质子交换膜：氢能的“咽喉”，戈尔、科慕垄断下中国企业的破局路

排行榜 2025年07月24日 09:44 0 admin

质子交换膜是有机氟化工的终端产品，具备特异性的质子传递功能，被誉为氢能产业的“芯片”，是汽车燃料电池的核心部件，也是PEM电解水制氢技术的关键原材料之一。此外，它还是全钒液流电池储能、氯碱工业等行业中的重要材料。

质子交换膜在氢能产业链中的应用场景

图源：中金点睛

作为燃料电池和电解槽关键组件，质子交换膜需要具备良好的质子传导率和物理、化学稳定性。

燃料电池中质子交换膜的工作原理

全氟磺酸类质子交换膜

原材料制备工艺

全氟质子交换膜是一种固体聚合物电解质，具有优良的质子传导性、耐热性能、力学性能、电化学性能、化学稳定性能等特点，可在强酸、强碱、强氧化剂介质等苛刻条件下使用，主要应用于液流电池、氢燃料电池和绿氢制备等领域。

早在上个世纪60年代，由美国杜邦公司开发出来，标志性产品即Nafion系列，可以说是质子交换膜发展史上的里程碑（2015年杜邦对高性能化学品业务进行拆分，成立了科慕公司）。

根据含氟情况分类，质子交换膜主要包括：全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜、非氟化质子交换膜、复合质子交换膜。目前，市场上应用最为广泛的仍然是全氟磺酸膜。

按应用领域分类，主要应用于液流电池、氢燃料电池和绿氢制备等领域，可分为液流电池膜、燃料电池膜、电解水制氢膜。

全氟磺酸质子交换膜的原料为全氟磺酸树脂（PFAR），这种材料是通过全氟磺酰氟树脂（PFSR）的水解反应转化而来的。全氟磺酸树脂的结构中，主链侧链均为氟碳结构，侧链上带有磺酸基团。

具体来说，全氟磺酰树脂是由四氟乙烯（TFE）与含有磺酰基团的全氟烷基乙烯基醚共聚得到，其中四氟乙烯为高聚物提供氟碳骨架，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，全氟烷基乙烯基醚提供亲水性磺酸基团，保证质子交换膜的离子传导特性。

在当前的工业生产过程中，全氟磺酸质子交换膜主要通过熔融挤出法和流延法等技术制造而成。熔融挤出技术作为早期用于制作全氟磺酸膜的手段，以其工艺成熟、生产效率高、环境友好等优势备受青睐。不过，这一方法通常会生产出较厚的膜材，且挤出成型的膜需要经过水解转型才能得到最终产品。相较之下，流延法能够生成更薄、性能更为优异的膜材料。

熔融挤出法

熔融挤出法又名熔融成膜法，是制备PFSA质子交换膜的最早的方法。首先需要将树脂熔融，然后通过挤出流延或压延的方式将其制成膜，并经过后续的转型处理，最终制得出优质产品。杜邦公司率先采用熔融挤出法实现商业化生产，索尔维公司的Aquivion系列产品也采用类似的工艺，使用短侧链全氟磺酸（PFSA）作为原材料。

熔融挤出法的核心是将质子交换膜材料（如全氟磺酸树脂）加热至熔融状态，通过挤出机模头挤出后塑形，当挤出的熔融膜材从模头流出后，需通过电磁加热辊筒与其他辊筒配合形成“压延单元”：加热辊筒通过维持一定温度（通常略低于材料熔点），保持膜材的可塑性，避免其因快速冷却而硬化，同时配合压力将膜压至目标厚度，并消除表面瑕疵（如气泡、毛边）。

溶液流延法

溶液成膜法已成为科研与商业化产品制备的主流技术。其基本流程为：将聚合物与改性剂等溶解于溶剂中，随后通过浇铸或流延的方式形成膜状物，再经干燥去除溶剂，最终得到所需的薄膜。此方法兼容性极佳，适用于多种树脂体系，不仅便于进行杂化改性和微观结构设计，还可用于制造超薄质子交换膜，因而备受科研人员青睐。此外，溶液成膜法还可细分为溶液浇铸法、溶液流延法和溶胶-凝胶法等多种技术路径。

流延法通过将膜材料溶液流延成湿膜，经干燥脱溶剂成膜，流延后的湿膜（含大量溶剂）需通过多段干燥单元去除溶剂，加热辊筒通常作为干燥单元的一部分（尤其对“载体式流延”，如以钢带为载体）：辊筒接触膜的载体侧或直接接触膜面，通过热传导提供热量，逐步蒸发溶剂（需控制温度梯度，避免溶剂挥发过快导致膜开裂）。

湿膜经加热干燥后，高分子链因溶剂挥发会产生收缩内应力，冷却辊筒通过低温（接近室温）冷却，使膜材温度降至稳定状态，缓解内应力，避免后续脱离载体时发生卷曲或开裂。

市场规模

根据GGII调研测算，2024年全球质子交换膜市场规模达到15.6亿元，其中液流电池膜市场规模达到9.7亿元，占比高达62.3%。预计到2030年全球质子交换膜市场规模有望增长至182亿元，年复合增长率50.6%。

2024年中国质子交换膜市场规模达到6.33亿元。其中液流电池膜市场规模高达4.2亿元，占比高达66%。预计到2030年，国内质子交换膜市场需求规模有望增长至89亿元，年均复合增长率55%。

液流电池膜：根据GGII调研，2022年-2024年液流电池膜国产化率不断提升，多数液流电池企业转向高性价比的国产液流电池膜。按照800元每平方米的价格测算，全球及中国液流电池膜市场规模达到9.7亿元和4.2亿元。

燃料电池膜：根据GGII测算，预计未来燃料电池膜市场将呈现缓慢上升趋势，且中国将占据绝大多数的燃料电池膜市场份额，近两年的下滑趋势主要系燃料电池车销量下滑导致。

电解水制氢膜：根据GGII调研，PEM电解槽装机需求口径测算（非出货口径），2024年全球和中国电解水制氢膜市场需求规模分别为3.36亿元和0.79亿元，同比增长11%和49%。

竞争格局

从市场竞争格局来看，美国戈尔、美国科慕、日本旭化成、日本旭硝子、山东东岳未来材料为全球前五厂商，2023年共占有约73%的市场份额。在国内市场中，目前仍然以国外品牌产品为主。

在国产品牌方面，未来材料、科润新材料是最早实现质子交换膜批量生产能力的企业，打破国外品牌的垄断；其他如绿动氢能、汉丞科技、泛亚微透、东材科技等也在加快推进产品的研发和生产进程。

短期内市场规模有限，中长期国产替代空间大、前景广阔

相较于国外质子交换膜产业较为成熟的发展，国内企业较晚进入市场，在核心技术端比较落后，目前处于产业加速发展阶段。其中，我国山东东岳集团通过与上海交通大学合作，采用溶液流延法制备技术制备出了性能优秀的质子交换膜；国家电投氢能产线可生产厚度从8微米到20微米的质子交换膜，生产出来的质子交换膜可与国外竞品相比较；科润新材料也做到了质子交换膜的量产，可以生产12微米的质子交换膜。此外还有多个上市公司布局质子交换膜的研发生产，例如泛亚微透、东材科技等。

行业数据显示，中性预测2025年质子交换膜在燃料电池、电解水制氢与液流电池等领域的市场规模合计约21亿元，短期内受限于产业链配套不成熟、经济性不佳、氢气安全性尚有疑虑等原因，市场规模有限。未来随着氢能产业链逐步发展，预计2030年质子交换膜的市场规模将增长至约70亿元，燃料电池、电解水制氢与液流电池将成为驱动质子交换膜行业快速发展的主要应用场景，中长期来看质子交换膜市场规模有较大增长空间。

国内质子交换膜主要生产企业

行业壁垒

①技术壁垒：制作全氟质子交换膜的全氟磺酸树脂技术壁垒较高，需要企业在原料选择、合成工艺等方面有较好的技术与经验积累，其中主要难点包括树脂的链结构、交换容量、相对分子质量的调控，成本可控的同时还需保证化学稳定性、机械强度、电化学性能等条件均满足下游应用需求。

②资质壁垒：质子交换膜下游应用厂家对交换膜性能要求严格，对供应商有严格的准入认证。例如AFCC（奔驰福特）公司的认证，对于所有应用于燃料电池汽车的元器件都有严格的规定和要求，尤其是燃料电池膜，更是有几十项鉴定指标，因此具有较高的资质壁垒。

③环保壁垒：由于氟化工是重污染、高能耗的行业，因此全氟磺酸树脂和全氟质子交换膜的生产加工需要严格的环保审核，政府对高能耗的氟化工企业限制政策较多，在双控政策的影响下，后发者要进入行业需要经过复杂的环境评测。

④资金壁垒：由于质子交换膜的车间生产条件要求严格，全程需要严格无尘无水，对设备要求较高，需要配备全自动的连续成膜设备，因此对整体资金投入要求较高。

未来展望

未来几年，氢燃料电池汽车将从示范运行逐步迈向商业化运行，作为燃料电池核心原材料的质子交换膜，其需求必将迎来新的高峰，市场潜力巨大。当前，我国燃料电池领域的质子交换膜产业正处于加速发展阶段，市场活跃度不断提升，企业布局也在持续加速。

根据《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。根据《规划》明确的发展目标，到2035年形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

然而，国内质子交换膜整体供给仍然不足，大部分需求方依旧依赖进口膜，国内质子交换膜企业产能利用率较低，距离真正的商业化生产仍有一定差距。全氟磺酸质子交换膜目前依然是商业化应用的最佳选择，但如何在提升性能的同时降低成本，仍是行业重点研究的方向。

从长远来看，在持续发展全氟磺酸质子交换膜的基础上，还需积极布局发展部分氟化、无氟型以及复合质子交换膜。这些举措对于提升质子交换膜的综合性能、降低生产成本，进而推动燃料电池汽车的广泛普及，都具有至关重要的意义。通过不断攻克技术难题、突破行业壁垒，我国质子交换膜产业有望在全球市场中占据更加重要的地位，为氢能产业的蓬勃发展提供坚实支撑。

文章参考资料：氢能源与关键材料、氢启未来网、中金点晴、菁云资本、氢能学堂、上海联净、中国塑协流延薄膜专委会

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