膜電極組件（MEA）是質子交換膜燃料電池最核心的部件，釋放能量的電化學反應就在該部件上發生，因而其性能、壽命及成本直接關系到燃料電池能否快速實現商業化。
膜電極產業化至今已歷經三代，第一代被稱為氣體擴散電極（GDE），傳統采用絲網印刷方法，將催化層制備到擴散層上。該類膜電極制備工藝簡單，技術成熟，但也存在幾個主要問題：質子導電率差，催化層較厚，催化劑利用率低；且催化層與質子交換膜的膨脹系數不同，電池運行較長時間以后電極和質子交換膜容易分離。
因此，第二代膜電極應運而生，其采用催化劑涂覆膜（CCM）技術，將催化層制備到交換膜上。改進后的方法與GDE在工藝上十分相似，但該方法使用質子交換膜的核心材料作為粘結劑，大大降低了催化層與PEM 之間的質子傳輸阻力，在一定程度上提高了膜電極的性能以及催化劑的利用率和耐久性。
?來源：《質子交換膜燃料電池有序化膜電極研究進展》
對于GDE膜電極和CCM膜電極而言，其催化層是由催化劑和電解質混合而成，一般而言形成的電子、質子擴散路徑長，而水氧擴散需要的通道曲折程度大，同時擴散空隙大小不可控，因此會導致電極過程中較強的電化學極化和濃差極化，從而影響膜電極大電流放電時的放電性能。
第三代膜電極為有序化膜電極，當電極呈有序化結構時，大電流密度下的傳質阻力將大幅降低，實現了高效三相傳輸，進一步提高了燃料電池性能，降低催化劑用量。目前，第三代膜電極的量產技術主要被以美國3M 公司為代表的國際材料巨頭掌握。
隨著有序化膜電極概念的提出，越來越多的研究者開始關注PEMFC 內部層間界面結構的優化，燃料電池的歐姆極化主要由層間界面的內阻造成。實驗者通過將質子交換膜及催化層的界面結構由2D界面結構轉變為3D工程界面，提升了催化劑的電化學活性面積（ECSA），從而提升Pt催化劑反應效能。
為實現上述轉變，研究人員通過研究采用了表面圖案化膜和直接沉積膜技術進行試驗。其中表面圖案化膜包括等離子蝕刻技術、熱壓技術及鑄造等方法。后者為目前最先進的方法，具有簡單和高效的優點。
實驗顯示，通過上述方法制備的PEM，最高可比沒有表面圖案的膜性能高53％（0.6V 電壓下）。
而直接膜沉積（DMD）技術也是MEA 的可行制造技術。區別于傳統的CCM 制備方法，離聚物分散體直接沉積在氣體擴散電極上，然后將兩個電極壓入MEA 中，這意味著PEM 不需要自支撐，也無需熱壓等工藝來保證CL 和PEM 之間的良好粘合力，由該技術制得的膜厚度一般可在8 至25微米 之間變化。
據報道顯示，在理想的實驗室環境下，該技術測得的峰值功率密度＞4W/cm2，電流密度則高達5A/cm2@0.6V，這也是截至目前報道過的最高燃料電池MEA性能。
對于GDL與CL 之間的界面，由于它們的表面粗糙且存在皸裂的可能，減小了接觸面積并增加了歐姆阻抗。有研究表明，GDL與CL 之間不完美的接觸不僅會產生接觸電阻，還會導致液態水在界面空隙中積聚。這種積水會阻礙反應氣體進入到CL，增加電池的傳質阻抗。因此，GDL與CL 之間的界面也同樣值得進行進一步的優化改良。
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：膜電極（MEA）的發展歷程
