燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片的製作方法

2023-06-22 23:23:06 1

燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片的製作方法
【專利摘要】燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，是燃料電池內部溫度、溼度和熱流密度分布的測量裝置，其在導電基片上設置有與燃料電池流場板流道和脊相對應的漏縫和筋，並在筋上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器；溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器採用真空蒸發鍍膜方法製作，包括八層薄膜。引線也採用真空蒸發鍍膜方法製作，用於傳遞電信號，其延伸至流場板邊緣處時放大形成引腳，以方便與外接數據採集設備相連。本發明實現了對燃料電池內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布的同步在線測量；該裝置獨立於燃料電池，無需對燃料電池的結構進行特殊改造，可適配於平行流道、蛇形流道、交錯型流道或其他流道形狀的燃料電池流場板。
【專利說明】燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片

【技術領域】
[0001〕 本發明涉及一種燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，屬於燃料電池檢測【技術領域】。

【背景技術】
[0002]燃料電池對於溫度的變化十分敏感，如果燃料電池的結構設計不合理，將會導致內部熱量無法及時排出，破壞內部溫度場，造成局部異常高溫，從而會導致燃料電池的膜電極失效。同樣，燃料電池內部的溼度對其性能也有很大的影響，溼度的高低不僅影響燃料電池內質子交換膜的質子傳遞能力，還會影響燃料電池內部生成水的多少。若溼度不夠，質子交換膜乾涸，燃料電池的性能將會大幅降低，而溼度過高，燃料電池內部會集聚過多的凝結水，嚴重的會產生水淹現象，阻礙反應物向膜電極的傳遞，也會造成燃料電池性能的下降。
[0003]由此可以看出，了解燃料電池內部溫度、溼度和熱流密度的分布將對優化燃料電池結構設計、選取最佳運行工況有重要的指導意義。傳統的研究大多集中於單一參數的研究，如通過在燃料電池內部植入熱電偶、熱電阻或微型傳感器來進行溫度的測量；通過特殊加工燃料電池流場板植入溼度傳感器來進行溼度的測量。這些方法大多需要對燃料電池進行特殊的改造，製作複雜，成本高，而且每種參數測量對燃料電池的改造不具有通用性，甚至需要多次拆裝燃料電池，嚴重影響了燃料電池性能的穩定。
[0004]本發明在導電基片的筋上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器，實現了同步在線測量燃料電池內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布；該測量裝置獨立於被測燃料電池，無需對燃料電池進行結構改造，減少了對燃料電池的拆裝次數，從而保證了燃料電池性能的穩定。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種能同步在線測量燃料電池內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布的裝置。該裝置可作為獨立構件安裝於燃料電池內部，結構簡單，製作方便，無需對燃料電池內部結構進行特殊改造，使燃料電池內部溫度、溼度和熱流密度分布測量的步驟得到了簡化。
[0006]為實現上述技術目的，本發明的技術方案如下:燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，包括導電基片1、漏縫2、筋3、溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4、引線
5、定位孔7 ；所述漏縫2、筋3設置在導電基片1上，筋3位於兩相鄰漏縫2之間，漏縫2和筋3的形狀和尺寸分別與燃料電池流場板上流道和脊的形狀和尺寸相同，漏縫2和筋3的位置分別與燃料電池流場板流道和脊相對應；所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4設置在筋3上；引線5的一端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導電基片1的邊緣並放大形成引腳6 ；定位孔7對稱、均勻設置在導電基片1四周，用以將導電基片1固定在燃料電池流場板上；燃料電池組裝時，燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片布置在燃料電池流場板與膜電極中間，其設置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的面朝向膜電極側並與之緊密接觸。
[0007]所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4包括薄膜熱電偶測溫單元、溼敏電容測溼單元和薄膜熱流計測熱流單元，採用真空蒸發鍍膜方法製作，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍在筋3上的厚為0.08-0.1211111的二氧化矽絕緣層16，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為1.0-1.2 0 0的下電極鋁鍍層17，第三層為在下電極鋁鍍層17上方塗覆一層厚為0.5-19 0的高分子聚合物感溼介質層18，第四層為在高分子聚合物感溼介質層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、高分子聚合物感溼介質層18和下電極鋁鍍層17構成了溼敏電容，首端為溼敏電容接線引出端37，其中上電極鋁鍍層19的形狀為蛇形；第五層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.1211111的銅鍍層20，第六層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12^的鎳鍍層21 ；所述銅鍍層20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21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，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點32，首端為薄膜熱電偶接線引出端33 ；所述薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構成熱電堆，其中包括薄膜熱流計上結點34和薄膜熱流計下結點35，首端為薄膜熱流計接線引出端36 ；第七層為在上電極鋁鍍層19、銅鍍層20和鎳鍍層21上方蒸鍍的厚為0.08-0.1211111的二氧化矽保護層22，第八層為在薄膜熱流計上結點34所對應二氧化矽鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 9 0的二氧化矽厚熱阻層23。
[0008]所述薄膜熱電偶接線引出端33、薄膜熱流計接線引出端36和溼敏電容接線引出端37均製作成圓形，且均布置於二氧化矽絕緣層16的同一側。
[0009]所述導電基片1的形狀可製作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規則圖形；導電基片1上漏縫2的形狀可為蛇形漏縫、平行漏縫、孔狀漏縫、交錯型漏縫。
[0010]所述溼敏電容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。
[0011]所述上電極鋁鍍層19的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
[0012]所述測溫和測熱流單元中，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、銻和鈷替代，也可採用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
[0013]所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器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掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規則形狀，相互搭接後的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形；薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀也是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為長條形、弧形、菱形，首位相互搭接後的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、2字形。
[0014]所述二氧化矽厚熱阻層23還可位於薄膜熱流計下結點35的上方。
[0015]所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4中薄膜熱流計至少包括一對薄膜熱流計上結點34、薄膜熱流計下結點35。
[0016]所述薄膜熱電偶接線引出端33、薄膜熱流計接線引出端36和溼敏電容接線引出端37的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形，其位置可對稱的布置在二氧化矽絕緣層16的兩側。
[0017]所述引線5的寬度為0.1-0.2111111，在導電基片1的邊緣處進行放大，形成引腳6。
[0018]引線5是採用真空蒸發鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:^+^^^0.08-0.的引線二氧化矽絕緣層38，第二層為厚0.1-0.1200的引線銅鍍層39，第三層為厚
0.1-0.12 0111的引線金鍍層40，最上一層為厚0.05-0.1 0 111的引線二氧化矽保護層41 ；其中，在引腳6處不蒸鍍引線二氧化矽保護層。
[0019]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果。
[0020]本發明在導電基片兩相鄰漏縫之間的筋上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器，可作為獨立的構件安裝在燃料電池流場板和膜電極之間，不影響反應物向膜電極方向的擴散，實現了燃料電池在線運行時對其內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布的同步測量；該裝置的使用不需要對燃料電池流場板或極板等其他結構進行特殊改造，降低了由測量裝置的植入對燃料電池性能的影響；同時，該裝置結構簡單，製作方便，適用範圍廣，可適配於各種流道形狀的燃料電池，如平行流道、蛇形流道、交錯型流道或其它不規則流道形狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布平行漏縫測量插片主觀示意圖；
[0022]圖2為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片上單個溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器的主觀示意圖；
[0023]圖3為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片上單個溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器的製作流程圖；
[0024]圖4為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片上溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器引線的截面主觀示意圖；
[0025]圖5為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布交錯漏縫測量插片主觀示意圖；
[0026]圖6為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布蛇形單漏縫測量插片主觀示意圖；
[0027]圖7為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布蛇形雙漏縫測量插片主觀示意圖；
[0028]圖中，1、導電基片，2、漏縫，3、筋，4、溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器，5、引線，6、引腳，7、定位孔；
[0029]8-15為溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器各層掩膜:8、二氧化矽絕緣層掩膜，9、下電極鋁鍍層掩膜，10、高分子聚合物感溼介質層掩膜，11、上電極鋁鍍層掩膜，12、銅鍍層掩膜，13、鎳鍍層掩膜，14、二氧化娃保護層掩膜，15、二氧化娃厚熱阻層掩膜；
[0030]16-23為根據掩膜製作的溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器各膜層:16、二氧化矽絕緣層，17、下電極鋁鍍層，18、高分子聚合物感溼介質層，19、上電極鋁鍍層，20、銅鍍層，21、鎳鍍層，22、二氧化矽保護層，23、二氧化矽厚熱阻層；
[0031]24-31為溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器的製作步驟:24、步驟一，25、步驟二，26、步驟三，27、步驟四，28、步驟五，29、步驟六，30、步驟七，31、步驟八；
[0032]32、薄膜熱電偶熱端結點，33、薄膜熱電偶接線引出端，34、薄膜熱流計上結點，35、薄膜熱流計下結點，36、薄膜熱流計接線弓丨出端,37、溼敏電容接線弓丨出端；
[0033]38、引線二氧化矽絕緣層，39、引線銅鍍層，40、弓丨線金鍍層，41、引線二氧化矽保護層。

【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0035]參照圖1所示，本發明的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，包括導電基片1、漏縫2、筋3、溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4、引線5、引腳6、定位孔7 ；漏縫2和筋3設置在導電基片1上，其與被測燃料電池流場板上的流道和脊在形狀和尺寸上相同，位置相互對應，在筋3上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4 ；引線5 —端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4相連，另一端延伸至導電基片1的邊緣，用於傳遞溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4產生的電信號；引腳6布置在導電基片1的邊緣並與引線5相連；在導電基片的四周布置有定位孔7，方便該溫度-溼度-熱流密度分布測量插片與燃料電池流場板的定位和固定。為與被測燃料電池的形狀相匹配，導電基片1的形狀可製作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形等。測量時將該測量插片植入燃料電池流場板和膜電極組件之間，通過定位孔7將其固定在燃料電池流場板上，布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極組件方向，並與膜電極組件緊密接觸，漏縫2與燃料電池流場板上的流道相對應，筋3與燃料電池流場板上的脊相對應，以使測量插片的植入不影響反應物向膜電極方向的擴散。同時，布置在測量插片上的溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4對燃料電池內部的溫度、溼度和熱流密度進行測量，產生的電信號通過引線5傳遞至引腳6，數據採集設備的數據輸入端與引腳6相連即可採集到測量插片輸出的電信號，並計算分析出燃料電池內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布。
[0036]參照圖2所示，本發明所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4包括薄膜熱電偶測溫單元、溼敏電容測溼單元和薄膜熱流計測熱流單元，採用真空蒸發鍍膜方法製作，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍在導電基片1兩相鄰漏縫2之間的筋3上的厚為0.08-0.的二氧化矽絕緣層16，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為1.0-1.2 ^ 0的下電極鋁鍍層17，第三層為在下電極鋁鍍層17上方塗覆一層厚為0.5-1 9 0的高分子聚合物感溼介質層18，第四層為在高分子聚合物感溼介質層18上方蒸鍍的厚為1.0-1.2 0 0的上電極鋁鍍層19，第五層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12^111的銅鍍層20，第六層為在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍的厚為0.1-0.12^111的鎳鍍層21，第七層為在上電極鋁鍍層19、銅鍍層20和鎳鍍層21上方蒸鍍的厚為0.08-0.129111的二氧化矽保護層22，第八層為在薄膜熱流計上結點34所對應二氧化矽鍍層的上方蒸鍍一層厚為
1.2-2.011111的二氧化矽厚熱阻層23。
[0037]薄膜熱流計銅鍍層、薄膜熱流計鎳鍍層、二氧化矽保護層22和二氧化矽厚熱阻層23構成了完整的薄膜熱流計，以實現熱流密度的測量，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，其搭接處構成薄膜熱流計上結點和薄膜熱流計下結點。由於薄膜熱流計上結點和薄膜熱流計下結點上的二氧化矽熱阻層厚度不同，從而使熱電堆產生溫差電勢，其與上結點和下結點上二氧化矽熱阻層的厚度差相關，而熱流密度與溫差、二氧化矽熱阻層厚度差及導熱係數相關，由於二氧化矽導熱係數已知，故可計算出熱流密度的大小。
[0038]圖3為單個溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器的製作流程圖:8-15為溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器各層掩膜，16-23為根據掩膜製作的溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器各膜層，24-31為溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器的製作步驟。首先在導電基片1的筋3上根據二氧化矽絕緣層掩膜8蒸鍍一層二氧化矽絕緣層16，作為傳感器的絕緣襯底，與導電基片充分絕緣，從而完成步驟一 24 ；步驟二 25為在二氧化矽絕緣層16上根據下電極鋁鍍層掩膜9蒸鍍一層下電極鋁鍍層17，步驟三26為根據高分子聚合物感溼介質層掩膜10在下電極鋁鍍層17上方塗覆高分子聚合物感溼介質層18，步驟四27為在高分子聚合物感溼介質層18的上方根據上電極鋁鍍層掩膜11蒸鍍一層上電極鋁鍍層19 ；其中，下電極鋁鍍層17、高分聚合物感溼介質層18和上電極鋁鍍層19構成了溼敏電容，實現了溼度的測量；步驟五28為根據銅鍍層掩膜12在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍一層銅鍍層20，步驟六29為根據鎳鍍層掩膜13在二氧化矽絕緣層16上蒸鍍一層鎳鍍層21，其中，銅鍍層20同時包括了薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計銅鍍層，鎳鍍層21同時包括了薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層；步驟七30為在所鍍銅鍍層20、鎳鍍層21和上電極鋁鍍層19的上方根據二氧化矽保護層掩膜14蒸鍍一層二氧化矽保護層22，其即作為薄膜熱電偶和溼敏電容上電極的保護層，又作為薄膜熱流計的薄熱阻層；步驟八31為在薄膜熱流計上結點34所對二氧化矽鍍層的上方根據二氧化矽厚熱阻層掩膜15蒸鍍一層二氧化矽厚熱阻層23 ；由以上步驟構成溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器，外接測量電路和數據採集設備即可實現對燃料電池內部溫度、溼度和熱流密度的同步測量。
[0039]其中，步驟二 25和步驟四27完成的溼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；溼敏電容上電極鋁鍍層19的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，不僅可為圖3所示的蛇形，還可為鋸齒狀、梳狀等其他形狀。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，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點32 ；薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規則形狀等其它形狀，相互搭接後的形狀可為弧形、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為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構成熱電堆，其中至少包括一對薄膜熱流計上結點34、薄膜熱流計下結點35 ；薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為長條形、弧形、菱形等，首位相互搭接後的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、2字形等其它形狀；二氧化矽厚熱阻層23還可位於薄膜熱流計下結點35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，也可採用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
[0040]薄膜熱電偶的首端為薄膜熱電偶接線引出端33，薄膜熱流計的首端為薄膜熱流計接線引出端36，溼敏電容的首端為溼敏電容接線引出端37，其作用為方便與引線5相連，進行電信號的傳導。薄膜熱電偶接線引出端33、薄膜熱流計接線引出端36和溼敏電容接線引出端37不僅可製成如圖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矽絕緣層16的同一側，也可對稱的布置在二氧化矽絕緣層16的兩側，以方便傳感器引線5在導電基片上的布置。
[0041]圖4為溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器引線的截面示意圖，引線5的寬度為
0.1-0.在導電基片1的邊緣處進行放大，形成引腳6，以方便與外接測量電路及設備進行連接。該引線是採用真空蒸發鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:^+^^^0.08-0.的引線二氧化矽絕緣層38，第二層為厚0.1-0.1200的引線銅鍍層39，第三層為厚0.1-0.12 0111的引線金鍍層40，最上一層為厚0.05-0.1 0 111的引線二氧化矽保護層41 ；其中，在引腳6處不蒸鍍引線二氧化矽保護層。
[0042]圖5為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布交錯漏縫測量插片主觀示意圖，其導電基片1上的漏縫2和筋3與交錯型流道流場板上的流道和脊相互對應，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4，引線5的一端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導電基片1的外邊緣並放大形成引腳6，用於溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4電信號的傳遞。
[0043]圖6為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布蛇形單漏縫測量插片主觀示意圖，其導電基片1上的漏縫2和筋3與蛇形單通道流場板上的流道和脊相互對應，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4，引線5的一端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導電基片1的外邊緣並放大形成引腳6，用於溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4電信號的傳遞。
[0044]圖7為燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布蛇形雙漏縫測量插片主觀示意圖，其導電基片1上的漏縫2和筋3與蛇形雙通道流場板上的流道和脊相互對應，兩相鄰漏縫2之間的筋3上布置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4，引線5的一端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至導電基片1的外邊緣並放大形成引腳6，用於溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器4電信號的傳遞。
[0045]採用本發明的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，能夠方便的實現同步在線測量燃料電池內部溫度分布、溼度分布和熱流密度分布；該測量裝置與被測燃料電池獨立，不需要對燃料電池的結構進行特殊改造，結構簡單，製作方便，使用範圍廣。
【權利要求】
1.燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，包括導電基片(I)、漏縫(2)、筋(3)、溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(4)、引線(5)、定位孔(7);所述漏縫(2)、筋(3)設置在導電基片(I)上，筋(3)位於兩相鄰漏縫(2)之間，漏縫(2)和筋(3)的形狀和尺寸分別與燃料電池流場板上流道和脊的形狀和尺寸相同，漏縫(2)和筋(3)的位置分別與燃料電池流場板流道和脊相對應；其特徵在於:所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(4)設置在筋⑶上；引線(5)的一端與溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器⑷的接線引出端相接，另一端延伸至導電基片(I)的邊緣並放大形成引腳(6);定位孔(7)對稱、均勻設置在導電基片(I)四周，用以將導電基片(I)固定在燃料電池流場板上；燃料電池組裝時，燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片布置在燃料電池流場板與膜電極中間，其設置有溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(4)的面朝向膜電極側並與之緊密接觸； 所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(4)包括薄膜熱電偶測溫單元、溼敏電容測溼單元和薄膜熱流計測熱流單元，採用真空蒸發鍍膜方法製作，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍在筋(3)上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化矽絕緣層(16)，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化矽絕緣層(16)上蒸鍍的厚為1.0-1.2μm的下電極鋁鍍層(17)，第三層為在下電極鋁鍍層(17)上方塗覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感溼介質層(18)，第四層為在高分子聚合物感溼介質層(18)上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μm的上電極鋁鍍層(19);所述上電極鋁鍍層(19)、高分子聚合物感溼介質層(18)和下電極鋁鍍層(17)構成了溼敏電容，首端為溼敏電容接線引出端(37)，其中上電極鋁鍍層(19)的形狀為蛇形；第五層為在二氧化矽絕緣層(16)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層(20)，第六層為在二氧化矽絕緣層(16)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層(21);所述銅鍍層(20)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(21)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，搭接處構成薄膜熱電偶熱端結點(32)，首端為薄膜熱電偶接線引出端(33);所述薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構成熱電堆，其中包括薄膜熱流計上結點(34)和薄膜熱流計下結點(35)，首端為薄膜熱流計接線引出端(36);第七層為在上電極鋁鍍層(19)、銅鍍層(20)和鎳鍍層(21)上方蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化矽保護層(22)，第八層為在薄膜熱流計上結點(34)所對應二氧化矽鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化矽厚熱阻層(23)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(33)、薄膜熱流計接線引出端(36)和溼敏電容接線引出端(37)均製作成圓形，且均布置於二氧化矽絕緣層(16)的同一側。
2.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述導電基片(I)的形狀可製作成方形、圓形、多邊形、梯形、三角形、不規則圖形；導電基片(I)上漏縫(2)的形狀可為蛇形漏縫、平行漏縫、孔狀漏縫、交錯型漏縫。
3.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述溼敏電容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。
4.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述上電極鋁鍍層(19)的形狀是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
5.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述測溫和測熱流單元中，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、銻和鈷替代，也可採用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
6.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(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掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規則形狀，相互搭接後的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形；薄膜熱流計銅鍍層和薄膜熱流計鎳鍍層的形狀也是根據掩膜的形狀而設定的，其形狀還可以為長條形、弧形、菱形，首位相互搭接後的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
7.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述二氧化矽厚熱阻層(23)還可位於薄膜熱流計下結點(35)的上方。
8.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述溫度-溼度-熱流密度聯測傳感器(4)中薄膜熱流計至少包括一對薄膜熱流計上結點(34)、薄膜熱流計下結點(35)。
9.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述薄膜熱電偶接線引出端(33)、薄膜熱流計接線引出端(36)和溼敏電容接線引出端(37)的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形，其位置可對稱的布置在二氧化矽絕緣層(16)的兩側。
10.根據權利要求1所述的燃料電池內部溫度-溼度-熱流密度分布測量插片，其特徵在於:所述引線(5)的寬度為0.1-0.2mm，在導電基片⑴的邊緣處進行放大，形成引腳(6)； 引線(5)是採用真空蒸發鍍膜方法蒸鍍的四層薄膜構成:第一層為厚0.08-0.12μπι的引線二氧化矽絕緣層(38)，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層(39)，第三層為厚.0.1-0.12 μ m的引線金鍍層(40)，最上一層為厚0.05-0.1ym的引線二氧化矽保護層(41)；其中，在引腳(6)處不蒸鍍引線二氧化矽保護層。
【文檔編號】G01K7/02GK104406705SQ201410638222
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】郭航, 王政, 葉芳, 馬重芳 申請人:北京工業大學