關鍵材料研發(fā)
燃料電池的關鍵材料主要包括催化劑、質子交換膜、雙極板、絕緣端板等。高性能燃料電池關鍵材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)成為限制燃料電池技術進步的主要問題之一。
催化劑是保證燃料電池電化學反應活性的關鍵，已成為燃料電池領域最為熱門的研發(fā)方向之一。燃料電池催化劑主要分為鉑催化劑、低鉑催化劑以及無鉑催化劑三類，研究內(nèi)容涵蓋多元合金催化劑、核殼催化劑、非貴金屬催化劑以及陰極催化反應機理研究等。
質子交換膜作為燃料電池系統(tǒng)的另一類重要核心材料，同樣是影響電池性能和壽命的關鍵因素，其技術難點主要包括：（1）質子膜導電機理與降解機理研究；（2）具有化學與機械穩(wěn)定性、導電性、自加濕能力的高性能質子膜材料的開發(fā)；（3）質子膜的成型技術。
膜電極制備
膜電極作為電化學反應場所，是燃料電池系統(tǒng)的核心功能部件，其研發(fā)面臨的關鍵技術難題主要包括：（1）增強膜電極三相反應界面及其穩(wěn)定性；（2）單片膜電極制備的均一性和膜電極批量生產(chǎn)的一致性；（3）膜電極中催化劑的腐蝕與質子膜的降解；（4）膜電極破壞機理研究與壽命衰減測試；（5）商業(yè)化膜電極制備技術及其性能可靠性。
我國開發(fā)出的膜電極電輸出性能已接近1W/cm2的國際先進水平。
電池堆設計
燃料電池堆的設計上承系統(tǒng)運行要求，下接關鍵材料性能，同時還要考慮反應氣流體力學行為與電化學反應過程，是基礎研究與工程設計結合的產(chǎn)物，所涉及的技術難點主要包括：（1）電池堆內(nèi)部反應氣與冷卻液的均勻分配；（2）電池堆縱向溫度分布的均一性；（3）端板節(jié)電池的性能衰減；（4）陰陽極反應腔內(nèi)濕度分布的可控性；（5）電池堆內(nèi)部單電池性能分布與操作條件優(yōu)化；（6）電池堆密封的可靠性；（7）電池堆耐水淹、耐干燥條件運行能力；（8）電池堆裝配壓力分布對性能影響及裝配工藝優(yōu)化。
電池堆設計根據(jù)所處研發(fā)階段而面臨相應的技術瓶頸：（1）電池堆運行的可靠性，包括運行的穩(wěn)定性，安全性及壽命；（2）電池堆發(fā)電效率、功率密度的提高和成本的減控；（3）電池堆批量生產(chǎn)過程中的質量監(jiān)控和成本降低。
系統(tǒng)集成
燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制是以電池堆運行特性為基礎，根據(jù)系統(tǒng)運行要求，結合附屬部件工作特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件控制與硬件集成。由于系統(tǒng)的復雜性和模塊的多樣化，燃料電池系統(tǒng)集成面臨的主要技術難題包括：（1）電池堆與系統(tǒng)內(nèi)其它模塊間的熱量耦合及散熱處理；（2）系統(tǒng)水氣管理與循環(huán)利用；（3）系統(tǒng)的快速啟動與響應；（4）附屬部件與系統(tǒng)電能輸出的能量管理以及系統(tǒng)故障實時檢測與自修復功能。
示范應用
我國燃料電池汽車的示范主要得益于大型活動的舉辦，如2008年北京奧運會及2010年上海世博會均有較大規(guī)模的燃料電池車示范運行，但運行時間未超過一年，與國際上長達數(shù)年的大規(guī)模示范有較大差距。氫基礎設施建設落實是制約燃料電池示范應用的重要原因。我國累計建造了5座加氫站，目前僅有2座保持運行，而國際上已有近200座加氫站在運行。
國際上燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化程度還很低，且研發(fā)主體基本為中小企業(yè)，商業(yè)化產(chǎn)品寥寥無幾。
