CN102157743B - 燃料电池内部瞬态温度分布传感器 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

燃料电池内部瞬态温度分布传感器

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

因此本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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0.1-0.15μm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29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0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm，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0.1-0.15μm厚的二氧化硅绝缘层，第二层为0.08-0.1μm厚的薄铜层，第三层为0.08-0.1μm厚的薄金层，最外层为0.01-0.02μm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。

采用本发明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。本发明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；

22-25、薄膜热电偶引出线的各印刷层：22、引线首层二氧化硅绝缘层，23、引线第二层印刷薄铜层，24、引线第三层印刷薄金层，25、引线最后一层聚对二甲苯保护层；

(26～34)、燃料电池的两极端板，(27～33)、燃料电池的集电板，28、燃料电池的阴极流场板，(29～31)、密封垫片，30、膜电极，32、镀有薄膜热电偶的燃料电池石墨流场板。

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步的详细说明：

参考图1、图2、图3所示，本发明包括在燃料电池中石墨流场板1上两个相邻流道2之间的筋3上镀有若干薄膜热电偶4，薄膜热电偶4的引出线5伸至石墨流场板1的边缘，在引出线5末端设置有与外电路相连接的标准接线口6。本发明的薄膜热电偶4及其引出线5均制作在石墨流场板1上，引出线5延伸至石墨流场板1的末端，宽为0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm。通过与外电路相连接的标准数据接口6，外部的数据采集和处理系统可以采集并计算燃料电池内部的温度数值，从而得到燃料电池内部的温度分布情况。

参照图3、图4所示，石墨流场板1的导电性能很好，在石墨流场板1流道2之间的筋3上利用真空镀膜技术镀有薄膜热电偶4，薄膜热电偶4是通过镀四层薄膜形成的：第一层镀厚为0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层，为了避免薄膜热电偶传导的电信号受到导电石墨流场板的干扰，第二层镀铜，第三层镀镍，铜和镍的镀膜厚度均为0.08-0.1μm，铜和镍构成薄膜热电偶，第四层镀0.01-0.02μm厚的二氧化硅薄层用来保护热电偶测头，同时起到绝缘的作用。而引出线5与热电偶测头的连接处20做成圆形以便于引出线5的引出，图中21为铜-镍薄膜热电偶的节点，13为镀铜层，14为镀镍层。其中铜-镍热电偶的镀层形状是由掩膜的形状决定的，有掩膜的地方就没有镀层，没有掩膜的地方就有镀层，金属镀层的形状可以根据需要进行改变，可以为图4所示的形状，也可以为椭圆形、三角形、梯形、长方形、多边形、波浪形以及不规则形状等。

参照图5所示，薄膜热电偶4的引出线5为在石墨流场板1相邻流道2之间的筋3上采用印刷电路技术制作，第一层印刷厚0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层，第二层印刷厚0.08-0.1μm的薄铜层，第三层印刷0.08-0.1μm厚的薄金层，最后印刷厚0.01μm的聚对二甲苯保护层，引出线5的前三层在长度和宽度上完全相同，均延伸至石墨流场板1的末端，而最后一层保护层在宽度上与前三层相同而长度比前三层短，延伸至离石墨流场板1末端还有5-8mm处，引出线5宽0.05-0.1mm。每个薄膜热电偶4的热电势通过与外电路相连接的标准接线口6和数据采集仪及数据处理系统相连接将信号传出。

参照图6所示，在燃料电池镀有薄膜热电偶4的石墨流场板32上有薄膜热电偶4的面朝向膜电极组件30。图中26和34为燃料电池的两极端板，27和33为燃料电池的集电板，28为燃料电池的阴极流场板，29和31为密封垫片，30为膜电极，32为镀有薄膜热电偶的燃料电池阳极石墨流场板，同时起到传导电流的作用，其中燃料电池流场板的流道可以是蛇形流道、平行流道、孔状流道等，可以像图6中所示在燃料电池的阳极设置镀有薄膜热电偶的石墨流场板，测量阳极侧的温度分布情况；也可以同时在燃料电池的阴、阳两极设置镀有薄膜热电偶的石墨流场板，分别测量燃料电池阴、阳两极的温度分布。

图7为燃料电池的平行流道石墨流场板上薄膜热电偶的分布示意图，在平行流道的石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上采用真空镀膜技术设有薄膜热电偶4，在薄膜热电偶4的制作过程中，首先要镀一薄层二氧化硅绝缘层，为了防止薄膜热电偶4传递的信号受到导电石墨流场板1的干扰，薄膜热电偶4的引出线5是采用印刷电路技术引出，引出线5和石墨流场板1的末端设有与外电路相连接的标准接线口6。

图8为燃料电池的蛇型单通道流道石墨流场板1上薄膜热电偶4的布置示意图，在蛇型流道的石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上设有薄膜热电偶4，其引出线5采用印刷电路技术制作，在引出线5和石墨流场板1的末端设有与外电路相连接的标准接线口6。

图9为燃料电池的蛇型双通道流道石墨流场板1上薄膜热电偶4的布置示意图，在蛇型流道的石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上设有薄膜热电偶4，其引出线5采用印刷电路技术制作，在引出线5和石墨流场板1的末端设有与外电路相连接的标准接线口6。

本发明是通过在燃料电池的石墨流场板相邻流道之间的筋上蒸镀薄膜热电偶来进行燃料电池内部温度的测量，可以单独在燃料电池的阴极或阳极流场板上设置薄膜热电偶分别测量燃料电池阴阳两极的温度分布情况，也可以同时在燃料电池的阴阳两极的石墨流场板上蒸镀薄膜热电偶来获得燃料电池阴阳两极的温度分布情况，这种测量技术使温度分布测量装置和燃料电池制作成为一体，拆装电池容易，测量方便，并且加工制作简单，对于同一个燃料电池，在拆装前后实验数据的对比性较强。

Claims (6)

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）上设置的四层薄膜镀层：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。 

2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布传感器，其特征在于：所述的镀层材料中，铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层选用铜和钴、钨和镍、钼和镍、锑和钴替代，二氧化硅绝缘层材料采用氮化铝代替。 

3.根据权利要求2所述的燃料电池内部温度分布传感器，其特征在于：所述的镀层材料中，铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层采用金属混合物材料铜和康铜替代。 

4.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布传感器，其特征在于：掩膜中热电偶金属镀层的形状为椭圆形、多边形、波浪形以及不规则形状。 

5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布传感器，其特征在于：石墨流场板（1）上流道（2）的形状是平行流道、蛇形单通道流道、蛇形双通道流道、孔状流道。 

6.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布传感器，其特征在于：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0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm，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0.1-0.15μm厚的二氧化硅绝缘层，第二层为0.08-0.1μm厚的薄铜层，第三层为0.08-0.1μm厚的薄金层，最外层为0.01-0.02μm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。 

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