燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片制造技术

燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片，是燃料电池内部湿度分布和热流密度分布的测量装置，其在导电基片上设置有与燃料电池流场板流道和脊相对应的漏缝和筋，并在筋上布置有湿度-热流密度联测传感器；湿度-热流密度联测传感器采用真空蒸发镀膜方法制作，包括八层薄膜。引线也采用真空蒸发镀膜方法制作，用于传递电信号，其延伸至流场板边缘处时放大形成引脚，以方便与外接数据采集设备相连。本发明专利技术可实现燃料电池内部湿度和热流密度分布的同步在线测量，并可作为独立的构件安装于燃料电池内部，结构简单，使用范围广，可适配于平行流道、蛇形流道、交错型流道或其他流道形状的燃料电池流场板。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片
本专利技术涉及一种燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片，属于燃料电池检测

技术介绍
燃料电池内部膜电极表面上电化学反应速率的不均匀会导致内部温度场的不均匀，若燃料电池结构设计不合理，将会导致燃料电池在运行过程中产生的热量无法及时排出，从而会造成燃料电池内部温度的异常升高，甚至使膜电极失效。而湿度也是燃料电池性能一个重要影响因素，其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。因此通过对燃料电池内部湿度和热流密度分布的测量可以为选取最优运行工况和优化燃料电池结构设计提供重要的理论基础。而多数研究者只是针对燃料电池内部的热流密度或湿度某单一参数进行了测量研究，热流密度的测量大多采用在燃料电池内部植入传感器的方法，但传感器体积大，需要对燃料电池进行特殊改造，从而增加了测量工作的复杂程度；对于湿度测量，主要方法有通过改造燃料电池植入商用湿度传感器或采用刻蚀工艺制作湿度传感器进行测量，其增加了测量工作的复杂程度，增加了成本，对燃料电池结构均有一定的破坏，影响其性能的稳定。本专利技术在导电基片上布置有湿度-热流密度联测传感器，其同时包括湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元，实现了同步在线测量燃料电池内部湿度分布和热流密度分布；该测量装置独立于被测燃料电池，无需对燃料电池进行结构改造，减少了对燃料电池的拆装次数，从而保证了燃料电池性能的稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能同步在线测量燃料电池内部湿度分布和热流密度分布的装置。该装置可作为独立构件安装于燃料电池内部，结构简单，制作方便，无需对燃料电池内部结构进行特殊改造，简化了燃料电池内部湿度和热流密度分布测量的步骤。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-热流密度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、湿度-热流密度联测传感器4、引线5、定位孔7；所述漏缝2、筋3设置在导电基片1上，筋3位于两相邻漏缝2之间，漏缝2和筋3的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝2和筋3的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；所述湿度-热流密度联测传感器4设置在筋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，另一端延伸至导电基片1的边缘并放大形成引脚6；定位孔7对称、均匀设置在导电基片1四周，用以将导电基片1固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有湿度-热流密度联测传感器4的面朝向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包括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：第一层为蒸镀在筋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35，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，第七层为在先前镀层基础上蒸镀的厚为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33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23；所述薄膜热流计铜镀层20和薄膜热流计镍镀层21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33和薄膜热流计下结点34，首端为薄膜热流计接线引出端32。所述薄膜热流计接线引出端32和湿敏电容接线引出端35均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层16的同一侧。所述导电基片1的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形；导电基片1上漏缝2的形状可为蛇形漏缝、平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。所述湿度-热流密度联测传感器4中湿敏电容中上下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、铂金属代替。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、钼和镍、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20和薄膜热流计镍镀层21的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。所述二氧化硅厚热阻层23还可位于薄膜热流计下结点34的上方。所述湿度-热流密度联测传感器4中的薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点33、薄膜热流计下结点34。所述薄膜热流计接线引出端32和湿敏电容接线引出端35的形状还可制作为椭圆形、矩形、梯形、三角形，其位置可分别相对的布置于二氧化硅绝缘层16的两侧。引线5的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片1的边缘处进行放大，形成引脚6。引线5是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层36，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层37，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层38，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层39；其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层39。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果。本专利技术的燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片，是在导电基片的筋上布置湿度-热流密度联测传感器，其导电基片上的漏缝与被测燃料电池流场板的流道相对应，不影响反应物向膜电极方向地扩散，可在燃料电池运行过程中实现对燃料电池内部湿度分布和热流密度分布的同步测量；与燃料电池组装时，该专利技术装置布置于燃料电池流场板和膜电极中间，其结构独立于被测燃料电池，不需要对燃料电池流场板或极板等其他结构进行特殊改造，降低了由测量装置的植入对燃料电池性能的影响；同时，该装置结构简单，制作方便，适用范围广，可适配于平行流道、蛇形流道、交错型流道或其它不规则流道形状的燃料电池流场板。附图说明图1为燃料电池内部湿度-热流密度分布平行漏缝测量插片主观示意图；图2为燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片上单个湿度-热流密度联测传感器的主观示意图；图3为燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片上单个湿度-热流密度联测传感器的制作流程图；图4为燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片上湿度-热流密度联测传感器引线的截面主观示意图；图5为燃料电池内部湿度-热流密度分布交错漏缝测量插片主观示意图；图6为燃料电池内部湿度-热流密度分布蛇形单漏缝测量插片主观示意图；图7为燃料电池内部湿度-热流密度分布蛇形双漏缝测量插片主观示意图；图中，1、导电基片，本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池内部湿度‑热流密度分布测量插片，包括导电基片(1)、漏缝(2)、筋(3)、湿度‑热流密度联测传感器(4)、引线(5)、定位孔(7)；所述漏缝(2)、筋(3)设置在导电基片(1)上，筋(3)位于两相邻漏缝(2)之间，漏缝(2)和筋(3)的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝(2)和筋(3)的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；其特征在于：所述湿度‑热流密度联测传感器(4)设置在筋(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，另一端延伸至导电基片(1)的边缘并放大形成引脚(6)；定位孔(7)对称、均匀设置在导电基片(1)四周，用以将导电基片(1)固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部湿度‑热流密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有湿度‑热流密度联测传感器(4)的面朝向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)包括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：第一层为蒸镀在筋(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(35)，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)，第七层为在先前镀层基础上蒸镀的厚为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(33)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(23)；所述薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)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(33)和薄膜热流计下结点(34)，首端为薄膜热流计接线引出端(32)；所述薄膜热流计接线引出端(32)和湿敏电容接线引出端(35)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(16)的同一侧。...

【技术特征摘要】
1.燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片，包括导电基片(1)、漏缝(2)、筋(3)、湿度-热流密度联测传感器(4)、引线(5)、定位孔(7)；所述漏缝(2)、筋(3)设置在导电基片(1)上，筋(3)位于两相邻漏缝(2)之间，漏缝(2)和筋(3)的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝(2)和筋(3)的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；其特征在于：所述湿度-热流密度联测传感器(4)设置在筋(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，另一端延伸至导电基片(1)的边缘并放大形成引脚(6)；定位孔(7)对称、均匀设置在导电基片(1)四周，用以将导电基片(1)固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部湿度-热流密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有湿度-热流密度联测传感器(4)的面朝向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)包括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：第一层为蒸镀在筋(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(35)，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镍镀层(21)基础上蒸镀的厚为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(33)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(23)；所述薄膜热流计铜镀层(20)和薄膜热流计镍镀层(21)的形状均为相互平行的四边形，每个相互平行的四边形的首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热流计上结点(33)和薄膜热流计下结点(34)，首端为薄膜热流计接线引出端(32)；所述薄膜热流计接线引出端(32)和湿敏电容接线引出端(3...

【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