丰田第二代Mirai燃料电池介孔碳载体(孔隙内催化剂无法被离聚物覆盖)和3M公司的纳米结构薄膜电极都可在一定程度上实现催化剂颗粒和离聚物的分离，提高氧气到达催化剂表面的传输效率。但两者在质子传导方面受阻较大，尤其在干燥条件下。因此，开发高氧气透过性的离聚物尤为必要。本文分享丰田中央研究所开展的高氧气透过性离聚物研究。

为降低燃料电池系统成本，有必要降低关键材料和部件的使用量，如铂、载体和质子膜等。成本降低的一个有效方法是开发更高功率密度的燃料电池。更高功率密度的单体电池有利汽车制造商通过降低电池节数或者降低电极反应面积来降低电堆成本。除此之外，还需要降低每节电池使用的昂贵的Pt催化剂量，并且提高寿命。美国燃料电池技术团队(US DRIVE Fuel Cell Tech Team)已制定2025年实现质子交换膜燃料电池面积比功率1.8 W/cm2目标；日本新能源产业技术综合开发结构(NEDO)近期制定了2030年实现面积比功率2.5W/cm2(@铂载量0.12-0.25 mg/cm2 Pt)的目标。

质子交换膜燃料电池和催化层示意

催化层由沉积在碳载体上的Pt或Pt合金纳米颗粒和全氟磺酸树脂组成。氧气分子通过孔隙扩散并且溶解在离聚物中，溶解的氧气分子在离聚物中渗透并和Pt表面的质子和电子反应生成水。为了满足上述性能和成本指标，催化层需要满足三个关键特性：氧气还原反应的高质量活性、高氧气扩散率、高耐久性。氧气还原反应的Tafel曲线表明当Pt载量降低至1/10时，由于动力学降低，电压降低60 mV左右。因此，提高质量活性可以显著降低Pt载量。