膜電極是燃料電池的核心部分，它集成了異質材料的傳輸和電化學反應，直接決定了質子交換膜燃料電池的性能、壽命和成本。膜電極與兩側的雙極板共同構成單體燃料電池，而多個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結構的設計與優化、材料的選擇以及制造工藝的優化一直是PEMFC研究的重點。在PEMFC的發展歷程中，膜電極技術經歷了數代的創新，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型。

1. GDE熱壓膜電極

第一代MEA制備技術是采用熱壓方法將CL包覆的陰極和陽極GDL壓制在PEM兩側以獲得MEA，稱為“GDE”結構。

GDE型MEA的制備過程確實相對簡單，這得益于催化劑被均勻涂覆在GDL上。這一設計不僅有利于MEA中孔的形成，還巧妙地保護了PEM，使其免于變形。然而，這個過程并非完整無瑕。若不能精準控制GDL上涂覆的催化劑量，催化劑漿料便有可能滲透至GDL中，導致部分催化劑無法充分發揮效能，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，長時間運行過程中，兩者界面極易出現剝離現象。這不僅導致燃料電池的內部接觸電阻增加，還使得MEA的綜合性能大打折扣，遠未達到理想的水平?；贕DE結構的MEA制備過程已基本被淘汰，鮮少有人問津。

2. CCM三合一膜電極

采用卷對卷直接涂布、絲網印刷、噴涂等方法，將催化劑、Nafion和適當分散劑組成的漿料直接涂布在質子交換膜的兩面，得到MEA。

與GDE型MEA制備方法相比，CCM型效果更好，不易剝離，同時降低了催化劑層與PEM之間的傳遞阻力，有利于改善質子在質子中的擴散和運動。催化劑層，從而促進催化層和PEM。它們之間質子的接觸和傳遞降低了質子傳遞的阻力，從而大大提高了MEA的性能。MEA的研究已從GDE型轉向CCM型。另外，由于CCM型MEA的Pt負載量相對較低，因此降低了MEA的整體成本，并且利用率大大提高。CCM型MEA的缺點是在燃料電池運行過程中容易出現“水淹”現象。主要原因是MEA催化層中沒有疏水劑，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，其已在汽車燃料電池領域實現商業化。例如豐田Mirai、本田Clarity等。中國武漢理工大學研發的CCM型MEA已出口美國Plug Power公司，用于燃料電池叉車。大連鑫源動力開發的CCM型MEA已應用于卡車，鉑基貴金屬裝載量低至0.4mgPt/cm2。功率密度達到0.96W/cm2。與此同時，昆山陽光、武漢喜馬拉雅、蘇州慶東、上海交通大學、大連化學物理研究所等企業和高校也在研發高性能CCM型MEA。國外公司如科慕、戈爾、

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溶液混合形成催化劑漿料，然后進行涂覆。效率很低，并且存在較大的極化現象，不利于MEA的大電流放電。此外，MEA 中的鉑負載量相對較高。高性能、長壽命、低成本MEA的開發已成為人們關注的焦點。有序MEA的Pt利用率非常高，有效降低了MEA的成本，同時實現了質子、電子、氣體、水等物質的高效傳輸，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子導體的有序膜電極。

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，并且在過去十年左右的時間里開發了基于垂直排列碳納米管（VACNT）的薄膜。電極。垂直排列機構增強了氣體擴散層、排水能力和Pt的利用率。

VACNT可分為兩種類型：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納米有序結構，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公司的商業產品NSTF。與傳統的Pt/C催化劑相比，NSTF具有四個主要特點：催化劑載體是有序的有機晶須；催化劑在晶須狀生物體上形成Pt基合金薄膜；催化層中無碳載體；NSTF催化劑層厚在1um以下。

基于質子導體的有序膜電極

質子導體有序膜電極的主要功能是引入納米線狀聚合物材料來促進質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結構，然后在氫氣氛中退火得到H-***s，并通過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。

清華大學核研究所和汽車系基于Nafion納米線的快速質子傳導功能，第一次合成了新型有序催化劑層。具有以下特點：Nafion納米棒是在質子交換膜上原位生長制備的，界面接觸電阻降至零；在Nafion納米棒上沉積Pt顆粒催化層，同時具有催化劑和電子傳導相的功能；Nafion 納米棒具有快速質子傳導能力。

有序膜電極無疑是下一代膜電極制備技術的主攻方向。在減少鉑族元素負載量的同時，還需要進一步考慮五個方面：有序膜電極對雜質非常敏感；通過材料優化、表征和建模來拓寬膜電極的工作范圍；在催化層中引入快速質子導體納米結構；低成本量產工藝開發；深入研究膜電極質子交換膜、電催化劑、氣體擴散層之間的相互作用和協同作用。

膜電極制備技術超聲噴涂法的優點：

（1）通過優化超聲噴頭功率和頻率等參數，可以使霧化出的催化劑漿料回彈小且不易過噴涂，提高催化劑利用率；

（2）超聲波振動棒使得催化劑顆粒高度分散，以及超聲分散注射器對催化劑漿料具有二次攪拌效果，極大地降低鉑的化學污染和反應活性區域降低的概率；

（3）操作簡單，自動化程度高，適合膜電極的批量化生產。