天津大学Michael D. Guiver教授、王天友教授、尹燕教授等最新EER综述｜从膜到电极：面向燃料电池与水电解槽的取向膜电极组件
01 导读
近日，Electrochemical Energy Reviews（EER）发表题为“From Membranes to Electrodes: Aligned Membrane Electrode Assemblies for Ion-Exchange Membrane Fuel Cells and Water Electrolyzers”的综述论文。该文聚焦离子交换膜燃料电池（IEMFCs）和离子交换膜水电解槽（IEMWEs）中膜电极组件（MEAs）的传质瓶颈，系统总结了从离子交换膜、催化层到多孔传输层的取向结构设计，阐明了取向通道如何提升离子传导、气体扩散和水管理效率，并进一步讨论了电场取向、磁场取向、模板法、电纺和梯度结构等制备策略及其稳定性和产业化前景，为高效、耐久、低成本清洁能源转换器件的结构设计提供了重要参考。
02 文章基本信息
文章题目：
From Membranes to Electrodes: Aligned Membrane Electrode Assemblies for Ion-Exchange Membrane Fuel Cells and Water Electrolyzers
作者：
Lianqin Wang1, Yang Xiao1, Shan Guan1, Xinyi Cao1, Junfeng Zhang1*, Yan Yin2*, Tianyou Wang1*, Michael D. Guiver1,2*
作者单位：
1State Key Laboratory of Engines, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, China
2National Industry–Education Platform for Energy Storage, Tianjin University, China
引用信息：
Electrochem. Energy Rev. 2026, 9(1), 4.
DOI：
https://doi.org/10.1007/s41918-025-00269-6
全文链接：
https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s41918-025-00269-6.pdf
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目录简介：
1 Introduction
2 Uniaxial Transport Mechanism of MEAs
2.1 Aligned Ion Transport
2.1.1 Ion Transport in Isotropic IEMs
2.1.2 Ion Transport in Anisotropic IEMs
2.1.3 Ion Transport in Through-Plane Aligned IEMs
2.1.4 Ion Transport in Aligned CLs
2.2 Aligned Water and Gas Transport
2.2.1 Water Transport in Aligned IEMs
2.2.2 Gas Isolation in Aligned IEMs
2.2.3 Gas and Water Transport in Aligned CLs
2.2.4 Gas and Water Transport in Aligned PTLs
3 Methodology, Synthetic Strategies and Characteristics of Uniaxially Oriented MEA Structures
3.1 Anisotropic IEMs
3.1.1 Electric Field Orientation
3.1.2 Magnetic Field-induced Orientation
3.1.3 Templating
3.1.4 Other Methods
3.2 Anisotropic CLs
3.2.1 Aligned Electrolyte Frameworks
3.2.2 Aligned Catalyst Frameworks
3.2.3 Nanoscale Channel Design
3.2.4 Gradient Structure Design
3.3 Anisotropic PTLs
3.3.1 Gradient Pore Structure Fabrication
3.3.2 Gradient Wettability Fabrication
3.3.3 Fiber Alignment
4 Stability Assays
4.1 Stability of Aligned Structures
4.1.1 Inhibition of Chemical Degradation
4.1.2 Increase in Mechanical Stability
4.1.3 Optimization of Interfacial Stability
4.1.4 Improving Stability of PTL
4.2 IEMFC and IEMWE Stability
5 Cost and Large-Scale Production
5.1 Cost Comparison of Isotropic and Anisotropic MEAs
5.2 Scalable Manufacturing of Aligned MEAs
6 Summary and Outlook
03 图文导读
1 研究背景：为什么膜电极组件（MEA）需要从“无序传输”走向“定向传输”？
离子交换膜燃料电池和离子交换膜水电解槽是氢能利用与绿色制氢的核心装置。前者能够将燃料的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、环境友好和低噪声等优势；后者则可利用可再生电力高效制氢，是连接风能、太阳能与氢能储存的重要技术。无论是离子交换膜燃料电池（IEMFCs）还是离子交换膜水电解槽（IEMWEs），其性能都高度依赖MEA内部的离子、气体和水的协同传输。传统MEA通常由离子交换膜、催化层和多孔传输层等部分组成，但其内部传输呈各向同性或无序状态。离子需要沿曲折路径穿过膜和催化层，反应气体需要在复杂孔道中扩散，生成水或气泡也需要在多相界面中排出。这种无序传输会造成内阻升高、局部传质受限、催化剂利用率下降和水/气管理失衡，影响了能量密度、转换效率和长期稳定性。
如图1所示，综述借用自然界中鱼群有序穿越狭窄通道的现象来示意取向传输的意义：当鱼群从无序游动转变为有序排列后，整体通过效率显著提升。对应到MEA中，若离子交换膜中的离子通道、催化层中的反应通道以及多孔传输层中的水气通道能够沿厚度方向形成连续、低曲折度的定向路径，有望显著降低传输阻力并提升性能。
图1 鱼群有序运动与取向MEA中快速定向传输的类比示意。图中TEM图片源自Nat. Commun. 10, 842 (2019). Copyright © 2019, Springer Nature
2 总体框架：从膜、电极到多孔传输层的整体取向设计
以往燃料电池和水电解槽的研究，分别优化膜材料、催化剂和电极结构。然而，MEA是一个强耦合系统，单一部件的性能提升并不一定能转化为整电池或整电解槽的效率提升。离子交换膜中的高离子电导率需要与催化层中的三相界面匹配，反应活性需要与气体扩散和水排出相匹配，多孔传输层中的孔结构又会反向影响催化层的局部含水量、气泡脱附和机械接触。
如图2所示，原文从传输机制、合成策略和稳定性三个层面梳理了取向MEA的发展路线。传输机制方面，重点关注离子、水和气体的单轴传输；合成策略方面，涵盖电场、磁场、模板、沉积和电纺等方法；稳定性方面，则从膜、催化层和多孔传输层三个尺度评价结构耐久性。未来高性能MEA不应只是“某一层有序”，而应逐步走向从膜到电极再到传输层的整体协同取向。
图2 IEMFCs和IEMWEs中取向MEA的单轴传输机制、合成策略和稳定性概览。J. Mater. Chem. A 2, 8376–8385 (2014). Copyright © 2014, The Royal Society of Chemistry | ACS Nano 8, 11977–11986 (2014). Copyright © 2014, The Royal Society of Chemistry | Nat. Commun. 13, 7956 (2022). Copyright © 2022, Springer Nature | ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 7099–7107 (2014). Copyright © 2014, American Chemical Society | ACS Nano 18, 22901–22916 (2024). Copyright © 2024, American Chemical Society | Mater. Adv. 5, 4974–4995 (2024). Copyright © 2024, The Royal Society of Chemistry
3 离子传输：取向通道如何降低膜内阻？
在MEA中，离子传输主要发生在离子交换膜和催化层中。对于质子交换膜，质子通常通过Grotthuss机制和Vehicular机制迁移：前者依赖氢键网络中的质子跳跃，后者依赖水合质子在电场和浓度梯度下的迁移。对于阴离子交换膜，OH−也可通过类似的跳跃和水合迁移机制传输。因此，膜内水网络、离子交换基团分布以及通道连通性，都会直接影响离子电导率。
通过提高离子交换容量、构筑微相分离结构或加入无机填料来提高各向同性膜电导率，但离子在膜厚方向仍需经历曲折路径。二维层状或面内取向结构可在某些方向上提升电导率，却未必有利于MEA实际工作中最关键的厚度方向传输。相比之下，厚度方向取向膜能够把离子通道垂直排列于膜表面，使离子沿最短路径从一侧电极到达另一侧电极。比如，部分磁场取向质子交换膜的厚度方向质子电导率可达到215 mS cm−1，并在95 °C水中保持30 d稳定；磁场取向的二茂铁鎓阴离子交换膜在95 °C下OH−电导率可接近160 mS cm−1，并在强碱条件下保持超过4 320 h的稳定性。换言之，取向设计不仅是在形貌上“有序”，更是把微观离子通道转化为能够支撑器件运行的低阻传输网络。
如图3所示，在多尺度取向MEA中，膜内取向通道、催化层内有序孔道和传输层中的连续通道共同构成贯穿厚度方向的“高速通道”。该结构能够同时缩短离子迁移距离、改善水分布、促进H2和O2输运，从而降低欧姆极化和浓差极化。原文指出，一些通过磁场取向、电场取向或模板法构筑的膜，在厚度方向离子电导率、低湿度运行能力和尺寸稳定性方面均显示出优势。
图3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）中多尺度厚度方向取向MEA内离子、水和气体的定向传输概念图
4 水和气体传输：稳定运行离不开微介观水气管理
在IEMFCs中，水既是质子传导所必需的介质，也是可能造成阴极水淹的产物；在IEMWEs中，水是反应物，H2和O2是产物气体。若水供应不足，膜会脱水，离子电导率下降，内阻升高；若水或气泡不能及时排出，则会堵塞催化层孔道和三相边界，造成传质极化和局部反应失衡。因此，水气管理不是辅助问题，而是决定MEA效率和寿命的核心因素。取向结构在水气管理上的优势主要体现在三个方面。第一，使水沿确定路径快速补给或排出，降低膜脱水和水淹风险。第二，减少随机扩散和局部滞留，改善反应物供应并提高产物排出效率。第三，定向通道可以降低气泡在催化层中的停留时间和附着应力，从而缓解局部应力集中和催化层结构破坏。
原文指出，在高电流密度下，电渗拖曳会使水从阳极向阴极迁移，若膜内水分不能及时回补，质子通道将被破坏；而在水电解槽中，不均匀的水分布会造成局部电流密度差异，进一步导致气泡堆积和极化阻抗上升。通过构建取向水通道和气体通道，可以在膜、电极和传输层之间建立更均匀的水气平衡，从而提升高负载运行稳定性。
5 取向催化层：让反应物、电子和离子都能“顺畅”到达活性位点
催化层是电化学反应发生的核心区域，其理想状态是气体、电子和离子能够同时到达催化剂活性位点，形成高效三相界面。传统催化层通常由催化剂、离聚物和碳载体随机混合而成，容易出现离聚物分布不均、孔道堵塞、催化剂团聚和局部活性位点利用不足等问题。即使催化剂本征活性很高，若传输网络无序，仍难以有效发挥催化剂的功能。取向催化层通过构建有序纳米阵列、垂直排列催化框架、梯度孔结构或膜/催化层一体化界面，能够显著提高催化剂利用率和传质效率。例如，垂直排列碳纳米管、TiO2纳米管、Pt基纳米线或有序Nafion阵列，可为电子、离子和气体提供低曲折度通道，并增加催化层/膜之间的有效接触面积。例如，有序Nafion纳米柱阵列可在催化层中提供密集质子传输通道，使质子交换膜燃料电池（PEMFC）的峰值功率密度达到1.47 W cm−2；三维有序催化层/膜一体化结构在AEMWE中可于1.57 V实现1 000 mA cm−2电流密度。这些实例说明，催化层的结构优化不能只停留在催化剂活性本身，还必须全面优化设计离子通道、气体通道、液体通道和电子通道。如图4所示，有序催化层还能够改变气泡释放行为。层状蕨叶状合金气凝胶电极中的取向通道可引导O2气泡快速脱附，减少气泡停留时间和局部应力集中；双面有序MEA则通过上下贯通的规则通道，提高气体、水和离子的协同传输效率。对于水电解槽而言，这类结构有助于减缓高电流密度下的传质阻力；对于燃料电池而言，则有助于在高功率输出下避免氧气供应不足和局部水淹。
图4 取向催化层中O2气泡传输行为及常规MEA与取向MEA中的传输路径对比。(a, b) Adv. Mater. 36, 2307925 (2024). Copyright © 2023, Wiley‐VCH GmbH. (c, d) Ind. Chem. Mater. 2, 622–633 (2024). Copyright © 2024, Royal Society of Chemistry
6 多孔传输层：梯度孔结构与润湿性是关键
多孔传输层在燃料电池中通常对应气体扩散层，在水电解槽中则承担水供应和气泡释放功能。其结构不仅影响气体和水的宏观输运，还影响催化层局部湿度、界面接触和电流分布。传统多孔传输层的孔结构和润湿性较为均一，难以同时满足“快速排水”和“持续供气”或“快速排泡”和“持续补水”的双重需求。综述指出，相比简单追求全部孔道定向，多孔传输层更适合采用梯度孔结构、梯度润湿性和纤维取向等策略。较大孔道有利于气体扩散和液体排出，较小孔道则可维持气相连续性和毛细压力；亲水/疏水区域的合理分布可以引导水沿特定方向迁移，从而避免局部积水或干涸。在PEMFC中，梯度微孔层可同时提高排水效率和氧气传输能力；在IEMWE中，梯度多孔传输层可促进气泡脱附并维持电解液润湿。MEA的取向设计并不等同于所有部件都采用同一种“垂直阵列”。膜需要短而连续的离子通道，催化层需要优化三相界面和降低传输阻力，多孔传输层则需要通过孔径、孔隙率和润湿性梯度实现水气平衡。
7 制备策略：电场、磁场、模板与电纺各有优势
要实现取向MEA，首先要解决可控制备问题。综述系统总结了电场诱导、磁场诱导、模板法、电纺、机械拉伸和热退火等多种方法。电场取向利用外加电场诱导带电基团、极性链段或导电/离子导电填料沿特定方向排列，可在膜中形成连续离子通道。该方法对电场强度、频率、溶液黏度、填料形貌和介电性质高度敏感，未来需要开发能够响应弱电场的高各向异性材料体系。
磁场取向的优势在于可以通过磁性纳米填料或磁响应聚合物构筑有序通道。Fe2O3、Fe3O4、磁性石墨烯氧化物、铁氰化物配位聚合物和二茂铁鎓体系等均被用于构建取向离子通道。一些磁场取向膜在厚度方向离子电导率、低湿度运行和尺寸稳定性方面表现突出。不过，若磁性填料本身不导离子，加入过多可能降低离子交换容量，因此未来应发展兼具磁响应和离子传导能力的功能填料。模板法则通过AAO、ZnO纳米棒、硅模板、玻璃模板或PDMS软模板等预设结构来构筑有序孔道或表面阵列，优点是孔径和形貌可控，缺点是模板去除、放大制备和成本仍需优化。电纺和纤维组装能够形成长程连通的纳米纤维网络，但如何使纤维真正沿膜厚方向排列仍是挑战。整体来看，取向MEA制备正在从“单层材料有序”走向“多层结构协同成型”。从工艺选择看，电场和磁场适合诱导链段、离子团簇或纳米填料取向，模板法更适合获得确定几何形貌，沉积和转印方法则更适合构筑有序催化层。未来更具应用潜力的方向，可能是多种工艺的耦合，例如先通过模板形成宏观阵列，再利用电场或磁场调控局部离子通道，最后通过低温热压或原位沉积实现膜/催化层紧密结合。
8 稳定性：有序结构还能提高耐久性吗？
MEA在实际运行中要承受温度波动、湿度变化、气体杂质、机械压缩、启停循环和电化学腐蚀等复杂条件。传统MEA容易出现膜化学降解、催化剂溶解/团聚、碳腐蚀、界面脱粘、水淹或气泡积累等失效。取向结构的优势不只在于提升初始性能，还可能通过优化传输和应力分布来延长寿命。在膜中，取向通道可减少水和反应气体的无序扩散，降低局部化学攻击概率；有序填料和聚合物链段还可提高机械强度和尺寸稳定性。在催化层中，取向纳米阵列可降低催化剂团聚和活性面积损失，改善膜/催化层界面接触。在多孔传输层中，梯度孔道和取向纤维有助于减少局部积水、压缩应力和腐蚀环境。此外，取向结构还可能改善界面稳定性。MEA中膜、催化层和传输层的热膨胀、吸水膨胀和压缩形变并不完全一致，长期循环容易产生剪切应力和界面脱粘。有序结构能够使反应区域和传输路径更加均匀，减少局部电流集中和局部水气堆积，从而降低催化剂层开裂、膜局部干涸和传输层腐蚀的概率。
如图5所示，多个取向MEA实例在加速衰减测试和长时间运行中展现出优于传统结构的稳定性。例如，PtCo纳米管阵列在加速测试中表现出更高ECSA保持率，Pt-TiO2@PANI有序阴极在多轮衰减测试后仍保持较好极化性能；取向锥形阵列PEMWE和一体化AEMWE结构则在高电流密度下实现了较长时间稳定运行。这些结果说明，取向结构不仅是提高性能的手段，也是提高耐久性的结构工程策略。
图5 取向结构与传统结构在电化学性能和耐久性方面的对比。(a) Nano Energy 34, 344–355 (2017). Copyright © 2017, Elsevier. (b) Appl. Surf. Sci. 406, 69–76 (2017). Copyright © 2017, Elsevier. (c) Nano Lett. 23, 6474–6481 (2023). Copyright © 2023, American Chemical Society. (d) Nat. Commun. 13, 7956 (2022). Copyright © 2022, Springer Nature
9 成本与放大：从精密结构走向工程制造
对于IEMFCs和IEMWEs而言，MEA成本通常占器件总成本的重要比例。传统各向同性MEA制造工艺成熟，成本较低，但由于传质效率和催化剂利用率有限，可能需要较高贵金属负载和更严格的运行管理。取向MEA虽然制备复杂，但通过提高催化剂利用率、降低传质损失和延长寿命，有望在全生命周期成本上获得优势。文章指出，取向MEA的产业化仍面临三类关键问题。第一，取向结构的制备往往依赖高精度模板、强磁场、强电场或复杂纳米阵列工艺，设备投入和工艺控制难度较高。第二，大面积膜电极中取向结构的一致性、缺陷控制和层间结合仍需验证。第三，实验室中观察到的性能提升，需要在实际面积、实际压力、实际湿热循环和长寿命条件下进一步确认。因此，取向MEA的评价体系也需要同步升级。除常规极化曲线和功率密度外，还应报告厚度方向与面内方向离子电导率、气体渗透率、水通量、催化剂利用率、ECSA衰减、界面接触电阻和加速应力测试结果。尽管如此，取向MEA仍具有明确的产业吸引力。通过降低铂族金属用量、减少欧姆极化和浓差极化、提高高电流密度运行稳定性，取向结构特别适合重载交通、分布式制氢和高效率电解槽等场景。未来若能发展连续化涂布、卷对卷模板、低场强取向和一体化成型工艺，取向MEA有望从高成本精密结构逐步走向标准化核心部件。
10 总结
总体而言，该综述围绕“取向膜电极组件”这一前沿方向，系统阐明了从无序传输到单轴定向传输的结构设计逻辑。文章指出，IEMFCs和IEMWEs的效率、功率密度和耐久性本质上受MEA中离子、气体和水的多尺度耦合传输控制。通过在离子交换膜中构筑厚度方向离子通道，在催化层中构筑有序反应与排泡路径，在多孔传输层中引入梯度孔结构和润湿性设计，可以显著降低传输阻力、提高催化剂利用率并增强运行稳定性。未来，取向MEA的发展需要材料设计、结构制造、界面表征和器件工程深度融合。一方面，需要开发高导电、高稳定、可取向的新型膜材料、离聚物、催化剂和传输层材料；另一方面，需要建立适合大面积、高一致性和低成本制造的工艺平台。随着取向结构从单层优化走向全MEA协同设计，燃料电池和水电解槽有望进一步突破高电流密度、低贵金属负载和长寿命运行之间的平衡难题，为氢能技术和碳中和目标提供支撑。
04 通信作者简介
张俊锋副教授｜天津大学
张俊锋，天津大学副教授，博导，入选全球前2%顶尖科学家榜单（2024），《汽车安全与节能学报》青年编委，江苏省可再生能源行业协会专家委员会委员。其研究聚焦燃料电池和水电解关键材料与器件，尤其关注膜电极组件协同设计。在Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际期刊发表论文100余篇，论文被引5 000余次，H指数39。
尹燕教授｜天津大学
尹燕，天津大学教授。主要从事水电解和燃料电池关键材料与传输过程基础研究，包括膜与催化剂设计、膜电极组件性能和寿命预测等。已在Nat. Energy、Nat. Commun.和Energy Environ. Sci.等期刊发表论文100余篇，SCI论文被引万余次，入选爱思唯尔“中国高被引学者”以及全球前2%科学家“年度影响力”和“终身科学影响力”榜单。
王天友教授｜天津大学
王天友，天津大学教授，长期从事氢能高效利用、清洁低碳动力与储能理论技术研究，相关成果在150余家单位得到了广泛应用。发表论文270余篇，以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项，获国家级教学成果奖2项。
Michael D. Guiver教授｜天津大学
Michael D. Guiver教授于2014年加入天津大学，1988年获加拿大卡尔顿大学化学博士学位，英国皇家化学会会士和ACS Poly Fellow。于1987年至2014年在加拿大国家研究委员会工作，并于2009年至2013年担任韩国汉阳大学访问教授。曾任Journal of Membrane Science编辑12年，现任Frontiers in Membrane Science and Technology领域主编。其研究兴趣为离子交换和气体分离用聚合物膜，在Nature等期刊发表论文300余篇、图书章节11章。
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