CN104409753A - 燃料电池内部温度-湿度分布测量插片 - Google Patents

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Abstract

燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，是燃料电池内部温度分布和湿度分布的测量装置，其在导电基片上设置有与燃料电池流场板流道和脊相对应的漏缝和筋，并在筋上布置有温度-湿度联测传感器；温度-湿度联测传感器采用真空蒸发镀膜方法制作，包括七层薄膜。引线也采用真空蒸发镀膜方法制作，用于传递电信号，其延伸至流场板边缘处时放大形成引脚，以方便与外接数据采集设备相连。本发明实现了对燃料电池内部温度分布和湿度分布的同步在线测量，可作为独立的构件安装于燃料电池内部，减少了对燃料电池结构的破坏，可适配于平行流道、蛇形流道、交错型流道或其他流道形状的燃料电池流场板。

Description

燃料电池内部温度-湿度分布测量插片
技术领域
本发明涉及一种燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，属于燃料电池检测技术领域。
背景技术
在燃料电池的运行中，温度和湿度是两个非常重要的参数，其分布的均匀性也能够反应出燃料电池膜电极表面电化学反应的均匀性，对燃料电池的性能有着非常大的影响。
燃料电池内部的电化学反应是燃料电池内部热量的主要来源，由于燃料电池结构的紧凑性，导致内部温度场并不均匀，其反过来又会影响到燃料电池的电化学反应；燃料电池内局部热量聚集，温度异常升高超出适宜范围，将会会导致膜电极性能下降甚至失效。而湿度又是影响质子交换膜质子传递和反应物传递的重要因素，若相对湿度过高，则不能把燃料电池内部产生的水蒸气带出，内部将集聚大量的凝结水造成水淹，严重影响燃料电池的性能，若湿度过低则会导致膜电极干涸，使燃料电池性能下降。因此，有必要测量燃料电池内部温度和湿度分布，为选取燃料电池的最佳运行工况和优化结构设计提供依据。
温度的测量方法大多是将微型温度传感器、热电偶或热电阻埋入燃料电池的流道中，或与燃料电池的膜电极热压为一体，其往往需要对燃料电池的结构进行特殊改造，这不仅破坏了燃料电池整体结构，也对燃料电池的性能有很大的影响；对于测湿手段，方法有通过在燃料电池流场板上开孔，植入商业湿度传感器来对燃料电池内部的湿度进行测量，该方法需要对燃料电池的流场板进行特殊的加工改造，加工难度大，且对燃料电池的密封性有一定的破坏性；还有通过采用刻蚀工艺制作湿度传感器进行测量的方法，该方法的制作工艺较为复杂，制作成本高。
本发明主要采用真空蒸发镀膜技术制作，在导电基片上布置温度-湿度联测传感器，其集成了薄膜热电偶测温单元和湿敏电容测湿单元，实现了同步在线测量燃料电池内部温度分布和湿度分布，采用薄膜热电偶比热电阻具有更好的线性度，更快的响应时间；该测量装置独立于被测燃料电池，无需对燃料电池进行结构改造，减少了对燃料电池的拆装次数，从而保证了燃料电池性能的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能同步在线测量燃料电池内部温度分布和湿度分布的装置。该装置独立于被测燃料电池，结构简单，制作方便，无需对燃料电池内部结构进行特殊改造，简化了燃料电池内部温度分布和湿度分布测量的步骤。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-湿度联测传感器4、引线5、定位孔7；所述漏缝2、筋3设置在导电基片1上，筋3位于两相邻漏缝2之间，漏缝2和筋3的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝2和筋3的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；所述温度-湿度联测传感器4设置在筋3上；引线5的一端与温度-湿度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片1的边缘并放大形成引脚6；定位孔7对称、均匀设置在导电基片1四周，用以将导电基片1固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部温度-湿度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有温度-湿度联测传感器4的面朝向膜电极侧并与之紧密接触。
所述温度-湿度联测传感器4包括测温单元和测湿单元，测温单元由薄膜热电偶构成，测湿单元由湿敏电容构成，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在筋3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层15，第二层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层16，第三层为在下电极铝镀层16上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层17，第四层为在高分子聚合物感湿介质层17上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层18；所述上电极铝镀层18、高分子聚合物感湿介质层17和下电极铝镀层16构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端31，其中上电极铝镀层18的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层19，第六层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层20；所述薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点30，首端为薄膜热电偶接线引出端29；第七层为在之前所镀所有金属镀层的上方蒸镀厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层21。
所述薄膜热电偶接线引出端29和湿敏电容接线引出端31均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层15的同一侧。
所述导电基片1的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。
所述导电基片1上漏缝2的形状可为蛇形漏缝、平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。
所述温度-湿度联测传感器4中湿敏电容上下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、铂金属代替。
所述上电极铝镀层18的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可为锯齿状、梳状。
所述薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
所述薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。
所述薄膜热电偶接线引出端29和湿敏电容接线引出端31可分别相对的布置于二氧化硅绝缘层15的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。
引线5的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片1的边缘处进行放大，形成引脚6。
引线5是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层32，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层33，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层34，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层35；其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层35。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，在导电基片的筋上布置有温度-湿度联测传感器，其导电基片上的漏缝与被测燃料电池流场板的流道相对应，不影响反应物向膜电极地扩散，可在燃料电池运行过程中实现对燃料电池内部温度分布和湿度分布的同步测量；与燃料电池组装时，该发明装置布置于燃料电池流场板和膜电极中间，其结构独立于被测燃料电池，不需要对燃料电池流场板或极板等其他结构进行特殊改造，降低了由测量装置的植入对燃料电池性能的影响；同时，该装置结构简单，制作方便，适用范围广，可适配于平行流道、蛇形流道、交错型流道或其它不规则流道形状的燃料电池流场板。
附图说明
图1为燃料电池内部温度-湿度分布平行漏缝测量插片主观示意图；
图2为燃料电池内部温度-湿度分布测量插片上单个温度-湿度联测传感器的主观示意图；
图3为燃料电池内部温度-湿度分布测量插片上单个温度-湿度联测传感器的制作流程图；
图4为燃料电池内部温度-湿度分布测量插片上温度-湿度联测传感器引线的截面主观示意图；
图5为燃料电池内部温度-湿度分布交错漏缝测量插片主观示意图；
图6为燃料电池内部温度-湿度分布蛇形单漏缝测量插片主观示意图；
图7为燃料电池内部温度-湿度分布蛇形双漏缝测量插片主观示意图；
图中，1、导电基片，2、漏缝，3、筋，4、温度-湿度联测传感器，5、引线，6、引脚，7、定位孔；
8-14为温度-湿度联测传感器各层掩膜：8、二氧化硅绝缘层掩膜，9、下电极铝镀层掩膜，10、高分子聚合物感湿介质层掩膜，11、上电极铝镀层掩膜，12、薄膜热电偶铜镀层掩膜，13、薄膜热电偶镍镀层掩膜，14、二氧化硅保护层掩膜；
15-21为根据掩膜制作的温度-湿度联测传感器各膜层：15、二氧化硅绝缘层，16、下电极铝镀层，17、高分子聚合物感湿介质层，18、上电极铝镀层，19、薄膜热电偶铜镀层，20、薄膜热电偶镍镀层，21、二氧化硅保护层；
22-28为温度-湿度联测传感器的制作步骤：22、步骤一，23、步骤二，24、步骤三，25、步骤四，26、步骤五，27、步骤六，28、步骤七；
29、薄膜热电偶接线引出端，30、薄膜热电偶热端结点，31、湿敏电容接线引出端；
32、引线二氧化硅绝缘层，33、引线铜镀层，34、引线金镀层，35、引线二氧化硅保护层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-湿度联测传感器4、引线5、引脚6、定位孔7；漏缝2和筋3设置在导电基片1上，其与被测燃料电池流场板上的流道和脊在形状和尺寸上相同，位置相互对应，在筋3上布置有温度-湿度联测传感器4；引线5一端与温度-湿度联测传感器4相连，另一端延伸至导电基片1的边缘，用于传递温度-湿度联测传感器4产生的电信号；引脚6布置在导电基片1的边缘并与引线5相连；在导电基片的四周布置有定位孔7，方便该温度-湿度分布测量插片与燃料电池流场板的定位和固定。为与被测燃料电池的形状相匹配，导电基片1的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形等。测量时将该测量插片植入燃料电池流场板和膜电极组件之间，通过定位孔7将其固定在燃料电池流场板上，布置有温度-湿度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极组件方向，并与膜电极组件紧密接触，漏缝2与燃料电池流场板上的流道相对应，筋3与燃料电池流场板上的脊相对应，以使测量插片的植入不影响反应物向膜电极方向的扩散。同时，布置在测量插片上的温度-湿度联测传感器4对燃料电池内部的温度和湿度进行测量，产生的电信号通过引线5传递至引脚6，数据采集设备的数据输入端与引脚6相连即可采集到测量插片输出的电信号，并计算分析出燃料电池内部温度分布和湿度分布。
参照图2所示，本发明所述的温度-湿度联测传感器4集成了薄膜热电偶测温单元和湿敏电容测湿单元，其均采用真空蒸发镀膜方法制作而成，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在导电基片1两相邻漏缝2之间的筋3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层15，第二层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层16，第三层为在下电极铝镀层16上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层17，第四层为在高分子薄膜感湿介质层17上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层18，第五层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层19，第六层为在二氧化硅绝缘层上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层20，第七层为在所有金属镀层的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层21。
图3为单个温度-湿度联测传感器的制作流程图：8-14为温度-湿度联测传感器各层掩膜，15-21为根据掩膜制作的温度-湿度联测传感器各膜层，22-28为温度-湿度联测传感器的制作步骤。首先在导电基片1的筋3上根据二氧化硅绝缘层掩膜8蒸镀一层二氧化硅绝缘层15，作为传感器的衬底，与导电基片充分绝缘，从而完成步骤一22；步骤二23为在二氧化硅绝缘层15上根据下电极铝镀层掩膜9蒸镀下电极铝镀层16，步骤三24为在下电极铝镀层16上方根据高分子聚合物感湿介质层掩膜10涂覆一层高分子聚合物感湿介质层17，步骤四25为在高分子聚合物感湿介质层17的上方根据上电极铝镀层掩膜11蒸镀上电极铝镀层18；下电极铝镀层16、高分聚合物感湿介质层17和上电极铝镀层18构成了湿敏电容，实现了湿度的测量；步骤五26为根据薄膜热电偶铜镀层掩膜12在二氧化硅绝缘层15上蒸镀一层薄膜热电偶铜镀层19，步骤六27为根据薄膜热电偶镍镀层掩膜13在二氧化硅绝缘层15上蒸镀一层薄膜热电偶镍镀层20，薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20构成了薄膜热电偶，从而实现了温度测量；步骤七28为在先前所有金属镀层的上方根据二氧化硅保护层掩膜14蒸镀一层二氧化硅保护层21，以保护传感器不受燃料电池内部电流的干扰；由以上步骤构成了完整的温度-湿度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和湿度的同步测量。
其中，步骤二23和步骤四25完成的湿敏电容上电极和下电极的金属镀层材料还可选用金、铜、铂等其他金属替代，其中，湿敏电容上电极铝镀层18的形状不仅可为图3所示的蛇形，还可为锯齿状、梳状等其他形状。步骤五26和步骤六27完成的薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点30，其金属镀层的形状根据掩膜的不同而不同，还可为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状等其它形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形等；薄膜热电偶金属镀层的材料还可为钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴等替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端29，湿敏电容的首端为湿敏电容接线引出端31，其作用为方便与引线5相连，进行电信号的传导。薄膜热电偶接线引出端29和湿敏电容接线引出端31的形状不仅可为图3所示的形状，还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置可均布置在二氧化硅绝缘层15的同一侧，也可相对的布置在二氧化硅绝缘层15的两侧，即当薄膜热电偶接线引出端29位于二氧化硅绝缘层15的上侧时，湿敏电容接线引出端31布置在与薄膜热电偶接线引出端29相对的二氧化硅绝缘层15的另一侧，以方便传感器引线5在导电基片上的布置。
参照图4所示，引线5的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片1的边缘处进行放大，形成引脚6，以方便与外接测量电路及设备进行连接。该引线是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层32，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层33，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层34，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层35；其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层35。
图5为燃料电池内部温度-湿度分布交错漏缝测量插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与交错型流道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有温度-湿度联测传感器4，引线5的一端与温度-湿度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度联测传感器4电信号的传递。
图6为燃料电池内部温度-湿度分布蛇形单漏缝测量插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与蛇形单通道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有温度-湿度联测传感器4，引线5的一端与温度-湿度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度联测传感器4电信号的传递。
图7为燃料电池内部温度-湿度分布蛇形双漏缝测量插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与蛇形双通道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有温度-湿度联测传感器4，引线5的一端与温度-湿度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度联测传感器4电信号的传递。
采用本发明的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，能够方便的实现同步在线测量燃料电池内部温度分布和湿度分布情况；该测量装置与被测燃料电池独立，不需要对燃料电池的结构进行特殊改造，结构简单，制作方便，使用范围广，即可实现单体燃料电池内部温度和湿度分布的测量，也可实现燃料电池堆内部温度和湿度的测量。

Claims (9)

1.燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，包括导电基片(1)、漏缝(2)、筋(3)、温度-湿度联测传感器(4)、引线(5)、定位孔(7)；所述漏缝(2)、筋(3)设置在导电基片(1)上，筋(3)位于两相邻漏缝(2)之间，漏缝(2)和筋(3)的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝(2)和筋(3)的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；其特征在于：所述温度-湿度联测传感器(4)设置在筋(3)上；引线(5)的一端与温度-湿度联测传感器(4)的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片(1)的边缘并放大形成引脚(6)；定位孔(7)对称、均匀设置在导电基片(1)四周，用以将导电基片(1)固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部温度-湿度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有温度-湿度联测传感器(4)的面朝向膜电极侧并与之紧密接触；
所述温度-湿度联测传感器(4)包括测温单元和测湿单元，测温单元由薄膜热电偶构成，测湿单元由湿敏电容构成，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在筋(3)上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层(15)，第二层为在二氧化硅绝缘层(15)上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层(16)，第三层为在下电极铝镀层(16)上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层(17)，第四层为在高分子聚合物感湿介质层(17)上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层(18)；所述上电极铝镀层(18)、高分子聚合物感湿介质层(17)和下电极铝镀层(16)构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(31)，其中上电极铝镀层(18)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(15)上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层(19)，第六层为在二氧化硅绝缘层(15)上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层(20)；所述薄膜热电偶铜镀层(19)和薄膜热电偶镍镀层(20)的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点(30)，首端为薄膜热电偶接线引出端(29)；第七层为在之前所镀所有金属镀层的上方蒸镀厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层(21)；
所述薄膜热电偶接线引出端(29)和湿敏电容接线引出端(31)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(15)的同一侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述导电基片(1)的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。
3.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述导电基片(1)上漏缝(2)的形状可为蛇形漏缝、平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述温度-湿度联测传感器(4)中湿敏电容上下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、铂金属代替。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述上电极铝镀层(18)的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可为锯齿状、梳状。
6.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
7.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述薄膜热电偶铜镀层(19)和薄膜热电偶镍镀层(20)的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。
8.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：所述薄膜热电偶接线引出端(29)和湿敏电容接线引出端(31)可分别相对的布置于二氧化硅绝缘层(15)的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。
9.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度分布测量插片，其特征在于：引线(5)的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片(1)的边缘处进行放大，形成引脚(6)；
引线(5)是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层(32)，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层(33)，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层(34)，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层(35)；其中，在引脚(6)处不蒸镀引线二氧化硅保护层(35)。
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