Ultralydsforstøvningssprøjteteknologi: Anvendelse af PEM-brændselscellekatalysatorbelægningsforberedelse

Ultralydsforstøvningssprøjteteknologi: Anvendelse af PEM-brændselscellekatalysatorbelægningsforberedelse

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er) betragtes som en højeffektiv og ren energiomdannelsesenhed som en kerneteknologibærer for brintøkonomien. Imidlertid har deres kommercialisering i stor skala længe været begrænset af høje materialeomkostninger og ydeevneflaskehalse - omkostningerne ved membranelektrodesamlingen (MEA) tegner sig for langt størstedelen af ​​brændselscelleomkostningerne, og ydeevnen af ​​MEA afhænger direkte af mikrostrukturen og forberedelseskvaliteten af ​​katalysatorlaget (CL). På denne baggrund er ultralydsforstøvningssprøjteteknologi, med dens unikke procesfordele, ved at blive den mest lovende revolutionerende proces inden for forberedelse af PEM-brændselscellekatalysatorbelægning.

I. Teknisk princip: Kernen i ultralydsforstøvningssprøjteteknologien ligger i den piezoelektriske transducer, der omdanner elektrisk energi til højfrekvente mekaniske vibrationer (typisk 20kHz-40kHz), som forstøver katalysatoropslæmningen til ensartede dråber i mikronstørrelse gennem en ultralydsdyse. Disse små dråber, styret af en lavtryksbærergas, aflejres præcist og ensartet på overfladen af ​​protonudvekslingsmembranen eller gasdiffusionslaget og danner en tæt og ensartet katalytisk belægning.

I modsætning til traditionel trykluftsprøjtning eller højtrykssprøjtning er ultralydssprøjtning en berøringsfri sprøjtemetode karakteriseret ved 'blød forstøvning' - forstøvningsprocessen er ikke afhængig af højhastighedsluftstrøm, og undgår dermed mekanisk påvirkning eller trykbelastning på præcisionssubstrater såsom protonudvekslingsmembraner. Ultralydssprøjtning kan belægge katalysatorblæk på protonudvekslingsmembraner eller andre substrater, og dråbestørrelsen er tæt forbundet med katalysatorlagets mikrostruktur.

Undersøgelser har vist, at forøgelse af dysens amplitude og frekvens og styring af overfladespændingen og viskositeten af ​​katalysatorfarven inden for passende områder er gavnligt for at opnå finere dråber og en snævrere dråbestørrelsesfordeling. Samtidig bidrager højere viskositet og lavere forskydningshastighed blækvæsker til forbedret spraykvalitet.

II. Kernefordele: Fordelene ved ultralydsforstøvningssprøjteteknologi ved fremstilling af PEM-brændselscellekatalysatorbelægninger afspejles på flere niveauer, fra mikrostruktur til makroskopisk produktion.

1. Ekstremt høj materialeudnyttelse og omkostningsbesparelser

Platin er et kernemateriale i PEM-brændselscellekatalysatorer, og dets omkostninger er høje. Ultralydssprøjteteknologi, med dens præcise dråbekontrol og høje afsætningseffektivitet, opnår materialeudnyttelsesgrader så høje som 85%-90%, langt over 20%-30% af traditionelle processer, og kan reducere platinkatalysatorforbruget med op til 50%. I forsknings- og udviklingsfasen er der kun brug for 10 ml katalysatoropslæmning til at belægge flere protonudvekslingsmembraner. Undersøgelser har vist, at membranelektroder fremstillet ved hjælp af ultralydssprøjteteknologi kan opnå en strømtæthed på 2,8 A/cm² ved 0,6 V med en platinbelastning på kun 0,3 mg/cm².

2. Ultratynd og ensartet katalytisk lagstruktur

Ultralydssprøjtning kan danne ultratynde katalytiske lag med en tykkelse på kun 5-15 mikrometer og en ensartethed på over 95%. Denne meget ensartede belægningsstruktur giver en overlegen 'trefaset reaktionsgrænseflade' - skæringspunktet mellem elektron-, proton- og gaskanaler - hvor elektrokemiske reaktioner forekommer. Den optimerede katalytiske lagstruktur forbedrer batteriets strømtæthed og holdbarhed betydeligt.

3. Skånsom proces, ingen tilstopning eller beskadigelse

Den kontinuerlige ultralydsvibration inde i ultralydsdysen spreder konstant og nedbryder aggregerede suspensionspartikler, hvilket effektivt forhindrer tilstopning af dysen. Samtidig undgår den berøringsfrie sprøjtemetode mekanisk beskadigelse af protonudvekslingsmembranen, hvilket forhindrer hævelse og deformation af membranmaterialer såsom Nafion. Ultralydsforstøvning fungerer stabilt med både katalysatorblæk med lav viskositet (såsom alkohol-vand-blandinger) og ionomer-dispersioner med høj viskositet.

4. Procesfleksibilitet og skalerbarhed

Ultralydssprøjteudstyret understøtter hele processen fra laboratorieforskning og -udvikling til industriel masseproduktion. Et sprøjtesystem udstyret med fire ultralydsdyser kan give en katalysatorsprøjtehastighed på cirka 0,8 kvadratmeter i timen, svarende til en årlig produktion på 120.000 membranelektrodesamlinger (baseret på 250 cm²/samling). Det modulære design giver udstyret mulighed for problemfrit at integrere med eksisterende produktionslinjer eller at bygge en selvstændig, fuldautomatisk belægningsproduktionslinje.

III. Nøgleapplikationsscenarier

CCM/MEA Katalysatorlag Forberedelse: Direkte sprøjtning af katalysatoropslæmninger såsom Pt/C og IrO₂ (indeholdende Nafion-ionomerer og opløsningsmidler) på begge sider af protonudvekslingsmembranen for at danne anode- og katodekatalysatorlagene - dette er den mest værdifulde anvendelse af ultralydscellespray. Katalysatorlag fremstillet ved ultralydssprøjtning kan opnås ved direkte at sprøjte katalysatoren på gasdiffusionslaget eller ved direkte at afsætte den på protonudvekslingsmembranen for at danne en katalytisk belægningsmembran (CCM).

GDL hydrofobt lag og mikroporøst lag: Sprøjtning af PTFE hydrofobe emulsioner og carbon black-PTFE mikroporøse opslæmninger på carbonpapir eller carbon klud giver mulighed for præcis kontrol af dræning og gasfordeling.

Bipolær pladebelægning: Sprøjtning af korrosionsbestandige ledende kompositlag (såsom titaniumbaserede og kulstofbaserede belægninger) reducerer kontaktmodstanden og forhindrer metalionaflejring.

IV. Banebrydende fremskridt: Fra procesoptimering til grænsefladeteknik

I de seneste år er anvendelsen af ​​ultralydsforstøvningssprøjteteknologi inden for PEM-brændselscellekatalysatorbelægninger blevet kontinuerligt uddybet. En banebrydende undersøgelse offentliggjort i 2026 foreslog en ultralydssprøjteteknik med dobbeltdyser, der uafhængigt kan afsætte Pt/C-katalysatorer og Nafion-ionomerer og opnå præcis kontrol over ionomerfordelingen. Denne grænsefladetekniske strategi opretholder et højt ionomerindhold nær membranen for at minimere protonledningsmodstanden, samtidig med at ionomerindholdet i nærheden af ​​det mikroporøse lag reduceres for at forbedre iltdiffusion og vandudstødning. Elektrokemiske tests viste, at det grænsefladeoptimerede katalysatorlag opnåede en maksimal effekttæthed på 803 mW/cm², 20%-30% højere end ensartede eller omvendte designs, og opretholdt fremragende elektrokemisk overfladeareal efter 30.000 cyklusser.

En anden undersøgelse i 2024 afslørede den dybe indvirkning af ultralydssprøjtningsprocessens parametre på katalysatorlagets struktur: øget strømningshastighed eller nedsat tryk fører til større forstøvet partikelstørrelse og en bredere partikelstørrelsesfordeling. Større dråber, der falder på Nafion-membranen, forårsager en kafferingeffekt, hvilket resulterer i defekter som appelsinskal-tekstur, fremspring og riller i katalysatorlaget, hvilket igen forringer polarisationskurven og reducerer spidseffekttætheden. Dette giver et vigtigt teoretisk grundlag for den præcise optimering af procesparametre. Ydermere er ultrasonisk spray pyrolyse (USP) teknologi også blevet brugt til at syntetisere katalysatormaterialer med højt specifikt overfladeareal, såsom PdCr/C nanokatalysatorer og CoTMPP/C elektrokatalysatorer, hvilket giver en ny katalysatorudviklingsvej for oxygenreduktionsreaktionen.

Konklusion

Ultralydsforstøvningssprøjteteknologi, med sin høje materialeudnyttelse, ultratynde og ensartede belægning, mild proces uden tilstopning eller beskadigelse og fleksible tilpasningsevne fra R&D til masseproduktion, ændrer dybtgående forberedelsesparadigmet for PEM-brændselscellekatalysatorbelægninger. Det løser ikke kun effektivt smertepunkterne ved traditionelle belægningsmetoder, såsom ujævn belægning og alvorligt materialespild, men viser også et stort potentiale i at forbedre stakens strømtæthed, reducere forbruget af ædelmetal og opnå produktion i stor skala.

Fra enkelt katalysatoraflejring til præcis styring af dobbeltdysegrænsefladeteknik, fra laboratoriepilotforsøg til storskala masseproduktion af 120.000 membranelektrodesamlinger om året, udvikler ultralydsforstøvningssprøjteteknologien sig kontinuerligt langs en vej med 'mere præcis, mere effektiv og mere økonomisk.' PEM-brændselsceller og endda i bredere nye energifelter såsom fastoxid-brændselsceller og elektrolytisk brintproduktion.