Anwendung des Ultraschallsprühens in Elektrolysezellen
Anwendung des Ultraschallsprühens in Elektrolysezellen – Cheersonic
Die Ultraschall-Spritztechnologie hat sich als Präzisionsbeschichtungsverfahren aufgrund ihres einzigartigen Zerstäubungsprinzips und ihrer Leistungsvorteile als Schlüsseltechnologie in der Elektrolysezellenfertigung etabliert. Sie bietet insbesondere effektive Lösungen für die großtechnische und qualitativ hochwertige Produktion von Elektrolysezellen wie Protonenaustauschmembranen (PEM) und Anionenaustauschmembranen (AEM).
Die Kernprinzipien und Merkmale der Ultraschall-Spritztechnologie
Die Ultraschall-Spritztechnologie basiert auf der Ultraschallzerstäubung und unterscheidet sich in ihrem Arbeitsablauf grundlegend von herkömmlichen Spritzverfahren. Zunächst werden flüssige Beschichtungen (z. B. Lösungen, Sole, Suspensionen usw.) zur Ultraschalldüse transportiert. Der piezoelektrische Wandler in der Düse wandelt hochfrequente elektrische Signale (üblicherweise 20–180 kHz) in mechanische Schwingungen um, wodurch sich auf der Düsenoberfläche Kapillarwellen in der Flüssigkeit bilden. Sobald die Vibrationsamplitude den kritischen Wert erreicht, zerfällt die Flüssigkeit in gleichmäßige, mikrometergroße Tröpfchen. Diese werden anschließend mit einer geringen Menge Trägergas präzise auf die Substratoberfläche aufgetragen und bilden so einen dichten Film.
Im Vergleich zu herkömmlichen Ein- oder Zweikomponenten-Sprühverfahren besteht der Hauptvorteil dieser Technologie darin, dass keine druckunterstützte Zerstäubung erforderlich ist. Dadurch werden Farbspritzer und Materialverluste deutlich reduziert, und die Materialausnutzung ist mehr als viermal so hoch wie bei herkömmlichen Verfahren. Gleichzeitig lässt sich die Tröpfchengröße präzise über die Vibrationsfrequenz steuern (je höher die Frequenz, desto kleiner die Tröpfchen). Die Düsenvibration verhindert zudem Partikelaggregate in der Beschichtung, wodurch Verstopfungen vermieden und die Grundlage für eine präzise Beschichtung wichtiger Komponenten der Elektrolysezelle geschaffen wird.
Die wichtigsten Vorteile der Ultraschall-Spritztechnologie
Im Kontext der Elektrolysezellenfertigung zeigen sich die Vorteile der Ultraschall-Spritztechnologie vor allem in vier Dimensionen: Effizienz, Qualität, Kosten und Umweltschutz:
1. Hohe Beschichtungseffizienz und -konsistenz: Die Technologie ermöglicht das schnelle Besprühen großer Flächen und ist mit einem automatisierten Steuerungssystem ausgestattet, das die Sprühparameter (wie Durchflussrate, Temperatur und Bewegungsbahn) in Echtzeit überwacht. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Beschichtungsdicke und -verteilung in der Serienproduktion und vermeidet typische Fehler wie Kanteneffekte und Trockenstreifen, die bei herkömmlichen manuellen oder Hochgeschwindigkeitsbeschichtungen auftreten.
2. Präzise und kontrollierbare Beschichtungsqualität: Die Technologie erzeugt ultrafeine Tröpfchen (einige Mikrometer bis 100 Mikrometer) und bildet so ultradünne und dichte Beschichtungen. Dies optimiert nicht nur die elektrochemische Reaktionsfläche (z. B. die Dreiphasengrenzfläche) in der Elektrolysezelle, sondern verbessert auch die Haftung und die strukturelle Festigkeit der Beschichtung und reduziert das Risiko von Rissen und Ablösungen der Katalysatorschicht.
3. Hervorragende Kosten- und Materialeffizienz: Bei gängigen Edelmetallkatalysatoren in Elektrolysezellen (wie Platin und Iridium) ermöglicht diese Technologie eine präzise Steuerung der Beschichtungsmenge, reduziert Sprühnebel und senkt den Materialverbrauch um bis zu 50 %. Gleichzeitig senkt der automatisierte Betrieb die Arbeitskosten und deckt alle Anwendungsbereiche von der Forschung und Entwicklung bis zur Serienproduktion ab.
4. Hohe Umweltverträglichkeit und Sicherheit: Der Verzicht auf organische Lösungsmittel und Hochdruckgase reduziert die Schadstoffemissionen. Das schonende Sprühverfahren verhindert mechanische Beschädigungen (wie Aufquellen und Verformen) empfindlicher Substrate wie PEM und gewährleistet so die Integrität der Kernkomponenten der Elektrolysezelle.
Spezifische Anwendungsszenarien in der Elektrolysezellenfertigung: Die Ultraschall-Sprühtechnologie wurde optimal an die Beschichtungsanforderungen von Schlüsselkomponenten in gängigen PEM- und AEM-Elektrolysezellen angepasst und adressiert gezielt deren Leistungs- und Lebensdauerprobleme.
Anwendung von Beschichtungen in PEM-Elektrolysezellen
PEM-Elektrolysezellen müssen in stark sauren und oxidierenden Umgebungen betrieben werden, wodurch extrem hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, Leitfähigkeit und Gleichmäßigkeit der Beschichtungen gestellt werden. Die Anwendung des Ultraschallsprühens konzentriert sich auf drei Kernkomponenten:
1. Katalysatorbeschichtung: Durch die gleichmäßige Beschichtung der Elektrodenoberfläche mit einer Katalysatorsuspension auf Kohlenstoff-, Platin- oder Iridiumbasis wird eine ultradünne aktive Schicht gebildet. Dies verbessert die Katalysatorausnutzung (bis zu 90 %), optimiert die Effizienz der Wasserstoff-/Sauerstoffentwicklungsreaktion, erhöht direkt die Wasserstoffreinheit und -ausbeute und reduziert gleichzeitig den Einsatz von Edelmetallen zur Kostenkontrolle.
2. Beschichtung von Bipolarplatten und Gasdiffusionsschicht (GDL): Durch die Beschichtung der Bipolarplatten und der GDL mit leitfähigen Korrosionsschutzmaterialien auf Platin-, Gold- oder Kohlenstoffbasis entsteht eine dichte Schutzschicht, die Elektrolytkorrosion widersteht und die Lebensdauer der Komponenten verlängert. Gleichzeitig kann die Hydrophilie/Hydrophobie der GDL durch die Beschichtung mit PTFE-Klebstoff angepasst und so die Gas-Flüssigkeits-Transmission optimiert werden.
3. Beschichtung der Protonenaustauschmembran: Mittels berührungslosem Sprühen wird der Katalysator präzise auf die Oberfläche der Protonenaustauschmembran aufgebracht, wodurch ein Aufquellen und Verformen der Membran vermieden wird. Die entstehende Katalysatorschicht ist fest mit der Membran verbunden, was den Ionenleitweg optimiert und die Gesamtleistung der Elektrolysezelle weiter verbessert.
Anwendung der Beschichtung in AEM-Elektrolysezellen
Die Anforderungen an die Beschichtung von AEM-Elektrolysezellen zielen auf die Verbesserung der Leitfähigkeit und der Reaktionseffizienz ab: Zum einen wird eine gleichmäßige und dichte Katalysatorbeschichtung auf die Elektrodenoberfläche aufgesprüht, um optimale elektrochemische Reaktionen zu gewährleisten. Zum anderen reduziert die Beschichtung des Elektrolytkanals mit leitfähigen Materialien den Grenzflächenwiderstand, verbessert die Gesamtleitfähigkeit und optimiert so die Elektrolyseeffizienz und die Wasserstoffreinheit.
Aktuelle Anwendungseffekte und Zukunftsperspektiven
Die Ultraschall-Sprühtechnologie hat sich in der Praxis als industriell wertvoll erwiesen: In der Massenproduktion erreichen einige Sprühsysteme eine Katalysator-Sprührate von 0,8 Quadratmetern pro Stunde (entspricht der jährlichen Produktion von 120.000 Membranelektroden mit 250 cm² Fläche) und können sieben Tage lang kontinuierlich betrieben werden. Gleichzeitig verbessert die mit dieser Technologie beschichtete Elektrolysezelle nicht nur die Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer deutlich, sondern reduziert auch den Energieverbrauch pro Wasserstoffeinheit und erfüllt somit die wirtschaftlichen Anforderungen der grünen Wasserstoffproduktion.
Mit dem Fortschritt der Wasserstoffindustrie hin zum Gigawatt-Maßstab werden sich die Anwendungsperspektiven der Ultraschall-Sprühtechnologie weiter ausdehnen: Zum einen wird die Technologie in Richtung höherer Präzision (z. B. Nanobeschichtung) und geringerer Kosten (z. B. integrierte Mehrdüsensysteme) weiterentwickelt, um den Beschichtungsanforderungen größerer Elektrolysezellenkomponenten gerecht zu werden. Andererseits werden die Eigenschaften hinsichtlich Umweltschutz und hoher Effizienz dazu beitragen, dass die Herstellung von Elektrolysezellen die Grenzen traditioneller Verfahren überwindet und zu einer der Schlüsseltechnologien für die großtechnische und kohlenstoffarme Entwicklung der Wasserstoffenergieindustrie wird.
Über Cheersonic
Cheersonic ist der führende Entwickler und Hersteller von Ultraschallbeschichtungssystemen zum Auftragen präziser Dünnschichtbeschichtungen zum Schutz, Festigen oder Glätten von Oberflächen auf Teilen und Komponenten für die Mikroelektronik/Elektronik, alternative Energie, Medizin und Industrie, einschließlich spezialisierter Glasanwendungen im Bau und Automobil.
Unsere Beschichtungslösungen sind umweltfreundlich, effizient und äußerst zuverlässig und ermöglichen eine drastische Reduzierung des Übersprays, Einsparungen beim Rohstoff-, Wasser- und Energieverbrauch und eine verbesserte Prozesswiederholbarkeit, Transfereffizienz, hohe Gleichmäßigkeit und reduzierte Emissionen.
