Utvecklingen av bränslecellssystem som kan arbeta i de skalor och effekttätheter som krävs för fordonsdrivlinor kräver att man kopplar förståelsen av jontransport, gasutbyte, elektrokemisk- och katalytisk verkan på cellnivå till bränslecellsstackens svar i samband med fordonets effektbehov. Detta kräver ett kombinerat tillvägagångssätt som integrerar input från lågnivåfysik och termodynamisk och elektrokemisk systemmodellering för att ta itu med FC-stacknivåutmaningar, såsom hur alternativa kylnings- eller fuktprofiler kommer att påverka stackens kraft och livslängd och hur tidsberoende stacktemperatur och relativ fuktighet kommer att modulera värmeproduktion, cellimpedans och förluster, samt hållbarhet/nedbrytning av membranet och katalysatorstrukturerna.
De viktigaste forskningsutmaningarna inom detta område är att utveckla lösningar för protonutbytesmembranbränsleceller (PEMFC) som radikalt minskar användningen eller helt tar bort användningen av ädelmetaller, samt att utveckla nya PEMFC:er som kan ersätta perfluorerade polymerer, som Nafion, vilka är kostsamma för producera och svåra att återvinna. En relaterad aspekt är behovet av att hitta icke-flyktiga protonledande elektrolyter alternativ till surt vatten, som kan arbeta vid mellantemperaturer (80 – 200 °C) och därmed möjliggöra användningen av billigare och rikligare katalysatorer.
