超声涂覆PEM电解槽阳极催化剂层
超声涂覆技术是PEM电解槽阳极催化剂层规模化制备的核心技术之一，通过超声波空化效应与精准工艺控制，解决了传统涂覆的均匀性差、催化剂利用率低、贵金属消耗高等痛点，同时适配复合催化层结构设计，为低载量、高性能、长寿命阳极催化层的量产提供支撑。
一、核心定位与价值
超声涂覆在PEM电解槽阳极催化剂层制备中的核心目标的是降本、提效、稳性能，具体体现在三方面：
1. 降低贵金属依赖：通过精准控制铱基催化剂涂覆量（可降至0.1~0.7mg/cm²，远低于传统的>1mg/cm²），结合非贵金属催化剂复合设计，缓解铱资源稀缺导致的规模化瓶颈；
2. 提升催化性能：优化阳极催化层的质子/电子传导与气液传质路径，实现高电流密度下的低过电位（如铱载量0.5mg/cm²时，2V电压下电流密度可达4A/cm²）；
3. 保障量产稳定性：解决传统喷涂的边缘偏厚、涂层缺陷等问题，满足吉瓦级PEM电解槽对膜电极（MEA）一致性的需求。
二、关键技术特点
超声涂覆凭借超声波的独特作用，在阳极催化剂层制备中展现出不可替代的优势：
1. 超高涂覆均匀性：利用超声波空化效应将催化剂浆料雾化成均匀液滴，涂层均匀度可达±5%，避免传统喷涂的边缘厚度偏差（解决膜电极边缘性能衰减问题）；
2. 精准参数可控：可精确调节涂层厚度（如非贵金属层20~200nm、贵金属层4~8μm）、催化剂载量（低至0.01mg/cm²），适配不同阳极催化层结构设计；
3. 低缺陷与高附着力：超声波振动减少涂层气泡、裂纹等缺陷，同时增强催化剂与基底（膜或PTL）的结合力，避免高电流密度下涂层开裂或剥落；
4. 高材料利用率：原料利用率可达95%，通过减少过度喷涂使催化剂浆料消耗降低50%以上，大幅降低贵金属成本；
5. 防膜溶胀设计：搭配真空加热系统，可固定质子交换膜（PEM）并控制其溶胀，避免涂覆过程中膜变形影响催化层结构。
三、典型制备工艺
超声涂覆需结合阳极催化层的结构（单一或复合）、浆料配方与工艺步骤协同设计，典型流程与参数如下：
1. 浆料制备（阳极专用）
阳极催化剂浆料需适配高酸性（pH≈0）、高氧化性（>1.3V）环境，配方分两类：
– 非贵金属浆料（复合层底层）：非贵金属催化剂（二维过渡金属硫化物/氧化物/氮化物，如MoS₂、VOₓ等）、离子聚合物溶液（5~20wt%全氟磺酸树脂）、去离子水、有机溶剂（乙醇/异丙醇等）按质量比（0.01~0.03）:(0.01~0.1):(7~10):(13~20)混合，超声分散20~60min；
– 贵金属浆料（复合层顶层）：铱基催化剂（铱黑、氧化铱、钌铱合金等）、离子聚合物溶液、去离子水、有机溶剂按质量比（0.1~0.2）:(0.3~1.2):(8~12):(8~15)混合，超声分散20~60min。
2. 涂覆步骤（以复合结构阳极为例）
1. 底层涂覆：采用超声喷涂将非贵金属浆料涂覆于PEM一侧，形成20~200nm厚的非贵金属催化层，载量控制在0.01~0.1mg/cm²；
2. 顶层涂覆：在非贵金属层上继续超声喷涂贵金属浆料，形成4~8μm厚的铱基催化层，载量0.1~0.7mg/cm²；
3. 阴极配套涂覆：PEM另一侧超声喷涂铂碳催化剂浆料（铂含量40~60wt%），铂载量0.1~0.5mg/cm²；
4. 热压复合：120~160℃、1~5MPa压力下热压1~10min，形成完整膜电极。
四、解决的传统技术痛点
1. 边缘厚度偏差：传统喷涂因“边缘效应”导致膜电极边缘催化层偏厚，超声涂覆通过控制起始/终止位置（距PEM两端≥5mm），彻底解决该问题，提升MEA性能一致性；
2. 催化剂利用率低：传统催化层中孤立铱颗粒占比高，超声涂覆的均匀分散性使铱颗粒与离聚物、PTL形成有效“三相边界”，搭配复合结构设计，催化剂利用率提升至90%以上；
3. 传质限制：部分工艺将阳极催化剂浆料超声喷涂至PTL表面，形成嵌入PTL的催化层（摘要5），优化液态水渗透与氧气排出路径，显著降低高电流密度下的浓差极化；
4. 膜溶胀变形：通过真空加热固定PEM，避免涂覆过程中膜因吸水溶胀导致的催化层错位，保障层间结合稳定性。
五、实际应用性能表现
1. 高电流密度特性：在铱载量0.5mg/cm²的复合阳极催化层中，2V电压下电流密度可达4A/cm²，满足工业级PEM电解槽的高产能需求；
2. 长周期稳定性：2A/cm²电流密度下稳定运行超400h，1A/cm²下稳定运行超150h，铱溶解损失率降低30%以上；
3. 成本优势：非贵金属与低铱载量结合，使PEM电解槽制氢成本降低15%左右，同时减少氧中氢含量，提升设备运行安全性；
4. 场景适配性：涂层强度高，可适配车载、船用等振动场景，且兼容蒸汽进料、反向扩散等新型PEMWE构型。
六、配套设备与量产能力
适配阳极催化层制备的超声涂覆设备具备以下量产特性：
1. 大面积涂覆能力：有效涂覆面积可达1.2m×1.2m（可定制），支持大尺寸MEA生产；
2. 高效量产设计：搭载4组超声波喷嘴或往复式基板输送系统，喷涂速率可达0.8m²/h，按250cm²/片MEA计算，年产能力超12万片；
3. 全自动化控制：可精准调节超声波功率、涂覆速度、浆料流量等参数，实现7×24小时连续生产，保障批次一致性；
4. 多功能适配：可兼容不同粘度的阳极催化剂浆料（从研发阶段的低固含量浆料到量产的高固含量浆料），同时支持GDL亲/疏水性改性喷涂（如PTFE粘合剂涂覆）。
关于驰飞
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杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
