中国质子交换膜行业报告

2023年中国质子交换膜行业词条报告 作者 摘要 徐诗扬 质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，在电池（电解池）中起到为质子迁移和传输提供通道、分离气体反应物并阻隔电解液的作用。质子交换膜性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。随着氢能源行业热度持续上升，质子交换膜作为燃料电池核心原材料需求有望迎来大幅度提高。本文将解答以下几个问题：（1）中国质子交换膜行业有怎样的特点？（2）质子交换膜行业目前的竞争格局如何？ 行业头豹分类/制造业/汽车制造业港股分类法/消费品制造/汽车 关键词氢能源质子交换膜燃料电池 （1）中国质子交换膜行业有怎样的特点？一是质子交换膜的应用较为广泛，但其工业化生产在原材料大规模制备、生产工艺等方面存在一定的技术难点，形成了一定的行业壁垒。二是质子交换膜市场主要由美日企业主导，但经历长期的研发，中国的国产质子交换膜在综合性能、性价比上都有所突破。三是燃料电池快速发展有望带来质子交换膜的大量需求，氢能源产业链带动质子交换膜下游需求快速提升。中国质子交换膜企业在较好的市场环境、增加的本土需求以及政策扶持下将迎来高速成长，通过寻求新方向的技术突破来进一步扩大占有率。（2）质子交换膜行业目前的竞争格局如何？全球质子交换膜产能基本上被国外垄断，中国质子交换膜产业发展时间滞后于美国日本等发达国家。全氟质子交换膜生产主要集中在海外，主要公司包括美国戈尔、科慕、陶氏和3M公司，比利时索尔维公司，日本旭硝子玻璃、旭化成。国内目前少数成功实现质子交换膜商业化量产的企业为东岳集团。东岳已成为继戈尔、科慕两家外国企业之后国内市场占比最大的企业，已建成全国唯一全氟酸质子膜树脂合成生产线，实现量产并批量供货。目前中国其他质子交换膜相关企业的进展相对缓慢，规模较小。随着国产化质子交换膜持续推进，中国质子交换膜行业将迎来快速发展。 1.质子交换膜行业定义 质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是一种带有阳离子交换基团(磺酸基团，羧酸基团，磷酸基团等)的聚合物电解质薄层，厚度通常在10-100μm之间。阳离子交换基团通过化学键固定在聚合物上从而形成一个整体，这种固定的连接方式避免了小分子电解质的流失。 质子交换膜是质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)的核心部件，也称为质子膜或氢离子交换膜，是一种离子选择性透过的膜，在电池（电解池）中起到为质子迁移和传输提供通道、分离气体反应物并阻隔电解液的作用。质子交换膜性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命，评价质子交换膜的性能指标主要为EV值（离子基团当量值）、粒子传导率、膜厚度和成本等。 2.质子交换膜行业分类 质子交换膜根据含氟情况进行分类，主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜以及复合膜。其中，全氟磺酸型膜是当前最为商业化的PEMFC电解质膜。目前，市场上应用最广泛的是由美国杜邦公司研制的Nafion系列全氟磺酸型膜，其具有优异的化学稳定性、高机械强度以及在低温和高湿度下突出的离子电导率，而美国戈尔公司凭借膨体聚四氟乙烯复合膜技术（ePTFE）在燃料电池车用质子交换膜领域一马当先。 类型名称 类型说明 全氟磺酸膜 全氟磺酸膜是由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成。全氟磺酸膜机械强度高，化学稳定性强，且在湿度大的条件下导电率高。全氟磺酸膜在低温时电流密度大，质子传导电阻较小；温度升高会引起质子传导性变差，高温时膜易发生化学降解。全氟磺酸膜的单体合成困难，成本较高。 非全氟化质子交换膜 非全氟化质子交换膜是用取代的氯化物代替氟树脂，或用氟化物与无机或其他非氟化物共混制成。非全氟化质子交换膜具有非常低的磺酸基含量，其工作效率较高，使单电池的寿命提高到15,000h，成本相对较低。 无氟化质子交换膜 无氟化质子交换膜是由无氟化烃类聚合物膜组成。无氟化质子交换膜的成本较低，在生产环节对环境的污染较小，但化学稳定性较弱。 复合膜 复合膜是修饰材料和全氟磺酸树脂构成的复合膜。复合膜可以改善膜内水传动与分布，降低质子交换膜内阻，但制备技术要求较高。 质子交换膜行业特征 3. 质子交换膜的应用较为广泛，但其工业化生产在原材料大规模制备、生产工艺等方面存在一定的技术难点，形成了一定的行业壁垒。质子交换膜市场主要由美日企业主导，但经历长期的研发，中国的国产质子交换膜在综合性能、性价比上都有所突破。燃料电池快速发展有望带来质子交换膜的大量需求，氢能源产业链带动质子交换膜下游需求快速提升。中国质子交换膜企业在较好的市场环境、增加的本土需求以及政策扶持下将迎来高速成长，通过寻求新方向的技术突破来进一步扩大占有率。 质子交换膜的技术壁垒较高，在原材料大规模制备与生产工艺方面均存在难点。 技术壁垒质子交换膜的生产包括原材料单体制备、单体聚合以及薄膜加工三大环节，其工业化生产在原材料大规模制备、生产工艺等方面存在一定 高的技术难点。在原材料大规模制备方面，用于合成质子交换膜的原料PSVE反应条件苛刻，大规模生产难度较大。在生产工艺方面，膜的厚度、机械强度在成膜工艺中有较高的要求，直接影响成品膜的品质。 质子交换氢能源产业链带动质子交换膜下游需求快速提升。 膜前景较目前燃料电池所用的氢大多是工业副产氢。未来随着燃料电池的发展，对“绿氢”的需求会越来越高，质子交换膜电解水制氢是未来氢能源 好的重要来源。风光发电的快速发展，将带动弃电制氢、储能系统的共同发展，二者发展均离不开质子交换膜。 中国企业在质子交换膜领域不断突破，在较好的市场环境、增加的本土需求以及政策扶持下有望迎来高速成长。 国产化替质子交换膜市场主要由美日企业主导，但经历长期的研发，中国的国产质子交换膜在综合性能、性价比上都有所突破。目前的中国企业已 代加速 经在一定程度上打破海外企业对中国质子交换膜市场的垄断，但要进一步扩大占有率还需要寻求新方向的技术突破，而本土需求的扩大和政策的支持也给了中国企业更大的发展空间，中国质子交换膜厂商有望迎来高速成长。 4.质子交换膜发展历程 长期以来，中国的质子交换膜行业处于空白阶段。全球质子交换膜产能基本上被国外垄断，全氟质子交换膜生产主要集中在美国、日本、加拿大等国家。1962年美国杜邦公司(DuPont)开发出新型性能优良的全氟磺酸型质子交换膜，即Nafion系列产品。2003年以前，杜邦是唯一能够量产质子交换膜的企业，处于质子交换膜行业的顶尖位置。中国质子交换膜发展道阻且长，在2005年，东岳集团与上海交通大学合作成功研制出全氟磺酸离子交换膜，实现了中国质子交换膜发展的有利突破。2020年之后，中国陆续出台了多个文件，将助力质子交换膜技术攻破加快，应用进一步拓展。 开始时间：2002结束时间：2004阶段：萌芽期 行业动态：2002年，上海三爱富新材料股份有限公司打通全氟磺酸树脂的生产工艺，成功通过成膜实验和燃料电池发电实验。 行业影响/ 阶段特征：长期以来，中国的质子交换膜行业处于空白阶段。上海三爱富新材料股份有限公司的全氟磺酸树脂性能相较于杜邦Nafion膜仍有欠缺，但其 标志着中国质子交换膜开始突破技术难关，质子交换膜行业迎来发展。 开始时间：2005结束时间：2019阶段：启动期 行业动态：2005年，东岳集团与上海交通大学合作，得到国家863计划支持，成功研制出全氟磺酸离子交换膜。 行业影响/ 阶段特征：全氟磺酸离子交换膜项目被东岳攻克后，离子膜进口价格下跌50%以上，彻底结束了中国氯碱工业受制于人的历史，为其在燃料电池领域的应用提供了有利条件。 开始时间：2020阶段：高速发展期 行业动态：2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标。在双碳政策下，可再生能源制氢将改变氢源结构，质子交换膜技术攻破加快，应用进一步拓展。 行业影响/ 阶段特征：2020年之后，中国陆续出台了多个文件，电解水制氢战略地位不断凸显，真正做到零碳排放与“风光无限”将带动电解槽系列产品的快速发展。 5.质子交换膜产业链分析 上游：中国质子交换膜产业链的上游主要为有机氟加工企业。质子交换膜处于有机氟化工产业链末端，其上游是有机氟化工的单体材料，质子交换膜的直接材料为全氟磺酸树脂材料，向上延伸至有机氟化工中的四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚等单体材料，向上溯源可以追溯至萤石、氟化氢、制冷剂等原材料。 中游：中国质子交换膜产业链的中游是质子交换膜生产企业，中国质子交换膜技术水平相对落后，产能长期由国外垄断。长期以来全氟质子交换膜生产主要集中在美国、日本、加拿大等国家，主要公司包括美国杜邦、陶氏、戈尔公司，日本旭硝子、旭化，加拿大巴拉德公司。 下游：中国质子交换膜产业链的下游主要是燃料电池行业和氯碱行业。氯碱工业是重要的基础化工部分，目前所用到的生产工艺几乎都是离子膜法，质子交换膜是关键部件。燃料电池是氢能发展利用计划中的关键部分。 中昊晨光化工研究院有限公司、山东东岳化工有限公司、山东华氟化工有限责任公司、鲁西化工集团股份有限公司、浙江巨化股份有限公司、江苏梅兰化工有限公司、江西理文化工有限公司、福建三农新材料有限责任公司、常熟三爱富氟化工有限责任公司 中国有机氟化工产业链产能有较强的保障，在质子交换膜制备的基础原料中，四氟乙烯产能充足。中国聚四氟乙烯近年来产量基本维持不变，行业开工率普遍维持在52%以下，产能过剩情况严重。质子交换膜制备的基础原料四氟乙烯由制冷剂R22生产制得，其主要用于聚合生产聚四氟乙烯（PTFE），热裂解生产六氟丙烯（HFP）等。HFP是生产质子交换膜的原料之一。 有机氟加工企业 上游参与方 上游说明 上游环节 山东东岳化工有限公司、武汉理工新能源有限公司、科慕化学（上海）有限公司、戈尔集团有限公司、３Ｍ中国有限公司、旭硝子玻璃股份有限公司、旭化成（中国）投资有限公司、陶氏化学 （中国）投资有限公司、江苏阳光集团有限公司 、金利华电气股份有限公司、浙江南都电源动力股份有限公司、湖南百利工程科技股份有限公司 、江苏协和电子股份有限公司、江门市科恒实业股份有限公司 中国质子交换膜产业尚处于起步阶段，面临着较高技术壁垒，缺乏既有专业知识又有现场生产经验的人才。目前商业中使用最多的仍是杜邦Nafion膜，杜邦公司在质子交换膜行业有领先的技术优势、先发的市场优势，处于市场主导地位。中国的东岳集团通过了AFCC公司（奔驰-福特质子膜燃料电池电堆研发公司）认证，成功实现质子交换膜的量产。 质子膜生产企业 中游参与方 中游说明 中游环节 北京亿华通科技股份有限公司、广州市巴拉德动力系统有限公司、上海捷氢科技股份有限公司、江苏清能新能源技术股份有限公司、新源动力股份有限公司、广东国鸿氢能科技股份有限公司、潍柴动力股份有限公司、武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 氯碱工业、燃料电池、电解水制氢以及全钒液流电池中关键膜材料均为质子交换膜。质子交换膜主要应用于氯碱工业和燃料电池两大领域，其在氯碱工业中已经得到广泛应用且较为成熟，在燃料电池领域的应用虽处于起步阶段，但已得到充分肯定。 燃料电池行业和氯碱行业 下游参与方 下游说明 下游环节 质子交换膜行业规模 6. 中国氢燃料电池目前正处于商业导入期，《节能与新能源汽车技术路线图》提出2020、2025以及2030年燃料电池汽车发展目标为1万辆、10万辆以及100万辆，预计2030年将带来质子交换膜需求量约2640万平。由于燃料电池汽车总体产量规模仍然较小，截至2020年底，中国氢燃料电池汽车保有量仅为7,352辆，燃料电池系统成本仍然较高。一台100kW电堆，扩散层用量大概在20平方米左右，按照目前进口的价格，600块到800块每平方米来算的话，预计需要12,000元左右。而在国产化替代以后，成本预计可以下降30%-40%到8,000元左右。质子交换膜作为核心零部件，目前成本约占燃料电池电堆