Tecnologia di spruzzatura ad atomizzazione ad ultrasuoni: applicazione della preparazione del rivestimento del catalizzatore per celle a combustibile PEM

Tecnologia di spruzzatura ad atomizzazione ad ultrasuoni: applicazione della preparazione del rivestimento del catalizzatore per celle a combustibile PEM

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), in quanto dispositivo di conversione dell'energia pulita e altamente efficiente, sono considerate un vettore tecnologico fondamentale per l'economia dell'idrogeno. Tuttavia, la loro commercializzazione su larga scala è stata a lungo limitata da elevati costi dei materiali e colli di bottiglia nelle prestazioni: il costo del gruppo membrana-elettrodo (MEA) rappresenta la stragrande maggioranza del costo delle celle a combustibile e le prestazioni del MEA dipendono direttamente dalla microstruttura e dalla qualità della preparazione dello strato catalitico (CL). In questo contesto, la tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni, con i suoi vantaggi di processo unici, sta diventando il processo rivoluzionario più promettente nel campo della preparazione del rivestimento del catalizzatore per celle a combustibile PEM.

I. Principio tecnico: il nucleo della tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni risiede nel trasduttore piezoelettrico che converte l'energia elettrica in vibrazioni meccaniche ad alta frequenza (tipicamente 20kHz-40kHz), che atomizzano il liquame catalitico in goccioline uniformi di dimensioni micron attraverso un ugello ad ultrasuoni. Queste minuscole goccioline, guidate da un gas vettore a bassa pressione, si depositano in modo preciso e uniforme sulla superficie della membrana a scambio protonico o strato di diffusione del gas, formando un rivestimento catalitico denso e uniforme.

A differenza della tradizionale spruzzatura ad aria compressa o della spruzzatura airless ad alta pressione, la spruzzatura a ultrasuoni è un metodo di spruzzatura senza contatto caratterizzato da una 'atomizzazione morbida': il processo di atomizzazione non si basa sul flusso d'aria ad alta velocità, evitando così l'impatto meccanico o lo stress di compressione su substrati di precisione come le membrane a scambio protonico. La spruzzatura ad ultrasuoni può rivestire l'inchiostro del catalizzatore su membrane a scambio protonico o altri substrati e la dimensione delle goccioline è strettamente correlata alla microstruttura dello strato catalitico.

Gli studi hanno dimostrato che l'aumento dell'ampiezza e della frequenza dell'ugello e il controllo della tensione superficiale e della viscosità dell'inchiostro catalizzatore entro intervalli appropriati sono utili per ottenere goccioline più fini e una distribuzione dimensionale delle gocce più ristretta. Allo stesso tempo, la maggiore viscosità e la minore velocità di taglio dei fluidi dell'inchiostro contribuiscono a migliorare la qualità della spruzzatura.

II. Vantaggi principali: i vantaggi della tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni nella preparazione dei rivestimenti catalitici per celle a combustibile PEM si riflettono a più livelli, dalla microstruttura alla produzione macroscopica.

1. Utilizzo di materiale estremamente elevato e risparmio sui costi

Il platino è un materiale di base nei catalizzatori per celle a combustibile PEM e il suo costo è elevato. La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni, con il controllo preciso delle gocce e l'elevata efficienza di deposizione, raggiunge tassi di utilizzo del materiale fino all'85%-90%, superando di gran lunga il 20%-30% dei processi tradizionali e può ridurre il consumo di catalizzatore al platino fino al 50%. Nella fase di ricerca e sviluppo, sono necessari solo 10 ml di sospensione catalitica per rivestire più membrane a scambio protonico. Gli studi hanno dimostrato che gli elettrodi a membrana preparati utilizzando la tecnologia di spruzzatura a ultrasuoni possono raggiungere una densità di corrente di 2,8 A/cm² a 0,6 V con un carico di platino di soli 0,3 mg/cm².

2. Struttura dello strato catalitico ultrasottile e uniforme

La spruzzatura ad ultrasuoni può formare strati catalitici ultrasottili con uno spessore di soli 5-15 micrometri e un'uniformità superiore al 95%. Questa struttura di rivestimento altamente uniforme fornisce una 'interfaccia di reazione trifase' superiore (l'intersezione dei canali di elettroni, protoni e gas) dove si verificano le reazioni elettrochimiche. La struttura ottimizzata dello strato catalitico migliora significativamente la densità di potenza e la durata della batteria.

3. Processo delicato, nessun intasamento o danno

La vibrazione ultrasonica continua all'interno dell'ugello ad ultrasuoni disperde e rompe costantemente le particelle di sospensione aggregate, prevenendo efficacemente l'intasamento dell'ugello. Allo stesso tempo, il metodo di spruzzatura senza contatto evita danni meccanici alla membrana di scambio protonico, prevenendo il rigonfiamento e la deformazione dei materiali della membrana come Nafion. L'atomizzazione ad ultrasuoni funziona stabilmente sia con inchiostri catalizzatori a bassa viscosità (come miscele di alcol-acqua) che con dispersioni ionomeriche ad alta viscosità.

4. Flessibilità e scalabilità del processo

L'attrezzatura per la spruzzatura ad ultrasuoni supporta l'intero processo, dalla ricerca e sviluppo di laboratorio alla produzione di massa industriale. Un sistema di spruzzatura dotato di quattro ugelli a ultrasuoni può fornire una velocità di spruzzatura del catalizzatore di circa 0,8 metri quadrati all'ora, equivalente a una produzione annua di 120.000 gruppi di elettrodi a membrana (basati su 250 cm²/gruppo). Il design modulare consente all'apparecchiatura di integrarsi perfettamente con le linee di produzione esistenti o di costruire una linea di produzione di rivestimento autonoma e completamente automatizzata.

III. Scenari applicativi chiave

Preparazione dello strato catalitico CCM/MEA: spruzzatura diretta di fanghi catalitici come Pt/C e IrO₂ (contenenti ionomeri e solventi Nafion) su entrambi i lati della membrana a scambio protonico per formare gli strati catalitici dell'anodo e del catodo: questa è l'applicazione più preziosa della spruzzatura ad ultrasuoni nel campo delle celle a combustibile. Gli strati di catalizzatore preparati mediante spruzzatura ad ultrasuoni possono essere ottenuti spruzzando direttamente il catalizzatore sullo strato di diffusione del gas o depositandolo direttamente sulla membrana a scambio protonico per formare una membrana di rivestimento catalitico (CCM).

Strato idrofobo GDL e strato microporoso: la spruzzatura di emulsioni idrofobe di PTFE e fanghi microporosi di nerofumo-PTFE su carta carbone o tessuto carbone consente un controllo preciso del drenaggio e della distribuzione del gas.

Rivestimento della piastra bipolare: la spruzzatura di strati compositi conduttivi resistenti alla corrosione (come rivestimenti a base di titanio e carbonio) riduce la resistenza di contatto e previene la deposizione di ioni metallici.

IV. Progressi all'avanguardia: dall'ottimizzazione dei processi all'ingegneria delle interfacce

Negli ultimi anni, l'applicazione della tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni nel campo dei rivestimenti catalitici per celle a combustibile PEM è andata continuamente approfondendosi. Uno studio innovativo pubblicato nel 2026 ha proposto una tecnica di spruzzatura ad ultrasuoni a doppio ugello in grado di depositare in modo indipendente catalizzatori Pt/C e ionomeri Nafion, ottenendo un controllo preciso sulla distribuzione degli ionomeri. Questa strategia di ingegneria dell'interfaccia mantiene un elevato contenuto di ionomero vicino alla membrana per ridurre al minimo la resistenza alla conduzione dei protoni, riducendo al contempo il contenuto di ionomero vicino allo strato microporoso per migliorare la diffusione dell'ossigeno e l'espulsione dell'acqua. I test elettrochimici hanno dimostrato che lo strato catalitico con interfaccia ottimizzata ha raggiunto una densità di potenza di picco di 803 mW/cm², superiore del 20%-30% rispetto ai modelli uniformi o inversi, e ha mantenuto un'eccellente area superficiale elettrochimica dopo 30.000 cicli.

Un altro studio del 2024 ha rivelato il profondo impatto dei parametri del processo di spruzzatura ad ultrasuoni sulla struttura dello strato catalitico: una maggiore portata o una diminuzione della pressione portano a una dimensione delle particelle atomizzata più grande e a una distribuzione dimensionale delle particelle più ampia. Le goccioline più grandi che cadono sulla membrana Nafion provocano un effetto anello di caffè, con conseguenti difetti come struttura a buccia d'arancia, sporgenze e scanalature nello strato catalitico, che a sua volta deteriora la curva di polarizzazione e riduce la densità di potenza di picco. Ciò fornisce un'importante base teorica per l'ottimizzazione precisa dei parametri di processo. Inoltre, la tecnologia della pirolisi a spruzzo ad ultrasuoni (USP) è stata utilizzata anche per sintetizzare materiali catalitici ad elevata area superficiale specifica, come nanocatalizzatori PdCr/C ed elettrocatalizzatori CoTMPP/C, fornendo un nuovo percorso di sviluppo del catalizzatore per la reazione di riduzione dell'ossigeno.

Conclusione

La tecnologia di spruzzatura ad atomizzazione ad ultrasuoni, con il suo elevato utilizzo del materiale, il rivestimento ultrasottile e uniforme, il processo delicato senza intasamenti o danni e l'adattabilità flessibile dalla ricerca e sviluppo alla produzione di massa, sta cambiando profondamente il paradigma di preparazione dei rivestimenti catalitici per celle a combustibile PEM. Non solo risolve efficacemente i punti critici dei metodi di rivestimento tradizionali, come rivestimento irregolare e gravi sprechi di materiale, ma mostra anche un grande potenziale nel migliorare la densità di potenza dello stack, ridurre l'utilizzo di metalli preziosi e ottenere una produzione su larga scala.

Dalla deposizione di un singolo catalizzatore al controllo preciso dell'ingegneria dell'interfaccia a doppio ugello, dai test pilota di laboratorio alla produzione di massa su larga scala di 120.000 gruppi di elettrodi a membrana all'anno, la tecnologia di spruzzatura con atomizzazione a ultrasuoni è in continua evoluzione lungo un percorso di 'più precisa, più efficiente e più economica'. Con l'accelerata transizione globale all'energia pulita, questa tecnologia svolgerà senza dubbio un ruolo sempre più importante nelle celle a combustibile PEM e anche in nuovi campi energetici più ampi come le celle a combustibile a ossido solido e l'idrogeno elettrolitico. produzione.