北京世紀(jì)森朗在制氫,、儲(chǔ)氫,、用氫、氫安全等新能源方面技術(shù)均有突破,，在本體系的高壓反應(yīng)設(shè)備,，材料,、能源反應(yīng)裝置，歡迎咨詢
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質(zhì)子交換膜憑借特異性的質(zhì)子傳遞功能,，在氫能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,，其中全氟磺酸質(zhì)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(zhì)子膜的生產(chǎn)難度,，全球僅杜邦,、旭化成、旭硝子和戈?duì)柕壬贁?shù)公司掌握質(zhì)子膜的生產(chǎn)技術(shù),，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(zhǎng)驅(qū)動(dòng)下，我們認(rèn)為未來國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜市場(chǎng)有較大的成長(zhǎng)空間,。國(guó)產(chǎn)化方面,，我們看到以東岳未來氫能為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破和質(zhì)子膜的量產(chǎn)，有機(jī)會(huì)在這個(gè)賽道上快速成長(zhǎng),。
質(zhì)子交換膜：高技術(shù)壁壘的關(guān)鍵氫能材料/質(zhì)子交換膜：氫能產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵材料
氫能作為清潔低碳,、高熱值、可獲得性強(qiáng)和儲(chǔ)運(yùn)靈活的綠色能源,，在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的過程中將扮演重要的角色,，隨著光伏和風(fēng)電等可再生能源的發(fā)展，我們認(rèn)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(yīng)用于交通運(yùn)輸,、工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜作為電解水制氫和燃料電池電堆的關(guān)鍵材料,，市場(chǎng)規(guī)模有望迎來較快的增長(zhǎng),。
圖表1:質(zhì)子交換膜在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用場(chǎng)景
質(zhì)子交換膜：特異性的實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的傳遞
質(zhì)子交換膜(PEM)是有機(jī)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(chǔ)能電池等領(lǐng)域，主要在于其特異性的質(zhì)子傳遞功能,，使得電極反應(yīng)順利進(jìn)行。以燃料電池質(zhì)子交換膜為例,，氫氣通過氣體擴(kuò)散層,，在陽極催化劑作用下失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子在PEM膜上特異性地傳遞到陰極并與氧離子反應(yīng)生成水分子,。在一定的溫度和濕度下,，PEM膜只傳遞質(zhì)子，而氣體分子和其他離子無法通過,。
為實(shí)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(zhì)子傳遞性，電導(dǎo)率一般要求達(dá)到0.1s/cm的數(shù)量級(jí),；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(yīng)并造成局部過熱；3)較好的化學(xué)穩(wěn)定性,，不易發(fā)生降解和失效,；4)良好的機(jī)械穩(wěn)定性，在干/濕條件下均具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和粘彈性,，保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行及與催化層的良好結(jié)合,；5)較強(qiáng)的水合作用,，避免局部缺水，影響質(zhì)子傳導(dǎo),。
圖表2:燃料電池中質(zhì)子交換膜的工作原理
從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看PEM膜的特異性傳遞
質(zhì)子交換膜之所以能夠特異性的通過質(zhì)子,，而阻斷氣體分子和其他離子，原因在于其獨(dú)特的聚合物結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)，為PEM膜提供了優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,。按照Gierke等人在20世紀(jì)70年代設(shè)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(tuán)簇，水分子充滿團(tuán)簇內(nèi)部并起到連接團(tuán)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(zhì)子和水分子在膜內(nèi)的擴(kuò)散。具體過程為-SO3H中離解出H+參與結(jié)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(yīng)會(huì)消耗質(zhì)子，同時(shí)在電勢(shì)差的推動(dòng)下,，H+在膜內(nèi)由陽極向陰極移動(dòng),，并形成電池回路。
圖表3:質(zhì)子交換膜水合后形成團(tuán)簇的模型,，質(zhì)子傳遞的機(jī)理
高機(jī)械強(qiáng)度VS強(qiáng)離子交換能力：復(fù)合型質(zhì)子膜的誕生
早期的質(zhì)子交換膜主要為本體(單組分)質(zhì)子交換膜,，由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的聚合物直接成膜，按化學(xué)組成可分為全氟質(zhì)子交換膜,、部分氟化質(zhì)子交換膜和非氟質(zhì)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(jié)構(gòu),、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(zhì)子傳遞的側(cè)鏈磺酸基團(tuán)的數(shù)量，由最終影響質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能和離子交換能力,。為了提高質(zhì)子膜的離子交換能力,，需要增加含有磺酸基團(tuán)的側(cè)鏈，但是隨著分子鏈支化程度增加,，分子間距的增大,，會(huì)導(dǎo)致膜的抗拉強(qiáng)度顯著降低，因此全氟磺酸膜在應(yīng)用中面臨：1)樹脂合成工藝復(fù)雜,；2)電導(dǎo)率與水分含量相關(guān),，水管理較為復(fù)雜；3)潤(rùn)濕環(huán)境下容易水合，導(dǎo)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(jī)械性能,，成為質(zhì)子膜廠家重點(diǎn)關(guān)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(zhì)子膜的機(jī)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(qiáng)分子鏈的剛性和聚合物膜的模量,，從而提升質(zhì)子膜的機(jī)械性能,；2)從外部結(jié)構(gòu)入手，將全氟磺酸樹脂與機(jī)械性能較強(qiáng)的基底材料結(jié)合,，即制備復(fù)合型質(zhì)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(jìn)行制備,，在提高膜的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，改善溶脹性能的同時(shí),，可以顯著降低膜的厚度,。
圖表4:(Nafion@112)全氟磺酸質(zhì)子膜和Nafion/PTFE復(fù)合膜的性能對(duì)比
全氟磺酸樹脂(PFAR)的制備具有較高的技術(shù)壁壘
全氟磺酸樹脂是質(zhì)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(dāng)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(shù)難度,。
PSVE單體合成：嚴(yán)格的知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)保護(hù)和較高的技術(shù)壁壘
全氟磺酸樹脂中的側(cè)鏈磺酸基團(tuán)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)的關(guān)鍵，如何制備能酸化為磺酸基的磺?；鶈误wPSVE是各個(gè)廠家的研究重點(diǎn),，由于反應(yīng)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(shù)水平的程度。
圖表5:各種全氟磺酸型 PEM 結(jié)構(gòu)及參數(shù)
注：全氟磺酸質(zhì)子交換膜離子交換能力的大小通常用離子交換當(dāng)量(EW)來表征,，EW是指含每摩爾離子交換基團(tuán)的樹脂的克數(shù)
四氟乙烯單體難以運(yùn)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(duì)生產(chǎn)和運(yùn)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(diǎn)通常體現(xiàn)在：1)常用的乳液聚合法由于少量磺酰氟基團(tuán)會(huì)發(fā)生水解從而使得高分子鏈發(fā)生締合,，導(dǎo)致加工時(shí)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(jī)械強(qiáng)度。在完成全氟磺酰樹脂(PFSR)的制備后,，進(jìn)一步經(jīng)水解酸化才能得到全氟磺酸質(zhì)子膜的關(guān)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(diǎn)：熔融擠出法后處理復(fù)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(duì)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(duì)較高的機(jī)械強(qiáng)度,，對(duì)于設(shè)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?fù)]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(jī)械強(qiáng)度更高，但是生產(chǎn)過程中使用的有機(jī)溶劑的回收和后處理要求比較高,，并且在揭膜時(shí)難度較大,，需要更多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的積累才能實(shí)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子膜需求快速增長(zhǎng)
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置,，其優(yōu)點(diǎn)在于：1)通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能,，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)限制，因此效率高,； 2)使用燃料和氧氣作為原料,，沒有機(jī)械傳動(dòng)部件，電化學(xué)反應(yīng)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(yùn)輸領(lǐng)域作為未來氫能產(chǎn)業(yè)最有潛力的下游場(chǎng)景之一,，氫燃料電池汽車則是交通運(yùn)輸領(lǐng)域氫能的主要應(yīng)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(dòng)汽車相比,，燃料電池汽車具有續(xù)航里程長(zhǎng),、快速加注、高功率密度,、低溫啟動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn),，在重載、商用領(lǐng)域和寒冷地區(qū)有著相對(duì)更大的應(yīng)用潛力。在未來中國(guó)交通電動(dòng)化的過程之中,，我們認(rèn)為氫燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車兩種路線將互為補(bǔ)充,。
從電解質(zhì)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(zhì)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(diǎn),，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域上得到了大規(guī)模的應(yīng)用，是目前燃料電池的主流技術(shù)路線,，根據(jù)E4tech的統(tǒng)計(jì)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(tái)機(jī)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(yùn)輸領(lǐng)域是全球燃料電池市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)
燃料電池主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域：1)固定領(lǐng)域：是目前燃料電池最大的應(yīng)用市場(chǎng)，主要是在固定位置運(yùn)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(yīng)用場(chǎng)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(dòng)力源應(yīng)用在航天器、偏遠(yuǎn)氣象站,、大型公園及通訊基站等場(chǎng)景,。2)便攜式領(lǐng)域：為筆記本電腦、手機(jī),、收音機(jī)及其他需要電源的移動(dòng)設(shè)備提供便攜動(dòng)力,，此外直接甲醇燃料電池(DMFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)也被應(yīng)用于獨(dú)立行動(dòng)單位電源和移動(dòng)充電裝置。3)交通動(dòng)力領(lǐng)域：包括為乘用車,、客車,、叉車及其他特種車輛提供主要?jiǎng)恿蜉o助動(dòng)力。
近年來全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的燃料電池出貨量持續(xù)快速增長(zhǎng),，根據(jù)E4tech的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，2020年全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域燃料電池出貨量約20500套，2015-2020年CAGR達(dá)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(yùn)輸領(lǐng)域是燃料電池市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn),。
圖表9:交通運(yùn)輸領(lǐng)域燃料電池的出貨量占比持續(xù)提升
圖表10:交通運(yùn)輸領(lǐng)域燃料電池的出貨量增速顯著超過固定式和便攜式
質(zhì)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(gè)模塊：動(dòng)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(jié)構(gòu),。燃料電池電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心單元,，能夠?qū)錃獾幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并由電池作為輔助一同驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為汽車提供動(dòng)力,。
氫燃料電池電堆是由多個(gè)燃料電池單元以串聯(lián)方式疊層組合構(gòu)成,，從外到內(nèi)有進(jìn)氣管道、電極板,、膜電極組件和氣體擴(kuò)散通道四種不同的結(jié)構(gòu)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(zhì)子交換膜,、催化劑層和氣體擴(kuò)散層組成。質(zhì)子的作用是隔離氫氣和氧氣并傳遞質(zhì)子,；催化劑層作用是降低反應(yīng)的活化能,，便于氧化和還原反應(yīng)更容易進(jìn)行并且提高反應(yīng)速率；氣體擴(kuò)散層位于流場(chǎng)和催化層之間,，起到支撐催化層,、穩(wěn)定電機(jī)結(jié)構(gòu)并起到傳質(zhì)、傳熱和傳電的作用,。質(zhì)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(dòng)力系統(tǒng)和電堆結(jié)構(gòu)
政策驅(qū)動(dòng)，中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入提速階段
“碳達(dá)峰”和“碳中和”政策的推進(jìn)之下,，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段,，燃料電池汽車產(chǎn)銷快速增長(zhǎng)，2016-2019年產(chǎn)量CAGR達(dá)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(guó)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(zhǎng)至約8922輛。
國(guó)內(nèi)燃料電池質(zhì)子膜市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)18.5-55.9億元
3月23日國(guó)家發(fā)改委,、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)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(shù)和制造工藝,，初步建立較為完整的供應(yīng)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(shè)一批加氫站,。我們分別假設(shè)了2025年后電池汽車銷量達(dá)到10.3萬輛和29.12萬輛兩種場(chǎng)景。其他假設(shè)如下：
1) 根據(jù)2021年9月公布的《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》中收錄的各種燃料電池車的型號(hào)信息,，我們假設(shè)重卡(牽引車)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為110~130kW,；中型微卡(包括廂式運(yùn)輸車、垃圾車等)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為110~120kW,；(城市)客車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為60~80kW,；乘用車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為50~70kW.并假設(shè)各個(gè)車型近年功率規(guī)格保持不變。
2) 根據(jù)美國(guó)能源部燃料電池電堆效率和質(zhì)子交換膜膜能源密度數(shù)據(jù),，假設(shè)燃料電池電堆MEA能源密度為1.24w/cm2,，電堆效率為52%。
3) 假設(shè)質(zhì)子膜的單價(jià)為1500元/平米并保持穩(wěn)定,。
我們測(cè)算1GW燃料電池電堆裝機(jī)對(duì)應(yīng)質(zhì)子膜需求15.2萬平方米(對(duì)應(yīng)1萬輛重卡的質(zhì)子膜需求18.3萬平方米),，場(chǎng)景一下假設(shè)國(guó)內(nèi)燃料電池車銷量達(dá)10.30萬輛/年，對(duì)于質(zhì)子交換膜的總需求量將有望達(dá)到123.1萬平方米,，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到18.5億元,。場(chǎng)景二下假設(shè)國(guó)內(nèi)燃料電池車銷量達(dá)29.12萬輛/年，對(duì)于質(zhì)子交換膜的總需求量將有望達(dá)到372.8萬平方米,，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到55.9億元,。
圖表12:燃料電池車行業(yè)質(zhì)子交換膜需求空間測(cè)算
PEM電解水制氫是質(zhì)子膜另一重要應(yīng)用領(lǐng)域
多元化應(yīng)用將驅(qū)動(dòng)氫氣需求持續(xù)增長(zhǎng)
根據(jù)國(guó)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(fèi)方向以石油煉制,、化工原料為主。其中化學(xué)工業(yè)應(yīng)用占比66%,，包括合成氨,、甲醇、尼龍?jiān)?、聚氨酯原料,、鹽酸、過氧化氫等,，石油煉制應(yīng)用占比26%,，包括石油加氫裂化、加氫處理等,，金屬和玻璃領(lǐng)域應(yīng)用占比7%,。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟和石油化學(xué)規(guī)劃院的數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)氫氣產(chǎn)量約3342萬噸,，是全球最大的氫氣生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),。從氫氣來源來看,，國(guó)內(nèi)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(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》,，明確了氫的能源屬性，是未來國(guó)家能源體系的組成部分,。根據(jù)《規(guī)劃》明確的發(fā)展目標(biāo),，到2035年形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通,、儲(chǔ)能,、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)?？稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費(fèi)中的比重明顯提升,，對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
圖表14:“十四五”時(shí)期氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用示范工程
展望未來,，我們認(rèn)為：1)交通領(lǐng)域：氫燃料電池中重型車輛仍是發(fā)展重點(diǎn),，可更好發(fā)揮氫氣能量密度更高的特性并提升經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而構(gòu)建燃料電池汽車與鋰電池汽車的互補(bǔ)發(fā)展模式,。2)儲(chǔ)能領(lǐng)域：氫能可發(fā)揮其調(diào)節(jié)周期長(zhǎng),、儲(chǔ)能容量大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于可再生能源消納,、電網(wǎng)調(diào)峰等場(chǎng)景,。3)發(fā)電領(lǐng)域：氫能將在熱電聯(lián)供、備用電源,、發(fā)電調(diào)峰,、微電網(wǎng)等領(lǐng)域得到多元化的應(yīng)用， 4)工業(yè)領(lǐng)域我們認(rèn)為隨氫能成本持續(xù)下降,，以及新技術(shù)應(yīng)用的逐步滲透,，我們預(yù)期氫能在冶煉以及石化化工行業(yè)領(lǐng)域的消費(fèi)量將持續(xù)快速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè),，十年內(nèi)國(guó)內(nèi)氫氣需求量有望增長(zhǎng)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(guó)內(nèi)風(fēng)電和光伏行業(yè)保持了較快的增長(zhǎng),，2021年合計(jì)新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.025億千瓦,，全國(guó)風(fēng)電、光伏累計(jì)發(fā)電量 9785 億千瓦時(shí),，同比增長(zhǎng)35.0%,，風(fēng)電,、光伏發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比重首次突破10%，達(dá)到11.7%,。按照國(guó)家能源局《2022年能源工作指導(dǎo)意見》要求,，將繼續(xù)大力發(fā)展風(fēng)電光伏，風(fēng)電,、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比重提升到12.2%左右,。
圖表15:國(guó)內(nèi)風(fēng)電和光伏累計(jì)裝機(jī)量持續(xù)增長(zhǎng)
可再生能源消納存在固有的間隙性、隨機(jī)與波動(dòng)性的特點(diǎn),，現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力無法滿足其消納,，導(dǎo)致了棄風(fēng)、棄光,、棄水等現(xiàn)象,。根據(jù)全國(guó)新能消源納監(jiān)測(cè)預(yù)警中心數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)棄風(fēng)電量206.1億千瓦時(shí),，風(fēng)電利用率96.9%,，同比提升0.4個(gè)百分點(diǎn)；棄光電量67.8億千瓦時(shí),，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(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模,、跨季節(jié)存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)姆桨福覀冋J(rèn)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(cè)算,，我們預(yù)計(jì)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(cè)算目前國(guó)內(nèi)可再生能源電解水制氫成本超過20元/kg,，遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)制氫仍以化石制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫為主，2021年國(guó)內(nèi)化石制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫占比分別達(dá)72%和28%,，電解水制氫僅有少量示范應(yīng)用,。
圖表16:光伏電解水制氫及化石能源制氫成本比較
遠(yuǎn)期來看，電解水制氫成本有望受益于：1)規(guī)?；耗壳半娊獠壑茪溲b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(shí)制造端的規(guī)?；a(chǎn)亦可實(shí)現(xiàn)電解槽成本的下降,；2)技術(shù)進(jìn)步：根據(jù)美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，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(dá)到55KW/m2,2030年有望達(dá)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(shè)備成本,。此外隨著PEM水電解裝置的核心材料質(zhì)子交換膜的國(guó)產(chǎn)化，電解槽的設(shè)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(yù)計(jì)2025年后可再生能源電價(jià)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(shí)現(xiàn)與煤制氫成本平價(jià),。
圖表17:光伏電解水制氫與天然氣制氫成本比較
圖表18:風(fēng)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(zhì)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(shù)成熟度低,、規(guī)模小，目前處在商業(yè)化前期,；SOEC制氫技術(shù)具備無需使用貴金屬催化劑,、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是啟動(dòng)慢,、衰減快,，目前處在研究發(fā)展階段；ALK制氫技術(shù)具備成本低,、產(chǎn)氫規(guī)模大,、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的制氫技術(shù),，但是存在負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度小,、啟動(dòng)響應(yīng)慢、需要堿液處理等工藝,，因此不適合連續(xù)性差,、波動(dòng)性大的風(fēng)光水電等可再生能源電力的水電解制氫儲(chǔ)能；PEM制氫技術(shù)具備啟動(dòng)速度快,、負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度大,、氫氣產(chǎn)品壓力高，可以實(shí)現(xiàn)波動(dòng)性較大的電力調(diào)峰運(yùn)行以及對(duì)棄電資源的充分利用,，是較為適合風(fēng)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(shù)對(duì)比
電解水制氫質(zhì)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(zhì)膜,，無需經(jīng)過增強(qiáng)的處理,，而對(duì)于燃料電池的質(zhì)子交換膜，需要使用ePTFE進(jìn)行增強(qiáng),，在ePTFE基膜上進(jìn)行全氟磺酸樹脂的涂覆,。應(yīng)用端的需求決定了二者的差別,，電解水是單側(cè)通水，兩側(cè)產(chǎn)氣體,，由于氫氣和氧氣兩側(cè)產(chǎn)氣量不一樣,，導(dǎo)致兩側(cè)有一定的壓差，對(duì)質(zhì)子膜的耐壓強(qiáng)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(yán)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(zhì)子膜相對(duì)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(zhì)子膜等關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)替代,，我們預(yù)計(jì)在未來電解水制氫市場(chǎng)的占比有望持續(xù)提升,。
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