Ultraschall-Zerstäubungssprühtechnologie: Anwendung der Beschichtungsvorbereitung für PEM-Brennstoffzellenkatalysatoren

Ultraschallzerstäubungsspritztechnologie: Anwendung der Vorbereitung der PEM-Brennstoffzellenkatalysatorbeschichtung

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) gelten als hocheffiziente und saubere Energieumwandlungsvorrichtung als zentraler Technologieträger für die Wasserstoffwirtschaft. Ihre großtechnische Kommerzialisierung wurde jedoch lange Zeit durch hohe Materialkosten und Leistungsengpässe eingeschränkt – die Kosten der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) machen den größten Teil der Brennstoffzellenkosten aus, und die Leistung der MEA hängt direkt von der Mikrostruktur und der Vorbereitungsqualität der Katalysatorschicht (CL) ab. Vor diesem Hintergrund entwickelt sich die Ultraschallzerstäubungsspritztechnologie mit ihren einzigartigen Prozessvorteilen zum vielversprechendsten revolutionären Verfahren auf dem Gebiet der Beschichtungsvorbereitung für PEM-Brennstoffzellenkatalysatoren.

I. Technisches Prinzip: Der Kern der Ultraschallzerstäubungssprühtechnologie besteht darin, dass der piezoelektrische Wandler elektrische Energie in hochfrequente mechanische Schwingungen (typischerweise 20 kHz bis 40 kHz) umwandelt, die die Katalysatoraufschlämmung durch eine Ultraschalldüse in gleichmäßige Tröpfchen in Mikrometergröße zerstäuben. Diese winzigen Tröpfchen werden, geleitet von einem Niederdruck-Trägergas, präzise und gleichmäßig auf der Oberfläche der Protonenaustauschmembran oder Gasdiffusionsschicht abgeschieden und bilden eine dichte und gleichmäßige katalytische Beschichtung.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Druckluftspritzen oder Hochdruck-Airless-Spritzen handelt es sich beim Ultraschallspritzen um ein berührungsloses Spritzverfahren, das sich durch eine „weiche Zerstäubung“ auszeichnet – der Zerstäubungsprozess ist nicht auf einen Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit angewiesen, wodurch mechanische Stöße oder Druckbelastungen auf Präzisionssubstrate wie Protonenaustauschmembranen vermieden werden. Durch Ultraschallsprühen kann Katalysatortinte auf Protonenaustauschmembranen oder andere Substrate aufgetragen werden, und die Tröpfchengröße hängt eng mit der Mikrostruktur der Katalysatorschicht zusammen.

Studien haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Düsenamplitude und -frequenz sowie die Kontrolle der Oberflächenspannung und Viskosität der Katalysatortinte innerhalb geeigneter Bereiche von Vorteil sind, um feinere Tröpfchen und eine engere Tröpfchengrößenverteilung zu erhalten. Gleichzeitig tragen Tintenflüssigkeiten mit höherer Viskosität und geringerer Scherrate zu einer verbesserten Sprühqualität bei.

II. Kernvorteile: Die Vorteile der Ultraschallzerstäubungsspritztechnologie bei der Herstellung von PEM-Brennstoffzellenkatalysatorbeschichtungen zeigen sich auf mehreren Ebenen, von der Mikrostruktur bis zur makroskopischen Produktion.

1. Extrem hohe Materialausnutzung und Kosteneinsparungen

Platin ist ein Kernmaterial in PEM-Brennstoffzellenkatalysatoren und seine Kosten sind hoch. Die Ultraschall-Sprühtechnologie mit ihrer präzisen Tröpfchenkontrolle und hohen Abscheidungseffizienz erreicht Materialausnutzungsraten von bis zu 85 % bis 90 %, was weit über den 20 % bis 30 % herkömmlicher Verfahren liegt, und kann den Platinkatalysatorverbrauch um bis zu 50 % senken. In der Forschungs- und Entwicklungsphase werden nur 10 ml Katalysatoraufschlämmung benötigt, um mehrere Protonenaustauschmembranen zu beschichten. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit Ultraschall-Sprühtechnik hergestellte Membranelektroden eine Stromdichte von 2,8 A/cm⊃2 erreichen können; bei 0,6 V mit einer Platinbeladung von nur 0,3 mg/cm².

2. Ultradünne und gleichmäßige katalytische Schichtstruktur

Durch Ultraschallspritzen können ultradünne katalytische Schichten mit einer Dicke von nur 5–15 Mikrometern und einer Gleichmäßigkeit von über 95 % gebildet werden. Diese äußerst gleichmäßige Beschichtungsstruktur bietet eine überlegene „Dreiphasen-Reaktionsschnittstelle“ – den Schnittpunkt von Elektronen-, Protonen- und Gaskanälen – an der elektrochemische Reaktionen stattfinden. Der optimierte katalytische Schichtaufbau verbessert die Leistungsdichte und Haltbarkeit der Batterie deutlich.

3. Sanfter Prozess, keine Verstopfung oder Beschädigung

Die kontinuierliche Ultraschallvibration in der Ultraschalldüse verteilt und zersetzt aggregierte Suspensionspartikel ständig und verhindert so wirksam ein Verstopfen der Düse. Gleichzeitig vermeidet die berührungslose Sprühmethode eine mechanische Beschädigung der Protonenaustauschmembran und verhindert ein Aufquellen und Verformen von Membranmaterialien wie Nafion. Die Ultraschallzerstäubung funktioniert sowohl mit niedrigviskosen Katalysatortinten (z. B. Alkohol-Wasser-Mischungen) als auch mit hochviskosen Ionomerdispersionen stabil.

4. Prozessflexibilität und Skalierbarkeit

Die Ultraschall-Sprühausrüstung unterstützt den gesamten Prozess von der Laborforschung und -entwicklung bis zur industriellen Massenproduktion. Ein mit vier Ultraschalldüsen ausgestattetes Sprühsystem kann eine Katalysatorsprührate von etwa 0,8 Quadratmetern pro Stunde liefern, was einer Jahresproduktion von 120.000 Membran-Elektroden-Einheiten entspricht (basierend auf 250 cm²/Einheit). Durch den modularen Aufbau lässt sich die Ausrüstung nahtlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder eine eigenständige, vollautomatische Beschichtungsproduktionslinie aufbauen.

III. Wichtige Anwendungsszenarien

Vorbereitung der CCM/MEA-Katalysatorschicht: Direktes Aufsprühen von Katalysatorschlämmen wie Pt/C und IrO₂ (enthält Nafion-Ionomere und Lösungsmittel) auf beide Seiten der Protonenaustauschmembran, um die Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten zu bilden – dies ist die wertvollste Anwendung des Ultraschallsprühens im Brennstoffzellenbereich. Durch Ultraschallsprühen hergestellte Katalysatorschichten können durch direktes Aufsprühen des Katalysators auf die Gasdiffusionsschicht oder durch direktes Abscheiden auf der Protonenaustauschmembran zur Bildung einer katalytischen Beschichtungsmembran (CCM) erzielt werden.

GDL Hydrophobe Schicht und mikroporöse Schicht: Das Aufsprühen von hydrophoben PTFE-Emulsionen und mikroporösen Ruß-PTFE-Aufschlämmungen auf Kohlepapier oder Kohletuch ermöglicht eine präzise Steuerung der Entwässerung und Gasverteilung.

Bipolarplattenbeschichtung: Das Aufsprühen korrosionsbeständiger leitfähiger Verbundschichten (z. B. Beschichtungen auf Titan- und Kohlenstoffbasis) verringert den Kontaktwiderstand und verhindert die Ablagerung von Metallionen.

IV. Modernste Fortschritte: Von der Prozessoptimierung bis zur Schnittstellentechnik

In den letzten Jahren hat sich die Anwendung der Ultraschallzerstäubungsspritztechnologie im Bereich der PEM-Brennstoffzellenkatalysatorbeschichtungen kontinuierlich vertieft. In einer bahnbrechenden Studie aus dem Jahr 2026 wurde eine Ultraschall-Sprühtechnik mit zwei Düsen vorgeschlagen, mit der Pt/C-Katalysatoren und Nafion-Ionomere unabhängig voneinander abgeschieden werden können, wodurch eine präzise Kontrolle der Ionomerverteilung erreicht wird. Diese Grenzflächentechnik-Strategie hält einen hohen Ionomergehalt in der Nähe der Membran aufrecht, um den Protonenleitungswiderstand zu minimieren, während gleichzeitig der Ionomergehalt in der Nähe der mikroporösen Schicht reduziert wird, um die Sauerstoffdiffusion und den Wasserausstoß zu verbessern. Elektrochemische Tests zeigten, dass die grenzflächenoptimierte Katalysatorschicht eine Spitzenleistungsdichte von 803 mW/cm⊃2 erreichte, 20–30 % höher als bei einheitlichen oder umgekehrten Designs, und nach 30.000 Zyklen eine hervorragende elektrochemische Oberfläche beibehielt.

Eine weitere Studie aus dem Jahr 2024 zeigte den tiefgreifenden Einfluss der Parameter des Ultraschallsprühprozesses auf die Struktur der Katalysatorschicht: Eine erhöhte Durchflussrate oder ein verringerter Druck führen zu einer größeren zerstäubten Partikelgröße und einer breiteren Partikelgrößenverteilung. Größere Tröpfchen, die auf die Nafion-Membran fallen, verursachen einen Kaffeeringeffekt, der zu Defekten wie Orangenschalentextur, Vorsprüngen und Rillen in der Katalysatorschicht führt, was wiederum die Polarisationskurve verschlechtert und die Spitzenleistungsdichte verringert. Dies liefert eine wichtige theoretische Grundlage für die präzise Optimierung von Prozessparametern. Darüber hinaus wurde die Ultraschall-Spray-Pyrolyse-Technologie (USP) auch zur Synthese von Katalysatormaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche wie PdCr/C-Nanokatalysatoren und CoTMPP/C-Elektrokatalysatoren eingesetzt, was einen neuen Weg zur Katalysatorentwicklung für die Sauerstoffreduktionsreaktion darstellt.

Abschluss

Die Ultraschallzerstäubungsspritztechnologie mit ihrer hohen Materialausnutzung, der ultradünnen und gleichmäßigen Beschichtung, dem milden Prozess ohne Verstopfungen oder Beschädigungen und der flexiblen Anpassungsfähigkeit von Forschung und Entwicklung bis hin zur Massenproduktion verändert das Vorbereitungsparadigma von PEM-Brennstoffzellenkatalysatorbeschichtungen grundlegend. Es löst nicht nur effektiv die Schwachstellen herkömmlicher Beschichtungsmethoden, wie z. B. ungleichmäßige Beschichtung und erhebliche Materialverschwendung, sondern zeigt auch großes Potenzial für die Verbesserung der Stapelleistungsdichte, die Reduzierung des Edelmetallverbrauchs und die Erzielung einer Produktion im großen Maßstab.

Von der Einzelkatalysatorabscheidung bis hin zur präzisen Steuerung der Dual-Düsen-Schnittstellentechnik, von Laborpilottests bis hin zur groß angelegten Massenproduktion von 120.000 Membran-Elektroden-Baugruppen pro Jahr entwickelt sich die Ultraschallzerstäubungssprühtechnologie kontinuierlich auf dem Weg „präziser, effizienter und wirtschaftlicher“ weiter. Mit der beschleunigten globalen Umstellung auf saubere Energie wird diese Technologie zweifellos eine immer wichtigere Rolle in PEM-Brennstoffzellen und sogar in breiteren neuen Energiefeldern wie Festoxid-Brennstoffzellen und elektrolytischer Wasserstoffproduktion spielen.