜的生產(chǎn)技術，而具備全產(chǎn)業(yè)鏈量產(chǎn)能力的企業(yè)更為稀缺。從需求來看，在下游燃料電池汽車和PEM制氫的增長驅動下，我們認為未來國內質子交換膜市場有較大的成長空間。國產(chǎn)化方面，我們看到以東岳未來氫能為代表的國內企業(yè)已經(jīng)成功實現(xiàn)技術上的突破和質子膜的量產(chǎn)，有機會在這個賽道上快速成長。
質子交換膜：高技術壁壘的關鍵氫能材料/質子交換膜：氫能產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵材料
氫能作為清潔低碳、高熱值、可獲得性強和儲運靈活的綠色能源，在中國能源結構轉型的過程中將扮演重要的角色，隨著光伏和風電等可再生能源的發(fā)展，我們認為度電成本的下降將顯著降低電解水制氫的成本，綠氫有望大規(guī)模應用于交通運輸、工業(yè)和制造業(yè)領域，質子交換膜作為電解水制氫和燃料電池電堆的關鍵材料，市場規(guī)模有望迎來較快的增長。
圖表1:質子交換膜在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的應用場景
質子交換膜：特異性的實現(xiàn)質子的傳遞
質子交換膜(PEM)是有機氟化工產(chǎn)業(yè)的終端產(chǎn)品，廣泛用于氯堿、燃料電池、電解水制氫和儲能電池等領域，主要在于其特異性的質子傳遞功能，使得電極反應順利進行。以燃料電池質子交換膜為例，氫氣通過氣體擴散層，在陽極催化劑作用下失去電子變成質子，質子在PEM膜上特異性地傳遞到陰極并與氧離子反應生成水分子。在一定的溫度和濕度下，PEM膜只傳遞質子，而氣體分子和其他離子無法通過。
為實現(xiàn)特異性的傳遞和廣泛阻隔的功能，PEM膜需要具備以下性能：1)較高的質子傳遞性，電導率一般要求達到0.1s/cm的數(shù)量級；2)較低的氣體滲透率，以避免H2和O2在電極表面發(fā)生反應并造成局部過熱；3)較好的化學穩(wěn)定性，不易發(fā)生降解和失效；4)良好的機械穩(wěn)定性，在干/濕條件下均具有良好的機械強度和粘彈性，保證長期穩(wěn)定運行及與催化層的良好結合；5)較強的水合作用，避免局部缺水，影響質子傳導。
圖表2:燃料電池中質子交換膜的工作原理
從結構特點看PEM膜的特異性傳遞
質子交換膜之所以能夠特異性的通過質子，而阻斷氣體分子和其他離子，原因在于其獨特的聚合物結構：以Nafion膜為例，是四氟乙烯和全氟乙烯基醚磺酰氟(PSVE)的聚合物，其主鏈為高疏水的碳氟結構，為PEM膜提供了優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。按照Gierke等人在20世紀70年代設想的經(jīng)典模型，Nafion膜中的離子群體傾向于形成直徑約為4nm的致密聚集體即團簇，水分子充滿團簇內部并起到連接團簇中各離子的作用，聚集體通過約 1 nm的通道相互連接，用于質子和水分子在膜內的擴散。具體過程為-SO3H中離解出H+參與結合成水，H+離去后-S又通過靜電吸引附近的H+填充空位，由于電池陰極反應會消耗質子，同時在電勢差的推動下，H+在膜內由陽極向陰極移動，并形成電池回路。
圖表3:質子交換膜水合后形成團簇的模型，質子傳遞的機理
高機械強度VS強離子交換能力：復合型質子膜的誕生
早期的質子交換膜主要為本體(單組分)質子交換膜，由具有質子傳導性的聚合物直接成膜，按化學組成可分為全氟質子交換膜、部分氟化質子交換膜和非氟質子交換膜。杜邦公司在1962年研發(fā)的Nafion膜是最典型的全氟磺酸膜，其共聚單體全氟乙烯基醚磺酰氟(PSVE)的分子結構、四氟乙烯(TFE)與PSVE的比例決定了全氟磺酸樹脂的聚合度，以及用于質子傳遞的側鏈磺酸基團的數(shù)量，由最終影響質子交換膜的機械性能和離子交換能力。為了提高質子膜的離子交換能力，需要增加含有磺酸基團的側鏈，但是隨著分子鏈支化程度增加，分子間距的增大，會導致膜的抗拉強度顯著降低，因此全氟磺酸膜在應用中面臨：1)樹脂合成工藝復雜；2)電導率與水分含量相關，水管理較為復雜；3)潤濕環(huán)境下容易水合，導致尺寸穩(wěn)定性較差。因此如何兼顧離子交換能力和良好的機械性能，成為質子膜廠家重點關注的問題。
在不改變分子鏈支化程度和離子交換能力的前提下，往往通過以下方法提高質子膜的機械性能：1)在碳氟主鏈中引入芳雜環(huán)、脂肪環(huán)等，從而增強分子鏈的剛性和聚合物膜的模量，從而提升質子膜的機械性能；2)從外部結構入手，將全氟磺酸樹脂與機械性能較強的基底材料結合，即制備復合型質子交換膜，成為了目前的主流解決方案，這種方案以Gore的Select膜為代表：以多孔的聚四氟乙烯為基底，浸入Nafion樹脂進行制備，在提高膜的機械強度和尺寸穩(wěn)定性，改善溶脹性能的同時，可以顯著降低膜的厚度。
圖表4:(Nafion@112)全氟磺酸質子膜和Nafion/PTFE復合膜的性能對比
全氟磺酸樹脂(PFAR)的制備具有較高的技術壁壘
全氟磺酸樹脂是質子交換膜的主要材料，由PSVE單體和四氟乙烯共聚制成，在其生產(chǎn)的過程當中，PSVE單體的制備、四氟乙烯的獲取、樹脂的聚合和最終的成膜均有一定的技術難度。
PSVE單體合成：嚴格的知識產(chǎn)權技術保護和較高的技術壁壘
全氟磺酸樹脂中的側鏈磺酸基團是實現(xiàn)質子傳導的關鍵，如何制備能酸化為磺酸基的磺?；鶈误wPSVE是各個廠家的研究重點，由于反應條件苛刻、工藝繁瑣，PSVE單體的合成代表了現(xiàn)代氟化工技術水平的程度。
圖表5:各種全氟磺酸型 PEM 結構及參數(shù)
注：全氟磺酸質子交換膜離子交換能力的大小通常用離子交換當量(EW)來表征，EW是指含每摩爾離子交換基團的樹脂的克數(shù)
四氟乙烯單體難以運輸，需具備自主生產(chǎn)能力
全氟磺酸樹脂的另一重要單體四氟乙烯主要通過R22熱裂解制備，由于四氟乙烯聚合速率高，容易爆聚而產(chǎn)生爆炸，對生產(chǎn)和運輸都有著較高的要求，通常難以外采而需要自主生產(chǎn)，因此全氟磺酸樹脂廠家通常具備完整的氟化工產(chǎn)業(yè)鏈。
全氟磺酰樹脂(PFSR)的聚合也具有較大難度
全氟磺酰樹脂(PFSR)通常以四氟乙烯、PSVE和六氟丙烯經(jīng)過兩元、三元甚至四元共聚生成，其難點通常體現(xiàn)在：1)常用的乳液聚合法由于少量磺酰氟基團會發(fā)生水解從而使得高分子鏈發(fā)生締合，導致加工時出現(xiàn)熔體粘度增大的情況，使得加工困難；2)乳液聚合得到的磺酰樹脂平均分子量不高，從而降低成品膜的機械強度。在完成全氟磺酰樹脂(PFSR)的制備后，進一步經(jīng)水解酸化才能得到全氟磺酸質子膜的關鍵基體材料——全氟磺酸樹脂(PFAR)。
圖表6:全氟磺酸樹脂的制備
成膜的難點：熔融擠出法后處理復雜，澆鑄成膜法連續(xù)化不足
熔融擠出法：適合于連續(xù)化生產(chǎn)，在生產(chǎn)中沒有使用溶劑，對環(huán)境友好，但是成膜過程難以保證產(chǎn)品的平整度和相對較高的機械強度，對于設備的要求很高。
澆鑄成膜法：使用全氟磺酸樹脂溶液在平面上延流成膜，高溫揮發(fā)溶劑后得到成品膜，雖然澆鑄成膜法得到的產(chǎn)品平整度更好、機械強度更高，但是生產(chǎn)過程中使用的有機溶劑的回收和后處理要求比較高，并且在揭膜時難度較大，需要更多的經(jīng)驗和技術的積累才能實現(xiàn)連續(xù)化。
圖表7:兩種常見的加工成膜工藝
燃料電池汽車市場驅動質子膜需求快速增長
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，其優(yōu)點在于：1)通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環(huán)效應限制，因此效率高； 2)使用燃料和氧氣作為原料，沒有機械傳動部件，電化學反應過程較為清潔，工作可靠性較高。
從燃料種類來看：燃料電池可以分為氫燃料電池(RFC)和甲醇燃料電池(DMFC)等。交通運輸領域作為未來氫能產(chǎn)業(yè)最有潛力的下游場景之一，氫燃料電池汽車則是交通運輸領域氫能的主要應用方式。氫燃料電池汽車可以有效緩解燃油車的碳排放較高帶來的環(huán)保壓力，而與純電動汽車相比，燃料電池汽車具有續(xù)航里程長、快速加注、高功率密度、低溫啟動的技術特點，在重載、商用領域和寒冷地區(qū)有著相對更大的應用潛力。在未來中國交通電動化的過程之中，我們認為氫燃料電池汽車和純電動汽車兩種路線將互為補充。
從電解質的類型來看：燃料電池可以分為堿性燃料電池(AFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，其中PEMFC具有較高的效率和低溫操作的特點，在交通運輸領域上得到了大規(guī)模的應用，是目前燃料電池的主流技術路線，根據(jù)E4tech的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年全球燃料電池產(chǎn)量約82400套，其中PEMFC出貨量約53600臺機組，在全球出貨量中占比約65%。
圖表8:全球燃料電池出貨量中PEMFC占比
交通運輸領域是全球燃料電池市場的主要增長點
燃料電池主要應用于三大領域：1)固定領域：是目前燃料電池最大的應用市場，主要是在固定位置運行的作為主電源、備用電源或者熱電聯(lián)產(chǎn)的燃料電池，比如分布式發(fā)電及余熱供熱等。應用場景主要包括商業(yè)、工業(yè)和住宅的主要和備份發(fā)電，此外還作為動力源應用在航天器、偏遠氣象站、大型公園及通訊基站等場景。2)便攜式領域：為筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設備提供便攜動力，此外直接甲醇燃料電池(DMFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)也被應用于獨立行動單位電源和移動充電裝置。3)交通動力領域：包括為乘用車、客車、叉車及其他特種車輛提供主要動力或輔助動力。
近年來全球交通運輸領域的燃料電池出貨量持續(xù)快速增長，根據(jù)E4tech的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年全球交通運輸領域燃料電池出貨量約20500套，2015-2020年CAGR達32%。從在全部燃料電池出貨中的占比來看，從2011年的6.5%提升至2020年的24.9%，交通運輸領域是燃料電池市場的主要增長點。
圖表9:交通運輸領域燃料電池的出貨量占比持續(xù)提升
圖表10:交通運輸領域燃料電池的出貨量增速顯著超過固定式和便攜式
質子交換膜是氫燃料電池電堆的核心材料
氫燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，同樣可分為四個模塊：動力系統(tǒng)、底盤、汽車電子系統(tǒng)和車身，燃料電池汽車新增了燃料電池系統(tǒng)和車載加氫系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)是其核心結構。燃料電池電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心單元，能夠將氫氣的化學能轉化為電能，并由電池作為輔助一同驅動電動機為汽車提供動力。
氫燃料電池電堆是由多個燃料電池單元以串聯(lián)方式疊層組合構成，從外到內有進氣管道、電極板、膜電極組件和氣體擴散通道四種不同的結構單元。其中的單體電池主要由雙極板和膜電極組成，膜電極是燃料電池中電堆的核心環(huán)節(jié)，由質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層組成。質子的作用是隔離氫氣和氧氣并傳遞質子；催化劑層作用是降低反應的活化能，便于氧化和還原反應更容易進行并且提高反應速率；氣體擴散層位于流場和催化層之間，起到支撐催化層、穩(wěn)定電機結構并起到傳質、傳熱和傳電的作用。質子交換膜是氫燃料電池電堆的核心材料。
圖表11:PEM燃料電池動力系統(tǒng)和電堆結構
政策驅動，中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)進入提速階段
“碳達峰”和“碳中和”政策的推進之下，中國氫能產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段，燃料電池汽車產(chǎn)銷快速增長，2016-2019年產(chǎn)量CAGR達到65%，盡管2020年受疫情影響略有滑坡，但根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2021年全國氫燃料電池汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)分別為1777輛和1586輛，同比增加48.2%和34.7%，保有量增長至約8922輛。
國內燃料電池質子膜市場規(guī)模有望達18.5-55.9億元
3月23日國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，提出到2025年，形成較為完善的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度政策環(huán)境，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力顯著提高，基本掌握核心技術和制造工藝，初步建立較為完整的供應鏈和產(chǎn)業(yè)體系。燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設一批加氫站。我們分別假設了2025年后電池汽車銷量達到10.3萬輛和29.12萬輛兩種場景。其他假設如下：
1) 根據(jù)2021年9月公布的《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》中收錄的各種燃料電池車的型號信息，我們假設重卡(牽引車)燃料電池發(fā)動機的額定功率為110~130kW；中型微卡(包括廂式運輸車、垃圾車等)燃料電池發(fā)動機的額定功率為110~120kW；(城市)客車燃料電池發(fā)動機的額定功率為60~80kW；乘用車燃料電池發(fā)動機的額定功率為50~70kW.并假設各個車型近年功率規(guī)格保持不變。
2) 根據(jù)美國能源部燃料電池電堆效率和質子交換膜膜能源密度數(shù)據(jù)，假設燃料電池電堆MEA能源密度為1.24w/cm2，電堆效率為52%。
3) 假設質子膜的單價為1500元/平米并保持穩(wěn)定。
我們測算1GW燃料電池電堆裝機對應質子膜需求15.2萬平方米(對應1萬輛重卡的質子膜需求18.3萬平方米)，場景一下假設國內燃料電池車銷量達10.30萬輛/年，對于質子交換膜的總需求量將有望達到123.1萬平方米，對應市場規(guī)模有望達到18.5億元。場景二下假設國內燃料電池車銷量達29.12萬輛/年，對于質子交換膜的總需求量將有望達到372.8萬平方米，對應市場規(guī)模有望達到55.9億元。
圖表12:燃料電池車行業(yè)質子交換膜需求空間測算
PEM電解水制氫是質子膜另一重要應用領域
多元化應用將驅動氫氣需求持續(xù)增長
根據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2019年全球氫氣產(chǎn)量約為7000萬噸/年，下游消費方向以石油煉制、化工原料為主。其中化學工業(yè)應用占比66%，包括合成氨、甲醇、尼龍原料、聚氨酯原料、鹽酸、過氧化氫等，石油煉制應用占比26%，包括石油加氫裂化、加氫處理等，金屬和玻璃領域應用占比7%。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟和石油化學規(guī)劃院的數(shù)據(jù)，2020年中國氫氣產(chǎn)量約3342萬噸，是全球最大的氫氣生產(chǎn)國和消費國。從氫氣來源來看，國內煤制氫產(chǎn)量最大，占比約63.54%，其次為工業(yè)副產(chǎn)氫和天然氣制氫，占比分別為21.18%和13.76%。
圖表13:2019年全球氫氣的主要來源及用途
根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分。根據(jù)《規(guī)劃》明確的發(fā)展目標，到2035年形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領域的多元氫能應用生態(tài)?？稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費中的比重明顯提升，對能源綠色轉型發(fā)展起到重要支撐作用。
圖表14:“十四五”時期氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應用示范工程
展望未來，我們認為：1)交通領域：氫燃料電池中重型車輛仍是發(fā)展重點，可更好發(fā)揮氫氣能量密度更高的特性并提升經(jīng)濟性，進而構建燃料電池汽車與鋰電池汽車的互補發(fā)展模式。2)儲能領域：氫能可發(fā)揮其調節(jié)周期長、儲能容量大的優(yōu)勢，應用于可再生能源消納、電網(wǎng)調峰等場景。3)發(fā)電領域：氫能將在熱電聯(lián)供、備用電源、發(fā)電調峰、微電網(wǎng)等領域得到多元化的應用， 4)工業(yè)領域我們認為隨氫能成本持續(xù)下降，以及新技術應用的逐步滲透，我們預期氫能在冶煉以及石化化工行業(yè)領域的消費量將持續(xù)快速增長。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預測，十年內國內氫氣需求量有望增長至3715萬噸。
可再生能源消納+持續(xù)降本，電解水制氫占比有望顯著提升
電解水制氫是可再生能源消納的有效方式
國內風電和光伏行業(yè)保持了較快的增長，2021年合計新增裝機規(guī)模達到1.025億千瓦，全國風電、光伏累計發(fā)電量 9785 億千瓦時，同比增長35.0%，風電、光伏發(fā)電量占全社會用電量的比重首次突破10%，達到11.7%。按照國家能源局《2022年能源工作指導意見》要求，將繼續(xù)大力發(fā)展風電光伏，風電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會用電量的比重提升到12.2%左右。
圖表15:國內風電和光伏累計裝機量持續(xù)增長
可再生能源消納存在固有的間隙性、隨機與波動性的特點，現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的調峰能力無法滿足其消納，導致了棄風、棄光、棄水等現(xiàn)象。根據(jù)全國新能消源納監(jiān)測預警中心數(shù)據(jù)，2021年全國棄風電量206.1億千瓦時，風電利用率96.9%，同比提升0.4個百分點；棄光電量67.8億千瓦時，光伏發(fā)電利用率97.9%，同比基本持平，新能源消納利用水平仍有提升空間。氫能作為實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲及運輸?shù)姆桨?，我們認為有望成為消納可再生能源棄電的有效方式，按照目前棄電量測算，我們預計可用于電解水制氫55萬噸/年。
電解水制氫成本有望持續(xù)下降
我們測算目前國內可再生能源電解水制氫成本超過20元/kg，遠高于煤制氫8-10元/kg和工業(yè)副產(chǎn)氫約10元/kg的生產(chǎn)成本。因此目前國內制氫仍以化石制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫為主，2021年國內化石制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫占比分別達72%和28%，電解水制氫僅有少量示范應用。
圖表16:光伏電解水制氫及化石能源制氫成本比較
遠期來看，電解水制氫成本有望受益于：1)規(guī)模化：目前電解槽制氫裝置普遍較小，通過將多電解槽堆組合以增加系統(tǒng)整體容量可有效降低系統(tǒng)單位資本支出；同時制造端的規(guī)?；a(chǎn)亦可實現(xiàn)電解槽成本的下降；2)技術進步：根據(jù)美國能源部預測，PEM膜電極能源密度(單位功率所需的膜電極面積)在2025年將達到55KW/m2,2030年有望達到65KW/m2，膜電極能源密度的提高，可以有效地減少膜的使用量從而降低設備成本。此外隨著PEM水電解裝置的核心材料質子交換膜的國產(chǎn)化，電解槽的設備成本有望顯著下降。3)可再生能源度電成本持續(xù)下降：我們預計2025年后可再生能源電價有望下降至0.2元/kWh以下，電解水制氫成本在2030年有望下降至約10元/kWh，并在2040年前實現(xiàn)與煤制氫成本平價。
圖表17:光伏電解水制氫與天然氣制氫成本比較
圖表18:風電電解水制氫與天然氣制氫成本比較
PEM有望成為主流的電解水制氫路線
根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫可以分為質子交換膜(PEM)水電解、堿性陰離子交換膜(AEM)水電解、堿性水電解(ALK)以及高溫固體氧化物(SOEC)水電解等路線。其中，AEM制氫技術成熟度低、規(guī)模小，目前處在商業(yè)化前期；SOEC制氫技術具備無需使用貴金屬催化劑、效率高的優(yōu)點，但是啟動慢、衰減快，目前處在研究發(fā)展階段；ALK制氫技術具備成本低、產(chǎn)氫規(guī)模大、技術成熟度高等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的制氫技術，但是存在負荷調節(jié)幅度小、啟動響應慢、需要堿液處理等工藝，因此不適合連續(xù)性差、波動性大的風光水電等可再生能源電力的水電解制氫儲能；PEM制氫技術具備啟動速度快、負荷調節(jié)幅度大、氫氣產(chǎn)品壓力高，可以實現(xiàn)波動性較大的電力調峰運行以及對棄電資源的充分利用，是較為適合風光水電等可再生能源電解水制氫的路線。
圖表19:水電解制氫技術對比
電解水制氫質子膜和燃料電池膜的差異：兩者同為使用全氟磺酸樹脂原料，區(qū)別主要在于電解水用的是均質膜，無需經(jīng)過增強的處理，而對于燃料電池的質子交換膜，需要使用ePTFE進行增強，在ePTFE基膜上進行全氟磺酸樹脂的涂覆。應用端的需求決定了二者的差別，電解水是單側通水，兩側產(chǎn)氣體，由于氫氣和氧氣兩側產(chǎn)氣量不一樣，導致兩側有一定的壓差，對質子膜的耐壓強度有較高的要求，而且在較高的壓差之下，要求氫氣和氧氣的互串不能太嚴重，在最終得到的氣體中，要求氫氣中的氧含量、氧氣中的氫含量盡可能的低，所以電解水用質子膜相對較厚。
目前堿性電解水制氫仍是主流和充分產(chǎn)業(yè)化的電解水制氫路線，昂貴的組件和材料成本則成為限制PEM電解槽推廣的障礙，隨著PEM核心零部件及質子膜等關鍵材料的國產(chǎn)替代，我們預計在未來電解水制氫市場的占比有望持續(xù)提升。
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