质子交换膜燃料电池(PEMFC)凭借高效率、无污染的优点受到广泛关注,是一种具有广阔发展前景的发电装置。在工程应用中,产品可靠性受到越来越多的关注,如何提升产品可靠度成为燃料电池性能研究的热点之一。本文以PEMFC电堆为研究对象,利用可靠性理论和等效刚度模型,分析了电堆组件可靠度。根据电堆组件可靠度的分析结果,提出一种基于组件结构应力的大型电堆可靠性设计方法,以提升电堆系统可靠度。通过对电堆的封装载荷及组件厚度差进行最优化设计,调节组件间的接触应力使各组件分别处于最佳应力状态,实现了电堆的可靠性设计。根据应力—强度分布干涉理论,电堆内各组件的可靠度由组件强度和接触应力决定。本文综合考虑前人的研究结果和电堆的性能要求,确定了各组件的强度标准。利用等效刚度模型建立了各组件接触应力的具体表达式,研究表明接触应力由封装载荷、组件的尺寸和弹性模量等决定。由于受到很多不确定因素影响,组件的强度和接触应力都是随机变量,本文利用一阶二次矩法,研究了组件接触应力的分布特征。为研究组件接触应力变异系数的灵敏度,本文采用控制变量法,发现接触应力变异系数的最大影响因素为组件尺寸的变异系数。同时结合文献资料,确定了组件接触应力变异系数的可能变化范围。最后利用应力—强度分布干涉模型,研究了不同变异系数下,接触应力对组件可靠度的影响。发现过大或过小的接触应力均不利于组件的可靠性,组件存在最佳接触应力区间,使组件可靠度维持在最高水平,且变异系数越大该最佳区间范围越小。确定了各组件的最佳接触应力后,利用等效刚度模型对电堆进行可靠性设计。设计组件厚度差和封装载荷,以实现协调各组件接触应力使其分别处于最佳应力状态,提升电堆可靠性的要求。结果表明设计后的电堆系统可靠度有显著提升,而且存在最优组件厚度差和封装载荷使电堆可靠性处于最高等级。