TWI504052B - A sensing device for a fuel cell with a class protective layer - Google Patents

A sensing device for a fuel cell with a class protective layer Download PDF

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TWI504052B
TWI504052B TW102138349A TW102138349A TWI504052B TW I504052 B TWI504052 B TW I504052B TW 102138349 A TW102138349 A TW 102138349A TW 102138349 A TW102138349 A TW 102138349A TW I504052 B TWI504052 B TW I504052B
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Chi Yuan Lee
Ai Su
Fan Hsuan Liu
yun min Liu
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Univ Yuan Ze
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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Description

用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置
本發明係有關一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，尤指一種兼具延長使用壽命與提高組裝密合度之用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置。
近來國際各研發團隊對於高溫型質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)的關注大大提高，由於操作溫度(120~200℃)提升，具有水管理較為簡單，以及降低CO毒化現象之優點。
但高溫型電池(堆)之問題：是膜材耐久性不高、觸媒腐蝕，以及電池(堆)內局部之溫度、電壓、電流、氣體壓力、流量…等不均勻性之問題，而要使高溫電池達到高性能，其內部溫度與電壓是極重要之參數，溫度太高會影響觸媒的活性、乾膜、質傳和熱管理，溫度太低會造成膜電極組反應不完全之現象，而電壓值是決定局部性能好壞之重要依據。
針對燃料電池(堆)的效能與內部資訊的探討可以分為外部量測、侵入式、理論模擬，以及單一溫度或電壓量測等方法，但是目前之感測器存在感測器體積過大、量測失準、影響電池(堆)性能，以及未能知道內部實際反應狀態等問題。
有鑑於此，必需研發出可解決上述習用缺點之技術。
本發明之目的，在於提供一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，其兼具延長使用壽命與提高組裝密合度等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於目前尚無較佳可準確量測燃料電池內部各區域之溫度、電壓、電流、氣體壓力、流量…等不均勻性變化之裝置等問題。
解決上述問題之技術手段係提供一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，其包括：一絕緣基材結構，係具可撓性，並具有一設置表面；至少一微型感測器，係設於該設置表面上，並具有一感測端部及一輸出端部；一保護層結構，係覆設於該微型感測器及該設置表面上，該保護層結構具有一厚層區、一薄層區及一虛擬階級區，該厚層區與該薄層區概呈前後相連，且該薄層區與該虛擬階級區概呈上下重疊，該感測端部係對應該厚層區，且該輸出端部係對應該薄層區；藉此，該用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置用以夾設於一燃料電池內，該燃料電池係具有至少一對雙極板、至少一膜電極組及至少一對防滲墊圈；該膜電極組係介於該對雙極板之間，用以進行化學反應而發電，該對防滲墊圈係分別介於該對雙極板與該膜電極組之間；該微型感測器係朝向該膜電極組，用以感測一溫度訊號與一電壓訊號的至少其中之一種；該厚層區係面對該膜電極組，用以提高該保護層結構之抗蝕性；該防滲墊圈係位於該虛擬階級區內，並接觸該薄層區，用以提高該雙極板與該膜電極組之密合度。
本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細 說明與附圖中，獲得深入瞭解。
茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：
10‧‧‧絕緣基材結構
11‧‧‧設置表面
20‧‧‧微型感測器
20A‧‧‧微型溫度感測器
20B‧‧‧微型電壓感測器
21‧‧‧感測端部
22‧‧‧輸出端部
30‧‧‧保護層結構
30A‧‧‧感測孔
31‧‧‧厚層區
32‧‧‧薄層區
33‧‧‧虛擬階級區
40‧‧‧中央部
40A‧‧‧第一連結部
40B‧‧‧第二連結部
90‧‧‧燃料電池
90A‧‧‧溫度訊號
90B‧‧‧電壓訊號
91‧‧‧雙極板
92‧‧‧膜電極組
93‧‧‧防滲墊圈
L1‧‧‧設置長度
L2‧‧‧厚層長度
L3‧‧‧薄層長度
L4‧‧‧第一感測長度
L5‧‧‧第二感測長度
W1‧‧‧第一感測寬度
W2‧‧‧第二感測寬度
H1‧‧‧厚層高度
H2‧‧‧薄層高度
H3‧‧‧虛擬厚度
第一A圖係本發明之第一實施例之示意圖
第一B圖係第一A圖之剖視圖
第二A圖係本發明之第二實施例之示意圖
第二B圖係第二A圖之剖視圖
第三圖係本發明之第三實施例之示意圖
第四圖係第三圖之縱向剖視圖
第五圖係第三圖之橫向剖視圖
第六圖係本發明之具可撓性之示意圖
第七圖係本發明之應用例之示意圖
第八圖係第七圖之俯視圖
第九圖係第七圖之局部剖視圖
第十圖係本發明之其他應用例之示意圖
第十一圖係本發明之應用於複數電池堆之示意圖
參閱第一A及第一B圖，本發明係為一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，其包括：一絕緣基材結構10，係具可撓性(參閱第六圖)，並具有一設置表面11； 至少一微型感測器20，係設於該設置表面11上，並具有一感測端部21及一輸出端部22；一保護層結構30，係覆設於該微型感測器20及該設置表面10上，該保護層結構30具有一厚層區31、一薄層區32及一虛擬階級區33，該厚層區31與該薄層區32概呈前後相連，且該薄層區32與該虛擬階級區33概呈上下重疊，該感測端部21係對應該厚層區31，且該輸出端部22係對應該薄層區32；藉此，該用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置用以夾設於一燃料電池內90內，該燃料電池90係具有至少一對雙極板91、至少一膜電極組92(參閱第七及第八圖)及至少一對防滲墊圈93(參閱第九圖)；該膜電極組92係介於該對雙極板91之間，用以進行化學反應而發電(燃料電池發電為公知技術，非本案重點，恕不贅述)，該對防滲墊圈93係分別介於該對雙極板91與該膜電極組92之間；該微型感測器20係朝向該膜電極組92，用以感測一溫度訊號90A與一電壓訊號90B的至少其中之一種；該厚層區31係面對該膜電極組92，用以提高該保護層結構30之抗蝕性；該防滲墊圈93係位於該虛擬階級區33內，並接觸該薄層區32，用以提高該雙極板91與該膜電極組92之密合度。
關於本創作之第一實施例，該絕緣基材結構10可為厚度50μm之聚醯亞胺薄片(Polyimide foil,Kapton®)。其具備機械強度高、電氣絕緣性佳、玻璃轉化溫度高，熱穩定性佳等優點，可應用於較大的溫度範圍(-269~400℃)，並且能夠應用於高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)。
當然，亦可為公知不鏽鋼薄片(stainless steel foil)(需進行絕 緣處理的複雜問題在此不予論究)，或是聚對二甲苯(Parylene C)(聚對二甲苯之製作流程較複雜的問題在此不予論究)。
該微型感測器20可為微機電系統(Micro-electro-mechanical systems，英文簡稱MEMS)。故，該感測端部21的部位係可縮小體積(如第十圖所示)。
該微型感測器20可為：
[a]微型溫度感測器20A：其為電阻式之感溫電阻(RTD)(參閱第一A及第一B圖，為本創作之第一實施例)：其電極型式為蛇形結構，感測頭(即該感測端部21)面積為第一感測長度L4(例如為400μm)×第一感測寬度W1(例如為400μm)，其用以感測該膜電極組92之溫度訊號90A，感溫電阻材料選用金(Au)，其具備化性穩定、製程簡單與線性度高等優點。
該微型溫度感測器20A之感測原理為當環境溫度提升時，由於金具有正溫度阻值係數(Positive Temperature Coefficient,PTC)之特性，亦使得RTD之電阻值上升或下降。
[b]微型電壓感測器20B(參閱第二A及第二B圖，為本創作之第二實施例)：其為微縮化的伏特計探針，概呈延伸之細長導線，該微型電壓感測器20B最前端具有第二感測長度L5(例如為200μ m)×第二感測寬度W2(例如為200μ m)之薄片狀探針(即該感測端部21)，其餘導線部份為該保護層結構30(可能包括該厚層區31及該薄層區32)覆蓋阻絕，且該保護層結構30對應該感測端部21，而具有一感測孔30A，其供該感測端部21連通該膜電極組92，並感測其產生之該電壓訊號90B，此設計可確保深入燃料電池堆內部之薄片狀探針(亦即該感測端部21)，能感測到來自局部特定區域(亦即對 應該感測孔30A之位置)之電壓訊號90B。
[c]電阻式之感溫電阻加上微型電壓感測器(參閱第三、第四及第五圖，為本創作之第三實施例)，此整合之設計方法，不僅能夠減少微型感測器20嵌入於燃料電池90(堆)(參閱第八圖)之覆蓋面積，且讓電池堆整體性能之影響程度降到最低，並同時具有量測溫度與電壓之功能。
當然，另關於量測電流、氣體壓力、流量…等相關之燃料電池發電過程中，呈現變化之數據，均已具有公知結構，單純的裝置轉換不脫本發明保護之範疇。
該設置表面11係具有一設置長度L1；該厚層區31係具有一厚層長度L2及一厚層高度H1；該薄層區32係具有一薄層長度L3及一薄層高度H2；該虛擬階級區33係具有一虛擬厚度H3，該厚層高度H1係等於該薄層高度H2與該虛擬厚度H3之總和；且該設置長度L1係等於該厚層長度L2與該薄層長度L3之總和。
本創作又包括一中央部40(參閱第七圖)，係具有：至少一第一連結部40A，係連結該微型溫度感測器20A(連結該輸出端部22)，用以擷取該溫度訊號90A(儲存而供比對或是被擷取)。
至少一第二連結部40B，係連結該微型電壓感測器20B(連結該輸出端部22，作為正極)與該雙極板91(作為負極/接地)，用以擷取該電壓訊號90B(儲存而供比對或是被擷取)。
參閱第十一圖，本創作可設置複數個(例如為十二個)，分別夾設於由複數個燃料電池單元所組成之燃料電池堆中。
本發明之使用方式係如下所述：參閱第九圖，本創作係夾設於該雙極板91與該膜電極組92之間，當對該燃料電池90供入燃料，使該膜電極組92進行化學反應而發電時(此部分為公知技術，非本創作之重點，恕不贅述)，該保護層結構30係以該厚層區31朝向該膜電極組92，使該感測端部21於感測該溫度訊號90A(或是該電壓訊號90B)的過程中，能以較厚的體積(厚層高度H1)，承受化學反應的侵蝕(仍會被侵蝕，但因體積較厚，能撐較久)，並可以該虛擬階級區33容納而供該防滲墊圈93接觸該薄層區32，除可防滲，亦因該薄層區32具有較薄的薄層高度H2，可使該雙極板91與該膜電極組92之組裝接合部位更密合。
本發明之優點及功效係如下所述：
[1]延長使用壽命。本創作之保護層結構具有一厚層區，其係對應微型感測器之感測端部，由於厚層區具有較厚的厚層高度，而能以較厚的體積，增加被侵蝕的時間，進而延長使用壽命。故，可延長使用壽命。
[2]提高組裝密合度。本創作之保護層結構具有一薄層區及一虛擬階級區，概呈上下重疊，薄層區之薄層高度小於厚層高度，夾設於雙極板與膜電極組之間，可使其組裝接合部位之密合度更高，並以虛擬階級區容納防滲墊圈，倍增雙極板與膜電極組之間的防滲(亦提高密合度)。故，可提高組裝密合度。
以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。
10‧‧‧絕緣基材結構
11‧‧‧設置表面
20‧‧‧微型感測器
20A‧‧‧微型溫度感測器
21‧‧‧感測端部
22‧‧‧輸出端部
30‧‧‧保護層結構
31‧‧‧厚層區
32‧‧‧薄層區
L1‧‧‧設置長度
L2‧‧‧厚層長度
L3‧‧‧薄層長度
L4‧‧‧第一感測長度
W1‧‧‧第一感測寬度
H1‧‧‧厚層高度
H2‧‧‧薄層高度
H3‧‧‧虛擬厚度

Claims (3)

  1. 一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，係包括：一絕緣基材結構，係具可撓性，並具有一設置表面；至少一微型感測器，係設於該設置表面上，並具有一感測端部及一輸出端部；一保護層結構，係覆設於該微型感測器及該設置表面上，該保護層結構具有一厚層區、一薄層區及一虛擬階級區，該厚層區與該薄層區概呈前後相連，且該薄層區與該虛擬階級區概呈上下重疊，該感測端部係對應該厚層區，且該輸出端部係對應該薄層區；藉此，該用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置用以夾設於一燃料電池內，該燃料電池係具有至少一對雙極板、至少一膜電極組及至少一對防滲墊圈；該膜電極組係介於該對雙極板之間，用以進行化學反應而發電，該對防滲墊圈係分別介於該對雙極板與該膜電極組之間；該微型感測器係朝向該膜電極組，用以感測一溫度訊號與一電壓訊號的至少其中之一種；該厚層區係面對該膜電極組，用以提高該保護層結構之抗蝕性；該防滲墊圈係位於該虛擬階級區內，並接觸該薄層區，用以提高該雙極板與該膜電極組之密合度；其中：該微型感測器係為微機電系統；該微型感測器係為微型電壓感測器；該微型電壓感測器係為微縮化的伏特計探針，該感測端部位於伏特計探針之最前端，該保護層結構對應該感測端部，而具有一感測孔，其供該感測端部連通並感測該膜電極組產生之該電壓訊號。
  2. 一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，係包括：一絕緣基材結構，係具可撓性，並具有一設置表面；至少一微型感測器，係設於該設置表面上，並具有一感測端部及一輸出端部；一保護層結構，係覆設於該微型感測器及該設置表面上，該保護層結構具有一厚層區、一薄層區及一虛擬階級區，該厚層區與該薄層區概呈前後相連，且該薄層區與該虛擬階級區概呈上下重疊，該感測端部係對應該厚層區，且該輸出端部係對應該薄層區；其中：該設置表面係具有一設置長度；該厚層區係具有一厚層長度及一厚層高度；該薄層區係具有一薄層長度及一薄層高度；該虛擬階級區係具有一虛擬厚度，該厚層高度係等於該薄層高度與該虛擬厚度之總和；且該設置長度係等於該厚層長度與該薄層長度之總和；藉此，該用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置用以夾設於一燃料電池內，該燃料電池係具有至少一對雙極板、至少一膜電極組及至少一對防滲墊圈；該膜電極組係介於該對雙極板之間，用以進行化學反應而發電，該對防滲墊圈係分別介於該對雙極板與該膜電極組之間；該微型感測器係朝向該膜電極組，用以感測一溫度訊號與一電壓訊號的至少其中之一種；該厚層區係面對該膜電極組，用以提高該保護層結構之抗蝕性；該防滲墊圈係位於該虛擬階級區內，並接觸該薄 層區，用以提高該雙極板與該膜電極組之密合度。
  3. 一種用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置，係包括：一絕緣基材結構，係具可撓性，並具有一設置表面；至少一微型感測器，係設於該設置表面上，並具有一感測端部及一輸出端部；一保護層結構，係覆設於該微型感測器及該設置表面上，該保護層結構具有一厚層區、一薄層區及一虛擬階級區，該厚層區與該薄層區概呈前後相連，且該薄層區與該虛擬階級區概呈上下重疊，該感測端部係對應該厚層區，且該輸出端部係對應該薄層區；一中央部，係具有：至少一第一連結部，係連結該微型溫度感測器，用以擷取該溫度訊號：至少一第二連結部，係連結該微型電壓感測器與該雙極板，用以擷取該電壓訊號；藉此，該用於燃料電池之具有階級狀保護層的感測裝置用以夾設於一燃料電池內，該燃料電池係具有至少一對雙極板、至少一膜電極組及至少一對防滲墊圈；該膜電極組係介於該對雙極板之間，用以進行化學反應而發電，該對防滲墊圈係分別介於該對雙極板與該膜電極組之間；該微型感測器係朝向該膜電極組，用以感測一溫度訊號與一電壓訊號的至少其中之一種；該厚層區係面對該膜電極組，用以提高該保護層結構之抗蝕性；該防滲墊圈係位於該虛擬階級區內，並接觸該薄層區，用以提高該雙極板與該膜電極組之密合度。
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2013年8月出版，Sensors and Materials，Vol. 25，No.6，p.411~416，「Flexible pressure, temperature, and flow micro sensors for integration in methanol microreformer」，Chi-Yuan Lee等撰寫 *

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