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催化层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件,膜电极的性能与耐久性会影响PEMFC的性能与耐久性。对于膜电极的耐久性研究有大量的报道,而膜电极结构方面的研究却鲜有报道。尤其是膜电极的结构对PEMFC耐久性的影响,以及PEMFC堆在长时间动态负载工况下催化层结构的变化。本论文基于燃料电池车在城市公路行驶的路况制定动态负载工况。对串联10片膜电极的电堆进行2,000 h动态负载循环测试。分析测试过程中电堆与单片膜电极的性能衰退规律,并研究老化后的膜电极的衰退及其催化层结构的变化。1.PEMFC堆历经2,000 h耐久性测试后,电流密度为800 mA cm-2,性能衰退了14.3%,衰减率为42.30μV h-1。电堆单片膜电极的衰退出现不均一性,靠近反应物气体进口的1号膜电极性能衰退最为严重,而10号膜电极的衰退最小。分析表征电堆代表性位置的三片膜电极（1号,5号,10号电池）经过耐久性测试后其组件的变化。发现三片膜电极的碳纸均由超疏水表面变成疏水表面,接触角降低20°左右。三片膜电极耐久性测试后的阴极与阳极催化层的厚度减小,但PEM发生膨胀。膜电极经过耐久性测试后的催化剂的载量减小,1号电池载量衰减最为严重,由初始的0.3943 mg cm-2衰减为0.2906 mg cm-2。2.通过TEM对老化前后的催化层进行详细的分析,阴极与阳极催化层的催化剂Pt粒径由初始的3.4 nm增长到4.4-5.7 nm之间。为了研究催化层的完整结构,尝试各种制备样品的方法,最后找到树脂包埋超薄切片方法成功制备出厚度小于90 nm的CCM样品。对样品进行形貌与元素分布分析,发现耐久性测试后的阴极催化层碳载体、Pt与Nafion均出现团聚现象。并观察到Pt/Nafion/C三相界面的微结构。通过XPS检测催化层的原子比,发现耐久性测试后1号膜电极催化层的S/Pt最高。3.为了研究老化后催化层S/Pt比的增加对膜电极性能是否有影响,通过用小分子CF3SO3H模拟Nafion的磺酸根,研究磺酸根含量对催化剂Pt活性的影响,发现当电解液中CF3SO3H的含量不超过5 mM时,吸附在Pt盘表面的磺酸根对Pt的活性并没有影响。而当电解液中的磺酸根含量继续增加时,随着含量的增加,Pt的活性降低。在CF3SO3H的含量为10 mM,Pt盘在0.9 V下的动力学活性损失为40%,而在50 mM时其活性损失高达71.3%。表明催化层中Nafion的磺酸根会毒化Pt。4.对燃料电池堆初始膜电极与耐久性测试后的1号膜电极进行Nano-CT成像表征,重现催化层的三维结构。将催化层的固相与孔相进行分割后,发现经过耐久性测试后的阴极催化层固相分布变得更为疏松,孔相也变大,孔体积分数由32.4%增长到39.5%。模拟计算膜电极阴极催化层的传输性质,发现催化层的气体有效扩散系数由初始膜电极的3.23×10-7 m2 s-1,增长为耐久性测试后的4.59×10-7 m2 s-1,有效扩散系数增加了42.1%。此外,阴极CL的热传导系数由0.142 W m-1 K降低到0.105 W m-1 K,热传导系数下降26.1%。