为什么提升燃料电池的功率密度至关重要？首先，提升燃料电池的功率密度能够减小电堆体积，减低制造成本。
另外，提升燃料电池的功率密度即意味着提升其性能，这可以降低运行成本。日本的NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）部门提出了雄心壮志的目标，于2030年和2040年电堆的体积功率密度分别达到6kW/L和9kW/L。
那么，如何在现有电堆设计的基础上进一步提升其功率密度？焦魁教授等人从膜电极组件（扩散层、催化层、质子交换膜）、双极板4个组件给出了进一步优化方向，如表1所示，详述如下。
表1 电堆4个部件存在的问题、优化方向、预估性能提升率与未来发展趋势
1.扩散层
未来近几年，鉴于碳纸在电导率、机械强度、化学耐受性和制造成本等方面的优点，其仍将作为扩散层的主流选择。扩散层的结构优化技术，如激光打孔在积极开发中并可能实际运用。另外，扩散层的孔隙率优化技术可以通过控制碳纤维的方法实现。孔隙率优化的指导思想之一是协同设计流道和扩散层结构以达到反应气体和水的最佳传递。例如，降低扩散层一侧或两侧的孔隙率能够增大孔隙率梯度，有助于反应气体的供给与水的排出。
扩散层设计中另一个重要的考量因素是不同组件间的界面阻抗，主要取决于材料属性和组装工艺。双极板与扩散层间的接触阻抗是电阻抗的主要来源，约占扩散层自身阻抗两个量级。为了减少甚至消除双极板与扩散层间的接触阻抗，一体化设计是一种新的研究方向。这需要构造出另一种新的组件能够同时满足扩散层和双极板所有功能，包括传导电流，分配反应气体与水管理。这样反应气体的传递路径能够变得更短，从而满足高电流密度（3-4A·cm-2）工况下的传质需求。
设定的功率密度目标（6-9kW/L）对水管理能力提出了更高的要求。涂覆在扩散层表面的微孔层（PTFE（疏水物质）含量一般为20%-40%）能够有效排除催化层与扩散层界面的液态水，防止其发生水淹工况阻碍气体传质。然而，随着质子交换膜技术的进步，能够使电堆在更高的温度和更低的湿度下运行，从而简化水管理。这时，微孔层内添加疏水物质不再是唯一的选择。另外，微孔层和扩散层润湿性的设计及其微孔结构将随着现实的需要进行调整。例如，亲水的阳极和疏水的阴极，或者是局部亲水局部疏水的膜电极分区域设计，这些设计都更有利于不加湿燃料电池系统的运行。
