氢能源新材料行业深度报告质子交换膜及碳纤维.docx
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氢能源新材料行业深度报告质子交换膜及碳纤维
2021年氢能源新材料行业深度报告：
质子交换膜及碳纤维
氢能产业总述
1.1氢能产业链介绍
在“碳中和”的背景下，世界各国政府做出了NZE（近零排放）的承诺。
氢能作为零碳燃料，具有储量丰富、热值高、零污染、可存储、来源广泛等优点，逐渐被人们关注。
在全球各国政府相继出台政策扶持氢能产业的背景下，政策端的利好有望带动需求量的井喷，进而推动氢能产业链相关企业充分受益；
氢气产业链包含上游制氢、中游储氢运氢和下游加氢用氢三部分。
制氢：
目前世界上最常见的制氢方法是化石能源制氢，包括焦煤气重整制氢、工业副产氢以及天然气制氢（也被成为灰氢或蓝氢）等，而与之相对的则是在制氢过程中无排放无污染的电解水制氢，因其对环境友好的特点，故被人们称为绿氢；
储运：
由于目前我国制氢产地较为分散，同时氢气的储存和运输面临“氢脆现象”的考验（指金属材料因为长时间在富氢环境中发生吸氢、氢渗等现象造成机械性能下降从而发生脆断的现象），氢气的储运也自然而然成为了人们关注的话题。
目前主要有四种氢气储运方式：
高压气体储运、低温液态储运、固态稀土储运以及有机液体储运；
加氢：
加氢站加氢是目前燃料电池汽车最主要的加氢途径。
加氢站以自身的氢燃料储备服务周围区域，而充足的加氢站覆盖范围亦能加速燃料电池汽车的推广应用。
氢气压缩机是加氢站的核心装备之一，是通过压缩空气实现气体输送的设备，目前氢气压缩机主要分为液体活塞式氢气压缩机、隔膜式氢气压缩机以及离子压缩机。
目前氢能产业链路线众多，尚处于产业发展前期，仍存在制氢成本较高、储氢运氢困难以及加氢站覆盖少等问题。
因此，为了扶持氢能产业的发展，我国出台了一系列氢能相关的产业政策来扶持相关领域的发展。
1.2产业政策积极乐观
目前世界主要发达国家和地区，如美国、日本、韩国和欧盟等均出台了相关政策促进氢能产业的发展。
日本高度重视氢能产业的发展，提出了“成为全球第一个实现氢能社会的国家”的目标，并先后发布了《日本复兴战略》、《能源战略计划》、《氢能源基本战略》和《氢能及燃料电池战略路线图》等政策条例，详细规划了实现氢能社会战略的技术路线；
中央重视氢能产业发展，出台政策推进产业发展：
目前氢能战略规划已被归为我国重要的能源战略，并将成为我国优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。
尽管氢能及燃料电池技术早在2006年就被写入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中，但2014年以前氢能都处于试验推广阶段。
2014年，我国发布了《能源发展战略行动（2014-2020年）》，氢能与燃料电池被归为能源科技创新战略方向，标志着氢能正式进入产业化阶段。
2016年，我国氢能产业总产值达到1,800亿元。
2019年3月，“推动充电、加氢等基础设施建设”被写入《政府工作报告》，这是氢能源首次被列入《政府工作报告》，氢燃料电池的发展自此迈入了新的阶段。
2020年9月，我国在联合国一般性辩论及相关产业、技术被多次提及。
随后，财政部、发改委等五部门联合印发燃料电池示范应用通知，进一步明晰了燃料电池汽车及氢能供应的奖励条件。
021年9月，《2030年前碳达峰行动方案的通知》以及《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，其中提到了“统筹推进氢能‘制储输用’全链条发展”、“推动加氢站建设”以及“推进可再生能源制氢等低碳前沿技术攻关”等重要举措。
2021年9月、2022年1月，财政部十五个部门联合发布了《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》，将广东、北京、上海列为首批示范城市，郑州、张家口列为第二批示范城市，氢能应用进入提速阶段。
2021年10月以来，国家密集出台“
双碳”相关政策，包括《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030年前达到碳达峰行动方案的通知》、《综合运输服务“十四五”发展规划》和《“十四五”工业绿色发展规划》等，加速推动氢能、加氢站以及燃料电池汽车的发展；2022年3月，发改委出台了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，我国氢能产业发展进入了新阶段。
地方政府氢能产业发展行动规划密集出台。
产业规划方面，江苏、浙江、天津、四川、上海等省市发布了推进氢能产业的专项规划。
江苏省于2019年发布了《江苏省氢燃料电池汽车产业规划》，计划在2025年之前完成50个加氢站，氢燃料电池汽车4,000座，固定发电站500座。
浙江省2021年发布了《浙江省能源发展“十四五”规划（征求意见稿）》，提出到2022年完成建设加氢站50座，推广氢燃料电池车1,000辆，实现产值100亿元的目标。
天津、四川等省市提出到2025年，实现加氢站60-70座，氢燃料电池6,000、10,000座，产值1,000亿元的目标。
另外，值得注意的是，随着北京冬奥会的临近，北京政府出台了一系列氢能相关的产业政策鼓励氢能发展。
2017年北京发布了《北京市加快科技创新培育智能汽车产业的指导意见》，着力在整车耐久性、续驶里程和燃料电池使用寿命等领域取得突破。
此外，北京市围绕燃料电池汽车开展规模化示范应用，在冬奥会和冬残奥会的各项赛事上推进制氢、加氢等环节核心技术的运用。
冬奥会期间，绿色环保的氢燃料电池汽车将承担接驳等赛事保障服务，延庆区也将开发氢燃料电池公共交通线路；
目前我国在氢能产业发展上存在着缺乏体系和标准、主管部门缺位、法律法规不健全等问题。
因此要大力发展氢能，必须对相关标准体系、法律法规以及示范试点区域进行统一规划管理；加快建立全面系统的氢能产业标准；有效的对企业、高校和科研院所在制氢、纯化、储运、使用等技术领域的研究给予支持，为氢能技术的应用和发展奠定质量基础；
氢能源产业规划和补贴政策相较于锂电池产业更加理性克制，体现出我国在运用产业鼓励政策的方法上更加的娴熟。
此外，虽然氢能在补能时间、重量等方面相较于锂电有较大优势，但囿于成本、氢气体积等因素，无法真正取代锂电池在乘用车领域的地位；尽管如此，在特定场景下，氢能在商用车上的TCO（全周期成本）一样可以持平燃油车。
因此通过合理的产业政策，氢能产业将更为有序健康的发展。
1.3市场空间增长迅速
氢能的传统需求情况：
全球氢能需求自2000年以来强劲增长，2020年全球氢气需求大约为9000万吨，自2000年以来增长50%。
目前大部分的需求几乎都来自于精炼环节和工业用途；其中2020年精炼环节消耗3,840万吨的氢气作为原料，在这过程中氢气也承担了部分燃料的需求。
在工业合成领域，氢气的需求同样十分旺盛，2020年氢气在工业合成领域的消耗超过3,000万吨，大部分都用作原料。
而氢能在其他领域的应用进展则相对缓慢；
氢能需求结构即将迎来调整：
根据IEA的预测，燃料电池、能源发电和合成燃料的需求将成为未来氢能应用的重要领域，这些改变正将氢气从一个工业生产的原材料转变为社会中必不可少的组成部分。
根据IEA统计，目前用于燃料电池的氢能大约占全球氢能需求的0.02%，而用于能源发电和合成燃料的氢能需求同样占比很低，而在2050年，IEA预计用于燃料电池、能源发电以及合成燃料的氢能消耗将分别占到全球氢能总需求的23.2%，19.2%和14.2%。
而与之相对的则是氢能的传统使用场景，如精炼和工业合成领域，在2050年将下滑至5.9%、21.9%。
随着氢能使用结构的调整，相关产业将迎来更大的发展机遇；
未来氢能需求预测：
根据IEA预测分析，考虑全球共同宣言承诺的场景下（悲观情况），全球氢能总需求将在2030年达到1.28亿吨，在2050年达到2.57亿吨。
而在考虑全球净零排放（NZE）的场景下（乐观情况），全球氢能总需求将在2030年达到2.29亿吨，2050年达到5.31亿吨。
具体到我国，根据中国氢能联盟的估计，到2030年，我国氢气需求量将达到3,500万吨，在终端能源体系中占比5%。
到2050年，氢能在我国终端能源体系中的占比将至少达到10%，届时氢气需求量将接近6,000万吨；
总结：
氢能尚处于产业化刚刚落地的阶段，具有较大的想象空间和发展空间；但我国氢能产业未来具体技术路线、生产工艺和应用场景尚未敲定，因此也存在较大的不确定性。
而通过国家和地方的氢能产业政策的正向扶持，行业需求得以快速增长，内部需求结构发生调整，进而牵动了产业链中新材料的应用。
而相关新材料，如上游制氢环节以及下游用氢环节使用的质子交换膜、中游环节的储氢用高强度碳纤维等，也将迎来快速发展的机遇期。
二、质子交换膜产业快速发展从氢能行业层面来看，质子交换膜主要用途为燃料电池和电解制氢。
燃料电池本质上就是水电解的逆反应装置，其中核心部件双极板的原材料就是质子交换膜。
而电解制氢路线中，有质子交换膜（PEM）和碱性电解槽两种方法，两种方案各有优劣。
据2020年我国各制氢路线占比数据显示，水电解法制氢的产量占比不高（仅占0.03%）。
具体到水电解，2015年以来，质子交换膜法制氢的比例增速明显高于其他电解方式，但其产能占总电解水制氢产能比例仍不高（31%）。
根据产业界反馈，目前质子交换膜的国内供给仍然不足，大部分需求方仍旧使用进口膜，这与国产化替代节奏较慢有关。
随着下游需求的井喷和上游原材料生产企业突破技术瓶颈，国产质子交换膜的生产成本降低，预计质子交换膜的国产化率将进一步提升。
2.1质子交换膜供应和国产化替代情况
质子交换膜主要特性：
质子交换膜按照含氟量分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。
目前全氟质子交换膜（全氟磺酸膜）由于其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。
全氟质子交换膜主要应用在氯碱工业、燃料电池、电解水制氢、储能电池等领域。
目前全氟质子交换膜是主流的技术，产业化程度较高；
质子交换膜产业链梳理：
质子交换膜由于其工艺流程复杂而具有了极高的技术壁垒，全氟质子交换膜的制备需要以带有磺酸基的全氟乙烯基醚单体、四氟乙烯为原材料，通过共聚获得全氟磺酸树脂，然后进一步制备生成全氟质子交换膜。
用于制作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。
全氟磺酸树脂的主要玩家有：
美国杜邦、美国3M、美国戈尔、比利时索尔维、日本旭化成等。
目前国内全氟磺酸树脂市场的主要生产厂家为、科润，有项目在研的厂家有：
上海三爱富、巨化集团等少数企业，但产能较小，无法批量供应市场。
截至2020年，科慕（原主体为美国杜邦）、索尔维、旭化成三家占据了全球90%以上的产能，国内对全氟磺酸树脂进口依赖度高达99%；
比对海内外企业质子交换膜的售价，可以发现质子交换膜的价格有较大的下降空间。
目前国产质子交换膜主要通过主动压低价格来获得竞争优势，如果实现国产化替代，预计将降低质子交换膜的价格30%-40%。
同时近年来随着技术突破，国产质子交换膜的寿命逐年递增，单位时间的质子交换膜的成本也随之下降。
通过拆解科慕Nafion质子交换膜成本结构可以发现，技术工艺占总生产成本的85%。
我们相信，随着大规模的生产，质子交换膜的平均成本可以有效降低；
受景气度反转影响，国内老牌企业开始全产业链布局，新入局玩家纷纷发布扩产计划。
根据国内外主要质子交换膜公司的主要产品特性来看，国内公司中，进展最快。
2004年东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜，性能对标同类产品；2014年至2016年，东岳集团质子交换膜寿命从800小时增长到6,000小时，其研发的DF260膜已经成熟并量产。
东岳未来规划的150万平方米燃料电池膜和配套化学品产业化项目正在建设，同时配套建成年产50吨离子膜的全氟磺酸树脂生产装置，一期项目（50万平米）已于2021年投产；江苏科润目前已经能够实现质子交换膜的小批量供货，目前科润集团拥有两条全氟离子膜生产线，全氟离子膜产能30万平米；国家电投旗下的武汉绿动氢能目前已经完成30万平米的质子交换膜生产线，可生产8微米到20微米的质子交换膜；此外，浙江汉丞、等公司均有年产30万平米以上的质子交换膜项目或计划落地。
上述企业通过研发投入，率先实现质子交换膜的国产化，预计将在产业竞争中获得先发优势；
综上分析，我们认为，以下几点有助于质子交换膜行业保持较好的竞争生态，利好先行者：
技术壁垒：
原材料制备难度大，要实现大规模制备全氟磺酸树脂，使其满足工业生产标准具有较大难度。
其中主要难点包括树脂的链结构、交换容量、分子量的调控；成本可控的同时保证化学稳定性、机械强度、电化学性能等条件均满足下游应用需求；（以东岳未来为例，历经多年研究，东岳未来生产的质子交换膜寿命从2014年的800小时提升到2020年6,000小时，大大降低了使用的综合成本，具有较高的技术壁垒）
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，由于膜电极的质子传导率、厚度和稳定性直接影响燃料电池的综合性能，因此下游厂家对供应商有严格的准入认证。
例如AFCC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；
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；
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，对设备需求较高，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。
（2018年东岳未来立项建设氢燃料电池产业项目，投资近10亿元建设氢燃料电池质子交换膜的基地，用于购买质子交换膜生产、检验以及配套的研发、试验设备，建设时间约5年）
技术、资质、环保和资金所构筑的综合性壁垒将有效阻挡新玩家入场，有利于行业整体竞争环境，且国内企业面对的是海外企业的竞争，国内厂商更多是竞合关系，相关企业完成预研后可以通过产能扩张快速降低成本，进一步提高自身竞争力。
2.2核心业务助推质子交换膜需求井喷
目前质子交换膜的下游应用领域主要包括燃料电池、质子交换膜制氢（PEM制氢）、全钒液流电池以及氯碱工业等领域。
其中，氯碱工业使用的是全氟羧酸树脂，与另外三类不同，因此下面将就除氯碱工业以外的其他三块业务（燃料电池、PEM制氢、全钒液流储能）分析质子交换膜的需求：
燃料电池是下游核心消费领域：
质子交换膜在燃料电池中主要用于双极板的制作，按照Mairai公司每年生产3000套系统时的成本估算，单车质子交换膜成本可达到电堆总成本的15%以上。
截至2021年年底，燃料电池汽车销售量不到2,000辆（1,852辆），但国家产业政策明确指出要使用燃料电池汽车替代传统燃油重卡等车型，并通过以奖代补的方式给予相关车型补贴。
根据中国氢能联盟给出的总体目标路线图，将来燃料电池汽车发展分三步走：
近期目标（2020-2025年）达到5万辆/年，中期目标（2026-2035年）达到130万辆/年，远期目标（2036-2050年）达到500万辆/年。
到2025年，中国氢燃料电池汽车保有量将达到10万辆，2030年氢燃料电池汽车保有量将达到100万辆，2050年氢燃料电池汽车保有量将达到3000万辆；
根据上述分析，我们预计，到2025年，燃料电池用质子交换膜的国内总市场空间将达到9亿元，到2030年国内总市场空间将达到67亿元，到2050年燃料电池用质子交换膜的总市场空间将达到2400亿元。
电解制氢潜力十足：
目前氢能的主要生产方式是灰氢（焦煤气净化和工业副产氢）和蓝氢（天然气制氢），但由于灰氢对环境造成较大程度的污染，各国政策都在大力扶持绿氢（电解制氢），预计未来氢能的制取将完成从灰氢到绿氢的过渡。
而在过渡过程中，制氢成本始终是人们考虑的重要问题，目前电解制氢主要分为碱性电解法和质子交换膜法，下面将通过已有的三种装置（NEL公司碱性电解槽、Mcphy公司碱性电解槽，GINER公司PEM槽）就如何降低制氢成本进行探讨；
电解氢成本结构分析：
电力支出占到了电解制氢50%的成本，因此要降低电解制氢的成本，首先就要降低电力支出的成本。
在恒定的电力输出情况下，度电价格在0.6元左右时，碱性电解成本为40元/kg，PEM电解制氢成本在48.5元/kg,电解制氢的单位成本较高。
而度电成本下降至0.1元时，碱性电解成本下降到9.2元/kg，PEM电解制氢成本下降到20.5元/kg。
通过拆解三种不同装置制氢成本结构，可以发现不管是碱性电解还是PEM电解，电力成本都占比超过50%。
因此，控制度电成本，将有效降低制氢成本；
考虑到电力成本是决定电解制氢成本的关键因素，下面将从常规电力电解制氢以及可再生能源电解制氢两种情形下分析碱性电解法和质子交换膜法的经济性：
常规电力情况下的经济性分析：
小规模情况下，质子交换膜与碱性电解槽成本差距较大；大规模情况下，差距缩小，但质子交换膜的成本始终高于碱性电解槽。
这是因为虽然规模效应摊平了固定投资，但PEM制氢的过程催化剂铂的价格过高导致整体制氢成本偏高，从而在电源平稳输出的情况下经济性一般。
使用可再生能源进行储氢的情况下的成本：
PEM电解制氢的优点是响应速度快、在电力输出极端条件下（低于20%负载或150%最大负载以内）仍可正常使用。
考虑到可再生能源的输出功率变化较大、处于低负载和高负载区间的时间较长的特点，因此在实际使用中使用PEM作为可再生能源电解储氢的经济性在现有技术条件下反而可以超过碱性电解法制氢；
电解氢市场规模预测：
到2025年中国电解制氢装机量将达到10GW，到2050年将达到500GW。
其中PEM电解氢在市场中占比将于2050年达到40%，届时PEM制氢的总装机量将超过200GW；
根据上述分析，我们预计，到2025年，PEM制氢用质子交换膜的国内市场空间将达到2亿元，2030年国内市场空间将达到8亿元，2050年PEM制氢用质子交换膜的市场空间将达到305亿元。
全钒液流电池未来可期：
全钒液流电池是一种安全高效、富有潜力的储能装置，且由于其安全可靠的液流系统，较之目前主流的储能电池——锂离子电池的使用寿命更长（全钒液流电池一般具有20年生命周期、6万次充放电次数）。
随着其应用场景逐渐增多，成本逐渐下降，相信全钒液流电池在未来将会有更多的应用空间。
目前大部分的全钒液流电池正负极电解液之间使用的薄膜正是杜邦公司开发的Nafion系列质子交换膜。
未来随着全钒液流电池的推广，质子交换膜在全钒液流电池上的应用规模也会不断增长；
目前储能方式中，液流电池储能占比较小，未来需求增长较快。
目前主流的储能技术包括抽水蓄能、锂离子储能技术等，液流电池储能技术占比不高。
根据统计，我国2020年全钒液流电池储能项目规模在100MW左右。
此外，根据《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出的发展新型储能电池的目标，GGII预计到2025年液流电池装机量将超过1000MW；
根据上述分析，2020年全钒液流电池用质子交换膜的国内市场空间0.4亿元，我们预计，到2025年，全钒液流电池用质子交换膜的国内市场空间将达到2亿元。
2.3总结
质子交换膜由于其优良的特性，成为了燃料电池、PEM电解法以及全钒液流电池的重要组件，而由于其制备过程具有较高的门槛导致质子交换膜的供给有限，行业竞争格局良好。
随着质子交换膜的成本伴随国产化替代和规模效应而不断下降，下游应用的不断拓展导致需求抬升，增量市场下，行业内有相关技术储备和产能规划的企业将获得更大的发展机遇；
燃料电池汽车2020年销量1,177辆，2025年燃料电池汽车保有量10万辆，2030年100万辆，2050年3000万辆，考虑燃料电池汽车平均功率每5年增加40kw，同时根据橡树国家实验室数据，质子交换膜单位功率膜用量在0.1~0.22/，推算出燃料电池汽车在2025年质子交换膜总需求为180万平米。
电解氢比例将在2025年达到3%,其中PEM电解制氢比例为5%,假设平均电耗为53kWh/kg,假设质子交换膜的寿命为6,000小时，那么年PEM电解制氢中的关键材料——质子交换膜到2025年的总需求将达到37万平米。
此外根据工信部下发的新型储能电池目标指引，全钒液流电池装机量将在2025年达到1GWh，按照平均功率5kW/平米计算，所需的液流电池用质子交换膜面积在33万平米左右。
根据目前东岳未来、科润新材等国内头部质子交换膜生产商的产能扩张进度，其中东岳未来的市场份额最高，我国质子交换膜进口依赖度将进一步下降。
到2025年，我国的质子交换膜总需求将达到250万平米，CAGR为63.5%，按照IEA预测，2025年质子交换膜价格下降至500元/平，潜在总市场空间13亿元，未来发展前景广阔。
三、储氢需求助推碳纤维产业发展随着氢气需求的不断提高，氢气的储存成为了很大的问题，而氢气储运面临的难题是氢气自身的特点导致的，氢气易燃易爆炸，在空气中的体积浓度一旦介于4.0%到75.6%之间，遇火就会发生爆炸，因此目前氢气在中国属于受管制的危化品。
而要保障氢气在储藏和运输之间的安全性，工程师给出了三个解决方案：
即液态储氢、气态储氢以及固体氧化物储氢。
目前液态储氢和固态储氢存在成本较高，且尚未形成产业化的问题，因此本文重点考虑气态储氢的情形；
高压氢气瓶储氢是目前最主要的气态储氢方式：
目前高压气态储氢瓶有四种类型，Ⅰ型是传统的纯钢制金属瓶，Ⅱ型是钢制内胆碳纤维缠绕瓶，Ⅲ型是铝内胆碳纤维缠绕瓶，Ⅳ型是塑料内胆碳纤维缠绕瓶。
其中Ⅰ型、Ⅱ型价格相对便宜，但储氢密度低，重量重且容易发生氢脆问题，目前20MPa的Ⅰ型瓶在国内得到广泛的工业应用，并与45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器组合应用于加氢站中。
而Ⅲ型、Ⅳ型车载应用已经非常广泛，国外多是70MPa的碳纤维缠绕Ⅳ型瓶，而国内由于高强度碳纤维工艺尚不成熟，Ⅳ型储氢瓶的大规模商用化尚待时日，目前主要是35MPa碳纤维缠绕Ⅲ瓶；
储氢瓶产业链梳理：
近年来，随着储氢瓶需求的不断增长，国内涌现出一批储氢瓶的制造企业。
储氢瓶的制备过程为：
上游将原材料运输至储氢瓶制造企业，储氢瓶制造企业通过冲压、拉伸、热处理制造内胆原胚，然后使用树脂溶液附着碳纤维缠绕内胆，通过固化、自紧的方式将碳纤维固定在内胆上，最后通过气压、水压测试完成制作；
根据碳谱科技拆解分析，以35Mpa储氢系统为例，年产量在50万套的情况下，碳纤维的成本占储氢系统总成本的比例达到了62%。
由于储氢瓶用碳纤维的价格显著影响到储氢瓶的制作成本，而储氢瓶用碳纤维的供求关系将决定未来几年储氢
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