CN112820911B - 一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置 - Google Patents

一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氢燃料电池堆气体泄漏监测技术，具体是一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置。本发明解决了传统氢燃料电池堆气体泄漏监测技术只关注氢燃料电池堆的进出口位置是否发生气体泄漏，而忽略了氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏的问题。一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体、两根导线、电容数据采集模块；所述柔性电容式传感器包括柔性上极板、柔性下极板、柔性衬底、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体。本发明适用于氢燃料电池堆气体泄漏监测。

Description

一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置
技术领域
本发明涉及氢燃料电池堆气体泄漏监测技术，具体是一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置。
背景技术
氢燃料电池堆在经过长时间工作后，伴随着内部环境的变化，加上行驶过程中受到的外部震动，容易发生应力不均和部件错位，导致氢燃料电池堆发生反应气体(氢气或氧气)泄漏，从而容易影响氢燃料电池堆的使用安全、缩短氢燃料电池堆的使用寿命、引发燃爆事故。因此，为了保障氢燃料电池堆的使用安全、延长氢燃料电池堆的使用寿命、防止燃爆事故的发生，需要对氢燃料电池堆是否发生气体泄漏进行监测。
传统监测技术是在储氢罐出口、供气供氢管路、进气阀等部位安装普通气压传感器，并采用普通气压传感器进行监测。传统监测技术由于自身原理所限，只关注氢燃料电池堆的进出口位置是否发生气体泄漏，而忽略了氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏。因此，当氢燃料电池堆的单体电池连接处发生气体泄漏且气体泄漏量较小时，普通气压传感器由于灵敏度较低，且安装在距离单体电池较远的储氢罐出口、供气供氢管路、进气阀等部位，往往无法及时准确监测到气体泄漏，由此容易错失最佳补救时机，从而导致氢燃料电池堆工作的安全系数较低。
研究表明：捕蝇草植株顶端长有捕虫夹，能够分泌蜜汁吸引蚁虫，一旦蚁虫靠近叶片，在2～25s的时间内触碰到捕虫夹上的感官绒毛，捕蝇草就会以极快的速度闭合捕虫夹将蚁虫抓住。其原理在于：捕虫夹的两侧长有三根感官绒毛，当蚁虫触碰到感官绒毛时，压迫感官绒毛根部感觉细胞，产生电荷信号使捕虫夹弯曲闭合。因此，如果能通过仿生捕蝇草的感官绒毛来对氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏进行监测，势必能够实现及时准确监测。
基于此，有必要发明一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，该装置具有柔性贴附特征和高灵敏度特性，能够及时准确监测到氢燃料电池堆单体电池连接处的气体泄漏，弥补传统氢燃料电池堆气体泄漏监测技术的不足。
发明内容
本发明为了解决传统氢燃料电池堆气体泄漏监测技术只关注氢燃料电池堆的进出口位置是否发生气体泄漏，而忽略了氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏的问题，提供了一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体、两根导线、电容数据采集模块；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板、柔性下极板、柔性衬底、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体；柔性上极板和柔性下极板平行正对；柔性衬底的下表面紧贴柔性下极板的上表面；各个柔性半椭球介电体呈正方形阵列排布于柔性衬底的上表面，且各个柔性半椭球介电体的头部均紧贴柔性上极板的下表面；
柔性绝缘壳体紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线均密封贯穿柔性绝缘壳体；
柔性上极板和柔性下极板分别通过两根导线与电容数据采集模块电连接；
电容数据采集模块与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
所述柔性上极板呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体的长轴与短轴之比R范围为1.3≤R≤1.4，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体呈箱形，其采用丁腈橡胶或氟橡胶或聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为5～9个；相邻两个柔性半椭球介电体的间距为0.5mm或1mm。
所述柔性绝缘壳体的外表面电镀有绝缘氧化层。
所述电容数据采集模块包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板和柔性下极板分别通过两根导线与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
所述柔性半椭球介电体的长轴与短轴之比R表示为：
Figure BDA0002895034650000031
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体的长轴；D表示柔性半椭球介电体的短轴；a表示柔性半椭球介电体的高度，0.5mm≤a≤3mm；b表示柔性半椭球介电体的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体的截面外轮廓曲线表示为：
Figure BDA0002895034650000041
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为1％～40％；所述复合材料的相对介电常数εmix范围为2.46≤εmix≤12.39。
所述柔性衬底和各个柔性半椭球介电体的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数1％～40％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体和呈固态的柔性衬底；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体和呈固态的柔性衬底进行剥离。
具体工作过程如下：
当氢燃料电池堆正常工作时，氢燃料电池堆的单体电池连接处没有气体泄漏。此时，贴附于氢燃料电池堆单体电池连接处的柔性绝缘壳体的形状保持不变，柔性上极板与柔性下极板之间的距离、各个柔性半椭球介电体的形状均保持不变，柔性电容式传感器的极板间距和介电常数均保持不变，柔性电容式传感器的电容保持不变。在此过程中，电容数据采集模块实时采集柔性电容式传感器的电容，并将采集结果实时发送至上位机进行显示。
当氢燃料电池堆的单体电池连接处发生气体泄漏时，泄漏出的气体压迫柔性绝缘壳体，使得柔性绝缘壳体发生压缩形变，柔性上极板与柔性下极板之间的距离、各个柔性半椭球介电体的高度均减小，由此一方面使得柔性电容式传感器的极板间距减小，另一方面使得柔性电容式传感器的介电常数增大(具体原理为：由于柔性半椭球介电体的高度减小，使得柔性半椭球介电体所含镓铟锡液态金属的液滴形状由圆球形变成扁圆形，液滴之间的距离急剧减小，增强了电子隧穿，由此使得柔性半椭球介电体显示出较低的介电损耗因子)，从而使得柔性电容式传感器的电容增大。在此过程中，电容数据采集模块实时采集柔性电容式传感器的电容，并将采集结果实时发送至上位机进行显示，上位机根据采集结果驱动报警器发出报警。
基于上述过程，与传统氢燃料电池堆气体泄漏监测技术相比，本发明所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置具有如下有益效果：其一，本发明不再采用普通气压传感器，而是通过仿生捕蝇草的感官绒毛，采用模板法制备出全新的柔性电容式传感器，通过添加高导电率、低熔点、无毒的镓铟锡液态金属，并利用镓铟锡液态金属独有的液滴形状变化性质，具备了极板间距和介电常数同时可变的特点，因此其灵敏度显著高于普通气压传感器的灵敏度。其二，本发明采用了全柔性设计，能够简单方便地贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处，在发生气体泄漏时，能够灵敏反馈气体泄漏。因此，当氢燃料电池堆的单体电池连接处发生气体泄漏时，即使气体泄漏量较小，本发明也能够及时准确监测到气体泄漏，由此不会错失最佳补救时机，从而有效提高了氢燃料电池堆工作的安全系数。
为了验证上述有益效果，进行如下对比试验：
对比试验一：
首先，采用相同的复合材料制备四种介电体：厚度为1mm的柔性平板介电体、高度为1mm的柔性半椭球介电体、高度为2mm的柔性半椭球介电体、高度为3mm的柔性半椭球介电体。
然后，采用四种介电体制备四种柔性电容式传感器，并对四种柔性电容式传感器加载0～450kPa的连续应力，得到图3～图4所示的应力-电容变化率曲线，由此计算灵敏度S，计算公式如下：
S＝δ(ΔC/C0)/δP；
式中：ΔC表示电容变化量，单位为pF；C0表示初始电容，单位为pF；P表示应力，单位为kPa。
由图3可知：在高压范围(100～450kPa)内，若采用厚度为1mm的柔性平板介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.256kPa-1。若采用高度为1mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为1.874kPa-1。若采用高度为2mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为2.009kPa-1。若采用高度为3mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为2.185kPa-1。
由图4可知：在低压范围(0.00～0.03kPa)内，若采用厚度为1mm的柔性平板介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为7.667kPa-1。若采用高度为1mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为26.559kPa-1。若采用高度为2mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为33.189kPa-1。若采用高度为3mm的柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为44.650kPa-1。
结论如下：采用柔性半椭球介电体制备的柔性电容式传感器的灵敏度显著高于采用柔性平板介电体制备的柔性电容式传感器的灵敏度。
对比试验二：
首先，制备五种柔性半椭球介电体：第一种柔性半椭球介电体采用单一的Ecoflex00-30制成，第二种柔性半椭球介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为10％的复合材料制成，第三种柔性半椭球介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为20％的复合材料制成，第四种柔性半椭球介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为30％的复合材料制成，第五种柔性半椭球介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为40％的复合材料制成。
然后，采用五种柔性半椭球介电体制备五种柔性电容式传感器，并对五种柔性电容式传感器加载0～4kPa的连续应力，得到图5所示的应力-电容变化率曲线，由此计算灵敏度S，计算公式如下：
S＝δ(ΔC/C0)/δP；
式中：ΔC表示电容变化量，单位为pF；C0表示初始电容，单位为pF；P表示应力，单位为kPa。
由图5可知：若采用第一种柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.337kPa-1。若采用第二种柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.506kPa-1。若采用第三种柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.619kPa-1。若采用第四种柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.753kPa-1。若采用第五种柔性半椭球介电体，则柔性电容式传感器的灵敏度为0.973kPa-1。
结论如下：采用第五种柔性半椭球介电体制备的柔性电容式传感器的灵敏度可达采用第一种柔性半椭球介电体制备的柔性电容式传感器的灵敏度的三倍。
对比试验三：
首先，制备高度为3mm的柔性半椭球介电体。该柔性半椭球介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为40％的复合材料制成。
然后，采用柔性半椭球介电体制备柔性电容式传感器，并将三片树叶一片一片地叠加放置在柔性电容式传感器上(第一片树叶的质量为38mg，相当于加载0.93Pa的静应力；第二片树叶的质量为35mg，相当于加载0.86Pa的静应力；第三片树叶的质量为29mg，相当于加载0.71Pa的静应力)，得到图6所示的电容响应曲线。静应力P与树叶的质量m满足如下关系：
P＝mg/S；
式中：g表示重力加速度，单位为m/s2；S表示柔性电容式传感器的极板有效面积，单位为m2。
由图6可知：柔性电容式传感器的检测极限接近于零。随着树叶数目的增加，电容响应曲线呈现出清晰可辨的台阶，这表明柔性电容式传感器具有极高的分辨率。
然后，采用质量为20g的砝码对柔性电容式传感器加载应力和卸载应力，得到图7所示的响应时间曲线。
由图7可知：在加载周期中，响应时间为46ms。在卸载周期中，响应时间为45ms。
然后，对柔性半椭球介电体进行耐久性测试，得到图8所示的耐久性测试曲线。
结论如下：采用柔性半椭球介电体制备的柔性电容式传感器具有很高的潜力，可以在实际应用中以高精度和极好的长期稳定性检测氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了传统氢燃料电池堆气体泄漏监测技术只关注氢燃料电池堆的进出口位置是否发生气体泄漏，而忽略了氢燃料电池堆的单体电池连接处是否发生气体泄漏的问题，适用于氢燃料电池堆气体泄漏监测。
附图说明
图1是本发明中监测单元的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是对比试验一中得到的应力-电容变化率曲线示意图。
图4是对比试验一中得到的应力-电容变化率曲线示意图。
图5是对比试验二中得到的应力-电容变化率曲线示意图。
图6是对比试验三中得到的电容响应曲线示意图。
图7是对比试验三中得到的响应时间曲线示意图。
图8是对比试验三中得到的耐久性测试曲线示意图。
图9是本发明的工作过程示意图。
图10是本发明中柔性半椭球介电体的立体结构示意图。
图11是本发明中柔性半椭球介电体的截面外轮廓曲线示意图。
图中：101-柔性上极板，102-柔性下极板，103-柔性衬底，104-柔性半椭球介电体，2-柔性绝缘壳体，3-导线，4-电容数据采集模块，5-绝缘氧化层。
具体实施方式
实施例一
一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体2、两根导线3、电容数据采集模块4；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板101、柔性下极板102、柔性衬底103、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体104；柔性上极板101和柔性下极板102平行正对；柔性衬底103的下表面紧贴柔性下极板102的上表面；各个柔性半椭球介电体104呈正方形阵列排布于柔性衬底103的上表面，且各个柔性半椭球介电体104的头部均紧贴柔性上极板101的下表面；
柔性绝缘壳体2紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线3均密封贯穿柔性绝缘壳体2；
柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与电容数据采集模块4电连接；
电容数据采集模块4与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
所述柔性上极板101呈正方形，其边长为10mm，厚度为100μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板102呈正方形，其边长为10mm，厚度为100μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底103呈正方形，其边长为10mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R为1.3，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体2呈箱形，其采用丁腈橡胶制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为5个；相邻两个柔性半椭球介电体104的间距为0.5mm。
所述柔性绝缘壳体2的外表面电镀有绝缘氧化层5。
所述电容数据采集模块4包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R表示为：
Figure BDA0002895034650000111
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体104的长轴；D表示柔性半椭球介电体104的短轴；a表示柔性半椭球介电体104的高度，a＝0.5mm；b表示柔性半椭球介电体104的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体104的截面外轮廓曲线表示为：
Figure BDA0002895034650000121
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为1％；所述复合材料的相对介电常数εmix为2.46。
所述柔性衬底103和各个柔性半椭球介电体104的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数1％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体104；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底103；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103进行剥离。
实施例二
一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体2、两根导线3、电容数据采集模块4；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板101、柔性下极板102、柔性衬底103、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体104；柔性上极板101和柔性下极板102平行正对；柔性衬底103的下表面紧贴柔性下极板102的上表面；各个柔性半椭球介电体104呈正方形阵列排布于柔性衬底103的上表面，且各个柔性半椭球介电体104的头部均紧贴柔性上极板101的下表面；
柔性绝缘壳体2紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线3均密封贯穿柔性绝缘壳体2；
柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与电容数据采集模块4电连接；
电容数据采集模块4与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
所述柔性上极板101呈正方形，其边长为30mm，厚度为200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板102呈正方形，其边长为30mm，厚度为200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底103呈正方形，其边长为30mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R为1.4，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体2呈箱形，其采用氟橡胶制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为9个；相邻两个柔性半椭球介电体104的间距为0.5mm。
所述柔性绝缘壳体2的外表面电镀有绝缘氧化层5。
所述电容数据采集模块4包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R表示为：
Figure BDA0002895034650000141
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体104的长轴；D表示柔性半椭球介电体104的短轴；a表示柔性半椭球介电体104的高度，a＝3mm；b表示柔性半椭球介电体104的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体104的截面外轮廓曲线表示为：
Figure BDA0002895034650000151
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为40％；所述复合材料的相对介电常数εmix为12.39。
所述柔性衬底103和各个柔性半椭球介电体104的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数40％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体104；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底103；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103进行剥离。
实施例三
一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体2、两根导线3、电容数据采集模块4；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板101、柔性下极板102、柔性衬底103、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体104；柔性上极板101和柔性下极板102平行正对；柔性衬底103的下表面紧贴柔性下极板102的上表面；各个柔性半椭球介电体104呈正方形阵列排布于柔性衬底103的上表面，且各个柔性半椭球介电体104的头部均紧贴柔性上极板101的下表面；
柔性绝缘壳体2紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线3均密封贯穿柔性绝缘壳体2；
柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与电容数据采集模块4电连接；
电容数据采集模块4与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
所述柔性上极板101呈正方形，其边长为20mm，厚度为150μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板102呈正方形，其边长为20mm，厚度为150μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底103呈正方形，其边长为20mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R为1.35，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体2呈箱形，其采用聚偏氟乙烯制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为6个；相邻两个柔性半椭球介电体104的间距为1mm。
所述柔性绝缘壳体2的外表面电镀有绝缘氧化层5。
所述电容数据采集模块4包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R表示为：
Figure BDA0002895034650000171
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体104的长轴；D表示柔性半椭球介电体104的短轴；a表示柔性半椭球介电体104的高度，a＝1mm；b表示柔性半椭球介电体104的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体104的截面外轮廓曲线表示为：
Figure BDA0002895034650000172
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为10％；所述复合材料的相对介电常数εmix为3.85。
所述柔性衬底103和各个柔性半椭球介电体104的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数10％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体104；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底103；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103进行剥离。
实施例四
一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体2、两根导线3、电容数据采集模块4；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板101、柔性下极板102、柔性衬底103、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体104；柔性上极板101和柔性下极板102平行正对；柔性衬底103的下表面紧贴柔性下极板102的上表面；各个柔性半椭球介电体104呈正方形阵列排布于柔性衬底103的上表面，且各个柔性半椭球介电体104的头部均紧贴柔性上极板101的下表面；
柔性绝缘壳体2紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线3均密封贯穿柔性绝缘壳体2；
柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与电容数据采集模块4电连接；
电容数据采集模块4与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
所述柔性上极板101呈正方形，其边长为25mm，厚度为130μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板102呈正方形，其边长为25mm，厚度为130μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底103呈正方形，其边长为25mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R为1.32，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体2呈箱形，其采用聚四氟乙烯制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为8个；相邻两个柔性半椭球介电体104的间距为1mm。
所述柔性绝缘壳体2的外表面电镀有绝缘氧化层5。
所述电容数据采集模块4包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板101和柔性下极板102分别通过两根导线3与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
所述柔性半椭球介电体104的长轴与短轴之比R表示为：
Figure BDA0002895034650000201
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体104的长轴；D表示柔性半椭球介电体104的短轴；a表示柔性半椭球介电体104的高度，a＝2mm；b表示柔性半椭球介电体104的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体104的截面外轮廓曲线表示为：
Figure BDA0002895034650000202
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为20％；所述复合材料的相对介电常数εmix为5.34。
所述柔性衬底103和各个柔性半椭球介电体104的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数20％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体104；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底103；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体104和呈固态的柔性衬底103进行剥离。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：包括监测单元、上位机、报警器；
所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体(2)、两根导线(3)、电容数据采集模块(4)；
所述柔性电容式传感器包括柔性上极板(101)、柔性下极板(102)、柔性衬底(103)、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体(104)；柔性上极板(101)和柔性下极板(102)平行正对；柔性衬底(103)的下表面紧贴柔性下极板(102)的上表面；各个柔性半椭球介电体(104)呈正方形阵列排布于柔性衬底(103)的上表面，且各个柔性半椭球介电体(104)的头部均紧贴柔性上极板(101)的下表面；
柔性绝缘壳体(2)紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；
两根导线(3)均密封贯穿柔性绝缘壳体(2)；
柔性上极板(101)和柔性下极板(102)分别通过两根导线(3)与电容数据采集模块(4)电连接；
电容数据采集模块(4)与上位机电连接；
上位机与报警器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性上极板(101)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板(102)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底(103)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体(104)的长轴与短轴之比R范围为1.3≤R≤1.4，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体(2)呈箱形，其采用丁腈橡胶或氟橡胶或聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为5～9个；相邻两个柔性半椭球介电体(104)的间距为0.5mm或1mm。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性绝缘壳体(2)的外表面电镀有绝缘氧化层(5)。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述电容数据采集模块(4)包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板(101)和柔性下极板(102)分别通过两根导线(3)与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。
6.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性半椭球介电体(104)的长轴与短轴之比R表示为：
Figure FDA0002895034640000021
L＝2a；
D＝2b；
式中：L表示柔性半椭球介电体(104)的长轴；D表示柔性半椭球介电体(104)的短轴；a表示柔性半椭球介电体(104)的高度，0.5mm≤a≤3mm；b表示柔性半椭球介电体(104)的最大半径，单位为mm；
所述柔性半椭球介电体(104)的截面外轮廓曲线表示为：
Figure FDA0002895034640000031
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
7.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为1％～40％；所述复合材料的相对介电常数εmix范围为2.46≤εmix≤12.39。
8.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性衬底(103)和各个柔性半椭球介电体(104)的制备步骤如下：
步骤一：将烘箱预热至80℃；
步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；
步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；
步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；
步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex 00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数1％～40％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；
步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体(104)；
步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底(103)；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体(104)和呈固态的柔性衬底(103)；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体(104)和呈固态的柔性衬底(103)进行剥离。
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