超声波喷涂技术：攻克镍毡薄膜涂层制备难题的精密利器

　　在氢能产业高速发展的今天，电解水制氢技术，特别是质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）电解槽，

已成为绿色制氢的核心路径。其心脏部件——膜电极（MEA）的性能，直接决定着电解槽的能效与寿命。而膜电

极中，承载着珍贵催化剂的气体扩散层（GDL）的制备，尤其是镍毡这类多孔金属基材上的均匀、高效、低损耗

薄膜涂层，一直是科研与生产中的关键挑战与成本瓶颈。

　　传统涂布方法如刮涂、喷涂在面对镍毡这类具有复杂三维网状结构、高孔隙率的基材时，往往力不从心。涂层

材料容易堵塞孔隙，导致传质阻力增加；催化剂（如铱、铂）分布不均，造成局部反应过浓或不足；更严重的是，

材料利用率低，昂贵的贵金属被大量浪费。如何实现纳米级催化剂在镍毡骨架上的精准、均匀、牢固附着，成为

行业突破的焦点。

　　超声波喷涂原理：从“暴力覆盖”到“精密雾化”

　　超声波喷涂技术的引入，为这一难题提供了革命性的解决方案。它完全摒弃了传统靠高压气体撕裂液体的方式，

其核心在于超声波雾化喷头。

　　高频振动，极致雾化：喷涂头内部的压电陶瓷换能器将高频电信号转化为相同频率的机械振动（通常为20kHz

至120kHz）。这种高频振动传递至喷头末端的振动片，使其产生微米级的纵向伸缩。

　　形成均匀微滴：当涂层浆料（含催化剂、离聚物、溶剂等）以低速流经振动片表面时，会被高频振动“撕扯”

成数量极其庞大且尺寸高度均一的微细液滴，形成一层轻柔、低速的“雾状”云团。

　　软着陆附着：这些微米级雾滴在极低的动能下被输送至镍毡基材表面。由于其动量小，避免了浆料对多孔结构

的冲击渗透和飞溅，实现了真正的“软着陆”。雾滴凭借表面张力均匀铺展、浸润，随后通过后续干燥和热处理

过程，形成一层薄而致密、覆盖均匀的催化层薄膜。

　　攻克镍毡涂层的五大核心优势

　　将超声波喷涂应用于镍毡薄膜涂层制备，其优势体现在每一个关键环节：

　　卓越的均匀性与一致性：这是其最突出的优势。超声波产生的液滴尺寸分布范围极窄，确保了每一单位面积

镍毡接收到的催化剂负载量高度一致。对于大面积的工业级镍毡卷材，配合精密的XYZ运动平台，可实现整个幅

面涂层均匀性的标准差小于3%，从根本上保证了膜电极性能的均一和稳定。

　　极高的材料利用率：传统喷涂的过喷率可能高达30%-50%。而超声波喷涂的雾滴定向性好，且基材处于“微湿”

状态，材料几乎被全部利用，对于铱、铂等每克价值数千元的贵金属催化剂而言，直接材料成本可降低20%-30%，

经济效益巨大。

　　完美的多孔结构保持：极低的喷射压力（近乎重力流淌）意味着浆料不会在压力驱动下强行灌入并堵塞镍毡的

内部孔隙。催化剂层主要形成于纤维表面，完美保留了镍毡原有的高孔隙率和三维通气通道，确保了电解过程中

氢气和氧气、水的高效传质。

　　优异的涂层附着力与导电性：均匀的薄层覆盖使得催化剂颗粒与镍毡纤维基底接触更充分，经过热处理后，结合

更牢固，有效减少了运行过程中的催化剂脱落。同时，薄而均匀的涂层也降低了电子传导阻力。

　　无堵塞维护与高工艺可控性：喷头无细小孔径，依靠振动片工作，从根本上杜绝了堵塞问题，维护简单，连续

生产稳定性高。通过精密控制液体流量、雾化频率和喷涂速度，可以轻松、线性地调整催化剂负载量（如从0.1mg/cm²

到2.0mg/cm²），为工艺研发和优化提供了极大的灵活性。

　　在实际制氢组件生产中的应用

　　在PEM电解槽的阴极（析氢侧）和AEM电解槽的电极中，镍毡因其良好的导电性、耐腐蚀性及成本优势，被

广泛用作气体扩散层。使用超声波喷涂设备，可以：

　　制备阴极催化剂层：将Pt/C或低铂催化剂浆料均匀喷涂于镍毡上，形成高效的析氢反应界面。

　　制备阳极催化剂层（AEM）：将NiFe基、镍基等非贵金属催化剂喷涂于镍毡，用于AEM电解槽的析氧反应。

　　制备微孔层（MPL）：在镍毡表面先喷涂一层碳粉与PTFE的混合浆料，形成憎水性的微孔层，优化水气管理。

　　卷对卷连续生产：搭配自动卷对卷送料系统，超声波喷涂是实现镍毡气体扩散层连续、高速、高质量生产的

首选技术。

　　成功应用的关键：设备与工艺的协同

　　要充分发挥超声波喷涂的优势，离不开高性能设备和成熟工艺包的结合。一台先进的超声波喷涂系统通常

包括：

　　高稳定性超声喷头：确保长期运行的雾化频率和振幅稳定。

　　精密定量供料系统：采用精密注射泵或齿轮泵，实现ml/min级别的精准、脉动流量控制。

　　智能化运动控制平台：根据镍毡的幅宽和喷涂图案要求，进行多轴联动精确路径规划。

　　在线干燥与闭环环境控制：实时控制基材温度和喷涂环境的温度、湿度，防止浆料过早干燥或结露。

　　结论

　　从实验室研发到规模化量产，超声波喷涂技术正以其不可替代的精准性、经济性和可靠性，重新定义镍毡

薄膜涂层制备的标准。它不仅是提升PEM/AEM电解槽性能、降低制氢成本的关键工艺装备，更是推动氢能

技术从示范走向大规模商业化应用的坚实基石。对于致力于前沿氢能技术开发的科研机构与立志于降本增效的

制造企业而言，投资并掌握这项精密涂布技术，无疑是在激烈的产业竞争中抢占先机的明智之选。