燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其是在燃料電池流場板上采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器來實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部熱流密度和電流密度的同步測量。熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器是由蒸鍍的七層薄膜構(gòu)成：第一層為二氧化硅絕緣層，第二、三層為薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層，第四層為二氧化硅保護(hù)層，第五層為二氧化硅厚熱阻層，第六、七層為電流密度測量銅鍍層和電流密度測量金鍍層。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種流道形狀的燃料電池流場板，能對燃料電池內(nèi)部單一位置或多個(gè)位置的電流密度和熱流密度進(jìn)行同步測量。
【專利說明】燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池內(nèi)部參數(shù)測量領(lǐng)域，涉及燃料電池內(nèi)部局部電流密度和熱流密度的測量，特別涉及燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池的性能是很多研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，其性能的高低受許多因素的影響，如燃料電池運(yùn)行工況的選取，燃料電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，燃料電池內(nèi)部參數(shù)的控制等等，而燃料電池內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)的控制對于選取合理的運(yùn)行工況和最佳的燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，所以燃料電池內(nèi)部參數(shù)的測量研究越來越受到各國研究人員的重視。
[0003]—般燃料電池的反應(yīng)物為液態(tài)或氣態(tài)，這對燃料電池的密封性有很高的要求，從而導(dǎo)致燃料電池的結(jié)構(gòu)過于緊湊，在局部甚至?xí)霈F(xiàn)不利于燃料電池內(nèi)部熱量排出的情況，從而導(dǎo)致燃料電池的性能下降。局部電流密度的改變是燃料電池內(nèi)部許多重要參數(shù)對燃料電池性能影響的宏觀體現(xiàn)，如反應(yīng)物流量、水淹狀況、接觸電阻等，通過測量燃料電池內(nèi)部的局部電流密度可以預(yù)測燃料電池內(nèi)部的水淹情況，氣體分布情況，指導(dǎo)燃料電池工況的選取。
[0004]對于電流密度和熱流密度的測量，大多為單個(gè)參數(shù)的研究，比如電流密度的測量方法主要有子電池法、局部膜電極法、磁環(huán)組法等。這些方法大多需要對燃料電池的極板或流場板進(jìn)行特殊的加工改造或?qū)⒛る姌O組件進(jìn)行分割，不僅加工難度大、工藝復(fù)雜、制作成本高，而且使用也不是很方便。
[0005]本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池內(nèi)部電流密度和熱流密度的同步測量，不需要對燃料電池的極板或流場板進(jìn)行特殊的加工改造，方便了燃料電池內(nèi)部電流密度和熱流密度的測量；該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，制作成本低，適用于不同類型的燃料電池。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種在燃料電池運(yùn)行的同時(shí)能同步監(jiān)測燃料電池內(nèi)部的電流密度和熱流密度的傳感器。使用該發(fā)明不需要對燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，減少了電池的拆裝次數(shù)，方便了燃料電池內(nèi)的電流密度和熱流密度的測量。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，包括燃料電池流場板1、熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4、引線5，在燃料電池流場板I上設(shè)有流道2和脊3，熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4設(shè)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的一端與熱流密度-電流密度聯(lián)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(shí)，燃料電池流場板I上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側(cè)并與之緊密接觸。
[0008]所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4為采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在脊3上蒸鍍的七層薄膜:第一層為厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層13，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)銅鍍層14，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15 ;所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的形狀分別為相互平行的四邊形，且首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)28，首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端29 ;第四層為在薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層16，第五層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方蒸鍍一層厚為1.2-2.Ομπι的二氧化硅厚熱阻層17，第六層為在先前鍍層基礎(chǔ)上蒸鍍的一層厚為
1.5-2 μ m的電流密度測量銅鍍層18，第七層為在電流密度測量銅鍍層18上方蒸鍍的厚為
0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層19 ;所述電流密度測量銅鍍層18和電流密度測量金鍍層19相互重疊，構(gòu)成了電流密度測量金屬鍍層30，首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端31。
[0009]所述薄膜熱流計(jì)接線引出端29和電流密度測量金屬鍍層接線引出端31均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層13的同一側(cè)。
[0010]熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一 20、步驟二 21、步驟三22、步驟四23、步驟五24、步驟六25、步驟七26 ;具體而言，步驟一 20，根據(jù)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13，以使熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的金屬鍍層與燃料電池流場板絕緣；步驟二 21，根據(jù)薄膜熱流計(jì)銅鍍層掩膜7在二氧化硅絕緣層13上蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)銅鍍層14 ;步驟三22，在二氧化硅絕緣層13上根據(jù)薄膜熱流計(jì)鎳鍍層掩膜8蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15 ;步驟四23，在薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜9蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層16，其即作為薄膜熱流計(jì)的保護(hù)層，又作為其薄熱阻層；步驟五24，在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜10蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層17;步驟六25，根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜11在先前步驟五的基礎(chǔ)上蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層18 ;步驟七26，在電流密度測量銅鍍層18上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜12蒸鍍一層電流密度測量金鍍層19 ;由以上步驟構(gòu)成熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部熱流密度和電流密度的同步測量。
[0011]所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4中二氧化硅絕緣層13可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形。
[0012]所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4中由銅和鎳組成的薄膜熱流計(jì)金屬鍍層材料還可以選用鎢和鎳、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。
[0013]所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4中薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為長條形、弧形、菱形，相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
[0014]所述二氧化硅厚熱阻層17還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)28的上方。
[0015]所述薄膜熱流計(jì)中至少包括一對薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)28。
[0016]所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4中電流密度測量銅鍍層18和電流密度測量金鍍層19的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
[0017]所述薄膜熱流計(jì)接線引出端29和電流密度測量金屬鍍層接線引出端31可分別相對的布置在二氧化硅絕緣層13的兩側(cè)，其形狀還可制作為橢圓形、矩形、梯形、三角形。
[0018]所述引線5的寬度為0.1-0.2mm，是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層32，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層33，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層34，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化娃保護(hù)層35。
[0019]引線5的引線二氧化硅絕緣層32與引線銅鍍層33和引線金鍍層34在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層35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。
[0020]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(guī)則流道。
[0021 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0022]本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，實(shí)現(xiàn)了對燃料電池內(nèi)部電流密度和熱流密度的同步測量。該方法結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，降低了由于傳感器植入而帶來的燃料電池性能降低；同時(shí)該發(fā)明既能夠?qū)θ剂想姵貎?nèi)部某單一位置的電流密度和熱流密度進(jìn)行同步測量，還可同時(shí)對多個(gè)位置的電流密度和熱流密度進(jìn)行同步測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在平行流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0024]圖2為燃料電池流場板上單個(gè)熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的主觀示意圖；
[0025]圖3為燃料電池流場板上單個(gè)熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖；
[0026]圖4為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器引線的截面主觀示意圖；
[0027]圖5為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在插指型流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0028]圖6為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形單通道流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0029]圖7為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形多通道流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0030]圖中，1、燃料電池流場板，2、流道，3、脊，4、熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，5、弓丨線.-^4 ，
[0031]6-12為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各鍍層掩膜:6、二氧化硅絕緣層掩膜，7、薄膜熱流計(jì)銅鍍層掩膜，8、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層掩膜，9、二氧化硅保護(hù)層掩膜，10、二氧化硅厚熱阻層掩膜，11、電流密度測量銅鍍層掩膜，12、電流密度測量金鍍層掩膜；
[0032]13-19為根據(jù)掩膜蒸鍍的熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各個(gè)鍍層:13、二氧化硅絕緣層，14、薄膜熱流計(jì)銅鍍層，15、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層，16、二氧化硅保護(hù)層，17、二氧化硅厚熱阻層，18、電流密度測量銅鍍層，19、電流密度測量金鍍層；
[0033]20-26為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作過程:20、步驟一，21、步驟二，22、步驟三，23、步驟四，24、步驟五，25、步驟六，26、步驟七；
[0034]27、薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)，28、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)，29、薄膜熱流計(jì)接線弓丨出端,30、電流密度測量金屬鍍層，31、電流密度測量金屬鍍層接線引出端；
[0035]32、引線二氧化硅絕緣層，33、引線銅鍍層，34、引線金鍍層，35、引線二氧化硅保護(hù)層。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0037]參照圖1所示，本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器包括燃料電池流場板1、熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4、引線5，在燃料電池流場板I上設(shè)有流道2，兩相鄰流道2之間設(shè)有脊3，在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4，其電信號通過弓I線5進(jìn)行傳導(dǎo)，引線5的一端與熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4的接線引出端相連，另一端延伸至流場板的邊緣；當(dāng)組裝燃料電池時(shí)，燃料電池流場板I上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4的面朝向膜電極側(cè)并與之緊密接觸。
[0038]參照圖2所示，熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4是由真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板I的脊3上蒸鍍的七層薄膜構(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層13，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)銅鍍層14，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15，第四層為在所鍍薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層16，第五層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層17，第六層為在先前鍍層基礎(chǔ)上蒸鍍的一層厚為
1.5-2 μ m的電流密度測量銅鍍層18，第七層為在電流密度測量銅鍍層18上方蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層19 ;由于銅和金均為熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)很高，加之蒸鍍的電流密度測量銅鍍層和電流密度測量金鍍層都很薄，因此蒸鍍在薄膜熱流計(jì)上層的電流密度測量金屬鍍層對薄膜熱流計(jì)的干擾可以忽略。
[0039]薄膜熱流計(jì)銅鍍層14、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15、二氧化硅保護(hù)層16和二氧化硅厚熱阻層17構(gòu)成了完整的薄膜熱流計(jì)，以實(shí)現(xiàn)熱流密度的測量，其原理為:由銅鍍層和鎳鍍層首尾相互搭接構(gòu)成熱電堆，其搭接處構(gòu)成薄膜熱流計(jì)的上結(jié)點(diǎn)和下結(jié)點(diǎn)。由于薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)和下結(jié)點(diǎn)上的二氧化硅鍍層厚度不同，從而使熱電堆產(chǎn)生溫差電勢，其與上結(jié)點(diǎn)和下結(jié)點(diǎn)上二氧化硅鍍層的厚度差相關(guān)，而熱流密度與溫差、二氧化硅熱阻層厚度差及導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)，由于二氧化硅導(dǎo)熱系數(shù)已知，故可計(jì)算出熱流密度的大小。
[0040]圖3為單個(gè)熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖:6-12為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各鍍層掩膜，13-19為根據(jù)掩膜蒸鍍的熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各個(gè)鍍層，20-26為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作過程。首先，根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜6在燃料電池流場板的脊3上蒸鍍一層二氧化娃絕緣層13,作為傳感器的絕緣襯底，從而完成步驟一 20 ;步驟二 21為根據(jù)薄膜熱流計(jì)銅鍍層掩膜7在二氧化硅絕緣層13上蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)銅鍍層14 ;同樣，步驟三22為根據(jù)薄膜熱流計(jì)鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層13上蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15，薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15構(gòu)成薄膜熱流計(jì)熱電堆；步驟四23為在薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜9蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層16，其即作為保護(hù)層以防止薄膜熱流計(jì)產(chǎn)生的電信號受到電流密度測量金屬鍍層電信號的影響，又作為薄膜熱流計(jì)的薄熱阻層；步驟五24為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜10蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層17 ;其中，薄膜熱流計(jì)銅鍍層14、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15、二氧化硅保護(hù)層16和二氧化硅厚熱阻層17構(gòu)成了薄膜熱流計(jì)實(shí)現(xiàn)了熱流密度的測量；步驟六25為在先前鍍層的基礎(chǔ)上根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜11蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層18，步驟七26為在電流密度測量銅鍍層18上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜12蒸鍍一層電流密度測量金鍍層19，電流密度測量銅鍍層18和電流密度測量金鍍層19相互重疊，構(gòu)成了電流密度測量金屬鍍層30，實(shí)現(xiàn)了電流密度的測量；由此，構(gòu)成了完整的熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部熱流密度和電流密度的同步測量。
[0041]其中，熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的整體形狀是由二氧化硅絕緣層的形狀來決定的，其不僅可以制作成圖3所示的方形，還可為圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形等其它形狀。步驟二 21和步驟三22完成的薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的形狀分別為相互平行的四邊形，且首尾相互搭接，構(gòu)成熱電堆，熱電堆中至少包括一對薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)27、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)28 ;薄膜熱流計(jì)銅鍍層14和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層15的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長條形、弧形、菱形等，搭接后形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形等其它形狀；薄膜熱流計(jì)金屬鍍層的材料還可為鎢和鎳、銅和鈷、鑰和鎳、銻和鈷等替代，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。二氧化硅厚熱阻層17的位置還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)28的上方。步驟六25和步驟七26所完成的電流密度測量銅鍍層18和電流密度測量金鍍層19的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀不僅可為如圖3所示的矩形，還可為橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形等其它形狀。
[0042]薄膜熱流計(jì)的首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端29，電流密度測量金屬鍍層的首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端31，其作用為方便與引線5相連，進(jìn)行電信號的傳導(dǎo)。薄膜熱流計(jì)接線引出端29和電流密度測量金屬鍍層接線引出端31的形狀不僅可為圖3所示的形狀，還可制作為橢圓形、矩形、梯形、三角形等其它形狀，其位置可都布置在二氧化硅絕緣層13的同一側(cè)，也可相對的布置在二氧化硅絕緣層13的兩側(cè)，即當(dāng)薄膜熱流計(jì)接線引出端29位于二氧化硅絕緣層13的上側(cè)時(shí)，電流密度測量金屬鍍層接線引出端31布置在與薄膜熱流計(jì)接線引出端29相對的二氧化硅絕緣層13的另一側(cè)，以方便傳感器引線5在流場板上的布置。
[0043]圖4為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器引線的截面示意圖，該引線5的寬度為0.1-0.2mm，是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層32，第二層為厚0.1-0.12μπι的引線銅鍍層33，第三層為厚0.1-0.12 μπι的引線金鍍層34，最上一層為厚0.05-0.1 μπι的引線二氧化硅保護(hù)層35。引線二氧化硅絕緣層32與引線銅鍍層33和引線金鍍層34在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層35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，以方便與外接數(shù)據(jù)采集設(shè)備的引線連接。
[0044]圖5為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在插指型流道流場板上的布置示意圖，在插指型流道流場板的脊上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場板邊緣。
[0045]圖6為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形單通道流道流場板上的布置示意圖，在流場板的脊上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場板邊緣。
[0046]圖7為熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形多通道流道流場板上的布置示意圖，在流場板的脊上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場板邊緣。
[0047]采用本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，將薄膜熱流計(jì)和電流密度測量金屬鍍層集成在一個(gè)傳感器測頭之上，實(shí)現(xiàn)了對燃料電池內(nèi)部電流密度和熱流密度的同步測量；該方法結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，不需要對燃料電池流場板或極板進(jìn)行特殊改造，簡化了燃料電池內(nèi)部參數(shù)的測量步驟。
【權(quán)利要求】
1.燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，包括燃料電池流場板(I)、熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)、引線(5)，在燃料電池流場板(I)上設(shè)有流道(2)和脊(3)，熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)設(shè)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)的一端與熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器⑷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(shí)，燃料電池流場板(I)上布置有熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)的面朝向燃料電池膜電極側(cè)并與之緊密接觸；其特征在于: 所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)為采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在脊(3)上蒸鍍的七層薄膜:第一層為厚0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層(13)，第二層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(13)上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14)，第三層為蒸鍍在二氧化硅絕緣層(13)上厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15);所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14)和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15)的形狀分別為相互平行的四邊形，且首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(27)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(28)，首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端(29);第四層為在薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14)和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15)上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層(16)，第五層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(27)所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層(17)，第六層為在先前鍍層基礎(chǔ)上蒸鍍的一層厚為1.5-2 μ m的電流密度測量銅鍍層(18)，第七層為在電流密度測量銅鍍層(18)上方蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層(19);所述電流密度測量銅鍍層(18)和電流密度測量金鍍層(19)相互重疊，構(gòu)成了電流密度測量金屬鍍層(30)，首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端(31)； 所述薄膜熱流計(jì)接線引出端(29)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(31)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(13)的同一側(cè)。 熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一(20)、步驟二(21)、步驟三(22)、步驟四(23)、步驟五(24)、步驟六(25)、步驟七(26);具體而言，步驟一(20)，根據(jù)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(13)，以使熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的金屬鍍層與燃料電池流場板絕緣；步驟二(21)，根據(jù)薄膜熱流計(jì)銅鍍層掩膜(7)在二氧化硅絕緣層(13)上蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14);步驟三(22)，在二氧化硅絕緣層(13)上根據(jù)薄膜熱流計(jì)鎳鍍層掩膜(8)蒸鍍一層薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15);步驟四(23)，在薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14)和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15)的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜(9)蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層(16)，其即作為薄膜熱流計(jì)的保護(hù)層，又作為其薄熱阻層；步驟五(24)，在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(27)所對應(yīng)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜(10)蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層(17);步驟六(25)，根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜(11)在先前步驟五的基礎(chǔ)上蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層(18);步驟七(26)，在電流密度測量銅鍍層(18)上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜(12)蒸鍍一層電流密度測量金鍍層(19);由以上步驟構(gòu)成熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部熱流密度和電流密度的同步測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)中二氧化硅絕緣層(13)可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)中由銅和鎳組成的薄膜熱流計(jì)金屬鍍層材料還可以選用鎢和鎳、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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)中薄膜熱流計(jì)銅鍍層(14)和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層(15)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為長條形、弧形、菱形，相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述二氧化硅厚熱阻層(17)還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(28)的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述薄膜熱流計(jì)中至少包括一對薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(27)、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(28)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)中電流密度測量銅鍍層(18)和電流密度測量金鍍層(19)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述薄膜熱流計(jì)接線引出端(29)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(31)可分別相對的布置在二氧化硅絕緣層(13)的兩側(cè)，其形狀還可制作為橢圓形、矩形、梯形、三角形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述引線(5)的寬度為0.1-0.2mm，是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層(32)，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層(33)，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層(34)，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化娃保護(hù)層(35)； 引線(5)的引線二氧化硅絕緣層(32)與引線銅鍍層(33)和引線金鍍層(34)在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層(35)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。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于: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(guī)則流道。
【文檔編號】G01R31/36GK104360277SQ201410638211
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】郭航, 王政, 葉芳, 馬重芳 申請人:北京工業(yè)大學(xué)