質子交換膜是有機氟化工的末端產品，具備優良的質子傳遞功能，在氫能等領域有著廣泛的應用場景。

01、主要應用場景

質子交換膜在氫能產業鏈中的應用場景

來源：科慕公司Nafion系列產品白皮書，中金公司研究部

燃料電池

質子交換膜燃料電池是用質子交換膜作為電解質的燃料電池，將氫氣和氧氣的化學能通過電化學反應，轉化為電能、熱能和其他反應產物的發電裝置。

質子交換膜是氫燃料電池電堆的核心材料，作用是隔離氫氣和氧氣并傳遞質子。質子交換膜、催化劑層與氣體擴散層組成了燃料電池中的膜電極。

質子交換膜燃料電池工作原理

來源網絡

質子交換膜燃料電池（PEMFC）憑借對環境無污染、能量轉換效率及功率密度較高、排放及熱輻射低以及噪音污染小等優點，應用范圍不斷擴大。但質子交換膜燃料電池的大規模應用仍面臨原材料成本高、電池壽命短的障礙，需要在材料的性價比和穩定性上有所突破，提升電池壽命，滿足商業化需求。

PEM電解水制氫

質子交換膜、催化層與擴散層組成的膜電極，是整個水電解槽物料傳輸和電化學反應的主要場所。作為水電解槽膜電極的核心組件，質子交換膜水電解極大縮短了陰極、陽極之間的距離，能夠提高電解效率和氫氣的純度。質子交換膜還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。

質子交換膜電解水制氫具有占地面積小、易于結合可再生能源、負載范圍大、響應啟動時間短的特點，更適用于水電、風、光發電制取綠氫的應用場景，能有效適應間歇性電源的電力波動，目前已經取得市場認可。

近年來，國內應用PEM制氫技術的項目逐漸增加，并呈現規模化應用趨勢。

化學儲能電池（全釩液流電池）

全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質的液態氧化還原可再生電池。全釩液流電池將不同價態的釩離子溶液作為正極和負極的活性物質，分別儲存在正負極的電解液儲罐中，在電池進行充、放電過程中，正負極電解液在交換膜兩側進行氧化還原反應。

液流電池示意圖

來源：《儲能與液流電池技術》

全釩液流電池憑借著安全、穩定和靈活等優點，在儲能應用場景的需求不斷增長的背景下，同時全釩液流電池市場滲透率也正在不斷提高，帶動了國內市場規模逐漸擴大。

網絡公開資料顯示，近幾年我國全釩液流電池新增裝機容量實現了逐年增長，到2025年中國全釩液流電池新增裝機量將會超過2GW。

02、質子交換膜分類

質子交換膜根據含氟量的不同，分為以下三種：

全氟磺酸質子交換膜是目前最主流的質子交換膜，電導率高，有極高的化學穩定性，使用壽命更長。

無氟化質子交換膜由無氟化烴類聚合物膜組成。成本低，環節污染小，但化學穩定性較弱。

非全氟化質子交換膜用氟化物與無機或其他非氟化物共混制成。成本低，工作效率較高，但機械強度及化學穩定性較差。

質子交換膜按照其合成結構，可以分為均質膜和復合膜。

復合膜是在質子交換膜合成過程中復合增強層，提升質子交換膜的機械性能，可以將質子交換膜做薄。目前在燃料電池中，質子交換膜多為復合膜，在純水制氫電解槽和液流電池中，質子交換膜類型多為全氟磺酸均質膜。

電解水制氫質子交換膜和燃料電池膜在原理上相近，但在性能要求上有所差異。電解水用的是均質膜，無需經過增強的處理，由于電解水制氫單側通水，兩側產氣體，且兩側的產氣量不一致，會導致壓差，因此電解水用質子交換膜相對較厚，來提高質子膜的強度，減少氫氣和氧氣的混合。

而對于燃料電池的質子交換膜，需要使用ePTFE進行增強，在ePTFE基膜上進行全氟磺酸樹脂的涂覆。

不同質子膜的應用側重點

來源：澤潤基金

質子交換膜技術的優化在燃料電池、電解水制氫、全釩液流電池的技術發展中具有重要作用。

為保證質子交換膜有穩定的使用性能，國內發布了有關質子交換膜性能測試的標準有GBT 20042.3-2022《質子交換膜燃料電池 第3部分：質子交換膜測試方法》。針對質子交換膜的“拉伸強度”、“180°剝離強度”、“氣體透過率”、“氣體透過系數”、“厚度”等性能指標檢測，提出了明確的技術要求與測試方法。

質子交換膜性能要求

1.質子電導率高

2.化學穩定性高

3.燃料滲透率低

4.含水率適度

5.高機械強度和結構強度

質子交換膜性能測試方案

1.氣體阻隔性能測試（氣體透過率/氣體透過系數/透氣率）

2.力學強度測試（拉伸強度/斷裂拉伸/剝離強度）

3.厚度均勻性測試

在我國能源結構轉型、儲能需求增加的影響下，質子交換膜作為核心零部件之一，需求量不斷上升。

質子交換膜的主要生產廠商大多集中在國外，技術被少數廠家壟斷。近年來，國內廠商積極布局，質子交換膜國產化發展加快，但在技術、產量上仍與國外企業存在差距，無法有效降低下游應用端的采購成本。

在燃料電池汽車和PEM制氫降本需求的推動下，質子交換膜國產化進程將進一步加速，這也將成為氫能和燃料電池產業實現商業化應用的關鍵因素。