CN104359573A - 燃料电池内部温度-电流密度联测传感器 - Google Patents

Abstract

燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，是采用真空蒸发镀膜技术蒸镀的六层薄膜构成：第一层为二氧化硅绝缘层，第二、三层为薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层，第四层为二氧化硅保护层，第五、六层为电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层，其引线也采用真空蒸发镀膜技术制作。本发明能够实现对燃料电池内部温度和电流密度的同步在线测量，无需对燃料电池的内部结构进行特殊改造；其具有结构简单，制作方便，体积小等优点，适用于各种流道形状的燃料电池流场板，能对燃料电池内部单一位置或多个位置的温度和电流密度进行同步测量。

Description

燃料电池内部温度-电流密度联测传感器

技术领域

本发明属于燃料电池内部参数测量领域，涉及燃料电池内部局部电流密度和温度的测量，特别涉及一种燃料电池内部温度-电流密度联测传感器。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能直接转换为电能的能量转换装置，具有能量密度高，无污染，低噪声等特点，受到了世界各国研究人员的普遍关注。燃料电池的电化学反应主要集中在膜电极上，电化学反应速率的快慢决定着燃料电池性能的高低，而其又受到多种因素的影响，如反应气体的浓度、流量，电池内部的温度、湿度等。

燃料电池的局部电流密度，能够反映出多种因素的影响，如燃料电池内部电阻、温度、反应气体的流量等，通过局部电流密度的研究有助于了解燃料电池内部的传热传质现象，并为燃料电池的结构优化提供理论依据。

目前，针对局部电流密度的研究方法主要有：子电池法、局部膜电极法、磁环组法等，传统的测量方法大多需要对燃料电池极板或流场板进行分割或特殊改造，如切割流场板或***铜棒等，不仅制作复杂，而且容易造成燃料电池的性能降低，同时，传统方法只能单独测量局部的电流密度，很难与温度的测量结合，而温度这一参数是影响燃料电池性能的重要参数之一，是燃料电池研究关注的重点。

本发明将温度测量和电流密度的测量方法相结合，使一个传感器测头实现了同步在线测量燃料电池内部温度和电流密度的功能，无需对燃料电池的结构进行特殊改造；该传感器体积小，响应时间快、测量精度高，可方便的对燃料电池内的单点或多点的电流密度和温度进行同步测量而不影响燃料电池的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同步对燃料电池内部的电流密度和温度进行监测的传感器。该发明不需要对燃料电池的极板和流场板进行特殊改造，结构简单，制作方便，在燃料电池流场板上的布置位置灵活，可直接测量燃料电池内部的电流密度和温度。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-电流密度联测传感器4、引线5，在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，温度-电流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与温度-电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有温度-电流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。

所述温度-电流密度联测传感器4为采用真空蒸发镀膜方法在脊3上蒸镀的六层薄膜：第一层为厚0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层12，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层12上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层13，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层12上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层14；所述薄膜热电偶铜镀层13和薄膜热电偶镍镀层14的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点25，首端为薄膜热电偶接线引出端24；第四层为在薄膜热电偶金属镀层上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层15，第五层为在二氧化硅保护层15上方蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层16，第六层为在电流密度测量铜镀层16上方蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层17；所述电流密度测量铜镀层16和电流密度测量金镀层17构成了电流密度测量金属镀层26，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端27。

所述薄膜热电偶接线引出端24和电流密度测量金属镀层接线引出端27均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层12的同一侧。

温度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一18、步骤二19、步骤三20、步骤四21、步骤五22、步骤六23；具体而言，步骤一18，根据二氧化硅绝缘层掩膜6在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上蒸镀一层二氧化硅绝缘层12，以使温度-电流密度联测传感器的金属镀层与燃料电池流场板绝缘；步骤二19，在二氧化硅绝缘层12上根据薄膜热电偶铜镀层掩膜7蒸镀一层薄膜热电偶铜镀层13；步骤三20，根据薄膜热电偶镍镀层掩膜8在二氧化硅绝缘层12上蒸镀一层薄膜热电偶镍镀层14；步骤四21，在薄膜热电偶铜镀层13和薄膜热电偶镍镀层14的上方根据二氧化硅保护层掩膜9蒸镀一层二氧化硅保护层15，以使薄膜热电偶与电流密度测量金属镀层之间充分的绝缘；步骤五22，在二氧化硅保护层15的上方根据电流密度测量铜镀层掩膜10蒸镀一层电流密度测量铜镀层16；步骤六23，在电流密度测量铜镀层16上方根据电流密度测量金镀层掩膜11蒸镀一层电流密度测量金镀层17；由以上步骤构成温度-电流密度联测传感器，其外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和电流密度的同步测量。

所述温度-电流密度联测传感器4中的二氧化硅绝缘层12可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。

所述薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。

所述温度-电流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。

所述温度-电流密度联测传感器4中电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状可为方形、圆形、椭圆形，梯形。

所述薄膜热电偶接线引出端24和电流密度测量金属镀层接线引出端27可分别相对的布置在二氧化硅绝缘层12的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。

所述引线5的宽度为0.1-0.2mm，是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层28，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层29，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层30，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层(31)。

引线5的引线二氧化硅绝缘层28与引线铜镀层29和引线金镀层30在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层31与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。

所述燃料电池流场板1上流道2的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，将薄膜热电偶测温单元和电流密度测量金属镀层测电流单元集成在一个传感器测头之上，实现了对燃料电池内部温度和电流密度的同步在线测量；该发明采用真空蒸发镀膜技术制作，结构简单，制作方便，体积小，适合于各种流道形状的燃料电池流场板，不需要对燃料电池内部结构进行特殊改造，降低了由于多种传感器的植入而带来的燃料电池性能降低；同时该发明既能够对燃料电池内部某单一位置的温度和电流密度进行同步测量，还可对多个位置进行测量。

附图说明

图1为温度-电流密度联测传感器在平行流道流场板上布置的主观示意图；

图2为燃料电池流场板上单个温度-电流密度联测传感器的主观示意图；

图3为燃料电池流场板上单个温度-电流密度联测传感器的制作流程图；

图4为温度-电流密度联测传感器引线的截面主观示意图；

图5为温度-电流密度联测传感器在插指型流道流场板上布置的主观示意图；

图6为温度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上布置的主观示意图；

图7为温度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上布置的主观示意图；

图中，1、燃料电池流场板，2、流道，3、脊，4、温度-电流密度联测传感器，5、引线；

6-11为温度-电流密度联测传感器各镀层掩膜：6、二氧化硅绝缘层掩膜，7、薄膜热电偶铜镀层掩膜，8、薄膜热电偶镍镀层掩膜，9、二氧化硅保护层掩膜，10、电流密度测量铜镀层掩膜，11、电流密度测量金镀层掩膜；

12-17为根据掩膜蒸镀的温度-电流密度联测传感器各镀层：12、二氧化硅绝缘层，13、薄膜热电偶铜镀层，14、薄膜热电偶镍镀层，15、二氧化硅保护层，16、电流密度测量铜镀层，17、电流密度测量金镀层；

18-23为温度-电流密度联测传感器的制作步骤：18、步骤一，19、步骤二，20、步骤三，21、步骤四，22、步骤五，23、步骤六；

24、薄膜热电偶接线引出端，25、薄膜热电偶热端结点，26、电流密度测量金属镀层，27、电流密度测量金属镀层接线引出端；

28、引线二氧化硅绝缘层，29、引线铜镀层，30、引线金镀层，31、引线二氧化硅保护层；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1，温度-电流密度联测传感器4，引线5，温度-电流密度联测传感器4布置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与温度-电流密度联测传感器4的接线引出端相连，另一端延伸至流场板的边缘，用于传递温度-电流密度联测传感器产生的电信号；当燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有温度-电流密度联测传感器4的面朝向膜电极侧并与之紧密接触。

参照图2所示，本发明所述的温度-电流密度联测传感器4是由真空蒸发镀膜技术在燃料电池流场板1的脊3上蒸镀的六层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层12，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层12上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层13，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层12上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层14，第四层为在薄膜热电偶金属镀层上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层15，以使薄膜热电偶与电流密度测量金属镀层之间充分的绝缘，以防薄膜热电偶的电信号受到电流密度测量金属镀层电流的干扰；第五层为在二氧化硅保护层15上方蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层16，第六层为在电流密度测量铜镀层16上方蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层17；由于铜和金均为热的良导体，导热系数很高，加之蒸镀的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层都很薄，因此蒸镀在薄膜热电偶上层的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层对薄膜热电偶测量精度造成的干扰可以被忽略。

图3为单个温度-电流密度联测传感器的制作流程图：6-11为温度-电流密度联测传感器各镀层掩膜，12-17为根据掩膜蒸镀的温度-电流密度联测传感器各镀层，18-23为温度-电流密度联测传感器的制作步骤。首先根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层12，作为传感器的绝缘衬底，从而完成步骤一18；步骤二19为根据薄膜热电偶铜镀层掩膜7在二氧化硅绝缘层12上蒸镀一层薄膜热电偶铜镀层13，同样，步骤三20为根据薄膜热电偶镍镀层掩膜8在二氧化硅绝缘层12上蒸镀一层薄膜热电偶镍镀层14，步骤四21为在薄膜热电偶铜镀层13和薄膜热电偶镍镀层14的上方根据二氧化硅保护层掩膜9蒸镀一层二氧化硅保护层15，在步骤四的基础上，在二氧化硅保护层15的上方根据电流密度测量铜镀层掩膜10蒸镀一层电流密度测量铜镀层16完成步骤五22，步骤六23为在电流密度测量铜镀层16上方根据电流密度测量金镀层掩膜11蒸镀一层电流密度测量金镀层17，由以上步骤构成温度-电流密度联测传感器，其外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和电流密度的同步测量。

其中，温度-电流密度联测传感器的整体形状是由二氧化硅绝缘层的形状来决定的，其不仅可以制作成图3所示的方形，还可为圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形等其它形状。步骤二19和步骤三20完成的薄膜热电偶铜镀层13和薄膜热电偶镍镀层14构成了薄膜热电偶，其中间相互搭接，搭接处构成了薄膜热电偶热端结点25，从而实现了温度的测量，其金属镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，还可为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状等其它形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形等；薄膜热电偶金属镀层的材料还可为钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴等替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。步骤五22和步骤六23完成的电流密度测量铜镀层16和电流密度测量金镀层17相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层26，以实现电流密度的测量，其形状也可根据掩膜的形状而改变，可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形等其它形状。

薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端24，电流密度测量金属镀层的首端为电流密度测量金属镀层接线引出端27，其作用为方便与引线5相连，进行电信号的传导。薄膜热电偶接线引出端24和电流密度测量金属镀层接线引出端27的形状不仅可为图3所示的形状，还可制作为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置可都布置在二氧化硅绝缘层12的同一侧，也可对称的布置在二氧化硅绝缘层12的两侧，即当薄膜热电偶接线引出端24位于二氧化硅绝缘层12的上侧时，电流密度测量金属镀层接线引出端27布置在与薄膜热电偶接线引出端24相对的二氧化硅绝缘层12的另一侧，以方便传感器引线5在流场板上的布置。

图4为温度-电流密度联测传感器引线的截面示意图，该引线5的宽度为0.1-0.2mm，是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层28，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层29，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层30，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层31；引线5的引线二氧化硅绝缘层28与引线铜镀层29和引线金镀层30在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层31与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层，以方便与外接数据采集设备的引线连接。

图5为温度-电流密度联测传感器在插指型流道流场板上的布置示意图，在插指型流道流场板的脊上布置有温度-电流密度联测传感器4，引线5一端与温度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。

图6为温度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-电流密度联测传感器4，引线5一端与温度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。

图7为温度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-电流密度联测传感器4，引线5一端与温度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。

采用本发明的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，可实现燃料电池内部温度和电流密度的同步在线测量。该发明设计简单，制作方便，不需要对燃料电池流场板或极板进行特殊改造，降低了工作成本。

Claims (8)

1.燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(1)、温度-电流密度联测传感器(4)、引线(5)，在燃料电池流场板(1)上设有流道(2)和脊(3)，温度-电流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上，引线(5)的一端与温度-电流密度联测传感器(4)的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板(1)的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板(1)上布置有温度-电流密度联测传感器(4)的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触；其特征在于：

所述温度-电流密度联测传感器(4)为采用真空蒸发镀膜方法在脊(3)上蒸镀的六层薄膜：第一层为厚0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层(12)，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(12)上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层(13)，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层(12)上厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层(14)；所述薄膜热电偶铜镀层(13)和薄膜热电偶镍镀层(14)的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点(25)，首端为薄膜热电偶接线引出端(24)；第四层为在薄膜热电偶金属镀层上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层(15)，第五层为在二氧化硅保护层(15)上方蒸镀的厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层(16)，第六层为在电流密度测量铜镀层(16)上方蒸镀的厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层(17)；所述电流密度测量铜镀层(16)和电流密度测量金镀层(17)构成了电流密度测量金属镀层(26)，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(27)；

所述薄膜热电偶接线引出端(24)和电流密度测量金属镀层接线引出端(27)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(12)的同一侧。

温度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(18)、步骤二(19)、步骤三(20)、步骤四(21)、步骤五(22)、步骤六(23)；具体而言，步骤一(18)，根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)在燃料电池流场板(1)两相邻流道(2)之间的脊(3)上蒸镀一层二氧化硅绝缘层(12)，以使温度-电流密度联测传感器的金属镀层与燃料电池流场板绝缘；步骤二(19)，在二氧化硅绝缘层(12)上根据薄膜热电偶铜镀层掩膜(7)蒸镀一层薄膜热电偶铜镀层(13)；步骤三(20)，根据薄膜热电偶镍镀层掩膜(8)在二氧化硅绝缘层(12)上蒸镀一层薄膜热电偶镍镀层(14)；步骤四(21)，在薄膜热电偶铜镀层(13)和薄膜热电偶镍镀层(14)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(9)蒸镀一层二氧化硅保护层(15)，以使薄膜热电偶与电流密度测量金属镀层之间充分的绝缘；步骤五(22)，在二氧化硅保护层(15)的上方根据电流密度测量铜镀层掩膜(10)蒸镀一层电流密度测量铜镀层(16)；步骤六(23)，在电流密度测量铜镀层(16)上方根据电流密度测量金镀层掩膜(11)蒸镀一层电流密度测量金镀层(17)；由以上步骤构成温度-电流密度联测传感器，其外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和电流密度的同步测量。

2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述温度-电流密度联测传感器(4)中的二氧化硅绝缘层(12)可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。

3.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。

4.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述温度-电流密度联测传感器(4)中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。

5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述温度-电流密度联测传感器(4)中电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状可为方形、圆形、椭圆形，梯形。

6.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述薄膜热电偶接线引出端(24)和电流密度测量金属镀层接线引出端(27)可分别相对的布置在二氧化硅绝缘层(12)的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。

7.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述引线(5)的宽度为0.1-0.2mm，是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层(28)，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层(29)，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层(30)，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层(31)；

引线(5)的引线二氧化硅绝缘层(28)与引线铜镀层(29)和引线金镀层(30)在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层(31)与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。

8.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-电流密度联测传感器，其特征在于：所述燃料电池流场板(1)上流道(2)的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。