由于温室气体排放导致的全球气候变化压力日益增大，推广低排放的交通解决方案已成为全世界的当务之急。质子交换膜燃料电池因其环保、高效且功率可调等优点，已成为全球长途重型车辆以及各类动力系统的首选技术[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，重型车辆的实际运行环境对PEMFC提出了极高要求，它们需要长时间保持高功率输出才能实现较高的运行效率[6,7]。维持高功率输出的有效策略之一就是在高电流密度下运行PEMFC电堆[8]。美国百万英里燃料电池卡车项目规定了重型燃料电池车辆的最低电流密度为1.07安培/平方厘米，工作电压为0.7伏，同时要求其耐久性达到30,000小时[9]。日本燃料电池商业化会议则提出了更为激进的目标：到2030年，工作电压为0.66伏时的峰值电流密度需达到3.8安培/平方厘米，到2040年这一数值需提升至4.4安培/平方厘米[10,11]。值得注意的是，长期高电流密度条件下PEMFC的不可逆降解问题，已成为制约重型车辆耐久性提升的关键瓶颈。
催化剂层作为PEMFC中电化学反应的核心区域，由铂碳催化剂、离子聚合物以及多孔结构组成[[12], [13], [14], [15]]。其耐久性不仅取决于自身的结构特性，还受到运行条件的直接影响[[16], [17], [18]]。过去几十年来，学术界一直致力于研究PEMFC的降解机制，主要关注动态负载条件以及低电流密度（小于0.8安培/平方厘米）下的情况[19,20]。例如，新的欧洲驾驶循环包括启动、停机、怠速、动态负载、部分功率以及额定功率等多种运行状态[21]，但其功率范围主要集中在中低功率区间。在动态负载条件下，催化剂层可能会因温度变化、湿度波动、气体供应不足等因素而遭受严重损伤[22,23]。Meng等人[24]对电流密度为50平方厘米/细胞的电池进行了2500次循环负载测试，结果发现，在1.2安培/平方厘米的电流密度下，电池电压下降了31.05%，电化学活性表面积减少了61.6%，同时还出现了因气体供应不足导致的膜电极组件损伤。Chu等人[25]则对两套相同的PEMFC电堆在两种不同的负载条件下进行了1000小时的耐久性测试，发现高电位下的电堆会在低电流密度区域加速电压下降，而在高电流密度条件下，质量传输阻力是导致电压下降的主要因素。相比之下，固定式燃料电池系统的耐久性测试则包含五种不同的电流密度等级，分别对应实际应用中的低功率、额定功率、过功率、低功率以及停机状态。Sharma等人[26]对电流密度为0.29安培/平方厘米的41细胞PEMFC电堆进行了约18,500小时的耐久性测试，结果显示整体电压衰减率为7.5微伏/小时，且离子聚合物的降解是导致性能下降的主要原因。目前，大多数关于高电流密度条件下的研究都集中在质量传输特性以及热管理和水分管理的优化上，但在这种条件下催化剂层耐久性下降的机制仍需进一步研究[27,28]。
需要指出的是，由于车载加湿系统的体积和重量限制，氢气往往在较低湿度下被输送到燃料电池中[29,30]。在高电流密度条件下，电化学反应速率会加快，这就对质子的传导能力提出了更高要求[31]。与此同时，电渗流效应要求质子在传递过程中携带一定数量的水分子[32,33]，这会导致阳极催化剂层容易脱水，进而影响PEM内部的水分含量和分布。Andreaus等人[34]提出，阳极催化剂层脱水会降低质子传导性以及反应活性位点的数量，从而增加氢气氧化反应的过电势。Hwang等人[35]通过X射线微断层扫描技术发现了膜内水分分布的不均匀现象。而阴极催化剂层则需要适宜的湿润环境，以避免膜和离子聚合物脱水失效[36]。阴极催化剂层的质子传导效率及其结构稳定性在很大程度上取决于周围的水分环境[37]。离子聚合物需要与水分子结合才能实现质子传输，而多孔结构的质量传输效率也受湿度影响[38]。不过，当高电流密度条件下的水生成速率超过水分去除能力时，长时间的水分积聚可能会加速碳支撑材料的腐蚀[39]。总而言之，目前尚未系统地阐明高电流密度条件下催化剂层的结构降解机制，这也是制约其耐久性提升的关键科学问题。
本研究针对重型车辆的运行条件设计了专门的仿真实验，对一个4千瓦的PEMFC电堆进行了2000小时的耐久性测试，测试时的恒定电流密度为1.2安培/平方厘米，同时将阳极湿度维持在23%的水平。通过结合SEM、TEM、AFM、FTIR、XPS等多尺度表征技术以及电化学诊断方法，本研究对阳极催化剂层和阴极催化剂层的不同降解行为进行了系统分析，这些降解行为包括碳支撑材料腐蚀、离子聚合物结构降解、铂颗粒迁移与团聚以及孔结构坍塌等。此外，本研究还明确了催化剂层微观结构变化与电化学性能下降之间的关联。该研究的目的是揭示高电流密度条件下催化剂层的不均匀降解机制，这些研究成果为设计具有抗阳极脱水能力和抗阴极氧化能力的催化剂层提供了理论依据，有助于提升PEMFC的耐久性。
