燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板上蒸鍍五層薄膜構(gòu)成，第一層為二氧化硅絕緣層，第二層為銅鍍層，第三層為鎳鍍層，第四層為二氧化硅保護層，第五層為二氧化硅厚熱阻層，其引線也采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，工序簡潔，可布置在燃料電池流場板上的任一位置，同步測量燃料電池內(nèi)部的溫度和熱流密度。
【專利說明】燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器

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

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，其陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，質(zhì)子通過燃料電池內(nèi)的質(zhì)子交換膜進行傳遞，電子則通過外電路聯(lián)通而產(chǎn)生電能，理論上其發(fā)電效率可達85% -90%，能量轉(zhuǎn)化效率高達40% _60%，且不受卡諾循環(huán)的限制，由于其高效的燃料利用率及能量轉(zhuǎn)換效率，故可有效的節(jié)約能源。燃料電池最突出的特點之一是對環(huán)境的友好性，當(dāng)燃料為氫氣時，其產(chǎn)物僅為純凈的水；當(dāng)燃料為甲醇時其反應(yīng)產(chǎn)物為水和CO2 ;當(dāng)以天然氣等富氫氣體為燃料時，可比熱機過程減少40%的CO2排放量，由此燃料電池的使用可大大減少對環(huán)境的污染。由于燃料電池具有的高效節(jié)能、無污染、低噪聲的特點，因此受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注和研究。
[0003]燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)全部集中在膜電極的催化層上，其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)對電化學(xué)反應(yīng)速率有很大影響。燃料電池內(nèi)部溫度分布的均勻性及熱量能否順利排出電池體對膜電極上的電化學(xué)反應(yīng)有著至關(guān)重要的作用，而燃料電池反應(yīng)氣體的濃度、水的分布、電池結(jié)構(gòu)又是影響溫度分布和熱量傳遞的重要因素。因此，對于溫度和熱流密度的測量將有助于確定電池最佳運行工況和設(shè)計結(jié)構(gòu)，找到強化傳熱傳質(zhì)的有效途徑，從而提高燃料電池性能。
[0004]由于燃料電池結(jié)構(gòu)緊湊，故要測量出其內(nèi)部的瞬態(tài)溫度和熱流密度則會非常困難。傳統(tǒng)的測溫方法大多是將微型溫度傳感器、熱電偶或熱電阻埋入燃料電池的流道中，或與燃料電池的膜電極熱壓為一體。但這些方法也帶來很大的弊端，使燃料電池膜電極不能與燃料充分反應(yīng)，從而使電池的性能降低。另外，也可采用紅外熱成像測溫法來測得燃料電池內(nèi)部的溫度分布。但由于燃料電池的結(jié)構(gòu)封閉，要測得燃料電池內(nèi)部的溫度分布，需要改變電池結(jié)構(gòu)，采用特殊材料制作燃料電池的端板，使此方法實施起來尤為的復(fù)雜，同時，又由于燃料電池在運行過程中會產(chǎn)生水，這也將嚴(yán)重影響紅外熱成像法測溫的準(zhǔn)確性。對于燃料電池內(nèi)部熱流密度的測量，傳統(tǒng)的測量方法由于傳感器體積大，響應(yīng)慢，因此不能真實的反應(yīng)出燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布。
[0005]溫度分布和熱流密度分布是研究燃料電池內(nèi)部傳熱傳質(zhì)影響的重要參數(shù)，薄膜型熱電偶和熱流計由于其體積小，制作工藝簡單，響應(yīng)速度快，靈敏度高等優(yōu)點，在燃料電池內(nèi)部熱參數(shù)測量中的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。燃料電池的傳熱傳質(zhì)研究當(dāng)中，往往需要同時知道燃料電池內(nèi)部的溫度和熱流密度的變化，若分別測量燃料電池內(nèi)的溫度分布和熱流密度分布，需要制作多組布置有傳感器的流場板，并需多次拆裝燃料電池，這大大增加了工作成本，同時多次拆裝燃料電池也給測量數(shù)據(jù)的對比帶來許多不一致性，即使在同一燃料電池中同時植入薄膜熱電偶和薄膜熱流計，但其累計效果也將大大影響膜電極的有效反應(yīng)面積，從而降低燃料電池的性能。
[0006]本發(fā)明使傳感器同時具備測溫和測熱流密度的功能，制作方法簡單，工序簡潔，提高了工作效率；應(yīng)用此傳感器，能同時監(jiān)測燃料電池內(nèi)部局部的溫度和熱流密度，減少電池多參數(shù)測量而所需的拆裝次數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種傳感器能在線同步測量燃料電池內(nèi)部溫度和熱流密度。該溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板上蒸鍍五層薄膜構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，體積小，降低了傳感器植入對燃料電池性能帶來的影響。
[0008]為實現(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-熱流密度聯(lián)測傳感器，其中包括燃料電池流場板1、溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4、引線5，且在燃料電池流場板I上設(shè)有流道2和脊3，溫度-熱流密度聯(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的一端與溫度-熱流密度聯(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，燃料電池流場板I上布置有溫度-熱流密度聯(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。
[0009]所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上蒸鍍的五層薄膜構(gòu)成，第一層為蒸鍍在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層11 ;第二層為在二氧化硅絕緣層11上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層12 ;第三層為厚0.1-0.12 μ m的鎳鍍層13，第四層為蒸鍍在銅鍍層12和鎳鍍層13上方的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層14 ；所述銅鍍層12同時包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計銅鍍層，所述鎳鍍層13同時包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層；所述薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點22，首端為薄膜熱電偶接線引出端21 ;所述薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層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上結(jié)點24和薄膜熱流計下結(jié)點25，首端為薄膜熱流計接線引出端23 ;第五層為在薄膜熱流計上結(jié)點24上方再蒸鍍厚為
1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層15。
[0010]所述薄膜熱電偶接線引出端21和薄膜熱流計接線引出端23均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層11的同一側(cè)。
[0011]溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一 16、步驟二 17、步驟三18、步驟四19、步驟五20 ;具體而言，步驟一 16，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11，以使溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的金屬鍍層與流場板絕緣；步驟二 17，在二氧化硅絕緣層11上根據(jù)銅鍍層掩膜7蒸鍍一層銅鍍層12 ;步驟三18，在蒸鍍完銅鍍層12的基礎(chǔ)上，根據(jù)鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層11上蒸鍍一層鎳鍍層13 ;步驟四19，在所鍍銅鍍層12和鎳鍍層13的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜9蒸鍍一層二氧化硅保護層14，其即作為薄膜熱電偶的保護層，又作為薄膜熱流計的薄熱阻層；步驟五20，在薄膜熱流計上結(jié)點24的上方，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15 ;由以上步驟構(gòu)成溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部溫度和熱流密度的同步測量。
[0012]所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4中二氧化硅絕緣層11的形狀可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形。
[0013]所述的金屬鍍層材料中，由銅和鎳組成的純金屬鍍層可以選用鎢和鎳、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。
[0014]所述溫度-熱流密度聯(lián)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(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。
[0015]所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4中薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計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。
[0016]所述二氧化硅厚熱阻層15還可位于薄膜熱流計下結(jié)點25的上方。
[0017]所述薄膜熱流計中至少包括一對薄膜熱流計上結(jié)點24、薄膜熱流計下結(jié)點25。
[0018]所述薄膜熱電偶接線引出端21和薄膜熱流計接線引出端23可分別對稱布置在二氧化硅絕緣層11的兩側(cè)，其形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形。
[0019]所述引線5的寬度為0.05-0.1_，是由采用真空蒸發(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26，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層27，第三層為厚0.1-0.12μπι的引線金鍍層28，最上一層為厚0.05-0.1ym的引線二氧化硅保護層29。
[0020]引線二氧化硅絕緣層26與引線銅鍍層27和引線金鍍層28在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護層29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；
[0021]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。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0023]本發(fā)明采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板上蒸鍍五層薄膜而構(gòu)成溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，具有同步監(jiān)測燃料電池內(nèi)部溫度和熱流密度的功能；其具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，工序簡潔，工作響應(yīng)時間快，線性度好的優(yōu)點；其能布置在燃料電池流場板上任一位置對溫度和熱流密度進行同步測量，不僅適用于平行流道流場板，還適用于蛇形流道、插指型流道或不規(guī)則形流道的流場板。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器在平行流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0025]圖2為燃料電池流場板上單個溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的主觀示意圖；
[0026]圖3為燃料電池流場板上單個溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖；
[0027]圖4為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器引線的截面主觀示意圖；
[0028]圖5為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器在插指型流道流場板上布置的主觀示意圖；
[0029]圖6為溫度-熱流密度聯(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；
[0030]圖7為溫度-熱流密度聯(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；
[0031]圖中，1、燃料電池流場板，2、流道，3、脊，4、溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，5、引線；
[0032]6-10為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器各鍍層掩膜:6、二氧化硅絕緣層掩膜，7、銅鍍層掩膜，8、鎳鍍層掩膜，9、二氧化硅保護層掩膜，10、二氧化硅厚熱阻層掩膜；
[0033]11-15為根據(jù)掩膜蒸鍍的溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器各鍍層:11、二氧化硅絕緣層，12、銅鍍層，13、鎳鍍層，14、二氧化硅保護層，15、二氧化硅厚熱阻層；
[0034]16-20為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟:16、步驟一，17、步驟二，18、步驟三，19、步驟四，20、步驟五；
[0035]21、薄膜熱電偶接線引出端，22、薄膜熱電偶熱端結(jié)點，23、薄膜熱流計接線引出端,24、薄膜熱流計上結(jié)點,25、薄膜熱流計下結(jié)點；
[0036]26、引線二氧化硅絕緣層，27、引線銅鍍層，28、弓丨線金鍍層，29、引線二氧化硅保護層。

【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0038]參照圖1所示，本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器包括燃料電池流場板1，溫度-熱流密度聯(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，溫度-熱流密度聯(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的一端與溫度-熱流密度聯(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，用于傳遞傳感器測頭產(chǎn)生的電信號；燃料電池組裝時，燃料電池流場板I上布置有溫度-熱流密度聯(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。
[0039]參照圖2所示，本發(fā)明所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上蒸鍍的五層薄膜構(gòu)成:第一層為蒸鍍在燃料電池流場板I兩相鄰流道2之間的脊3上的厚為0.08-0.12μπι的二氧化硅絕緣層11，第二層為在二氧化硅絕緣層11上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層12，第三層為厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層13，第四層為蒸鍍在銅鍍層12和鎳鍍層13上方的厚為
0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層14，第五層為在薄膜熱流計上結(jié)點24上方再蒸鍍厚為
1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層15。
[0040]薄膜熱流計的測量原理為:由薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層首尾相互搭接構(gòu)成熱電堆，其搭接處構(gòu)成薄膜熱流計上結(jié)點和薄膜熱流計下結(jié)點。由于薄膜熱流計上結(jié)點和薄膜熱流計下結(jié)點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)點和下結(jié)點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，故可計算出熱流密度的大小。
[0041]圖3為單個溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖:6-10為溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器各鍍層掩膜，11-15為根據(jù)掩膜蒸鍍的溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器各鍍層，16-20為溫度-熱流密度傳感器的制作步驟。步驟一 16，根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜6在燃料電池流場板上蒸鍍一層二氧化硅絕緣層11，以使溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的金屬鍍層與流場板絕緣；步驟二 17，在二氧化硅絕緣層11上根據(jù)銅鍍層掩膜7蒸鍍一層銅鍍層12，其同時包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計銅鍍層；步驟三18，在蒸鍍完銅鍍層的基礎(chǔ)上，根據(jù)鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層11上蒸鍍一層鎳鍍層13，其同時包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層；步驟四19為在所鍍銅鍍層12和鎳鍍層13的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜9蒸鍍一層二氧化硅保護層14，其即作為薄膜熱電偶的保護層，又作為薄膜熱流計的薄熱阻層；步驟五20，在薄膜熱流計上結(jié)點24的上方，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15 ;由以上步驟構(gòu)成溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部溫度和熱流密度的同步測量。
[0042]其中，溫度-熱流密度聯(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，還可制作成圓形、多邊形、梯形、三角形、不規(guī)則圖形等其它形狀。步驟二 17和步驟三18中蒸鍍的薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點22，用以實現(xiàn)溫度的測量；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。薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀分別為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中至少包括一對薄膜熱流計上結(jié)點24、薄膜熱流計下結(jié)點25，加之二氧化硅保護層和二氧化硅厚熱阻層，由此構(gòu)成薄膜熱流計，實現(xiàn)熱流密度的測量；薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計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，二氧化硅厚熱阻層15還可位于薄膜熱流計下結(jié)點25的上方。薄膜熱電偶和薄膜熱流計中，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。
[0043]薄膜熱電偶的首端為薄膜熱電偶接線引出端21，薄膜熱流計的首端為薄膜熱流計接線引出端23，其作用為方便與引線5相連，進行電信號的傳導(dǎo)。薄膜熱電偶接線引出端21與薄膜熱流計接線引出端23不僅可以制作成圖3所示的圓形，還可為橢圓形、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11的同一側(cè)，也可對稱的布置在二氧化硅絕緣層11的兩側(cè)，以方便傳感器引線5在流場板上的布置。
[0044]參照圖4所示，引線5是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構(gòu)成，其寬度為0.1-0.2mm:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層26，第二層為厚0.1-0.12ym的引線銅鍍層27，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層28，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護層29。其中，引線二氧化硅絕緣層26與引線銅鍍層27和引線金鍍層28在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護層29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，用于與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的引線相連接。
[0045]圖5為溫度-熱流密度聯(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溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度聯(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6為溫度-熱流密度聯(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溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場板邊緣。
[0047]圖7為溫度-熱流密度聯(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溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場板邊緣。
[0048]本發(fā)明的溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板上蒸鍍的五層薄膜構(gòu)成，能同步在線監(jiān)測燃料電池內(nèi)部任意位置溫度和熱流密度的大?。徊⑶移浣Y(jié)構(gòu)簡單，制作容易，體積小，布置在燃料電池內(nèi)部對燃料電池的性能影響小。
【權(quán)利要求】
1.燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其中包括燃料電池流場板(1^溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器(4)、引線(5),且在燃料電池流場板(1)上設(shè)有流道(2)和脊(3),溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器(4)設(shè)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-熱流密度聯(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(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-熱流密度聯(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: 所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器(4)是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法在燃料電池流場板(1)兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上蒸鍍的五層薄膜構(gòu)成，第一層為蒸鍍在燃料電池流場板⑴兩相鄰流道⑵之間的脊⑶上的厚為0.08-0.的二氧化硅絕緣層(11)；第二層為在二氧化硅絕緣層(11)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 0 0的銅鍍層(12)；第三層為厚0.1-0.12 0 0的鎳鍍層(13),第四層為蒸鍍在銅鍍層(12)和鎳鍍層(13)上方的厚為0.08-0.12^ 0的二氧化硅保護層(14)；所述銅鍍層(12)同時包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計銅鍍層，所述鎳鍍層(13)同時包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層；所述薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀為長條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(22),首端為薄膜熱電偶接線引出端(21)；所述薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層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上結(jié)點(24)和薄膜熱流計下結(jié)點(25),首端為薄膜熱流計接線引出端(23)；第五層為在薄膜熱流計上結(jié)點(24)上方再蒸鍍厚為1.2-2.09 0的二氧化硅厚熱阻層(15)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(21)和薄膜熱流計接線引出端(23)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(11)的同一側(cè)； 溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一(16)、步驟二(17)、步驟三(18)、步驟四(19)、步驟五(20)；具體而言，步驟一(16),根據(jù)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(11),以使溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器的金屬鍍層與流場板絕緣；步驟二(17),在二氧化硅絕緣層(11)上根據(jù)銅鍍層掩膜(7)蒸鍍一層銅鍍層(12)；步驟三(18),在蒸鍍完銅鍍層(12)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鎳鍍層掩膜(8)在二氧化硅絕緣層(11)上蒸鍍一層鎳鍍層(13)；步驟四(19),在所鍍銅鍍層(12)和鎳鍍層(13)的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜(9)蒸鍍一層二氧化硅保護層(14),其即作為薄膜熱電偶的保護層，又作為薄膜熱流計的薄熱阻層；步驟五(20),在薄膜熱流計上結(jié)點(24)的上方，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(15)；由以上步驟構(gòu)成溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實現(xiàn)對燃料電池內(nèi)部溫度和熱流密度的同步測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器(4)中二氧化硅絕緣層(11)的形狀可制作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述的金屬鍍層材料中，由銅和鎳組成的純金屬鍍層可以選用鎢和鎳、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-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度聯(lián)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(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器(4)中薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述二氧化硅厚熱阻層(15)還可位于薄膜熱流計下結(jié)點(25)的上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述薄膜熱流計中至少包括一對薄膜熱流計上結(jié)點(24)、薄膜熱流計下結(jié)點(25^
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述薄膜熱電偶接線引出端(21)和薄膜熱流計接線引出端(23)可分別對稱布置在二氧化硅絕緣層(11)的兩側(cè)，其形狀還可為橢圓形、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)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述引線(5)的寬度為0.05-0.1皿，是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 ^111的引線二氧化硅絕緣層(26),第二層為厚0.1-0.12 0111的引線銅鍍層(27),第三層為厚0.1-0.12^111的引線金鍍層(28)，最上一層為厚0.05-0.1 ^ 0的引線二氧化硅保護層(29)。 引線二氧化硅絕緣層(26)與引線銅鍍層(27)和引線金鍍層(28)在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護層(29)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)部溫度-熱流密度聯(lián)測傳感器，其特征在于:所述燃料電池流場板(1)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】G01K17/00GK104359574SQ201410638215
【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, 吳鑠, 葉芳, 馬重芳 申請人:北京工業(yè)大學(xué)