燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器，是采用真空蒸發鍍膜技術蒸鍍的六層薄膜構成：第一層為二氧化硅絕緣層，第二、三層為薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層，第四層為二氧化硅保護層，第五、六層為電流密度測量銅鍍層和電流密度測量金鍍層，其引線也采用真空蒸發鍍膜技術制作。本發明專利技術能夠實現對燃料電池內部溫度和電流密度的同步在線測量，無需對燃料電池的內部結構進行特殊改造；其具有結構簡單，制作方便，體積小等優點，適用于各種流道形狀的燃料電池流場板，能對燃料電池內部單一位置或多個位置的溫度和電流密度進行同步測量。
【技術實現步驟摘要】
燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器
本專利技術屬于燃料電池內部參數測量領域，涉及燃料電池內部局部電流密度和溫度的測量，特別涉及一種燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器。
技術介紹
燃料電池作為一種將化學能直接轉換為電能的能量轉換裝置，具有能量密度高，無污染，低噪聲等特點，受到了世界各國研究人員的普遍關注。燃料電池的電化學反應主要集中在膜電極上，電化學反應速率的快慢決定著燃料電池性能的高低，而其又受到多種因素的影響，如反應氣體的濃度、流量，電池內部的溫度、濕度等。 燃料電池的局部電流密度，能夠反映出多種因素的影響，如燃料電池內部電阻、溫度、反應氣體的流量等，通過局部電流密度的研究有助于了解燃料電池內部的傳熱傳質現象，并為燃料電池的結構優化提供理論依據。 目前，針對局部電流密度的研究方法主要有:子電池法、局部膜電極法、磁環組法等，傳統的測量方法大多需要對燃料電池極板或流場板進行分割或特殊改造，如切割流場板或插入銅棒等，不僅制作復雜，而且容易造成燃料電池的性能降低，同時，傳統方法只能單獨測量局部的電流密度，很難與溫度的測量結合，而溫度這一參數是影響燃料電池性能的重要參數之一，是燃料電池研究關注的重點。 本專利技術將溫度測量和電流密度的測量方法相結合，使一個傳感器測頭實現了同步在線測量燃料電池內部溫度和電流密度的功能，無需對燃料電池的結構進行特殊改造；該傳感器體積小，響應時間快、測量精度高，可方便的對燃料電池內的單點或多點的電流密度和溫度進行同步測量而不影響燃料電池的性能。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種能同步對燃料電池內部的電流密度和溫度進行監測的傳感器。該專利技術不需要對燃料電池的極板和流場板進行特殊改造，結構簡單，制作方便，在燃料電池流場板上的布置位置靈活，可直接測量燃料電池內部的電流密度和溫度。 為實現上述技術目的，本專利技術的技術方案如下:燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器，包括燃料電池流場板1、溫度-電流密度聯測傳感器4、弓丨線5，在燃料電池流場板I上設有流道2和脊3，溫度-電流密度聯測傳感器4設置在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上，引線5的一端與溫度-電流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場板I的邊緣；燃料電池組裝時，燃料電池流場板I上布置有溫度-電流密度聯測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸。 所述溫度-電流密度聯測傳感器4為采用真空蒸發鍍膜方法在脊3上蒸鍍的六層薄膜:第一層為厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層12，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層12上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱電偶銅鍍層13，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層12上厚為 0.1-0.12 μ m的薄膜熱電偶鎳鍍層14 ;所述薄膜熱電偶銅鍍層13和薄膜熱電偶鎳鍍層14的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點25，首端為薄膜熱電偶接線引出端24 ;第四層為在薄膜熱電偶金屬鍍層上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層15，第五層為在二氧化硅保護層15上方蒸鍍的厚為1.5-2.Ομπι的電流密度測量銅鍍層16，第六層為在電流密度測量銅鍍層16上方蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層17 ;所述電流密度測量銅鍍層16和電流密度測量金鍍層17構成了電流密度測量金屬鍍層26，首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端27。 所述薄膜熱電偶接線引出端24和電流密度測量金屬鍍層接線引出端27均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層12的同一側。 溫度-電流密度聯測傳感器的制作步驟包括步驟一 18、步驟二 19、步驟三20、步驟四21、步驟五22、步驟六23 ;具體而言，步驟一 18，根據二氧化硅絕緣層掩膜6在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上蒸鍍一層二氧化硅絕緣層12，以使溫度-電流密度聯測傳感器的金屬鍍層與燃料電池流場板絕緣；步驟二 19，在二氧化硅絕緣層12上根據薄膜熱電偶銅鍍層掩膜7蒸鍍一層薄膜熱電偶銅鍍層13 ;步驟三20，根據薄膜熱電偶鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層12上蒸鍍一層薄膜熱電偶鎳鍍層14 ;步驟四21，在薄膜熱電偶銅鍍層13和薄膜熱電偶鎳鍍層14的上方根據二氧化硅保護層掩膜9蒸鍍一層二氧化硅保護層15，以使薄膜熱電偶與電流密度測量金屬鍍層之間充分的絕緣；步驟五22，在二氧化硅保護層15的上方根據電流密度測量銅鍍層掩膜10蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層16 ;步驟六23，在電流密度測量銅鍍層16上方根據電流密度測量金鍍層掩膜11蒸鍍一層電流密度測量金鍍層17 ;由以上步驟構成溫度-電流密度聯測傳感器，其外接測量電路和數據采集設備即可實現對燃料電池內部溫度和電流密度的同步測量。 所述溫度-電流密度聯測傳感器4中的二氧化硅絕緣層12可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規則圖形。 所述薄膜熱電偶金屬鍍層材料中，由銅和鎳組成的純金屬鍍層還可以選用鎢和鎳、銅和鈷、鑰和鎳、銻和鈷替代，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。 所述溫度-電流密度聯測傳感器4中薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規則形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形。 所述溫度-電流密度聯測傳感器4中電流密度測量銅鍍層和電流密度測量金鍍層的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀可為方形、圓形、橢圓形，梯形。 所述薄膜熱電偶接線引出端24和電流密度測量金屬鍍層接線引出端27可分別相對的布置在二氧化硅絕緣層12的兩側，其形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形。 所述引線5的寬度為0.1-0.2mm，是采用真空蒸發鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層28，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層29，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層30，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護層(31)。 引線5的引線二氧化硅絕緣層28與引線銅鍍層29和引線金鍍層30在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護層31與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場板邊緣處，要略短于前三層。 所述燃料電池流場板I上流道2的形狀可為平行流道、蛇形單通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不規則流道。 與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果。 本專利技術的燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器，將薄膜熱電偶測溫單元和電流密度測量金屬鍍層測電流單元集成在一個傳感器測頭之上，實現了對燃料電池內部溫度和電流密度的同步在線測量；該專利技術采用真空蒸發鍍膜技術制作，結構簡單，制作方便，體積小，適合于各種流道形狀的燃料電池流場板，不需要對燃料電池內部結構進行特殊改造，降低了由于多種傳感器的植入而帶來的燃料電池性能降低；同時該專利技術既能夠對燃料電池內部某單一位置的溫度和電流密度進行同步測量，還可對多個位置進行測量。 【附圖說明】 圖1為溫度-電流密度聯測傳感器在平行流道流場板上布置的主觀示意圖； 圖2為燃料電池流場板上單個溫度-電流密度聯測傳感器的主觀示意圖； 圖3為燃料電池流場板上本文檔來自技高網...
【技術保護點】
燃料電池內部溫度?電流密度聯測傳感器，包括燃料電池流場板(1)、溫度?電流密度聯測傳感器(4)、引線(5)，在燃料電池流場板(1)上設有流道(2)和脊(3)，溫度?電流密度聯測傳感器(4)設置在燃料電池流場板(1)兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上，引線(5)的一端與溫度?電流密度聯測傳感器(4)的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場板(1)的邊緣；燃料電池組裝時，燃料電池流場板(1)上布置有溫度?電流密度聯測傳感器(4)的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸；其特征在于：所述溫度?電流密度聯測傳感器(4)為采用真空蒸發鍍膜方法在脊(3)上蒸鍍的六層薄膜：第一層為厚0.08?0.12μm的二氧化硅絕緣層(12)，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(12)上厚為0.1?0.12μm的薄膜熱電偶銅鍍層(13)，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(12)上厚為0.1?0.12μm的薄膜熱電偶鎳鍍層(14)；所述薄膜熱電偶銅鍍層(13)和薄膜熱電偶鎳鍍層(14)的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點(25)，首端為薄膜熱電偶接線引出端(24)；第四層為在薄膜熱電偶金屬鍍層上方蒸鍍的厚為0.08?0.12μm的二氧化硅保護層(15)，第五層為在二氧化硅保護層(15)上方蒸鍍的厚為1.5?2.0μm的電流密度測量銅鍍層(16)，第六層為在電流密度測量銅鍍層(16)上方蒸鍍的厚為0.1?0.12μm的電流密度測量金鍍層(17)；所述電流密度測量銅鍍層(16)和電流密度測量金鍍層(17)構成了電流密度測量金屬鍍層(26)，首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端(27)；所述薄膜熱電偶接線引出端(24)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(27)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(12)的同一側。溫度?電流密度聯測傳感器的制作步驟包括步驟一(18)、步驟二(19)、步驟三(20)、步驟四(21)、步驟五(22)、步驟六(23)；具體而言，步驟一(18)，根據二氧化硅絕緣層掩膜(6)在燃料電池流場板(1)兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上蒸鍍一層二氧化硅絕緣層(12)，以使溫度?電流密度聯測傳感器的金屬鍍層與燃料電池流場板絕緣；步驟二(19)，在二氧化硅絕緣層(12)上根據薄膜熱電偶銅鍍層掩膜(7)蒸鍍一層薄膜熱電偶銅鍍層(13)；步驟三(20)，根據薄膜熱電偶鎳鍍層掩膜(8)在二氧化硅絕緣層(12)上蒸鍍一層薄膜熱電偶鎳鍍層(14)；步驟四(21)，在薄膜熱電偶銅鍍層(13)和薄膜熱電偶鎳鍍層(14)的上方根據二氧化硅保護層掩膜(9)蒸鍍一層二氧化硅保護層(15)，以使薄膜熱電偶與電流密度測量金屬鍍層之間充分的絕緣；步驟五(22)，在二氧化硅保護層(15)的上方根據電流密度測量銅鍍層掩膜(10)蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層(16)；步驟六(23)，在電流密度測量銅鍍層(16)上方根據電流密度測量金鍍層掩膜(11)蒸鍍一層電流密度測量金鍍層(17)；由以上步驟構成溫度?電流密度聯測傳感器，其外接測量電路和數據采集設備即可實現對燃料電池內部溫度和電流密度的同步測量。...
【技術特征摘要】
1.燃料電池內部溫度-電流密度聯測傳感器，包括燃料電池流場板(I)、溫度-電流密度聯測傳感器(4)、引線(5)，在燃料電池流場板(I)上設有流道(2)和脊(3)，溫度-電流密度聯測傳感器(4)設置在燃料電池流場板(I)兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上，引線(5)的一端與溫度-電流密度聯測傳感器(4)的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場板(I)的邊緣；燃料電池組裝時，燃料電池流場板(I)上布置有溫度-電流密度聯測傳感器(4)的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸；其特征在于: 所述溫度-電流密度聯測傳感器(4)為采用真空蒸發鍍膜方法在脊(3)上蒸鍍的六層薄膜:第一層為厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層(12)，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(12)上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱電偶銅鍍層(13)，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(12)上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱電偶鎳鍍層(14);所述薄膜熱電偶銅鍍層(13)和薄膜熱電偶鎳鍍層(14)的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點(25)，首端為薄膜熱電偶接線引出端(24);第四層為在薄膜熱電偶金屬鍍層上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層(15)，第五層為在二氧化硅保護層(15)上方蒸鍍的厚為1.5-2.0ym的電流密度測量銅鍍層(16)，第六層為在電流密度測量銅鍍層(16)上方蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層(17);所述電流密度測量銅鍍層(16)和電流密度測量金鍍層(17)構成了電流密度測量金屬鍍層(26)，首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端(27)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(24)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(27)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(12)的同一側。 溫度-電流密度聯測傳感器的制作步驟包括步驟一(18)、步驟二(19)、步驟三(20)、步驟四(21)、步驟五(22)、步驟六(23);具體而言，步驟一(18)，根據二氧化硅絕緣層掩膜(6)在燃料電池流場板⑴兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上蒸鍍一層二氧化硅絕緣層(12)，以使溫度-電流密度聯測傳感器的金屬鍍層與燃料電池流場板絕緣；步驟二(19)，在二氧化硅絕緣層(12)上根據薄膜熱電偶銅鍍層掩膜(7)蒸鍍一層薄膜熱電偶銅鍍層(13);步驟三(20)，根據薄膜熱電偶鎳鍍層掩膜(8)在二氧化硅絕緣層(12)上蒸鍍一層薄膜熱電偶鎳鍍層(14);步驟四(21)，在薄膜熱電偶銅鍍層(13)和薄膜熱電偶鎳鍍層(14)的上方根據二氧化硅保護層掩膜(9)蒸鍍一層二氧化硅保護層(15)，以使薄膜熱電偶與電流密度測量金屬鍍層之間充分...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭航，王政，葉芳，馬重芳，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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