质子膜超声喷涂技术：推动燃料电池制造的革命性工艺

　　在燃料电池制造领域，一项精密涂覆技术正悄然改变着质子交换膜电极的制备方式，为清洁能源时代注入新动力。

　　超声喷涂技术作为一种新兴的精密涂覆工艺，通过高频超声波将催化剂浆料瞬间雾化成微米级或纳米级的均匀颗粒，

精准沉积在质子交换膜表面，形成高效稳定的催化剂涂层。

　　与传统的涂覆方式相比，超声喷涂技术凭借高精度、卓越的涂层均匀性和高材料利用率，正成为质子交换膜燃料

电池（PEMFC）和质子交换膜水电解器（PEMWE）制造中不可或缺的先进涂覆解决方案。

　　01技术原理：超声波精准雾化的科学基础

　　超声喷涂系统基于郎之万换能器原理，将高频声波转换为机械振动能量，使催化剂浆料在通过喷嘴时被分解成

微米级的均匀雾滴，再通过载气精确导向并沉积在质子交换膜表面。

　　这种技术不同于传统的二流体喷涂，它不需要小的孔径来实现雾化，让浆料在较低压力下通过较大孔径，仅依

靠超声波振动实现均匀雾化。

　　这一特点使超声喷涂不仅避免了喷嘴堵塞的风险，而且产生的低流速喷雾更易控制，材料利用率高达95%以上，

远超传统喷涂方法，同时能实现厚度仅几十纳米的精密薄膜制备。

　　02应用价值：燃料电池性能提升的关键途径

　　提升催化剂利用率与降低铂负载

　　在质子交换膜燃料电池制造中，超声喷涂技术已成为催化剂涂层膜（CCM）制备的关键工艺。

　　通过优化超声喷涂参数，研究人员成功实现了超低铂负载下的高性能燃料电池制造，铂负载量可降低至0.272mg/cm²

甚至更低，同时保持优异的电池性能。

　　一项研究表明，采用超声喷涂制备的膜电极（MEA）在铂负载为0.350mg/cm²时，能达到0.339W/cm²的峰值

功率密度和0.967W/mgPt的阴极质量功率，大大降低了燃料电池的制造成本。

　　改善催化剂涂层均匀性与界面接触

　　超声喷涂技术能制备出厚度均匀的催化剂层，显著改善催化剂与质子交换膜之间的界面接触。

　　研究显示，超声喷涂制备的催化剂涂层膜（CCM）比催化剂涂层基底（CCS）具有更低的电阻，这得益于改善的

催化剂层-膜离子接触，从而提升了燃料电池的整体性能。

　　适用于多种膜电极结构

　　超声喷涂技术灵活性强，可用于多种膜电极制造方法：

　　催化剂涂层膜（CCM）：直接涂层催化剂于膜上

　　转印法CCM：涂层催化剂于基材上再转移到膜

　　催化剂涂层基底（CCS）：涂层催化剂于气体扩散层

　　03工艺优化：关键参数对涂层质量的影响

　　喷嘴参数控制

　　研究表明，喷嘴高度和移动速度显著影响催化剂涂层的均匀性和性能。

　　通过精确控制这些参数，可以优化催化剂的分布和催化剂涂层的微观结构，从而提升燃料电池的性能和

催化剂利用率。

　　浆料配方与性质

　　催化剂浆料的配方是超声喷涂工艺的核心要素：

　　溶剂选择：由于低介电常数，四氢呋喃（THF）作为催化剂浆料溶剂表现出比异丙醇（IPA）更好的性能

　　离聚物含量：研究表明，最佳Nafion含量为33%时，CCM表现出最佳性能

　　添加剂使用：添加5wt%的PTFE可以改善催化剂层的浓度极化而不影响电荷转移电阻

　　涂层结构设计

　　超声喷涂可实现多层薄膜制备，保留电极孔隙率，阻碍涂层过程中的电极表面溢流现象，增强反应物在

燃料电池运行中的传输。

　　均匀的薄层结构通过超声涂层方法实现，使得使用超声喷涂技术制造高性能、可重复的大面积电极成为可能。

　　04应用领域：氢能技术的广泛适用性

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）

　　质子交换膜燃料电池作为一种清洁电化学能源设备，其唯一副产物是水，成为交通和固定供电的理想选择。

　　超声喷涂技术在其中用于制造膜电极（MEA）——被称为PEMFC的"心脏"，由质子交换膜、两个催化剂层和

两个气体扩散层组成。

　　质子交换膜水电解器（PEMWE）

　　可再生氢能（称为绿氢）在decarbonise运输和工业部门方面具有重要意义。

　　超声喷涂用于制造质子交换膜水电解器的催化剂涂层膜（CCM）——通过水分解电化学过程生产绿氢的关键组件。

　　高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）

　　超声喷涂技术也适用于高温质子交换膜燃料电池的制造，使用磷酸掺杂的聚（2,5-苯并咪唑）（AB-PBI）膜，

在160°C高温条件下工作。

　　05性能优势：超声喷涂的核心竞争力

　　超高涂层均匀性

　　超声喷涂可实现超过95%的喷涂均匀度，能将涂层厚度偏差控制在极小的范围内。这种卓越的均匀性源于

超声波雾化的独特原理，使液滴尺寸分布高度一致。

　　卓越材料利用率

　　超声喷涂系统达到90%的平均转移效率，在保证精度的同时大幅减少了贵金属催化剂的浪费，这对于降低

燃料电池成本至关重要。

　　提升电池性能

　　采用超声喷涂制备的电极，功率密度比传统空气压力雾化喷涂提高2.5倍，最高可达0.88W/cm²。

　　优异的大面积制备能力

　　超声喷涂技术已用于制造面积高达400cm²的气体扩散电极，且通过计算机控制实现涂层过程的全自动化，

保证可重复性和一致性。

　　06发展前景：超声喷涂技术的未来方向

　　低铂与无铂催化剂涂层

　　随着铂金属的稀缺性和高成本问题日益突显，超声喷涂技术正向着超低铂载量甚至无铂催化剂涂层方向发展。

　　这需要更精密的涂层控制技术，确保在大幅减少铂用量的同时，保持甚至提升燃料电池性能。

　　工艺参数智能化控制

　　未来超声喷涂技术将更加注重工艺参数的智能化优化，通过实时监控和调整喷嘴高度、移动速度、浆料流量

等参数，实现涂层质量的最优控制。

　　绿色制氢领域的拓展应用

　　随着绿氢需求的增长，超声喷涂技术在质子交换膜水电解器制造中的应用将进一步扩大，支持可再生能源

的大规模存储和利用。

　　结合先进表征技术

　　将超声喷涂与电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等先进表征技术结合，实现涂层质量的实时监测

和反馈控制，保证产品一致性。

　　超声喷涂技术正持续推动质子交换膜制造领域的变革。无论是提升燃料电池性能，还是降低制造成本，

都得益于这项精准的涂层技术。

　　未来，随着技术创新不断深入，超声喷涂将在氢能领域展现更大价值，为清洁能源发展注入新动力。