永鑫行研|PEM电解槽膜电极核心部件行业研究

前  言

PEM电解制氢具有无污染、电解效率高、响应启动时间短、更好的风光水电匹配性等优点，具有极大的发展潜力。作为PEM电解槽中的核心组件，现阶段膜电极成本仍居高不下，各部件的国产化替代以及新技术替换存在关注价值。本行研主要针对膜电极及其核心部件质子交换膜和阳极催化剂进行研究，寻求潜在投资机会。

1. PEM电解水原理简介

PEM电解水制氢，即在质子交换膜两侧连接电极，在通电时，膜电极两侧会分别产生氢气与氧气。PEM电解池主要由阴、阳电极和聚合物电解质膜组成。当质子交换膜水解池工作时，水通过阳极室循环，并在阳极发生电化学反应分解产生氧气、氢离子和电子，氢离子穿过质子交换膜在阴极室内与电子发生电化学反应重组产生氢气。

图1 PEM制氢示意图

2. PEM电解水优势

现阶段应用较多的电解水技术主要分为碱性电解（ALK）技术和质子交换膜电解（PEM）两种。相较ALK技术，PEM技术采用纯水电解，无污染、无腐蚀；PEM的质子传导性更高，可大幅提高电解槽工作电流，提升电解效率；同时，PEM技术的负载范围更宽，响应启动时间更短，与水电、风电和光伏发电的波动性和随机性较大，具有良好的匹配性，具有技术优势（不同电解水技术可参考：永鑫行研|制氢设备行业研究）。

图2 4种电解水制氢技术和特性比较

资料来源：《电解水制氢技术研究进展与发展建议》

1. 膜电极作用及生产工艺

膜电极（MEA）是电解槽物料传输机电化学反应的主要场所，其特性与结构直接影响PEM电解槽的性能和寿命。

膜电极的生产工艺主要包括GDE、CCM和有序化三种，其中CCM是最常用的工艺，第三代有序化膜电极技术还处于研究阶段，代表性成果有3M公司纳米结构薄膜（Nano Structured Thin Film，NSTF）电极催化层，中科院大连化物所二氧化钛纳米管有序化阵列。

根据行研专家访谈，由于产量较低，目前只有鸿基创能使用卷对卷工艺进行涂布，其他厂商基本都是用喷涂工艺。同时，生产设备价格昂贵，卷对卷设备价格千万，直喷设备价格几百万。膜电极生产需要工程化能力、自动化控制能力以及分子动力学等能力。

表1 国内膜电极制造技术情况

资料来源：行业研报

2. 膜电极核心材料

国内的电堆性能与国外基本相当，系统集成及辅助系统BOP已可实现国产化和规模化量产，但膜电极的核心原材料的国产化水平仍较弱。膜电极的核心材料分别包括质子交换膜、铂基催化剂（阴极）和铱基催化剂（阳极）。

图3 膜电极结构

资料来源：全球氢能，氢能俱乐部

从核心原材料的供应商来看，质子交换膜仍以科慕、戈尔等国外厂商为主，国产厂商包括东岳未来和科润新材等在树脂和制膜领域有所突破，但整体性能及批量稳定性仍有待验证。铱催化剂的供应商主要包括庄信万丰和田中贵金属等，国内供应商包括济平和标的公司；铂催化剂供应商主要包括巴拉德等，国内供应商包括中自科技（688737.SH）等具有汽车尾气催化剂相关经验的厂商。从膜电极的降本路径来看，原材料的国产化替代将是未来一段时间之内的重点。

表2 膜电极核心原材料供应商

资料来源：国联证券，石化行业，永鑫整理

3.市场规模

按照200标方PEM槽测算（暂不考虑未来大标方和高电密快速制氢），随着产业规模化以及自动化水平提升，电解槽及膜电极制备成本逐渐下降。阳极催化剂2030年前少铱，2030年之后逐渐使用纯钌。催化剂价格按照贵金属价格（20240117）加50%加工成本计算。

乐观情况下，2030年预计PEM电解槽市场规模350.43亿元，膜电极市场规模90.70亿元，铱/钌催化剂市场规模16.14亿元。远期来看，2050年预计PEM电解槽市场规模2954.46亿元，膜电极市场规模规模482.31亿元。

表3 膜电极市场规模

资料来源：永鑫测算

1. 作用及性能

质子交换膜（PEM），也叫质子膜或者氢离子交换膜，是一种致密的离子选择性透过的膜，最早应用于海水淡化与氯碱工业，近年来，随着燃料电池、液流电池等新能源技术的发展，质子交换膜成为新能源领域的关键材料，广泛应用于电解水制氢、燃料电池以及全钒液流电池等领域。

目前市面上主要使用的是全氟磺酸质子交换膜，其主链主要是由高度疏水的碳氟骨架构成，而亲水磺酸基则分布在侧链上，这些基团容易聚在一起形成若干富离子区域，这些富离子区域彼此相连形成有利于质子传递的通道，从而形成较高的质子导电能力。而由于主链的碳氟结构，使得膜具有优异的化学稳定性、水稳定性和较高的机械稳定性。

图4 H型全氟磺酸质子交换膜的分子示意图

资料来源：高艳林.溶液流延法制备全氟磺酸离子交换膜的工艺研究[D].北京化工大学,2014.DOI:10.7666/d.Y2628710

2. 行业现状

质子交换膜的工业化历程始于20世纪70年代，最早由美国杜邦公司开发全氟磺酸离子分离膜并将其应用于氯碱工业，后续美国通用公司将全氟磺酸膜应用于质子交换膜燃料电池，美国GE公司将全氟磺酸膜应用于电解制氢技术。

国内方面，东岳集团2010年宣布中国自主研发的全氟离子膜和燃料电池膜实现国产化，其子公司东岳未来氢能公司质子交换膜项目一期投产，产能达50万平米/年。科润新材从2011年开始从事全氟磺酸质子交换膜和离子膜的国产。

图5 全球质子交换膜发展沿革

资料来源：化工新材料公众号，东岳集团官网，高工氢电，《质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望》，《氟表面活性剂和氟聚合物 全氟磺酸树脂和全氟磺酸离子交换膜》，国海证券研究所

3. 生产技术

质子交换膜成膜工艺主要包括熔融挤出法、溶液流延法、钢带流延法以及卷材流延法等。其中，基于PFSR的熔融挤出法和基于PFAR的溶液流延法是目前最常用的两种制膜方式，钢带流延法以及卷材流延法等新工艺今年来也逐步应用。

熔融挤出法制得的薄膜厚度均匀，性能优异，适合连续化大规模工业化生产，制备效率高；而且成膜过程中没有使用任何溶剂，不会污染环境。但是这种方法制得的薄膜容易出现“针眼”等缺陷，成膜后还需要将膜水解转型，在转化过程中膜的平整度较难保持；对设备要求很高，设备成本和制备成本高。目前仅能被美国和日本的少数几家公司掌握，代表公司有杜邦和苏威。

溶液流延法可直接得到离子型产品，且膜的平整度较好，强度较高，可加工制品噩种类较多，适用于制备离子交换容量较宽的离子聚合物膜产品。但是，溶液法需要先将F型树脂转换为离子型，然后在一定温度和压力的反应釜中用沸点较低的溶剂将颗粒溶解，再用HBPS替换，最后将PFSR溶液流延到模具上后脱除溶剂，且脱除时间较长。溶液流延法的步骤较多，工艺流程较复杂，因此变量较多，难制备厚度均匀的薄膜，当成膜温度过高或者成膜时间过长时，薄膜会出现颜色变深的现象。此外，还需要对溶剂进行回收处理，以免对环境造成危害，代表公司有戈尔、杜邦、旭化成、旭硝子和东岳。

钢带流延法是首先将F型树脂转型为具有离子交换功能的Na型树脂，然后用低沸点溶剂在高温高压下溶解制备PFSR溶液，再用高沸点溶剂替换低沸点溶液制备制模液，最后在钢带流延机上流延成膜。该方法的优势为：（1）溶液流延到钢带上时需要升温将溶剂挥发掉，而钢带流延机上的钢带及其转鼓面积比较大，可提高溶剂的蒸发效率，提高薄膜的干燥效率；（2）在钢带上将溶剂挥发掉，干燥薄膜的方式成本相对较低；（3）经热处理的离子膜从钢带上揭下来之后可以自动收卷，可连续加工，提高设备的生产能力，为薄膜的连续化生产奠定基础；（4）可根据不同的需要，通过改变钢带宽度的和长度来进行不同的设计，因此灵活性比较大，可设计性较强。代表公司有科润新材。

图6 质子交换膜生产工艺

资料来源：新材料在线公众号，《氟表面活性剂和氟聚合物(Ⅸ)—全氟磺酸树脂和全氟磺酸离子交换膜》，国海证券研究所

4. 参与玩家

质子交换膜下游应用领域整体发展阶段较早，市场参与者数量有限。其中美国戈尔(Gore)凭借着领先的增强型膜技术，多年占据全球燃料电池用质子交换膜超八成市场份额。其他国外参与者还包括最早开发出全氟磺酸膜的杜邦DuPont、陶氏化学Dow、日本旭化成等。国内厂商正在不断加大研发力度，目前国氢科技、东岳未来氢能和科润新材均已实现质子交换膜量产，泛亚微透、武汉理工新能源等公司也在积极布局。

表4 质子交换膜参与玩家

资料来源：各公司公告。官网，平安证券研究所

1. 机理简介

按照酸性电解质，电解水从反应机理上看，阴极发生析氢反应（HER），使用Pt催化剂时，氢吸附自由能非常接近于0，对应的标准还原电势非常接近于0V，Pt是HER的最好催化剂。阳极发生析氧反应（OER）涉及4电子转移，需要高过电位（298K，1atm时OER的标准氧化电位为1.23V）克服动力学，直接限制电解水的整体效率。

图7 酸性OER反应过程

阳极催化剂的主要失效机理是LOM机理，可分为2种。第1种，催化剂中的晶格氧原子（主要在表面区域）会在反应中离开晶格结构，直接参与OER过程中氧气分子的形成，水中的氧原子会进入晶格内，填充晶格空缺。H2O*首吸附在活性位点金属M上，氧化形成O*中间体，这两步反与AEM的初始步骤相同；在下一步中，O*中间体直接与晶格氧反应生成OO*中间体，随后释放O2产物并在催化剂表面留下氧空位，氧空位可通过吸附下一个H2O*进行填补，以防止催化剂的结构缺失，保证了催化剂的稳定性；第2种，HO*中间体选择晶格氧位点作为初始吸附位点，而不是金属位点，HO*直接与晶格氧结合形成HOO*，HOO*物质随后解离生成O2和H+，这一过程加快了氧气的析出。

图8 LOM机理，左：机理1，右：机理2

资料来源：I. C. Man, H.-Y. Su, F. Calle-Vallejo, et al. Universality in Oxygen Evolution Electrocatalysis on Oxide Surfaces[J]. Chem. Cat. Chem., 2011, 3(7): 1159-1165.

图9 酸性条件下不同类型催化剂的性能（左）和不同催化剂OER的活性和稳定性（右）

资料来源：[1]张佳豪,岳秦.质子交换膜电解水阳极析氧催化剂[J].科学通报, 2022, 67(24):17.[2]Ramachandran,Subbaraman,Nemanja,et al.Activity-Stability Trends for the Oxygen Evolution Reaction on Monometallic Oxides in Acidic Environments[J].Journal of Physical Chemistry Letters, 2014.

贵金属催化剂存在性能及价格的天然矛盾性。从性能考虑，RuO2的活性最好，但易被氧化为更高价态的RuO4，加速RuO2溶解速率，导致催化剂分解坍塌，活性损失（LOM机理）。IrO2活性较差，但稳定性更好。

图10 OER催化剂活性与ΔGO – ΔGOH的火山图（左）与氧化钌晶格示意图（右）

资料来源：[1]Miles,M,H.Periodic Variations of Overvoltages for Water Electrolysis in Acid Solutions from Cyclic Voltammetric Studies[J].Journal of The Electrochemical Society, 1976, 123(10):1459-1459.DOI:10.1149/1.2132619.

从价格考虑，在20240117，铱金属（纯度99.95%）报价为1295元/g，而钌金属（纯度99.95%）报价为101元/g。显然，钌的价格更具优势。

行业解决思路：（1）少铱：降低铱基催化剂的用量；（2）非铱：使用钌基催化剂替代铱基催化剂。

图11 贵金属铱、钌、铂和钯的价格及波动曲线

资料来源：Wind

3. 行业趋势

铱金属常与铂系元素一起分散于冲积矿床和砂积矿床的各种矿石中，在地壳中的含量为千万分之一，全球产量总计7300公斤。钌的生产主要通过从含有微量钌元素的镍和铜的硫化物矿石中提取，主要生产国包括南非、俄罗斯、津巴布韦和加拿大等。主要的钌根据最新的统计数据，全球每年的钌产量约为37吨，其中南非是最大的生产国，其产量占据全球的40%以上。

根据测算，若按照2050年全球氢气需求量4.69亿吨，PEM制氢占比35%，催化剂用量0.1mg/cm2（现有用量的1/10）计算，需使用铱基催化剂13.13吨，已超出现阶段全球每年产量。若全部换成钌基催化剂，在即使不考虑载体质量，全部使用氧化钌（Ru2和RuO4分别占50%）的情况下，钌金属用量22.52吨，尚在全球年产量范围之内。

从产量来看，大幅减少铱用量或使用非铱（钌基）催化剂是行业发展的必然趋势。

4. 参与玩家

国外企业包括Johnson Matthey和TANAKA等老牌催化剂公司，技术储备丰富，产品性能及稳定性均属于世界一流水平。国内催化剂公司包括枡水科技、铂氢科技、莒纳新材和济平新能源等，国内催化剂公司普遍面临产业化验证不足的现状。根据行业专家访谈，国外催化剂已处于第二代水平，国内产品尚处于第一代向第二代升级过程中，对比国外产品，性能和稳定性均存在一定差距。

表5 阳极催化剂参与玩家

资料来源：公开资料整理

永鑫方舟投资团队认为：随着“双碳”政策的驱动，制氢行业将迎来爆发机会，PEM电解具有一定优势，或将成为ALK制氢技术的重要补充，膜电极作为其中的核心原材料，目前成本较高，进口依赖度较高，具有国产化替代及降本的双需求驱动。永鑫团队将对该行业保持持续关注，在合适时间点寻求合适投资机会。

永鑫未来也会持续关注“芯”、“车”、“碳”产业链，深入挖掘产业链上下游优质企业，持续助力中国实体经济。对于已投企业，永鑫将一如既往的从人力、供应链、订单等多方面助力企业发展“让创业不再艰难”。