專利名稱：燃料電池內部瞬態溫度分布傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于燃料電池內部瞬態溫度分布傳感器，涉及燃料電池內部瞬態溫度分布的測量，特別涉及一種瞬態溫度的測量方法。
背景技術：
由于燃料電池自身的結構使得其內部的瞬態溫度分布測量很困難，以前的測溫方法大多是將微小型溫度傳感器或熱電偶植入到燃料電池的流道中，或熱壓到電池的擴散層和催化層之間，但是這些方法嚴重惡化了燃料電池的性能。另外，燃料電池的溫度測量方法還有紅外輻射測溫法，由于紅外輻射的傳播速度就是光速，因此測溫響應時間短，可遠距離非接觸監測惡劣環境下物體表面的溫度。采用這種方法測量燃料電池外表面的溫度比較容易，但要想得到燃料電池內部的真實溫度分布，需要改變電池的結構，采用特殊的能夠透過紅外輻射的材料制作燃料電池的端板等，因此加工制作復雜，測溫不準確，尤其是在燃料電池內部有水珠的情況下，更不能反映出燃料電池內部真實的溫度分布，而燃料電池內部有水珠生成是絕大多數工況下都會出現的現象，所以該方法的使用范圍受到了一定的限制。常見的測溫方法還有熱敏涂料法、涂色法等，但這些方法都不能滿足實時測溫的要求，對于燃料電池特殊的結構，這些方法的使用也受到限制。因此，需要一種對燃料電池的性能影響小，并且響應迅速的測溫方法來測量燃料電池內部的溫度分布情況，由于薄膜熱電偶是沉積在測量表面上的微米級薄膜，熱容量小，響應速度極快，時間常數可達微秒級，而且不影響被測表面的溫度分布，能夠較直接地得到被測表面的瞬態溫度變化情況，并且能夠實現對原有工況環境溫度場干擾小且測溫快的目的，所以薄膜熱電偶的應用日益受到國內外研究人員的重視。因此本發明根據薄膜型熱電偶體積小、制作加工相對簡單、測量準確、可以放置在離燃料電池的膜電極組件很近的位置、測量的是燃料電池內部最真實的溫度，對燃料電池的整體性能影響很小的優點，將金屬薄膜熱電偶直接鍍在燃料電池的石墨流場板相鄰流道之間的筋上，來測量燃料電池內部的瞬態溫度分布，測量的準確性較高，拆裝電池容易，并且能夠在不影響燃料電池正常運行的情況下，實時測量燃料電池內部的溫度分布。
發明內容
本發明的目的在于提供一種簡單易行的燃料電池內部瞬態溫度分布傳感器，包括燃料電池中的石墨流場板、薄膜熱電偶、引出線、與外電路相連接的標準接線口、定位孔。將薄膜熱電偶與燃料電池的石墨流場板制作為一體，其結構簡單，使用方便，可以測量燃料電池內部的溫度分布，并且無需對燃料電池進行頻繁的拆卸。薄膜熱電偶在燃料電池的石墨流場板上的位置固定，因此拆裝燃料電池前后的實驗數據之間有很好的對比性。另外，它可以在線測量燃料電池內部的瞬態溫度分布。本發明的技術方案是這樣實現的燃料電池內部溫度分布傳感器，包括燃料電池的石墨流場板1、薄膜熱電偶4、引出線5、與外電路相連接的標準接線口 6、定位孔7 ；石墨流場板上設置有流道2，流道2之間有筋3 ；其特征在于在石墨流場板1相鄰流道2之間的筋3上設有薄膜熱電偶4，在石墨流場板的末端設置有與外電路相連接的標準接線口 6 ；薄膜熱電偶4測頭的引出線5延伸至石墨流場板的邊緣和與外電路相連接的標準接線口 6相連；石墨流場板1上設置薄膜熱電偶4的面朝向燃料電池的膜電極組件27，燃料電池組裝好后，石墨流場板上的薄膜熱電偶4與燃料電池的膜電極組件27接觸；石墨流場板1上的薄膜熱電偶4是采用真空鍍膜技術在兩個相鄰流道2之間的筋3上設置有四層薄膜鍍層鍍層的形狀是根據掩膜設置的，有掩膜的地方就沒有鍍層，沒有掩膜的地方就有鍍層；首先根據設置的掩膜形狀，在熱電偶測頭的金屬鍍層與石墨流場板之間鍍有厚為0. 1-0. 15 μ m的二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層上鍍有厚為 0. 08-0. 1 μ m的鍍銅層，鍍銅層的形狀為相互平行的條形，然后在二氧化硅絕緣層上設有與已有鍍銅層首尾相銜接的成平行條形的鍍鎳層，鍍鎳層厚度為0. 08-0. 1 μ m，鍍銅層與鍍鎳層首尾相接形成銅-鎳薄膜熱電偶；最后在銅-鎳金屬鍍層上方鍍有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅保護層，在熱電偶測頭與其引出線5的連接處四制作成圓形。所述的鍍層材料中，銅和鎳組成的純金屬薄膜熱電偶鍍層可以選用銅和鈷、鎢和鎳、鉬和鎳、銻和鈷替代，也可以采用金屬混合物材料如銅和康銅替代，另外，二氧化硅絕緣層材料可以采用氮化鋁等代替。掩膜中熱電偶金屬鍍層的形狀可以為橢圓形、三角形、梯形、長方形、多邊形、波浪形以及不規則形狀。石墨流場板1上流道2的形狀可以是平行流道、蛇形單通道流道、蛇形雙通道流道、孔狀流道等。石墨流場板1上的薄膜熱電偶4的引出線5是采用印刷電路技術制成，延伸至石墨流場板1的末端，引出線5的寬為0. 05-0. Imm,厚度不超過0. 2 μ m，由石墨流場板1兩個相鄰流道2之間的筋3上印刷的四層薄膜構成第一層為0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化硅絕緣層，第二層為0. 08-0. 1 μ m厚的薄銅層，第三層為0. 08-0. 1 μ m厚的薄金層，最外層為 0.01-0. 02 μ m厚的聚對二甲苯保護層；引出線5前三層的形狀、尺寸完全相同，位置一致，均延伸至石墨流場板1的末端， 而最后的印刷層在形狀和位置上與前三層相同，但長度比前三層短，延伸至離石墨流場板1 末端還有5-8mm處。采用本發明的溫度分布測量技術測量燃料電池內部的溫度分布由于薄膜熱電偶設置在石墨流場板流道的筋上，因此不影響反應燃料的傳遞，也不影響電流信號的傳導，對燃料電池的整體性能影響很小。該方法可實現方便快速拆卸電池，測量準確。另外，薄膜熱電偶的引出線通過印刷電路的方法引出，在石墨流場板上引出線的末端設有與外電路相連接的標準接線口，印刷層很薄，避免了采用宏觀引線導致燃料電池中的燃料泄漏等問題。本發明的燃料電池內部溫度分布傳感器，使測量溫度分布的薄膜熱電偶與燃料電池的石墨流場板制作為一體，結構簡單，使用方便，薄膜熱電偶的體積小、熱容量小、靈敏度高，可用于不同形狀流道的燃料電池，同時適用于主動式燃料電池和被動式燃料電池。
圖1為薄膜熱電偶及其引線在燃料電池網狀流道石墨流場板上分布的示意圖(有一個標準接線口)；圖2為薄膜熱電偶及其引線在燃料電池中網狀流道石墨流場板上分布的示意圖 (有兩個標準接線口)；圖3為石墨流場板上單個薄膜熱電偶測頭的結構示意圖；圖4為石墨流場板上單個薄膜熱電偶測頭的制作流程圖；圖5為石墨流場板上薄膜熱電偶測頭引出線的鍍層截面圖；圖6為鍍有薄膜熱電偶的石墨流場板在燃料電池中的放置圖；圖7為薄膜熱電偶及其引出線在平行流道石墨流場板上分布的示意圖；圖8為薄膜熱電偶及其引出線在蛇型單通道流道石墨流場板上分布的示意圖；圖9為薄膜熱電偶及其引出線在蛇型雙通道流道石墨流場板上分布的示意圖。圖中1、燃料電池中的石墨流場板，2、流道，3、筋，4、薄膜熱流傳感器，5、引線，6、與外電路相連接的標準接線口，7、定位孔；8-11、各鍍層掩膜8、二氧化硅絕緣層掩膜，9、鍍銅層掩膜，10、鍍鎳層掩膜，11、二氧化硅保護層掩膜；12-15、各個鍍層12、二氧化硅絕緣層，13、鍍銅層，14、鍍鎳層，15、二氧化硅保護層；16-19、薄膜熱電偶測頭的制作過程16、第一步驟，17、第二步驟，18、第三步驟， 19、第四步驟；20、薄膜熱電偶測頭與其引出線的連接處，21、銅-鎳薄膜熱電偶的節點；22-25、薄膜熱電偶引出線的各印刷層22、引線首層二氧化硅絕緣層，23、引線第二層印刷薄銅層，24、引線第三層印刷薄金層，25、引線最后一層聚對二甲苯保護層；(26 34)、燃料電池的兩極端板，、2 33)、燃料電池的集電板，觀、燃料電池的陰極流場板，( 31)、密封墊片，30、膜電極，32、鍍有薄膜熱電偶的燃料電池石墨流場板。
具體實施例方式附圖是本發明的具體實施例；下面結合附圖對本發明的內容作進一步的詳細說明參考圖1、圖2、圖3所示，本發明包括在燃料電池中石墨流場板1上兩個相鄰流道 2之間的筋3上鍍有若干薄膜熱電偶4，薄膜熱電偶4的引出線5伸至石墨流場板1的邊緣， 在引出線5末端設置有與外電路相連接的標準接線口 6。本發明的薄膜熱電偶4及其引出線5均制作在石墨流場板1上，引出線5延伸至石墨流場板1的末端，寬為0. 05-0. 1mm，厚度不超過0.2 μ m。通過與外電路相連接的標準數據接口 6，外部的數據采集和處理系統可以采集并計算燃料電池內部的溫度數值，從而得到燃料電池內部的溫度分布情況。參照圖3、圖4所示，石墨流場板1的導電性能很好，在石墨流場板1流道2之間的筋3上利用真空鍍膜技術鍍有薄膜熱電偶4，薄膜熱電偶4是通過鍍四層薄膜形成的第一層鍍厚為0. 1-0. 15μπι的二氧化硅絕緣層，為了避免薄膜熱電偶傳導的電信號受到導電石墨流場板的干擾，第二層鍍銅，第三層鍍鎳，銅和鎳的鍍膜厚度均為0. 08-0. 1 μ m，銅和鎳構成薄膜熱電偶，第四層鍍0.01-0. 02 μ m厚的二氧化硅薄層用來保護熱電偶測頭，同時起到絕緣的作用。而引出線5與熱電偶測頭的連接處20做成圓形以便于引出線5的引出，圖中 21為銅-鎳薄膜熱電偶的節點，13為鍍銅層，14為鍍鎳層。其中銅-鎳熱電偶的鍍層形狀是由掩膜的形狀決定的，有掩膜的地方就沒有鍍層，沒有掩膜的地方就有鍍層，金屬鍍層的形狀可以根據需要進行改變，可以為圖4所示的形狀，也可以為橢圓形、三角形、梯形、長方形、多邊形、波浪形以及不規則形狀等。參照圖5所示，薄膜熱電偶4的引出線5為在石墨流場板1相鄰流道2之間的筋 3上采用印刷電路技術制作，第一層印刷厚0. 1-0. 15 μ m的二氧化硅絕緣層，第二層印刷厚 0. 08-0. 1 μ m的薄銅層，第三層印刷0. 08-0. 1 μ m厚的薄金層，最后印刷厚O.Olym的聚對二甲苯保護層，引出線5的前三層在長度和寬度上完全相同，均延伸至石墨流場板1的末端，而最后一層保護層在寬度上與前三層相同而長度比前三層短，延伸至離石墨流場板1 末端還有5-8mm處，引出線5寬0. 05-0. 1mm。每個薄膜熱電偶4的熱電勢通過與外電路相連接的標準接線口 6和數據采集儀及數據處理系統相連接將信號傳出。參照圖6所示，在燃料電池鍍有薄膜熱電偶4的石墨流場板32上有薄膜熱電偶4 的面朝向膜電極組件30。圖中沈和34為燃料電池的兩極端板，27和33為燃料電池的集電板，28為燃料電池的陰極流場板二9和31為密封墊片，30為膜電極，32為鍍有薄膜熱電偶的燃料電池陽極石墨流場板，同時起到傳導電流的作用，其中燃料電池流場板的流道可以是蛇形流道、平行流道、孔狀流道等，可以像圖6中所示在燃料電池的陽極設置鍍有薄膜熱電偶的石墨流場板，測量陽極側的溫度分布情況；也可以同時在燃料電池的陰、陽兩極設置鍍有薄膜熱電偶的石墨流場板，分別測量燃料電池陰、陽兩極的溫度分布。圖7為燃料電池的平行流道石墨流場板上薄膜熱電偶的分布示意圖，在平行流道的石墨流場板1上相鄰流道2之間的筋3上采用真空鍍膜技術設有薄膜熱電偶4，在薄膜熱電偶4的制作過程中，首先要鍍一薄層二氧化硅絕緣層，為了防止薄膜熱電偶4傳遞的信號受到導電石墨流場板1的干擾，薄膜熱電偶4的引出線5是采用印刷電路技術引出，引出線 5和石墨流場板1的末端設有與外電路相連接的標準接線口 6。圖8為燃料電池的蛇型單通道流道石墨流場板1上薄膜熱電偶4的布置示意圖， 在蛇型流道的石墨流場板1上相鄰流道2之間的筋3上設有薄膜熱電偶4，其引出線5采用印刷電路技術制作，在引出線5和石墨流場板1的末端設有與外電路相連接的標準接線口 6。圖9為燃料電池的蛇型雙通道流道石墨流場板1上薄膜熱電偶4的布置示意圖， 在蛇型流道的石墨流場板1上相鄰流道2之間的筋3上設有薄膜熱電偶4，其引出線5采用印刷電路技術制作，在引出線5和石墨流場板1的末端設有與外電路相連接的標準接線口 6。本發明是通過在燃料電池的石墨流場板相鄰流道之間的筋上蒸鍍薄膜熱電偶來進行燃料電池內部溫度的測量，可以單獨在燃料電池的陰極或陽極流場板上設置薄膜熱電偶分別測量燃料電池陰陽兩極的溫度分布情況，也可以同時在燃料電池的陰陽兩極的石墨流場板上蒸鍍薄膜熱電偶來獲得燃料電池陰陽兩極的溫度分布情況，這種測量技術使溫度分布測量裝置和燃料電池制作成為一體，拆裝電池容易，測量方便，并且加工制作簡單，對于同一個燃料電池，在拆裝前后實驗數據的對比性較強。
權利要求
1.燃料電池內部溫度分布傳感器，包括燃料電池的石墨流場板(1)、薄膜熱電偶G)、 引出線(5)、與外電路相連接的標準接線口(6)、定位孔(7)；石墨流場板上設置有流道0)， 流道⑵之間有筋⑶；其特征在于在石墨流場板⑴相鄰流道⑵之間的筋⑶上設有薄膜熱電偶G)，在石墨流場板的末端設置有與外電路相連接的標準接線口(6)；薄膜熱電偶(4)測頭的引出線(5)延伸至石墨流場板的邊緣和與外電路相連接的標準接線口(6)相連；石墨流場板(1)上設置薄膜熱電偶的面朝向燃料電池的膜電極組件(27)，燃料電池組裝好后，石墨流場板上的薄膜熱電偶(4)與燃料電池的膜電極組件(XT)接觸；石墨流場板(1)上的薄膜熱電偶(4)是采用真空鍍膜技術在兩個相鄰流道( 之間的筋C3)上設置有四層薄膜鍍層鍍層的形狀是根據掩膜設置的，有掩膜的地方就沒有鍍層，沒有掩膜的地方就有鍍層；首先根據設置的掩膜形狀，在熱電偶測頭的金屬鍍層與石墨流場板之間鍍有厚為0. 1-0. 15 μ m的二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層上鍍有厚為 0. 08-0. 1 μ m的鍍銅層，鍍銅層的形狀為相互平行的條形，然后在二氧化硅絕緣層上設有與已有鍍銅層首尾相銜接的成平行條形的鍍鎳層，鍍鎳層厚度為0. 08-0. 1 μ m，鍍銅層與鍍鎳層首尾相接形成銅-鎳薄膜熱電偶；最后在銅-鎳金屬鍍層上方鍍有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅保護層，在熱電偶測頭與其引出線(5)的連接處00)制作成圓形。
2.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度分布傳感器，其特征在于所述的鍍層材料中，銅和鎳組成的純金屬薄膜熱電偶鍍層可以選用銅和鈷、鎢和鎳、鉬和鎳、銻和鈷替代， 也可以采用金屬混合物材料如銅和康銅替代，另外，二氧化硅絕緣層材料可以采用氮化鋁等代替。
3.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度分布傳感器，其特征在于掩膜中熱電偶金屬鍍層的形狀可以為橢圓形、三角形、梯形、長方形、多邊形、波浪形以及不規則形狀。
4.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度分布傳感器，其特征在于石墨流場板(1) 上流道O)的形狀可以是平行流道、蛇形單通道流道、蛇形雙通道流道、孔狀流道等。
5.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度分布傳感器，其特征在于石墨流場板 (1)上的薄膜熱電偶的引出線(5)是采用印刷電路技術制成，延伸至石墨流場板(1) 的末端，引出線(5)的寬為0.05-0. 1mm，厚度不超過0.2 μ m，由石墨流場板(1)兩個相鄰流道(2)之間的筋(3)上印刷的四層薄膜構成第一層為0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化硅絕緣層，第二層為0. 08-0. 1 μ m厚的薄銅層，第三層為0. 08-0. 1 μ m厚的薄金層，最外層為 0.01-0. 02 μ m厚的聚對二甲苯保護層；引出線(5)前三層的形狀、尺寸完全相同，位置一致，均延伸至石墨流場板(1)的末端， 而最后的印刷層在形狀和位置上與前三層相同，但長度比前三層短，延伸至離石墨流場板 (1)末端還有5-8mm處。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池內部瞬態溫度分布傳感器，是在燃料電池的石墨流場板上相鄰流道之間的筋上設有薄膜熱電偶來進行燃料電池內部瞬態溫度分布的測量。單個薄膜熱電偶是采用真空鍍膜技術，蒸鍍四層薄膜形成的，首層鍍厚0.1-0.15μm的二氧化硅絕緣層，第二層鍍銅，第三層鍍鎳，銅和鎳的鍍膜厚度均為0.08-0.1μm，最后鍍0.01-0.02μm厚的二氧化硅薄層。薄膜熱電偶的引出線利用印刷電路的工藝延伸至石墨流場板的邊緣，并設有與外電路相連接的標準接線口，通過數據采集系統將信號導出。該測量裝置簡單易行，測量的是燃料電池內部實時的溫度分布，并且拆裝電池容易，對燃料電池的整體性能影響不大。
文檔編號H01M8/02GK102157743SQ20111004360
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月18日 優先權日2011年2月18日
發明者葉芳, 聶志華, 郭航, 馬重芳 申請人:北京工業大學