本发明专利技术公开了一种燃料电池内部热流密度分布测量插片，是燃料电池内部热流密度分布的测量装置，它包括镀金不锈钢基片，在基片上设有与待测燃料电池流场板上的沟槽和脊在尺寸、形状上相同，位置相对应的漏缝和筋。在测量插片上相邻漏缝或孔之间的筋上设有薄膜热流计，是采用真空镀膜技术蒸镀七层薄膜形成的，薄膜热流计的引出线采用印刷电路的方法延伸至基片的边缘，并设有与外电路相连的标准接线口。测量插片放置在燃料电池的流场板和膜电极之间。本发明专利技术的燃料电池内部热流密度分布测量插片完全独立于被测对象，不需要对燃料电池做任何改造，并且由于插片的放置位置离膜电极非常近，因此测量的是燃料电池内部实时的热流密度分布情况。
Measurement of transient heat flux distribution in fuel cells
The invention discloses a fuel cell internal heat flux density distribution measurement insert, a measuring device of a fuel cell internal heat flux distribution, it includes gold plated stainless steel substrate is provided with grooves and ridges to be measured on the fuel cell flow field plate size and shape on the same substrate, corresponding to the position of a and reinforcement. A film flow meter in measuring insert between adjacent holes or a bar, is the use of vacuum coating technology of evaporation seven layer film formation, lead film using heat flow meter method of printing circuit substrate extends to the edge, and a standard wiring is connected with the external circuit of the mouth. The measuring insert is placed between the flow field plate and the membrane electrode of the fuel cell. Inside the fuel cell heat flux density distribution measurement the insert is completely independent of the measured object, does not need any modification on the fuel cell, and the position of inserting near the membrane electrode, so the measurement of the fuel cell internal real-time heat flux distribution.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池内部瞬态热流密度分布测量插片，涉及燃料电池内部瞬态热 流密度分布的测量，特别涉及一种瞬态热流密度分布的测量装置。
技术介绍
燃料电池是一种能量转换装置，它将储存在燃料中的化学能直接转换为电能，转 换效率在理论上可以达到85% 90%，不受卡诺循环的限制。由于燃料电池的发电效率 高，减少了 CO2的排放量，与传统的火电机相比，CO2排出量可减少40%-60%。研究表明， 当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时，其CO2的排放 量相对来说要减少约72%。近年来的研究表明，以甲醇为燃料的燃料电池，其燃料利用率是 汽油内燃机的1. 76倍。当燃料电池的燃料为甲醇时，其反应产物为(X)2和水，而当燃料为 H2时，反应产物只有水，对环境零污染。另外，由于燃料电池中的运动部件很少，工作安静， 噪音低，可靠性强，因此日益受到国内外研究人员的重视。燃料电池内的产热和传热知识对燃料电池的性能、寿命以及燃料电池系统的商业 化等至关重要，另外燃料电池内的热流密度分布影响催化剂的活性、膜的含水量以及传热 传质等，并且与电流密度分布以及燃料电池的寿命密切相关，因此得到燃料电池内部的热 流密度分布，能够确定燃料电池的最佳运行工况，为燃料电池的优化设计提供帮助，并能够 为燃料电池的数值建模提供参考。由于燃料电池自身的结构使得其内部的热流密度分布不均勻且是瞬态的，因此测 量十分困难，迄今为止还没有见到燃料电池内部热流密度分布测量相关的发表物。现有的 与热流密度分布相关的温度分布测试方法有两种稳态法和瞬态法。传统的稳态法测温原 理清晰、制作方便、测量直接、适用的温度范围也较宽，但是存在测量所需时间长、体积大、 对变化着的温度响应有滞后现象，不能满足目前所需高瞬态热流的测量指标等问题。因此 薄膜型热流计由于响应时间短、准确性高、热容量小、对环境要求低而备受国际上研究人员 的重视，但其在燃料电池中的应用还很少见。随着科技的发展、设备的小型化以及节能的要求，需要掌握各种设备热量的收支 情况，因此本专利技术采用响应速度快、灵敏度高、体积小、空间分辨率高的薄膜热流计来进行 燃料电池内部热流密度分布的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种独立的燃料电池内部热流密度分布的测量装置，它是 一种燃料电池的热流密度分布测量插片，其结构简单、响应时间短、灵敏度高、使用方便、成 本低，可以测量燃料电池内部的热流密度分布情况，无需对燃料电池进行频繁的拆卸，也不 用对燃料电池原来的结构进行任何改造。另外，它可以在不破坏流场的情况下，在线测量燃 料电池内的热流密度分布，也可以测量燃料电池堆中任意一个或几个燃料电池单电池内部 或单电池之间的热流密度分布情况。本专利技术的技术方案是这样实现的燃料电池内部热流密度分布测量插片，包括双 面镀金不锈钢基片1、基片1上的薄膜镀层构成的薄膜热流计4、引出线5、与外电路相连接 的标准接线口 6、定位孔7 ；基片1上设置有漏缝2，相邻的漏缝2之间设有筋3 ；其特征在 于在基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口 6，薄膜热流计4位于基片1相邻 漏缝2之间的筋3上，其引出线5延伸至基片1的边缘和与外电路相连接的标准接线口 6 相连；燃料电池内部热流密度分布测量插片39夹装在燃料电池的膜电极组件41和燃料电 池阳极流场板38之间，基片1上设置薄膜热流计4的面朝向燃料电池的膜电极组件41，燃 料电池组装好后基片上的薄膜热流计4与燃料电池的膜电极组件41接触；基片1上的薄膜热流计4是采用真空镀膜技术在两个相邻漏缝2之间的筋3上设 置有七层薄膜镀层首先在筋3上设置薄膜热流计4的位置根据二氧化硅绝缘层掩膜形状 镀有厚为0. 1-0. 15 μ m 二氧化硅绝缘层，然后在二氧化硅绝缘层上镀有两条厚0. 1-0. 2 μ m 的长条形二氧化硅热阻层，在二氧化硅热阻层上下两面螺旋缠绕厚0. 08-0. 1 μ m的金属镀 层铜和金属镀层镍，金属镀层铜和金属镀层镍在二氧化硅热阻层的下方相连接形成热流计 测头的下层热电偶堆，即低温面的铜-镍热电偶堆，同样金属镀层铜和金属镀层镍在二氧 化硅热阻层的上方相连接形成热流计的上层热电偶堆，即高温面的铜-镍热电偶堆，在长 条形二氧化硅热阻层的一端，热流计测头一侧的铜-镍热电偶与另一侧的铜-镍热电偶串 联形成热流计测头的整个热电堆，在长条形二氧化硅热阻层的另一端，薄膜热电偶的镀层 与圆形的镀铜层相连接，在热流计测头的金属镀层上方镀有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅 保护层。基片1是一种导电性能良好的双面镀金不锈钢薄片，基片1的厚为0. 3-0. 5mm，镀 金层的厚度为0. 08-0. 1 μ m ；基片1上所设置的漏缝2和筋3与待测燃料电池流场板上的 沟槽和脊在几何尺寸、几何形状上相同，在位置上相对应，基片(1)上的漏缝的形状可以是 蛇形的、平行的、孔状的等，基片1上还设置与燃料电池位置相对应的定位孔7。所述的镀层材料中，铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层可以选用铜和钴、钨和 镍、钼和镍、锑和钴替代，也可以采用金属混合物材料如铜和康铜替代，另外，二氧化硅绝缘 层材料可以采用氮化铝等代替。镀层的形状是根据掩膜设置的，掩膜是采用0.01mm厚的不锈钢材料，利用波长为 MSnm的三倍频激光加工技术制作，有掩膜的地方就没有镀层，没有掩膜的地方就有镀层。掩膜中热电堆金属镀层的形状可以为椭圆形、三角形、梯形、长方形、多边形、波浪 形以及不规则形状，热阻层的形状也可以为长方形、椭圆形、梯形等。基片1上的薄膜热流计4的引出线5是采用印刷电路技术制成，引出线5宽为 0. 05-0. Imm,厚度不超过0. 3 μ m，由在基片1两个相邻漏缝2之间的筋3上印刷的四层薄膜 构成的第一层为0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化硅绝缘层，第二层为0. 08-0. 1 μ m厚的薄铜层， 第三层为0. 08-0. 1 μ m厚的薄金层，最外层为0. 01-0. 02 μ m厚的聚对二甲苯保护层；引出线5的前三层印刷层在长度和宽度上相同，均延伸至基片1的末端，而最后一 层保护层的宽度和前三层相同，但在长度上离基片的末端还有5-8mm，只延伸至基片末端与 外电路相连接的标准接线口 6处。在基片上相邻漏缝之间的筋上采用真空镀膜技术镀有一定数量的薄膜热流计，用 来测量燃料电池内部的热流密度分布情况。这种测量装置测量准确，拆装电池方便，同时避免了电池中的燃料泄露等问题。薄膜热流计的掩膜材料选用0. Olmm厚的不锈钢材料，采用 波长为248nm三倍频激光加工技术，制作出尺寸微小的薄膜热流计掩模，掩膜的形状规整， 尺寸精确。由于基片上漏缝和筋的形状及尺寸与流场板上沟槽和脊的形状及尺寸相同，位置 相对应，因此基片在燃料电池中安装好后，反应燃料可以通过流道经基片上的漏缝向燃料 电池的膜电极组件扩散，不影响燃料的传递。本专利技术装置可适用于燃料电池单电池，安装在 燃料电池流场板和膜电极组件之间；也适用于燃料电池组，其位置不仅可以放置在燃料电 池流场板和膜电极组件之间，也可以放置在两块单电池之间。可以单测燃料电池阳极或阴 极侧的热流密度分布情况，也可以同时测量阴、阳两极热流密度的分布情况。这种测量方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．燃料电池内部热流密度分布测量插片，包括双面镀金不锈钢基片（１）、基片（１）上的薄膜镀层构成的薄膜热流计（４）、引出线（５）、与外电路相连接的标准接线口（６）、定位孔（７）；基片（１）上设置有漏缝（２），相邻的漏缝（２）之间设有筋（３）；其特征在于：在基片的末端设置有与外电路相连接的标准接线口（６），薄膜热流计（４）位于基片（１）相邻漏缝（２）之间的筋（３）上，其引出线（５）延伸至基片（１）的边缘和与外电路相连接的标准接线口（６）相连；燃料电池内部热流密度分布测量插片（３９）夹装在燃料电池的膜电极组件（４１）和燃料电池阳极流场板（３８）之间，基片（１）上设置薄膜热流计（４）的面朝向燃料电池的膜电极组件（４１），燃料电池组装好后基片上的薄膜热流计（４）与燃料电池的膜电极组件（４１）接触；基片（１）上的薄膜热流计（４）是采用真空镀膜技术在两个相邻漏缝（２）之间的筋（３）上设置有七层薄膜镀层：在筋（３）上设置薄膜热流计（４）的位置根据二氧化硅绝缘层掩膜形状镀有厚为０．１－０．１５μｍ二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上镀有两条厚０．１－０．２μｍ的长条形二氧化硅热阻层，在二氧化硅热阻层上下两面螺旋缠绕厚０．０８－０．１μｍ的金属镀层铜和金属镀层镍，金属镀层铜和金属镀层镍在二氧化硅热阻层的下方相连接形成热流计测头的下层热电偶堆，即低温面的铜－镍热电偶堆，同样金属镀层铜和金属镀层镍在二氧化硅热阻层的上方相连接形成热流计的上层热电偶堆，即高温面的铜－镍热电偶堆，在长条形二氧化硅热阻层的一端，热流计测头一侧的铜－镍热电偶与另一侧的铜－镍热电偶串联形成热流计测头的整个热电堆，在长条形二氧化硅热阻层的另一端，薄膜热电偶的镀层与圆形的镀铜层相连接，在热流计测头的金属镀层上方镀有厚０．０１－０．０２μｍ的二氧化硅保护层。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭航，聂志华，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：11
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