膜電極是燃料電池的核心部分,，它集成了異質(zhì)材料的傳輸和電化學(xué)反應(yīng)，直接決定了質(zhì)子交換膜燃料電池的性能,、壽命和成本,。膜電極與兩側(cè)的雙極板共同構(gòu)成單體燃料電池，而多個(gè)單體電池的組合則可以形成燃料電池堆,，以滿足各種功率輸出的需求,。MEA結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、材料的選擇以及制造工藝的優(yōu)化一直是PEMFC研究的重點(diǎn),。在PEMFC的發(fā)展歷程中,，膜電極技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)代的創(chuàng)新，主要可以分為GDE熱壓法,、CCM三合一膜電極和有序膜電極三種類(lèi)型。
1. GDE熱壓膜電極
第一代MEA制備技術(shù)是采用熱壓方法將CL包覆的陰極和陽(yáng)極GDL壓制在PEM兩側(cè)以獲得MEA,，稱為“GDE"結(jié)構(gòu),。
GDE型MEA的制備過(guò)程確實(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，這得益于催化劑被均勻涂覆在GDL上,。這一設(shè)計(jì)不僅有利于MEA中孔的形成,，還巧妙地保護(hù)了PEM，使其免于變形,。然而,，這個(gè)過(guò)程并非完整無(wú)瑕。若不能精準(zhǔn)控制GDL上涂覆的催化劑量,，催化劑漿料便有可能滲透至GDL中,，導(dǎo)致部分催化劑無(wú)法充分發(fā)揮效能，利用率甚至低至20%,，大大增加了MEA的制造成本,。
由于GDL上的催化劑涂層與PEM的膨脹體系并不一致,，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，兩者界面極易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,。這不僅導(dǎo)致燃料電池的內(nèi)部接觸電阻增加,，還使得MEA的綜合性能大打折扣，遠(yuǎn)未達(dá)到理想的水平,?；贕DE結(jié)構(gòu)的MEA制備過(guò)程已基本被淘汰，鮮少有人問(wèn)津,。
2. CCM三合一膜電極
采用卷對(duì)卷直接涂布,、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法,，將催化劑,、Nafion和適當(dāng)分散劑組成的漿料直接涂布在質(zhì)子交換膜的兩面，得到MEA,。
與GDE型MEA制備方法相比,，CCM型效果更好，不易剝離,，同時(shí)降低了催化劑層與PEM之間的傳遞阻力,，有利于改善質(zhì)子在質(zhì)子中的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)。催化劑層,，從而促進(jìn)催化層和PEM,。它們之間質(zhì)子的接觸和傳遞降低了質(zhì)子傳遞的阻力，從而大大提高了MEA的性能,。MEA的研究已從GDE型轉(zhuǎn)向CCM型,。另外，由于CCM型MEA的Pt負(fù)載量相對(duì)較低,，因此降低了MEA的整體成本,，并且利用率大大提高。CCM型MEA的缺點(diǎn)是在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)“水淹"現(xiàn)象,。主要原因是MEA催化層中沒(méi)有疏水劑,，氣體通道較少，氣體和水的傳輸阻力較大,。因此,，為了降低氣體和水的傳輸阻力，催化劑層的厚度一般不大于10μm,。
由于CCM型MEA良好的綜合性能,，其已在汽車(chē)燃料電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。例如豐田Mirai,、本田Clarity等,。中國(guó)武漢理工大學(xué)研發(fā)的CCM型MEA已出口美國(guó)Plug Power公司,，用于燃料電池叉車(chē)。大連鑫源動(dòng)力開(kāi)發(fā)的CCM型MEA已應(yīng)用于卡車(chē),，鉑基貴金屬裝載量低至0.4mgPt/cm2,。功率密度達(dá)到0.96W/cm2。與此同時(shí),，昆山陽(yáng)光,、武漢喜馬拉雅、蘇州慶東,、上海交通大學(xué),、大連化學(xué)物理研究所等企業(yè)和高校也在研發(fā)高性能CCM型MEA。國(guó)外公司如科慕,、戈?duì)枴?/p>
3. 有序膜電極
GDE型MEA和CCM型MEA的催化層與催化劑和電解質(zhì)溶液混合形成催化劑漿料,，然后進(jìn)行涂覆。效率很低,，并且存在較大的極化現(xiàn)象,，不利于MEA的大電流放電。此外,，MEA 中的鉑負(fù)載量相對(duì)較高,。高性能、長(zhǎng)壽命,、低成本MEA的開(kāi)發(fā)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),。有序MEA的Pt利用率非常高，有效降低了MEA的成本,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子,、電子、氣體,、水等物質(zhì)的高效傳輸,，從而提高了PEMFC的綜合性能。
有序膜電極包括基于碳納米管的有序膜電極,、基于催化劑薄膜的有序膜電極和基于質(zhì)子導(dǎo)體的有序膜電極。
碳納米管基有序膜電極
碳納米管的石墨晶格特性耐高電位,，與Pt顆粒的相互作用及其彈性提高了Pt顆粒的催化活性,，并且在過(guò)去十年左右的時(shí)間里開(kāi)發(fā)了基于垂直排列碳納米管（VACNT）的薄膜。電極,。垂直排列機(jī)構(gòu)增強(qiáng)了氣體擴(kuò)散層,、排水能力和Pt的利用率。
VACNT可分為兩種類(lèi)型：一種是由彎曲,、稀疏的碳納米管組成的VACNT,；另一種是由筆直,、致密的碳納米管組成的空心碳納米管。
基于催化劑薄膜的有序膜電極
催化劑薄膜的有序化主要是指Pt納米有序結(jié)構(gòu),，如Pt納米管,、Pt納米線等。其中,，催化劑有序膜電極的代表是3M公司的商業(yè)產(chǎn)品NSTF,。與傳統(tǒng)的Pt/C催化劑相比，NSTF具有四個(gè)主要特點(diǎn)：催化劑載體是有序的有機(jī)晶須,；催化劑在晶須狀生物體上形成Pt基合金薄膜,；催化層中無(wú)碳載體；NSTF催化劑層厚在1um以下,。
基于質(zhì)子導(dǎo)體的有序膜電極
質(zhì)子導(dǎo)體有序膜電極的主要功能是引入納米線狀聚合物材料來(lái)促進(jìn)質(zhì)子在催化層中的高效傳輸,。于等人。等人在鈦片上制備了TiO2納米管陣列（***s）的TiO2/Ti結(jié)構(gòu),，然后在氫氣氛中退火得到H-***s,，并通過(guò)SnCl2敏化和置換法在H-***s表面制備了Pt-Pd顆粒，得到高功率密度燃料電池,。
清華大學(xué)核研究所和汽車(chē)系基于Nafion納米線的快速質(zhì)子傳導(dǎo)功能,，第一次合成了新型有序催化劑層。具有以下特點(diǎn)：Nafion納米棒是在質(zhì)子交換膜上原位生長(zhǎng)制備的,，界面接觸電阻降至零,；在Nafion納米棒上沉積Pt顆粒催化層，同時(shí)具有催化劑和電子傳導(dǎo)相的功能,；Nafion 納米棒具有快速質(zhì)子傳導(dǎo)能力,。
有序膜電極無(wú)疑是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。在減少鉑族元素負(fù)載量的同時(shí),，還需要進(jìn)一步考慮五個(gè)方面：有序膜電極對(duì)雜質(zhì)非常敏感,；通過(guò)材料優(yōu)化、表征和建模來(lái)拓寬膜電極的工作范圍,；在催化層中引入快速質(zhì)子導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu),；低成本量產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)；深入研究膜電極質(zhì)子交換膜,、電催化劑,、氣體擴(kuò)散層之間的相互作用和協(xié)同作用。
膜電極制備技術(shù)超聲噴涂法的優(yōu)點(diǎn)：
（1）通過(guò)優(yōu)化超聲噴頭功率和頻率等參數(shù),，可以使霧化出的催化劑漿料回彈小且不易過(guò)噴涂,，提高催化劑利用率；
（2）超聲波振動(dòng)棒使得催化劑顆粒高度分散，以及超聲分散注射器對(duì)催化劑漿料具有二次攪拌效果,，極大地降低鉑的化學(xué)污染和反應(yīng)活性區(qū)域降低的概率,；
（3）操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高,，適合膜電極的批量化生產(chǎn),。
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