燃料电池内部瞬态温度分布传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池内部瞬态温度分布传感器，是在燃料电池的石墨流场板上相邻流道之间的筋上设有薄膜热电偶来进行燃料电池内部瞬态温度分布的测量。单个薄膜热电偶是采用真空镀膜技术，蒸镀四层薄膜形成的，首层镀厚0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层，第二层镀铜，第三层镀镍，铜和镍的镀膜厚度均为0.08-0.1μm，最后镀0.01-0.02μm厚的二氧化硅薄层。薄膜热电偶的引出线利用印刷电路的工艺延伸至石墨流场板的边缘，并设有与外电路相连接的标准接线口，通过数据采集系统将信号导出。该测量装置简单易行，测量的是燃料电池内部实时的温度分布，并且拆装电池容易，对燃料电池的整体性能影响不大。

Transient temperature distribution sensor in fuel cell

The invention discloses a fuel cell internal transient temperature distribution of sensor is between adjacent channel in the graphite flow field plate of fuel cell on the rib is provided with thin film thermocouple to measure the transient temperature distribution inside the fuel cell. A single thin film thermocouple by vacuum evaporation coating technology, four layer film is formed, the first layer of silica plating thickness 0.1-0.15 m insulating layer, second layer third layer of copper, nickel, copper and nickel coating thickness was 0.08-0.1 m, the 0.01-0.02 coated m thick silica thin layer. The lead line of the thin film thermocouple is extended to the edge of the graphite flow field plate by the process of the printed circuit, and a standard connecting port connected with the outer circuit is provided, and the signal is exported through a data acquisition system. The measuring device is simple and easy, measuring the real-time temperature distribution in the fuel cell, and dismounting the battery is easy, and has little influence on the overall performance of the fuel cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池内部瞬态温度分布传感器，涉及燃料电池内部瞬态温度分布的测量，特别涉及一种瞬态温度的测量方法。
技术介绍
由于燃料电池自身的结构使得其内部的瞬态温度分布测量很困难，以前的测温方法大多是将微小型温度传感器或热电偶植入到燃料电池的流道中，或热压到电池的扩散层和催化层之间，但是这些方法严重恶化了燃料电池的性能。另外，燃料电池的温度测量方法还有红外辐射测温法，由于红外辐射的传播速度就是光速，因此测温响应时间短，可远距离非接触监测恶劣环境下物体表面的温度。采用这种方法测量燃料电池外表面的温度比较容易，但要想得到燃料电池内部的真实温度分布，需要改变电池的结构，采用特殊的能够透过红外辐射的材料制作燃料电池的端板等，因此加工制作复杂，测温不准确，尤其是在燃料电池内部有水珠的情况下，更不能反映出燃料电池内部真实的温度分布，而燃料电池内部有水珠生成是绝大多数工况下都会出现的现象，所以该方法的使用范围受到了一定的限制。常见的测温方法还有热敏涂料法、涂色法等，但这些方法都不能满足实时测温的要求，对于燃料电池特殊的结构，这些方法的使用也受到限制。因此，需要一种对燃料电池的性能影响小，并且响应迅速的测温方法来测量燃料电池内部的温度分布情况，由于薄膜热电偶是沉积在测量表面上的微米级薄膜，热容量小，响应速度极快，时间常数可达微秒级，而且不影响被测表面的温度分布，能够较直接地得到被测表面的瞬态温度变化情况，并且能够实现对原有工况环境温度场干扰小且测温快的目的，所以薄膜热电偶的应用日益受到国内外研究人员的重视。因此本专利技术根据薄膜型热电偶体积小、制作加工相对简单、测量准确、可以放置在离燃料电池的膜电极组件很近的位置、测量的是燃料电池内部最真实的温度，对燃料电池的整体性能影响很小的优点，将金属薄膜热电偶直接镀在燃料电池的石墨流场板相邻流道之间的筋上，来测量燃料电池内部的瞬态温度分布，测量的准确性较高，拆装电池容易，并且能够在不影响燃料电池正常运行的情况下，实时测量燃料电池内部的温度分布。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单易行的燃料电池内部瞬态温度分布传感器，包括燃料电池中的石墨流场板、薄膜热电偶、引出线、与外电路相连接的标准接线口、定位孔。将薄膜热电偶与燃料电池的石墨流场板制作为一体，其结构简单，使用方便，可以测量燃料电池内部的温度分布，并且无需对燃料电池进行频繁的拆卸。薄膜热电偶在燃料电池的石墨流场板上的位置固定，因此拆装燃料电池前后的实验数据之间有很好的对比性。另外，它可以在线测量燃料电池内部的瞬态温度分布。本专利技术的技术方案是这样实现的燃料电池内部温度分布传感器，包括燃料电池的石墨流场板1、薄膜热电偶4、引出线5、与外电路相连接的标准接线口 6、定位孔7 ；石墨流场板上设置有流道2，流道2之间有筋3 ；其特征在于在石墨流场板1相邻流道2之间的筋3上设有薄膜热电偶4，在石墨流场板的末端设置有与外电路相连接的标准接线口 6 ；薄膜热电偶4测头的引出线5延伸至石墨流场板的边缘和与外电路相连接的标准接线口 6相连；石墨流场板1上设置薄膜热电偶4的面朝向燃料电池的膜电极组件27，燃料电池组装好后，石墨流场板上的薄膜热电偶4与燃料电池的膜电极组件27接触；石墨流场板1上的薄膜热电偶4是采用真空镀膜技术在两个相邻流道2之间的筋3上设置有四层薄膜镀层镀层的形状是根据掩膜设置的，有掩膜的地方就没有镀层，没有掩膜的地方就有镀层；首先根据设置的掩膜形状，在热电偶测头的金属镀层与石墨流场板之间镀有厚为0. 1-0. 15 μ m的二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上镀有厚为 0. 08-0. 1 μ m的镀铜层，镀铜层的形状为相互平行的条形，然后在二氧化硅绝缘层上设有与已有镀铜层首尾相衔接的成平行条形的镀镍层，镀镍层厚度为0. 08-0. 1 μ m，镀铜层与镀镍层首尾相接形成铜-镍薄膜热电偶；最后在铜-镍金属镀层上方镀有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅保护层，在热电偶测头与其引出线5的连接处四制作成圆形。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。掩膜中热电偶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。石墨流场板1上流道2的形状可以是平行流道、蛇形单通道流道、蛇形双通道流道、孔状流道等。石墨流场板1上的薄膜热电偶4的引出线5是采用印刷电路技术制成，延伸至石墨流场板1的末端，引出线5的宽为0. 05-0. Imm,厚度不超过0. 2 μ m，由石墨流场板1两个相邻流道2之间的筋3上印刷的四层薄膜构成第一层为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前三层的形状、尺寸完全相同，位置一致，均延伸至石墨流场板1的末端， 而最后的印刷层在形状和位置上与前三层相同，但长度比前三层短，延伸至离石墨流场板1 末端还有5-8mm处。采用本专利技术的温度分布测量技术测量燃料电池内部的温度分布由于薄膜热电偶设置在石墨流场板流道的筋上，因此不影响反应燃料的传递，也不影响电流信号的传导，对燃料电池的整体性能影响很小。该方法可实现方便快速拆卸电池，测量准确。另外，薄膜热电偶的引出线通过印刷电路的方法引出，在石墨流场板上引出线的末端设有与外电路相连接的标准接线口，印刷层很薄，避免了采用宏观引线导致燃料电池中的燃料泄漏等问题。本专利技术的燃料电池内部温度分布传感器，使测量温度分布的薄膜热电偶与燃料电池的石墨流场板制作为一体，结构简单，使用方便，薄膜热电偶的体积小、热容量小、灵敏度高，可用于不同形状流道的燃料电池，同时适用于主动式燃料电池和被动式燃料电池。附图说明图1为薄膜热电偶及其引线在燃料电池网状流道石墨流场板上分布的示意图(有一个标准接线口)；图2为薄膜热电偶及其引线在燃料电池中网状流道石墨流场板上分布的示意图 (有两个标准接线口)；图3为石墨流场板上单个薄膜热电偶测头的结构示意图；图4为石墨流场板上单个薄膜热电偶测头的制作流程图；图5为石墨流场板上薄膜热电偶测头引出线的镀层截面图；图6为镀有薄膜热电偶的石墨流场板在燃料电池中的放置图；图7为薄膜热电偶及其引出线在平行流道石墨流场板上分布的示意图；图8为薄膜热电偶及其引出线在蛇型单通道流道石墨流场板上分布的示意图；图9为薄膜热电偶及其引出线在蛇型双通道流道石墨流场板上分布的示意图。图中1、燃料电池中的石墨流场板，2、流道，3、筋，4、薄膜热流传感器，5、引线，6、与外电路相连接的标准接线口，7、定位孔；8-11、各镀层掩膜8、二氧化硅绝缘层掩膜，9、镀铜层掩膜，10、镀镍层掩膜，11、二氧化硅保护层掩膜；12-15、各个镀层12、二氧化硅绝缘层，13、镀铜层，14、镀镍层，15、二氧化硅保护层；16-19、薄膜热电偶测头的制作过程16、第一步骤，17、第二步骤，18、第三步骤， 19、第四步骤；20、薄膜热电偶测头与其引出线的连接处，21、铜-镍薄膜热电偶的节点；本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．燃料电池内部温度分布传感器，包括燃料电池的石墨流场板（１）、薄膜热电偶（４）、引出线（５）、与外电路相连接的标准接线口（６）、定位孔（７）；石墨流场板上设置有流道（２），流道（２）之间有筋（３）；其特征在于：在石墨流场板（１）相邻流道（２）之间的筋（３）上设有薄膜热电偶（４），在石墨流场板的末端设置有与外电路相连接的标准接线口（６）；薄膜热电偶（４）测头的引出线（５）延伸至石墨流场板的边缘和与外电路相连接的标准接线口（６）相连；石墨流场板（１）上设置薄膜热电偶（４）的面朝向燃料电池的膜电极组件（２７），燃料电池组装好后，石墨流场板上的薄膜热电偶（４）与燃料电池的膜电极组件（２７）接触；石墨流场板（１）上的薄膜热电偶（４）是采用真空镀膜技术在两个相邻流道（２）之间的筋（３）上设置有四层薄膜镀层：镀层的形状是根据掩膜设置的，有掩膜的地方就没有镀层，没有掩膜的地方就有镀层；首先根据设置的掩膜形状，在热电偶测头的金属镀层与石墨流场板之间镀有厚为０．１－０．１５μｍ的二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上镀有厚为０．０８－０．１μｍ的镀铜层，镀铜层的形状为相互平行的条形，然后在二氧化硅绝缘层上设有与已有镀铜层首尾相衔接的成平行条形的镀镍层，镀镍层厚度为０．０８－０．１μｍ，镀铜层与镀镍层首尾相接形成铜－镍薄膜热电偶；最后在铜－镍金属镀层上方镀有厚０．０１－０．０２μｍ的二氧化硅保护层，在热电偶测头与其引出线（５）的连接处（２０）制作成圆形。...

【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