在我國，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系統已經成功應用于重型商用車、客車等領域，并且在2022年冬奧會上發揮了重要作用。其中，膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA）是PEMFC的關鍵部件之一，它與其兩側的雙極板共同組成了燃料電池的基本單元——燃料電池單電池。

MEA指氣體擴散層與陰陽極催化層和膜形成的組件，其結構如圖1 所示。雙極板流道、氣體擴散層共同構成了電池流場，為重要的反應物、生成物提供了進出通道，流場設計的合理性及組件之間的匹配性直接影響氧化還原反應，進而影響電池性能。

PEMFC膜電極組件橫截面示意圖：（a）氣體擴散電極（Gas Diffusion Electrode ,GDE）,(b)催化劑涂層膜組件(Catalyst Coating Membrane ,CCM)（c）由氣體擴散層電極+膜或催化劑涂層膜組件+氣體擴散層形成的膜電極

膜電極是發生電化學反應的場所，其關鍵性的制備技術、組裝工藝、使用原料、物化特性及電池運行條件等都對PEMFC 的電池性能起著決定性作用。迄今為止，MEA 的制備技術主要集中在電極界面的結構設計上，旨在催化層內部構建一個良好的“三相反應界面”，以實現質子、電子和物質的高效傳輸，通過減小傳輸過程中的界面阻力來顯著提高催化劑的利用率和電池性能（見圖 2）。目前，電極界面結構已從無序狀態發展到有序狀態，共經歷了三代。

燃料電池內部陰極催化層內部三相反應界面的示意圖：（a）高負載量和（b）低負載量鉑基金屬催化劑下的燃料電池催化劑層結構示意圖；（c）氣體通過離聚物薄膜傳輸到鉑表面的傳輸電阻示意圖

第一代 氣體擴散電極法（GDE）是將分散好的催化劑漿料直接涂敷在預處理后的多孔的擴散層上，再將該氣體擴散電極和質子交換膜熱壓成膜電極。GDE型MEA的優點是制備工藝相對簡單成熟。有利于MEA中孔的形成，還巧妙地保護了質子交換膜，使其免于形變。但由于催化劑的利用率低于20%，增加了MEA的成本，目前GDE結構MEA制備工藝主要用于實驗室。

第二代 催化劑涂層膜法（CCM）是將催化劑直接涂覆在質子交換膜上，再將陰極氣體擴散層和陽極氣體擴散層通過熱壓方式涂覆在有催化劑的質子交換膜的兩側，形成一個厚度較薄的10μm左右的三合一的膜電極。催化劑與質子交換膜結合較好不易發生剝離，提高催化層中催化劑的利用率，具有良好的綜合性能。CCM技術被廣泛采用，是目前主流的商業化MEA的制備方法。

這兩種方法的催化層都是隨機分布的，內部孔隙結構和催化劑顆粒都是無序狀態。基于此，在膜電極內構建特定的有序結構的方案被期待能夠進一步提高膜電極的放電性能和放電壽命。

第三代有序膜電極是在膜電極內構建有序的結構，包括納米陣列結構或其他形狀的有序性結構。這些有序結構可以是有序的質子傳輸結構、有序的電子傳輸結構、有序的催化層結構或者有序的物質傳輸結構。這些結構能夠提供有序的質子、電子或物質傳輸通道，可以降低其傳輸阻力，使化學反應的三相界面最大化，提升電極結構的穩定性，從而大大延長電池的使用壽命。

MEA 的陽極催化層三相界面發展歷程的示意圖：（a）第一代GDE型（b）第二代CCM型 （c）第三代有序MEA

以上三種膜電極制備方法在實驗室和商業領域均有應用。在實際應用中，質子膜、催化劑、氣體擴散層的選型與制備方法的選擇應作為一個整體來考慮，同時還需要考慮具體的應用場景和使用工況，通過單電池測試、電堆測試等手段來匹配最優方案，以滿足不同的需求。