实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统及制备技术方案

本发明专利技术涉及实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统及制备，系统独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测系统，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。与现有技术相比，本发明专利技术整体结构简单、紧凑，可实现对燃料电池电堆温度场实时检测，从而避免电堆烧毁、爆炸等事故的发生，不仅在燃料电池电堆在性能测试等实验中具有保护作用，而且对燃料电池电堆与温度有关的科学研究试验具有重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统及制备
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统及制备。
技术介绍
燃料电池按电化学原理将化学能直接转化为电能，其理论上的热电转化效率可达85％～90％。此外，燃料电池是按电化学原理发电，当反应的燃料为氢气时，其反应产物为水，是一种清洁能源。因此，燃料电池因其具有能量转化效率高、功率密度高、安全、环境友好、可靠性高等优点受到越来越多研究机构和政府的重视，特别是在当今世界能源与环保呼声日高的情况下，燃料电池被普遍认可是缓解当今世界能源日益紧缺与环境污染的一种技术手段。特别是近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其能量转化效率高、工作时安静、可靠性高、环境友好等特性，被越来越多的研究工作者应用于车载能源、潜水装置等领域。显然，质子交换膜燃料电池在可移动动力能源方面具有巨大的潜力。燃料电池按电化学原理将化学能直接转化为电能，其理论上的热电转化效率可达85％～90％。一般而言，一个质子交换膜燃料电池电堆主要包括：双极板(BPP)、质子交换膜(PEM)、气体扩散层(GDL)、催化剂层、密封组件等模块。在质子交换膜燃料电池中，氢气作为燃料通过流道进入金属双极板的阳极侧，而空气作为氧化剂则进入到阴极侧。在阳极侧，进行式(1)的反应：H2→2H++2e-(1)；在阴极侧则进行以下反应：1/2O2+2H++2e-→H2O(2)；总的反应式为：H2+1/2O2→H2O(3)。根据化学热力学可知式(3)该反应为一放热反应，因此燃料电池电堆内部是高温环境。同时，为了保证阴极和阳极催化剂的反应效率，质子交换膜燃料电池电堆一般维持在70～90℃。传统上，石墨双极板由于其良好的抗腐蚀性能，在磷酸燃料电池等领域中广泛应用。但是，由于石墨双极板的制备工艺流程复杂，成本高、耗时长，如今已渐渐被金属双极板所替代。虽然，金属双极板在可靠性方面提高了，但是气体扩散层等构成的膜电极组件(MEA)在燃料电池高温度(70～90℃)、高湿度的条件下，由于电堆内部局部高温容易导致膜组件损坏，进而导致电池内部短路，导致氢气氧气混合，从而造成严重的电堆烧毁，甚至导致电堆爆炸事故等。但是，目前在燃料电池电堆温度检测方面，鲜有专利、文献报道其检测原理及其检测系统组成等。针对燃料电池电堆，须田惠介在申请号为201010559432.8的专利中指出一种能够通过简单的结构使发电面内整个区域的温度分布均匀化，且能够实现发电性能提高的燃料电池。但是该方法只能定性地提高燃料电池电堆内部温度的分布，对燃料电池电堆内部实时温度并没有起到监控作用。山本佳位等人在申请号为200880112181.X的专利中提出利用绝热件来抑制燃料电池的热扩散，避免因温度降低导致的燃料电池性能降低。石川秀树等人在申请号为201280054113.9的专利中提出了在燃料电池组堆叠方向上中央部分温度冷却，从而在堆叠方向上使温度均衡并增加发电效率的方法。冈本阳平等人在申请号为201510781596.8的专利中指出，利用温度检测单元检测冷却剂的温度去计算温度校正值。但是，上述诸多专利均只能在一定程度上改善燃料电池电堆的温度分布，或者只能检测燃料电池电堆外部温度，并不能实时检测燃料电池电堆内部温度的变化情况，这也就无法从根本上避免燃料电池电堆极板短路、烧毁甚至爆炸等问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有燃料电池电堆中缺乏温度实时检测技术手段的问题，提出了一种实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，该系统独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测系统，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。所述的薄膜温度传感器模块包括绝缘薄膜基底、设置在绝缘薄膜基底表面上的热敏材料沉积槽以及布设在热敏材料沉积槽中的热敏材料层。所述的绝缘薄膜基底的厚度为0.02-0.1mm。所述的绝缘薄膜基底为有机聚合物基底或无机氧化物膜基底。所述的有机聚合物基底包括PET基底、PI基底、PEI基底、PTFE基底、PMMA基底、PDMS基底、PC基底、PEN基底或PES基底中的一种；所述的无机氧化物膜基底中的无机氧化物包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化镁中的一种或几种。所述的热敏材料层的厚度为200nm-10μm。所述的热敏材料层的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层中的热敏材料包括Cu、Ti、Al、Ag、Pt或Ni中的一种或几种。所述的绝缘薄膜基底表面上设有用于布设纳米银线线路的纳米银线线槽，该纳米银线线槽的形状包括直线槽或波浪线槽中的一种；所述的热敏材料沉积槽的形状包括矩形槽、圆形槽或椭圆形槽中的一种。所述的纳米银线线路的宽度为0.1-100μm，长度为5-500mm。实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统的制备方法，该方法具体包括以下步骤：步骤(1)：绝缘薄膜基底的选择：选择厚度为0.02-0.1mm的绝缘薄膜基底；步骤(2)：微观结构加工：通过微铣削、热压印、紫外纳米压印、软刻蚀或光刻在绝缘薄膜基底表面上加工出热敏材料沉积槽和纳米银线线槽，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底；步骤(3)：沉积热敏材料：通过真空磁控溅射、射频溅射、直流溅射、真空蒸镀、离子束溅射、微电镀或原子层沉积将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽中，形成热敏材料层，制得薄膜温度传感器模块；步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽中；步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层；步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线，将燃料电池电堆中所有极板的极板电信号总线汇总形成电堆电信号总线，再将电堆电信号总线中的模拟信号传输至数据采集模块，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器中，即可。步骤(5)中所述的纳米银线银浆溶液的浓度为2mg/ml～100mg/ml。在实际的结构设计中，所述的纳米银线线路与薄膜温度传感器模块中的热敏材料层连接，并将薄膜温度传感器模块的电信号传递至燃料电池电堆外部的数据采集模块。密封封装层主要是将热敏材料层和纳米银线线路同时进行密封封装，一方面起到与极板相互绝缘的作用，另一方面起到对薄膜温度传感器模块和纳米银线的保护作用。密封封装层所采用的封装材料包括有机材料(如聚烯类、聚酯类等)和无机材料(如透明氧化物薄膜、透明本文档来自技高网...

【技术保护点】
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，该系统独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测系统，其特征在于，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。

【技术特征摘要】
1.实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，该系统独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测系统，其特征在于，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。2.根据权利要求1所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的薄膜温度传感器模块包括绝缘薄膜基底、设置在绝缘薄膜基底表面上的热敏材料沉积槽以及布设在热敏材料沉积槽中的热敏材料层。3.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底的厚度为0.02-0.1mm。4.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底为有机聚合物基底或无机氧化物膜基底。5.根据权利要求4所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的有机聚合物基底包括PET基底、PI基底、PEI基底、PTFE基底、PMMA基底、PDMS基底、PC基底、PEN基底或PES基底中的一种；所述的无机氧化物膜基底中的无机氧化物包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化镁中的一种或几种。6.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的热敏材料层的厚度为200nm-10μm。7.根据权利要求6所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的热敏材料层的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层中的热敏材料包括Cu、Ti、Al、Ag、Pt或Ni中的一种或几种。8.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测系统，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底表面上设有用于布设纳米银线线路的纳米银线线槽，该纳米银...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林法，张伟鑫，易培云，邱殿凯，来新民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31