CN202216773U - 燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池内部热流密度分布的测量方法，是在燃料电池石墨流场板相邻流道之间的筋上，采用真空镀膜技术设有一定数量的薄膜热流计，来进行燃料电池内部热流密度分布的测量。单个薄膜热流计是在石墨流场板的筋上蒸镀七层薄膜形成的，薄膜热流计的镀层是根据掩膜的形状而定的，第一层镀二氧化硅绝缘层，第二、三层镀金属薄膜热电偶，第四层镀二氧化硅热阻层，第五、六层镀金属薄膜热电偶，最后一层镀热流计测头的保护层。薄膜热流计的引线是在石墨流场板的筋上利用印刷电路工艺延伸至流场板的边缘，并设有与外电路相连的标准接线口。该测量方法简单，加工制作容易，测量准确，使用方便。

Description

燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器

技术领域

本实用新型属于燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，涉及燃料电池内部瞬态热流密度分布的测量，特别涉及一种瞬态热流密度分布的测量方法。

背景技术

燃料电池内部的热流分布不均匀且是瞬变的，由于燃料电池自身特殊的结构使得其内部的热流密度分布的测量很困难，迄今为止还没有一种简单有效的方法，可以准确方便的解决燃料电池内部热流密度分布的测量问题。

由于传统热流传感器的体积大、响应时间长，因此不能准确地反应出燃料电池内部真实的热流密度分部情况。并且燃料电池内部各种参数的测量方法大多是将传感器植入燃料电池的流道中，传感器的引线主要采用宏观引线，增大了燃料电池的内阻，使燃料电池的整体性能有所降低，如果安装不当还会导致燃料电池的燃料泄露等问题。另外，每次安装传感器的位置不能准确统一，使得在拆装电池前后所得到的实验结果对比性较差，所以急需一种简单有效的测量方法来获得燃料电池内部的热流密度分布情况。

本实用新型利用金属薄膜热容量小、响应时间短、体积小等优点来制作薄膜热流传感器，将薄膜热流传感器制作在燃料电池的石墨流场板流道的筋上，引出线采用印刷电路的方法制作。用这种方法测量燃料电池内部的热流分布有以下优点：拆装电池方便、薄膜热流传感器的体积很小，因此对燃料电池的整体性能影响不大，能够得到燃料电池内部真实的热流分布。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种简单易行的燃料电池内部热流密度分布的测量方法，它是将薄膜热流传感器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热流密度分布、无需对燃料电池进行频繁的拆卸。薄膜热流传感器在石墨流场板上的位置固定，因此拆装燃料电池前后所得到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热流密度分布情况。

本实用新型的技术方案是这样实现的：燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，包括燃料电池石墨流场板1上的薄膜镀层构成的薄膜热流传感器4、引线5、与外电路相连接的标准接线口6；石墨流场板上设置有流道2，流道之间有筋3；其特征在于：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，薄膜热流传感器4位于石墨流场板1相邻流道2之间的筋3上，通过引线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上设置薄膜热流传感器4的面朝向燃料电池的膜电极组件40，燃料电池组装好后石墨流场板上的薄膜热流传感器4与燃料电池的膜电极组件40接触；

石墨流场板1上的薄膜热流传感器4是采用真空镀膜技术在两个相邻流道2之间的筋3上设置有七层薄膜镀层：镀有两条厚0.1-0.2μm的长条形二氧化硅热阻层，二氧化硅热阻层上交替螺旋缠绕金属镀层铜和金属镀层镍，金属镀层铜和金属镀层镍在二氧化硅热阻层的下方相连接形成热流传感器测头的下层热电偶，即低温面的铜-镍热电偶，金属镀层铜和金属镀层镍同样在二氧化硅热阻层的上方相连接形成热流传感器的上层热电偶，即高温面的铜-镍热电偶，在长条形二氧化硅热阻层的一端，热流传感器测头一侧的铜-镍热电偶与另一侧的铜-镍热电偶串联形成热流传感器测头的整个热电堆，在长条形二氧化硅热阻层的另一端，薄膜热流传感器分别与圆形的镀铜层相连接，热流传感器的金属镀层与石墨流场板之间镀有二氧化硅绝缘层，金属镀层上方镀有一薄层二氧化硅保护层；具体的制作步骤为：在石墨流场板1上，根据设置的掩膜形状首先镀厚为0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层，第二层镀厚0.08-0.1μm的薄铜层，第三层镀厚0.08-0.1μm的薄镍层，第四层镀厚0.1-0.2μm的二氧化硅热阻层，第五层镀厚为0.08-0.1μm的薄铜层，第六层镀厚0.08-0.1μm的薄镍层，最后一层镀厚0.01-0.02μm的二氧化硅薄层。

石墨流场板上薄膜热流传感器4的长和宽均为0.8-2mm，与石墨流场板1上筋3的宽度相同。

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。

掩膜中热电堆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，热阻层的形状也可以为长方形、椭圆形、梯形等。

石墨流场板1上的薄膜热流计4的引线5是采用印刷电路技术制成，引线5宽为0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm，由在石墨流场板1两个相邻流道2之间的筋3上印刷的四层薄膜构成的：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；

引线5的前三层印刷层在长度和宽度上相同，均延伸至石墨流场板的末端，而最后一层保护层的宽度和前三层相同，但只延伸至外电路的标准接线口6处。

薄膜热流传感器测头4的引线5与测头的连接处29制作成圆形。

采用本实用新型的瞬态薄膜热流传感器测量燃料电池内部的热流密度分布：使测量热流密度分布的薄膜热流传感器与燃料电池的石墨流场板制作为一体，可实现方便快速的拆卸与组装电池；避免了采用宏观导线导致燃料电池的燃料泄露等问题；测量准确，并且热流传感器不易受到破坏。本实用新型的燃料电池内部热流密度分布测量方法结构简单，使用方便，薄膜热流传感器的体积小、热容量低，灵敏度高，制作加工容易，可用于不同流道的燃料电池，同时可适用于主动式燃料电池和被动式燃料电池。

附图说明

图1是薄膜热流传感器及其引线在孔状流道石墨流场板上分布的主观示意图(有一个标准接线口)；

图2是薄膜热流传感器及其引线在孔状流道石墨流场板上分布的主观示意图(有两个标准接线口)；

图3是燃料电池流场板上单个薄膜热流传感器的主观示意图；

图4是单个薄膜热流传感器的制作流程图；

图5是薄膜热流传感器引线的截面图；

图6是镀有薄膜热流传感器的石墨流场板在燃料电池中的位置图；

图7是薄膜热流传感器及其引线在石墨流场板上平行流道中分布的主观示意图；

图8是薄膜热流传感器及其引线在蛇型单通道流道石墨流场板上分布的主观示意图；

图9是薄膜热流传感器及其引线在蛇型双通道流道石墨流场板上分布的主观示意图；

图中1、燃料电池中的石墨流场板，2、流道，3、相邻流道之间的筋，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；

8-14、各镀层的掩膜：8、二氧化硅绝缘层掩膜，9、低温面镀铜层掩膜，10、低温面镀镍层掩膜，11、二氧化硅热阻层掩膜，12、高温面镀铜层掩膜，13、高温面镀镍层掩膜，14、二氧化硅保护层掩膜；

15-21、根据各镀层的掩膜形状形成的镀层：15、二氧化硅绝缘层，16、低温面镀铜层，17、低温面镀镍层，18、二氧化硅热阻层，19、高温面镀铜层，20、高温面镀镍层，21、二氧化硅保护层；

22-28、薄膜热流传感器测头的制备过程：22、第一步骤，23、第二步骤，24、第三步骤，25、第四步骤，26、第五步骤，27、第六步骤，28、第七步骤；

29、薄膜热流传感器测头与其引出线的连接处，30、热流传感器测头低温面热电堆的节点，31、热流传感器测头高温面的热电堆节点；

32-35、薄膜热流传感器引线的各印刷层，32、引线首层二氧化硅绝缘层，33、引线第二层镀铜层，34、引线第三层镀金层，35、引线最后一层聚对二甲苯保护层；

(36～44)、待测燃料电池的两极端板，(37～43)、待测燃料电池的两极集流板，38、待测燃料电池的阴极石墨流场板，(39～41)、待测燃料电池的密封垫片，40、待测燃料电池的膜电极组件，42、镀有薄膜热流传感器的燃料电池的阳极石墨流场板。

具体实施方式

附图是本实用新型的具体实施例；

下面结合附图对本实用新型的内容作进一步的详细说明：

参考图1、2所示，石墨流场板上薄膜热流传感器的标准接线口的位置和数量可以根据需要设置。如图1、图2、图3所示，本实用新型包括在燃料电池石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上镀有薄膜热流传感器4，薄膜热流传感器4的引线5延伸至石墨流场板1的边缘，在引线5的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6，图中7为定位孔。本实用新型的热流密度测量器件，薄膜热流传感器4及其引线5均镀在石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上，在薄膜热流传感器4及其引线5与石墨流场板1之间镀有一层二氧化硅绝缘层，为了防止薄膜热流传感器4传输的电信号受到导电石墨流场板1的干扰。薄膜热流传感器4的尺寸很小，长和宽均为0.8-2mm，镀有薄膜热流传感器的石墨流场板在燃料电池中安装好后，不影响反应燃料的传输，也不影响输出信号的传导，引线5宽为0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm，引线5引到石墨流场板1边缘的标准数据接口6处。通过与外电路相连接的标准接线口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热流密度数值，从而得到燃料电池内部的热流密度分布情况。

石墨流场板1的导电性能良好，在相邻流道2之间的筋3上镀有若干薄膜热流传感器4，薄膜热流传感器4是利用真空镀膜技术蒸镀七层薄膜形成的：第一层镀厚为0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层15，第二层镀厚0.08-0.1μm的低温面薄铜层16，第三镀厚0.08-0.1μm的低温面薄镍层17，第四层镀厚0.1-0.2μm的二氧化硅热阻层18，第五层镀厚为0.08-0.1μm的高温面薄铜层19，第六层镀厚0.08-0.1μm的高温面薄镍层20，第七层镀厚0.01-0.02μm的二氧化硅保护层21；最后镀的0.01-0.02μm厚的二氧化硅薄层是为了防止热流传感器测头磨损并且起到绝缘的作用。

参照图3、图4为单个薄膜热流传感器及其制作过程，图中8-14为各镀层的掩膜，其中掩膜中热电堆金属镀层的形状可以是图4中所示的形状，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，热阻层的形状也可以为长方形、椭圆形、梯形等。

如图4所示，图中15-21为根据各镀层的掩膜形状形成的镀层，22-28为薄膜热流传感器测头的制备过程，根据设计的掩膜形状共镀有七层薄膜形成：首先在石墨流场板1上相邻流道2之间的筋3上设置薄膜热流传感器4的位置镀上一层二氧化硅绝缘层15，形成步骤一22，以保证信号传导的准确性；接着在15上设置低温面镀铜层16，形成第二步骤23；在第二步骤23的基础上设置低温面镀镍层17，形成第三步骤24，获得薄膜热流传感器测头的低温面铜镍热电堆，用来测量石墨流场板的温度；在第三步骤24的基础上设置二氧化硅热阻层18，形成第四步骤25；在第四步骤25的基础上设置高温面镀铜层19，形成第五步骤26；在第五步骤26的基础上设置高温面镀镍层20，形成第六步骤27，获得膜热流传感器测头的低温面铜镍热电堆，用来测量离燃料电池的电化学反应最近的膜电极组件的温度；在第六步骤27的基础上设置薄膜热流传感器测头的二氧化硅保护层21，这样就形成了完整的薄膜热流传感器测头28。图中，30和31分别为薄膜热流传感器的低温面和高温面的热电堆节点，镀薄膜热流传感器测头4的引线5与测头的连接处29制作成圆形以便于引线5的引出，为了防止薄膜热流传感器测头的损坏，在测头的表面镀了一层很薄的二氧化硅保护层21。

如图5所示，薄膜热流传感器4的引线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，图中32-35为薄膜热流传感器引线的各印刷层，第一层印刷厚0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层32，第二层印刷厚0.08-0.1μm的薄铜层33，第三层印刷0.08-0.1μm的薄金层34，最后印刷0.01-0.02μm的聚对二甲苯保护层35，引线5印刷层的前三层长度和宽度相同，均延伸至石墨流场板1的末端，在石墨流场板1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6，而最后一层保护层的宽度和前三层相同，但是长度延伸至石墨流场板1的末端与外电路相连接的标准接线口6处，引线5宽0.05-0.1mm。每个薄膜热流传感器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将信号传出。

参照图6，以主动式燃料电池为例，镀有薄膜热流传感器的燃料电池的阳极石墨流场板42上有薄膜热流传感器4的面朝向膜电极组件40。燃料电池组装好后，薄膜热流传感器4与燃料电池的膜电极组件40接触，这样就使得测量器件与燃料电池的电化学反应最接近，能够真实的反应出燃料电池内部的热流分布情况。图中36和44为待测燃料电池的两极端板，37和43为待测燃料电池的两极集流板，38为待测燃料电池的阴极石墨流场板，39和41为待测燃料电池的密封垫片，40为待测燃料电池的膜电极组件，42为镀有薄膜热流传感器的燃料电池的阳极石墨流场板。其中燃料电池石墨流场板的流道可以是蛇形流道、平行流道、孔状流道等，镀有薄膜热流传感器4的石墨流场板1同时可以传导电流，并且可以同时在燃料电池的阴阳两极放置镀有薄膜热流传感器4的石墨流场板1，分别测量燃料电池阴阳两极的热流密度分布。

图7为燃料电池内薄膜热流传感器4在石墨流场板平行流道上的示意主观图，两个相邻平行流道2之间的筋3典型宽为0.8-2mm，薄膜热流传感器4的引线5延伸至石墨流场板1的边缘。

图8为燃料电池内薄膜热流传感器4在蛇型单通道石墨流场板上的示意主观图，同样，蛇型流道的相邻两个流道2之间的筋3典型宽为0.8-2mm，薄膜热流传感器4的引线5延伸至石墨流场板1的边缘。

图9为燃料电池内薄膜热流传感器4在石墨流场板1蛇型双通道流道上的示意主观图，两个相邻蛇型双通道流道2之间的筋3典型宽为0.8-2mm，薄膜热流传感器4的引线5延伸至石墨流场板1的边缘。

本实用新型是通过在燃料电池石墨流场板相邻流道之间的筋上镀有一定数量的薄膜热流传感器来进行燃料电池内部热流密度的测量，可以同时测量阴阳两极的热流密度分布情况。这种测量技术使热流密度分布测量装置和燃料电池制作成为一体，拆装电池方便、测量方便、并且加工制作容易，由于薄膜热流传感器体积很小，因此其安装后对燃料电池的整体性能影响不大，测量器件与燃料电池内部的电化学反应区域最为接近，测量的数据最准确可靠。另外，对于同一燃料电池，拆装前后实验数据的对比性较强，热流测量装置也不易受到损坏。

Claims (6)

1.燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，包括燃料电池石墨流场板(1)上的薄膜镀层构成的薄膜热流传感器(4)、引线(5)、与外电路相连接的标准接线口(6)；石墨流场板上设置有流道(2)，流道之间有筋(3)；其特征在于：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)，薄膜热流传感器(4)位于石墨流场板(1)相邻流道(2)之间的筋(3)上，通过引线(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)上设置薄膜热流传感器(4)的面朝向燃料电池的膜电极组件(40)，燃料电池组装好后石墨流场板上的薄膜热流传感器(4)与燃料电池的膜电极组件(40)接触；

石墨流场板(1)上的薄膜热流传感器(4)是采用真空镀膜技术在两个相邻流道(2)之间的筋(3)上设置有七层薄膜镀层：镀有两条厚0.1-0.2μm的长条形二氧化硅热阻层，二氧化硅热阻层上交替螺旋缠绕金属镀层铜和金属镀层镍，金属镀层铜和金属镀层镍在二氧化硅热阻层的下方相连接形成热流传感器测头的下层热电偶，即低温面的铜-镍热电偶，金属镀层铜和金属镀层镍同样在二氧化硅热阻层的上方相连接形成热流传感器的上层热电偶，即高温面的铜-镍热电偶，在长条形二氧化硅热阻层的一端，热流传感器测头一侧的铜-镍热电偶与另一侧的铜-镍热电偶串联形成热流传感器测头的整个热电堆，在长条形二氧化硅热阻层的另一端，薄膜热流传感器分别与圆形的镀铜层相接，热流传感器的金属镀层与石墨流场板之间镀有二氧化硅绝缘层，金属镀层上方镀有一薄层二氧化硅保护层。

2.根据权利要求1所述的燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，其特征在于：石墨流场板上薄膜热流传感器(4)的长和宽均为0.8-2mm，与石墨流场板(1)上筋(3)的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，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替代，另外，二氧化硅绝缘层材料可以采用氮化铝代替。

4.根据权利要求1所述的燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，其特征在于：掩膜中热电堆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，热阻层的形状也可以为长方形、椭圆形、梯形。

5.根据权利要求1所述的燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，其特征在于：石墨流场板(1)上的薄膜热流计(4)的引线(5)是采用印刷电路技术制成，引线(5)宽为0.05-0.1mm，厚度不超过0.2μm，由在石墨流场板(1)两个相邻流道(2)之间的筋(3)上印刷的四层薄膜构成的：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；

引线(5)的前三层印刷层在长度和宽度上相同，均延伸至石墨流场板的末端，而最后一层保护层的宽度和前三层相同，但只延伸至外电路的标准接线口(6)处。

6.根据权利要求1所述的燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，其特征在于：薄膜热流传感器测头(4) 的引线(5)与测头的连接处(29)制作成圆形。 

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