Tehnologie de pulverizare prin atomizare cu ultrasunete: aplicarea preparatului de acoperire cu catalizator pentru celule de combustibil PEM

Tehnologie de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete: aplicarea preparatului de acoperire cu catalizator pentru celule de combustibil PEM

Pilele de combustibil cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC), ca dispozitiv de conversie a energiei foarte eficient și curat, sunt considerate un purtător de tehnologie de bază pentru economia hidrogenului. Cu toate acestea, comercializarea lor pe scară largă a fost mult timp limitată de costurile ridicate ale materialelor și blocajele de performanță - costul ansamblului electrodului cu membrană (MEA) reprezintă marea majoritate a costului celulei de combustie, iar performanța MEA depinde direct de microstructura și calitatea preparării stratului de catalizator (CL). Pe acest fundal, tehnologia de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete, cu avantajele sale unice de proces, devine cel mai promițător proces revoluționar în domeniul pregătirii acoperirii catalizatorului pentru celulele de combustibil PEM.

I. Principiu tehnic: Miezul tehnologiei de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete constă în traductorul piezoelectric care transformă energia electrică în vibrații mecanice de înaltă frecvență (de obicei 20 kHz-40 kHz), care atomizează suspensia de catalizator în picături uniforme de mărime micron printr-o duză ultrasonică. Aceste picături minuscule, ghidate de un gaz purtător de joasă presiune, sunt depuse precis și uniform pe suprafața membranei schimbătoare de protoni sau a stratului de difuzie gazoasă, formând o acoperire catalitică densă și uniformă.

Spre deosebire de pulverizarea tradițională cu aer comprimat sau de pulverizare fără aer de înaltă presiune, pulverizarea cu ultrasunete este o metodă de pulverizare fără contact, caracterizată prin „atomizare moale”—procesul de atomizare nu se bazează pe fluxul de aer de mare viteză, evitând astfel impactul mecanic sau stresul compresiv asupra substraturilor de precizie, cum ar fi membranele schimbătoare de protoni. Pulverizarea cu ultrasunete poate acoperi cerneala catalizatorului pe membrane de schimb de protoni sau alte substraturi, iar dimensiunea picăturilor este strâns legată de microstructura stratului de catalizator.

Studiile au arătat că creșterea amplitudinii și frecvenței duzei și controlul tensiunii superficiale și a vâscozității cernelii catalizatorului în intervale adecvate sunt benefice pentru obținerea de picături mai fine și o distribuție mai îngustă a dimensiunii picăturilor. Simultan, fluidele de cerneală cu vâscozitate mai mare și viteză de forfecare mai mică contribuie la îmbunătățirea calității pulverizării.

II. Avantajele de bază: Avantajele tehnologiei de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete în prepararea acoperirilor cu catalizator pentru celulele de combustibil PEM sunt reflectate la mai multe niveluri, de la microstructură până la producția macroscopică.

1. Utilizare extrem de ridicată a materialelor și economii de costuri

Platina este un material de bază în catalizatorii de celule de combustibil PEM, iar costul său este ridicat. Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete, cu controlul precis al picăturilor și eficiența ridicată a depunerii, atinge rate de utilizare a materialelor de până la 85%-90%, depășind cu mult 20%-30% din procesele tradiționale și poate reduce consumul de catalizator de platină cu până la 50%. În faza de cercetare și dezvoltare, sunt necesari doar 10 ml de suspensie de catalizator pentru a acoperi membranele de schimb de protoni multiple. Studiile au arătat că electrozii cu membrană pregătiți folosind tehnologia de pulverizare cu ultrasunete pot atinge o densitate de curent de 2,8 A/cm² la 0,6 V cu o încărcare de platină de numai 0,3 mg/cm².

2. Structura stratului catalitic ultrasubțire și uniformă

Pulverizarea cu ultrasunete poate forma straturi catalitice ultrasubțiri cu o grosime de doar 5-15 micrometri și o uniformitate care depășește 95%. Această structură de acoperire extrem de uniformă oferă o „interfață de reacție trifazată” superioară – intersecția canalelor de electroni, protoni și gaze – unde au loc reacțiile electrochimice. Structura optimizată a stratului catalitic îmbunătățește semnificativ densitatea puterii și durabilitatea bateriei.

3. Proces blând, fără înfundare sau deteriorare

Vibrația ultrasonică continuă din interiorul duzei cu ultrasunete se dispersează și descompune în mod constant particulele de suspensie agregate, prevenind eficient înfundarea duzei. Simultan, metoda de pulverizare fără contact evită deteriorarea mecanică a membranei schimbătoare de protoni, prevenind umflarea și deformarea materialelor membranare precum Nafion. Atomizarea cu ultrasunete funcționează stabil atât cu cerneluri catalizatoare cu vâscozitate scăzută (cum ar fi amestecurile alcool-apă), cât și cu dispersii de ionomeri cu vâscozitate ridicată.

4. Flexibilitatea și scalabilitatea procesului

Echipamentul de pulverizare cu ultrasunete sprijină întregul proces, de la cercetarea și dezvoltarea de laborator până la producția industrială în masă. Un sistem de pulverizare echipat cu patru duze cu ultrasunete poate asigura o rată de pulverizare a catalizatorului de aproximativ 0,8 metri pătrați pe oră, echivalent cu o producție anuală de 120.000 de ansambluri de electrozi cu membrană (bazat pe 250 cm²/ansamblu). Designul modular permite echipamentului să se integreze perfect cu liniile de producție existente sau să construiască o linie de producție de acoperire de sine stătătoare, complet automatizată.

III. Scenarii cheie de aplicare

Prepararea stratului de catalizator CCM/MEA: pulverizarea directă a suspensiilor de catalizator, cum ar fi Pt/C și IrO₂ (conținând ionomeri Nafion și solvenți) pe ambele părți ale membranei schimbătoare de protoni pentru a forma straturile de catalizator anod și catodic - aceasta este cea mai valoroasă aplicație a pulverizării cu ultrasunete în câmpul celulei de combustie. Straturile de catalizator preparate prin pulverizare cu ultrasunete pot fi realizate prin pulverizarea directă a catalizatorului pe stratul de difuzie a gazului sau prin depunerea lui direct pe membrana schimbătoare de protoni pentru a forma o membrană de acoperire catalitică (CCM).

Strat hidrofob GDL și strat microporos: Pulverizarea emulsiilor hidrofobe de PTFE și a suspensiilor microporoase de negru de fum-PTFE pe hârtie de carbon sau pânză de carbon permite controlul precis al drenajului și distribuției gazului.

Acoperire cu plăci bipolare: pulverizarea straturilor compozite conductoare rezistente la coroziune (cum ar fi acoperirile pe bază de titan și pe bază de carbon) reduce rezistența la contact și previne depunerea de ioni metalici.

IV. Progrese de ultimă oră: de la optimizarea proceselor la ingineria interfețelor

În ultimii ani, aplicarea tehnologiei de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete în domeniul acoperirilor cu catalizator pentru celulele de combustibil PEM s-a aprofundat continuu. Un studiu revoluționar publicat în 2026 a propus o tehnică de pulverizare cu ultrasunete cu duză duală care poate depune în mod independent catalizatori Pt/C și ionomeri Nafion, obținând un control precis asupra distribuției ionomerului. Această strategie de inginerie a interfeței menține un conținut ridicat de ionomeri în apropierea membranei pentru a minimiza rezistența la conducerea protonilor, reducând în același timp conținutul de ionomeri din apropierea stratului microporos pentru a îmbunătăți difuzia oxigenului și expulzarea apei. Testele electrochimice au arătat că stratul de catalizator optimizat pentru interfață a atins o densitate de putere de vârf de 803 mW/cm⊃2, cu 20%-30% mai mare decât modelele uniforme sau inverse și a menținut o suprafață electrochimică excelentă după 30.000 de cicluri.

Un alt studiu din 2024 a dezvăluit impactul profund al parametrilor procesului de pulverizare cu ultrasunete asupra structurii stratului de catalizator: creșterea debitului sau scăderea presiunii duce la o dimensiune mai mare a particulelor atomizate și o distribuție mai largă a dimensiunii particulelor. Picăturile mai mari care cad pe membrana Nafion provoacă un efect de inel de cafea, ducând la defecte, cum ar fi textura de coajă de portocală, proeminențe și caneluri în stratul de catalizator, care la rândul lor deteriorează curba de polarizare și reduce densitatea de putere de vârf. Aceasta oferă o bază teoretică importantă pentru optimizarea precisă a parametrilor procesului. În plus, tehnologia de piroliză prin pulverizare cu ultrasunete (USP) a fost, de asemenea, utilizată pentru a sintetiza materiale catalizatoare cu suprafață specifică mare, cum ar fi nanocatalizatorii PdCr/C și electrocatalizatorii CoTMPP/C, oferind o nouă cale de dezvoltare a catalizatorului pentru reacția de reducere a oxigenului.

Concluzie

Tehnologia de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete, cu utilizarea ridicată a materialului, acoperirea ultra-subțire și uniformă, procesul blând fără înfundare sau deteriorare și adaptabilitate flexibilă de la cercetare și dezvoltare la producția de masă, schimbă profund paradigma de pregătire a acoperirilor cu catalizator PEM pentru celule de combustibil. Nu numai că rezolvă în mod eficient punctele dureroase ale metodelor tradiționale de acoperire, cum ar fi acoperirea neuniformă și deșeurile grave de material, dar prezintă și un potențial mare în îmbunătățirea densității puterii stivei, reducerea utilizării metalelor prețioase și realizarea unei producții la scară largă.

De la depunerea unui singur catalizator până la controlul precis al ingineriei interfeței cu duble duble, de la testele pilot de laborator până la producția de masă pe scară largă a 120.000 de ansambluri de electrozi cu membrană pe an, tehnologia de pulverizare prin atomizare cu ultrasunete evoluează continuu pe o cale „mai precisă, mai eficientă și mai economică”. chiar și în noi domenii energetice mai largi, cum ar fi pilele de combustibil cu oxid solid și producția de hidrogen electrolitic.