本发明专利技术公开的燃料电池内部温度-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，其温度-湿度-热流密度联测传感器主要采用真空蒸发镀膜方法制作，包括八层薄膜：首层为二氧化硅绝缘层，第二层为下电极铝镀层，第三层涂覆高分子聚合物感湿介质，第四层蒸镀上电极铝镀层，第五、六层分别蒸镀铜镀层和镍镀层，第七层为二氧化硅保护层，第八层为二氧化硅厚热阻层。温度-湿度-热流密度联测传感器布置在燃料电池流场板的脊上，引线一端与温度-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。本发明专利技术可实现燃料电池内部温度、湿度和热流密度的同步测量，无需对燃料电池流场板等结构进行特殊改造。
【技术实现步骤摘要】
燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器
本专利技术属于燃料电池内部参数测量领域，涉及燃料电池内部温度、湿度和热流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器。
技术介绍
燃料电池的性能一直是研究人员所关注的重点，其受许多参数的影响，如燃料电池内部温度、反应气体压力、湿度、燃料电池结构等。 燃料电池的结构紧凑，如果设计不合理，将使内部产生的热量很难排出到电池体夕卜，就会引起燃料电池内局部温度的异常升高，在一定范围内部有助于燃料电池性能的提高，但超过一定范围(>80°C)将会影响膜电极上催化剂的活性，严重的将造成膜电极失效。燃料电池内部湿度控制也是尤为重要的，湿度的高低不仅影响燃料电池内质子交换膜的质子传递能力，还会影响燃料电池内部生成水的多少。若湿度不够，质子交换膜干涸，燃料电池的性能将会大幅降低，而湿度过高，燃料电池内部会集聚过多的凝结水，严重的会产生水淹现象，阻碍反应物向膜电极的传递，也会造成燃料电池性能的下降。 因此，对燃料电池内部的多参数进行测量研究是十分有必要的，而传统的研究大多集中于单一参数的研究，如通过在燃料电池内部植入热电偶、热电阻或微型传感器来进行温度的测量；通过特殊加工燃料电池流场板植入湿度传感器来进行湿度的测量。这些方法大多需要对燃料电池进行特殊的改造，制作复杂，成本高，而且每种参数测量对燃料电池的改造不具有通用性，甚至需要多次拆装燃料电池，严重影响了燃料电池性能的稳定。 本专利技术在温度-湿度-热流密度联测传感器上集成了测温、测湿和测热流单元，实现了对燃料电池内部温度、湿度和热流密度的同步联测，不需要对燃料电池的流场板等其他部件进行特殊改造，方便了燃料电池内部的多参数测量，同时减低了成本，减少了燃料电池的拆装次数，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解决燃料电池内部温度、湿度和热流密度多参数联测的问题，该专利技术包括八层薄膜，采用真空蒸发镀膜方法将测温、测湿和测热流单元集成在一个传感器之上，实现了对燃料电池内部温度、湿度和热流密度的同步测量；该专利技术具有工序简单，制作方便，体积小等优点，方便了燃料电池内部温度、湿度和热流密度的测量。 为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案如下:燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-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，温度-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的一端与温度-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上布置有温度-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。 所述温度-湿度-热流密度联测传感器4包括薄膜热电偶测温单元、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1.0-1.2 μ m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构成了湿敏电容，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的镍镀层19 ;所述铜镀层18同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层；所述镍镀层19同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点30，首端为薄膜热电偶接线引出端31 ;所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点32和薄膜热流计下结点33，首端为薄膜热流计接线引出端34 ;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32所对应二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚热阻层21。 所述薄膜热电偶接线引出端31、薄膜热流计接线引出端34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14的同一侧。 温度-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，根据铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层14上蒸镀一层铜镀层18 ;步骤六27，根据镍镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层14上蒸镀一层镍镀层19 ;步骤七28，在所镀铜镀层18、镍镀层19和上电极铝镀层17的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层20，其即作为薄膜热电偶和湿敏电容上电极的保护层，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32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 ;由以上步骤构成温度-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温度、湿度和热流密度的同步测量。 [0011 ] 所述温度-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。 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。 所述薄膜热电偶和薄膜热流计中，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、锑和钴代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。 所述温度-湿度-热流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形；薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状也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，首位相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。 所述薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点32、薄膜热流计下结点33 ;二氧化硅厚热阻层21还可位于薄膜热流计下结点33的上方。 所述薄本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池内部温度‑湿度‑热流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、温度‑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)，温度‑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)的一端与温度‑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)上布置有温度‑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：所述温度‑湿度‑热流密度联测传感器(4)包括薄膜热电偶测温单元、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(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(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)构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(35)，其中上电极铝镀层(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的镍镀层(19)；所述铜镀层(18)同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层；所述镍镀层(19)同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点(30)，首端为薄膜热电偶接线引出端(31)；所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(32)和薄膜热流计下结点(33)，首端为薄膜热流计接线引出端(34)；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(32)所对应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(21)；所述薄膜热电偶接线引出端(31)、薄膜热流计接线引出端(34)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(14)的同一侧。温度‑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)，根据铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层铜镀层(18)；步骤六(27)，根据镍镀层掩膜(11)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层镍镀层(19)；步骤七(28)，在所镀铜镀层(18)、镍镀层(19)和上电极铝镀层(17)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(12)蒸镀一层二氧化硅保护层(20)，其即作为薄膜热电偶和湿敏电容上电极的保护层，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(32)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)；由以上步骤构成温度‑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温度、湿度和热流密度的同步测量。...
【技术特征摘要】
1.燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(I)、温度-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)，温度-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⑶上，引线(5)的一端与温度-湿度-热流密度联测传感器⑷的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板(I)的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板(I)上布置有温度-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: 所述温度-湿度-热流密度联测传感器(4)包括薄膜热电偶测温单元、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:第一层为蒸镀在燃料电池流场板⑴两相邻流道⑵之间的脊⑶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0.5-1μπι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(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)构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(35)，其中上电极铝镀层(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的镍镀层(19);所述铜镀层(18)同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层；所述镍镀层(19)同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点(30)，首端为薄膜热电偶接线引出端(31);所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(32)和薄膜热流计下结点(33)，首端为薄膜热流计接线引出端(34);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(32)所对应二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚热阻层(21)； 所述薄膜热电偶接线引出端(31)、薄膜热流计接线引出端(34)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(14)的同一侧。 温度-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)，根据铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(14)上蒸镀一层铜镀层(18);步骤六(27)，根据镍镀层掩膜(11)...
【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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