燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片的制作方法
【專利摘要】燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，是燃料電池內(nèi)部溫度、濕度、熱流密度和電流密度分布的測(cè)量裝置，其在導(dǎo)電基片上設(shè)置有與燃料電池流場(chǎng)板流道和脊相對(duì)應(yīng)的漏縫和筋，并在筋上布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器；溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括十層薄膜。引線也采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，用于傳遞電信號(hào)，其延伸至流場(chǎng)板邊緣處時(shí)放大形成引腳，以方便與外接數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度分布、濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布的同步在線測(cè)量，可作為獨(dú)立構(gòu)件安裝于燃料電池內(nèi)部，無(wú)需對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造。
【專利說明】燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，屬于燃料電池檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池的性能受多種因素的干擾，通過監(jiān)測(cè)燃料電池內(nèi)部多參數(shù)的分布情況，可以了解燃料電池內(nèi)部性能改變時(shí)的參數(shù)變化情況，有助于燃料電池最佳運(yùn)行工況的選取和燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。但由于燃料電池自身的特點(diǎn)，內(nèi)部空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)致其內(nèi)部多參數(shù)的測(cè)量較為困難，對(duì)于多參數(shù)的測(cè)量需要多次拆裝燃料電池或制作多種專門的測(cè)試燃料電池，增加了工作的復(fù)雜程度。
[0003]溫度測(cè)量，大多通過在燃料電池內(nèi)部植入熱電偶、熱電阻或?qū)⑽⑿蜏囟葌鞲衅髋c膜電極制作成一體，來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量；此種方法制作的成本比較高，對(duì)燃料電池的改造復(fù)雜，也容易造成燃料電池的性能下降。對(duì)于濕度測(cè)量，大多采用改造燃料電池結(jié)構(gòu)以植入濕度傳感器來(lái)對(duì)其濕度進(jìn)行測(cè)量，該方法需要對(duì)燃料電池的流場(chǎng)板進(jìn)行特殊的加工改造，力口工難度大，且對(duì)燃料電池的密封性有一定的破壞性；還有采用光刻和刻蝕技術(shù)制作濕度傳感器植入燃料電池測(cè)量濕度的方法，該方法雖然不需要對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，但刻蝕工藝較為復(fù)雜，成本較高。對(duì)于熱流密度的測(cè)量也多見于在燃料電池內(nèi)部植入熱流計(jì)來(lái)測(cè)量，同樣需要加工改造燃料電池極板。電流密度的測(cè)量方法主要有子電池法、膜電極法、磁環(huán)組法等，對(duì)燃料電池的改造比較復(fù)雜，使用不方便。若用傳統(tǒng)方法分別對(duì)燃料電池內(nèi)部的溫度、濕度、熱流密度和電流密度進(jìn)行測(cè)量，則需要對(duì)燃料電池進(jìn)行非常復(fù)雜的改造，或多次拆裝燃料電池植入不同傳感器進(jìn)行測(cè)量，這將使工作量變得非常大，也不利于燃料電池性能的穩(wěn)定。
[0004]本發(fā)明在導(dǎo)電基片的筋上布置溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其可作為獨(dú)立構(gòu)件安裝在燃料電池流場(chǎng)板和膜電極之間，不影響反應(yīng)物向膜電極方向地?cái)U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了同步測(cè)量燃料電池內(nèi)部溫度分布、濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布，無(wú)需對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，減少了燃料電池的拆裝次數(shù)，保證了燃料電池性能的穩(wěn)定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度分布、濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布進(jìn)行同步在線測(cè)量的裝置。該裝置獨(dú)立于被測(cè)燃料電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，無(wú)需對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，減少了燃料電池的拆裝次數(shù)，保證了燃料電池性能的穩(wěn)定。
[0006]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)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，包括導(dǎo)電基片1、漏縫2、筋3、溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5、定位孔7 ;所述漏縫2、筋3設(shè)置在導(dǎo)電基片I上，筋3位于兩相鄰漏縫2之間，漏縫2和筋3的形狀和尺寸分別與燃料電池流場(chǎng)板上流道和脊的形狀和尺寸相同，漏縫2和筋3的位置分別與燃料電池流場(chǎng)板流道和脊相對(duì)應(yīng)；所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4設(shè)置在筋3上；引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導(dǎo)電基片I的邊緣并放大形成引腳6 ；定位孔7對(duì)稱、均勻設(shè)置在導(dǎo)電基片I四周，用以將導(dǎo)電基片I固定在燃料電池流場(chǎng)板上；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片布置在燃料電池流場(chǎng)板與膜電極中間，其設(shè)置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的面朝向膜電極側(cè)并與之緊密接觸。
[0007]所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元、薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元和電流密度測(cè)量金屬鍍層測(cè)電流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括十層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)诮?上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層18，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的下電極鋁鍍層19，第三層為在下電極鋁鍍層19上方涂覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質(zhì)層20，第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層18上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的上電極鋁鍍層19 ;所述上電極鋁鍍層21、高分子聚合物感濕介質(zhì)層20和下電極鋁鍍層19構(gòu)成了濕敏電容，首端為濕敏電容接線引出端43，其中上電極鋁鍍層21的形狀為蛇形；第五層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層22，第六層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層23 ;所述銅鍍層22同時(shí)包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層；所述鎳鍍層23同時(shí)包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層；所述薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)38，首端為薄膜熱電偶接線引出端39 ;所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)41,首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端42 ;第七層為在銅鍍層22、鎳鍍層23和上電極鋁鍍層19的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層24，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40所對(duì)二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為
1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層25，第九層為在銅鍍層22和鎳鍍層23所對(duì)的二氧化硅保護(hù)層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為1.5-2.Ομπι的電流密度測(cè)量銅鍍層26，第十層為在電流密度測(cè)量銅鍍層26的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測(cè)量金鍍層27 ;所述電流密度測(cè)量銅鍍層26和電流密度測(cè)量金鍍層27相互重疊，構(gòu)成電流密度測(cè)量金屬鍍層44，首端為電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端45。
[0008]所述薄膜熱電偶接線引出端39、薄膜熱流計(jì)接線引出端42、濕敏電容接線引出端43和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端45均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層18的同一側(cè)。
[0009]所述導(dǎo)電基片I的形狀可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形；導(dǎo)電基片I上漏縫2的形狀可為蛇形漏縫、平行漏縫、孔狀漏縫、交錯(cuò)型漏縫。
[0010]所述濕敏電容中上電極和下電極的金屬鍍層材料，還可選用金、銅、鉬金屬代替；所述薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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。
[0011]所述上電極鋁鍍層21的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
[0012]所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形。
[0013]所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4中薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
[0014]所述測(cè)熱流單元的薄膜熱流計(jì)中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)41 ;二氧化硅厚熱阻層25還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)41的上方。
[0015]所述電流密度測(cè)量銅鍍層26和電流密度測(cè)量金鍍層27的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
[0016]所述薄膜熱電偶接線引出端39、薄膜熱流計(jì)接線引出端42、濕敏電容接線引出端43和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端45的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形等其它形狀，其位置還可相對(duì)的布置在二氧化硅絕緣層18的兩側(cè)。
[0017]所述引線5的寬度為0.1-0.2_，在導(dǎo)電基片I的邊緣處進(jìn)行放大，形成引腳6。
[0018]引線5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46，第二層為厚0.1-0.12μπι的引線銅鍍層47，第三層為厚
0.1-0.12 μ m的引線金鍍層48，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層49 ;其中，在引腳6處不蒸鍍引線二氧化硅保護(hù)層。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0020]本發(fā)明可在不影響燃料電池運(yùn)行的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度分布、濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布的同步測(cè)量；該裝置可作為獨(dú)立的構(gòu)件安裝于燃料電池流場(chǎng)板和膜電極中間，不需要對(duì)燃料電池流場(chǎng)板或極板等其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，降低了由測(cè)量裝置的植入對(duì)燃料電池性能的影響；同時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，適用范圍廣，可適配于各種流道形狀的燃料電池，如平行流道、蛇形流道、交錯(cuò)型流道或其它不規(guī)則流道形狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布平行漏縫測(cè)量插片主觀示意圖；
[0022]圖2為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片上單個(gè)溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的主觀示意圖；
[0023]圖3為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片上單個(gè)溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖；
[0024]圖4為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片上溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器引線的截面主觀示意圖；
[0025]圖5為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布交錯(cuò)漏縫測(cè)量插片主觀示意圖；
[0026]圖6為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布蛇形單漏縫測(cè)量插片王觀不意圖；
[0027]圖7為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布蛇形雙漏縫測(cè)量插片王觀不意圖；
[0028]圖中，1、導(dǎo)電基片，2、漏縫，3、筋，4、溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，5、引線，6、引腳，7、定位孔；
[0029]8-17為溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各層掩膜:8、二氧化硅絕緣層掩膜，9、下電極鋁鍍層掩膜，10、高分子聚合物感濕介質(zhì)層掩膜，11、上電極鋁鍍層掩膜，12、銅鍍層掩膜，13、鎳鍍層掩膜，14、二氧化娃保護(hù)層掩膜，15、二氧化娃厚熱阻層掩膜，16、電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜，17、電流密度測(cè)量金鍍層掩膜；
[0030]18-27為根據(jù)掩膜制作的溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各膜層:18、二氧化硅絕緣層，19、下電極鋁鍍層，20、高分子聚合物感濕介質(zhì)層，21、上電極鋁鍍層，22、銅鍍層，23、鎳鍍層，24、二氧化硅保護(hù)層，25、二氧化硅厚熱阻層，26、電流密度測(cè)量銅鍍層，27、電路密度測(cè)量金鍍層；
[0031]28-37為溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟:28、步驟一，29、步驟二，30、步驟三，31、步驟四，32、步驟五，33、步驟六，34、步驟七，35、步驟八，36步驟九，37、步驟十；
[0032]38、薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)，39、薄膜熱電偶接線引出端，40、薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)，41、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)，42、薄膜熱流計(jì)接線引出端，43、濕敏電容接線引出端，44、電流密度測(cè)量金屬鍍層，45、電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端；
[0033]46、引線二氧化硅絕緣層，47、引線銅鍍層，48、弓丨線金鍍層，49、引線二氧化硅保護(hù)層。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0035]參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，包括導(dǎo)電基片1、漏縫2、筋3、溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5、引腳6、定位孔7 ;漏縫2和筋3設(shè)置在導(dǎo)電基片I上，其與被測(cè)燃料電池流場(chǎng)板上的流道和脊在形狀和尺寸上相同，位置相互對(duì)應(yīng)，在筋3上布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4 ;引線5 —端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4相連，另一端延伸至導(dǎo)電基片I的邊緣，用于傳遞溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4產(chǎn)生的電信號(hào)；引腳6布置在導(dǎo)電基片I的邊緣并與引線5相連；在導(dǎo)電基片的四周布置有定位孔7，方便該溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片與燃料電池流場(chǎng)板的定位和固定。為與被測(cè)燃料電池的形狀相匹配，導(dǎo)電基片I的形狀可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形等。測(cè)量時(shí)將該測(cè)量插片植入燃料電池流場(chǎng)板和膜電極組件之間，通過定位孔7將其固定在燃料電池流場(chǎng)板上，布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的面朝向燃料電池膜電極組件方向，并與膜電極組件緊密接觸，漏縫2與燃料電池流場(chǎng)板上的流道相對(duì)應(yīng)，筋3與燃料電池流場(chǎng)板上的脊相對(duì)應(yīng)，以使測(cè)量插片的植入不影響反應(yīng)物向膜電極方向的擴(kuò)散。同時(shí)，布置在測(cè)量插片上的溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4對(duì)燃料電池內(nèi)部的溫度、濕度、熱流密度和電流密度進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)生的電信號(hào)通過引線5傳遞至引腳6，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入端與引腳6相連即可采集到測(cè)量插片輸出的電信號(hào)，并計(jì)算分析出燃料電池內(nèi)部溫度分布、濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布。
[0036]參照?qǐng)D2所示，本發(fā)明所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元、薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元和電流密度測(cè)量金屬鍍層測(cè)電流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作而成，包括十層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)趯?dǎo)電基片I兩相鄰漏縫2之間的筋3上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層18，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的下電極鋁鍍層19，第三層為在下電極鋁鍍層19上方涂覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質(zhì)層20，第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層20上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的上電極鋁鍍層21，第五層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層22，第六層為在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層23，第七層為在銅鍍層22、鎳鍍層23和上電極鋁鍍層21的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層24，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40所對(duì)二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層25，第九層為在銅鍍層22和鎳鍍層23所對(duì)的二氧化硅保護(hù)層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為
1.5-2.0ym的電流密度測(cè)量銅鍍層26，第十層為在電流密度測(cè)量銅鍍層26的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測(cè)量金鍍層27 ;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(cè)量銅鍍層和電流密度測(cè)量金鍍層都很薄，因此蒸鍍?cè)诒∧崃饔?jì)和薄膜熱電偶上層的電流密度測(cè)量銅鍍層和電流密度測(cè)量金鍍層不會(huì)對(duì)薄膜熱流計(jì)和薄膜熱電偶的測(cè)量精度造成干擾。
[0037]薄膜熱流計(jì)銅鍍層、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層、二氧化硅保護(hù)層24和二氧化硅厚熱阻層25構(gòu)成了完整的薄膜熱流計(jì)，以實(shí)現(xiàn)熱流密度的測(cè)量，其測(cè)量原理為:由薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層首尾相互搭接構(gòu)成熱電堆，由于薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)上的二氧化硅熱阻層厚度不同，從而使熱電堆產(chǎn)生溫差電勢(shì)，其與上結(jié)點(diǎn)和下結(jié)點(diǎn)上二氧化硅熱阻層的厚度差相關(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。
[0038]圖3為單個(gè)溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖:8-17為溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各層掩膜，18-27為根據(jù)掩膜制作的溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各膜層，28-37為溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟。首先在導(dǎo)電基片I的筋3上根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜8蒸鍍一層二氧化硅絕緣層18，作為傳感器的絕緣襯底，與導(dǎo)電基片充分絕緣，從而完成步驟一 28 ;步驟二 29為在二氧化硅絕緣層18上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜9蒸鍍一層下電極鋁鍍層19，步驟三30為根據(jù)高分子聚合物感濕介質(zhì)層掩膜10在下電極鋁鍍層19上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質(zhì)層20，步驟四31為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層20的上方根據(jù)上電極鋁鍍層掩膜11蒸鍍一層上電極鋁鍍層21 ;其中，下電極鋁鍍層19、高分聚合物感濕介質(zhì)20和上電極鋁鍍層21構(gòu)成了濕敏電容，實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量；步驟五32為根據(jù)銅鍍層掩膜12在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍一層銅鍍層22，步驟六33為根據(jù)鎳鍍層掩膜13在二氧化硅絕緣層18上蒸鍍一層鎳鍍層23 ;其中，銅鍍層22同時(shí)包括了薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層，鎳鍍層23同時(shí)包括了薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層；步驟七34為在所鍍銅鍍層22、鎳鍍層23和上電極鋁鍍層21的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜14蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層24，其即作為薄膜熱電偶和濕敏電容上電極的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的薄熱阻層；步驟八35為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40所對(duì)二氧化硅鍍層的上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜15蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層25 ;其中薄膜熱流計(jì)銅鍍層、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層、二氧化硅保護(hù)層24和二氧化硅厚熱阻層25構(gòu)成了完整的薄膜熱流計(jì)，實(shí)現(xiàn)了熱流密度的測(cè)量；步驟九36為在銅鍍層22和鎳鍍層23所對(duì)的二氧化硅鍍層上方，根據(jù)電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜16，蒸鍍一層電流密度測(cè)量銅鍍層26，步驟十37為在電流密度測(cè)量銅鍍層26的上方根據(jù)電流密度測(cè)量金鍍層掩膜17蒸鍍一層電流密度測(cè)量金鍍層27 ;其中電流密度測(cè)量銅鍍層26和電流密度測(cè)量金鍍層27相互重疊，構(gòu)成了電流密度測(cè)量金屬鍍層44，實(shí)現(xiàn)了電流密度的測(cè)量；由以上步驟構(gòu)成溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，外接測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度、熱流密度和電流密度的同步測(cè)量。
[0039]其中，步驟二 29和步驟四31完成的濕敏電容上電極和下電極的金屬鍍層材料還可選用金、銅、鉬等其他金屬替代，其中，上電極鋁鍍層21的形狀不僅可為圖3所示的蛇形，還可為鋸齒狀、梳狀等其他形狀。薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)38 ;薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀等其它形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形等。薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)40、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)41 ;薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形等，薄膜首尾相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形等其它形狀；二氧化硅厚熱阻層25還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)41的上方。薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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、銻和鈷等替代，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。步驟九36和步驟十37所完成的電流密度測(cè)量銅鍍層26和電流密度測(cè)量金鍍層27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。
[0040]薄膜熱電偶的首端為薄膜熱電偶接線引出端39，薄膜熱流計(jì)的首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端42，濕敏電容的首端為濕敏電容接線引出端43，電流密度測(cè)量金屬鍍層的首端為電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端45，其作用為方便與引線5相連，進(jìn)行電信號(hào)的傳導(dǎo)。薄膜熱電偶接線引出端39、薄膜熱流計(jì)接線引出端42、濕敏電容接線引出端43和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端45不僅可制成如圖3所示的形狀，還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形等其它形狀，其位置可均布置在二氧化硅絕緣層18的同一側(cè)，也可相對(duì)的布置在二氧化硅絕緣層18的兩側(cè)，以方便傳感器引線5在導(dǎo)電基片上的布置。
[0041]圖4為溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器引線的截面示意圖，該引線5的寬度為0.1-0.2mm，在導(dǎo)電基片I的邊緣處進(jìn)行放大，形成引腳6，以方便與外接測(cè)量電路及設(shè)備進(jìn)行連接。該引線是采用真空蒸發(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46，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層47，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層48，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層49 ;其中，在引腳6處不蒸鍍引線二氧化硅保護(hù)層。
[0042]圖5為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布交錯(cuò)漏縫測(cè)量插片主觀示意圖，其導(dǎo)電基片I上的漏縫2和筋3與交錯(cuò)型流道流場(chǎng)板上的流道和脊相互對(duì)應(yīng)，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導(dǎo)電基片I的外邊緣并放大形成引腳6，用于溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4電信號(hào)的傳遞。
[0043]圖6為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布蛇形單漏縫測(cè)量插片主觀示意圖，其導(dǎo)電基片I上的漏縫2和筋3與蛇形單通道流場(chǎng)板上的流道和脊相互對(duì)應(yīng)，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導(dǎo)電基片I的外邊緣并放大形成引腳6，用于溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4電信號(hào)的傳遞。
[0044]圖7為燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布蛇形雙漏縫測(cè)量插片主觀示意圖，其導(dǎo)電基片I上的漏縫2和筋3與蛇形雙通道流場(chǎng)板上的流道和脊相互對(duì)應(yīng)，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導(dǎo)電基片I的外邊緣并放大形成引腳6，用于溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4電信號(hào)的傳遞。
[0045]采用本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，可實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部濕度分布、熱流密度分布和電流密度分布的同步在線測(cè)量；該測(cè)量裝置可作為獨(dú)立構(gòu)件安裝于燃料電池內(nèi)部，不需要對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，使用范圍廣，適應(yīng)于多種流道形狀的燃料電池。
【權(quán)利要求】
1.燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，包括導(dǎo)電基片(丄)、漏縫⑵、筋(3)、溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器⑷、引線巧)、定位孔(7)；所述漏縫⑵、筋⑶設(shè)置在導(dǎo)電基片⑴上，筋⑶位于兩相鄰漏縫⑵之間，漏縫⑵和筋(3)的形狀和尺寸分別與燃料電池流場(chǎng)板上流道和脊的形狀和尺寸相同，漏縫(2)和筋(3)的位置分別與燃料電池流場(chǎng)板流道和脊相對(duì)應(yīng)；其特征在于:所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)設(shè)置在筋(3)上；引線(5)的一端與溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)的接線引出端相接，另一端延伸至導(dǎo)電基片(1)的邊緣并放大形成引腳(6)；定位孔⑵對(duì)稱、均勻設(shè)置在導(dǎo)電基片(1)四周，用以將導(dǎo)電基片(1)固定在燃料電池流場(chǎng)板上；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片布置在燃料電池流場(chǎng)板與膜電極中間，其設(shè)置有溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)的面朝向膜電極側(cè)并與之緊密接觸； 所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元、薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元和電流密度測(cè)量金屬鍍層測(cè)電流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括十層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)诮?3)上的厚為0.08-0.12 9 111的二氧化硅絕緣層(18)，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層(18)上蒸鍍的厚為1.0-1.2 4 0的下電極鋁鍍層(19),第三層為在下電極鋁鍍層(19)上方涂覆一層厚為0.5-190的高分子聚合物感濕介質(zhì)層(20),第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層(18)上方蒸鍍的厚為1.0-1.2 0 0的上電極鋁鍍層(19)；所述上電極鋁鍍層(21)、高分子聚合物感濕介質(zhì)層(20)和下電極鋁鍍層(19)構(gòu)成了濕敏電容，首端為濕敏電容接線引出端(43),其中上電極鋁鍍層(21)的形狀為蛇形；第五層為在二氧化硅絕緣層(18)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 0111的銅鍍層(22),第六層為在二氧化硅絕緣層(18)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 0111的鎳鍍層(23)；所述銅鍍層(22)同時(shí)包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層；所述鎳鍍層(23)同時(shí)包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層；所述薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)(38)，首端為薄膜熱電偶接線引出端(39)；所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(40)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(41),首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端(42)；第七層為在銅鍍層(22).鎳鍍層(23)和上電極鋁鍍層(19)的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 0111的二氧化硅保護(hù)層(24)，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(40)所對(duì)二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.09 0的二氧化硅厚熱阻層(25),第九層為在銅鍍層(22)和鎳鍍層(23)所對(duì)的二氧化硅保護(hù)層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為1.5-2.0 9 III的電流密度測(cè)量銅鍍層(26),第十層為在電流密度測(cè)量銅鍍層(26)的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 9 111的電流密度測(cè)量金鍍層(27)；所述電流密度測(cè)量銅鍍層(26)和電流密度測(cè)量金鍍層(27)相互重疊，構(gòu)成電流密度測(cè)量金屬鍍層(44),首端為電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(45)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(39),薄膜熱流計(jì)接線引出端(42),濕敏電容接線引出端(43)和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(45)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(18)的同一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述導(dǎo)電基片(1)的形狀可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形；導(dǎo)電基片(1)上漏縫(2)的形狀可為蛇形漏縫、平行漏縫、孔狀漏縫、交錯(cuò)型漏縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述濕敏電容中上電極和下電極的金屬鍍層材料，還可選用金、銅、鉬金屬代替；所述薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述上電極鋁鍍層(21)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述溫度-濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)中薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、2字形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述測(cè)熱流單元的薄膜熱流計(jì)中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(40)、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(41) ；二氧化硅厚熱阻層(25)還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(41)的上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述電流密度測(cè)量銅鍍層(26)和電流密度測(cè)量金鍍層(27)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述薄膜熱電偶接線引出端(39),薄膜熱流計(jì)接線引出端(42),濕敏電容接線引出端(43)和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(45)的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形等其它形狀，其位置還可相對(duì)的布置在二氧化硅絕緣層(18)的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度-電流密度分布測(cè)量插片，其特征在于:所述引線⑶的寬度為0.1-0.2皿，在導(dǎo)電基片⑴的邊緣處進(jìn)行放大，形成引腳(6)；引線(5)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^ 0的引線二氧化硅絕緣層(46)，第二層為厚0.1-0.的引線銅鍍層(47)，第三層為厚.0.1-0.12 ^111的引線金鍍層(48),最上一層為厚0.05-0.0的引線二氧化硅保護(hù)層(49)；其中，在引腳(6)處不蒸鍍引線二氧化硅保護(hù)層。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK104360278SQ201410638224
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)