针对PEFC，Pt的使用量取决于Pt供应能力、Pt回收技术和燃料电池普及程度
。虽然降低Pt载量有利于燃料电池降本，但通常伴随性能降低。
因此，需要通过技术攻关在性能和成本之间找打最大公约数。现有技术水平下，创新优化催化层中催化剂/树脂界面结构成为难点。
提升功率密度和降低铂载量对于燃料电池的降本至关重要。但随着催化剂铂载量的减少，性能和耐久性通常也会恶化。面对未来商用化的燃料电池，必须通过技术突破来打破或克服两者关系。
因此，提高催化剂的本征活性和耐久性，以及电极质量传输效率，一直是燃料电池开发的重要课题
。
PEFC的性能深受阴极催化活性和质量传输特性的影响。在提升阴极催化剂活当中，目前较为典型的方案为
PtNi(111)晶面的合金纳米催化剂
。但该系列催化剂在电压循环工况下的稳定性有待提升。虽然PtNi合金催化剂掺杂第三种元素(如Rh和In)形成金属间相可以提高耐久性，但目前还需要进一步在燃料电池实际工作温度下验证稳定性。
目前，提高阴极催化剂性能和耐久性的另一种重要方法是控制催化剂的界面状态
。在PEFC阴极中，Pt催化剂和树脂间的界面状态会影响ORR反应动力学和Pt溶解速度。因此，界面结构的设计对提高电池性能和耐久性行之有效。本文分享丰田关于改善Pt催化剂/树脂界面状态策略的最新成果。
由于较高的化学稳定性和酸性，全氟磺酸树脂(Nafion)长期被用作为PEFC催化层的离聚物。由于醚基(R-0-R’)和Pt表面的相互作用力，Nafion的磺酸基团在Pt表面处于吸附状态，造成不仅磺酸基团阻断ORR活性位点，侧链的全氟烷基也会抑制ORR反应。
由于树脂包覆，
Pt催化剂的ORR活性抑制效应对于所有表面形态的载体结构都存在
。
通常，随着I/C比的提升，催化剂活性会相应受到抑制。在高比表面积的载体(HSC)上，由于部分催化剂颗粒位于载体孔隙内部，与树脂无法完全接触，Pt催化剂的ORR抑制程度相对较弱。相反，在实心碳载体上，由于大部分Pt颗粒与树脂接触，催化活性被抑制约40%-60%。
此外，目前燃料电池的应用场景逐渐向商用车
(HDV)
领域倾斜，燃料电池堆的工作温度也向更高温度(＞90℃)迈进。研究表明，随着树脂的脱水干燥，磺酸的吸附状态加剧；随着温度升高，ORR受抑制程度减弱。因此，
湿度和温度对磺酸基团吸附状态的共同影响必须严肃对待
。
表1 日本商用车燃料电池堆发展技术路线
在低Pt载量膜电极开发中，树脂对氧气传输的影响是一个重要议题。
由于Pt表面致密的树脂“阻力层”，
低Pt载量不仅导致活化过电位增加，还会引起氧气传输阻力提升进而导致高电密下浓差过电位也增大
。
由于树脂在Pt催化剂表面的吸附显著降低催化活性和功率密度，因此减轻“中毒”效应是开发中的一个关键技术。目前，高氧气透过性的树脂(HOPI)和介孔碳载体两种新材料已经在商用化的Mirai燃料电池车上得到成功应用。
减轻磺酸吸附“毒化”的最直接方法是改进树脂的分子结构
。丰田中央研究所通过合成和对比不同类型的树脂发现，
主链如果坚固和不易变形，对缓解树脂吸附和提升催化剂活性行之有效
。以下图所示的Nafion和Aquivion为例进行说明，Nafion在侧链的根部和中间分别有一个醚基，Aquivion在侧链的根部位置仅有一个醚基。针对Nafion，
通过侧链中间位置醚基和Pt的作用力，主链无需发生较大变形，磺酸基团便可轻易吸附在Pt表面
；针对Aquivion，
通过醚基媒介的吸附需要主链发生较大变形，吸附难度较大
。因此，相比Nafion，Aquivion表现出较低的磺酸吸附率和较高的ORR活性。据此，丰田中央研究所合成了具有环形结构主链的HOPI树脂，催化剂活性可达Nafion的1.4-2.0倍。
图4
PEFC催化层结构
减轻磺酸吸附“毒化”的第二类方法是使用提升活性和氧传输效率的介孔碳载体
。研究发现，在介孔碳载体催化剂体系下，相当一部分催化剂颗粒处于载体孔隙内，由于树脂无法轻易渗透到孔隙，因此没有被树脂完全覆盖。此外，
质子在介孔碳载体孔隙内可以在没有树脂的情况下通过液态水进行质子传递
。因此，相比实心碳载体，介孔碳载体担载的催化剂活性更高，氧气的传输阻力也更低。
丰田指出，至少在未来几年，介孔碳载体的使用将是燃料电池开发的一项关键技术
。
图5 丰田车用燃料电池催化层技术路线
催化剂表面修饰是未来潜在的
减轻磺酸吸附“毒化”的第三类方法
，例如
氰化物、疏水阳离子、离子液体等修饰方法
。虽然催化剂表面修饰方法暂时还存在氧传输限值等问题需要技术突破，但优化催化剂表面树脂分布的纳米工程在未来将会是提高燃料电池性能的关键策略之一。
目前，阴极催化层中Pt/树脂的界面状态普遍被认为是影响燃料电池性能的关键因素之一。
改变树脂的分子结构和应用介孔碳载体已被证明可以有效提高活性和降低氧气传输阻力，并且在商用化上得到应用
。
催化剂表面改性是未来潜在的改善Pt/树脂界面状态的方法
，但需解决一些技术问题，如对氧传输的负面影响、改性剂的低稳定性等。
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