关键材料研发
燃料电池的关键材料主要包括催化剂、质子交换膜、双极板、绝缘端板等。高性能燃料电池关键材料的研发与产业化应用已经成为限制燃料电池技术进步的主要问题之一。
催化剂是保证燃料电池电化学反应活性的关键，已成为燃料电池领域最为热门的研发方向之一。燃料电池催化剂主要分为铂催化剂、低铂催化剂以及无铂催化剂三类，研究内容涵盖多元合金催化剂、核壳催化剂、非贵金属催化剂以及阴极催化反应机理研究等。
质子交换膜作为燃料电池系统的另一类重要核心材料，同样是影响电池性能和寿命的关键因素，其技术难点主要包括：（1）质子膜导电机理与降解机理研究；（2）具有化学与机械稳定性、导电性、自加湿能力的高性能质子膜材料的开发；（3）质子膜的成型技术。
膜电极制备
膜电极作为电化学反应场所，是燃料电池系统的核心功能部件，其研发面临的关键技术难题主要包括：（1）增强膜电极三相反应界面及其稳定性；（2）单片膜电极制备的均一性和膜电极批量生产的一致性；（3）膜电极中催化剂的腐蚀与质子膜的降解；（4）膜电极破坏机理研究与寿命衰减测试；（5）商业化膜电极制备技术及其性能可靠性。
我国开发出的膜电极电输出性能已接近1W/cm2的国际先进水平。
电池堆设计
燃料电池堆的设计上承系统运行要求，下接关键材料性能，同时还要考虑反应气流体力学行为与电化学反应过程，是基础研究与工程设计结合的产物，所涉及的技术难点主要包括：（1）电池堆内部反应气与冷却液的均匀分配；（2）电池堆纵向温度分布的均一性；（3）端板节电池的性能衰减；（4）阴阳极反应腔内湿度分布的可控性；（5）电池堆内部单电池性能分布与操作条件优化；（6）电池堆密封的可靠性；（7）电池堆耐水淹、耐干燥条件运行能力；（8）电池堆装配压力分布对性能影响及装配工艺优化。
电池堆设计根据所处研发阶段而面临相应的技术瓶颈：（1）电池堆运行的可靠性，包括运行的稳定性，安全性及寿命；（2）电池堆发电效率、功率密度的提高和成本的减控；（3）电池堆批量生产过程中的质量监控和成本降低。
系统集成
燃料电池系统设计、集成与控制是以电池堆运行特性为基础，根据系统运行要求，结合附属部件工作特点，实现系统的软件控制与硬件集成。由于系统的复杂性和模块的多样化，燃料电池系统集成面临的主要技术难题包括：（1）电池堆与系统内其它模块间的热量耦合及散热处理；（2）系统水气管理与循环利用；（3）系统的快速启动与响应；（4）附属部件与系统电能输出的能量管理以及系统故障实时检测与自修复功能。
示范应用
我国燃料电池汽车的示范主要得益于大型活动的举办，如2008年北京奥运会及2010年上海世博会均有较大规模的燃料电池车示范运行，但运行时间未超过一年，与国际上长达数年的大规模示范有较大差距。氢基础设施建设落实是制约燃料电池示范应用的重要原因。我国累计建造了5座加氢站，目前仅有2座保持运行，而国际上已有近200座加氢站在运行。
国际上燃料电池产业链各环节均已实现产业化，但国内的产业化程度还很低，且研发主体基本为中小企业，商业化产品寥寥无几。
