CN104409755A - 燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片 - Google Patents

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Abstract

燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，是燃料电池内部温度分布和热流密度分布的测量装置，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-热流密度联测传感器；温度-热流密度联测传感器采用真空蒸发镀膜方法制作，包括五层薄膜。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热流密度分布的同步在线测量；该装置可作为独立的构件安装于燃料电池内部，无需对燃料电池的结构进行特殊改造，使用范围广，可适配于平行流道、蛇形流道、交错型流道或其它流道形状的燃料电池流场板。

Description

燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片
技术领域
本发明涉及一种燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，属于燃料电池检测技术领域。
背景技术
燃料电池作为一种清洁、高效的能量转换装置，具有广阔的发展前景。燃料电池的电化学反应集中在膜电极表面的催化层上，其反应的均匀程度受到燃料电池内部温度场的均匀程度和热量能否顺利排出等因素的影响，而燃料电池内部的温度场和热流密度又与燃料电池反应气体的浓度、水的分布、电池结构等因素有关，因此，对于燃料电池内部温度分布和热流密度分布的测量将有助于燃料电池最佳运行工况的确定和结构设计的优化，为强化传热传质提供理论依据。
燃料电池结构紧凑，其内部的温度和热流密度分布测量较为困难，传统的测温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，这些方法大多需要对燃料电池进行特殊改造，成本较高，也易造成燃料电池的性能下降。另外，也可采用红外热成像测温法来测得燃料电池内部的温度分布。但需要改变电池结构，采用特殊材料制作燃料电池的端板，使此方法实施起来尤为的复杂，同时，燃料电池在运行过程中产生的水也会影响测温度的精度。对于燃料电池内部热流密度的测量，传统的测量方法由于传感器体积大，响应慢，因此不能较为准确的反应出燃料电池内部的热流密度分布。
针对温度和热流密度，若分别进行测量，则需进行多组测量，增加了燃料电池的拆装次数，也给测量数据带来很大的误差。本发明可作为独立构件安装在燃料电池流场板和膜电极之间，在不影响反应物向膜电极方向地扩散的同时实现同步测量燃料电池内部的温度分布和热流密度分布，且无需对燃料电池的结构进行特殊改造，减少了燃料电池的拆装次数，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热流密度分布的测量装置。该装置独立于燃料电池，其能够在燃料电池运行时同步测量燃料电池内部温度和热流密度的分布情况，不需要频繁拆装燃料电池体，也不需要对燃料电池流场板或极板等其他构件进行特殊改造，具有结构简单，制作方便等优点。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-热流密度联测传感器4、引线5、引脚6、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-热流密度联测传感器4设置在筋3上；引线5的一端与温度-热流密度联测传感器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-热流密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-热流密度联测传感器4的面朝向膜电极侧并与之紧密接触。
所述温度-热流密度联测传感器4采用真空蒸发镀膜方法在筋3上蒸镀五层薄膜，第一层为在筋3上蒸镀一层厚为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上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的铜镀层14；第三层为在二氧化硅绝缘层13上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的镍镀层15；所述铜镀层14同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层，所述镍镀层15同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点24，首端为薄膜热电偶接线引出端23；所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热电堆，所述热电堆包括薄膜热流计上结点26和薄膜热流计下结点27，首端为薄膜热流计接线引出端25；第四层为蒸镀在铜镀层14和镍镀层15上方的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层16；第五层为在薄膜热流计上结点26所对应的二氧化硅保护层16的上方再蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层17。
所述薄膜热电偶接线引出端23和薄膜热流计接线引出端25均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层13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。
所述的金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层可以选用钨和镍、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。
所述温度-热流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层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。
所述温度-热流密度联测传感器4中薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，相互搭接后形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
所述二氧化硅厚热阻层17还可位于薄膜热流计下结点27的上方。
所述温度-热流密度联测传感器4中的薄膜热流计至少包括一对薄膜热流计上结点26、薄膜热流计下结点27。
所述一对薄膜热电偶接线引出端23和薄膜热流计接线引出端25可分别对称布置在二氧化硅绝缘层13的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。
所述引线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28，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层29，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层30，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层31；其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
采用本发明的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片装置，能够在线同步测量燃料电池内部温度和热流密度的分布情况；该测量装置独立于被测燃料电池，无需对燃料电池的流场板或极板等其它构件进行特殊改造，简化了燃料电池内部温度和热流密度分布测量的步骤，同时，减少了燃料电池的拆装次数，保证了燃料电池性能的稳定。本发明具有结构简单，制作方便，使用范围广等优点，可适用于平行流道、蛇形流道、交错型流道等其它流道形状的燃料电池，同时，不仅适用于单体燃料电池的测量，还可用于燃料电池堆内的温度和热流密度分布的同步测量。
附图说明
图1为燃料电池内部温度-热流密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-热流密度分布测量插片上单个温度-热流密度联测传感器的主观示意图；
图3为燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片上单个温度-热流密度联测传感器的制作流程图；
图4为燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片上单个温度-热流密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-热流密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-热流密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-热流密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-热流密度联测传感器，5、引线，6、引脚，7、定位孔；
8-12为温度-热流密度联测传感器各镀层掩膜：8、二氧化硅绝缘层掩膜，9、铜镀层掩膜，10、镍镀层掩膜，11、二氧化硅保护层掩膜，12、二氧化硅厚热阻层掩膜；
13-17为根据掩膜蒸镀的温度-热流密度联测传感器各镀层：13、二氧化硅绝缘层，14、铜镀层，15、镍镀层，16、二氧化硅保护层，17、二氧化硅厚热阻层；
18-22为温度-热流密度联测传感器的制作步骤：18、步骤一，19、步骤二，20、步骤三，21、步骤四，22、步骤五；
23、薄膜热电偶接线引出端，24、薄膜热电偶热端结点，25、薄膜热流计接线引出端，26、薄膜热流计上结点，27、薄膜热流计下结点；
28、引线二氧化硅绝缘层，29、引线铜镀层，30、引线金镀层，31、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，本发明包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-热流密度联测传感器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-热流密度联测传感器4；引线5一端与温度-热流密度联测传感器4相连，另一端延伸至导电基片1的边缘，用于传递温度-热流密度联测传感器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-热流密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。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-热流密度联测传感器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-热流密度联测传感器4对燃料电池内部的温度和热流密度进行测量，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和热流密度的分布。
参照图2所示，本发明所述温度-热流密度联测传感器4是采用真空蒸发镀膜方法在导电基片1两相邻漏缝2之间的筋3上蒸镀的五层薄膜构成：第一层为在导电基片1两相邻漏缝2之间的筋3上蒸镀一层厚为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上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的铜镀层14，第三层为在二氧化硅绝缘层13上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的镍镀层15，第四层为蒸镀在铜镀层14和镍镀层15上方的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层16，第五层为在薄膜热流计上结点26所对应的二氧化硅保护层16的上方再蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层17。
薄膜热流计的测量原理为：由铜镀层和镍镀层首尾相互搭接构成热电堆，其搭接处构成薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点。由于薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点上的二氧化硅镀层厚度不同，从而使热电堆产生温差电势，其与薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点上二氧化硅镀层的厚度差相关，而热流密度与温差、二氧化硅热阻层厚度差及导热系数相关，由于二氧化硅导热系数已知，故可计算出热流密度的大小。
图3为单个温度-热流密度联测传感器的制作流程图：8-12为温度-热流密度联测传感器各镀层掩膜，13-17为根据掩膜蒸镀的温度-热流密度联测传感器各镀层，18-22为温度-热流密度联测传感器的制作步骤。步骤一18，根据二氧化硅绝缘层掩膜8在导电基片的筋上蒸镀一层二氧化硅绝缘层13，以使温度-热流密度联测传感器的金属镀层与导电基片绝缘；步骤二19，在二氧化硅绝缘层13上根据铜镀层掩膜9蒸镀一层铜镀层14，其同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层；步骤三20，在蒸镀完铜镀层的基础上，根据镍镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层13上蒸镀一层镍镀层15，其同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；步骤四21为在所镀铜镀层14和镍镀层15的上方根据二氧化硅保护层掩膜11蒸镀一层二氧化硅保护层16，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的薄热阻层；步骤五22，在薄膜热流计上结点26所对应的二氧化硅镀层上方，根据二氧化硅厚热阻层掩膜12蒸镀一层二氧化硅厚热阻层17；由以上步骤构成温度-热流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和热流密度的同步测量。
其中，步骤二19和步骤三20蒸镀的薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点24，用以实现温度的测量；薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层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。薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中至少包括一对薄膜热流计的上结点26、薄膜热流计下结点27，加之二氧化硅保护层和二氧化硅厚热阻层，由此构成薄膜热流计，实现热流密度的测量；薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形等，搭接后形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形等其它形状，二氧化硅厚热阻层17还可位于薄膜热流计下结点27的上方。薄膜热电偶和薄膜热流计中，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23，薄膜热流计的首端为薄膜热流计接线引出端25，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23与薄膜热流计接线引出端25可均布置在二氧化硅绝缘层13的同一侧，也可分别对称的布置在二氧化硅绝缘层13的两侧，以方便传感器引线5在导电基片上的布置，其形状不仅可以制作成图3所示的圆形，还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状。
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28，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层29，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层30，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层31；其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
图5为燃料电池内部温度-热流密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-热流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密度联测传感器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-热流密度联测传感器4电信号的传递。
图6为燃料电池内部温度-热流密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-热流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密度联测传感器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-热流密度联测传感器4电信号的传递。
图7为燃料电池内部温度-热流密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-热流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密度联测传感器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-热流密度联测传感器4电信号的传递。
本发明是通过在导电基片上布置温度-热流密度联测传感器来实现燃料电池内部温度和热流密度分布的同步测量，该测量装置独立于燃料电池，无需对燃料电池的结构进行改造，使用时只需将测量插片与燃料电池组装在一起即可，结构简单，使用方便，适用范围广。

Claims (10)

1.燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，包括导电基片(1)、漏缝(2)、筋(3)、温度-热流密度联测传感器(4)、引线(5)、引脚(6)、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-热流密度联测传感器(4)设置在筋(3)上；引线(5)的一端与温度-热流密度联测传感器(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-热流密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-热流密度联测传感器(4)的面朝向膜电极侧并与之紧密接触；
所述温度-热流密度联测传感器(4)采用真空蒸发镀膜方法在筋(3)上蒸镀五层薄膜，第一层为在筋(3)上蒸镀一层厚为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)上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的铜镀层(14)；第三层为在二氧化硅绝缘层(13)上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的镍镀层(15)；所述铜镀层(14)同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层，所述镍镀层(15)同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点(24)，首端为薄膜热电偶接线引出端(23)；所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热电堆，所述热电堆包括薄膜热流计上结点(26)和薄膜热流计下结点(27)，首端为薄膜热流计接线引出端(25)；第四层为蒸镀在铜镀层(14)和镍镀层(15)上方的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层(16)；第五层为在薄膜热流计上结点(26)所对应的二氧化硅保护层(16)的上方再蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层(17)；
所述薄膜热电偶接线引出端(23)和薄膜热流计接线引出端(25)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(13)的同一侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，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-热流密度分布测量插片，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-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述的金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层可以选用钨和镍、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。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述温度-热流密度联测传感器(4)中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层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。
6.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述温度-热流密度联测传感器(4)中薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，相互搭接后形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
7.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述二氧化硅厚热阻层(17)还可位于薄膜热流计下结点(27)的上方。
8.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述温度-热流密度联测传感器(4)中的薄膜热流计至少包括一对薄膜热流计上结点(26)、薄膜热流计下结点(27)。
9.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述一对薄膜热电偶接线引出端(23)和薄膜热流计接线引出端(25)可分别对称布置在二氧化硅绝缘层(13)的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。
10.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-热流密度分布测量插片，其特征在于：所述引线(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(28)，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层(29)，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层(30)，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层(31)；其中，在引脚(6)处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
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