燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器制造技术

技术编号:11057313 阅读:176 留言:1更新日期:2015-02-18 20:29
本发明专利技术公开的燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器,属于燃料电池内部参数测量领域,其湿度-热流密度联测传感器由八层薄膜构成,采用真空蒸发镀膜方法制作:首层为二氧化硅绝缘层,第二层为上电极铝镀层,第三层为高分子聚合物感湿介质层,第四层为下电极铝镀层,第五、六层为薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层,第七层为二氧化硅保护层,第八层为二氧化硅厚热阻层;湿度-热流密度联测传感器布置在燃料电池流场板的脊上,引线一端与湿度-热流密度联测传感器相连另一端延伸至流场板的边缘。本发明专利技术可对燃料电池内部湿度和热流密度进行同步测量,无需对燃料电池流场板等结构进行特殊改造。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器
[0001 ] 本专利技术属于燃料电池内部热参数测量领域,涉及燃料电池内部湿度和热流密度的测量,特别涉及燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器。
技术介绍
燃料电池结构紧凑,随着电化学反应的进行,若内部的热量不能被顺利释放,将会引起燃料电池内局部温度异常升高,从而影响膜电极的活性,造成燃料电池性能下降。燃料电池内部热流密度不仅与膜电极上电化学反应速率有关,同时受燃料电池反应物流量、电池组装结构的影响,因此对燃料电池内部热流密度的监控对其性能的优化非常有意义。 对燃料电池性能影响具有同样重要性的另一个因素是内部的湿度,湿度的大小不单影响燃料电池质子交换膜的质子传导,而且还会影响燃料电池内部反应生成物水的多少,同时又会影响燃料电池的传热传质,若燃料电池内部聚集过多的水,将会产生水淹现象,导致反应物不能与膜电极充分接触,性能降低。 因此对燃料电池内部的热流密度和湿度进行监测对燃料电池性能的优化具有非常重要的意义。多数研究者只是针对燃料电池内部的热流密度或湿度进行了测量研究,通过对热流密度的研究而采取的对燃料电池的优化措施并不能确定其对湿度的影响是否有益,这就需要对燃料电池内部的热流密度和湿度进行同步监测,以找到最适宜燃料电池运行的工况和结构。传统的测量方法制作工艺复杂,大多需要对燃料电池的结构进行特殊改造,增加了测量工作的复杂程度,同时也破坏了燃料电池的整体结构,甚至会降低燃料电池的性能。 本专利技术采用真空蒸发镀膜方法制作,制作工序简单,成本低;在传感器测头上集成了测湿单元和测热流单元,实现了燃料电池内部湿度和热流密度的同步测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能同步测量燃料电池内部湿度和热流密度的传感器,以解决燃料电池内部湿度和热流密度联测的问题。该专利技术采用真空蒸发镀膜方法制作而成,传感器测头集成了湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元,具有结构简单,制作方便,体积小等优点,方便了燃料电池内部湿度和热流密度的测量研究。 为实现上述技术目的,本专利技术的技术方案如下:燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器,包括燃料电池流场板1、湿度-热流密度联测传感器4、引线5,在燃料电池流场板I上设有流道2和脊3,湿度-热流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板I两相邻流道2之间的脊3上,引线5的一端与湿度-热流密度联测传感器4的接线引出端相接,另一端延伸至燃料电池流场板I的边缘;燃料电池组装时,燃料电池流场板I上布置有湿度-热流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。 所述湿度-热流密度联测传感器4集成了湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元,采用真空蒸发镀膜方法制作,包括八层薄膜:第一层为蒸镀在脊3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层14,作为绝缘衬底,第二层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层15,第三层为在下电极铝镀层15上方涂覆一层厚为 0.5-1 μ m的高分子聚合物感湿介质层16,第四层为在高分子聚合物感湿介质层层16上方蒸镀的厚为1.0-1.2 μ m的上电极铝镀层17 ;所述上电极铝镀层17、高分子聚合物感湿介质层16和下电极铝镀层15构成湿敏电容测湿单元,首端为湿敏电容接线引出端33,其中上电极铝镀层17的形状为蛇形;第五层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计铜镀层18,第六层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计镍镀层19,第七层为在先前镀层的基础上蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层20,第八层为在薄膜热流计上结点31所对的二氧化硅镀层上方蒸镀一层厚为 1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚热阻层21 ;所述薄膜热流计铜镀层18、薄膜热流计镍镀层19、二氧化硅保护层20和二氧化硅厚热阻层21构成薄膜热流计测热流单元,首端为薄膜热流计接线引出端30 ;所述薄膜热流计铜镀层18和薄膜热流计镍镀层19的形状分别为相互平行的四边形,首尾相互搭接,搭接处构成薄膜热流计上结点31和薄膜热流计下结点32。 所述薄膜热流计接线引出端30和湿敏电容接线引出端33均制作成圆形,且均布置于二氧化硅绝缘层14的同一侧。 湿度-热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一 22、步骤二 23、步骤三24、步骤四25、步骤五26、步骤六27、步骤七28、步骤八29 ;具体而言,步骤一 22,在燃料电池流场板I的脊3上根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层14 ;步骤二 23,在二氧化硅绝缘层14上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀一层下电极铝镀层15 ;步骤三24,根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层15上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层16 ;步骤四25,在高分子聚合物感湿介质层16的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀一层上电极铝镀层17 ;步骤五26,根据薄膜热流计铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层14上蒸镀一层薄膜热流计铜镀层18 ;步骤六27,根据薄膜热流计镍镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层14上蒸镀一层薄膜热流计镍镀层19 ;步骤七28,在先前镀层的基础上根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层20,其即作为湿敏电容的保护层,又作为薄膜热流计的薄热阻层;步骤八29,在薄膜热流计上结点31所对应的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜13蒸镀一层二氧化硅厚热阻层21 ;由以上步骤构成湿度-热流密度联测传感器,外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部湿度和热流密度的同步测量。 所述湿度-热流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层14可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。 所述测湿单元湿敏电容中上下电极金属镀层材料,还可选用金、铜、钼金属代替。 所述上电极铝镀层17的形状是根据掩膜的形状而设定的,其形状还可为锯齿状、梳状。 所述薄膜热流计金属镀层材料中,由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钥和镍、锑和钴替代,也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。 所述薄膜热流计铜镀层18和薄膜热流计镍镀层19的形状是根据掩膜的形状而设定的,其形状还可为长条形、弧形、菱形,相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。 所述湿度-热流密度联测传感器4中的薄膜热流计至少包括一对薄膜热流计上结点31、薄膜热流计下结点32 ;二氧化硅厚热阻层21还可位于薄膜热流计下结点32的上方。 所述薄膜热流计接线引出端30和湿敏电容接线引出端33的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形,其位置可分别相对的布置在二氧化硅绝缘层14的两侧。 所述引线5的宽度为0.1-0.2_,是由真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成:第一层为厚0.08-0.12 μ m的引线二氧化硅绝缘层34,第二层为厚0.1-0.12 μ m的引线铜镀层35,第三层为厚0.1-0.12 μ m的引线金镀层36,最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层(37)。 引线二氧化硅绝缘层34与引线铜镀层35和引线金镀层36在形状、位置和尺寸上均一致,引线二氧化硅保护层37与前三层在形状和位置上相同,但本文档来自技高网
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【技术保护点】
燃料电池内部湿度‑热流密度联测传感器,包括燃料电池流场板(1)、湿度‑热流密度联测传感器(4)、引线(5),在燃料电池流场板(1)上设有流道(2)和脊(3),湿度‑热流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上,引线(5)的一端与湿度‑热流密度联测传感器(4)的接线引出端相接,另一端延伸至燃料电池流场板(1)的边缘;燃料电池组装时,燃料电池流场板(1)上布置有湿度‑热流密度联测传感器(4)的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触;其特征在于:所述湿度‑热流密度联测传感器(4)集成了湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元,采用真空蒸发镀膜方法制作,包括八层薄膜:第一层为蒸镀在脊(3)上的厚为0.08‑0.12μm的二氧化硅绝缘层(14),作为绝缘衬底,第二层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为1.0‑1.2μm的下电极铝镀层(15),第三层为在下电极铝镀层(15)上方涂覆一层厚为0.5‑1μm的高分子聚合物感湿介质层(16),第四层为在高分子聚合物感湿介质层层(16)上方蒸镀的厚为1.0‑1.2μm的上电极铝镀层(17);所述上电极铝镀层(17)、高分子聚合物感湿介质层(16)和下电极铝镀层(15)构成湿敏电容测湿单元,首端为湿敏电容接线引出端(33),其中上电极铝镀层(17)的形状为蛇形;第五层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为0.1‑0.12μm的薄膜热流计铜镀层(18),第六层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为0.1‑0.12μm的薄膜热流计镍镀层(19),第七层为在先前镀层的基础上蒸镀的厚为0.08‑0.12μm的二氧化硅保护层(20),第八层为在薄膜热流计上结点(31)所对的二氧化硅镀层上方蒸镀一层厚为1.2‑2.0μm的二氧化硅厚热阻层(21);所述薄膜热流计铜镀层(18)、薄膜热流计镍镀层(19)、二氧化硅保护层(20)和二氧化硅厚热阻层(21)构成薄膜热流计测热流单元,首端为薄膜热流计接线引出端(30);所述薄膜热流计铜镀层(18)和薄膜热流计镍镀层(19)的形状分别为相互平行的四边形,首尾相互搭接,搭接处构成薄膜热流计上结点(31)和薄膜热流计下结点(32);所述薄膜热流计接线引出端(30)和湿敏电容接线引出端(33)均制作成圆形,且均布置于二氧化硅绝缘层(14)的同一侧;湿度‑热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(22)、步骤二(23)、步骤三(24)、步骤四(25)、步骤五(26)、步骤六(27)、步骤七(28)、步骤八(29);具体而言,步骤一(22),在燃料电池流场板(1)的脊(3)上根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)蒸镀一层二氧化硅绝缘层(14);步骤二(23),在二氧化硅绝缘层(14)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀一层下电极铝镀层(15);步骤三(24),根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(15)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(16);步骤四(25),在高分子聚合物感湿介质层(16)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀一层上电极铝镀层(17);步骤五(26),根据薄膜热流计铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层薄膜热流计铜镀层(18);步骤六(27),根据薄膜热流计镍镀层掩膜(11)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层薄膜热流计镍镀层(19);步骤七(28),在先前镀层的基础上根据二氧化硅保护层掩膜(12)蒸镀一层二氧化硅保护层(20),其即作为湿敏电容的保护层,又作为薄膜热流计的薄热阻层;步骤八(29),在薄膜热流计上结点(31)所对应的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜(13)蒸镀一层二氧化硅厚热阻层(21);由以上步骤构成湿度‑热流密度联测传感器,外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部湿度和热流密度的同步测量。...

【技术特征摘要】
1.燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器,包括燃料电池流场板(I)、湿度-热流密度联测传感器(4)、引线(5),在燃料电池流场板(I)上设有流道(2)和脊(3),湿度-热流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板(I)两相邻流道(2)之间的脊(3)上,引线(5)的一端与湿度-热流密度联测传感器(4)的接线引出端相接,另一端延伸至燃料电池流场板(I)的边缘;燃料电池组装时,燃料电池流场板(I)上布置有湿度-热流密度联测传感器(4)的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触;其特征在于: 所述湿度-热流密度联测传感器(4)集成了湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元,采用真空蒸发镀膜方法制作,包括八层薄膜:第一层为蒸镀在脊(3)上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层(14),作为绝缘衬底,第二层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层(15),第三层为在下电极铝镀层(15)上方涂覆一层厚为0.5-1 μ m的高分子聚合物感湿介质层(16),第四层为在高分子聚合物感湿介质层层(16)上方蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的上电极铝镀层(17);所述上电极铝镀层(17)、高分子聚合物感湿介质层(16)和下电极铝镀层(15)构成湿敏电容测湿单元,首端为湿敏电容接线引出端(33),其中上电极铝镀层(17)的形状为蛇形;第五层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计铜镀层(18),第六层为在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计镍镀层(19),第七层为在先前镀层的基础上蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层(20),第八层为在薄膜热流计上结点(31)所对的二氧化硅镀层上方蒸镀一层厚为1.2-2.Ομπι的二氧化硅厚热阻层(21);所述薄膜热流计铜镀层(18)、薄膜热流计镍镀层(19)、二氧化硅保护层(20)和二氧化硅厚热阻层(21)构成薄膜热流计测热流单元,首端为薄膜热流计接线引出端(30);所述薄膜热流计铜镀层(18)和薄膜热流计镍镀层(19)的形状分别为相互平行的四边形,首尾相互搭接,搭接处构成薄膜热流计上结点(31)和薄膜热流计下结点(32); 所述薄膜热流计接线引出端(30)和湿敏电容接线引出端(33)均制作成圆形,且均布置于二氧化硅绝缘层(14)的同一侧; 湿度-热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(22)、步骤二(23)、步骤三(24)、步骤四(25)、步骤五(26)、步骤六(27)、步骤七(28)、步骤八(29);具体而言,步骤一 (22),在燃料电池流场板(I)的脊(3)上根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)蒸镀一层二氧化硅绝缘层(14);步骤二(23),在二氧化硅绝缘层(14)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀一层下电极铝镀层(15);步骤三(24),根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(15)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(16);步骤四(25),在高分子聚合物感湿介质层(16)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀一层上电极铝镀层(17);步骤五(26),根据薄膜热流计铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层薄膜热流...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭航王政叶芳马重芳
申请(专利权)人:北京工业大学
类型:发明
国别省市:北京;11

网友询问留言 已有1条评论
  • 来自[北京市电信互联网数据中心] 2015年02月18日 20:33
    密度是物理学专业术语。在物理学中,把某种物质的质量与该物质体积的比值叫作这种物质的密度。密度是一个物理量,是物体的一种特性。符号为ρ,读作rou(一声)。我们通常使用密度来描述物质在单位体积下的质量。这个概念在化学、材料科学等其他自然科学领域也经常使用。以下我们主要讨论密度在物理学中的概念以及应用举例。
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