（三）氢燃料电池中的电解质膜、电极、催化剂等核心部件分析
燃料电池堆主要是由单燃料电池构成。单电池又包括双极板、密封圈、膜电极（MEA），其中膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。
1、膜电极组件（MEA）是保证电化学反应的核心
膜电极组件（MEA）是将质子交换膜、催化层电极、扩散层在浸润Nafion液后，在一定温度和压力下，热压而成的三合一组件，是保证电化学反应能高效进行的核心，其制备技术不但直接影响电池性能，而且对降低电池成本、提高电池比功率与比能量至关重要。
国外的主流供应商有美国3M、美国杜邦、WLGore & Associates、日本旭硝子、英国JM、德国Solvicore等；国内主要是部分研究机构如武汉理工新能源、大连化学物理所等在从事电极和MEA的研究。
（1）MEA组件核心之一：质子交换膜PEM
电解质膜的作用是允许质子通过而阻止未电解的燃料和氧化剂渗透到对方。氢燃料电池的电解质膜主要用质子交换膜。质子交换膜（Proton Exchange Membrane Fuel，PEM）是氢燃料电池的最核心部件，是燃料电池电解质和催化剂进行电化学反应的基地。它与一般化学电源中使用的隔膜有区别。
最早用于燃料电池的质子交换膜是美国杜邦公司于60 年代末开发的全氟磺酸质子交换膜（Nafion膜），此后，又出现了其它几种类似的全氟磺酸结构质子交换膜，包括美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。目前主流供应商依然以美国杜邦为主。
质子交换膜性能要求非常高，目前在氢燃料电池中使用的质子交换膜均采用全氟化聚合物材料合成，该材料稳定性好、使用寿命长，相对来说可以保证良好的化学和电化学稳定性、高质子导电性、良好的阻气性能、高机械强度、与电极较好的亲和性。因此，它的开发和生产难度很大。制造成本过高，售价昂贵。为了获得稳定而廉价的燃料电池，质子交换膜是最大的瓶颈和未来必须突破的领域。
国内研究机构如天津大学、武汉理工大学、大连化学物理所等在质子交换膜领域研究较久。
国内的商业化生产商，主要是大连新源动力和上海神力科技和同济科技旗下的中科同力。
同济科技，公司与中科院上海有机化学研究所、上海神力科技共同组建了中科同力化工材料有限公司，同济科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件研发。
（2）MEA组件核心之二：催化剂
电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用，电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，而且与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。催化层是发生电化学反应的场所，是电极的核心部分。
迄今为止，质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主，铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。为了降低铂的使用量，各大公司进行了持续研究，近几十年来，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。以丰田为例，公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。
如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低，或者能被其他成本更低的催化剂取代，那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。
目前铂催化剂的国外主流供应商有英国JM、日本TKK、美国E-TEK、德国BASF、比利时Umicore等，暂时国内厂商突破还不明显。
国内研究机构如长春应用化学所、大连化物所、天津大学、中山大学等在燃料电池催化剂领域研究有一定突破。
（3）MEA组件核心之三：扩散层
上面的催化层和扩散层构成了燃料电池的电极。
扩散层是支撑催化层、收集电流、并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的隔层，由碳纸和防水剂聚四氟乙烯（PTEE）组成。其材料和制备技术对MEA的性能和电池的性能至关重要。
目前扩散层主要技术仍掌握在日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等少数厂商手中。
2、双极板也是决定性能和成本的关键组件之一
双极板，又叫流场板，主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用，
一般采用在石墨板上雕刻流道的方式设计。常用的流道有平行流道、回旋型流道、蛇行流道，目前广泛采用的双极板材料为无孔石墨板，金属板和复合材料双极板的应用也在逐步出现。
石墨是较早开发和用以制作双极板的材料。目前石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、日本Kyushu Refractories CO.LTD、英国Bac2、加拿大Ballard等。
国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。
金属板开始在部分领域替代石墨双极板。表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等，国内还处于研发试制阶段。
（3）复合材料双极板近年来也开始有应用，如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等。
五、成本高、配套少、集群少、投入大等制约因素开始发生变化
按照我们了解到的数据，2015年全球燃料电池销量可能不足2000辆，其中占比最大的是丰田和现代途胜，市场总体规模依然较小。日本调查公司富士经济预测，2030年度燃料电池汽车全球市场规模将超过198万-199万辆，总金额将达4.75万亿日元，而2014年度全球市场规模约为11亿日元，潜力增长空间巨大。那么，现在制约行业发展的主要因素有哪些？解决哪些问题后，燃料电池汽车将大幅放量？
我们调研后认为，燃料电池系统价格高、氢气储存运输难、加氢站等基础设施配套不完善、燃料电池企业研发投入大、产业化周期长都是阻碍行业发展的不利因素，但这些不利因素都在逐步发生好的变化。
（一）成本较高一直是制约燃料电池汽车发展的最重要原因
影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题，使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等，导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本10-20倍。因此，在所有商业化量产的燃料电池汽车中，最便宜的是丰田的Mirai，在日本售价是700万日元，叠加日本政府补贴后相当于500万日元，对应人民币约30万元。与传统燃油乘用车相比，依然属于价格较高的水平。
从氢燃料电池汽车动力系统成本构成来看，占比最大的是燃料电池系统，其造价约占总成本的三分之二，还有氢气储存系统和其他配件。要降低燃料电池系统成本，首要问题就是降低燃料组电池成本。现在燃料电池组的成本是1000-2000美元/kW，如果未来要取得商业化，并与内燃机汽车竞争，燃料电池的成本必须降到50美元/kW。而降低燃料电池系统核心组件成本，迅速扩大销售规模都是大幅降低燃料电池汽车总成本的主要途径。
燃料电池组中最重要、成本占比最大的是质子交换膜、电极（催化剂和扩散膜）、双极板。
1、质子交换膜是燃料电池的核心，也是成本占比最大的组件
目前国内企业主要向美国杜邦公司采购，每平米质子交换膜成本约为400美金以上，一般每辆氢燃料电池汽车需要20平米以上，整车光质子交换膜成本就需要5万元，按照丰田最新Mirai燃料电池汽车售价30万元来算，光质子交换膜就占到整车成本15%以上。
2、铂金催化剂成本较高，降低使用量或寻求替代品成为当前的重要研究主题
催化剂是发生电化学反应的关键成分，目前质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主，铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。
2014年丰田氢燃料SUV车型每辆车使用的铂金为100克，预计未来将减少到30克左右，按照GFMS预计，2016年铂金平均价格达到每盎司1,005美元，相当于每辆车的燃料电池系统仅铂金催化剂成本就有2万多元，占目前燃料电池汽车整车成本的6%以上。如果整车的催化剂用量真的能够降低到丰田预期的30克，其对应的成本就能降低到6000多元。
为了降低铂的使用量，各大公司进行了持续研究，近几十年来，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。比如美国能源部燃料电池技术办公室FCTO用新的d-PtNi催化剂替代了NSTFPtCoMn催化剂，使得燃料电池系统的价格下降了1.85美元/kW；丰田公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低，或者能被其他成本更低的催化剂取代，那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。
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