膜電極組件（MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池最核心的部件，釋放能量的電化學(xué)反應(yīng)就在該部件上發(fā)生，因而其性能、壽命及成本直接關(guān)系到燃料電池能否快速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
膜電極產(chǎn)業(yè)化至今已歷經(jīng)三代，第一代被稱(chēng)為氣體擴(kuò)散電極（GDE），傳統(tǒng)采用絲網(wǎng)印刷方法，將催化層制備到擴(kuò)散層上。該類(lèi)膜電極制備工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但也存在幾個(gè)主要問(wèn)題：質(zhì)子導(dǎo)電率差，催化層較厚，催化劑利用率低；且催化層與質(zhì)子交換膜的膨脹系數(shù)不同，電池運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間以后電極和質(zhì)子交換膜容易分離。
因此，第二代膜電極應(yīng)運(yùn)而生，其采用催化劑涂覆膜（CCM）技術(shù)，將催化層制備到交換膜上。改進(jìn)后的方法與GDE在工藝上十分相似，但該方法使用質(zhì)子交換膜的核心材料作為粘結(jié)劑，大大降低了催化層與PEM 之間的質(zhì)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(lái)源：《質(zhì)子交換膜燃料電池有序化膜電極研究進(jìn)展》
對(duì)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(zhì)混合而成，一般而言形成的電子、質(zhì)子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)，而水氧擴(kuò)散需要的通道曲折程度大，同時(shí)擴(kuò)散空隙大小不可控，因此會(huì)導(dǎo)致電極過(guò)程中較強(qiáng)的電化學(xué)極化和濃差極化，從而影響膜電極大電流放電時(shí)的放電性能。
第三代膜電極為有序化膜電極，當(dāng)電極呈有序化結(jié)構(gòu)時(shí)，大電流密度下的傳質(zhì)阻力將大幅降低，實(shí)現(xiàn)了高效三相傳輸，進(jìn)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(chǎn)技術(shù)主要被以美國(guó)3M 公司為代表的國(guó)際材料巨頭掌握。
隨著有序化膜電極概念的提出，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注PEMFC 內(nèi)部層間界面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，燃料電池的歐姆極化主要由層間界面的內(nèi)阻造成。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)將質(zhì)子交換膜及催化層的界面結(jié)構(gòu)由2D界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?D工程界面，提升了催化劑的電化學(xué)活性面積（ECSA），從而提升Pt催化劑反應(yīng)效能。
為實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變，研究人員通過(guò)研究采用了表面圖案化膜和直接沉積膜技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。其中表面圖案化膜包括等離子蝕刻技術(shù)、熱壓技術(shù)及鑄造等方法。后者為目前最先進(jìn)的方法，具有簡(jiǎn)單和高效的優(yōu)點(diǎn)。
（c）澆鑄到結(jié)構(gòu)化模具中獲得的圖案化膜
實(shí)驗(yàn)顯示，通過(guò)上述方法制備的PEM，最高可比沒(méi)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(shù)也是MEA 的可行制造技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的CCM 制備方法，離聚物分散體直接沉積在氣體擴(kuò)散電極上，然后將兩個(gè)電極壓入MEA 中，這意味著PEM 不需要自支撐，也無(wú)需熱壓等工藝來(lái)保證CL 和PEM 之間的良好粘合力，由該技術(shù)制得的膜厚度一般可在8 至25微米 之間變化。
據(jù)報(bào)道顯示，在理想的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，該技術(shù)測(cè)得的峰值功率密度＞4W/cm2，電流密度則高達(dá)5A/cm2@0.6V，這也是截至目前報(bào)道過(guò)的最高燃料電池MEA性能。
對(duì)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(huì)產(chǎn)生接觸電阻，還會(huì)導(dǎo)致液態(tài)水在界面空隙中積聚。這種積水會(huì)阻礙反應(yīng)氣體進(jìn)入到CL，增加電池的傳質(zhì)阻抗。因此，GDL與CL 之間的界面也同樣值得進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改良。
圖：美國(guó)DOE設(shè)定的PEMFC膜電極技術(shù)目標(biāo)
來(lái)源：《質(zhì)子交換膜燃料電池研究進(jìn)展》
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：膜電極（MEA）的發(fā)展歷程
