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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membranes Fuel Cells，PEMFCs）作为燃料电池的一种，从19世纪60年代研究之初至今，已取得极大的进展。它具有能量转化率高（40 - 60 ％）、环境友好、工作寿命长、操作温度低等优点，人们也越来越关注其发展和应用，特别是在汽车动力、移动电源及小型电站等方面有着非常广泛的应用前景[1]。
目前，随着我国环境的污染和国家向高新技术转型的大战略下，新能源的需求越来越大，新能源的开发也受到了人们的特别重视。以氢气为燃料、氧气（或空气）为氧化剂的 PEMFCs 已然成为燃料电池研究的主流。由于PEMFCs在放电过程中只排放水，而且有能够快速启动、比功率和比能量高的优点，被公认为是解决新能源汽车电池问题的最好方法。
那么PEMFCs的工作原理是什么样的呢？如图1.1所示，PEMFC单电池的主要组成是：气体流场/双极板，质子交换膜，垫圈，电极/催化层&扩散层，其中它的核心部件是电极与质子交换膜构成的膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），是发生电化学反应的主要场所。其工作原理是：电池阳极侧H2通过流道到扩散层，在进入催化层之后发生氧化还原反应（催化层是一个由质子传导介质、催化剂和电子传导介质构成的三相界面）并产生质子（H+）释放出电子（e-）（式1.1），产生的电子通过外电路到达阴极并得到电流，质子通过电池内部的质子交换膜到达阴极，阴极催化层此时通入的氧气在三相界面上与质子电子发生反应生成H2O（式1.2），所以只要不中断原料，电池外电路就产生了持续电流[2]。根据阴阳极电化学反应的标准电极电势可知，25℃下PEMFC的理论开路电压为1.229 V。
图1.1 PEMFC的单池组成以及工作原理示意图[3]
阳极：H2 → 2H+ + 2e- Ea0=0.00 V vs. SHE （1.1）
阴极：1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O Ec0=1.229 V vs. SHE （1.2）
总反应：H2 + 1/2O2 → H2O Ecell0 = 1.229 V （1.3）
1.2 ORR还原机理
氧气还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR)是燃料电池中的关键步骤[4]。如果能理解并深入研究ORR的反应历程，将对高活性的催化剂研究起到很大的助推作用。如表1. 1 所示，ORR是一个具有多步骤的反应，而且在不同催化剂条件下，反应历程或许也不同，可分为：四电子途径直接生成H2O(酸性介质)或OH-(碱性介质），或者以生成H2O2(酸性介质)或HO2-(碱性介质）为中间产物，进行两步电子途径。来!自~751论-文|网www.751com.cn
表1. 1 酸性和碱性介质中的ORR反应机理
酸性介质 碱性介质
4e-电子途径 O2+4H++4e-→2H2O
O2 +2H2O+4e-→4OH-
2e-电子途径 O2+2H++2e-→H2O2
O2+H2O+2e- →OH-+HO-2
H2O2+2H++2e-→2H2O
HO-2+H2O+2e- →3OH
普遍认为，氧气还原反应是否发生决定于氧氧键的断裂。根据分子轨道理论，催化剂表面会吸附氧分子，然后电子从π成键轨道转移到催化剂d空轨道，同时，d轨道的电子会被转移到氧气分子的π*反键轨道，这也就意味着削弱了O-O键，然后价键断裂并发生氧化还原反应。催化剂吸附氧气分子在其表面，Yeager[5]认为应该有三种可能