本发明专利技术公开了燃料电池内部温度-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，其温度-热流密度-电流密度联测传感器是由采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的七层薄膜构成：第一层为二氧化硅绝缘层，第二、三层为铜镀层和镍镀层，第四层为二氧化硅保护层，第五层为二氧化硅厚热阻层，第六层为电流密度测量铜镀层，第七层为电流密度测量金镀层。本发明专利技术能够实现对燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的同步在线测量，具有结构简单，制作方便，体积小等优点，适用于各种流道形状的燃料电池流场板，能对燃料电池内部单一位置或多个位置的温度、热流密度和电流密度进行同步测量。
【技术实现步骤摘要】
燃料电池内部温度-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，涉及燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-热流密度-电流密度联测传感器。
技术介绍
燃料电池技术是氢能利用中的一种先进的技术，如何提高燃料电池的性能是研究人员所重点关注的。影响燃料电池性能的某些因素都能通过一些内部参数所反映出来，如局部电流密度、温度、热流密度等。 当燃料电池的结构设计不合理时，会影响燃料电池内部热量的排出，从而造成内部温度场的不均匀，而不均匀的温度场又会影响膜电极上的电化学反应，从而影响燃料电池的性能。在大电流密度放电时，如果燃料电池结构不合理，导致热量在某一局部区域聚集，造成局部温度异常升高，则过高的温度会使燃料电池的膜电极失效。燃料电池内部的局部电流密度能够反映出反应物流量、水淹状况、接触电阻等因素对燃料电池性能的影响，通过测量燃料电池内部的局部电流密度可以预测燃料电池内部的水淹情况，气体分别情况，指导燃料电池工况的选取。 对于燃料电池内部参数的测量研究大多集中在单一参数的研究，如温度的测量，传统的方法主要是将微型温度传感器、热电偶或热电阻埋入燃料电池的流道中，或与燃料电池的膜电极热压为一体，这些方法不仅加工制作困难，而且测温元件的植入也破坏了燃料电池整体结构的气密性，甚至降低了膜电极的活性面积，进而影响到了燃料电池的性能；电流密度测量，主要方法有子电池法、局部膜电极法、磁环组法等，这些方法大多需要对燃料电池的极板或流场板进行加工改造或分割膜电极组件，加工难度大、工艺复杂、制作成本高。而随着燃料电池研究的深入，单一参数的测量已不能满足研究的需要，需要测量多个参数进行统一考量，若对每种参数进行逐一测量，将会使工作时间大大增加，同时也增加了燃料电池的拆装次数，从而破坏了燃料电池性能的稳定，也降低了燃料电池所测数据的真实性。 本专利技术的燃料电池内部温度-热流密度-电流密度联测传感器能够实现燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的同步测量，而不需要对燃料电池的极板或流场板进行特殊的加工改造，也减少了燃料电池的拆装次数，从而方便了燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的测量；该专利技术结构简单、制作方便，适用于各种流道形状的燃料电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种传感器具有同步测量燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的功能。该专利技术采用真空蒸发镀膜方法制作，结构简单，制作方便，使用该专利技术减少了燃料电池的拆装次数，降低了多种参数测量传感器的植入对燃料电池性能的破坏，方便了燃料电池内部多参数的测量研究。 为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案如下:燃料电池内部温度-热流密度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-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，温度-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的一端与温度-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上布置有温度-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。 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4为采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的七层薄膜:第一层为厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层13，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层13上厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层14，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层13上厚为0.1-0.12 μ m的镍镀层15 ;所述铜镀层14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15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27，首端为薄膜热电偶接线引出端28 ;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，且首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点29和薄膜热流计下结点30，首端为薄膜热流计接线引出端31 ;第四层为在铜镀层14和镍镀层15上方蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层16，第五层为在薄膜热流计上结点29所对应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17，第六层为在先前镀层基础上蒸镀的一层厚为1.5-2.0ym的电流密度测量铜镀层18，第七层为在电流密度测量铜镀层18上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 μ m的电流密度测量金镀层19 ；所述电流密度测量铜镀层18和电流密度测量金镀层19相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层32，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端33。 所述薄膜热电偶接线引出端28、薄膜热流计接线引出端31和电流密度测量金属镀层接线引出端33均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层13的同一侧。 温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一 20、步骤二 21、步骤三22、步骤四23、步骤五24、步骤六25、步骤七26 ;具体而言，步骤一 20，根据二氧化硅绝缘层掩膜6在燃料电池流场板I两相邻流道2之间的脊3上蒸镀一层二氧化硅绝缘层13，作为绝缘衬底；步骤二 21，在二氧化硅绝缘层13上根据铜镀层掩膜7蒸镀一层铜镀层14 ；步骤三22，根据镍镀层掩膜8在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层镍镀层15 ;步骤四23，在所镀铜镀层14和镍镀层15的上方根据二氧化硅保护层掩膜9蒸镀一层二氧化硅保护层16，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的二氧化硅薄热阻层；步骤五24，在薄膜热流计上结点29所对应的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜10蒸镀一层二氧化硅厚热阻层17 ;步骤六25，在步骤五的基础上根据电流密度测量铜镀层掩膜11，蒸镀一层电流密度测量铜镀层18 ;步骤七26，在电流密度测量铜镀层18的上方根据电流密度测量金镀层掩膜12蒸镀一层电流密度测量金镀层19 ；由以上步骤构成温度-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温度、热流密度和电流密度的同步测量。 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层13可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中由铜和镍组成的薄膜热电偶和薄膜热流计金属镀层材料还可以选用钨和镍、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。 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器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，其形状还可为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。 所述二氧化硅厚热阻层17还可位于薄膜热流计下结点30的上方。 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中的薄膜热流计至少包括一对薄膜热流计上结点29、薄膜热流计下结点30。 所述温度-热流密度-本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池内部温度‑热流密度‑电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、温度‑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)，温度‑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)的一端与温度‑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)上布置有温度‑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：所述温度‑热流密度‑电流密度联测传感器(4)为采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的七层薄膜：第一层为厚0.08‑0.12μm的二氧化硅绝缘层(13)，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(13)上厚为0.1‑0.12μm的铜镀层(14)，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(13)上厚为0.1‑0.12μm的镍镀层(15)；所述铜镀层(14)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(15)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(27)，首端为薄膜热电偶接线引出端(28)；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，且首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(29)和薄膜热流计下结点(30)，首端为薄膜热流计接线引出端(31)；第四层为在铜镀层(14)和镍镀层(15)上方蒸镀的厚为0.08‑0.12μm的二氧化硅保护层(16)，第五层为在薄膜热流计上结点(29)所对应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(17)，第六层为在先前镀层基础上蒸镀的一层厚为1.5‑2.0μm的电流密度测量铜镀层(18)，第七层为在电流密度测量铜镀层(18)上方蒸镀一层厚为0.1‑0.12μm的电流密度测量金镀层(19)；所述电流密度测量铜镀层(18)和电流密度测量金镀层(19)相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层(32)，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(33)；所述薄膜热电偶接线引出端(28)、薄膜热流计接线引出端(31)和电流密度测量金属镀层接线引出端(33)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(13)的同一侧；温度‑热流密度‑电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(20)、步骤二(21)、步骤三(22)、步骤四(23)、步骤五(24)、步骤六(25)、步骤七(26)；具体而言，步骤一(20)，根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上蒸镀一层二氧化硅绝缘层(13)，作为绝缘衬底；步骤二(21)，在二氧化硅绝缘层(13)上根据铜镀层掩膜(7)蒸镀一层铜镀层(14)；步骤三(22)，根据镍镀层掩膜(8)在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀一层镍镀层(15)；步骤四(23)，在所镀铜镀层(14)和镍镀层(15)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(9)蒸镀一层二氧化硅保护层(16)，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的二氧化硅薄热阻层；步骤五(24)，在薄膜热流计上结点(29)所对应的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜(10)蒸镀一层二氧化硅厚热阻层(17)；步骤六(25)，在步骤五的基础上根据电流密度测量铜镀层掩膜(11)，蒸镀一层电流密度测量铜镀层(18)；步骤七(26)，在电流密度测量铜镀层(18)的上方根据电流密度测量金镀层掩膜(12)蒸镀一层电流密度测量金镀层(19)；由以上步骤构成温度‑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温度、热流密度和电流密度的同步测量。...
【技术特征摘要】
1.燃料电池内部温度-热流密度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、温度-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),温度-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)的一端与温度-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)上布置有温度-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: 所述温度-热流密度-电流密度联测传感器(4)为采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的七层薄膜:第一层为厚0.08-0.1211111的二氧化硅绝缘层(13)，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(13)上厚为0.1-0.1200的铜镀层(14),第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(13)上厚为0.1-0.12 9 0的镍镀层(15)；所述铜镀层(14)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(15)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(27),首端为薄膜热电偶接线引出端(28)；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，且首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中包括薄膜热流计上结点(29)和薄膜热流计下结点(30),首端为薄膜热流计接线引出端(31)；第四层为在铜镀层(14)和镍镀层(15)上方蒸镀的厚为0.08-0.12 9 0的二氧化硅保护层(16),第五层为在薄膜热流计上结点(29)所对应的二氧化硅镀层上方蒸镀一层厚为1.2-2.09 0的二氧化硅厚热阻层(17),第六层为在先前镀层基础上蒸镀的一层厚为1.5-2.0 9 III的电流密度测量铜镀层(18),第七层为在电流密度测量铜镀层(18)上方蒸镀一层厚为0.1-0.的电流密度测量金镀层(19)；所述电流密度测量铜镀层(18)和电流密度测量金镀层(19)相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层(32),首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(33)； 所述薄膜热电偶接线引出端(28)、薄膜热流计接线引出端(31)和电流密度测量金属镀层接线引出端(33)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(13)的同一侧； 温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(20)、步骤二(21)、步骤三(22),步骤四(23),步骤五(24),步骤六(25),步骤七(26)；具体而言，步骤一(20),根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上蒸镀一层二氧化硅绝缘层(13),作为绝缘衬底；步骤二(21),在二氧化硅绝缘层(13)上根据铜镀层掩膜(7)蒸镀一层铜镀层(14)；步骤三(22),根据镍镀层掩膜(8)在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀一层镍镀层(15)；步骤四(23),在所镀铜镀层(14)和镍镀层(15)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(9)蒸镀一层二氧化硅保护层(16),其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的二氧化硅薄热阻层；步骤五(24),在薄膜热流计上结点(29)所对应的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜(10)蒸镀一层二氧化硅厚热阻层(17)；步骤六(25),在步骤五的基础上根据电流密度测量铜镀层掩膜(11),蒸...
【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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