燃料电池内部温度分布测量插片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种燃料电池内部瞬态温度分布测量插片，是燃料电池内部温度分布的测量装置，它包括双面镀金不锈钢基片，在基片上设置有若干漏缝和筋，漏缝和筋与待测燃料电池流场板上的沟槽和脊在尺寸和形状上相同，在位置上相对应。在基片上漏缝之间筋的整个面上设有薄膜热电偶，薄膜热电偶是采用真空镀膜技术蒸镀四层薄膜形成的。薄膜热电偶测头的引出线利用印刷电路的方法延伸至基片的边缘，并在基片的边缘设有与外电路相连的标准接线口。本实用新型专利技术的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片完全独立于被测量对象、结构简单、测量准确、使用范围广，可以在线测量燃料电池内部的温度分布情况。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

现有的燃料电池内部的温度分布测试方法，测量所需时间长，体积大，热容量大， 对变化着的温度响应有滞后现象，不能满足高瞬态温度测量的需求，有些测量方法还需改变燃料电池自身的结构，因此薄膜型的热电偶由于测温时间短，准确性高，热容量小，能够测量瞬态温度的变化等日益受到国内外研究人员的重视。由于燃料电池自身的结构使得其内部的温度测量较为困难，而且传统的用热电偶测量燃料电池内部温度的方法如将热电偶植入燃料电池的流道等需要频繁的拆卸电池，操作繁琐，并且每次测量时在燃料电池流道中放置热电偶的位置不能准确统一，在拆装电池前后测量得到的实验数据对比性较差，并且由于热电偶的宏观引线等会导致燃料电池的泄露问题，另外，这些测量方法对燃料电池的整体性能也有较大的影响。目前国际上对燃料电池内温度分布的测量主要有如下几种技术1、将热电偶与燃料电池制作为一体这种方法是将热电偶直接制作在经特殊加工的燃料电池的流场板上，最终与燃料电池制作成为一体，通过引线将信号传出。这种方法虽然能够测量燃料电池内部的温度分布情况，但该方法相当复杂，加工难度很大，制作成本较高，同时这种技术需要改变燃料电池原来的结构，需要为测量温度分布专门制造或改造一种特殊的燃料电池，因此测量出来的实验结果不能与同类型的燃料电池进行对比，并且此方法也不能普遍应用于其他类型的燃料电池。2、远红外辐射测温也即红外热成像技术，这种方法是利用被测物体的温度变化时产生的光和热的辐射强度来进行测温。用这种方法测量燃料电池内部温度的分布，测量技术独立于燃料电池，不需要在燃料电池内放置热电偶，也不需要有连接线，可远距离非接触测温，并且收集帧频高，空间分辨率高，测量方便，对电池的整体性能影响也不大，尤其对测量燃料电池外表面的温度分布非常实用，能够测量燃料电池整个流场区域的温度分布情况。但用该方法测量燃料电池内部的温度分布时，需要改变电池的结构，选用可以透过红外线的透明的材料做端板，以保证燃料电池密封的同时可以让红外辐射透过。但在有水珠存在等情况下，用该方法就不能得到燃料电池内部真实的温度分布，而在燃料电池中，有水珠产生是绝大多数工况下都会出现的情况。因此，这种方法的应用范围受到一定的限制。再者，此方法要是用于电池堆内部的温度测量，则只能用于离电池堆端板最近的单电池的温度测量。3、将热电偶植入燃料电池中这种方法有两种方式1)将热电偶植入燃料电池的流道中进行测温。这种测量方法是将热电偶放入经过特殊加工的燃料电池的流道中，或者将热电偶放置在流道中特制的热电偶套中；2)将热电偶热压到膜电极组件的扩散层和催化层中。这两种方式均是通过测量燃料电池的局部温度，来估算出整个流场区域的温度分布情况，通过传感器或热电偶两端的引线输出信号。该测温方法能够得到燃料电池内部更为精确的温度值，结构简单、测量范围广，可以普遍用于燃料电池内部的温度测量，但是这种测量技术需要做的准备工作很多，操作复杂，并且某个热电偶可能坏掉而不能输出信号， 也可能因为宏观引出线而导致燃料电池的泄漏等问题。另外，这种方法的响应时间、空间分辨率和测量精度都还不能满足目前瞬变温度的测量要求，测量出来的温度只是放置热电偶处的局部温度，而不是燃料电池内部的温度场。并且不能准确的在线测量电池内部的温度变化情况，每次放置热电偶的位置也不能准确统一，拆装电池相对比较麻烦，因此实验结果没有很好的对比性。从上述可以看出，这些燃料电池内部温度分布测量方法的主要缺点有1、加工制作复杂，有些测温元件不能完全独立于被测的燃料电池；2、需要改变燃料电池的原有结构，需采用特殊能透过红外辐射的透明材料，或经过特殊加工的流场板，因而得出的实验结果不能与同类型的燃料电池进行比较；3、测量元件的灵敏度低、精度低；4、使用不方便，准备工作繁琐，拆装电池不易；5、不能普遍适用于所有类型的燃料电池。综上所述，由于燃料电池内的温度分布不均勻且是瞬态的，至今为止还没有一种简单有效的方法，可以准确快速的测量燃料电池内部的温度分布。随着科技的发展、设备的小型化以及节能的需求，采用响应速度快、灵敏度高、体积小的薄膜热电偶来进行燃料电池内部温度分布的测量是一个重要的研究方向。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种独立的燃料电池内部瞬态温度分布的测量装置， 它是一种燃料电池的温度测量插片，其结构简单，热容量小，灵敏度高，使用方便，成本低， 可以测量燃料电池内部的瞬态温度分布，并且无需对燃料电池进行频繁的拆卸，也不需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部的温度分布情况，并且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的温度分布情况。本技术的技术方案是这样实现的燃料电池内部温度分布测量插片，包括导电良好的镀金不锈钢基片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 ；基片1上设置有若干个漏缝2，相邻的漏缝2之间设置有筋3 ；其特征在于在基片1 相邻漏缝2之间的筋3上设有薄膜热电偶4，在基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口 6 ；薄膜热电偶4测头的引出线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；测量插片四夹装在膜电极组件31和燃料电池阳极流场板观之间，基片1上设置薄膜热电偶4的面朝向燃料电池的膜电极组件31，燃料电池组装好后，基片1上的薄膜热电偶4与燃料电池的膜电极组件31接触；基片1上的薄膜热电偶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基片1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20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。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的厚度为0. 3-0. 5mm, 镀金层的厚度为0. 08-0. 1 μ m，基片1上设置与燃料电池位置相对应的定位孔7。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上漏缝2的形状可以是平行的、蛇形的、孔状的等。基片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，延伸至基片1的末端，引出线5的宽为0. 05-0. Imm,厚度不超过0. 2 μ m，由基片1相邻漏缝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，第二层为厚0. 08-0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．燃料电池内部温度分布测量插片，包括导电良好的镀金不锈钢基片（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）；基片（１）上设置有若干个漏缝（２），相邻的漏缝（２）之间设置有筋（３）；其特征在于：在基片（１）相邻漏缝（２）之间的筋（３）上设有薄膜热电偶（４），在基片（１）的末端设置有与外电路相连接的标准接线口（６）；薄膜热电偶（４）测头的引出线（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；测量插片（２９）夹装在膜电极组件（３１）和燃料电池阳极流场板（２８）之间，基片（１）上设置薄膜热电偶（４）的面朝向燃料电池的膜电极组件（３１），燃料电池组装好后，基片（１）上的薄膜热电偶（４）与燃料电池的膜电极组件（３１）接触；基片（１）上的薄膜热电偶（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基片（１）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：实用新型
国别省市：11