1. 质子交换膜简介

　　质子交换膜（PEM）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，是在反应时只让阳极失去电子的氢离子（质子）透过到达阴极，但阻止电子、氢分子、水分子等通过。其上游是有机氟化工的单体材料，下游应用于氯碱工业、燃料电池、电解水、储能电池等领域。

　　根据质子交换膜含氟量的不同，分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜。其中由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，在力学性能、热稳定性、化学稳定性上有更为优秀的表现，使得此类质子交换膜比其他膜材料具有更长的使用寿命，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，离子传导特性更为优异。因此，全氟磺酸膜是目前主流的质子交换膜方案。

　　全氟磺酸膜目前的制备方法主要有三种：熔融挤出流延法，溶液浇注成型法，以及溶液钢带流延法，其中熔融挤出流延法是目前最为成熟的加工方法，主要材料分别为全氟磺酸树脂（PFAR）和全氟磺酰树脂（PFSR）。

　　全氟磺酸质子交换膜生产主要集中在海外，主要地区包括美国、日本、加拿大等国家，主要公司包括美国杜邦、戈尔、陶氏、3M 等，日本旭硝子、旭化成，加拿大巴拉德公司。20 世纪 90 年代，杜邦公司率先开发出全氟磺酸质子交换膜的商业化产品——Nafion 系列膜，处于质子交换膜行业的      位置，其他公司以 Nafion 系列全氟磺酸质子交换膜为基础，相继开发出相近产品。公开资料显示，目前全球量产的氢燃料电池汽车丰田 MIRAI、现代NEXO 和本田 CLARITY 等都采用戈尔产品。

　　国内市场方面，全氟磺酸质子交换膜是我国国家级科技攻关项目。2002 年上海三爱富新材料股份有限公司完成全氟磺酸树脂生产工艺的研究，并成功通过成膜和燃料电池发电实验。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，目前已建成年产 350 万平方米燃料电池膜、50 万平方米水电解制氢膜、100 万平方米液流电池膜、500 吨全氟离子交换树脂的产线，但质量和耐久性方面与国外还存在差距。

　　2. 质子交换膜主要应用场景

　　质子交换膜目前主要应用场景有氯碱工业、燃料电池、电解水制氢槽、全钒液流电池。氯碱行业属于高耗能行业，因此在环保政策逐步收紧的背景下近年来相关项目的审批有所收紧，预计未来对于质子交换膜的需求增速将有所放缓。质子交换膜作为新材料，未来主要应用领域或将集中在燃料电池、电解水制氢、全钒液流电池等领域。

　　2.1.燃料电池

　　燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，基本原理是氢气进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下分解成氢质子和电子，形成的氢质子穿过质子交换膜达到燃料电池阴极，在催化剂作用下与氧气结合生成水，电子则通过外部电路到达燃料电池阴极形成电流。燃料电池电堆是燃料电池的核心部件，膜电极作为燃料电池电堆的核心部件，质子交换膜约占其成本的 16%。

　　在燃料电池的应用场景不断多样化驱动，能量密度及运行寿命方面持续实现技术突破的情况下，国鸿氢能预计中国氢燃料电池电堆的出货量将保持快速增长，氢燃料电池电堆的出货量将由 2022 年的 1,044.1 兆瓦增至 2026 年的 15,044.6 兆瓦，复合增长率约为 94.8%，价值将由 22.08 亿增长至 147.44 亿。

　　2.2.电解水制氢

　　电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据隔膜不同，可分为碱性电解水、质子交换膜电解水、固体氧化物电解水三种技术。IEA 数据显示，截至 2021 年底，全球共有 882 项电解水相关项目在运行，现有项目中，质子交换膜水电解（PEM）占比      有 238 项。由此可见，质子交换膜电解水制氢是氢气制取端主流发展方向。

　　2.3.全钒液流电池

　　全钒液流电池是目前液流电池行业技术成熟度相对      的技术。全钒液流电池是液流电池中      一种活性物质单一的电池，它利用钒离子化合价的变化来实现电能与化学能之间的转化。全钒液流电池系统由功率单元（电堆），能量单元（电解液和电解液储罐），电解液输送单元（管路、阀、泵、传感器等辅助部件）以及电池管理系统等组成。其中，电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。全钒液流电池将具有不同价态的钒离子溶液作为正极和负极的活性物质，分别储存在正负极的电解液储罐中。充放电时，在泵的作用下，电解液由储罐分别循环流经电池的正极室和负极室，在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。

　　质子交换膜在燃料电池、电解水制氢、全钒液流电池的技术发展中扮演重要角色。我们认为，随着我国在“双碳”环境下能源结构转型、储能需求不断攀升的背景下，质子交换膜作为核心零部件之一，需求量有望不断攀升。目前质子交换膜主要生产厂商大多集中在国外，我国在质子交换膜技术、量产上仍有差距，以致下游应用端采购成本高企，下游厂商在降本需求的推动下，有望加快质子交换膜国产化进程。