1.引言

　　碳纸（CarbonPaper）作为燃料电池气体扩散层（GDL）的核心基材，需通过表面涂层赋予其导电性、疏水

性及催化活性等关键性能。传统浸渍、刮涂等工艺存在涂层渗透不均、孔隙堵塞、材料浪费等问题。超声波喷涂

技术凭借其非接触式、微米级雾化能力，成为实现碳纸高性能涂层的理想选择。本文将从碳纸特性、喷涂工艺设

计到性能验证进行全面解析。

　　2.碳纸涂层的关键需求与挑战

　　2.1碳纸基材特性

　　多孔纤维结构：孔隙率60–80%，孔径5–30μm，需避免涂层过度渗透或孔隙堵塞；

　　机械脆性：碳纤维易受机械应力损伤，需非接触式喷涂工艺；

　　表面惰性：需通过功能涂层（如PTFE疏水层、导电炭黑层）改善界面性能。

　　2.2涂层工艺核心挑战

　　均匀性与渗透控制：需在表面形成连续薄层（1–20μm），同时保留孔隙连通性；

　　浆料兼容性：高固含量纳米浆料（如CNTs、石墨烯）的稳定分散与喷涂；

　　生产效率：满足卷对卷（Roll-to-Roll）连续生产的喷涂速度与一致性。

　　3.超声波喷涂技术原理与碳纸适配性

　　3.1超声波雾化机制

　　低频超声（20–60kHz）：生成大流量雾滴（20–100μm），适合快速覆盖碳纸表面；

　　高频超声（80–120kHz）：生成精细雾滴（5–30μm），适用于纳米材料渗透修饰；

　　自适应参数调节：根据浆料粘度（1–5000cP）、固含量（0.1–40wt%）实时调整振动频率。

　　3.2碳纸喷涂专用设备设计

　　多轴运动平台：支持碳纸卷材的连续喷涂（速度0.1–2m/min）；

　　狭缝式超声喷嘴：覆盖宽度50–200mm，适用于宽幅碳纸（如TorayTGP-H系列）；

　　在线干燥系统：集成红外或热风干燥，防止浆料过度渗透。

　　4.超声波喷涂在碳纸涂层中的典型应用

　　4.1导电增强层制备

　　材料体系：炭黑/PTFE复合浆料、石墨烯分散液；

　　工艺参数：

　　雾化频率：40kHz（炭黑浆料）、80kHz（石墨烯浆料）；

　　涂层厚度：3–10μm（面电阻<50mΩ·cm²）；

　　优势：避免刮涂导致的纤维断裂，提升导电均匀性。

　　4.2疏水处理（PTFE涂层）

　　功能需求：接触角>130°，孔隙疏水化以优化水管理；

　　工艺创新：

　　梯度喷涂：通过3层喷涂实现PTFE浓度从表面向内部递减（60%→30%→10%）；

　　原位固化：喷涂过程中同步加热至340–360℃，促进PTFE纤维化网络形成。

　　4.3催化剂直接沉积

　　一体化工艺：在碳纸表面直接喷涂Pt/C催化剂层（0.1–0.4mg/cm²），跳过传统GDL-MEA分步组装；

　　案例数据：

　　催化剂利用率提升至68%（对比传统CCM工艺的55%）；

　　单电池峰值功率密度达1.2W/cm²（提升18%）。

　　5.工艺优化与性能验证

　　实验案例：石墨烯/PTFE复合涂层

　　工艺设计：

　　浆料配方：0.5wt%石墨烯+15wt%PTFE乳液；

　　喷涂参数：60kHz，移动速度0.5m/min，3次往复喷涂；

　　结果：

　　涂层厚度8.2±0.3μm，面电阻32mΩ·cm²；

　　接触角148°，燃料电池耐久性提升40%（1000小时测试）。

　　6.技术挑战与未来方向

　　6.1当前技术瓶颈

　　浆料稳定性：纳米材料（如CNTs）长时间喷涂的分散性维持；

　　宽幅喷涂均匀性：>500mm幅宽碳纸的边缘效应控制；

　　成本控制：贵金属催化剂（如Pt）喷涂的利用率优化。

　　6.2创新解决方案

　　多喷嘴阵列技术：并行喷涂提高产能，适用于卷对卷产线；

　　AI动态调控：基于机器视觉的涂层厚度实时反馈与参数修正；

　　绿色浆料开发：水性PTFE乳液替代含氟溶剂体系。

　　7.结论

　　超声波喷涂技术为碳纸涂层的高精度、低损耗制备提供了颠覆性工艺路径。其在控制涂层微观结构、保

留碳纸多孔特性方面的优势，显著提升了燃料电池性能与生产经济性。随着设备智能化与工艺标准化进程加

速，该技术有望成为下一代氢能装备制造的核心技术之一。