CN107681178A - 实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及制备 - Google Patents

实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及制备，***独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测***，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。与现有技术相比，本发明整体结构简单、紧凑，可实现对燃料电池电堆温度场实时检测，从而避免电堆烧毁、***等事故的发生，不仅在燃料电池电堆在性能测试等实验中具有保护作用，而且对燃料电池电堆与温度有关的科学研究试验具有重要的现实意义。

Description

实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及制备
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及制备。
背景技术
燃料电池按电化学原理将化学能直接转化为电能，其理论上的热电转化效率可达85％～90％。此外，燃料电池是按电化学原理发电，当反应的燃料为氢气时，其反应产物为水，是一种清洁能源。因此，燃料电池因其具有能量转化效率高、功率密度高、安全、环境友好、可靠性高等优点受到越来越多研究机构和政府的重视，特别是在当今世界能源与环保呼声日高的情况下，燃料电池被普遍认可是缓解当今世界能源日益紧缺与环境污染的一种技术手段。特别是近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其能量转化效率高、工作时安静、可靠性高、环境友好等特性，被越来越多的研究工作者应用于车载能源、潜水装置等领域。显然，质子交换膜燃料电池在可移动动力能源方面具有巨大的潜力。燃料电池按电化学原理将化学能直接转化为电能，其理论上的热电转化效率可达85％～90％。
一般而言，一个质子交换膜燃料电池电堆主要包括：双极板(BPP)、质子交换膜(PEM)、气体扩散层(GDL)、催化剂层、密封组件等模块。在质子交换膜燃料电池中，氢气作为燃料通过流道进入金属双极板的阳极侧，而空气作为氧化剂则进入到阴极侧。在阳极侧，进行式(1)的反应：H2→2H++2e-(1)；在阴极侧则进行以下反应：1/2O2+2H++2e-→H2O(2)；总的反应式为：H2+1/2O2→H2O(3)。
根据化学热力学可知式(3)该反应为一放热反应，因此燃料电池电堆内部是高温环境。同时，为了保证阴极和阳极催化剂的反应效率，质子交换膜燃料电池电堆一般维持在70～90℃。传统上，石墨双极板由于其良好的抗腐蚀性能，在磷酸燃料电池等领域中广泛应用。但是，由于石墨双极板的制备工艺流程复杂，成本高、耗时长，如今已渐渐被金属双极板所替代。虽然，金属双极板在可靠性方面提高了，但是气体扩散层等构成的膜电极组件(MEA)在燃料电池高温度(70～90℃)、高湿度的条件下，由于电堆内部局部高温容易导致膜组件损坏，进而导致电池内部短路，导致氢气氧气混合，从而造成严重的电堆烧毁，甚至导致电堆***事故等。但是，目前在燃料电池电堆温度检测方面，鲜有专利、文献报道其检测原理及其检测***组成等。
针对燃料电池电堆，须田惠介在申请号为201010559432.8的专利中指出一种能够通过简单的结构使发电面内整个区域的温度分布均匀化，且能够实现发电性能提高的燃料电池。但是该方法只能定性地提高燃料电池电堆内部温度的分布，对燃料电池电堆内部实时温度并没有起到监控作用。
山本佳位等人在申请号为200880112181.X的专利中提出利用绝热件来抑制燃料电池的热扩散，避免因温度降低导致的燃料电池性能降低。
石川秀树等人在申请号为201280054113.9的专利中提出了在燃料电池组堆叠方向***部分温度冷却，从而在堆叠方向上使温度均衡并增加发电效率的方法。
冈本阳平等人在申请号为201510781596.8的专利中指出，利用温度检测单元检测冷却剂的温度去计算温度校正值。
但是，上述诸多专利均只能在一定程度上改善燃料电池电堆的温度分布，或者只能检测燃料电池电堆外部温度，并不能实时检测燃料电池电堆内部温度的变化情况，这也就无法从根本上避免燃料电池电堆极板短路、烧毁甚至***等问题。
发明内容
本发明为解决现有燃料电池电堆中缺乏温度实时检测技术手段的问题，提出了一种实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，该***独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测***，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。
所述的薄膜温度传感器模块包括绝缘薄膜基底、设置在绝缘薄膜基底表面上的热敏材料沉积槽以及布设在热敏材料沉积槽中的热敏材料层。
所述的绝缘薄膜基底的厚度为0.02-0.1mm。
所述的绝缘薄膜基底为有机聚合物基底或无机氧化物膜基底。
所述的有机聚合物基底包括PET基底、PI基底、PEI基底、PTFE基底、PMMA基底、PDMS基底、PC基底、PEN基底或PES基底中的一种；
所述的无机氧化物膜基底中的无机氧化物包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化镁中的一种或几种。
所述的热敏材料层的厚度为200nm-10μm。
所述的热敏材料层的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层中的热敏材料包括Cu、Ti、Al、Ag、Pt或Ni中的一种或几种。
所述的绝缘薄膜基底表面上设有用于布设纳米银线线路的纳米银线线槽，该纳米银线线槽的形状包括直线槽或波浪线槽中的一种；
所述的热敏材料沉积槽的形状包括矩形槽、圆形槽或椭圆形槽中的一种。
所述的纳米银线线路的宽度为0.1-100μm，长度为5-500mm。
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底的选择：选择厚度为0.02-0.1mm的绝缘薄膜基底；
步骤(2)：微观结构加工：通过微铣削、热压印、紫外纳米压印、软刻蚀或光刻在绝缘薄膜基底表面上加工出热敏材料沉积槽和纳米银线线槽，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过真空磁控溅射、射频溅射、直流溅射、真空蒸镀、离子束溅射、微电镀或原子层沉积将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽中，形成热敏材料层，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线，将燃料电池电堆中所有极板的极板电信号总线汇总形成电堆电信号总线，再将电堆电信号总线中的模拟信号传输至数据采集模块，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器中，即可。
步骤(5)中所述的纳米银线银浆溶液的浓度为2mg/ml～100mg/ml。
在实际的结构设计中，所述的纳米银线线路与薄膜温度传感器模块中的热敏材料层连接，并将薄膜温度传感器模块的电信号传递至燃料电池电堆外部的数据采集模块。密封封装层主要是将热敏材料层和纳米银线线路同时进行密封封装，一方面起到与极板相互绝缘的作用，另一方面起到对薄膜温度传感器模块和纳米银线的保护作用。密封封装层所采用的封装材料包括有机材料(如聚烯类、聚酯类等)和无机材料(如透明氧化物薄膜、透明氟化物薄膜等)。
所述的数据采集模块将纳米银线线路传递过来的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号传递到数据处理器。数据处理器将数字信号进一步处理，使之可视化并进行记录。同时对实时数据进行监控，一旦出现异常则会产生警报。
本发明检测***的核心部件为薄膜温度传感器模块，采用热敏材料制作成的薄膜，根据热敏材料电阻与随温度变化而变化的特性，可根据附着在极板表面的热敏温度传感器的电阻的变化从而可以得出极板表面的温度。
而在实际的制备工艺中，当制备得到热敏材料之后，须对其进行电阻--温度特性曲线的标定。不同热敏材料、不同的沉积原理、不同的设备、不同厚度的热敏材料薄膜其特性具有不一样的特性，因而需要进行电阻-温度特性曲线的标定。
一般标定的方法为将薄膜温度传感器放置在恒温环境之中，测量并记录在恒温环境下其电学性能。然后再改变该恒温环境的温度。经过多次测量即可得到不同温度下的电学性能，再进行数值插值，即可得到连续的电阻-温度特性曲线。
随后，将表面已制备了热敏材料层的薄膜温度传感器模块进行纳米银线的刮涂。之所以选择纳米银线作为电信号传输的导电线路，是因为纳米银线其导电性特别优异。一般制备纳米银线导电线路的方式为，将预先配置好的具有一定浓度纳米银线的银浆溶液或乳液通过刮涂的方式将其填进预先设计好的沟槽之中。该方式效率高、均匀性好，得到的纳米银线导电性、一致性高，因此是最常用的方式。
接着，对所得的纳米银线进行烘烤，一方面是为了加快沟槽之中纳米银线的固化，另一方面是为了提高纳米银线线路的导电性。一般方法为将得到的涂布有银浆溶液的薄膜放置到恒温箱中进行烘烤。恒温箱的温度为80℃～150℃，烘烤时间为5min～30min。经过一定时间一定温度烘烤之后，即可得到导电性良好的纳米银线。最终得到的纳米银线的宽度为0.1μm～100μm，长度为5mm～500mm。
再将绝缘薄膜基底上具有热敏材料膜和纳米银线的薄膜温度传感器模块同时进行密封封装。经过密封，使得薄膜温度传感器模块不受燃料电池内部潮湿、腐蚀的环境影响，一方面提高了薄膜温度传感器模块的使用寿命，另一方面也保证了薄膜温度传感器模块与燃料电池极板的电绝缘。
此外，经过封装的薄膜温度传感器模块能够与极板粘接在一起，能够经受燃料电池电堆内部长期高温的使用环境。
一般而言，针对本发明的薄膜温度传感器模块采用的封装方式为薄膜封装。其封装方式包括单层薄膜分装和多层薄膜交替封装。具体来说，单层薄膜封装包括有机高分子薄膜封装和无机薄膜封装。其中，有机高分子薄膜封装采用的材料包括：聚对二甲苯类、含氟聚合物、聚烯类、聚酯类等。无机薄膜封装材料一般包括：透明氧化物薄膜、透明氟化物薄膜、氮化硅薄膜等。而多层薄膜交替封装则包括：有机-有机、有机-无机、无机-无机等薄膜交替封装方式。总之，经过薄膜封装之后，上述所得的薄膜温度传感器的性能得到保证，使用寿命也大大提高。
经过以上步骤，使薄膜温度传感器模块密封封装并且使之嵌入金属极板流道。将单个金属极板上若干流道中薄膜温度传感器模块的纳米银线中传递的电信号进行总成，得到极板电信号总线。同时将电堆中所有金属极板电信号总线再次总成，得到电堆电信号总线。电堆电信号总线连接到数据采集模块，数据采集模块将所得到的模拟信号进行处理之后，转换成数字信号。然后将所有的数字信号传递到数据处理器。
数据处理器得到了数据采集模块的数据之后，进一步处理，即将所得到的数据转换成物理意义上的电阻数值，并根据预先测试得到的电阻-温度特性曲线，得到每一个薄膜温度传感器所测的数值。并将所有的数据可视化，实时绘制温度场曲线，方便使用者查看。此外，温度场检测***实时检测金属极板表面温度，一旦温度出现异常，即超过设定阈值一定时间，能够发出警报并及时进行紧急处理，避免电堆烧毁、甚至***等事故的发生。
与现有技术相比，本发明针对燃料电池电堆中的可能出现的局部高温导致电堆损坏、烧毁甚至***的问题，研发设计出燃料电池电堆内部温度场动态检测***，通过嵌入在极板流道表面的薄膜温度传感器模块和纳米银线线路等部件，实现对燃料电池电堆温度场实时检测，从而避免电堆烧毁、***等事故的发生，不仅在燃料电池电堆在性能测试等实验中具有保护作用，而且对燃料电池电堆与温度有关的科学研究试验具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明设计的燃料电池电堆内部温度场动态检测***制备流程示意图；
图2为本发明设计的薄膜温度传感器模块结构示意图；
图3为本发明设计的具有微观结构的薄膜温度传感器的薄膜绝缘基底俯视图；
图4为本发明设计的具有微观结构的薄膜温度传感器的薄膜绝缘基底局部放大图；
图5为薄膜温度传感器与燃料电池金属极板密封封装俯视图；
图6为薄膜温度传感器与燃料电池金属极板密封封装局部放大图；
图7为燃料电池电堆内部温度场动态检测***总装示意图；
图8为燃料电池电堆内部温度场动态检测***工作流程示意图；
图中，1-热敏材料沉积槽，2-纳米银线线槽，3-电信号总线槽，4-绝缘薄膜基底，5-密封封装层，6-金属极板，7-极板电信号总线，8-金属极板流道，9-纳米银线线路，10-热敏材料层，11-燃料电池电堆总线，12-数据采集模块，13-数据处理器，14-可视化窗口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其制备流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)绝缘薄膜基底4的选择：基底材料选择厚度为0.1mm的二氧化硅薄膜。
(2)微观结构加工：采用微铣削技术加工得到具有热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2特征的绝缘薄膜基底。具体来说，根据设计的热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2尺寸，编制数控加工代码。然后将加工代码导入到微铣削机器控制台。安装刀具，并将二氧化硅薄膜固定到微铣削加工平台上。启动微铣削加工设备，并进行对刀之后，进行数控加工。加工工序包括粗加工和精加工等步骤。最后将薄膜表面的切屑清除并取下二氧化硅薄膜，即为具有所需微观结构的绝缘薄膜基底4。
(3)沉积热敏材料：采用真空蒸发镀技术。将上一步骤得到的绝缘薄膜基底4与热敏材料层10沉积掩模安装放置于蒸发镀设备的真空腔内制样平台上，然后关上腔门进行抽真空。经过机械泵、罗兹泵以及分子泵等真空泵一定时间的工作，腔体的气压达到设定工作压力，即可进行蒸发镀。此时，将Ni靶旋转至工作靶位，启动靶材电源，设置其工作电流为2～5A，沉积时间为10sec～10min，即可得到具有厚度为200nm～1μm的热敏材料层10。
(4)测试获得温度电阻特性曲线：将薄膜温度传感器模块放置于恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)之中，调节恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)的温度，并测量特定温度下薄膜温度传感器模块的电阻大小(每个温度进行若干次的测试，取其平均值做为该温度下对应的电阻大小)；针对燃料电池的应用环境，测试的温度范围为5℃～200℃。在该温度区间内测定若干个温度对应的电阻值，并采用插值的方法，即可得到该薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线。
(5)纳米银线刮涂：将薄膜温度传感器模块平放至刮涂设备工作台之上，打开工作台的真空泵，使其吸附到工作台。然后将浓度为50mg/ml的纳米银线银浆溶液装至刮涂设备的注射器中，通过控制气阀使注射器到达指定的位置之后，进行银浆溶液的喷射，然后再控制刮刀到达指定的位置进行银浆刮涂，使得银浆溶液均匀地涂布在预先加工好的纳米银线线槽2之中。
(6)纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，将恒温箱的温度设定为80℃～150℃，烘烤时间设定为5min～30min。经过一定时间一定温度烘烤之后，即可得到导电性良好的纳米银线线路9。
(7)密封、封装：将以上步骤所得到的薄膜温度传感器模块嵌入燃料电池金属极板流道8之中，然后利用硅胶作为密封材料，均匀地涂布到薄膜温度传感器模块表面，对其内部线路起到保护作用。
(8)连接数据采集模块线路：将金属极板6上所有的薄膜温度传感器模块电信号经过电信号总线槽3，汇总形成极板电信号总线7，而电堆中所有极板的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器13。
(9)温度场检测***信号处理：数据处理器13信号处理流程，如图8所示，模拟的电信号经过传输，在数据采集模块12被转换成数字信号之后，进一步传输到数据处理器13。
燃料电池电堆温度在正常情况下，上述过程传递过来的电信号数值根据电阻-温度特性曲线被转换成燃料电池金属极板表面的实时温度，并在可视化窗口14中动态显示，一旦监控到燃料电池内部温度场有异常情况，数据处理器13对该异常进行分情况处理，一旦确认异常属实，则触发警报机制，及时避免事故的发生。
实施例2：
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其制备流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)绝缘薄膜基底4的选择：基底材料选择常见的柔性聚合物绝缘材料PC，厚度为0.1mm。
(2)微观结构加工：采用单点金刚石车削加工技术加工得到具有热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2特征的模具，将得到的模具固定于卷对卷(R2R)热压印机器的辊轮上，预热设备的辊轮以及薄膜基底材料，待温度保持在120℃～150℃，启动卷对卷热压设备，具有模具的辊轮将薄膜基底材料进行压印，最终具有微观结构的薄膜基底材料被卷绕在收卷辊上，将薄膜基底材料取出，冷却，即可得到具有热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2特征的绝缘薄膜基底4。
(3)沉积热敏材料：采用真空磁控溅射技术。将上一步骤得到的绝缘薄膜基底4与热敏材料层10沉积掩模一同固定于真空磁控溅射设备的真空腔内转架上，然后关上腔门进行抽真空，经过机械泵、罗兹泵以及分子泵等真空泵一定时间的工作，腔体的气压达到设定工作压力，即可进行磁控溅射；启动Al靶靶材电源，设置其工作电流为1～7A，沉积时间为30sec～10min，即可得到具有厚度为200nm～400nm的热敏材料层10。
(4)测试获得温度电阻特性曲线：将薄膜温度传感器模块置于恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)之中，通过调节恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)的温度，并测量特定温度下薄膜温度传感器模块的电阻大小(每个温度进行若干次的测试，取其平均值做为该温度下对应的电阻大小)，针对燃料电池的应用环境，测试的温度范围为5℃～200℃，在该温度区间内测定若干个温度对应的电阻值，并采用插值的方法，即可得到该薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线。
(5)纳米银线刮涂：将薄膜温度传感器模块平放至刮涂设备工作台之上，打开工作台的真空泵，使其吸附到工作台，然后将浓度大小为20mg/ml的纳米银线银浆溶液装至刮涂设备的注射器中，通过控制气阀使注射器到达指定的位置之后，进行银浆溶液的喷射，然后再控制刮刀到达指定的位置进行银浆刮涂，使得银浆溶液均匀地涂布在预先加工好的纳米银线线槽之中。
(6)纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，将恒温箱的温度设定为80℃～150℃，烘烤时间设定为5min～30min，经过一定时间一定温度烘烤之后，即可得到导电性良好的纳米银线线路。
(7)密封、封装：将以上步骤所得到的薄膜温度传感器模块嵌入燃料电池金属极板流道8中，然后利用透明二氟化镁薄膜作为密封封装材料，将金属极板流道8中的薄膜温度传感器覆盖、密封，对其内部线路起到保护作用。
(8)连接数据采集模块线路：将金属极板6上所有的薄膜温度传感器模块电信号经过电信号总线槽3，汇总形成极板电信号总线7，电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器13。
(9)温度场检测***信号处理：数据处理器13信号处理流程如图8所示，模拟的电信号经过传输，在数据采集模块12被转换成数字信号之后，进一步传输到数据处理器13。
燃料电池电堆温度在正常情况下，上述过程传递过来的电信号数值根据电阻-温度特性曲线被转换成燃料电池金属极板表面的实时温度，并在可视化窗口14中动态显示，一旦监控到燃料电池内部温度场有异常情况，数据处理器13对该异常进行分情况处理，一旦确认异常属实，则触发警报机制，及时避免事故的发生。
实施例3：
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其制备流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)绝缘薄膜基底4的选择：基底材料选择常见的柔性聚合物绝缘材料PET，厚度为0.1mm。
(2)微观结构加工：采用飞秒激光加工技术加工得到具有热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2特征的模具，将得到的模具固定于卷对卷(R2R)紫外纳米压印设备模具辊上，预热模具辊轮1min～5min，启动R2R紫外纳米压印设备，打开UV紫外固化灯，将UV胶水滴涂到绝缘薄膜基底4上，绝缘薄膜基底4经过模具辊，UV胶水被模具压印出微观结构，迅速被UV灯照射后固化，最终所得的绝缘薄膜基底4被卷绕在收卷辊上，将绝缘薄膜基底4材料取出，冷却，即可得到具有热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2特征的薄膜绝缘基底4。
(3)沉积热敏材料：采用真空蒸发镀技术，将上一步骤得到的绝缘薄膜基底4与热敏材料层10沉积掩模一同放置于蒸发镀设备的真空腔内制样平台上，然后关上腔门进行抽真空，经过机械泵、罗兹泵以及分子泵等真空泵一定时间的工作，腔体的气压达到设定工作压力，即可进行蒸发镀，此时，将Cu靶旋转至工作靶位，启动靶材电源，设置其工作电流为2～5A，沉积时间为10sec～10min，即可得到具有厚度为200nm～1μm的热敏材料层10。
(4)测试获得温度电阻特性曲线：即通过将薄膜温度传感器模块放置于恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)之中，通过调节恒温油浴锅(或者恒温沙浴锅)的温度，并测量特定温度下薄膜温度传感器模块的电阻大小(每个温度进行若干次的测试，取其平均值做为该温度下对应的电阻大小)，针对燃料电池的应用环境，测试的温度范围为5℃～200℃，在该温度区间内测定若干个温度对应的电阻值，并采用插值的方法，即可得到该薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线。
(5)纳米银线刮涂：将薄膜温度传感器模块平放至刮涂设备工作台之上，打开工作台的真空泵，使其吸附到工作台，然后将浓度大小为60mg/ml的纳米银线银浆溶液装至刮涂设备的注射器中，通过控制气阀使注射器到达指定的位置之后，进行银浆溶液的喷射，然后再控制刮刀到达指定的位置进行银浆刮涂，使得银浆溶液均匀地涂布在预先加工好的纳米银线线槽2之中。
(6)纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，将恒温箱的温度设定为80℃～150℃，烘烤时间设定为5min～30min，经过一定时间一定温度烘烤之后，即可得到导电性良好的纳米银线线路。
(7)密封、封装：将以上步骤所得到的薄膜温度传感器模块嵌入燃料电池金属极板流道8中，然后利用硅胶作为密封材料，均匀地涂布到薄膜温度传感器模块表面，对其内部线路起到保护作用。
(8)连接数据采集模块线路：将金属极板6上所有的薄膜温度传感器模块电信号经过电信号总线槽3，汇总形成极板电信号总线7，电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器13。
(9)温度场检测***信号处理：数据处理器13信号处理流程如图8所示。模拟的电信号经过传输，在数据采集模块12被转换成数字信号之后，进一步传输到数据处理器13。
燃料电池电堆温度在正常情况下，上述过程传递过来的电信号数值根据电阻-温度特性曲线被转换成燃料电池金属极板表面的实时温度，并在可视化窗口14中动态显示。一旦监控到燃料电池内部温度场有异常情况，数据处理器13对该异常进行分情况处理，一旦确认异常属实，则触发警报机制，及时避免事故的发生。
实施例4：
如图4-8所示，实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，该***独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测***，包括嵌设在燃料电池金属极板流道8中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路9、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路9进行封装的密封封装层5、依次与纳米银线线路9电连接的数据采集模块12、数据处理器13。
如图3所示，薄膜温度传感器模块包括绝缘薄膜基底4、设置在绝缘薄膜基底4表面上的热敏材料沉积槽1以及布设在热敏材料沉积槽1中的热敏材料层10。
其中，绝缘薄膜基底4的厚度为0.02mm。绝缘薄膜基底4为PMMA基底。热敏材料层10的厚度为200nm。热敏材料层10的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层10中的热敏材料为Pt。
绝缘薄膜基底4表面上设有用于布设纳米银线线路9的纳米银线线槽2，该纳米银线线槽2的形状为直线槽；热敏材料沉积槽1的形状为矩形槽。纳米银线线路9的宽度为0.1μm，长度为5mm。
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底4的选择：选择厚度为0.02mm的绝缘薄膜基底4；
步骤(2)：微观结构加工：通过软刻蚀在绝缘薄膜基4底表面上加工出热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底4；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过射频溅射将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽1中，形成热敏材料层10，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将浓度大小为100mg/ml的纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽2中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路9的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道8中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层5；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路9经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线7，将燃料电池电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器14中，即可。
其余同实施例1。
实施例5：
本实施例实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***中，绝缘薄膜基底4的厚度为0.1mm。绝缘薄膜基底4为PES基底。热敏材料层10的厚度为10μm。热敏材料层10的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层10中的热敏材料为Cu。
绝缘薄膜基底4表面上设有用于布设纳米银线线路9的纳米银线线槽2，该纳米银线线槽2的形状为波浪线槽；热敏材料沉积槽1的形状为圆形槽。纳米银线线路9的宽度为100μm，长度为500mm。
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底4的选择：选择厚度为0.1mm的绝缘薄膜基底4；
步骤(2)：微观结构加工：通过光刻在绝缘薄膜基4底表面上加工出热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底4；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过直流溅射将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽1中，形成热敏材料层10，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将度大小为2mg/ml的纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽2中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路9的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道8中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层5；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路9经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线7，将燃料电池电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器14中，即可。
其余同实施例1。
实施例6：
本实施例实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***中，绝缘薄膜基底4的厚度为0.05mm。绝缘薄膜基底4为氧化铝薄膜。热敏材料层10的厚度为1μm。热敏材料层10的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层10中的热敏材料为Ti。
绝缘薄膜基底4表面上设有用于布设纳米银线线路9的纳米银线线槽2，该纳米银线线槽2的形状为波浪线槽；热敏材料沉积槽1的形状为椭圆形槽。纳米银线线路9的宽度为10μm，长度为100mm。
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底4的选择：选择厚度为0.05mm的绝缘薄膜基底4；
步骤(2)：微观结构加工：通过微铣削在绝缘薄膜基4底表面上加工出热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底4；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过真空蒸镀将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽1中，形成热敏材料层10，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将浓度大小为15mg/ml的纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽2中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路9的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道8中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层5；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路9经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线7，将燃料电池电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器14中，即可。
其余同实施例1。
实施例7：
本实施例实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***中，绝缘薄膜基底4的厚度为0.06mm。绝缘薄膜基底4为氧化镁薄膜。热敏材料层10的厚度为2μm。热敏材料层10的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层10中的热敏材料为Al。
绝缘薄膜基底4表面上设有用于布设纳米银线线路9的纳米银线线槽2，该纳米银线线槽2的形状为波浪线槽；热敏材料沉积槽1的形状为椭圆形槽。纳米银线线路9的宽度为25μm，长度为80mm。
实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底4的选择：选择厚度为0.06mm的绝缘薄膜基底4；
步骤(2)：微观结构加工：通过热压印在绝缘薄膜基4底表面上加工出热敏材料沉积槽1和纳米银线线槽2，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底4；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过微电镀将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽1中，形成热敏材料层10，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将浓度大小为45mg/ml的纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽2中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路9的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道8中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层5；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路9经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线7，将燃料电池电堆中所有金属极板6的极板电信号总线7汇总形成电堆电信号总线11，再将电堆电信号总线11中的模拟信号传输至数据采集模块12，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器14中，即可。
其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，该***独立于燃料电池电堆，是在燃料电池电堆上附加的温度场检测***，其特征在于，包括嵌设在燃料电池金属极板流道中的薄膜温度传感器模块、布设在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路、涂布在薄膜温度传感器模块上同时将薄膜温度传感器模块与纳米银线线路进行封装的密封封装层、依次与纳米银线线路电连接的数据采集模块、数据处理器。
2.根据权利要求1所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的薄膜温度传感器模块包括绝缘薄膜基底、设置在绝缘薄膜基底表面上的热敏材料沉积槽以及布设在热敏材料沉积槽中的热敏材料层。
3.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底的厚度为0.02-0.1mm。
4.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底为有机聚合物基底或无机氧化物膜基底。
5.根据权利要求4所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的有机聚合物基底包括PET基底、PI基底、PEI基底、PTFE基底、PMMA基底、PDMS基底、PC基底、PEN基底或PES基底中的一种；
所述的无机氧化物膜基底中的无机氧化物包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化镁中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的热敏材料层的厚度为200nm-10μm。
7.根据权利要求6所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的热敏材料层的检测温度范围为5-200℃，热敏材料层中的热敏材料包括Cu、Ti、Al、Ag、Pt或Ni中的一种或几种。
8.根据权利要求2所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的绝缘薄膜基底表面上设有用于布设纳米银线线路的纳米银线线槽，该纳米银线线槽的形状包括直线槽或波浪线槽中的一种；
所述的热敏材料沉积槽的形状包括矩形槽、圆形槽或椭圆形槽中的一种。
9.根据权利要求1所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***，其特征在于，所述的纳米银线线路的宽度为0.1-100μm，长度为5-500mm。
10.如权利要求1所述的实时检测燃料电池电堆内部温度场变化的检测***的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：绝缘薄膜基底的选择：选择厚度为0.02-0.1mm的绝缘薄膜基底；
步骤(2)：微观结构加工：通过微铣削、热压印、紫外纳米压印、软刻蚀或光刻在绝缘薄膜基底表面上加工出热敏材料沉积槽和纳米银线线槽，制得表面具有微观结构的绝缘薄膜基底；
步骤(3)：沉积热敏材料：通过真空磁控溅射、射频溅射、直流溅射、真空蒸镀、离子束溅射、微电镀或原子层沉积将热敏材料沉积在热敏材料沉积槽中，形成热敏材料层，制得薄膜温度传感器模块；
步骤(4)：测试获得温度电阻特性曲线：将制得的薄膜温度传感器模块置于恒温器中，调节恒温器的温度，测定若干个特定温度下薄膜温度传感器模块对应的电阻值，并采用插值法，获得薄膜温度传感器模块的电阻-温度特性曲线；
步骤(5)：纳米银线刮涂：通过刮涂设备将纳米银线银浆溶液均匀涂布在薄膜温度传感器模块上的纳米银线线槽中；
步骤(6)：纳米银线烘烤：随后将薄膜温度传感器模块转移至恒温箱中进行烘烤，即制得布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块；
步骤(7)：密封封装：将制得的布设有纳米银线线路的薄膜温度传感器模块嵌设入燃料电池金属极板流道中，并在薄膜温度传感器模块上涂布密封封装层；
步骤(8)：连接数据采集模块线路：将薄膜温度传感器模块上的纳米银线线路经过电信号总线槽汇总形成极板电信号总线，将燃料电池电堆中所有极板的极板电信号总线汇总形成电堆电信号总线，再将电堆电信号总线中的模拟信号传输至数据采集模块，将其转换成数字信号，再传输至数据处理器中，即可。
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