電池フィルム電極スプレーにおける超音波霧化スプレー装置の応用

120kHz の高周波超音波は、PEM 水素燃料電池の極薄、超低プラチナ触媒層に適したプロセスです。-液滴は 15 ～ 25 μm でコーヒーリングがなく、白金利用率は 95% 以上で、高 ECSA、長寿命、低負荷の膜電極を正確に作成できます。

I. 膜電極の構造と噴霧方法

MEA 3 層コア-

プロトン交換膜 (ナフィオン 211/212) → カソード Pt/C 触媒層 CL → アノード IrO₂/RuO₂ 触媒層 → GDL ガス拡散層

2つの主流散布ルート

1. CCM 直接スプレー (主流):触媒スラリーをプロトン交換膜に直接スプレーし、GDL 層にホットプレスします。{0}

利点: 界面抵抗が非常に低く、最適な三相界面を備えており、超低量のプラチナの大量生産に適しています。-

2. GDE 散布拡散層:カーボンペーパー/カーボンクロスをスプレーし、プロトン交換膜を接着。

利点: メンブレンは損傷を受けにくいため、大面積の大量生産に適しています。-

II. Pt/C カソードペースト配合 (120kHz 専用)

* 比率: Pt/C : ナフィオン結合剤=2 : 1

※固形分：8～12wt%（黄金範囲）

* Viscosity: 15–30 cP, strictly prohibited >ノズル詰まりを防ぐ35cP

* 溶媒: エタノール + 脱イオン水の混合物、30 分間超音波分散 + 多段階濾過-

※禁忌：固形物<5% easily leads to agglomeration and sagging; Solid content >15% 非常にノズル詰まりや気孔率劣化が発生しやすい

III. 120kHz MEA 標準プロセスパラメータ

※超音波周波数：120kHz

* Ultrasonic Power: 40–60 W (>60Wはプロトン交換膜を損傷するため厳禁）

* スラリー流量: 0.05 ～ 0.3 mL/min (超低白金極薄層の場合)-

※ノズル距離：50～80mm

* スキャン速度: 8 ～ 20 mm/s、蛇行往復クロスパス

* キャリアガス (N₂): 0.02 ～ 0.04 MPa、膜の損傷を防ぐための低圧-成形

* 基板加熱: 50 ～ 70 度、急速乾燥、白金の移動と凝集を抑制

* 目標プラチナ配合量: 0.05 ～ 0.2 mg/cm²、CV 均一性<3%