超声波喷涂技术在气体扩散层（GDL）制备中的应用与优势

　　1.引言

　　燃料电池作为清洁能源技术的核心组件，其性能高度依赖于关键材料的设计与制备工艺。气体扩散层（GDL）

作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，承担着气体传输、水管理、导电与机械支撑等多重功能。传统

喷涂工艺（如空气喷涂、刮涂）在GDL微孔层（MPL）的涂覆过程中常面临涂层均匀性差、材料利用率低等问题。

超声波喷涂技术凭借其非接触式、高精度雾化的特点，成为优化GDL制备工艺的创新解决方案。

　　2.超声波喷涂技术原理

　　2.1技术核心

　　超声波喷涂仪通过压电换能器将电能转化为高频机械振动（通常20–200kHz），使喷嘴处的液体在超声波的

剪切作用下形成均匀的微米级雾滴（粒径可控至10–50μm）。相较于传统喷涂的加压雾化，超声波雾化具有以下特点：

　　低流速喷涂：无需高压气体，减少飞溅和过度喷涂；

　　均匀雾化：液滴尺寸分布窄，提高涂层一致性；

　　适应复杂浆料：可处理高粘度、含纳米颗粒的浆料（如炭黑、PTFE乳液）。

　　2.2设备组成

　　超声发生器：提供高频电信号；

　　压电换能器：将电能转化为机械振动；

　　雾化喷嘴：根据需求定制孔径与喷雾模式；

　　运动控制平台：实现高精度路径规划（±0.1mm重复定位精度）。

　　3.超声波喷涂在GDL制备中的关键应用

　　3.1微孔层（MPL）涂覆

　　GDL的MPL通常由炭黑、疏水剂（如PTFE）和造孔剂组成，需在碳纸基底上形成厚度5–50μm的多孔结构。超声波喷涂的优势体现为：

　　精准控制涂层厚度：通过调节喷嘴移动速度、雾化频率和浆料浓度，实现亚微米级厚度精度；

　　减少材料浪费：材料利用率可达90%以上（传统喷涂仅60–70%）；

　　避免基底损伤：非接触式喷涂减少对碳纸纤维结构的机械冲击。

　　3.2功能化涂层制备

　　梯度结构设计：通过多层喷涂实现孔隙率/疏水性的梯度分布，优化水管理能力；

　　催化剂负载：在GDL表面直接喷涂Pt/C催化剂层，简化膜电极（MEA）组装流程。

　　4.技术优势与实验验证

　　案例研究

　　某研究团队采用Sono-TekExactaCoat系统制备Pt/CNTs复合GDL，结果显示：

　　催化剂层厚度偏差控制在±0.8μm内；

　　燃料电池峰值功率密度提升12%（对比刮涂法）；

　　催化剂载量降低15%的同时保持相同电流输出。

　　5.技术挑战与未来趋势

　　5.1当前挑战

　　浆料流变学优化：高固含量纳米浆料的分散稳定性需与超声雾化参数匹配；

　　大规模生产适配性：需进一步提高喷涂速度以满足卷对卷（Roll-to-Roll）生产需求。

　　5.2发展方向

　　智能化工艺控制：集成机器学习算法实时调节喷涂参数；

　　多材料共喷涂：同步沉积疏水/亲水组分，实现GDL功能一体化；

　　绿色制造：结合水性浆料与超声喷涂，减少VOC排放。

　　6.结论

　　超声波喷涂技术为气体扩散层的高精度、低成本制造提供了革新路径。其在控制涂层微观结构、提升

燃料电池性能方面的潜力已得到实验验证。随着设备智能化与工艺标准化的发展，该技术有望推动燃料

电池从实验室走向规模化生产。