燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，屬于燃料電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，其溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的七層薄膜構(gòu)成：第一層為二氧化硅絕緣層，第二、三層為銅鍍層和鎳鍍層，第四層為二氧化硅保護(hù)層，第五層為二氧化硅厚熱阻層，第六層為電流密度測(cè)量銅鍍層，第七層為電流密度測(cè)量金鍍層。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的同步在線測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種流道形狀的燃料電池流場(chǎng)板，能對(duì)燃料電池內(nèi)部單一位置或多個(gè)位置的溫度、熱流密度和電流密度進(jìn)行同步測(cè)量。
【專利說明】燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(cè)量領(lǐng)域，涉及燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的測(cè)量，特別涉及燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池技術(shù)是氫能利用中的一種先進(jìn)的技術(shù)，如何提高燃料電池的性能是研究人員所重點(diǎn)關(guān)注的。影響燃料電池性能的某些因素都能通過一些內(nèi)部參數(shù)所反映出來，如局部電流密度、溫度、熱流密度等。
[0003]當(dāng)燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，會(huì)影響燃料電池內(nèi)部熱量的排出，從而造成內(nèi)部溫度場(chǎng)的不均勻，而不均勻的溫度場(chǎng)又會(huì)影響膜電極上的電化學(xué)反應(yīng)，從而影響燃料電池的性能。在大電流密度放電時(shí)，如果燃料電池結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致熱量在某一局部區(qū)域聚集，造成局部溫度異常升高，則過高的溫度會(huì)使燃料電池的膜電極失效。燃料電池內(nèi)部的局部電流密度能夠反映出反應(yīng)物流量、水淹狀況、接觸電阻等因素對(duì)燃料電池性能的影響，通過測(cè)量燃料電池內(nèi)部的局部電流密度可以預(yù)測(cè)燃料電池內(nèi)部的水淹情況，氣體分別情況，指導(dǎo)燃料電池工況的選取。
[0004]對(duì)于燃料電池內(nèi)部參數(shù)的測(cè)量研究大多集中在單一參數(shù)的研究，如溫度的測(cè)量，傳統(tǒng)的方法主要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，這些方法不僅加工制作困難，而且測(cè)溫元件的植入也破壞了燃料電池整體結(jié)構(gòu)的氣密性，甚至降低了膜電極的活性面積，進(jìn)而影響到了燃料電池的性能；電流密度測(cè)量，主要方法有子電池法、局部膜電極法、磁環(huán)組法等，這些方法大多需要對(duì)燃料電池的極板或流場(chǎng)板進(jìn)行加工改造或分割膜電極組件，加工難度大、工藝復(fù)雜、制作成本高。而隨著燃料電池研究的深入，單一參數(shù)的測(cè)量已不能滿足研究的需要，需要測(cè)量多個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一考量，若對(duì)每種參數(shù)進(jìn)行逐一測(cè)量，將會(huì)使工作時(shí)間大大增加，同時(shí)也增加了燃料電池的拆裝次數(shù)，從而破壞了燃料電池性能的穩(wěn)定，也降低了燃料電池所測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
[0005]本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的同步測(cè)量，而不需要對(duì)燃料電池的極板或流場(chǎng)板進(jìn)行特殊的加工改造，也減少了燃料電池的拆裝次數(shù)，從而方便了燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的測(cè)量；該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，適用于各種流道形狀的燃料電池。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種傳感器具有同步測(cè)量燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的功能。該發(fā)明采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，使用該發(fā)明減少了燃料電池的拆裝次數(shù)，降低了多種參數(shù)測(cè)量傳感器的植入對(duì)燃料電池性能的破壞，方便了燃料電池內(nèi)部多參數(shù)的測(cè)量研究。
[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)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，包括燃料電池流場(chǎng)板1、溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5，在燃料電池流場(chǎng)板I上設(shè)有流道2和脊3，溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4設(shè)置在燃料電池流場(chǎng)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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場(chǎng)板I的邊緣；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板I上布置有溫度-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側(cè)并與之緊密接觸。
[0008]所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4為采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的七層薄膜: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?cè)诙趸杞^緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層14，第三層為蒸鍍?cè)诙趸杞^緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層15 ;所述銅鍍層14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15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)27，首端為薄膜熱電偶接線引出端28 ;所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)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)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)29和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)30，首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端31 ;第四層為在銅鍍層14和鎳鍍層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)29所對(duì)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1.5-2.0ym的電流密度測(cè)量銅鍍層18，第七層為在電流密度測(cè)量銅鍍層18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19 ；所述電流密度測(cè)量銅鍍層18和電流密度測(cè)量金鍍層19相互重疊，構(gòu)成了電流密度測(cè)量金屬鍍層32，首端為電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端33。
[0009]所述薄膜熱電偶接線引出端28、薄膜熱流計(jì)接線引出端31和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端33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]溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(chǎng)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，作為絕緣襯底；步驟二 21，在二氧化硅絕緣層13上根據(jù)銅鍍層掩膜7蒸鍍一層銅鍍層14 ；步驟三22，根據(jù)鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層13上蒸鍍一層鎳鍍層15 ;步驟四23，在所鍍銅鍍層14和鎳鍍層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，其即作為薄膜熱電偶的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的二氧化硅薄熱阻層；步驟五24，在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)29所對(duì)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，在步驟五的基礎(chǔ)上根據(jù)電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜11，蒸鍍一層電流密度測(cè)量銅鍍層18 ;步驟七26，在電流密度測(cè)量銅鍍層18的上方根據(jù)電流密度測(cè)量金鍍層掩膜12蒸鍍一層電流密度測(cè)量金鍍層19 ；由以上步驟構(gòu)成溫度-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、熱流密度和電流密度的同步測(cè)量。
[0011]所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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]所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4中由銅和鎳組成的薄膜熱電偶和薄膜熱流計(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]所述溫度-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；薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為長(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]所述二氧化硅厚熱阻層17還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)30的上方。
[0015]所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4中的薄膜熱流計(jì)至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)29、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)30。
[0016]所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4中電流密度測(cè)量銅鍍層18和電流密度測(cè)量金鍍層19的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀可為方形、圓形、橢圓形，梯形。
[0017]所述薄膜熱電偶接線引出端28、薄膜熱流計(jì)接線引出端31和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端33可分別相對(duì)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34，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層35，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層36，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層37。
[0019]引線二氧化硅絕緣層34與引線銅鍍層35和引線金鍍層36在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層37與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)板邊緣處，
要略短于前三層。
[0020]所述燃料電池流場(chǎng)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)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，將薄膜熱電偶測(cè)溫單元、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)電流單元集成在一個(gè)傳感器之上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、熱流密度和電流密度的同步在線測(cè)量；該發(fā)明采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，體積小，適合于各種流道形狀的燃料電池流場(chǎng)板，不需要對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，降低了由于多種傳感器的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、溫度和熱流密度進(jìn)行同步測(cè)量，還可對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在平行流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0024]圖2為燃料電池流場(chǎng)板上單個(gè)溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的主觀示意圖；
[0025]圖3為燃料電池流場(chǎng)板上單個(gè)溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖；
[0026]圖4為溫度-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；
[0027]圖5為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在插指型流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0028]圖6為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形單通道流道流場(chǎng)板上布置的王觀不意圖；
[0029]圖7為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形多通道流道流場(chǎng)板上布置的王觀不意圖；
[0030]圖中，1、燃料電池流場(chǎng)板，2、流道，3、脊，4、溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，5、引線；
[0031]6-12為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(hù)層掩膜，10、二氧化硅厚熱阻層掩膜，11、電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜，12、電流密度測(cè)量金鍍層掩膜；
[0032]13-19為根據(jù)掩膜蒸鍍的溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各個(gè)鍍層:13、二氧化硅絕緣層，14、銅鍍層，15、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(cè)量銅鍍層，19、電流密度測(cè)量金鍍層；
[0033]20-26為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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、薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)，28、薄膜熱電偶接線引出端，29、薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)，30、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)，31、薄膜熱流計(jì)接線引出端，32、電流密度測(cè)量金屬鍍層，33、電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端；
[0035]34、引線二氧化硅絕緣層，35、引線銅鍍層，36、弓丨線金鍍層，37、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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0037]參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器包括燃料電池流場(chǎng)板1、溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5，在燃料電池流場(chǎng)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(chǎng)板I兩相鄰流道2之間的脊3上布置有溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，其電信號(hào)通過引線5進(jìn)行傳導(dǎo)，引線5的一端與溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相連，另一端延伸至流場(chǎng)板的邊緣，與外接數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連；當(dāng)組裝燃料電池時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板I上布置有溫度-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。
[0038]參照?qǐng)D2所示，本發(fā)明所述的溫度-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、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，其是由采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的七層薄膜構(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?cè)诙趸杞^緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層14，第三層為蒸鍍?cè)诙趸杞^緣層13上厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層15，第四層為在銅鍍層14和鎳鍍層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)29所對(duì)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1.5-2.0ym的電流密度測(cè)量銅鍍層18，第七層為在電流密度測(cè)量銅鍍層18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(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)量金屬鍍層不會(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。
[0039]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(cè)量，其測(cè)量原理為:由銅鍍層和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)，其與薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)和薄膜熱流計(jì)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。
[0040]圖3為單個(gè)溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖:6-12為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各鍍層掩膜，13-19為根據(jù)掩膜蒸鍍的溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器各個(gè)鍍層，20-26為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作過程。首先根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜6蒸鍍一層二氧化硅絕緣層13，作為傳感器的絕緣襯底，從而完成步驟一 20 ;步驟二 21為在二氧化硅絕緣層13上根據(jù)銅鍍層掩膜7蒸鍍一層銅鍍層14，步驟三22為根據(jù)鎳鍍層掩膜8在二氧化硅絕緣層13上蒸鍍一層鎳鍍層15 ；其中，銅鍍層14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15同時(shí)包括了薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層；步驟四23為在所鍍銅鍍層14和鎳鍍層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，其即作為薄膜熱電偶的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的二氧化硅薄熱阻層；步驟五24為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)29所對(duì)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、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層、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)，實(shí)現(xiàn)了熱流密度的測(cè)量；步驟六25為在先前鍍層的基礎(chǔ)上，根據(jù)電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜11，蒸鍍一層電流密度測(cè)量銅鍍層18 ；步驟七26為在電流密度測(cè)量銅鍍層18的上方根據(jù)電流密度測(cè)量金鍍層掩膜12蒸鍍一層電流密度測(cè)量金鍍層19 ;其中電流密度測(cè)量銅鍍層18和電流密度測(cè)量金鍍層19相互重疊，構(gòu)成了電流密度測(cè)量金屬鍍層32，實(shí)現(xiàn)了電流密度的測(cè)量；由以上步驟構(gòu)成溫度-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、熱流密度和電流密度的同步測(cè)量。
[0041]其中，溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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所蒸鍍的銅鍍層14同時(shí)包括了薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層，同樣，步驟三22所蒸鍍的鎳鍍層15同時(shí)包括了薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層。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)27 ;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(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)29、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)30 ;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，相互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17還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)30的上方。薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)中的金屬鍍層材料還可為鎢和鎳、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。步驟六25和步驟七26完成的電流密度測(cè)量銅鍍層18和電流密度測(cè)量金鍍層19的形狀也可根據(jù)掩膜的形狀而改變，可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形等其它形狀。
[0042]薄膜熱電偶的首端為薄膜熱電偶接線引出端28，薄膜熱流計(jì)的首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端31，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33，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28、薄膜熱流計(jì)接線引出端31和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端33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，其位置可均布置在二氧化硅絕緣層13的同一側(cè)，也可相對(duì)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31位于二氧化硅絕緣層13的上側(cè)時(shí)，薄膜熱電偶接線引出端28和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端33布置在與薄膜熱流計(jì)接線引出端31相對(duì)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(chǎng)板上的布置。
[0043]圖4為溫度-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，是由真空蒸發(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34，第二層為厚0.1-0.12μπι的引線銅鍍層35，第三層為厚
0.1-0.12 μ m的引線金鍍層36，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層37 ;弓丨線5的引線二氧化硅絕緣層34與引線銅鍍層35和引線金鍍層36在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層37與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)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為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在插指型流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在插指型流道流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0045]圖6為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形單通道流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0046]圖7為溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形多通道流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0047]采用本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、電流密度和熱流密度的同步在線測(cè)量，簡(jiǎn)化了燃料電池內(nèi)部多參數(shù)測(cè)量的步驟，減少了燃料電池拆裝次數(shù)，保證燃料電池性能的穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.燃料電池內(nèi)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，包括燃料電池流場(chǎng)板(1)、溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)、引線(5),在燃料電池流場(chǎng)板(1)上設(shè)有流道(2)和脊(3),溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)設(shè)置在燃料電池流場(chǎng)板(1)兩相鄰流道⑵之間的脊⑶上，引線(5)的一端與溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器⑷的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場(chǎng)板(1)的邊緣；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板(1)上布置有溫度-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側(cè)并與之緊密接觸；其特征在于: 所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)為采用真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的七層薄膜:第一層為厚0.08-0.1211111的二氧化硅絕緣層(13)，第二層為蒸鍍?cè)诙趸杞^緣層(13)上厚為0.1-0.1200的銅鍍層(14),第三層為蒸鍍?cè)诙趸杞^緣層(13)上厚為0.1-0.12 9 0的鎳鍍層(15)；所述銅鍍層(14)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(15)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)(27),首端為薄膜熱電偶接線引出端(28)；所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)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)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(29)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(30),首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端(31)；第四層為在銅鍍層(14)和鎳鍍層(15)上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 9 0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)(29)所對(duì)應(yīng)的二氧化硅鍍層上方蒸鍍一層厚為1.2-2.09 0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1.5-2.0 9 III的電流密度測(cè)量銅鍍層(18),第七層為在電流密度測(cè)量銅鍍層(18)上方蒸鍍一層厚為0.1-0.的電流密度測(cè)量金鍍層(19)；所述電流密度測(cè)量銅鍍層(18)和電流密度測(cè)量金鍍層(19)相互重疊，構(gòu)成了電流密度測(cè)量金屬鍍層(32),首端為電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(33)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(28)、薄膜熱流計(jì)接線引出端(31)和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(33)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(13)的同一側(cè)； 溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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(chǎng)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(13),作為絕緣襯底；步驟二(21),在二氧化硅絕緣層(13)上根據(jù)銅鍍層掩膜(7)蒸鍍一層銅鍍層(14)；步驟三(22),根據(jù)鎳鍍層掩膜(8)在二氧化硅絕緣層(13)上蒸鍍一層鎳鍍層(15)；步驟四(23),在所鍍銅鍍層(14)和鎳鍍層(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),其即作為薄膜熱電偶的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的二氧化硅薄熱阻層；步驟五(24),在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(29)所對(duì)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),在步驟五的基礎(chǔ)上根據(jù)電流密度測(cè)量銅鍍層掩膜(11),蒸鍍一層電流密度測(cè)量銅鍍層(18)；步驟七(26),在電流密度測(cè)量銅鍍層(18)的上方根據(jù)電流密度測(cè)量金鍍層掩膜(12)蒸鍍一層電流密度測(cè)量金鍍層(19)；由以上步驟構(gòu)成溫度-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、熱流密度和電流密度的同步測(cè)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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)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)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)中由銅和鎳組成的薄膜熱電偶和薄膜熱流計(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)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-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；薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為長(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。
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-電流密度聯(lián)測(cè)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)(30)的上方。
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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)中的薄膜熱流計(jì)至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(29)、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(30^
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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)中電流密度測(cè)量銅鍍層(18)和電流密度測(cè)量金鍍層(19)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀可為方形、圓形、橢圓形，梯形。
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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述薄膜熱電偶接線引出端(28)、薄膜熱流計(jì)接線引出端(31)和電流密度測(cè)量金屬鍍層接線引出端(33)可分別相對(duì)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)部溫度-熱流密度-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述引線(5)的寬度為0.1-0.2皿，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 4 111的引線二氧化硅絕緣層(34),第二層為厚0.1-0.12 0111的引線銅鍍層(35),第三層為厚0.1-0.12 0111的引線金鍍層(36)，最上一層為厚0.05-0.1 9 0的引線二氧化硅保護(hù)層(37)； 引線二氧化硅絕緣層(34)與引線銅鍍層(35)和引線金鍍層(36)在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層(37)與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)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-電流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述燃料電池流場(chǎng)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(hào)】G01R31/36GK104360279SQ201410638230
【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)