膜电极是燃料电池的核心部分，它集成了异质材料的传输和电化学反应，直接决定了质子交换膜燃料电池的性能、寿命和成本。膜电极与两侧的双极板共同构成单体燃料电池，而多个单体电池的组合则可以形成燃料电池堆，以满足各种功率输出的需求。MEA结构的设计与优化、材料的选择以及制造工艺的优化一直是PEMFC研究的重点。在PEMFC的发展历程中，膜电极技术经历了数代的创新，主要可以分为GDE热压法、CCM三合一膜电极和有序膜电极三种类型。

1. GDE热压膜电极

第一代MEA制备技术是采用热压方法将CL包覆的阴极和阳极GDL压制在PEM两侧以获得MEA，称为“GDE”结构。

GDE型MEA的制备过程确实相对简单，这得益于催化剂被均匀涂覆在GDL上。这一设计不仅有利于MEA中孔的形成，还巧妙地保护了PEM，使其免于变形。然而，这个过程并非完整无瑕。若不能精准控制GDL上涂覆的催化剂量，催化剂浆料便有可能渗透至GDL中，导致部分催化剂无法充分发挥效能，利用率甚至低至20%，大大增加了MEA的制造成本。

由于GDL上的催化剂涂层与PEM的膨胀体系并不一致，长时间运行过程中，两者界面极易出现剥离现象。这不仅导致燃料电池的内部接触电阻增加，还使得MEA的综合性能大打折扣，远未达到理想的水平。基于GDE结构的MEA制备过程已基本被淘汰，鲜少有人问津。

2. CCM三合一膜电极

采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法，将催化剂、Nafion和适当分散剂组成的浆料直接涂布在质子交换膜的两面，得到MEA。

与GDE型MEA制备方法相比，CCM型效果更好，不易剥离，同时降低了催化剂层与PEM之间的传递阻力，有利于改善质子在质子中的扩散和运动。催化剂层，从而促进催化层和PEM。它们之间质子的接触和传递降低了质子传递的阻力，从而大大提高了MEA的性能。MEA的研究已从GDE型转向CCM型。另外，由于CCM型MEA的Pt负载量相对较低，因此降低了MEA的整体成本，并且利用率大大提高。CCM型MEA的缺点是在燃料电池运行过程中容易出现“水淹”现象。主要原因是MEA催化层中没有疏水剂，气体通道较少，气体和水的传输阻力较大。因此，为了降低气体和水的传输阻力，催化剂层的厚度一般不大于10μm。

由于CCM型MEA良好的综合性能，其已在汽车燃料电池领域实现商业化。例如丰田Mirai、本田Clarity等。中国武汉理工大学研发的CCM型MEA已出口美国Plug Power公司，用于燃料电池叉车。大连鑫源动力开发的CCM型MEA已应用于卡车，铂基贵金属装载量低至0.4mgPt/cm2。功率密度达到0.96W/cm2。与此同时，昆山阳光、武汉喜马拉雅、苏州庆东、上海交通大学、大连化学物理研究所等企业和高校也在研发高性能CCM型MEA。国外公司如科慕、戈尔、

3. 有序膜电极

GDE型MEA和CCM型MEA的催化层与催化剂和电解质溶液混合形成催化剂浆料，然后进行涂覆。效率很低，并且存在较大的极化现象，不利于MEA的大电流放电。此外，MEA 中的铂负载量相对较高。高性能、长寿命、低成本MEA的开发已成为人们关注的焦点。有序MEA的Pt利用率非常高，有效降低了MEA的成本，同时实现了质子、电子、气体、水等物质的高效传输，从而提高了PEMFC的综合性能。

有序膜电极包括基于碳纳米管的有序膜电极、基于催化剂薄膜的有序膜电极和基于质子导体的有序膜电极。

碳纳米管基有序膜电极

碳纳米管的石墨晶格特性耐高电位，与Pt颗粒的相互作用及其弹性提高了Pt颗粒的催化活性，并且在过去十年左右的时间里开发了基于垂直排列碳纳米管（VACNT）的薄膜。电极。垂直排列机构增强了气体扩散层、排水能力和Pt的利用率。

VACNT可分为两种类型：一种是由弯曲、稀疏的碳纳米管组成的VACNT；另一种是由笔直、致密的碳纳米管组成的空心碳纳米管。

基于催化剂薄膜的有序膜电极

催化剂薄膜的有序化主要是指Pt纳米有序结构，如Pt纳米管、Pt纳米线等。其中，催化剂有序膜电极的代表是3M公司的商业产品NSTF。与传统的Pt/C催化剂相比，NSTF具有四个主要特点：催化剂载体是有序的有机晶须；催化剂在晶须状生物体上形成Pt基合金薄膜；催化层中无碳载体；NSTF催化剂层厚在1um以下。

基于质子导体的有序膜电极

质子导体有序膜电极的主要功能是引入纳米线状聚合物材料来促进质子在催化层中的高效传输。于等人。等人在钛片上制备了TiO2纳米管阵列（***s）的TiO2/Ti结构，然后在氢气氛中退火得到H-***s，并通过SnCl2敏化和置换法在H-***s表面制备了Pt-Pd颗粒，得到高功率密度燃料电池。

清华大学核研究所和汽车系基于Nafion纳米线的快速质子传导功能，第一次合成了新型有序催化剂层。具有以下特点：Nafion纳米棒是在质子交换膜上原位生长制备的，界面接触电阻降至零；在Nafion纳米棒上沉积Pt颗粒催化层，同时具有催化剂和电子传导相的功能；Nafion 纳米棒具有快速质子传导能力。

有序膜电极无疑是下一代膜电极制备技术的主攻方向。在减少铂族元素负载量的同时，还需要进一步考虑五个方面：有序膜电极对杂质非常敏感；通过材料优化、表征和建模来拓宽膜电极的工作范围；在催化层中引入快速质子导体纳米结构；低成本量产工艺开发；深入研究膜电极质子交换膜、电催化剂、气体扩散层之间的相互作用和协同作用。

膜电极制备技术超声喷涂法的优点：

（1）通过优化超声喷头功率和频率等参数，可以使雾化出的催化剂浆料回弹小且不易过喷涂，提高催化剂利用率；

（2）超声波振动棒使得催化剂颗粒高度分散，以及超声分散注射器对催化剂浆料具有二次搅拌效果，极大地降低铂的化学污染和反应活性区域降低的概率；

（3）操作简单，自动化程度高，适合膜电极的批量化生产。