质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为氢能经济的核心技术，广泛应用于交通运输和分布式能源领域。催化剂层的均匀性和材料利用率是影响燃料电池性能和成本的关键因素。传统涂层方法如压制、手工涂刷和浆料印刷存在铂分散不均和材料浪费的问题。超声波喷涂技术凭借其高精度控制和低过喷量，成为改善催化剂分布的理想选择。
实验过程
实验采用碳基铂催化剂墨水，配比为40 wt%的Pt/C催化剂、5 wt%的Nafion水溶液、去离子水及乙醇，催化剂与Nafion比例为2:1。这些成分在玻璃瓶中使用超声波浴混合后，得到均匀的墨水溶液。使用三轴超声波喷涂系统，墨水流速设定为0.125 ml/min，工作频率为48 kHz。通过调整喷涂路径次数控制铂的负载量，确保催化剂在Nafion 212膜上的均匀沉积。催化剂涂覆膜（CCM）的活性区域约为5 cm²（23 mm × 23 mm），气体扩散层（GDL）为25 mm × 25 mm。
膜电极组件的超声波喷涂制造过程
- 基材准备：将催化膜放置于传送链上的加热-真空台，启动真空系统固定并加热膜至适宜温度。
- 喷涂过程：喷头按预设程序将墨水均匀喷涂于膜表面，形成平整的催化层。
- 膜分离：喷涂结束后，停止真空并引入压缩空气将膜与台面分离，传送链移动膜至下一个喷涂周期。
- 催化层效果：超声波喷涂确保铂颗粒均匀分布，提升催化剂利用率并减少铂用量。
超声波喷涂工艺的特点
该技术能够生成均匀大小的液滴，并且在雾化过程中几乎没有动能，类似于超声波浴中的振动帮助分散材料。这有效防止了喷嘴堵塞，类似于使用超声波击碎肾结石或清洁牙齿。
技术优势包括：
- 最小过喷量：超声波喷嘴产生低速细雾，减少材料浪费，提高转移效率。
- 高灵活性：雾化平台可调节，降低流速，适应不同材料需求。
- 防堵塞能力强：较大的喷孔和超声波技术可处理高固体含量材料，避免喷嘴堵塞。
- 高耐用性：喷嘴采用钛材质，对多种溶剂惰性，延长使用寿命。
通过超声波喷雾器，颗粒在进入液滴前保持分散状态，喷涂到基材上时最大化催化剂表面积的暴露，确保铂纳米颗粒均匀分布，降低铂用量，显著降低催化剂成本，同时环保友好。
结论
超声波喷涂法在获得低铂负载和优异电化学特性的催化层方面表现出色。与传统方法相比，超声波喷涂能够更均匀地分布催化墨水，特别是在低铂浓度下效果显著。铂纳米颗粒的均匀分散不仅提高了催化剂的活性表面积（达铂总表面积的80%），还有效降低了燃料电池的制造成本。此外，该方法避免了传统“开放式”工艺中铂颗粒团聚和过喷现象，提升了催化层的整体质量和燃料电池的性能。
超声波喷涂技术是一种高效的催化层制造方法，能够在保持低铂负载的同时，提供优良的电化学性能。该方法通过均匀分布催化墨水，显著提高了铂的利用率，降低了制造成本，并改善了催化剂的形貌和结构。超声波喷涂技术在PEMFC制造中的应用，展现了其在提升燃料电池性能和经济性方面的巨大潜力。