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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(mǎn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)。