一、质子交换膜简介
质子交换膜（PEM）在氢燃料电池、电解水制氢气等领域中所交换的阳离子为质子，又被称为离子膜。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，下游是基于质子交换膜的氯碱工业、燃料电池、电解水、储能电池等应用领域。目前产业化应用的均为全氟质子交换膜，质子交换膜使用的是全氟磺酸树脂，离子膜使用全氟磺酸树脂、全氟羧酸树脂的复合膜。全氟磺酸树脂具有强酸性，全氟羧酸树脂具有弱酸性，更能够适应氯碱工业中的碱性环境。尽管目前全氟磺酸PEM应用最广泛，但仍存在成本较高、尺寸稳定性较差、温度升高会降低质子传导性的缺点。
不同材质的质子交换膜性能对比
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二、氢能对于质子交换膜的需求
质子交换膜的应用与氢能源密切相关，氢是二次能源，目前主要通过化石能源重整、工业副产和电解水三种方式生产。可再生能源电解制氢由于制备流程低碳环保，可助力可再生能源跨地域和跨季节优化配置，以及促进电力与建筑、交通运输和工业之间的互连，将是未来主要趋势。数据显示我国的氢能产量呈现稳步增长态势，2020年国内氢能产量突破2500万吨，同比增长13.6%。氢能还可以促进电力与建筑、交通运输和工业之间的互连，通过氢气作为载体，将大量可再生能源转移到建筑、交通、工业等高排放部门，实现深度脱碳，是未来国内实现低碳经济的重要途径。因此未来质子交换膜的需求量将随着氢能的快速发展的不断增加。
2012-2020年我国氢能产量增长情况
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电解水是目前氢气生产方式当中最环保的方式，目前主流的电解水制氢技术 有三种类型：包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢，其中 碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%，国外研发的PEM技术与 SOEC 技术均能有效提高电解效率，尤其是PEM交换膜技术已引入国内市场。近年来国内新建的电解水项目PEM的应用也越来越多，主要原因在于相较碱性电解水技术，PEM电解采用纯水电解，无污染、无腐蚀；其次，质子交换膜拥有更高的质子传导性，电解槽工作电流可大大提高，从而提升电解效率；同时PEM电解水技术能够提供更宽的负载范围和更短的响应启动时间，与其他能源具有良好的匹配性，最适合未来能源结构的发展。
三种电解池性能对比
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但是从氢气生产宏观角度来看目前由于电解水制氢的成本依然较高，因此电解水制氢在国内氢气生产当中的比重仅占总产量的1%。由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右，导致其竞争力并不高，因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。同时电解水制氢的相关设备投入较大，而例如氯碱制氢的可以通过工业副产品提高生产利润，因此在电解槽等设备成本依然较高的前提下电解水制氢依然难以进一步推广。
2020年我国氢气生产结构
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相关报告：华经产业研究院发布的《2021-2026年中国质子交换膜燃料电池行业投资分析及发展战略咨询报告》；
三、燃料电池对于质子交换膜的需求
除此以外燃料电池作为质子交换膜主要应用领域，近年受益于环保趋严及政府政策支持，PEM燃料电池出 货量不断提升。PEM水电解槽主要内部组件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。作为水电解槽电极的核心组件，质子交换膜不仅传导质子，隔离氢气和氧气，而且还为催化剂提供支撑，其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命，因此在整个设备中至关重要。从电堆内部来看，催化剂及涂覆是第一大成本支出，占电堆总成本的比例达53%；双极板紧随其后，占比20%；质子交换膜和膜电极框架成本占比分别为9%和8%。从整体看，质子交换膜成本约占燃料电池总成本的4.08%。
氢燃料电池生产成本结构
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四、国产离子膜市场替代空间巨大
而在氯碱工业领域，氯碱工业生产主要有三种方法：隔膜法、离子膜法与水银电解法，其中离子膜法的核心装置就是质子交换膜。全氟离子交换膜是氯碱装置的核心，由全氟磺酸膜、全氟羧酸膜与聚四氟乙烯增强网布复合而成，并且在膜的两面附有亲水涂层。目前离子膜法烧碱是世界氯碱工业普遍采用的工艺，采用离子膜法生产烧碱的吨综合能耗比隔膜法烧碱低1/3。但是由于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，未来对于质子交换膜的需求增速将有所放缓。而我国国产 离子膜在综合性能及价格上仍在积极追赶国外产品，氯碱行业“十三五”规划中提出国产化离子膜的行业应用率达到30%的目标，国产离子膜存在广阔的市场替代空间。
2010-2020年我国烧碱产量统计
资料来源：国家统计局，华经产业研究院整理
华经产业研究院对中国质子交换膜行业的发展现状、产业链发展格局及市场供需形势进行了具体分析，并从行业的政策环境、经济环境、社会环境及技术环境等方面分析行业面临的机遇及挑战。还重点分析了重点企业的经营现状及发展格局，并对未来几年行业的发展趋向进行了专业的预判。为企业、科研、投资机构等单位了解行业最新发展动态及竞争格局，把握行业未来发展方向提供了专业的指导和建议。更多详细内容，请关注华经产业研究院研究出版的《2021-2026年中国质子交换膜燃料电池行业全景评估及投资规划建议报告》。
