燃料电池与电解槽的“心脏”部件

膜电极（MEA）是发生电化学反应的场所，由质子交换膜（PEM）、催化剂、气体扩散层（GDL）结合而成，是燃料电池电堆或电解槽电堆的核心部件，分别占氢燃料电池电堆及PEM电解槽电堆整体成本的约70%、40%，对电堆的性能、寿命和成本具有关键影响。

膜电极（MEA）为电解槽及燃料电池的关键零部件。

1、制氢-水电解制氢

但长期而言，水电解制氢预计将占主导地位，以实现大幅去碳，预计到2050年，绿氢将占全球制氢量的74.3%。

水电解制氢技术：

①4类技术对比

目前，水电解制氢方法主要分为ALK（碱性水电解）、PEM（质子交换膜）水电解、AEM（阴离子交换膜）水电解及固体氧化物电解槽(SOEC)水电解。

在商业化方面，ALK及PEM已经进入商业化阶段，其中ALK占有主导地位。AEM及SOEC仍处于试验阶段。

ALK方法受尺寸大、动态反应慢约束，因此效率较低，导致难以与风能、太阳能等波动性电源实现有效耦合。此外，亦有与气体交叉相关的安全问题。PEM电解效率高、设备小巧、动态反应极佳，而且不需要除硷。它可以有效整合可再生能源输入，因此非常适合与波动性可再生能源一起使用。AEM电解利用非贵金属催化剂及不含钛的元件，减少对贵金属的依赖，从而使制氢工艺更经济高效。此技术目前正在研发中。SOEC对材料的标准要求极高，因此耐久性差，工艺复杂。目前尚处于研发阶段。

水电解制氢产业可细分为上游（即原材料供应商及设备制造商）、中游（即电解槽制造商）及下游（即设备制造商及电解槽制造商的客户）。

电解槽：关键部件由BOP和电解槽电堆组成。

电解槽电堆：主要包括双极板、膜电极和其他零件（如边框和垫片）。对于PEM电解槽而言，膜电极占电解槽电堆总成本40%。

（BOP：除核心电解槽电堆以外的所有外围辅助设备和系统的总称。）

按出货量计，全球及中国电解槽产业的市场规模分别从2020年的250MW、175MW增加至2024年的约3771MW、2306MW，复合年增长率分别为97.1%、90.5%；预计2030年将分别达到约MW、MW，2024年至2030年的复合年增长率分别为70.3%、64.7%。

2、用氢-氢燃料电池

PEM燃料电池亦称为固态聚合物电解质膜燃料电池，是应用最广泛的燃料电池类型，属于汽车动力应用的最佳选择。

①成本构成

PEM燃料电池的核心部件为燃料电池堆，其占燃料电池系统成本的59%，主要由膜电极、双极板等构成。

就燃料电池堆的成本细分而言，膜电极是燃料电池堆中最大的成本组成部分，占燃料电池堆总成本的70%。

氢燃料电池产业可细分为上游（原材料）、中游（即燃料电池系统的整合）及下游（即燃料电池汽车的制造）。

③氢燃料汽车销量

从2020年至2024年，全球氢燃料汽车的销量从9700辆增加到1.29万辆，复合年增长率为7.3%。预计2030年将达到7.83万辆，2024年至2030年的复合年增长率为35.1%。

在中国，氢燃料电池汽车的销量预计于2030年达到2.87万辆，2024年至2030年的复合年增长率为32.1%，其中商用车将继续主导市场。

膜电极的结构解析

膜电极是电解槽及燃料电池的核心组件，由质子交换膜（PEM）、催化剂、气体扩散层（GDL）结合而成。催化剂层是发生电化学反应的地方，中间的质子交换膜功能是分离反应气体，并将质子从阳极传输至阴极。

它是将化学能转换为电能的电化学反应的核心部位，并决定了整个电解槽及燃料电池的功率密度及使用寿命。

膜电极的基本组成部分如下：

①CCM（催化剂涂层质子膜）

是膜电极的核心组件，透过在质子交换膜(PEM)两侧涂布阳极及阴极催化层制备而成，可促进制氢或发电所需的电化学反应。

CCM是制造膜电极的主流技术，商业化程度最高，并已经量产。技术特点是催化剂利用率高，催化层与PEM紧密结合，但制造过程相对复杂。并且，与其他制造技术相比，使用CCM技术的膜电极寿命较长。

②质子交换膜（PEM）

质子交换膜，顾名思义，是用作正负极间质子（氢离子）交换的场所，它的特异功能是可以让质子选择性透过，从而保证电极之间的离子交换顺利完成。

理想的质子交换膜应具有高质子传导率、低电子传导率、低气体渗透率，以及良好的化学、电化学及热稳定性。

产品分类：

目前根据含氟情况分类，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。其中大部分仍处在研究阶段，市场上应用最为广泛的仍然是全氟磺酸膜。

制备技术：

质子交换膜的核心原材料为全氟磺酸树脂，合成过程复杂，条件要求严苛，技术门槛高，全球仅有极少数企业供应。

PSVE单体：一方面制备反应条件十分严苛，另一方面这一环节专利保护性较强。四氟乙烯：是制作全氟磺酸树脂的核心原材料，具有易爆炸特点，运输难度大，因此生产全氟磺酸膜的企业，一般需要具备四氟乙烯的自供能力。树脂的聚合与成膜过程：存在着机械强度难以保证、产品平整度和厚度难以取舍的问题，使其满足工业化生产规模具备相当大的技术难度。市场规模：

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年有望增长至89亿元，年均复合增长率55%。

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，未来材料的质子交换膜市场占有率位居国产第一，打破了国外垄断，市场占有率不断提高。绿动氢能、科润新材料、汉丞科技等企业在积极导入，进行产品验证集小批量的出货，同时，泛亚微透、东材科技等企业也在加快推进质子交换膜的研发和生产。

氢燃料电池催化剂的主要作用是促使氢气氧化反应和氧气还原反应的发生，从而产生电能。理想的催化剂层应具有高催化活性、高质子及电子传导率，以及良好的水及气管理。

产品分类：

铂（Pt）具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。

铂对氢气的氧化反应（HOR）和氧气的还原反应（ORR）都具有很高的催化活性。但是，铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺，加上易中毒等缺点，对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。

铂等贵金属催化剂的高成本妨碍了MEA的广泛应用。未来的研究重点将放在开发高性能、低铂或无铂催化剂，更具经济竞争力。

竞争格局：

据有关数据统计，正在运行中的氢燃料电池车超过90%的燃料电池使用的是进口催化剂。主要进口日本田中贵金属、英国庄信万丰和比利时优美科等几家全球较大的燃料电池催化剂供应商。

④气体扩散层（GDL）

是固定CCM的支撑层，亦能收集电流、输送气体，以及管理反应水（气）及热量。理想的GDL应该具有高导电性、多孔性、适当的亲水/疏水平衡、高化学及热稳定性以及低成本。

膜电极的成本解析

膜电极的成本主要由催化剂、质子交换膜（PEM）、气体扩散层（GDL）组成，在PEM燃料电池的膜电极中，三者分别占40%、26%、26%；在PEM电解槽的膜电极中，分别占50%、28%、15%。

其中，催化剂的成本占比最高，主要是因为其使用的贵金属因素，铂及铱是催化剂的主要成本组成部分。PEM燃料电池中通常含有铂元素，而PEM电解槽则由铂基阴极及铱基阳极催化剂组成。

铂价：2020年至2024年，铂价在每金衡盎司800美元-1100美元之间波动，由于供应短缺及需求强劲，预计铂价仍将保持高位。铱价：由于铱的稀缺性及紧张的供应链，铱的价格在2021年飙升，近年来一直在高位波动（每金衡盎司5000美元-6000美元），预计未来铱价将保持高位。膜电极的出货量

按出货量计，全球及中国膜电极产业的市场规模分别从2020年的610万件及70万件，增至2024年的1280万件及440万件，复合年增长率分别为20.2%及59.5%；预计2030年将分别达到约6070万件及3200万件，2024年至2030年的复合年增长率分别为29.7%及39.1%。

大规模生产的技术壁垒

目前膜电极行业中并无大规模生产MEA及CCM的标准路线。

大规模生产PEM燃料电池膜电极的技术壁垒，包括：催化剂层均匀性及成本控制：催化剂浆料的均匀涂布需要精确控制厚度（通常，阴极层<15μm，阳极层<5μm），以避免裂缝或团聚，否则会导致局部反应不均匀或性能下降。直接双面涂布工艺与质量控制：要求催化剂直接涂布在质子交换膜的双面，以避免传统热压法中催化剂与膜界面接触不良的问题。由于质子交换膜既薄又软，双面涂布时容易产生皱纹、变形等问题，影响其性能。同时，工艺参数（如温度、湿度及涂布速度）也会显著影响涂层质量，在大规模生产中，这些参数会因环境干扰而波动。封装工艺：封装材料应具有优异的耐化学腐蚀性、热稳定性及弹性，以适应燃料电池的工作环境。此外，封装材料在长期使用过程中可能会发生老化或变形，这将会影响封装的效果。大规模生产PEM电解槽膜电极的技术壁垒，包括：催化剂层的稳定性：在PEM电解槽的阳极中，铱基催化剂是承受强酸性环境的必需品。铱稀缺，售价相对较高。大规模生产的关键解决方案是制造低铱负载或非贵金属材料替代的催化剂。氢气渗透控制：在电解过程中，氢气可能会渗透到阳极，与氧气混合，造成安全风险。为降低氢气渗透风险，选用低氢渗透率的质子/阴离子交换膜并优化膜电极结构设计是实现大规模生产的要素。高压下的结构设计：电解槽需要在高压(70-100bar)下运作，因此膜电极需要高强度、稳定性及耐化学性强的材料。如，质子交换膜应维持质子传导率及机械特性，以避免破裂或变形，而催化剂层则应紧密附着于质子交换膜及气体扩散层，防止脱落或团聚。竞争格局

全球膜电极产业相对集中。

按2024年销量计，五大供应商（Hyundai Mobis、丰田、英国庄信万丰、鸿基创能、Greenerity）合共拥有全球膜电极产业约74%的市场份额，合共占中国膜电极产业约90%的市场份额。

其中，国产龙头公司鸿基创能，在中国膜电极产业的市场份额约为46%，在全球膜电极产业的市场份额约为23%。

目前，国产膜电极关键技术指标接近国际先进水平，但在专业技术特性、产品实现能力、批量化生产工艺还存在差距。

近年来，新材料不断突破，如超薄质子交换膜、非贵金属催化剂、新型气体扩散层等。同时，膜电极的制造技术亦在不断优化，例如组装的热压及喷涂技术。这些技术的进步使得膜电极能够实现更高的效率、更长的寿命及更低的成本，从而获得更强的市场竞争力及更广泛的应用。

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