在我國(guó)，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(chē)、客車(chē)等領(lǐng)域，并且在2022年冬奧會(huì)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(yáng)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(chǎng)，為重要的反應(yīng)物、生成物提供了進(jìn)出通道，流場(chǎng)設(shè)計(jì)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(chǎng)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(duì)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(jì)上，旨在催化層內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)良好的“三相反應(yīng)界面”，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)子、電子和物質(zhì)的高效傳輸，通過(guò)減小傳輸過(guò)程中的界面阻力來(lái)顯著提高催化劑的利用率和電池性能（見(jiàn)圖 2）。目前，電極界面結(jié)構(gòu)已從無(wú)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(guò)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(duì)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(yáng)極氣體擴(kuò)散層通過(guò)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(gè)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(wú)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(zhǎng)電池的使用壽命。

MEA 的陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室和商業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。在實(shí)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(gè)整體來(lái)考慮，同時(shí)還需要考慮具體的應(yīng)用場(chǎng)景和使用工況，通過(guò)單電池測(cè)試、電堆測(cè)試等手段來(lái)匹配最優(yōu)方案，以滿(mǎn)足不同的需求。