PEM超声波喷涂：驱动燃料电池性能跃升的精密制造革命

　　在迈向零碳未来的道路上，质子交换膜燃料电池（PEMFC）被誉为交通与固定式发电领域的“终极能源

解决方案”之一。其核心动力单元——膜电极（MEA）的性能与成本，直接决定了燃料电池的商业化进程。

在MEA制造的诸多环节中，催化层的精密涂覆是决定电化学反应效率与贵金属用量的关键。而PEM超声波喷涂

技术，正以其无可替代的工艺优势，成为突破性能瓶颈、降低制造成本的行业公认利器。

　　为什么PEM制造尤其需要超声波喷涂？

　　质子交换膜催化层的制备，是一项对精度、均匀性和材料经济性要求都极为严苛的挑战。催化层浆料通常包含：

　　昂贵的贵金属催化剂（如铂或铂合金）

　　复杂的离聚物（如Nafion®）

　　挥发性溶剂

　　传统喷涂或涂布工艺在此面临巨大局限：喷涂不均匀导致活性位点分布不均，产生局部热点，加速衰减；过喷严重，

导致昂贵的铂金被浪费在集液盘而非膜上；强剪切力可能破坏催化剂的纳米结构或离聚物网络。

　　超声波喷涂技术的引入，正是针对这些痛点的“靶向治疗”。

　　PEM超声波喷涂的核心技术优势解析

　　1.原子级均匀性，最大化催化效率

　　超声波喷涂通过高频振动产生微米级、尺寸均一的雾化液滴。这种物理雾化方式，能确保每一个雾滴中都含有

比例一致的催化剂和离聚物。当这些液滴沉积在质子交换膜或气体扩散层基底上时，能形成厚度均匀、成分均一的催化层。

　　结果：催化剂纳米颗粒高度分散，三相反应界面（电子、质子、气体）得到最优化构建。这意味着在相同的铂载量下，

电化学反应活性面积更大，电流密度更高，电池的输出功率和效率得到显著提升。

　　2.卓越的材料利用率，直面“降本”核心挑战

　　对于PEM燃料电池，催化剂成本占总成本的比例极高。超声波喷涂的“软雾化”特性使得喷雾呈层流状，定向性极佳，

材料过喷损耗极低，利用率可轻松达到95%以上。

　　商业价值：这直接等同于将贵金属铂的用量降至最低，是实现燃料电池系统成本达到商业化目标

的关键工艺支撑。从实验室迈向规模化生产，材料节约带来的经济效益呈指数级增长。

　　3.温和工艺，保护脆弱基底与敏感材料

　　质子交换膜本身薄而柔软，气体扩散层则具有多孔脆弱的微观结构。传统高压喷涂的冲击力可能导致膜变形、

穿孔或GDL结构破坏。超声波喷涂的液滴速度低、动能小，实现了“软着陆”式沉积。

　　优势：完美保护了基底完整性，特别适用于直接喷涂在膜上（CCM工艺）或超薄催化层的制备。同时，温和的

雾化过程避免了高剪切力对催化剂浆料稳定性的破坏。

　　4.无与伦比的工艺可控性与灵活性

　　通过数字精密控制，超声波喷涂系统可以轻松实现：

　　超低载量喷涂：精确控制低至0.01mgPt/cm²的催化剂载量，满足超低铂、非铂催化剂研发需求。

　　梯度催化层制备：通过编程控制，可调整喷涂配方或厚度，制造出从膜到扩散层方向呈梯度变化的催化层，优化

水管理和气体传输。

　　快速配方迭代：非常适合研发阶段，用极少量浆料即可完成新配方验证，加速研发进程。

　　应用场景：贯穿PEM技术全生命周期

　　前沿研发与试制：在实验室中，研究人员利用其小剂量、高精度的特点，快速筛选催化剂配方、离聚物比例，

优化微观结构，是探索下一代高性能、低铂/无铂催化剂的必备工具。

　　CCM（催化剂涂覆膜）制备：这是当前主流的高性能MEA制造工艺。超声波喷涂可直接在质子交换膜的两侧

精密涂覆阳极和阴极催化层，形成结构致密、界面电阻低的CCM，是制造高性能、长寿命电堆的核心步骤。

　　GDE（气体扩散电极）制备：也可选择将催化层直接喷涂在气体扩散层（GDL）上，为某些特定的电池设计或

工艺路线提供解决方案。

　　规模化生产：随着自动化多喷头阵列系统和在线监测技术的集成，超声波喷涂已成功用于PEM燃料电池的预量产

和规模化生产线，在保证一致性的前提下实现高效产出。

　　选择PEM专用超声波喷涂系统的关键考量

　　面对PEM制造的特殊要求，选择设备时应重点关注：

　　雾化精度与一致性：直接决定催化层质量，需通过第三方检测验证。

　　耐腐蚀与防污染设计：系统流体路径需全面兼容强酸性的全氟磺酸离聚物溶液，防止污染和堵塞。

　　自动化与集成能力：能否与精密卷对卷（R2R）走料系统、红外干燥炉、质量检测单元无缝集成，形成闭环生产线。

　　供应商的专业知识：供应商是否深刻理解PEM电化学原理，能否提供经过验证的工艺窗口参数和全面的技术支持。

　　结语：精密喷涂，铸就氢能时代“芯”动力

　　在燃料电池从示范运营迈向全面商业化的冲刺阶段，制造工艺的每一次精进都意义重大。PEM超声波喷涂不仅仅

是一项替代传统方法的“改进型”技术，它更是一种赋能型技术——它使得工程师能够将理论上最优的催化层微观

设计，精准、经济地转化为现实产品。

　　它正悄然推动着燃料电池行业向更高性能、更低成本、更长寿命的目标坚实迈进。对于任何志在氢能赛道取得

领先的燃料电池企业、材料开发商或研究机构而言，深度掌握并应用超声波喷涂技术，已不再是可选项，而是构建

核心制造竞争力、赢得未来的战略性选择。