專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，涉及燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布的測(cè)量，特別涉及一種瞬態(tài)熱流密度分布的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率在理論上可以達(dá)到85% 90%，不受卡諾循環(huán)的限制。由于燃料電池的發(fā)電效率高，減少了 CO2的排放量，與傳統(tǒng)的火電機(jī)相比，CO2排出量可減少40%-60%。研究表明， 當(dāng)一輛小車(chē)使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內(nèi)燃機(jī)時(shí)，其CO2的排放量相對(duì)來(lái)說(shuō)要減少約72%。近年來(lái)的研究表明，以甲醇為燃料的燃料電池，其燃料利用率是汽油內(nèi)燃機(jī)的1. 76倍。當(dāng)燃料電池的燃料為甲醇時(shí)，其反應(yīng)產(chǎn)物為(X)2和水，而當(dāng)燃料為 H2時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，對(duì)環(huán)境零污染。另外，由于燃料電池中的運(yùn)動(dòng)部件很少，工作安靜， 噪音低，可靠性強(qiáng)，因此日益受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。燃料電池內(nèi)的產(chǎn)熱和傳熱知識(shí)對(duì)燃料電池的性能、壽命以及燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)化等至關(guān)重要，另外燃料電池內(nèi)的熱流密度分布影響催化劑的活性、膜的含水量以及傳熱傳質(zhì)等，并且與電流密度分布以及燃料電池的壽命密切相關(guān)，因此得到燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布，能夠確定燃料電池的最佳運(yùn)行工況，為燃料電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助，并能夠?yàn)槿剂想姵氐臄?shù)值建模提供參考。由于燃料電池自身的結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部的熱流密度分布不均勻且是瞬態(tài)的，因此測(cè)量十分困難，迄今為止還沒(méi)有見(jiàn)到燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量相關(guān)的發(fā)表物?，F(xiàn)有的與熱流密度分布相關(guān)的溫度分布測(cè)試方法有兩種穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)法測(cè)溫原理清晰、制作方便、測(cè)量直接、適用的溫度范圍也較寬，但是存在測(cè)量所需時(shí)間長(zhǎng)、體積大、 對(duì)變化著的溫度響應(yīng)有滯后現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足目前所需高瞬態(tài)熱流的測(cè)量指標(biāo)等問(wèn)題。因此薄膜型熱流計(jì)由于響應(yīng)時(shí)間短、準(zhǔn)確性高、熱容量小、對(duì)環(huán)境要求低而備受?chē)?guó)際上研究人員的重視，但其在燃料電池中的應(yīng)用還很少見(jiàn)。隨著科技的發(fā)展、設(shè)備的小型化以及節(jié)能的要求，需要掌握各種設(shè)備熱量的收支情況，因此本實(shí)用新型采用響應(yīng)速度快、靈敏度高、體積小、空間分辨率高的薄膜熱流計(jì)來(lái)進(jìn)行燃料電池內(nèi)部熱流密度分布的測(cè)量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種獨(dú)立的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布的測(cè)量裝置， 它是一種燃料電池的熱流密度分布測(cè)量插片，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、使用方便、成本低，可以測(cè)量燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布情況，無(wú)需對(duì)燃料電池進(jìn)行頻繁的拆卸，也不用對(duì)燃料電池原來(lái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改造。另外，它可以在不破壞流場(chǎng)的情況下，在線(xiàn)測(cè)量燃料電池內(nèi)的熱流密度分布，也可以測(cè)量燃料電池堆中任意一個(gè)或幾個(gè)燃料電池單電池內(nèi)部或單電池之間的熱流密度分布情況。[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，包括雙面鍍金不銹鋼基片1、基片1上的薄膜鍍層構(gòu)成的薄膜熱流計(jì)4、引出線(xiàn)5、與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6、定位孔7 ；基片1上設(shè)置有漏縫2，相鄰的漏縫2之間設(shè)有筋3 ；其特征在于在基片1的末端設(shè)置有與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6，薄膜熱流計(jì)4位于基片1相鄰漏縫2之間的筋3上，其引出線(xiàn)5延伸至基片1的邊緣和與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6相連；燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片39夾裝在燃料電池的膜電極組件41和燃料電池陽(yáng)極流場(chǎng)板38之間，基片1上設(shè)置薄膜熱流計(jì)4的面朝向燃料電池的膜電極組件41， 燃料電池組裝好后基片上的薄膜熱流計(jì)4與燃料電池的膜電極組件41接觸；基片1上的薄膜熱流計(jì)4是采用真空鍍膜技術(shù)在兩個(gè)相鄰漏縫2之間的筋3上設(shè)置有七層薄膜鍍層首先在筋3上設(shè)置薄膜熱流計(jì)4的位置根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜形狀鍍有厚為0. 1-0. 15 μ m 二氧化硅絕緣層，然后在二氧化硅絕緣層上鍍有兩條厚0. 1-0. 2 μ m 的長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層，在二氧化硅熱阻層上下兩面螺旋纏繞厚0. 08-0. 1 μ m的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硅熱阻層的下方相連接形成熱流計(jì)測(cè)頭的下層熱電偶堆，即低溫面的銅-鎳熱電偶堆，同樣金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳在二氧化硅熱阻層的上方相連接形成熱流計(jì)的上層熱電偶堆，即高溫面的銅-鎳熱電偶堆，在長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層的一端，熱流計(jì)測(cè)頭一側(cè)的銅-鎳熱電偶與另一側(cè)的銅-鎳熱電偶串聯(lián)形成熱流計(jì)測(cè)頭的整個(gè)熱電堆，在長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層的另一端，薄膜熱電偶的鍍層與圓形的鍍銅層相連接，在熱流計(jì)測(cè)頭的金屬鍍層上方鍍有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅保護(hù)層?；?是一種導(dǎo)電性能良好的雙面鍍金不銹鋼薄片，基片1的厚為0. 3-0. 5mm，鍍金層的厚度為0. 08-0. 1 μ m ；基片1上所設(shè)置的漏縫2和筋3與待測(cè)燃料電池流場(chǎng)板上的溝槽和脊在幾何尺寸、幾何形狀上相同，在位置上相對(duì)應(yīng)，基片(1)上的漏縫的形狀可以是蛇形的、平行的、孔狀的等，基片1上還設(shè)置與燃料電池位置相對(duì)應(yīng)的定位孔7。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。鍍層的形狀是根據(jù)掩膜設(shè)置的，掩膜是采用0.01mm厚的不銹鋼材料，利用波長(zhǎng)為 MSnm的三倍頻激光加工技術(shù)制作，有掩膜的地方就沒(méi)有鍍層，沒(méi)有掩膜的地方就有鍍層。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(zhǎng)方形、多邊形、波浪形以及不規(guī)則形狀，熱阻層的形狀也可以為長(zhǎng)方形、橢圓形、梯形等?；?上的薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5是采用印刷電路技術(shù)制成，引出線(xiàn)5寬為 0. 05-0. Imm,厚度不超過(guò)0. 3 μ m，由在基片1兩個(gè)相鄰漏縫2之間的筋3上印刷的四層薄膜構(gòu)成的第一層為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(duì)二甲苯保護(hù)層；引出線(xiàn)5的前三層印刷層在長(zhǎng)度和寬度上相同，均延伸至基片1的末端，而最后一層保護(hù)層的寬度和前三層相同，但在長(zhǎng)度上離基片的末端還有5-8mm，只延伸至基片末端與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6處。在基片上相鄰漏縫之間的筋上采用真空鍍膜技術(shù)鍍有一定數(shù)量的薄膜熱流計(jì)，用來(lái)測(cè)量燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布情況。這種測(cè)量裝置測(cè)量準(zhǔn)確，拆裝電池方便，同時(shí)避免了電池中的燃料泄露等問(wèn)題。薄膜熱流計(jì)的掩膜材料選用0. Olmm厚的不銹鋼材料，采用波長(zhǎng)為248nm三倍頻激光加工技術(shù)，制作出尺寸微小的薄膜熱流計(jì)掩模，掩膜的形狀規(guī)整， 尺寸精確。由于基片上漏縫和筋的形狀及尺寸與流場(chǎng)板上溝槽和脊的形狀及尺寸相同，位置相對(duì)應(yīng)，因此基片在燃料電池中安裝好后，反應(yīng)燃料可以通過(guò)流道經(jīng)基片上的漏縫向燃料電池的膜電極組件擴(kuò)散，不影響燃料的傳遞。本實(shí)用新型裝置可適用于燃料電池單電池，安裝在燃料電池流場(chǎng)板和膜電極組件之間；也適用于燃料電池組，其位置不僅可以放置在燃料電池流場(chǎng)板和膜電極組件之間，也可以放置在兩塊單電池之間。可以單測(cè)燃料電池陽(yáng)極或陰極側(cè)的熱流密度分布情況，也可以同時(shí)測(cè)量陰、陽(yáng)兩極熱流密度的分布情況。這種測(cè)量方法不用改變?nèi)剂想姵氐慕Y(jié)構(gòu)，并且可以用于燃料電池堆中任意單電池內(nèi)部的熱流密度測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)方便快速拆卸電池，同時(shí)由于測(cè)量插片很薄并且設(shè)有與流場(chǎng)板相對(duì)應(yīng)的漏縫和筋，使得反應(yīng)燃料能夠很容易到達(dá)膜電極組件，因此插片的存在對(duì)燃料電池的整體性能影響不大。薄膜熱流計(jì)的引出線(xiàn)通過(guò)印刷電路的方法引出，避免了采用宏觀(guān)導(dǎo)線(xiàn)作為引出線(xiàn)導(dǎo)致燃料電池的燃料泄漏等問(wèn)題，在燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片的末端設(shè)有與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口。采用本實(shí)用新型的熱流密度分布測(cè)量技術(shù)測(cè)量燃料電池的內(nèi)部的熱流密度分布 可以使測(cè)量熱流密度分布的裝置獨(dú)立于被測(cè)燃料電池，無(wú)需對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造， 大大簡(jiǎn)化了燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量的步驟；另外，可實(shí)現(xiàn)方便快速的拆卸與組裝電池；該實(shí)用新型裝置可同時(shí)適用于燃料電池單電池與燃料電池組，不僅可以放置在燃料電池流場(chǎng)板與膜電極組件之間，也可以放置在燃料電池堆中任意兩塊單電池之間，既可以單獨(dú)測(cè)量燃料電池陽(yáng)極或陰極的熱流密度分布，也可以同時(shí)測(cè)量燃料電池陰陽(yáng)兩極的熱流密度分布。本實(shí)用新型的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、靈敏度高、制作加工容易、適用范圍廣；可適用于主動(dòng)式燃料電池也可適用于被動(dòng)式燃料電池。

圖1是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布孔狀測(cè)量插片只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口的示意主觀(guān)圖；圖2是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布孔狀測(cè)量插片有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口的示意主觀(guān)圖；圖3是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片上單個(gè)薄膜熱流計(jì)的主觀(guān)示意圖；圖4是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片上單個(gè)薄膜熱流計(jì)的制作流程圖；圖5是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片上薄膜熱流計(jì)的引出線(xiàn)截面圖；圖6是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片在燃料電池中的位置圖；圖7是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布平行漏縫測(cè)量插片示意主觀(guān)圖；圖8是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布蛇形單漏縫測(cè)量插片示意主觀(guān)圖；圖9是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布蛇形雙漏縫測(cè)量插片示意主觀(guān)圖；圖中1、基片，2、流道，3、相鄰流道之間的筋，4、薄膜熱流傳感器，5、引線(xiàn)，6、與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口，7、定位孔；[0029]8-14、各鍍層的掩膜8、二氧化硅絕緣層掩膜，9、低溫面鍍銅層掩膜，10、低溫面鍍鎳層掩膜，11、二氧化硅熱阻層掩膜，12、高溫面鍍銅層掩膜，13、高溫面鍍鎳層掩膜，14、二氧化硅保護(hù)層掩膜；15-21、根據(jù)各鍍層的掩膜形狀形成的鍍層15、二氧化硅絕緣層，16、低溫面鍍銅層，17、低溫面鍍鎳層，18、二氧化硅熱阻層，19、高溫面鍍銅層，20、高溫面鍍鎳層，21、二氧化硅保護(hù)層；22-28、薄膜熱流計(jì)測(cè)頭的制備過(guò)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，觀(guān)、第七步驟；29、薄膜熱流傳感器測(cè)頭與其引出線(xiàn)的連接處，30、熱流傳感器測(cè)頭低溫面熱電堆的節(jié)點(diǎn)，31、熱流傳感器測(cè)頭高溫面的熱電堆節(jié)點(diǎn)；32-35、薄膜熱流傳感器引線(xiàn)的各印刷層，32、引線(xiàn)首層二氧化硅絕緣層，33、引線(xiàn)第二層鍍銅層，34、引線(xiàn)第三層鍍金層，35、引線(xiàn)最后一層聚對(duì)二甲苯保護(hù)層；36 45、待測(cè)燃料電池的兩極端板，37 44、待測(cè)燃料電池的兩極集流板，38 43、待測(cè)燃料電池的流場(chǎng)板，39、為燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，40 42、待測(cè)燃料電池的密封墊片，41、待測(cè)燃料電池的膜電極組件。
具體實(shí)施方式
附圖是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例；
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明參考圖1、2所示，薄膜熱流計(jì)引出線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6的位置及數(shù)量可以根據(jù)需求設(shè)置。如圖1、圖2、圖3所示，本實(shí)用新型包括雙面鍍金不銹鋼基片1，基片厚為0. 3-0. 5mm, 鍍金層厚為0. 08-0. 1 μ m，在基片1上加工有與燃料電池流道的溝槽和脊幾何尺寸相同、幾何形狀相同、位置相對(duì)應(yīng)的漏縫2和筋3，筋3的整個(gè)面上設(shè)有若干個(gè)薄膜熱流計(jì)4，薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5延伸至基片1的邊緣，在引出線(xiàn)5的末端設(shè)置有與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6，圖中7為定位孔。本實(shí)用新型的熱流密度測(cè)量器件和引出線(xiàn)均鍍?cè)?. 3-0. 5mm厚的基片1上，引出線(xiàn)寬為0. 05-0. Imm,厚度不超過(guò)0. 3 μ m，引出線(xiàn)5引到測(cè)量裝置邊緣與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口 6處。通過(guò)與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口 6，外部的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)可以采集并計(jì)算得出燃料電池內(nèi)部的熱流密度數(shù)值，從而得到燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布情況?；?是導(dǎo)電良好的薄片，是在不銹鋼板上雙面鍍金制成。在基片1上加工了若干漏縫2和筋3，漏縫2和筋3的位置與燃料電池流場(chǎng)板上溝槽的位置相對(duì)應(yīng)，形狀和尺寸相同，在筋3的整個(gè)面上設(shè)有若干薄膜熱流計(jì)4，薄膜熱流計(jì)4是根據(jù)掩膜形狀通過(guò)鍍七層薄膜形成的第一層鍍厚為0. 1-0. 15 μ m的二氧化硅絕緣層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的二氧化硅熱阻層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的二氧化硅保護(hù)層21 ；最后鍍的0. 01-0. 02 μ m厚的二氧化硅薄層是為了防止熱流傳感器測(cè)頭磨損并且起到絕緣的作用。參照?qǐng)D3、圖4所示，從圖中我們可以看出燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片39上單個(gè)薄膜熱流計(jì)4的結(jié)構(gòu)及其制作過(guò)程，8-14為各鍍層的掩膜圖，掩膜的形狀可以根據(jù)需要隨意改變，8為二氧化硅絕緣層掩膜，9為低溫面鍍銅層掩膜，10為低溫面鍍鎳層掩膜， 11為二氧化硅熱阻層掩膜，12為高溫面鍍銅層掩膜，13為高溫面鍍鎳層掩膜，14為二氧化硅保護(hù)層掩膜。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(zhǎng)方形、多邊形、波浪形以及不規(guī)則形狀等，熱阻層的形狀也可以為長(zhǎng)方形、橢圓形、梯形等；根據(jù)掩膜的形狀制作出各鍍層，15為二氧化硅絕緣層，16為低溫面鍍銅層，17為低溫面鍍鎳層，18為二氧化硅熱阻層，19為高溫面鍍銅層，20為高溫面鍍鎳層，21為二氧化硅保護(hù)層。如圖4所示，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝流程制作出薄膜熱流計(jì)測(cè)頭，圖中22- 為薄膜熱流計(jì)測(cè)頭的制備過(guò)程，首先在石墨流場(chǎng)板1上相鄰流道2之間的筋3上設(shè)置薄膜熱流傳感器 4的位置鍍上一層二氧化硅絕緣層15，形成步驟一 22，以保證信號(hào)傳導(dǎo)的準(zhǔn)確性；接著在15 上設(shè)置低溫面鍍銅層16，形成第二步驟23 ；在第二步驟23的基礎(chǔ)上設(shè)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(cè)頭的低溫面銅鎳熱電堆，用來(lái)測(cè)量石墨流場(chǎng)板的溫度；在第三步驟M的基礎(chǔ)上設(shè)置二氧化硅熱阻層18，形成第四步驟25 ；在第四步驟25的基礎(chǔ)上設(shè)置高溫面鍍銅層19，形成第五步驟沈；在第五步驟沈的基礎(chǔ)上設(shè)置高溫面鍍鎳層 20，形成第六步驟27，獲得膜熱流傳感器測(cè)頭的低溫面銅鎳熱電堆，用來(lái)測(cè)量離燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)最近的膜電極組件的溫度；在第六步驟27的基礎(chǔ)上設(shè)置薄膜熱流傳感器測(cè)頭的二氧化硅保護(hù)層21，這樣就形成了完整的薄膜熱流傳感器測(cè)頭觀(guān)。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(jié)點(diǎn)，鍍薄膜熱流傳感器測(cè)頭4的引線(xiàn)5與測(cè)頭的連接處四制作成圓形以便于引線(xiàn)5的引出，為了防止薄膜熱流傳感器測(cè)頭的損壞，在測(cè)頭的表面鍍了一層很薄的二氧化硅保護(hù)層21。參照?qǐng)D5所示，插片上單個(gè)薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5為在鍍金不銹鋼板基片1上采用印刷電路技術(shù)制作，圖中32為引出線(xiàn)首層厚0. 1-0. 2 μ m的二氧化硅絕緣層，33為引出線(xiàn)第二層厚0. 08-0. 1 μ m的鍍銅層，34為引出線(xiàn)第三層厚0. 08-0. 1 μ m的鍍金層，35為引出線(xiàn)最后一層厚0. 01-0. 02 μ m的聚對(duì)二甲苯保護(hù)層。引出線(xiàn)的寬為0. 05-0. 1mm，厚度不超過(guò)0. 3 μ m，引出線(xiàn)5的前三層印刷層形狀、尺寸以及位置完全相同，均延伸至基片1的末端， 而最后一層保護(hù)層在形狀及位置上與前三層完全相同，但長(zhǎng)度比前三層短5-8mm，以保證與外電路的設(shè)備相連接時(shí)，測(cè)得的電信號(hào)能夠順利傳出。引出線(xiàn)寬0.05-0. 1mm。每個(gè)薄膜熱流計(jì)4的熱電勢(shì)均是通過(guò)與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6和數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連將信號(hào)傳出。參照?qǐng)D6所示，圖中36和45為待測(cè)燃料電池的兩極端板，37和44為待測(cè)燃料電池的兩極集流板，38和43為待測(cè)燃料電池的流場(chǎng)板，39為燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，40和42為待測(cè)燃料電池的密封墊片，41為待測(cè)燃料電池的膜電極組件。燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量裝置39夾裝在膜電極組件41和燃料電池陽(yáng)極流場(chǎng)板38之間，燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量裝置39上的漏縫2和筋3與陽(yáng)極流場(chǎng)板38上流道的溝槽和脊尺寸、形狀相同，位置相對(duì)應(yīng)，燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量裝置39上鍍有薄膜熱流計(jì)4的面朝向膜電極組件41，以便與燃料電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的部位更為接近，能夠得到燃料電池內(nèi)部最為準(zhǔn)確的熱流密度分布情況。此外，燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片39還可以?shī)A裝在膜電極組件41和燃料電池陰極流場(chǎng)板43之間用來(lái)測(cè)量燃料電池陰極的熱流密度
8分布，也可以同時(shí)在燃料電池的陰、陽(yáng)兩極流場(chǎng)板與膜電極組件41之間夾燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片39，同時(shí)測(cè)量陰、陽(yáng)兩極的熱流密度分布。其中燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片上的漏縫的形狀可以是蛇形的、平行的、孔狀的等，鍍有薄膜熱流計(jì)4的基片 1同時(shí)可以傳導(dǎo)電流。圖7為燃料電池內(nèi)部熱流密度分布平行漏縫測(cè)量裝置示意主觀(guān)圖，鍍金不銹鋼基片1上設(shè)置與燃料電池的平行流道相對(duì)應(yīng)的漏縫2和筋3，薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5同樣利用印刷電路技術(shù)引出到基片1末端與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6處。圖8為燃料電池內(nèi)部熱流密度分布蛇形單漏縫測(cè)量裝置示意主觀(guān)圖，鍍金不銹鋼基片1上設(shè)置與燃料電池的蛇形單流道相對(duì)應(yīng)的漏縫2和筋3，薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5同樣利用印刷電路的技術(shù)引出到基片1末端與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6處。圖9為燃料電池內(nèi)部熱流密度分布蛇形雙漏縫測(cè)量裝置示意主觀(guān)圖，鍍金不銹鋼基片1上設(shè)置與燃料電池的蛇形雙流道相對(duì)應(yīng)的漏縫2和筋3，薄膜熱流計(jì)4的引出線(xiàn)5同樣利用印刷電路的技術(shù)引出到基片1末端與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 6處。本實(shí)用新型是通過(guò)在燃料電池的任意一個(gè)流場(chǎng)板和膜電極組件之間夾裝一塊很薄的燃料電池內(nèi)部熱流密度測(cè)量裝置插片來(lái)測(cè)量燃料電池內(nèi)部的熱流密度分布情況，可以同時(shí)測(cè)量陰陽(yáng)兩極的熱流密度分布，也可以測(cè)量燃料電池堆中任一單電池或單電池之間的熱流密度分布。這種測(cè)量技術(shù)使熱流密度分布測(cè)量裝置和被測(cè)的燃料電池完全獨(dú)立，無(wú)需對(duì)原來(lái)的電池結(jié)構(gòu)做任何改動(dòng)，所以測(cè)量方便，并且加工制作容易，使用范圍廣，可以用于不同類(lèi)型的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布的測(cè)量。
權(quán)利要求1.燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，包括雙面鍍金不銹鋼基片(1)、基片(1) 上的薄膜鍍層構(gòu)成的薄膜熱流計(jì)G)、引出線(xiàn)(5)、與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口(6)、定位孔(7)；基片⑴上設(shè)置有漏縫O)，相鄰的漏縫⑵之間設(shè)有筋⑶；其特征在于在基片的末端設(shè)置有與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口(6)，薄膜熱流計(jì)(4)位于基片(1)相鄰漏縫 ⑵之間的筋⑶上，其引出線(xiàn)(5)延伸至基片⑴的邊緣和與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口 (6)相連；燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片(39)夾裝在燃料電池的膜電極組件Gl) 和燃料電池陽(yáng)極流場(chǎng)板(38)之間，基片(1)上設(shè)置薄膜熱流計(jì)(4)的面朝向燃料電池的膜電極組件(41)，燃料電池組裝好后基片上的薄膜熱流計(jì)(4)與燃料電池的膜電極組件Gl) 接觸；基片(1)上的薄膜熱流計(jì)(4)是采用真空鍍膜技術(shù)在兩個(gè)相鄰漏縫( 之間的筋(3) 上設(shè)置有七層薄膜鍍層在筋( 上設(shè)置薄膜熱流計(jì)(4)的位置根據(jù)二氧化硅絕緣層掩膜形狀鍍有厚為0. 1-0. 15 μ m 二氧化硅絕緣層，在二氧化硅絕緣層上鍍有兩條厚0. 1-0. 2 μ m 的長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層，在二氧化硅熱阻層上下兩面螺旋纏繞厚0. 08-0. 1 μ m的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硅熱阻層的下方相連接形成熱流計(jì)測(cè)頭的下層熱電偶堆，即低溫面的銅-鎳熱電偶堆，同樣金屬鍍層銅和金屬鍍層鎳在二氧化硅熱阻層的上方相連接形成熱流計(jì)的上層熱電偶堆，即高溫面的銅-鎳熱電偶堆，在長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層的一端，熱流計(jì)測(cè)頭一側(cè)的銅-鎳熱電偶與另一側(cè)的銅-鎳熱電偶串聯(lián)形成熱流計(jì)測(cè)頭的整個(gè)熱電堆，在長(zhǎng)條形二氧化硅熱阻層的另一端，薄膜熱電偶的鍍層與圓形的鍍銅層相連接，在熱流計(jì)測(cè)頭的金屬鍍層上方鍍有厚0. 01-0. 02 μ m的二氧化硅保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，其特征在于基片(1)是一種導(dǎo)電性能良好的雙面鍍金不銹鋼薄片，基片(1)的厚為0.3-0. 5mm，鍍金層的厚度為0. 08-0. 1 μ m ；基片(1)上所設(shè)置的漏縫( 和筋C3)與待測(cè)燃料電池流場(chǎng)板上的溝槽和脊在幾何尺寸、幾何形狀上相同，在位置上相對(duì)應(yīng)，基片(1)上的漏縫的形狀可以是蛇形的、平行的、孔狀的，基片(1)上還設(shè)置與燃料電池位置相對(duì)應(yīng)的定位孔(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，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替代，另外，二氧化硅絕緣層材料可以采用氮化鋁代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，其特征在于鍍層的形狀是根據(jù)掩膜設(shè)置的，掩膜是采用0. Olmm厚的不銹鋼材料，利用波長(zhǎng)為248nm的三倍頻激光加工技術(shù)制作，有掩膜的地方就沒(méi)有鍍層，沒(méi)有掩膜的地方就有鍍層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)熱流密度分布測(cè)量插片，其特征在于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(zhǎng)方形、多邊形、波浪形狀，熱阻層的形狀也可以為長(zhǎng)方形、橢圓形、梯形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，其特征在于基片(1) 上的薄膜熱流計(jì)⑷的引出線(xiàn)(5)采用印刷電路技術(shù)制成，引出線(xiàn)(5)寬為0.05-0. Imm, 厚度不超過(guò)0.3 μ m，由在基片(1)兩個(gè)相鄰漏縫( 之間的筋C3)上印刷的四層薄膜構(gòu)成的第一層為0. 1-0. 15 μ m厚的二氧化硅絕緣層，第二層為0. 08-0. Ιμπι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(duì)二甲苯保護(hù)層；引出線(xiàn)( 的前三層印刷層在長(zhǎng)度和寬度上相同，均延伸至基片(1)的末端，而最后一層保護(hù)層的寬度和前三層相同，但在長(zhǎng)度上離基片的末端還有5-8mm，只延伸至基片末端與外電路相連接的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口(6)處。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，是燃料電池內(nèi)部熱流密度分布的測(cè)量裝置，它包括鍍金不銹鋼基片，在基片上設(shè)有與待測(cè)燃料電池流場(chǎng)板上的溝槽和脊在尺寸、形狀上相同，位置相對(duì)應(yīng)的漏縫和筋。在測(cè)量插片上相鄰漏縫或孔之間的筋上設(shè)有薄膜熱流計(jì)，是采用真空鍍膜技術(shù)蒸鍍七層薄膜形成的，薄膜熱流計(jì)的引出線(xiàn)采用印刷電路的方法延伸至基片的邊緣，并設(shè)有與外電路相連的標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)口。測(cè)量插片放置在燃料電池的流場(chǎng)板和膜電極之間。本實(shí)用新型的燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片完全獨(dú)立于被測(cè)對(duì)象，不需要對(duì)燃料電池做任何改造，并且由于插片的放置位置離膜電極非常近，因此測(cè)量的是燃料電池內(nèi)部實(shí)時(shí)的熱流密度分布情況。
文檔編號(hào)G01N25/20GK202171511SQ20112004221
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者葉芳, 聶志華, 郭航, 馬重芳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)