燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器的製作方法

2023-12-01 09:47:01 2

專利名稱：燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，涉及燃料電池內部瞬態熱流密度分布的測量，特別涉及一種瞬態熱流密度分布的測量方法。
背景技術：
燃料電池內部的熱流分布不均勻且是瞬變的，由於燃料電池自身特殊的結構使得其內部的熱流密度分布的測量很困難，迄今為止還沒有一種簡單有效的方法，可以準確方便的解決燃料電池內部熱流密度分布的測量問題。由於傳統熱流傳感器的體積大、響應時間長，因此不能準確地反應出燃料電池內部真實的熱流密度分部情況。並且燃料電池內部各種參數的測量方法大多是將傳感器植入燃料電池的流道中，傳感器的引線主要採用宏觀引線，增大了燃料電池的內阻，使燃料電池的整體性能有所降低，如果安裝不當還會導致燃料電池的洩露等問題。另外，每次安裝傳感器的位置不能準確統一，使得在拆裝電池前後所得到的實驗結果對比性較差，所以急需一種簡單有效的測量方法來獲得燃料電池內部的熱流密度分布情況。本發明利用金屬薄膜熱容量小、響應時間短、體積小等優點來製作薄膜熱流傳感器，將薄膜熱流傳感器製作在燃料電池的石墨流場板流道的筋上，引出線採用印刷電路的方法製作。用這種方法測量燃料電池內部的熱流分布有以下優點拆裝電池方便、薄膜熱流傳感器的體積很小，因此對燃料電池的整體性能影響不大，能夠得到燃料電池內部真實的熱流分布。

發明內容
本發明的目的在於提供一種簡單易行的燃料電池內部熱流密度分布的測量方法， 它是將薄膜熱流傳感器與燃料電池的石墨流場板製作為一體，其結構簡單，使用方便，可以測量燃料電池內部的熱流密度分布，無需對燃料電池進行頻繁的拆卸。薄膜熱流傳感器在石墨流場板上的位置固定，因此拆裝燃料電池前後所得到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熱流密度分布情況。本發明的技術方案是這樣實現的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，包括燃料電池石墨流場板1上的薄膜鍍層構成的薄膜熱流傳感器4、引線5、與外電路相連接的標準接線口 6 ；石墨流場板上設置有流道2，流道之間有筋3 ；其特徵在於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，薄膜熱流傳感器4位於石墨流場板1相鄰流道2之間的筋3上，通過引線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上設置薄膜熱流傳感器4的面朝向燃料電池的膜電極組件40，燃料電池組裝好後石墨流場板上的薄膜熱流傳感器4與燃料電池的膜電極組件40接觸；石墨流場板1上的薄膜熱流傳感器4是採用真空鍍膜技術在兩個相鄰流道2之間的筋3上設置有七層薄膜鍍層鍍有兩條厚0. 1-0. 2μπι的長條形二氧化矽熱阻層，二氧化矽熱阻層上交替螺旋纏繞金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳，金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳在二氧化矽熱阻層的下方相連接形成熱流傳感器測頭的下層熱電偶，即低溫面的銅-鎳熱電偶，同樣金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳在二氧化矽熱阻層的上方相連接形成熱流傳感器的上層熱電偶， 即高溫面的銅-鎳熱電偶，在長條形二氧化矽熱阻層的一端，熱流傳感器測頭一側的銅-鎳熱電偶與另一側的銅-鎳熱電偶串聯形成熱流傳感器測頭的整個熱電堆，在長條形二氧化矽熱阻層的另一端，薄膜熱流傳感器的金屬鍍層均與圓形的鍍銅層相接，熱流傳感器的金屬鍍層與石墨流場板之間鍍有二氧化矽絕緣層，金屬鍍層上方鍍有一薄層二氧化矽保護層；具體的操作步驟為在石墨流場板1上，根據設置的掩膜形狀首先鍍厚為0. 1-0. 15 μ m 的二氧化矽絕緣層，第二層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的薄銅層，第三層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的薄鎳層，第四層鍍厚0. 1-0. 2 μ m的二氧化矽熱阻層，第五層鍍厚為0. 08-0. 1 μ m的薄銅層，第六層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的薄鎳層，最後一層鍍厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化矽薄層。石墨流場板上薄膜熱流傳感器4的長和寬均為0. 8-2mm,與石墨流場板1上筋3的寬度相同。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，也可以採用金屬混合物材料如銅和康銅替代，另外，二氧化矽絕緣層材料可以採用氮化鋁等代替。掩膜中熱電堆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，熱阻層的形狀也可以為長方形、橢圓形、梯形等。石墨流場板1上的薄膜熱流計4的引線5是採用印刷電路技術製成，引線5寬為 0. 05-0. Imm,厚度不超過0. 2 μ m，由在石墨流場板1兩個相鄰流道2之間的筋3上印刷的四層薄膜構成的第一層為0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化矽絕緣層，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；引線5的前三層印刷層在長度和寬度上相同，均延伸至石墨流場板的末端，而最後一層保護層的寬度和前三層相同，但只延伸至外電路的標準接線口 6處。薄膜熱流傳感器測頭4的引線5與測頭的連接處四製作成圓形。採用本發明的瞬態薄膜熱流傳感器測量燃料電池內部的熱流密度分布使測量熱流密度分布的薄膜熱流傳感器與燃料電池的石墨流場板製作為一體，可實現方便快速的拆卸與組裝電池；避免了採用宏觀導線導致燃料電池的燃料洩露等問題；測量準確，並且熱流傳感器不易受到破壞。本發明的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器結構簡單，使用方便， 薄膜熱流傳感器的體積小、熱容量低、靈敏度高、製作加工容易，可用於不同流道的燃料電池，同時可適用於主動式燃料電池和被動式燃料電池。


圖1是薄膜熱流傳感器及其引線在孔狀流道石墨流場板上分布的主觀示意圖(有一個標準接線口)；圖2是薄膜熱流傳感器及其引線在孔狀流道石墨流場板上分布的主觀示意圖(有兩個標準接線口)；圖3是燃料電池流場板上單個薄膜熱流傳感器的主觀示意圖；圖4是單個薄膜熱流傳感器的製作流程圖5是薄膜熱流傳感器引線的截面圖；圖6是鍍有薄膜熱流傳感器的石墨流場板在燃料電池中的位置圖；圖7是薄膜熱流傳感器及其引線在石墨流場板上平行流道中分布的主觀示意圖；圖8是薄膜熱流傳感器及其引線在蛇型單通道流道石墨流場板上分布的主觀示意圖；圖9是薄膜熱流傳感器及其引線在蛇型雙通道流道石墨流場板上分布的主觀示意圖；圖中1、燃料電池中的石墨流場板，2、流道，3、相鄰流道之間的筋，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；8-14、各鍍層的掩膜8、二氧化矽絕緣層掩膜，9、低溫面鍍銅層掩膜，10、低溫面鍍鎳層掩膜，11、二氧化矽熱阻層掩膜，12、高溫面鍍銅層掩膜，13、高溫面鍍鎳層掩膜，14、二氧化矽保護層掩膜；15-21、根據各鍍層的掩膜形狀形成的鍍層15、二氧化矽絕緣層，16、低溫面鍍銅層，17、低溫面鍍鎳層，18、二氧化矽熱阻層，19、高溫面鍍銅層，20、高溫面鍍鎳層，21、二氧化矽保護層；22-28、薄膜熱流傳感器測頭的製備過程22、第一步驟，23、第二步驟，24、第三步驟，25、第四步驟，沈、第五步驟，27、第六步驟，洲、第七步驟；29、薄膜熱流傳感器測頭與其引出線的連接處，30、熱流傳感器測頭低溫面熱電堆的節點，31、熱流傳感器測頭高溫面的熱電堆節點；32-35、薄膜熱流傳感器引線的各印刷層，32、引線首層二氧化矽絕緣層，33、引線第二層鍍銅層，34、引線第三層鍍金層，35、引線最後一層聚對二甲苯保護層；(36 44)、待測燃料電池的兩極端板，(37 43)、待測燃料電池的兩極集流板， 38、待測燃料電池的陰極石墨流場板，(39 41)、待測燃料電池的密封墊片，40、待測燃料電池的膜電極組件，42、鍍有薄膜熱流傳感器的燃料電池的陽極石墨流場板。
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、2所示，石墨流場板上薄膜熱流傳感器的標準接線口的位置和數量可以根據需要設置。如圖1、圖2、圖3所示，本發明包括在燃料電池石墨流場板1上相鄰流道2 之間的筋3上鍍有薄膜熱流傳感器4，薄膜熱流傳感器4的引線5延伸至石墨流場板1的邊緣，在引線5的末端設置有與外電路相連接的標準接線口 6，圖中7為定位孔。本發明的熱流密度測量器件，薄膜熱流傳感器4及其引出線5均鍍在石墨流場板1上相鄰流道2之間的筋3上，在薄膜熱流傳感器4及其引線5與石墨流場板1之間鍍有一層二氧化矽絕緣層， 為了防止薄膜熱流傳感器4傳輸的電信號受到導電石墨流場板1的幹擾。薄膜熱流傳感器 4的尺寸很小，長和寬均為0. 8-2mm,因此鍍有薄膜熱流傳感器的石墨流場板在燃料電池中安裝好後，不影響反應燃料的傳輸，也不影響輸出信號的傳導，其引線5寬為0. 05-0. Imm, 厚度不超過0. 2 μ m，引線5引到石墨流場板1邊緣的標準數據接口 6處。通過與外電路相連接的標準接線口 6、外部的數據採集和處理系統可以採集並計算燃料電池內部的熱流密
5度數值，從而得到燃料電池內部的熱流密度分布情況。石墨流場板1的導電性能良好，在相鄰流道2之間的筋3上鍍有若干薄膜熱流傳感器4，薄膜熱流傳感器4是利用真空鍍膜技術根據所設計的掩膜形狀蒸鍍七層薄膜形成的第一層鍍厚為0. 1-0. 15 μ m的二氧化矽絕緣層15，第二層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的低溫面薄銅層16，第三鍍厚0. 08-0. 1 μ m的低溫面薄鎳層17，第四層鍍厚0. 1-0. 2 μ m的二氧化矽熱阻層18，第五層鍍厚為0. 08-0. 1 μ m的高溫面薄銅層19，第六層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的高溫面薄鎳層20，第七層鍍厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化矽保護層21 ；最後鍍的0. 01-0. 02 μ m 厚的二氧化矽薄層是為了防止熱流傳感器測頭磨損並且起到絕緣的作用。參照圖3、圖4為單個薄膜熱流傳感器及其製作過程，圖中8-14為各鍍層的掩膜， 其中掩膜中熱電堆金屬鍍層的形狀可以是圖4中所示的形狀，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，熱阻層的形狀也可以為長方形、橢圓形、梯形等。如圖4所示，圖中15-21為根據各鍍層的掩膜形狀形成的鍍層，22- 為薄膜熱流傳感器測頭的製備過程，共鍍有七層薄膜形成首先在石墨流場板1上相鄰流道2之間的筋 3上設置薄膜熱流傳感器4的位置鍍上一薄層二氧化矽絕緣層15，形成步驟一 22，以保證信號傳導的準確性；接著在15上設置低溫面鍍銅層16，形成第二步驟23 ；在第二步驟23的基礎上設置低溫面鍍鎳層17，形成第三步驟M，獲得薄膜熱流傳感器測頭的低溫面銅-鎳熱電堆，用來測量石墨流場板的溫度；在第三步驟M的基礎上設置二氧化矽熱阻層18，形成第四步驟25 ；在第四步驟25的基礎上設置高溫面鍍銅層19，形成第五步驟沈；在第五步驟 26的基礎上設置高溫面鍍鎳層20，形成第六步驟27，獲得膜熱流傳感器測頭的低溫面銅鎳熱電堆，用來測量離燃料電池的電化學反應最近的膜電極組件的溫度；在第六步驟27的基礎上設置薄膜熱流傳感器測頭的二氧化矽保護層21，這樣就形成了完整的薄膜熱流傳感器測頭觀。圖中，30和31分別為薄膜熱流傳感器的低溫面和高溫面的熱電堆節點，鍍薄膜熱流傳感器測頭4的引線5與測頭的連接處四製作成圓形以便於引線5的引出，為了防止薄膜熱流傳感器測頭的損壞，在測頭的表面鍍了一層很薄的二氧化矽保護層21。如圖5所示，薄膜熱流傳感器4的引線5為在石墨流場板1相鄰流道2之間的筋 3上採用印刷電路技術製作，圖中32-35為薄膜熱流傳感器引線的各印刷層，第一層印刷厚 0. 1-0. 15 μ m的二氧化矽絕緣層32，第二層印刷厚0. 08-0. 1 μ m的薄銅層33，第三層印刷 0. 08-0. 1 μ m的薄金層34，最後印刷0. 01-0. 02 μ m的聚對二甲苯保護層35，引線5印刷層的前三層長度和寬度相同，均延伸至石墨流場板1的末端，在石墨流場板1的末端設置有與外電路相連接的標準接線口 6，而最後一層保護層的寬度和前三層相同，但是長度延伸至石墨流場板1的末端與外電路相連接的標準接線口 6處，引線5寬0. 05-0. 1mm。每個薄膜熱流傳感器4的熱電勢通過與外電路相連接的標準接線口 6和數據採集儀及數據處理系統相連將信號傳出。參照圖6，以主動式燃料電池為例，鍍有薄膜熱流傳感器的燃料電池的陽極石墨流場板42上有薄膜熱流傳感器4的面朝向膜電極組件40。燃料電池組裝好後，薄膜熱流傳感器4與燃料電池的膜電極組件40接觸，這樣就使得測量器件與燃料電池的電化學反應最為接近，能夠真實的反應出燃料電池內部的熱流分布情況。圖中36和44為待測燃料電池的兩極端板，37和43為待測燃料電池的兩極集流板，38為待測燃料電池的陰極石墨流場板，39和41為待測燃料電池的密封墊片，40為待測燃料電池的膜電極組件，42為鍍有薄膜熱流傳感器的燃料電池的陽極石墨流場板。其中燃料電池石墨流場板的流道可以是蛇形流道、 平行流道、孔狀流道等，鍍有薄膜熱流傳感器4的石墨流場板1同時可以傳導電流，並且可以同時在燃料電池的陰、陽兩極放置鍍有薄膜熱流傳感器4的石墨流場板1，分別測量燃料電池陰陽兩極的熱流密度分布。圖7為燃料電池內薄膜熱流傳感器4在石墨流場板平行流道上的示意主觀圖，兩個相鄰平行流道2之間的筋3典型寬為0. 8-2mm,薄膜熱流傳感器4的引線5延伸至石墨流場板1的邊緣。圖8為燃料電池內薄膜熱流傳感器4在蛇型單通道石墨流場板上的示意主觀圖， 同樣，蛇型流道的相鄰兩個流道2之間的筋3典型寬為0. 8-2mm，薄膜熱流傳感器4的引線 5延伸至石墨流場板1的邊緣。圖9為燃料電池內薄膜熱流傳感器4在石墨流場板1蛇型雙通道流道上的示意主觀圖，兩個相鄰蛇型雙通道流道2之間的筋3典型寬為0. 8-2mm，薄膜熱流傳感器4的引線 5延伸至石墨流場板1的邊緣。本發明是通過在燃料電池石墨流場板相鄰流道之間的筋上鍍有一定數量的薄膜熱流傳感器來進行燃料電池內部熱流密度的測量，可以同時測量燃料電池陰陽兩極的熱流密度分布情況。這種測量技術使熱流分布傳感器和燃料電池製作成為一體，拆裝電池方便， 測量方便，並且加工製作容易，由於薄膜熱流傳感器體積很小，因此其安裝後對燃料電池的整體性能影響不大，測量器件與燃料電池內部的電化學反應區域最為接近，測量的數據最準確可靠。另外，對於同一燃料電池，拆裝前後實驗數據的對比性較強，熱流測量裝置也不易受到損壞。
權利要求
1.燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，包括燃料電池石墨流場板(1)上的薄膜鍍層構成的薄膜熱流傳感器、引線(5)、與外電路相連接的標準接線口(6)；石墨流場板上設置有流道O)，流道之間有筋(3)；其特徵在於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)，薄膜熱流傳感器(4)位於石墨流場板(1)相鄰流道(2)之間的筋(3) 上，通過引線(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)上設置薄膜熱流傳感器的面朝向燃料電池的膜電極組件(40)，燃料電池組裝好後石墨流場板上的薄膜熱流傳感器(4)與燃料電池的膜電極組件GO)接觸；石墨流場板(1)上的薄膜熱流傳感器(4)是採用真空鍍膜技術在兩個相鄰流道(2)之間的筋( 上設置有七層薄膜鍍層鍍有兩條厚0. 1-0. 2μπι的長條形二氧化矽熱阻層，二氧化矽熱阻層上交替螺旋纏繞金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳，金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳在二氧化矽熱阻層的下方相連接形成熱流傳感器測頭的下層熱電偶，即低溫面的銅-鎳熱電偶，金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳同樣在二氧化矽熱阻層的上方相連接形成熱流傳感器的上層熱電偶， 即高溫面的銅-鎳熱電偶，在長條形二氧化矽熱阻層的一端，熱流傳感器測頭一側的銅-鎳熱電偶與另一側的銅-鎳熱電偶串聯形成熱流傳感器測頭的整個熱電堆，在長條形二氧化矽熱阻層的另一端，薄膜熱流傳感器的金屬鍍層均與圓形的鍍銅層相接，熱流傳感器的金屬鍍層與石墨流場板之間鍍有二氧化矽絕緣層，金屬鍍層上方鍍有一薄層二氧化矽保護層；具體的操作步驟為在石墨流場板(1)上，根據設置的掩膜形狀首先鍍厚為0. 1-0. 15 μ m的二氧化矽絕緣層，第二層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的薄銅層，第三層鍍厚0. 08-0. 1 μ m的薄鎳層，第四層鍍厚0. 1-0. 2 μ m的二氧化矽熱阻層，第五層鍍厚為0. 08-0. 1 μ m的薄銅層，第六層鍍厚 0. 08-0. 1 μ m的薄鎳層，最後一層鍍厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化矽薄層。
2.根據權利要求1所述的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，其特徵在於石墨流場板上薄膜熱流傳感器⑷的長和寬均為0.8-2mm，與石墨流場板⑴上筋(3)的寬度相同。
3.根據權利要求1所述的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，其特徵在於所述的鍍層材料中，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，也可以採用金屬混合物材料如銅和康銅替代，另外，二氧化矽絕緣層材料可以採用氮化鋁等代替。
4.根據權利要求1所述的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，其特徵在於掩膜中熱電堆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，熱阻層的形狀也可以為長方形、橢圓形、梯形等。
5.根據權利要求1所述的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，其特徵在於石墨流場板⑴上的薄膜熱流計⑷的引線(5)是採用印刷電路技術製成，引線(5)寬為 0. 05-0. 1mm，厚度不超過0. 2 μ m，由在石墨流場板(1)兩個相鄰流道(2)之間的筋(3)上印刷的四層薄膜構成的第一層為0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化矽絕緣層，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；引線(5)的前三層印刷層在長度和寬度上相同，均延伸至石墨流場板的末端，而最後一層保護層的寬度和前三層相同，但只延伸至外電路的標準接線口(6)處。
6.根據權利要求1所述的燃料電池內部瞬態薄膜熱流傳感器，其特徵在於薄膜熱流傳感器測頭的引線(5)與測頭的連接處09)製作成圓形。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池內部熱流密度分布的測量方法，是在燃料電池石墨流場板相鄰流道之間的筋上，採用真空鍍膜技術設有一定數量的薄膜熱流計，來進行燃料電池內部熱流密度分布的測量。單個薄膜熱流計是在石墨流場板的筋上蒸鍍七層薄膜形成的，薄膜熱流計的鍍層是根據掩膜的形狀而定的，第一層鍍二氧化矽絕緣層，第二、三層鍍金屬薄膜熱電偶，第四層鍍二氧化矽熱阻層，第五、六層鍍金屬薄膜熱電偶，最後一層鍍熱流計測頭的保護層。薄膜熱流計的引線是在石墨流場板的筋上利用印刷電路工藝延伸至流場板的邊緣，並設有與外電路相連的標準接線口。該測量方法簡單，加工製作容易，測量準確，使用方便。
文檔編號H01M8/04GK102175339SQ20111004058
公開日2011年9月7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