氫能的現(xiàn)狀

雖然目前氫能的開(kāi)采和生產(chǎn)還受到成本的影響，但不可否認(rèn)的是，氫能是清潔能源的終極選擇，尤其是環(huán)保的綠氫制造，更是被寄予厚望。

氫氣是二次能源，地球上沒(méi)有天然的氫氣，目前主要通過(guò)三種較為成熟的路線制取：

① 以煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)氫氣，這也是目前全球制氫最為成熟的技術(shù)路線。

② 以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)制氫。

③ 電解水制氫，由于可再生能源電解制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高等特點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展空間巨大。

成本和碳排放方面，煤制氫和天然氣制氫由于工藝成熟、應(yīng)用規(guī)模大，目前具有較低生產(chǎn)成本，而其碳排放也是眾多技術(shù)中最高的，因此這兩種制氫技術(shù)也被稱為“灰氫”。而可再生能源電解制氫技術(shù)，由于所用電力來(lái)自水風(fēng)光等清潔能源，因此全流程碳排放最少，也被稱為“綠氫”。所以，可再生能源發(fā)電制氫將是未來(lái)氫氣生產(chǎn)的主要趨勢(shì)，發(fā)展空間巨大。

PEM電解水技術(shù)

在技術(shù)層面，電解水制氫技術(shù)可分為堿性電解水制氫(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOE)和陰離子交換膜電解水制氫（AEM）。其中，堿性電解水技術(shù)最為成熟，造價(jià)成本也較低；但是與可再生能源適配性較差。

固體氧化物電解水制氫（SOE）目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，其發(fā)展主要取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。相比之下，PEM電解水技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與水電、風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大）具有良好的匹配性，最適合未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

電解水技術(shù)近年在全球得到較多應(yīng)用，新增項(xiàng)目數(shù)量和單項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模也不斷提升。

認(rèn)識(shí)質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜（PEM），也叫質(zhì)子膜或者氫離子交換膜，是一種致密的離子選擇性透過(guò)的膜。質(zhì)子交換膜在電池（電解池）中起到阻隔電解液，傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。質(zhì)子交換膜目前商用技術(shù)難度高，長(zhǎng)期以來(lái)技術(shù)被國(guó)外企業(yè)壟斷。商用化最多的是杜邦公司 nafion 系列質(zhì)子交換膜。

水電解槽主要內(nèi)部組件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極端板等。作為水電解槽電極的核心組件，質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，而且還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命，因此在整個(gè)設(shè)備中至關(guān)重要，從整體看，質(zhì)子交換膜成本約占燃料電池總成本的4.08%。

質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)鏈

質(zhì)子交換膜處于有機(jī)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端，其上游是有機(jī)氟化工的單體材料，下游是基于質(zhì)子交換膜的氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水、儲(chǔ)能電池等應(yīng)用領(lǐng)域。

質(zhì)子交換膜上游主要包括基礎(chǔ)材料和過(guò)程材料兩個(gè)部分：基礎(chǔ)材料即螢石，利用上游原材料制備可用于后續(xù)加工的各類全氟、非全氟以及特種樹(shù)脂。

行業(yè)現(xiàn)狀

生產(chǎn)工藝要求較高

目前市面上主要使用的是全氟磺酸質(zhì)子交換膜，生產(chǎn)技術(shù)方面，目前主流的全氟磺酸PEM最常用的加工方法有熱熔融擠出成膜法和溶液流延成膜法兩種方法。盡管目前全氟磺酸PEM應(yīng)用最廣泛，但仍存在成本較高、尺寸穩(wěn)定性較差、溫度升高會(huì)降低質(zhì)子傳導(dǎo)性的缺點(diǎn)。為解決全氟磺酸PEM存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提升質(zhì)子交換膜的性能并降低成本，部分氟化PEM、無(wú)氟PEM和復(fù)合PEM成為質(zhì)子交換膜新的研究方向。

我國(guó)有機(jī)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈保障，基礎(chǔ)原材料充足

在質(zhì)子交換膜制備的基礎(chǔ)原料中，四氟乙烯產(chǎn)能充足。四氟乙烯由制冷劑 R22 生產(chǎn)制得，其主要用于聚合生產(chǎn)聚四氟乙烯（PTFE），為消化 R22 產(chǎn)能，氟化工企業(yè)對(duì) PTFE 產(chǎn)能進(jìn)行配套建設(shè)，產(chǎn)能過(guò)剩較為嚴(yán)重，產(chǎn)能出清困難。PTFE 目前處于產(chǎn)能過(guò)剩階段，這也凸顯出我國(guó)四氟乙烯產(chǎn)能充足，為下游分支 HFP 生產(chǎn)及質(zhì)子交換膜生產(chǎn)提供了充足的產(chǎn)能保證。

技術(shù)水平相對(duì)落后，產(chǎn)能長(zhǎng)期國(guó)外壟斷

全球質(zhì)子交換膜產(chǎn)能基本上被國(guó)外壟斷。國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間滯后于美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，尚處于起步階段，面臨技術(shù)、市場(chǎng)、人才、資金四大壁壘：。

年，東岳集團(tuán)與上海交通大學(xué)合作，得到國(guó)家 863 計(jì)劃支持，成功研制出全氟磺酸離子交換膜。歷經(jīng)十余年的攻關(guān)，將樹(shù)脂制備、涂布工藝探索、試驗(yàn)線建設(shè)、復(fù)合膜商業(yè)化制備等，東岳集團(tuán)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜及管件材料產(chǎn)業(yè)鏈布局。

市場(chǎng)需求

質(zhì)子交換膜下游應(yīng)用廣泛，氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫以及全釩液流電池中關(guān)鍵膜材料均為質(zhì)子交換膜。PEM燃料電池及電解水發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都呈現(xiàn)出較快的需求增長(zhǎng)和廣闊的發(fā)展前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是最為常用的燃料電池形式。據(jù)E4tech統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2011年到2019年，PEM燃料電池出貨量占比從44.9%進(jìn)一步提升至82.7%，可見(jiàn)，全球PEM燃料電池出貨量高速增長(zhǎng)。依據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟對(duì)未來(lái)燃料電池系統(tǒng)成本的預(yù)測(cè)以及美國(guó)能源部披露的成本結(jié)構(gòu)，綜合測(cè)算，燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域每年為質(zhì)子交換膜帶來(lái)的市場(chǎng)增量將持續(xù)增長(zhǎng)，到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億，非常可觀。

電解水制氫

電解水同樣是質(zhì)子交換膜的一項(xiàng)重要應(yīng)用領(lǐng)域，電解水制氫戰(zhàn)略地位不斷凸顯，真正做到零碳排放與“風(fēng)光無(wú)限”，帶動(dòng)電解槽系列產(chǎn)品的快速發(fā)展。據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近年全球電解水年新增裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。IEA根據(jù)已公布的項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，2020-2023年電解水年新增裝機(jī)容量將呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)，到2023將達(dá)1433.1MW，較2014年相比，年均復(fù)合增速將高達(dá)75.44%。綜合測(cè)算，可再生能源電解制氫在2020年給質(zhì)子交換膜帶來(lái)的市場(chǎng)增量為4.03億人民幣，而到了2030年和2050年，將可為質(zhì)子交換膜市場(chǎng)每年帶來(lái)約17.2億和59.8億的規(guī)模增量。

全釩液流電池

全釩液流電池是安全高效、富有潛力的儲(chǔ)能系統(tǒng)。釩電池我在之前的文章中介紹過(guò)，作為電化學(xué)儲(chǔ)能的最優(yōu)解，目前已經(jīng)加速商業(yè)化，相比于目前儲(chǔ)能主流的鋰離子電池系統(tǒng)更加安全，其使用壽命可達(dá) 20 年，充放電數(shù)萬(wàn)次，生命周期是傳統(tǒng)電池的 3-4 倍。目前應(yīng)用的商業(yè)化程度最高的導(dǎo)電膜是杜邦的 Nafion 膜。隨著高功率密度全釩液流電池電堆的開(kāi)發(fā)成功，和新一代全釩液流電池技術(shù)的成熟以及產(chǎn)業(yè)鏈上游更多企業(yè)的參與，全釩液流電池在初始投資成本和系統(tǒng)效率等方面的競(jìng)爭(zhēng)力將不斷提升。

總結(jié)：目前燃料電池所用的氫大多是工業(yè)副產(chǎn)氫。未來(lái)隨著燃料電池的發(fā)展，對(duì)“綠氫”的需求會(huì)越來(lái)越高，質(zhì)子交換膜電解水制氫是未來(lái)氫能源的重要來(lái)源。風(fēng)光發(fā)電的快速發(fā)展，將帶動(dòng)棄電制氫、儲(chǔ)能系統(tǒng)的共同發(fā)展，二者發(fā)展均離不開(kāi)質(zhì)子交換膜，預(yù)計(jì) 2030 年我國(guó)質(zhì)子交換膜用量將達(dá)到 2765-2850萬(wàn) m2，應(yīng)用主要集中在氫燃料電池車領(lǐng)域，其次是質(zhì)子交換膜電解水工藝和全釩液流電池領(lǐng)域，市場(chǎng)空間將達(dá)到百億元量級(jí)。

質(zhì)子交換膜下游應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫與全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。根據(jù)我們測(cè)算，2030 年我國(guó)氯堿工業(yè)國(guó)產(chǎn)離子膜需求量約為 7.6 萬(wàn)平，我國(guó)車用燃料電池用質(zhì)子交換膜需求量超 2640 萬(wàn)平，電解水制氫電解槽用質(zhì)子交換膜需求量超 95 萬(wàn)平，全釩液流電池儲(chǔ)能用質(zhì)子交換膜需求量超 15 萬(wàn)平。總體而言，預(yù)計(jì)我國(guó)質(zhì)子交換膜市場(chǎng)未來(lái)將由車用燃料電池市場(chǎng)主導(dǎo)，2030 年市場(chǎng)規(guī)模將超百億元。國(guó)內(nèi)技術(shù)水平與國(guó)外尚存差距，但部分企業(yè)正在加速布局，有望實(shí)現(xiàn)高端突破。