燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,屬于燃料電池內部參數(shù)測量領域,其濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器布置在燃料電池流場板的脊上,由十層薄膜構成,主要采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作:首層為二氧化硅絕緣層,第二層為上電極鋁鍍層,第三層涂覆高分子聚合物感濕介質,第四層為下電極鋁鍍層,第五、六層為薄膜熱流計銅鍍層和鎳鍍層,第七層為二氧化硅保護層,第八層為二氧化硅厚熱阻層,第九、十層為電流密度測量銅鍍層和金鍍層。本發(fā)明可實現(xiàn)對燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步測量,無需對燃料電池流場板等結構進行特殊改造,可布置于各種流道形狀的燃料電池流場板上。
【專利說明】燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池內部參數(shù)測量領域,涉及燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的測量,特別涉及燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器。
【背景技術】
[0002]燃料電池的性能是研究人員所重點關注的,而其與燃料電池膜電極上的電化學反應有著最直接的聯(lián)系。燃料電池膜電極上的電化學反應速率受多種因素的影響,如溫度,反應氣體的濃度、流量、濕度等,因此通過對燃料電池內部參數(shù)的監(jiān)測即可有助于優(yōu)化燃料電池的運行工況和結構參數(shù),使燃料電池保持高性能運行。
[0003]對于濕度測量,可通過在燃料電池流場板上開孔,植入濕度傳感器來對燃料電池內部的濕度進行測量,但該方法需要對燃料電池的流場板進行特殊的加工改造,加工難度大,且對燃料電池的密封性有一定的破壞性;另外,還有采用光刻和刻蝕技術制作濕度傳感器并植入燃料電池內部進行測量的方法,該方法雖然不需要對燃料電池的結構進行特殊改造,但刻蝕工藝較為復雜。對于熱流密度的測量,大多為植入熱流計來進行測量,這些方法通常會就燃料電池的流場板進行特殊改造,往往加工難度大,成本高,使用不方便,同時也對燃料電池的性能有一定的影響。電流密度的測量有子電池法、膜電極分割法、磁環(huán)組法等,也需要對燃料電池進行特殊改造,加工復雜,成本高。
[0004]每種參數(shù)測量所對燃料電池的改造并不具有通用性,若對多種參數(shù)測量,則需要專門制造多種特殊的燃料電池,不僅增加了工作量,還增加了工作成本。
[0005]本發(fā)明采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作,制作工序簡單,成本低;在傳感器上集成了測濕單元、測熱流單元和測電流單元,實現(xiàn)了燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步聯(lián)測,減少了燃料電池的拆裝次數(shù),不需要對燃料電池的結構進行特殊改造,制作加工容易,適用范圍廣。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能同步聯(lián)測燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的傳感器,以解決燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度聯(lián)測的問題。該發(fā)明具有結構簡單,制作方便,體積小等優(yōu)點,方便了燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的測量研究。
[0007]為實現(xiàn)上述技術目的,本發(fā)明的技術方案如下:燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,包括燃料電池流場板1、濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4、引線5,在燃料電池流場板I上設有流道2和脊3,濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4設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的一端與濕度-熱流密度-電流密度聯(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上布置有濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸。
[0008]所述濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4包括濕敏電容測濕單元、薄膜熱流計測熱流單元和電流密度測量金屬鍍層測電流單元,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16,作為絕緣襯底,第二層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的下電極鋁鍍層17,第三層為在下電極鋁鍍層17上方涂覆一層厚為
0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質層18,第四層為在高分子聚合物感濕介質層18上方蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的上電極鋁鍍層19 ;所述上電極鋁鍍層19、高分子聚合物感濕介質層18和下電極鋁鍍層17構成濕敏電容,首端為濕敏電容接線引出端39,其中上電極鋁鍍層19的形狀為蛇形;第五層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計銅鍍層20,第六層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計鎳鍍層21 ;第七層為在薄膜熱流計銅鍍層20、薄膜熱流計鎳鍍層21和上電極鋁鍍層19的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層22,第八層為在薄膜熱流計上結點36所對二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.Ομπι的二氧化硅厚熱阻層23 ;所述薄膜熱流計銅鍍層20、薄膜熱流計鎳鍍層21、二氧化硅保護層22和二氧化硅厚熱阻層23構成薄膜熱流計,首端為薄膜熱流計接線引出端38,薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的形狀為相互平行的四邊形,首尾相互搭接,搭接處構成薄膜熱電堆,其中包括薄膜熱流計上結點36和薄膜熱流計下結點37 ;第九層為在薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21所對的二氧化硅保護層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為1.5-2.Ομπι的電流密度測量銅鍍層24,第十層為在電流密度測量銅鍍層24的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層25 ;所述電流密度測量銅鍍層24和電流密度測量金鍍層25相互重疊,構成電流密度測量金屬鍍層40,首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端41。
[0009]所述薄膜熱流計接線引出端38、濕敏電容接線引出端39和電流密度測量金屬鍍層接線引出端41均制作成圓形,且均布置于二氧化硅絕緣層16的同一側。
[0010]濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一 26、步驟二 27、步驟三28、步驟四29、步驟五30、步驟六31、步驟七32、步驟八33,步驟九34,步驟十35 ;具體而言,步驟一 26,在脊3上根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜6蒸鍍一層二氧化硅絕緣層16 ;步驟二 27,在二氧化硅絕緣層16上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜7蒸鍍下電極鋁鍍層17 ;步驟三28,根據(jù)高分子聚合物感濕介質層掩膜8在下電極鋁鍍層17上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質層18 ;步驟四29,在高分子聚合物感濕介質層18的上方根據(jù)上電極鋁鍍層掩膜9蒸鍍上電極鋁鍍層19 ;步驟五30,根據(jù)薄膜熱流計銅鍍層掩膜10在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍一層薄膜熱流計銅鍍層20;步驟六31,根據(jù)薄膜熱流計鎳鍍層掩膜11在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍一層薄膜熱流計鎳鍍層21 ;步驟七32,在上電極鋁鍍層19、薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜12蒸鍍二氧化硅保護層22 ;步驟八33,在薄膜熱流計上結點36的上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜13蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層23 ;步驟九34,在薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21所對的二氧化硅鍍層上方,根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜14蒸鍍電流密度測量銅鍍層24 ;步驟十35,在電流密度測量銅鍍層24的上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜15蒸鍍一層電流密度測量金鍍層25 ;由以上步驟構成濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設備即可實現(xiàn)對燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步測量。
[0011]所述濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4中二氧化硅絕緣層16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。薄膜熱流計金屬鍍層材料中,由銅和鎳組成的純金屬鍍層還可選用鎢和鎳、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]所述上電極鋁鍍層19的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
[0014]所述薄膜熱流計金屬銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,其形狀還可以為長條形、弧形、菱形,首尾相互搭接后形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
[0015]所述薄膜熱流計中至少包括一對薄膜熱流計上結點36、薄膜熱流計下結點37 ;二氧化硅厚熱阻層23還可位于薄膜熱流計下結點37的上方。
[0016]所述電流密度測量銅鍍層24和電流密度測量金鍍層25的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
[0017]所述薄膜熱流計接線引出端38、濕敏電容接線引出端39和電流密度測量金屬鍍層接線引出端41的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形,其位置還可相對的布置在二氧化硅絕緣層16的兩側。
[0018]所述引線5的寬度為0.1-0.2_,是由真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層42,第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層43,第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層44,最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化娃保護層45。
[0019]弓丨線二氧化硅絕緣層42與引線銅鍍層43和弓丨線金鍍層44在形狀、位置和尺寸上均一致,引線二氧化硅保護層45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。
[0020]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。
[0021 ] 與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有如下有益效果。
[0022]本發(fā)明在濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器上集成了濕敏電容測濕單元、薄膜熱流計測熱流單元和電流密度測量金屬鍍層測電流單元,實現(xiàn)了對燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步聯(lián)測;具有結構簡單,制作方便,體積小等優(yōu)點,布置在燃料電池電池內部不需要對燃料電池的流場板或其他構件進行特殊改造,降低了對燃料電池密封性的破壞,減少了由于多參數(shù)測量帶來的燃料電池頻繁拆裝,保證了燃料電池性能的穩(wěn)定,同時該發(fā)明適用于各種流道形狀的燃料電池流場板,布置方便,可實現(xiàn)燃料電池內部單點或多點的濕度、熱流密度和電流密度的同步測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在平行流道流場板上布置的主觀示意圖;
[0024]圖2為燃料電池流場板上單個濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的主觀示意圖;
[0025]圖3為燃料電池流場板上單個濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖;
[0026]圖4為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器引線的截面主觀示意圖;
[0027]圖5為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在插指型流道流場板上布置的主觀示意圖;
[0028]圖6為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形單通道流道流場板上布置的王觀不意圖;
[0029]圖7為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器在蛇形多通道流道流場板上布置的王觀不意圖;
[0030]圖中,1、燃料電池流場板,2、流道,3、脊,4、濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,5、引線;
[0031]6-15為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各層掩膜:6、二氧化硅絕緣層掩膜,7、下電極鋁鍍層掩膜,8、高分子聚合物感濕介質層掩膜,9、上電極鋁鍍層掩膜,10、薄膜熱流計銅鍍層掩膜,11、薄膜熱流計鎳鍍層掩膜,12、二氧化硅保護層掩膜,13、二氧化硅厚熱阻層掩膜,14、電流密度測量銅鍍層掩膜,15、電流密度測量金鍍層掩膜;
[0032]16-25為根據(jù)掩膜制作的濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各膜層:16、二氧化硅絕緣層,17、下電極鋁鍍層,18、高分子聚合物感濕介質層,19、上電極鋁鍍層,20、薄膜熱流計銅鍍層,21、薄膜熱流計鎳鍍層,22、二氧化硅保護層,23、二氧化硅厚熱阻層,24、電流密度測量銅鍍層,25、電流密度測量金鍍層;
[0033]26-35為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟:26、步驟一,27、步驟二,28、步驟三,29、步驟四,30、步驟五,31、步驟六,32、步驟七,33、步驟八,34、步驟九,35、步驟十;
[0034]36、薄膜熱流計上結點,37、薄膜熱流計下結點,38、薄膜熱流計接線引出端,39、濕敏電容接線引出端,40、電流密度測量金屬鍍層,41、電流密度測量金屬鍍層接線引出端;
[0035]42、引線二氧化硅絕緣層,43、引線銅鍍層,44、弓丨線金鍍層,45、引線二氧化硅保護層。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0037]參照圖1所示,本發(fā)明的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器包括燃料電池流場板1、濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4、引線5 ;在燃料電池流場板I上設有流道2和脊3,濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4設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的一端與濕度-熱流密度-電流密度聯(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上布置有濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸。
[0038]參照圖2所示,本發(fā)明所述的濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4包括濕敏電容測濕單元、薄膜熱流計測熱流單元和電流密度測量金屬鍍層測電流單元,采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作而成,包括十層薄膜:第一層為蒸鍍在脊3上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層16,作為絕緣襯底,第二層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的下電極鋁鍍層17,第三層為在下電極鋁鍍層17上方涂覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質層18,第四層為在高分子聚合物感濕介質層18上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的上電極鋁鍍層19,第五層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計銅鍍層20,第六層為在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的薄膜熱流計鎳鍍層21,第七層為在薄膜熱流計銅鍍層20、薄膜熱流計鎳鍍層21和上電極鋁鍍層19的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護層22,第八層為在薄膜熱流計上結點36所對二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.Ομπι的二氧化硅厚熱阻層23,第九層為在薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21所對的二氧化硅保護層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為
1.5-2.0ym的電流密度測量銅鍍層24,第十層為在電流密度測量銅鍍層24的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 μ m的電流密度測量金鍍層25 ;由于銅和金均為熱的良導體,導熱系數(shù)很高,加之蒸鍍的電流密度測量銅鍍層和電流密度測量金鍍層都很薄,因此蒸鍍在薄膜熱流計上層的電流密度測量金屬銅鍍層和電流密度測量金鍍層對薄膜熱流計的干擾可以忽略。
[0039]薄膜熱流計銅鍍層20、薄膜熱流計鎳鍍層21、二氧化硅保護層22和二氧化硅厚熱阻層23構成了完整的薄膜熱流計,以實現(xiàn)熱流密度的測量,其測量原理為: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成熱電堆,熱電堆包括薄膜熱流計上結點和薄膜熱流計下結點,由于薄膜熱流計上結點和薄膜熱流計下結點上方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,其與上結點和下結點上二氧化硅熱阻層的厚度差相關,而熱流密度與溫差、二氧化硅熱阻層厚度差及導熱系數(shù)相關,由于二氧化硅導熱系數(shù)已知,故可計算出熱流密度的大小。
[0040]圖3為單個濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作流程圖:6-15為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各層掩膜,16-25為根據(jù)掩膜制作的濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器各膜層,26-35為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟。首先在脊3上根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜6蒸鍍一層二氧化硅絕緣層16,作為傳感器的襯底,并與燃料電池流場板充分絕緣,從而完成步驟一 26 ;步驟二 27為在二氧化硅絕緣層16上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜7蒸鍍下電極鋁鍍層17,步驟三28為根據(jù)高分子聚合物感濕介質層掩膜8在下電極鋁鍍層17上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質層18,步驟四29為在高分子聚合物感濕介質層18的上方根據(jù)上電極鋁鍍層掩膜9蒸鍍一層上電極鋁鍍層19 ;其中,下電極鋁鍍層17、高分聚合物感濕介質層18和上電極鋁鍍層19構成了濕敏電容,實現(xiàn)了濕度的測量;步驟五30為根據(jù)薄膜熱流計銅鍍層掩膜10在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍一層薄膜熱流計銅鍍層20,步驟六31為根據(jù)薄膜熱流計鎳鍍層掩膜11在二氧化硅絕緣層16上蒸鍍一層薄膜熱流計鎳鍍層21,薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21構成了薄膜熱流計熱電堆,步驟七32為在上電極鋁鍍層19、薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜12蒸鍍一層二氧化硅保護層22,其即作為濕敏電容上電極的保護層,又作為薄膜熱流計的薄熱阻層;步驟八33為在薄膜熱流計上結點36所對二氧化硅鍍層的上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜13蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層23 ;其中薄膜熱流計銅鍍層20、薄膜熱流計鎳鍍層21、二氧化硅保護層22和二氧化硅厚熱阻層23構成了完整的薄膜熱流計,實現(xiàn)了熱流密度的測量;步驟九34為在薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21所對的二氧化硅鍍層上方,根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜14,蒸鍍一層電流密度測量銅鍍層24,步驟十35為在電流密度測量銅鍍層24的上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜15蒸鍍一層電流密度測量金鍍層25 ;其中電流密度測量銅鍍層24和電流密度測量金鍍層25相互重疊,構成了測電流單元,實現(xiàn)了電流密度的測量;由以上步驟構成濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設備即可實現(xiàn)對燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步測量。
[0041]其中,濕度-熱流密度-電流密度聯(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,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 27和步驟四29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,濕敏電容上電極鋁鍍層19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。步驟五30和步驟六31完成的薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的形狀為相互平行的四邊形,首尾相互搭接,搭接處構成薄膜熱電堆,其中至少包括一對薄膜熱流計上結點36、薄膜熱流計下結點37 ;薄膜熱流計銅鍍層20和薄膜熱流計鎳鍍層21的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,其形狀還可以為長條形、弧形、菱形等,首尾搭接后形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形等其它形狀;薄膜熱流計金屬鍍層的材料還可為鎢和鎳、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;二氧化硅厚熱阻層23的位置還可位于薄膜熱流計下結點37的上方。步驟九34和步驟十35所完成的電流密度測量銅鍍層24和電流密度測量金鍍層25的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,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。
[0042]薄膜熱流計的首端為薄膜熱流計接線引出端38,濕敏電容電的首端為濕敏電容接線引出端39,流密度測量金屬鍍層的首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端41,其作用為方便與引線5相連,進行電信號的傳導。薄膜熱流計接線引出端38、濕敏電容接線引出端39和電流密度測量金屬鍍層接線引出端41的形狀不僅可為圖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16的同一側,也可相對的布置在二氧化硅絕緣層16的兩側。
[0043]圖4為濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測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成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層42,第二層為厚0.1-0.12μπι的引線銅鍍層43,第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層44,最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化娃保護層45 ;弓丨線二氧化硅絕緣層42與引線銅鍍層43和引線金鍍層44在形狀、位置和尺寸上均一致,弓丨線二氧化硅保護層45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,以方便與外接數(shù)據(jù)采集設備的引線連接。
[0044]圖5為濕度-熱流密度-電流密度聯(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濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4,引線5 —端與濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接,另一端延伸至流場板邊緣。
[0045]圖6為濕度-熱流密度-電流密度聯(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濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4,引線5 —端與濕度-熱流密度-電流密度聯(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7為濕度-熱流密度-電流密度聯(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濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器4,引線5 —端與濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器接線引出端相接,另一端延伸至流場板邊緣。
[0047]本發(fā)明的濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作,實現(xiàn)了燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步聯(lián)測,無需對燃料電池的結構進行特殊改造。
【權利要求】
1.燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,包括燃料電池流場板(1)、濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)、引線(5),在燃料電池流場板(1)上設有流道(2)和脊(3),濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)設置在燃料電池流場板(1)兩相鄰流道⑵之間的脊⑶上,引線(5)的一端與濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器⑷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)上布置有濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸;其特征在于: 所述濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)包括濕敏電容測濕單元、薄膜熱流計測熱流單元和電流密度測量金屬鍍層測電流單元,采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作,包括十層薄膜:第一層為蒸鍍在燃料電池流場板(1)兩相鄰流道(2)之間的脊(3)上的厚為0.08-0.12 4 111的二氧化硅絕緣層(16),作為絕緣襯底,第二層為在二氧化硅絕緣層(16)上蒸鍍的厚為1.0-1.200的下電極鋁鍍層(17),第三層為在下電極鋁鍍層(17)上方涂覆一層厚為0.5-1 9 0的高分子聚合物感濕介質層(18),第四層為在高分子聚合物感濕介質層(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(19)、高分子聚合物感濕介質層(18)和下電極鋁鍍層(17)構成濕敏電容,首端為濕敏電容接線引出端(39),其中上電極鋁鍍層(19)的形狀為蛇形;第五層為在二氧化硅絕緣層(16)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 9 0的薄膜熱流計銅鍍層(20),第六層為在二氧化硅絕緣層(16)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 9 111的薄膜熱流計鎳鍍層(21);第七層為在薄膜熱流計銅鍍層(20)、薄膜熱流計鎳鍍層(21)和上電極鋁鍍層(19)的上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 ^111的二氧化硅保護層(22),第八層為在薄膜熱流計上結點(36)所對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(23);所述薄膜熱流計銅鍍層(20)、薄膜熱流計鎳鍍層(21)、二氧化硅保護層(22)和二氧化硅厚熱阻層(23)構成薄膜熱流計,首端為薄膜熱流計接線引出端(38),薄膜熱流計銅鍍層(20)和薄膜熱流計鎳鍍層(21)的形狀為相互平行的四邊形,首尾相互搭接,搭接處構成薄膜熱電堆,其中包括薄膜熱流計上結點(36)和薄膜熱流計下結點(37);第九層為在薄膜熱流計銅鍍層(20)和薄膜熱流計鎳鍍層(21)所對的二氧化硅保護層和厚熱阻層的上方蒸鍍一層厚為1.5-2.09 0的電流密度測量銅鍍層(24),第十層為在電流密度測量銅鍍層(24)的上方蒸鍍一層厚為0.1-0.12 0111的電流密度測量金鍍層(25);所述電流密度測量銅鍍層(24)和電流密度測量金鍍層(25)相互重疊,構成電流密度測量金屬鍍層(40),首端為電流密度測量金屬鍍層接線引出端(41); 所述薄膜熱流計接線引出端(38)、濕敏電容接線引出端(39)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(41)均制作成圓形,且均布置于二氧化硅絕緣層(16)的同一側。 濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器的制作步驟包括步驟一(26)、步驟二(27)、步驟三(28)、步驟四(29)、步驟五(30)、步驟六(31)、步驟七(32)、步驟八(33),步驟九(34),步驟十(35);具體而言,步驟一(26),在脊(3)上根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜(6)蒸鍍一層二氧化硅絕緣層(16);步驟二(27),在二氧化硅絕緣層(16)上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜(7)蒸鍍下電極鋁鍍層(17);步驟三(28),根據(jù)高分子聚合物感濕介質層掩膜(8)在下電極鋁鍍層(17)上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質層(18);步驟四(29),在高分子聚合物感濕介質層(18)的上方根據(jù)上電極鋁鍍層掩膜(9)蒸鍍上電極鋁鍍層(19);步驟五(30),根據(jù)薄膜熱流計銅鍍層掩膜(10)在二氧化硅絕緣層(16)上蒸鍍一層薄膜熱流計銅鍍層(20);步驟六(31),根據(jù)薄膜熱流計鎳鍍層掩膜(11)在二氧化硅絕緣層(16)上蒸鍍一層薄膜熱流計鎳鍍層(21);步驟七(32),在上電極鋁鍍層(19)、薄膜熱流計銅鍍層(20)和薄膜熱流計鎳鍍層(21)的上方根據(jù)二氧化硅保護層掩膜(12)蒸鍍二氧化硅保護層(22);步驟八(33),在薄膜熱流計上結點(36)的上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜(13)蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層(23);步驟九(34),在薄膜熱流計銅鍍層(20)和薄膜熱流計鎳鍍層(21)所對的二氧化硅鍍層上方,根據(jù)電流密度測量銅鍍層掩膜(14)蒸鍍電流密度測量銅鍍層(24);步驟十(35),在電流密度測量銅鍍層(24)的上方根據(jù)電流密度測量金鍍層掩膜(15)蒸鍍一層電流密度測量金鍍層(25);由以上步驟構成濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,外接測量電路和數(shù)據(jù)采集設備即可實現(xiàn)對燃料電池內部濕度、熱流密度和電流密度的同步測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器(4)中二氧化硅絕緣層(16)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)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,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。薄膜熱流計金屬鍍層材料中,由銅和鎳組成的純金屬鍍層還可選用鎢和鎳、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)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述上電極鋁鍍層(19)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述薄膜熱流計金屬銅鍍層(20)和薄膜熱流計鎳鍍層(21)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,其形狀還可以為長條形、弧形、菱形,首尾相互搭接后形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、2字形。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(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點(36)、薄膜熱流計下結點(37) ;二氧化硅厚熱阻層(23)還可位于薄膜熱流計下結點(37)的上方。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述電流密度測量銅鍍層(24)和電流密度測量金鍍層(25)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設定的,可為矩形、橢圓形、圓形、三角形、梯形、不規(guī)則圖形。
8.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述薄膜熱流計接線引出端(38)、濕敏電容接線引出端(39)和電流密度測量金屬鍍層接線引出端(41)的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形,其位置還可相對的布置在二氧化硅絕緣層(16)的兩側。
9.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(lián)測傳感器,其特征在于:所述引線(5)的寬度為0.1-0.是由真空蒸發(fā)鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:第一層為厚0.08-0.12 的引線二氧化硅絕緣層1-0.的引線銅鍍層1-0.12 ^111的引線金鍍層(44),最上一層為厚0.05-0.1 ^ 0的引線二氧化硅保護層(45); 引線二氧化硅絕緣層(42)與引線銅鍍層(43)和引線金鍍層(44)在形狀、位置和尺寸上均一致,引線二氧化硅保護層(45)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)權利要求1所述的燃料電池內部濕度-熱流密度-電流密度聯(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】G01D21/02GK104360274SQ201410636315
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】郭航, 王政, 葉芳, 馬重芳 申請人:北京工業(yè)大學