膜电极组件介绍
膜电极结构及功能
膜电极组件(MEA)体扩是由质子交换膜和分别置于其两侧的阳极､阴极催化散层层以及气体扩散层组成的复合体，其结构主要有质子交换膜､催化层和扩散层三部分。
膜电极技术要求
在燃料电池系统中，电化学反应只能发生在“三相边界”处，即固态电解质(质子交换膜等)､反应气体(氢气､氧气等)和催化剂之间的三相边界区域，而电化学反应速率和效率则依赖于这种多边环境之间的通过不同制备方法而得到的结构差异，以及催化剂载量､树脂含量等其他重要参数。
膜电极结构及材料必须满足以下要求：
1)改善催化层结构，提高氧传质能力以提高催化剂利用率。
2)开发新型Pt合金催化剂，降低Pt载量。
3)加入自由基淬灭剂以提高催化层耐久性。
4)改善微孔层结构，以提高反应气体传质能力和反应产物水排出能力。
然而对于提升MEA的性能和耐久性，不能仅仅依靠MEA自身材料和结构的改进，而必须结合双极板流场结构､电堆组装､辅助关键零部件性能和控制策略进行综合考虑。
膜电极类型
MEA是由阳极气体扩散层､阳极催化层､质子交换膜､阴极催化层和阴极气体扩散层等经一定工艺制备而成｡
根据不同的制备方法和实际应用要求，MEA可以分为GDE(Gas diffusion electrode)工艺型､CCM(Catalyst coating membrane)工艺型和有序化膜电极三种类型。
1)GDE工艺
GDE工艺是将催化剂､PTFE乳液或Nafion溶液与醇类溶剂通过一定比例混合制备催化剂浆料，然后通过涂布或喷涂等方法制备到气体扩散层(或微孔层)表面形成电极，最后将质子交换膜夹在两层电极之间进行热压制成膜电极。该方法制备的膜电极催化层较厚，导致铂利用偏低，一般铂用量都超过1mg/cm²。同时由于膜电极是通过热模压法直接将质子交换膜与含催化层的气体扩散层热压制备，为了避免质子交换膜被刺穿，必须使用较厚的质子交换膜，导致膜电极内阻较高。因此到目前为止，GDE工艺除了在氢氧燃料电池膜电极和电解水膜电极上还有应用外，在其他种类膜电极制备中已经逐步被CCM工艺所取代。
2)CCM工艺
第二代膜电极技术是将催化层通过转印法或直接涂覆法直接制备到质子交换膜两面，后将气体扩散层夹在两侧形成膜电极。CCM工艺制备膜电极流程如图2-12所示。该方法制备的膜电极催化层较薄，目前铂载量已经降低到0.2-0.4 mg/cm²。同时，由于气体扩散层和质子交换膜之间没有高强度热压过程，膜厚度可以降低至20μm以下，在有效节约离子交换树脂用量的同时也提高了质子传导率。CCM工艺是目前最主流的商业化膜电极制备方法，并已被全世界广泛采用。
有序化膜电极
理论仿真与实验测试研究表明，燃料电池膜电极内多物理量(如电压､电流､温度氧气浓度､氢气浓度､水含量等)在空间多个维度上(垂直或平行厚度方向)存在不均匀性，这种不均匀性会导致电极在不同区域内的电化学反应效率出现差异。传统GDE工艺和(CM工艺均采用催化剂料浆制备催化层，从而导致电极内部空间排布不可控,催化层中物质与孔隙的分布均为无序状态，催化层的三相边界混乱，其传质过电位占燃料电池总传质过电位的20%~50%。针对这种不均匀性，研究人员尝试在膜电极的结构设计中引入有序化设计理念。有序化设计是通过结构控制将催化层的三相边界进行有序排列，使电极内部质子传导和电子传导形成有序通道，从而提高三相传输效率和Pt利用率。
目前的研究主要有基于碳纳米管的有序化膜电极､基于催化剂薄膜的有序化膜电极和基于质子导体的有序化膜电极三种方向。
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