CN104409754A - 燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器 - Google Patents

燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，属于燃料电池内部参数测量领域，其湿度-电流密度联测传感器由七层薄膜构成，采用真空蒸发镀膜方法制作：首层为二氧化硅绝缘层，第二层为下电极铝镀层，第三层涂覆高分子聚合物感湿介质层，第四层为上电极铝镀层，第五、六层分别为在二氧化硅绝缘层上蒸镀的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层，第七层为二氧化硅保护层。湿度-电流密度联测传感器布置在燃料电池流场板的脊上，引线一端与湿度-电流密度联测传感器相连另一端延伸至流场板的边缘。本发明结构简单，体积小，可方便的布置于各种流道形状的燃料电池流场板上，实现燃料电池内部湿度和电流密度的同步联测。

Description

燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器
技术领域
本发明属于燃料电池内部热参数测量领域，涉及燃料电池内部湿度和电流密度的测量，特别涉及燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器。
背景技术
燃料电池在运行的过程中，其内部环境是在不停的变化中，在刚启动阶段，质子交换膜还没有被润湿，从而影响了质子在质子交换膜内的传递，这就需要增加反应气体的湿度，以充分润湿质子交换膜；而随着运行时间的增加，燃料电池内部将会产生水，若湿度过高将会产生过多的凝结水，造成内部膜电极的水淹，从而使燃料电池的性能大幅降低，因此，对于燃料电池内部湿度的监测就显得尤为重要。
燃料电池内部凝结水的多少还影响燃料电池内部的接触电阻，从而导致电流密度发生变化，通过对电流密度的监测，不仅可以预测燃料电池内部凝结水的变化，还可以反映出燃料电池内部气体浓度、接触电阻等的情况。
电流密度测量方法有子电池法、膜电极分割法、磁环组法等，大多需要对燃料电池的结构进行改造，制作复杂；湿度的测量可通过在燃料电池内部植入商业湿度传感器进行测量，但也需要对燃料电池的流场板进行改造，工序复杂，成本高；同时，分别对燃料电池内部的湿度和电流密度测量，还需要对燃料电池进行多次拆装，这也破坏了燃料电池测量数据的准确性。
本发明的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器由七层薄膜构成，主要采用真空蒸发镀膜方法制作而成，将测湿单元和测电流单元集成在一个传感器上，只需要外接测量电路和数据采集设备即可实现燃料电池内部湿度和电流密度的同步测量，简化了燃料电池内部湿度和电流密度测量的方法，并且不要对燃料电池的结构进行特殊改造，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湿度-电流密度联测传感器，以实现对燃料电池内部湿度和电流密度的联测。该发明采用真空蒸发镀膜方法将测湿单元和测电流单元集成于一个传感器之上，具有结构简单，制作方便，体积小等优点。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、湿度-电流密度联测传感器4、引线5，在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，湿度-电流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与湿度-电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有湿度-电流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。
所述湿度-电流密度联测传感器4包括湿敏电容测湿单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层13，第二层为在二氧化硅绝缘层13上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层14，第三层为在下电极铝镀层14上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层15，第四层为在高分子聚合物感湿介质层15上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层16；所述上电极铝镀层16、高分子聚合物感湿介质层15和下电极铝镀层14构成湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端29，其中上电极铝镀层16的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层13上蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层17，第六层为在电流密度测量铜镀层17上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层18；所述电流密度测量铜镀层17和电流密度测量金镀层18相互重叠，构成电流密度测量金属镀层27，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端28；第七层为在湿敏电容上电极铝镀层16的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层19。
所述湿敏电容接线引出端29和电流密度测量金属镀层接线引出端28均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层13的同一侧。
湿度-热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一20、步骤二21、步骤三22、步骤四23、步骤五24、步骤六25、步骤七26；具体而言，步骤一20，在燃料电池流场板1的脊3上根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层13；步骤二21，在二氧化硅绝缘层13上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀一层下电极铝镀层14；步骤三22，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层14上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层15；步骤四23，在高分子聚合物感湿介质层15的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀一层上电极铝镀层16；步骤五24，根据电流密度测量铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层电流密度测量铜镀层17；步骤六25，根据电流密度测量金镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层电流密度测量金镀层18；步骤七26，在所镀湿敏电容上电极铝镀层16的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层19；由以上步骤构成湿度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部湿度和电流密度的同步测量。
所述湿度-电流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层13可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。
所述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16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。
所述电流密度测量铜镀层17和电流密度测量金镀层18的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形。
所述电流密度测量金属镀层接线引出端28和湿敏电容接线引出端29的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形，其位置还可分别相对的布置在二氧化硅绝缘层13的两侧。
所述引线5的宽度为0.1-0.2mm，是由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30，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层31，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层32，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层33。
引线二氧化硅绝缘层30与引线铜镀层31和引线金镀层32在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层33与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。
所述燃料电池流场板1上流道2的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
本发明采用真空蒸发镀膜方法将湿敏电容测湿单元和电流密度测量金属镀层测电流单元集成于传感器之上，布置在燃料电池流场板上实现了对燃料电池内部湿度和电流密度的同步测量。该发明不需要对燃料电池流场板或集流板等结构进行特殊改造，减少了电池的拆装次数，保证了燃料电池性能的稳定；具有结构简单，体积小等优点，适用于各种流道形状的燃料电池流场板，可同步测量燃料电池内部单个或多个位置的湿度和电流密度。
附图说明
图1为湿度-电流密度联测传感器在平行流道流场板上布置的主观示意图；
图2为燃料电池流场板上单个湿度-电流密度联测传感器的主观示意图；
图3为燃料电池流场板上单个湿度-电流密度联测传感器的制作流程图；
图4为湿度-电流密度联测传感器引线的截面主观示意图；
图5为湿度-电流密度联测传感器在插指型流道流场板上布置的主观示意图；
图6为湿度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上布置的主观示意图；
图7为湿度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上布置的主观示意图；
图中，1、燃料电池流场板，2、流道，3、脊，4、湿度-电流密度联测传感器，5、引线；
6-12为湿度-电流密度联测传感器各层掩膜：6、二氧化硅绝缘层掩膜，7、下电极铝镀层掩膜，8、高分子聚合物感湿介质层掩膜，9、上电极铝镀层掩膜，10、电流密度测量铜镀层掩膜，11、电流密度测量金镀层掩膜，12、二氧化硅保护层掩膜；
13-19为根据掩膜制作的湿度-电流密度联测传感器各膜层：13、二氧化硅绝缘层，14、下电极铝镀层，15、高分子聚合物感湿介质层，16、上电极铝镀层，17、电流密度测量铜镀层，18、电流密度测量金镀层，19、二氧化硅保护层；
20-26为湿度-电流密度联测传感器的制作步骤：20、步骤一，21、步骤二，22、步骤三，23、步骤四，24、步骤五，25、步骤六，26、步骤七；
27、电流密度测量金属镀层，28、电流密度测量金属镀层接线引出端，29、湿敏电容接线引出端；
30、引线二氧化硅绝缘层，31、引线铜镀层，32、引线金镀层，33、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湿度-电流密度联测传感器包括燃料电池流场板1、湿度-电流密度联测传感器4、引线5；在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，脊3位于两相邻流道2之间；湿度-电流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板1的脊3上，引线5的一端与湿度-电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘，用于传递传感器测头产生的电信号；燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有湿度-电流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。
参照图2所示，本发明所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器(4)包括湿敏电容测湿单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作而成，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层13，第二层为在二氧化硅绝缘层13上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层14，第三层为在下电极铝镀层14上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层15，第四层为在高分子聚合物感湿介质层15上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层16，第五层为在二氧化硅绝缘层13上蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层17，第六层为在电流密度测量铜镀层17上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层18，第七层为在湿敏电容上电极铝镀层16的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层19。
图3为单个湿度-电流密度联测传感器的制作流程图：6-12为湿度-电流密度联测传感器各层掩膜，13-19为根据掩膜制作的湿度-电流密度联测传感器各膜层，20-26为湿度-电流密度联测传感器的制作步骤。首先在燃料电池流场板1的脊3上根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层13，作为传感器的绝缘衬底，与燃料电池流场板充分绝缘，完成步骤一20；步骤二21为在二氧化硅绝缘层13上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀一层下电极铝镀层14，步骤三22为根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层14上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层15，步骤四23为在高分子聚合物感湿介质层15的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀一层上电极铝镀层16；下电极铝镀层14、高分聚合物感湿介质层15和上电极铝镀层16构成了湿敏电容，实现了湿度的测量；电流密度测量金属镀层是通过步骤五24和步骤六25完成的：步骤五24为根据电流密度测量铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层电流密度测量铜镀层17，步骤六25为根据电流密度测量金镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层电流密度测量金镀层18；电流密度测量铜镀层17和电流密度测量金镀层18相互重叠，构成电流密度测量金属镀层27，实现了电流密度的测量；最后，步骤七26为在所镀湿敏电容上电极铝镀层16的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层19，以防止湿敏电容受到燃料电池内部电流的干扰；由以上步骤构成湿度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部湿度和电流密度的同步测量。
其中，湿度-电流密度联测传感器的整体形状是由二氧化硅绝缘层的形状来决定的，其不仅可以制作成图3所示的方形，还可制作成圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形等其它形状。步骤二21和步骤四23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16的形状是根据掩膜的形状而设定的，不仅可为图3所示的蛇形，还可为锯齿状、梳状等其他形状。步骤五24和步骤六25完成的电流密度测量铜镀层17和电流密度测量金镀层18的形状是根据掩膜的形状而设定的，还可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形等其它形状。
电流密度测量金属镀层的首端为电流密度测量金属镀层接线引出端28，湿敏电容的首端为湿敏电容接线引出端29，其作用为方便与引线5相连，进行电信号的传导。电流密度测量金属镀层接线引出端28和湿敏电容接线引出端29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13的同一侧，也可相对的布置在二氧化硅绝缘层13的两侧，即湿敏电容接线引出端29位于二氧化硅绝缘层13的上侧时，电流密度测量金属镀层接线引出端28布置在与湿敏电容接线引出端29相对的二氧化硅绝缘层13的另一侧，以方便传感器引线5在流场板上的布置。
图4为湿度-电流密度联测传感器引线的截面示意图，该引线5的宽度为0.1-0.2mm，是由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30，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层31，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层32，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层33；引线二氧化硅绝缘层30与引线铜镀层31和引线金镀层32在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层33与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层，以方便与外接数据采集设备的引线连接。
图5为湿度-电流密度联测传感器在插指型流道流场板上的布置示意图，在插指型流道流场板的脊上布置有湿度-电流密度联测传感器4，引线5一端与湿度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
图6为湿度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有湿度-电流密度联测传感器4，引线5一端与湿度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
图7为湿度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有湿度-电流密度联测传感器4，引线5一端与湿度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
本发明的湿度-电流密度联测传感器由七层薄膜构成，将湿敏电容测湿单元和电流密度金属镀层测电流单元集成一体，实现了燃料电池内部湿度和电流密度的同步联测；该发明工序简便，制作方便，可方便的布置在各种流道形状的燃料电池流场板上。

Claims (8)

1.燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、湿度-电流密度联测传感器(4)、引线(5)，在燃料电池流场板(1)上设有流道(2)和脊(3)，湿度-电流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上，引线(5)的一端与湿度-电流密度联测传感器(4)的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板(1)的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板(1)上布置有湿度-电流密度联测传感器(4)的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触；其特征在于：
所述湿度-电流密度联测传感器(4)包括湿敏电容测湿单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括七层薄膜：第一层为蒸镀在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层(13)，第二层为在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层(14)，第三层为在下电极铝镀层(14)上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层(15)，第四层为在高分子聚合物感湿介质层(15)上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层(16)；所述上电极铝镀层(16)、高分子聚合物感湿介质层(15)和下电极铝镀层(14)构成湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(29)，其中上电极铝镀层(16)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层(17)，第六层为在电流密度测量铜镀层(17)上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层(18)；所述电流密度测量铜镀层(17)和电流密度测量金镀层(18)相互重叠，构成电流密度测量金属镀层(27)，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(28)；第七层为在湿敏电容上电极铝镀层(16)的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层(19)；
所述湿敏电容接线引出端(29)和电流密度测量金属镀层接线引出端(28)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(13)的同一侧；
湿度-热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(20)、步骤二(21)、步骤三(22)、步骤四(23)、步骤五(24)、步骤六(25)、步骤七(26)；具体而言，步骤一(20)，在燃料电池流场板(1)的脊(3)上根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)蒸镀一层二氧化硅绝缘层(13)；步骤二(21)，在二氧化硅绝缘层(13)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀一层下电极铝镀层(14)；步骤三(22)，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(14)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(15)；步骤四(23)，在高分子聚合物感湿介质层(15)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀一层上电极铝镀层(16)；步骤五(24)，根据电流密度测量铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀一层电流密度测量铜镀层(17)；步骤六(25)，根据电流密度测量金镀层掩膜(11)在二氧化硅绝缘层(13)上蒸镀一层电流密度测量金镀层(18)；步骤七(26)，在所镀湿敏电容上电极铝镀层(16)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(12)蒸镀一层二氧化硅保护层(19)；由以上步骤构成湿度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部湿度和电流密度的同步测量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述湿度-电流密度联测传感器(4)中二氧化硅绝缘层(13)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湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述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。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述上电极铝镀层(16)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。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述电流密度测量铜镀层(17)和电流密度测量金镀层(18)的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形。
6.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述电流密度测量金属镀层接线引出端(28)和湿敏电容接线引出端(29)的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形，其位置还可分别相对的布置在二氧化硅绝缘层(13)的两侧。
7.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述引线(5)的宽度为0.1-0.2mm，是由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(30)，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层(31)，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层(32)，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层(33)；
引线二氧化硅绝缘层(30)与引线铜镀层(31)和引线金镀层(32)在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层(33)与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。
8.根据权利要求1所述的燃料电池内部湿度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述燃料电池流场板(1)上流道(2)的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。
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