燃料电池作为高效、清洁的能源转换装置，其核心组件电堆的设计与开发是决定整体性能、寿命与成本的关键。电堆并非单电池的简单叠加，而是一个涉及多物理场耦合、多材料协同、多工艺集成的复杂系统。其关键技术开发主要涵盖以下几个方面：

一、核心材料与部件技术

1. 膜电极（MEA）技术：这是电堆的“心脏”，其性能直接决定电堆的输出能力。关键技术包括：

• 质子交换膜：研发具有高质子电导率、优异机械强度与化学稳定性、低气体渗透率的增强型复合膜，以提升耐久性并降低成本。

• 催化剂：开发低铂、非铂催化剂，通过优化载体（如高稳定性碳材料、金属氧化物）与合金化等手段，提高催化活性与抗中毒能力，是降低贵金属用量的核心。

• 气体扩散层（GDL）：优化其孔隙结构、亲疏水性及导电性，确保反应气体、液态水、电子和热的有效传输与平衡。

1. 双极板技术：双极板承担着分隔反应气体、收集电流、传导热量、支撑MEA等多重功能。关键技术包括：

• 材料选择：金属双极板需解决表面导电耐蚀涂层技术；石墨/复合板需优化树脂体系与流道成型工艺，在导电性、气密性、强度与成本间取得平衡。

• 流场设计：开发高效、均匀的流场结构（如蛇形、平行、交指型、仿生流场等），以优化气体分布、水管理能力并降低压降。

二、电堆结构与集成技术

1. 密封技术：开发长寿命、低渗透、抗蠕变的密封材料与结构设计，确保各腔室间的气密性与水密性，防止气体交叉泄漏，这是保障安全与耐久性的基础。
2. 均一性设计与制造：通过精密的公差控制、装配工艺（如自动叠装、一体化焊接/粘接）和在线检测，确保数百片单电池在电压、电流、温度、压力等参数上高度一致，避免“木桶效应”。
3. 水热管理集成设计：电堆内部水（液态与气态）和热的产生、传输、排出是一个动态平衡过程。需通过流场设计、温度场控制、材料亲疏水特性匹配以及系统运行策略协同，实现电堆内部自增湿或简化外部增湿，并防止膜干或水淹。

三、仿真、测试与耐久性提升技术

1. 多尺度多物理场仿真：建立从催化剂颗粒、膜电极、单电池到整堆的多尺度模型，耦合电化学反应、流体动力学、热传递、物质传递及应力场，进行虚拟设计与性能优化，大幅缩短开发周期。
2. 先进测试与诊断技术：开发原位、非破坏性的测试方法（如电流分布、温度分布、阻抗谱测量），精准评估电堆内部状态，为故障诊断与寿命预测提供依据。
3. 耐久性加速测试与衰减机理研究：设计科学的加速应力测试协议，研究在启停、怠速、高负载、杂质等实际工况下材料与部件的衰减机制（如催化剂团聚/溶解、膜化学降解、碳腐蚀等），并针对性改进材料与系统控制策略。

四、低成本、批量化制造技术
推动关键材料（如膜、催化剂浆料）与部件（双极板、GDL）的标准化与规模化生产，开发高效、稳定的卷对卷膜电极制备工艺，以及高精度、高自动化的电堆组装与活化工艺，是降低燃料电池系统总成本、实现商业化应用的根本路径。

燃料电池电堆的设计开发是一项系统工程，需要材料、化学、机械、热工、控制等多学科交叉融合与持续创新。未来技术发展将继续围绕“提高性能、延长寿命、降低成本”三大核心目标，通过关键材料创新、精细化设计、智能制造与智能控制，推动燃料电池技术在交通、储能等领域的规模化应用。