超声喷涂技术：质子交换膜制造的革命性突破，开启高效燃料电池新时代

在能源转型与“双碳”目标成为全球共识的今天，氢燃料电池以其零排放、高效率的显著优势，站在了清洁能源

技术的前沿。而作为氢燃料电池心脏的质子交换膜（PEM），其性能直接决定着电池的效率、寿命与成本。传统

质子交换膜制造工艺面临涂层均匀性差、贵金属催化剂利用率低、原料浪费严重等瓶颈。此时，一项精密、高效的

薄膜制备技术——超声喷涂，正悄然引领着质子交换膜制造的深刻变革，为燃料电池的大规模商业化铺平道路。

超声喷涂：原理与超越传统的优势

超声喷涂技术，顾名思义，是利用高频超声波能量（通常频率在20kHz至数百kHz）作用于液体，将其破碎、雾化成

微米甚至纳米级均匀细密液滴的过程。与传统依靠高压气体剪切作用的喷涂方式相比，其核心优势在于：

极致均匀与超薄可控：超声波产生的雾化液滴尺寸均一、分布集中，且动能较低。这使得它在基底上能够形成极其

均匀、致密、无“咖啡环”效应的薄膜。对于质子交换膜而言，这意味着催化层厚度可被精确控制至微米甚至亚微米

级别，且活性物质分布高度均一，极大提升了质子传导效率和反应活性位点的一致性。

超高材料利用率与节约成本：超声雾化几乎不存在“过喷”现象，液滴定向性好，材料利用率可高达95%以上。这对于

含有昂贵铂（Pt）等贵金属催化剂的质子交换膜浆料而言，是革命性的成本节约。同时，浆料浓度适应范围广，可实

现低浓度、高分散性的高效喷涂。

温和工艺与基底友好：低压、低温的雾化过程避免了高压喷涂可能对脆弱的多孔气体扩散层（GDL）或初生膜层造

成的冲击损伤，尤其适用于制备膜电极（MEA）这种多层精密结构。

卓越的重复性与自动化潜力：工艺参数（频率、功率、流速、移动速度）数字化控制，确保了批次间高度一致的产品

质量，非常适合工业化连续生产。

赋能质子交换膜：从实验室到产业化的关键技术

超声喷涂技术在质子交换膜燃料电池（PEMFC）制造中的应用，主要集中在核心组件——膜电极（MEA）的催化层

制备上，并展现出全方位提升：

催化层微观结构优化：通过精确控制浆料配方与喷涂参数，可以构建孔隙结构更合理、三相边界（反应气体、催化剂、

质子导体）更充分的催化层。这不仅提升了催化活性，更改善了水管理能力，防止膜过干或水淹，是提升电池功率密

度与耐久性的关键。

梯度化与定制化涂层：超声喷涂易于实现多层、多材料的顺序或共喷涂。例如，可以制备催化活性物质浓度呈梯度分布

的催化层（阳极到阴极方向），以优化反应物浓度场和电流密度分布；或精确喷涂超薄防腐蚀层、自由基淬灭层，显著

延长质子交换膜的使用寿命。

直接膜沉积（DMD）与新型膜开发：除了催化层，超声喷涂还可用于直接制备复合质子交换膜本身。例如，将Nafion®

离聚物溶液与其他功能材料（如无机纳米颗粒用于高温保水、自由基清除剂）均匀共混并直接喷涂成膜，为开发高性能、

低成本的新型复合膜提供了灵活高效的工艺路径。

推动电解槽与可再生燃料合成：同样基于质子交换膜技术的电解水制氢（PEMEC）设备，其阴极、阳极催化层以及对

聚合物电解质膜的均匀性要求极高，超声喷涂技术在此领域同样大有可为，服务于整个绿氢产业链。

挑战、未来展望与产业意义

尽管前景广阔，超声喷涂技术在大规模产业化应用中仍需应对挑战：如何进一步提升大面积喷涂的绝对均匀性（面内一致性）、

如何实现浆料在线循环与稳定性控制、以及如何与卷对卷（R2R）连续生产线无缝集成，优化生产节拍。

展望未来，超声喷涂技术与智能化制造的结合将是必然趋势。集成机器视觉的在线厚度监测与反馈控制系统，结合人工智能算

法对海量工艺参数进行优化，将实现“智能喷涂”，制造出性能逼近理论极限的下一代质子交换膜与膜电极。

结语

超声喷涂技术，凭借其精密、高效、节约的核心特质，正在重塑质子交换膜的制造范式。它不仅是实验室里制备高性能样品的

神兵利器，更是打通燃料电池从“样品”到“产品”再到“商品”鸿沟的关键工艺桥梁。随着氢能产业的加速发展，超声喷涂技术必将

在降低燃料电池系统成本、提升其性能与可靠性方面发挥不可替代的作用，为驱动全球向清洁、可持续的氢能未来迈进，注入强

劲而精准的科技动力。