本发明专利技术公开的燃料电池内部湿度-热流密度-电流密度联测传感器，属于燃料电池内部参数测量领域，其湿度-热流密度-电流密度联测传感器布置在燃料电池流场板的脊上，由十层薄膜构成，主要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，第三层涂覆高分子聚合物感湿介质，第四层为下电极铝镀层，第五、六层为薄膜热流计铜镀层和镍镀层，第七层为二氧化硅保护层，第八层为二氧化硅厚热阻层，第九、十层为电流密度测量铜镀层和金镀层。本发明专利技术可实现对燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度的同步测量，无需对燃料电池流场板等结构进行特殊改造，可布置于各种流道形状的燃料电池流场板上。
【技术实现步骤摘要】
燃料电池内部湿度-热流密度-电流密度联测传感器
本专利技术属于燃料电池内部参数测量领域，涉及燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度的测量，特别涉及燃料电池内部湿度-热流密度-电流密度联测传感器。
技术介绍
燃料电池的性能是研究人员所重点关注的，而其与燃料电池膜电极上的电化学反应有着最直接的联系。燃料电池膜电极上的电化学反应速率受多种因素的影响，如温度，反应气体的浓度、流量、湿度等，因此通过对燃料电池内部参数的监测即可有助于优化燃料电池的运行工况和结构参数，使燃料电池保持高性能运行。 对于湿度测量，可通过在燃料电池流场板上开孔，植入湿度传感器来对燃料电池内部的湿度进行测量，但该方法需要对燃料电池的流场板进行特殊的加工改造，加工难度大，且对燃料电池的密封性有一定的破坏性；另外，还有采用光刻和刻蚀技术制作湿度传感器并植入燃料电池内部进行测量的方法，该方法虽然不需要对燃料电池的结构进行特殊改造，但刻蚀工艺较为复杂。对于热流密度的测量，大多为植入热流计来进行测量，这些方法通常会就燃料电池的流场板进行特殊改造，往往加工难度大，成本高，使用不方便，同时也对燃料电池的性能有一定的影响。电流密度的测量有子电池法、膜电极分割法、磁环组法等,也需要对燃料电池进行特殊改造,加工复杂,成本高。 每种参数测量所对燃料电池的改造并不具有通用性，若对多种参数测量，则需要专门制造多种特殊的燃料电池，不仅增加了工作量，还增加了工作成本。 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；在传感器上集成了测湿单元、测热流单元和测电流单元，实现了燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度的同步联测，减少了燃料电池的拆装次数，不需要对燃料电池的结构进行特殊改造，制作加工容易，适用范围广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能同步联测燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度的传感器，以解决燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度联测的问题。该专利技术具有结构简单，制作方便，体积小等优点，方便了燃料电池内部湿度、热流密度和电流密度的测量研究。 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-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、湿度-热流密度-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器4包括湿敏电容测湿单元、薄膜热流计测热流单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括十层薄膜:第一层为蒸镀在燃料电池流场板I两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层16，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层17，第三层为在下电极铝镀层17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18，第四层为在高分子聚合物感湿介质层18上方蒸镀的厚为1.0-1.2 μ m的上电极铝镀层19 ;所述上电极铝镀层19、高分子聚合物感湿介质层18和下电极铝镀层17构成湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端39，其中上电极铝镀层19的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计铜镀层20，第六层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的薄膜热流计镍镀层21 ;第七层为在薄膜热流计铜镀层20、薄膜热流计镍镀层21和上电极铝镀层19的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层22，第八层为在薄膜热流计上结点36所对二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.Ομπι的二氧化硅厚热阻层23 ;所述薄膜热流计铜镀层20、薄膜热流计镍镀层21、二氧化硅保护层22和二氧化硅厚热阻层23构成薄膜热流计，首端为薄膜热流计接线引出端38，薄膜热流计铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21的形状为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热电堆，其中包括薄膜热流计上结点36和薄膜热流计下结点37 ;第九层为在薄膜热流计铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5-2.Ομπι的电流密度测量铜镀层24，第十层为在电流密度测量铜镀层24的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 μ m的电流密度测量金镀层25 ;所述电流密度测量铜镀层24和电流密度测量金镀层25相互重叠，构成电流密度测量金属镀层40，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端41。 所述薄膜热流计接线引出端38、湿敏电容接线引出端39和电流密度测量金属镀层接线引出端41均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层16的同一侧。 湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一 26、步骤二 27、步骤三28、步骤四29、步骤五30、步骤六31、步骤七32、步骤八33，步骤九34，步骤十35 ;具体而言，步骤一 26，在脊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16 ;步骤二 27，在二氧化硅绝缘层16上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀下电极铝镀层17 ;步骤三28，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层17上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层18 ;步骤四29，在高分子聚合物感湿介质层18的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀上电极铝镀层19 ;步骤五30，根据薄膜热流计铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层薄膜热流计铜镀层20;步骤六31，根据薄膜热流计镍镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层薄膜热流计镍镀层21 ;步骤七32，在上电极铝镀层19、薄膜热流计铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀二氧化硅保护层22 ;步骤八33，在薄膜热流计上结点36的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23 ;步骤九34，在薄膜热流计铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜14蒸镀电流密度测量铜镀层24 ;步骤十35，在电流密度测量铜镀层24的上方根据电流密度测量金镀层掩膜15蒸镀一层电流密度测量金镀层25 ；由以上步骤构成湿度-热流密度-电流密度联测传感器，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、热流密度和电流密度的同步测量。 所述湿度-热流密度-电流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层16可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。 所述湿敏电容中上电极和下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、钼金属代替。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。 所述上电极铝镀层19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铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21的形状是根据本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池内部湿度‑热流密度‑电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、湿度‑热流密度‑电流密度联测传感器(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‑电流密度联测传感器(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‑电流密度联测传感器(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‑电流密度联测传感器(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‑电流密度联测传感器(4)包括湿敏电容测湿单元、薄膜热流计测热流单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括十层薄膜：第一层为蒸镀在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上的厚为0.08‑0.12μm的二氧化硅绝缘层(16)，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为1.0‑1.2μm的下电极铝镀层(17)，第三层为在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层厚为0.5‑1μm的高分子聚合物感湿介质层(18)，第四层为在高分子聚合物感湿介质层(18)上方蒸镀的厚为1.0‑1.2μm的上电极铝镀层(19)；所述上电极铝镀层(19)、高分子聚合物感湿介质层(18)和下电极铝镀层(17)构成湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(39)，其中上电极铝镀层(19)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1‑0.12μm的薄膜热流计铜镀层(20)，第六层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1‑0.12μm的薄膜热流计镍镀层(21)；第七层为在薄膜热流计铜镀层(20)、薄膜热流计镍镀层(21)和上电极铝镀层(19)的上方蒸镀的厚为0.08‑0.12μm的二氧化硅保护层(22)，第八层为在薄膜热流计上结点(36)所对二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2‑2.0μm的二氧化硅厚热阻层(23)；所述薄膜热流计铜镀层(20)、薄膜热流计镍镀层(21)、二氧化硅保护层(22)和二氧化硅厚热阻层(23)构成薄膜热流计，首端为薄膜热流计接线引出端(38)，薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)的形状为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(36)和薄膜热流计下结点(37)；第九层为在薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5‑2.0μm的电流密度测量铜镀层(24)，第十层为在电流密度测量铜镀层(24)的上方蒸镀一层厚为0.1‑0.12μm的电流密度测量金镀层(25)；所述电流密度测量铜镀层(24)和电流密度测量金镀层(25)相互重叠，构成电流密度测量金属镀层(40)，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(41)；所述薄膜热流计接线引出端(38)、湿敏电容接线引出端(39)和电流密度测量金属镀层接线引出端(41)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(16)的同一侧。湿度‑热流密度‑电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(26)、步骤二(27)、步骤三(28)、步骤四(29)、步骤五(30)、步骤六(31)、步骤七(32)、步骤八(33)，步骤九(34)，步骤十(35)；具体而言，步骤一(26)，在脊(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(16)；步骤二(27)，在二氧化硅绝缘层(16)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀下电极铝镀层(17)；步骤三(28)，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(18)；步骤四(29)，在高分子聚合物感湿介质层(18)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀上电极铝镀层(19)；步骤五(30)，根据薄膜热流计铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀一层薄膜热流计铜镀层(20)；步骤六(31)，根据薄膜热流计镍镀层掩膜(11)在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀一层薄膜热流计镍镀层(21)；步骤七(32)，在上电极铝镀层(19)、薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(12)蒸镀二氧化硅保护层(22)；步骤八(33)，在薄膜热流计上结点(36)的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(23)；步骤九(34)，在薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜(14)蒸镀电流密度测量铜镀层(24)；步骤十(35)，在电流密度测量铜镀层(24)的上方根据电流密度测量金镀层掩膜(15)蒸镀一层电流密度测量金镀层(25)；由以上步骤构成...
【技术特征摘要】
1.燃料电池内部湿度-热流密度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、湿度-热流密度-电流密度联测传感器(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-电流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板(1)两相邻流道⑵之间的脊⑶上，引线(5)的一端与湿度-热流密度-电流密度联测传感器⑷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-电流密度联测传感器(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-电流密度联测传感器(4)包括湿敏电容测湿单元、薄膜热流计测热流单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括十层薄膜:第一层为蒸镀在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上的厚为0.08-0.12 4 111的二氧化硅绝缘层(16),作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为1.0-1.200的下电极铝镀层(17),第三层为在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层厚为0.5-1 9 0的高分子聚合物感湿介质层(18)，第四层为在高分子聚合物感湿介质层(18)上方蒸镀的厚为1.0-1.2 0 0的上电极铝镀层(19)；所述上电极铝镀层(19)、高分子聚合物感湿介质层(18)和下电极铝镀层(17)构成湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(39),其中上电极铝镀层(19)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1-0.12 9 0的薄膜热流计铜镀层(20),第六层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1-0.12 9 111的薄膜热流计镍镀层(21)；第七层为在薄膜热流计铜镀层(20)、薄膜热流计镍镀层(21)和上电极铝镀层(19)的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 ^111的二氧化硅保护层(22),第八层为在薄膜热流计上结点(36)所对二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.09 0的二氧化硅厚热阻层(23)；所述薄膜热流计铜镀层(20)、薄膜热流计镍镀层(21)、二氧化硅保护层(22)和二氧化硅厚热阻层(23)构成薄膜热流计，首端为薄膜热流计接线引出端(38),薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)的形状为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(36)和薄膜热流计下结点(37)；第九层为在薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5-2.09 0的电流密度测量铜镀层(24),第十层为在电流密度测量铜镀层(24)的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 0111的电流密度测量金镀层(25)；所述电流密度测量铜镀层(24)和电流密度测量金镀层(25)相互重叠，构成电流密度测量金属镀层(40),首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(41)； 所述薄膜热流计接线引出端(38)、湿敏电容接线引出端(39)和电流密度测量金属镀层接线引出端(41)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(16)的同一侧。 湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(26)、步骤二(27)、步骤三(28)、步骤四(29)、步骤五(30)、步骤六(31)、步骤七(32)、步骤八(33)，步骤九(34)，步骤十(35)；具体而言，步骤一(26),在脊(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(16)；步骤二(27),在二氧化硅绝缘层(16)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀下电极铝镀层(17)；步骤三(28),根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(18)；步骤四(29),在高分子聚合物感湿介质层(18)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀上电极铝镀层(19)；...
【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
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