在我國，質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于重型商用車、客車等領(lǐng)域，并且在2022年冬奧會上發(fā)揮了重要作用。其中，膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA）是PEMFC的關(guān)鍵部件之一，它與其兩側(cè)的雙極板共同組成了燃料電池的基本單元——燃料電池單電池。

MEA指氣體擴(kuò)散層與陰陽極催化層和膜形成的組件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙極板流道、氣體擴(kuò)散層共同構(gòu)成了電池流場，為重要的反應(yīng)物、生成物提供了進(jìn)出通道，流場設(shè)計的合理性及組件之間的匹配性直接影響氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而影響電池性能。

PEMFC膜電極組件橫截面示意圖：（a）氣體擴(kuò)散電極（Gas Diffusion Electrode ,GDE）,(b)催化劑涂層膜組件(Catalyst Coating Membrane ,CCM)（c）由氣體擴(kuò)散層電極+膜或催化劑涂層膜組件+氣體擴(kuò)散層形成的膜電極

膜電極是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，其關(guān)鍵性的制備技術(shù)、組裝工藝、使用原料、物化特性及電池運(yùn)行條件等都對PEMFC 的電池性能起著決定性作用。迄今為止，MEA 的制備技術(shù)主要集中在電極界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，旨在催化層內(nèi)部構(gòu)建一個良好的“三相反應(yīng)界面”，以實現(xiàn)質(zhì)子、電子和物質(zhì)的高效傳輸，通過減小傳輸過程中的界面阻力來顯著提高催化劑的利用率和電池性能（見圖 2）。目前，電極界面結(jié)構(gòu)已從無序狀態(tài)發(fā)展到有序狀態(tài)，共經(jīng)歷了三代。

燃料電池內(nèi)部陰極催化層內(nèi)部三相反應(yīng)界面的示意圖：（a）高負(fù)載量和（b）低負(fù)載量鉑基金屬催化劑下的燃料電池催化劑層結(jié)構(gòu)示意圖；（c）氣體通過離聚物薄膜傳輸?shù)姐K表面的傳輸電阻示意圖

第一代 氣體擴(kuò)散電極法（GDE）是將分散好的催化劑漿料直接涂敷在預(yù)處理后的多孔的擴(kuò)散層上，再將該氣體擴(kuò)散電極和質(zhì)子交換膜熱壓成膜電極。GDE型MEA的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝相對簡單成熟。有利于MEA中孔的形成，還巧妙地保護(hù)了質(zhì)子交換膜，使其免于形變。但由于催化劑的利用率低于20%，增加了MEA的成本，目前GDE結(jié)構(gòu)MEA制備工藝主要用于實驗室。

第二代 催化劑涂層膜法（CCM）是將催化劑直接涂覆在質(zhì)子交換膜上，再將陰極氣體擴(kuò)散層和陽極氣體擴(kuò)散層通過熱壓方式涂覆在有催化劑的質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，形成一個厚度較薄的10μm左右的三合一的膜電極。催化劑與質(zhì)子交換膜結(jié)合較好不易發(fā)生剝離，提高催化層中催化劑的利用率，具有良好的綜合性能。CCM技術(shù)被廣泛采用，是目前主流的商業(yè)化MEA的制備方法。

這兩種方法的催化層都是隨機(jī)分布的，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和催化劑顆粒都是無序狀態(tài)?；诖?，在膜電極內(nèi)構(gòu)建特定的有序結(jié)構(gòu)的方案被期待能夠進(jìn)一步提高膜電極的放電性能和放電壽命。

第三代有序膜電極是在膜電極內(nèi)構(gòu)建有序的結(jié)構(gòu)，包括納米陣列結(jié)構(gòu)或其他形狀的有序性結(jié)構(gòu)。這些有序結(jié)構(gòu)可以是有序的質(zhì)子傳輸結(jié)構(gòu)、有序的電子傳輸結(jié)構(gòu)、有序的催化層結(jié)構(gòu)或者有序的物質(zhì)傳輸結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能夠提供有序的質(zhì)子、電子或物質(zhì)傳輸通道，可以降低其傳輸阻力，使化學(xué)反應(yīng)的三相界面最大化，提升電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而大大延長電池的使用壽命。

MEA 的陽極催化層三相界面發(fā)展歷程的示意圖：（a）第一代GDE型（b）第二代CCM型 （c）第三代有序MEA

以上三種膜電極制備方法在實驗室和商業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，質(zhì)子膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層的選型與制備方法的選擇應(yīng)作為一個整體來考慮，同時還需要考慮具體的應(yīng)用場景和使用工況，通過單電池測試、電堆測試等手段來匹配最優(yōu)方案，以滿足不同的需求。