作为质子交换膜燃料电池（PEMFC)的核心组件，膜电极（MEA)提供了三相物质界面反应的场所，保证了复杂的传热传质的流程。模电极组件的导电性能，使用寿命和生产成本直接影响到燃料电池的商业化程度，一个单体电池通常由膜电极，气体渗透膜（GDL)和阴阳双极板组成，是一种将氢燃料和氧化剂中的化学能转换为电能的能量转换装置，实际运用时通常会设计多个单电池组合成燃料电池电堆用来适应各种功率输出的需求，具有环保，比能量高，运行平稳等优势，已经成为各国政府和公司研究的热点技术。

PEMFC膜电极的组成

如下图所示，膜电极主要由阴阳极催化层(CL)，质子交换膜（PEM),阴阳极气体扩散层（GDL)组成，GDL又包括碳布和碳纸以及涂覆在表面的微孔层（MPL)。PEM为质子从阳极到阴极的传输提供通道，较小传质阻力。阴极和阳极的CL分别贴合在PEM两侧，主要成分是PT/C催化剂混合全氟磺酸离子聚合物，为三相物质传输(Pt纳米颗粒、离聚物、气体接触)和电化反应提供充足的区域。GDL根据工艺不同一般采用为碳纸、碳布、碳毡等材料，此外金属丝网，金属纤维等也可以作为GDL的应用材料。气体扩散层不仅需要承担电子传导，反应气体扩散以及排水的功能，还要和外侧的双极板流道接触，起到机械支撑的作用。各层之间的界面结构以及相互功能配合对MEA的最终性能影响很大。

膜电极的工作原理

燃料电池工作时，H2通过阳极双极板流道进入，通过阳极扩散层和微孔层到达催化层，在催化剂的作用下发生氢的阳极氧化反应，分解为质子H+并释放电子，穿过PEM来到阴极的催化层表面。另一方面，阴极的氧气通过气体扩散层也吸附在阴极催化层，在阴极催化剂的作用下和H+发生氧的阴极还原反应生成水。而电子在外电路形成定向电流，给负载输出电能，多余的水和反应气体通过电极一并排出去。整个运转过程其实经历了物料，质子和电子三相的传输，物料主要包括气体产物和水在CL和GDL中传输，质子在CL中沿着离子聚合物传导，经过PEM从阳极至阴极，电子则是在CL中利用PT/C催化剂的电子导电性，经由GDL到达外部电路。由此可见，膜电极的电子/质子传导能力，气体的扩散能力以及疏水能力直接决定了PEMFC性能的好坏。

膜电极的常见制备方法

目前国际上掌握高性能膜电极技术的国家主要分布在美国和日本，但出于市场战略，大部分厂商一般不对外销售MEA产品，稀缺的产品供应导致市场价格高居不下。因此膜电极产品的国产化需求显得日益迫切，常见的MEA制备方法根据CL支撑不同分为GDE型膜电极和CCM型膜电极，关于这方面内容，在“催化剂涂覆膜电极在质子交换膜燃料电池中的应用”和“气体扩散电极在质子交换膜燃料电池中的应用”两篇文章中有详细介绍，在此不再赘述。根据催化剂活性成分涂覆方式不同主要制备技术包括转印法、超声喷涂法、电化学沉积法。

1) 转印法。这种方法的好处是PEM不用接触溶剂，规避了质子交换膜由于吸水导致的膨胀起皱，是有效提升了CCM膜电极性能的重要方式。缺点是转印过程中的催化剂活性成分分布不均匀，利用率不高，热压时容易出现剥离现象。

2) 电化学沉积法。通常在电镀槽中实现，利用电场可以将催化剂均匀的沉积在MEA的核心反应区，还能把Pt从溶液中电解出来形成与Nafion的更多接触，降低Pt的负载量却不用降低燃料电池的性能。缺点是催化剂颗粒大小不均匀，容易形成团聚的现象。

3) 超声喷涂法。首先将催化剂物料利用超声空化进行分散处理，然后利用超声波均匀喷涂在GDL或PEM表面。超声分散后的喷涂均匀性极佳，可以有效降低颗粒团聚，节省催化剂的使用。操作简单自动化程度高，适合批量生产膜电极。缺点是能耗相对较大。

此外膜电极的制备方法还包括刷涂法、丝网印刷法、溅射法等，篇幅关系不再展开。随着各国政府和企业的重视以及燃料电池汽车迅速发展，高性能、低成本、高耐久性、低铂（Pt)载量的膜电极将会成为重要研究方向，膜电极在质子交换膜燃料电池中的应用也将逐步实现产业化。