阴极催化层设计的关键，是在‌让反应气体（氧气/氢气）能顺利到达催化剂表面‌和‌让产物（水、气泡）能及时排出‌之间找平衡。催化层的微观结构直接决定了这两个过程是否顺畅。

催化层设计要点

‌结构梯度化是主流方向‌：传统的单一结构催化层已不是最优解。目前更有效的是‌双层或梯度结构‌。例如，靠近质子交换膜（PEM）的一侧做“富铂层”，结构致密，用来加速氧还原反应（ORR）；靠近气体扩散层（GDL）的一侧做“贫铂层”，孔隙率和孔径更大，方便反应气体扩散进来。 另一种思路是‌梯度化碳载体和离聚物（Ionomer）分布‌：靠近膜侧用低I/C比的Pt/Vulcan，提升氧气传输效率；靠近气体扩散层用高I/C比的Pt/Ketjenblack，利用其多孔结构在低湿度下增强质子传导。

‌离聚物含量需要“精准拿捏”‌：离聚物太少，质子传导不够；太多又会堵塞孔隙、包埋活性位点，增大传质阻力。在PEMFC中，优化I/C配比能直接提高额定功率、降低阴极计量比。 在AEMWE中，有研究显示‌5 wt%的极低离聚物含量‌反而表现出最佳性能，因为过量的离聚物会以“游离态”存在，干燥后严重堵塞孔隙。

‌孔隙率与孔径的平衡‌：催化层孔径通常在‌0.1 μm以下‌，反应气体在这种小孔里不只是分子扩散，还会发生‌克努森扩散‌（气体分子与孔壁碰撞为主）。 因此，设计时需要保证足够的介孔（让气体扩散）和微孔（让质子传导、水排出）比例。

‌避免“过度致密”‌：当铂载量过高时，催化层会变得过厚、过于致密，反而导致水、氢气和OH⁻的传输受限，性能不升反降。‌‌