超声雾化喷涂技术在质子交换膜制氢与燃料电池领域的应用分析

　　质子交换膜（PEM）作为氢燃料电池和电解水制氢装置的核心部件，其表面催化剂涂层的均匀性、致密性

及附着力直接决定了电堆的性能与寿命。超声雾化喷涂技术凭借其高精度、低应力、高材料利用率等特性，已成为

PEM喷涂工艺的重要发展方向。本文将从技术原理、工艺优势、关键控制参数及产业化应用等维度，对这一技术进行

系统阐述。

　　一、技术原理与设备构成

　　超声雾化喷涂仪的核心机理在于利用压电陶瓷换能器将高频电能转化为机械振动能。当频率高于20kHz的超声

振动作用于液体介质时，液体表面会产生毛细重力波；当振幅超过临界值，波峰处的液滴挣脱表面张力束缚，形成微米级

雾滴。这一过程遵循“超声雾化理论”，雾滴粒径与振动频率呈反比，通常可达10-50μm，具有粒径分布窄、初速度

低的特点。

　　设备系统通常由四部分组成：精密供液单元（注射泵或蠕动泵）、超声雾化喷头（可选聚焦型或宽幅型）、三维

运动平台（精度±0.01mm）以及尾气处理系统。针对PEM喷涂，设备常配置恒温恒湿环境箱，以维持膜电极的含水

率与平整度。

　　二、针对PEM喷涂的工艺优势

　　相较于传统气动喷枪或转印工艺，超声雾化喷涂在PEM应用场景中表现出显著的适配性：

　　无气喷涂，避免膜损伤：传统喷涂依赖高压空气将浆料破碎，高速气流易导致质子交换膜（厚度通常仅10-20μm）

发生波浪形变甚至穿孔。超声雾化仅依靠物理振动使液滴自然脱落，雾化颗粒以近乎零初速度落于膜面，有效避免

“掩模效应”和应力集中。

　　高材料利用率，降低贵金属成本：催化剂浆料中铂、铱等贵金属成本占比极高。超声喷涂的定向性极强，过喷率

可控制在5%以下，材料利用率较传统喷涂提升30%以上。对于小批量研发场景，该技术可将浆料浪费降至最低。

　　优异的涂层均一性：通过调节供液速率与扫描路径，超声喷涂可实现亚微米级厚度的精确控制。在批量生产中，

其涂层均匀性变异系数（CV%）通常可稳定在3%以内，有效避免了局部“热点”或反应死区，显著提升膜电极一致性。

　　避免Nafion膜溶胀变形：PEM（如杜邦Nafion系列）对醇类溶剂敏感，极易吸水溶胀。超声雾化喷涂可搭配

低沸点溶剂体系，并采用间歇式喷涂策略，使溶剂在每一薄层沉积时快速挥发，从而维持膜面平整度，避免因溶胀

导致的“橘皮”或皱褶。

　　三、关键工艺参数与控制策略

　　实现高性能PEM喷涂，需对以下参数进行协同优化：

　　浆料流变特性：催化剂浆料通常由催化剂、Nafion离聚物、水及醇类组成。需调控浆料的粘度与表面张力，

粘度过高易堵嘴，过低则液滴难以有效雾化。通常建议粘度范围控制在5-20cP，并需在喷涂过程中持续低速

搅拌，防止颗粒沉降。

　　雾化功率与频率：高频低幅模式可获得更细小的雾滴，利于形成致密涂层，但雾化量较小；低频高幅模式

出液量大，适合快速成层。针对PEM催化层，通常采用双频复合模式，底层以小粒径提升结合力，表层以大流量

提升效率。

　　固化工况：喷涂后的干燥速率直接影响离聚物的重排与裂纹形成。当前主流趋势是采用热风与红外复合干燥

工艺，精确控制温度梯度，避免表层结壳而内部溶剂残留。

　　四、产业化应用现状与展望

　　目前，超声雾化喷涂设备已从实验室级向规模化产线级演进。在PEM电解水制氢领域，阳极侧高电压环境

对催化层致密性提出更高要求，超声喷涂通过高致密化沉积显著降低了析氧反应中的过电位。在燃料电池方面，

直接膜沉积（CCM）工艺正逐步取代GDE工艺，超声喷涂作为连续卷对卷生产线的核心单元，其单班产能已

突破万片级。

　　展望未来，该技术的突破点将集中于智能化闭环控制——通过集成激光测厚仪与机器视觉，实时反馈涂层

厚度并自动修正喷涂流量，从而实现“零缺陷”制造。此外，针对固态电解质膜等新型膜材料，多喷头异步混喷

技术的研发也将进一步提升膜电极的性能边界。

　　超声雾化喷涂技术通过非接触式、低应力的介质传递方式，精准契合了质子交换膜对精细加工的需求，已

成为推动氢能核心部件制造升级的关键工艺节点。