燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，屬于燃料電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，其溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器主要采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括八層薄膜：首層為二氧化硅絕緣層，第二層為下電極鋁鍍層，第三層涂覆高分子聚合物感濕介質(zhì)，第四層蒸鍍上電極鋁鍍層，第五、六層分別蒸鍍銅鍍層和鎳鍍層，第七層為二氧化硅保護(hù)層，第八層為二氧化硅厚熱阻層。溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器布置在燃料電池流場(chǎng)板的脊上，引線一端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器相連另一端延伸至流場(chǎng)板的邊緣。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量，無需對(duì)燃料電池流場(chǎng)板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造。
【專利說明】燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，涉及燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的測(cè)量，特別涉及燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池的性能一直是研究人員所關(guān)注的重點(diǎn)，其受許多參數(shù)的影響，如燃料電池內(nèi)部溫度、反應(yīng)氣體壓力、濕度、燃料電池結(jié)構(gòu)等。
[0003]燃料電池的結(jié)構(gòu)緊湊，如果設(shè)計(jì)不合理，將使內(nèi)部產(chǎn)生的熱量很難排出到電池體夕卜，就會(huì)引起燃料電池內(nèi)局部溫度的異常升高，在一定范圍內(nèi)部有助于燃料電池性能的提高，但超過一定范圍(>80°C)將會(huì)影響膜電極上催化劑的活性，嚴(yán)重的將造成膜電極失效。燃料電池內(nèi)部濕度控制也是尤為重要的，濕度的高低不僅影響燃料電池內(nèi)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳遞能力，還會(huì)影響燃料電池內(nèi)部生成水的多少。若濕度不夠，質(zhì)子交換膜干涸，燃料電池的性能將會(huì)大幅降低，而濕度過高，燃料電池內(nèi)部會(huì)集聚過多的凝結(jié)水，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生水淹現(xiàn)象，阻礙反應(yīng)物向膜電極的傳遞，也會(huì)造成燃料電池性能的下降。
[0004]因此，對(duì)燃料電池內(nèi)部的多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量研究是十分有必要的，而傳統(tǒng)的研究大多集中于單一參數(shù)的研究，如通過在燃料電池內(nèi)部植入熱電偶、熱電阻或微型傳感器來進(jìn)行溫度的測(cè)量；通過特殊加工燃料電池流場(chǎng)板植入濕度傳感器來進(jìn)行濕度的測(cè)量。這些方法大多需要對(duì)燃料電池進(jìn)行特殊的改造，制作復(fù)雜，成本高，而且每種參數(shù)測(cè)量對(duì)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(yán)重影響了燃料電池性能的穩(wěn)定。
[0005]本發(fā)明在溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器上集成了測(cè)溫、測(cè)濕和測(cè)熱流單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步聯(lián)測(cè)，不需要對(duì)燃料電池的流場(chǎng)板等其他部件進(jìn)行特殊改造，方便了燃料電池內(nèi)部的多參數(shù)測(cè)量，同時(shí)減低了成本，減少了燃料電池的拆裝次數(shù)，保證了燃料電池性能的穩(wěn)定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度多參數(shù)聯(lián)測(cè)的問題，該發(fā)明包括八層薄膜，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法將測(cè)溫、測(cè)濕和測(cè)熱流單元集成在一個(gè)傳感器之上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量；該發(fā)明具有工序簡(jiǎn)單，制作方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)，方便了燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的測(cè)量。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，包括燃料電池流場(chǎng)板1、溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5，在燃料電池流場(chǎng)板I上設(shè)有流道2和脊3，溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4)設(shè)置在燃料電池流場(chǎng)板I兩相鄰流道2之間的脊3上，引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場(chǎng)板I的邊緣；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板I上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側(cè)并與之緊密接觸。
[0008]所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元和薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)谌剂想姵亓鲌?chǎng)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14，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的下電極鋁鍍層15，第三層為在下電極鋁鍍層15上方涂覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質(zhì)層16，第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層16上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的上電極鋁鍍層17 ;所述上電極鋁鍍層17、高分子聚合物感濕介質(zhì)層16和下電極鋁鍍層15構(gòu)成了濕敏電容，首端為濕敏電容接線引出端35，其中上電極鋁鍍層17的形狀為蛇形；第五層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層18，第六層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層19 ;所述銅鍍層18同時(shí)包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層；所述鎳鍍層19同時(shí)包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)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(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)30，首端為薄膜熱電偶接線引出端31 ;所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀分別為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)33，首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端34 ;第七層為在先前鍍層的基礎(chǔ)上蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層20，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32所對(duì)應(yīng)二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層21。
[0009]所述薄膜熱電偶接線引出端31、薄膜熱流計(jì)接線引出端34和濕敏電容接線引出端35均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層14的同一側(cè)。
[0010]溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟包括步驟一 22、步驟二 23、步驟三24、步驟四25、步驟五26、步驟六27、步驟七28、步驟八29 ;具體而言，步驟一 22，在燃料電池流場(chǎng)板I的脊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14 ;步驟二 23，在二氧化硅絕緣層14上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜7蒸鍍一層下電極鋁鍍層15 ;步驟三24，根據(jù)高分子聚合物感濕介質(zhì)層掩膜8在下電極鋁鍍層15上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質(zhì)層16 ;步驟四25，在高分子聚合物感濕介質(zhì)層16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17 ;步驟五26，根據(jù)銅鍍層掩膜10在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍一層銅鍍層18 ;步驟六27，根據(jù)鎳鍍層掩膜11在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍一層鎳鍍層19 ;步驟七28，在所鍍銅鍍層18、鎳鍍層19和上電極鋁鍍層17的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜12蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層20，其即作為薄膜熱電偶和濕敏電容上電極的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的薄熱阻層；步驟八29，在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32所對(duì)應(yīng)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜13蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層21 ;由以上步驟構(gòu)成溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，外接測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量。
[0011 ] 所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4中二氧化硅絕緣層14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。
[0013]所述上電極鋁鍍層17的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
[0014]所述薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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、銻和鈷代，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
[0015]所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形；薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形，首位相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
[0016]所述薄膜熱流計(jì)中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)33 ;二氧化硅厚熱阻層21還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)33的上方。
[0017]所述薄膜熱電偶接線引出端31、薄膜熱流計(jì)接線引出端34和濕敏電容接線引出端35的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形，其位置還可分別對(duì)稱的布置在二氧化硅絕緣層14的兩側(cè)。
[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(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層36，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層37，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層38，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層39。
[0019]引線二氧化硅絕緣層36與引線銅鍍層37和引線金鍍層38在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層39與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)板邊緣處，
要略短于前三層。
[0020]所述燃料電池流場(chǎng)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(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0022]本發(fā)明是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括八層薄膜，其將薄膜熱電偶測(cè)溫單元、薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元和濕敏電容測(cè)濕單元集成在溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量；該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，體積小，布置在燃料電池電池內(nèi)部不需要對(duì)燃料電池的流場(chǎng)板等其他構(gòu)件進(jìn)行特殊改造，降低了對(duì)燃料電池內(nèi)部密封性的破壞，并且該發(fā)明可布置于各種流道形狀的燃料電池流場(chǎng)板上，可實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部單點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在平行流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0024]圖2為燃料電池流場(chǎng)板上單個(gè)溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的主觀示意圖；
[0025]圖3為燃料電池流場(chǎng)板上單個(gè)溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖；
[0026]圖4為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器引線的截面主觀示意圖；
[0027]圖5為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在插指型流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0028]圖6為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形單通道流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0029]圖7為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形多通道流道流場(chǎng)板上布置的主觀示意圖；
[0030]圖中，1、燃料電池流場(chǎng)板，2、流道，3、脊，4、溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，5、引線；
[0031]6-13為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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(zhì)層掩膜，9、上電極鋁鍍層掩膜，10、銅鍍層掩膜，11、鎳鍍層掩膜，12、二氧化硅保護(hù)層掩膜，13、二氧化硅厚熱阻層掩膜；
[0032]14-21為根據(jù)掩膜制作的溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器各膜層:14、二氧化硅絕緣層，15、下電極鋁鍍層，16、高分子聚合物感濕介質(zhì)層，17、上電極鋁鍍層，18、銅鍍層，19、鎳鍍層，20、二氧化硅保護(hù)層，21、二氧化硅厚熱阻層；
[0033]22-29為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟:22、步驟一，23、步驟二，24、步驟三，25、步驟四，26、步驟五，27、步驟六，28、步驟七，29、步驟八；
[0034]30、薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)，31、薄膜熱電偶接線引出端，32、薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)，33、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)，34、薄膜熱流計(jì)接線弓丨出端,35、濕敏電容接線弓丨出端；
[0035]36、引線二氧化硅絕緣層，37、引線銅鍍層，38、弓丨線金鍍層，39、引線二氧化硅保護(hù)層。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0037]參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器包括燃料電池流場(chǎng)板1、溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4、引線5 ;在燃料電池流場(chǎng)板I上設(shè)有流道2和脊3，溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4設(shè)置在燃料電池流場(chǎng)板I兩相鄰流道2之間的脊3上，引線5的一端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場(chǎng)板I的邊緣，用于傳遞傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)；該溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端通過引線5與外測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，即可實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板I上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側(cè)并與之緊密接觸。
[0038]參照?qǐng)D2所示，本發(fā)明所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元和薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)制作而成，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)谌剂想姵亓鲌?chǎng)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14，作為傳感器的絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的下電極鋁鍍層15，第三層為在下電極鋁鍍層15上方涂覆一層厚為0.5-1 μ m的高分子聚合物感濕介質(zhì)層16，第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層16上方蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的上電極鋁鍍層17，第五層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層18，第六層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為
0.1-0.12 μ m的鎳鍍層19，第七層為在先前鍍層的基礎(chǔ)上蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層20，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32所對(duì)應(yīng)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21。
[0039]薄膜熱流計(jì)銅鍍層、薄膜熱流計(jì)鎳鍍層、二氧化硅保護(hù)層20和二氧化硅厚熱阻層21構(gòu)成了完整的薄膜熱流計(jì)，以實(shí)現(xiàn)熱流密度的測(cè)量，其測(cè)量原理為:由薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層首尾相互搭接構(gòu)成熱電堆，其搭接處構(gòu)成薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)。由于薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)上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(shì)，其與上結(jié)點(diǎn)和下結(jié)點(diǎn)上二氧化硅熱阻層的厚度差相關(guān)，而熱流密度與溫差、二氧化硅熱阻層厚度差及導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)，由于二氧化硅導(dǎo)熱系數(shù)已知，故可計(jì)算出熱流密度的大小。
[0040]圖3為單個(gè)溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作流程圖:6-13為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器各層掩膜，14-21為根據(jù)掩膜制作的溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器各膜層，22-29為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟。首先在燃料電池流場(chǎng)板I的脊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14，作為傳感器的襯底，并與燃料電池流場(chǎng)板充分絕緣，從而完成步驟一 22 ;步驟二 23為在二氧化硅絕緣層14上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜7蒸鍍一層下電極鋁鍍層15，步驟三24為在下電極鋁鍍層15上方根據(jù)高分子聚合物感濕介質(zhì)層掩膜8涂覆一層高分子聚合物感濕介質(zhì)層16，步驟四25為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層16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17 ；其中，下電極鋁鍍層15、高分聚合物感濕介質(zhì)層16和上電極鋁鍍層17構(gòu)成了濕敏電容，實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量；步驟五26為根據(jù)銅鍍層掩膜10在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍一層銅鍍層18，步驟六27為根據(jù)鎳鍍層掩膜11在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍一層鎳鍍層19，其中，銅鍍層18同時(shí)包括了薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層，鎳鍍層19同時(shí)包括了薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層；步驟七28為在所鍍銅鍍層18、鎳鍍層19和上電極鋁鍍層17的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜12蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層20，其即作為薄膜熱電偶和濕敏電容的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的薄熱阻層；步驟八29為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32所對(duì)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜13蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層21 ;由以上步驟構(gòu)成溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，外接測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量。
[0041]其中，溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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 23和步驟四25完成的濕敏電容上電極和下電極的金屬材料還可選用金、銅、鉬等其他金屬替代；其中，上電極鋁鍍層17的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而定的，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(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)30 ;薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱電偶鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀等其它形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形等。薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)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(gòu)成熱電堆，其中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)32和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)33 ;薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形等，搭接后形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形等其它形狀；二氧化硅厚熱阻層21還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)33的上方。薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
[0042]薄膜熱電偶的首端為薄膜熱電偶接線引出端31，薄膜熱流計(jì)的首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端34，濕敏電容的首端為濕敏電容接線引出端35，其作用為方便與引線5相連，進(jìn)行電信號(hào)的傳導(dǎo)。薄膜熱電偶接線引出端31、薄膜熱流計(jì)接線引出端34和濕敏電容接線引出端35不僅可制成如圖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硅絕緣層14的同一側(cè)，也可對(duì)稱的布置在二氧化硅絕緣層14的兩側(cè)。
[0043]圖4為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層36，第二層為厚0.1-0.12 μ m的引線銅鍍層37，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層38，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層39 ;引線二氧化硅絕緣層36與引線銅鍍層37和引線金鍍層38在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層39與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)板邊緣處，要略短于前三層，以方便與外接數(shù)據(jù)采集設(shè)備的引線連接。
[0044]圖5為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在插指型流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在插指型流道流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0045]圖6為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形單通道流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0046]圖7為溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器在蛇形多通道流道流場(chǎng)板上的布置示意圖，在流場(chǎng)板的脊上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器4，引線5 —端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器接線引出端相接，另一端延伸至流場(chǎng)板邊緣。
[0047]本發(fā)明的溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器是采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，將薄膜熱電偶、薄膜熱流計(jì)和濕敏電容集成于傳感器之上，實(shí)現(xiàn)了燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步聯(lián)測(cè)；該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，體積小，無需對(duì)燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊改造，保證了燃料電池性能的穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，包括燃料電池流場(chǎng)板(I)、溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)、引線(5)，在燃料電池流場(chǎng)板(I)上設(shè)有流道(2)和脊(3)，溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)設(shè)置在燃料電池流場(chǎng)板(I)兩相鄰流道(2)之間的脊⑶上，引線(5)的一端與溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器⑷的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場(chǎng)板(I)的邊緣；燃料電池組裝時(shí)，燃料電池流場(chǎng)板(I)上布置有溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)的面朝向燃料電池膜電極側(cè)并與之緊密接觸；其特征在于: 所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)包括薄膜熱電偶測(cè)溫單元、濕敏電容測(cè)濕單元和薄膜熱流計(jì)測(cè)熱流單元，采用真空蒸發(fā)鍍膜方法制作，包括八層薄膜:第一層為蒸鍍?cè)谌剂想姵亓鲌?chǎng)板⑴兩相鄰流道⑵之間的脊⑶上的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅絕緣層(14)，作為絕緣襯底，第二層為在二氧化硅絕緣層(14)上蒸鍍的厚為1.0-1.2μπι的下電極鋁鍍層(15)，第三層為在下電極鋁鍍層(15)上方涂覆一層厚為0.5-1μπι的高分子聚合物感濕介質(zhì)層(16)，第四層為在高分子聚合物感濕介質(zhì)層(16)上方蒸鍍的厚為1.0-1.2 μ m的上電極鋁鍍層(17);所述上電極鋁鍍層(17)、高分子聚合物感濕介質(zhì)層(16)和下電極鋁鍍層(15)構(gòu)成了濕敏電容，首端為濕敏電容接線引出端(35)，其中上電極鋁鍍層(17)的形狀為蛇形；第五層為在二氧化硅絕緣層(14)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的銅鍍層(18)，第六層為在二氧化硅絕緣層(14)上蒸鍍的厚為0.1-0.12 μ m的鎳鍍層(19);所述銅鍍層(18)同時(shí)包括薄膜熱電偶銅鍍層和薄膜熱流計(jì)銅鍍層；所述鎳鍍層(19)同時(shí)包括薄膜熱電偶鎳鍍層和薄膜熱流計(jì)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(zhǎng)條形，中間相互搭接，搭接處構(gòu)成薄膜熱電偶熱端結(jié)點(diǎn)(30)，首端為薄膜熱電偶接線引出端(31);所述薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀分別為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構(gòu)成熱電堆，其中包括薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(32)和薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(33)，首端為薄膜熱流計(jì)接線引出端(34);第七層為在先前鍍層的基礎(chǔ)上蒸鍍的厚為0.08-0.12 μ m的二氧化硅保護(hù)層(20)，第八層為在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(32)所對(duì)應(yīng)二氧化硅鍍層的上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚熱阻層(21)； 所述薄膜熱電偶接線引出端(31)、薄膜熱流計(jì)接線引出端(34)和濕敏電容接線引出端(35)均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層(14)的同一側(cè)。 溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制作步驟包括步驟一(22)、步驟二(23)、步驟三(24)、步驟四(25)、步驟五(26)、步驟六(27)、步驟七(28)、步驟八(29);具體而言，步驟一(22)，在燃料電池流場(chǎng)板(I)的脊(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(14);步驟二(23)，在二氧化硅絕緣層(14)上根據(jù)下電極鋁鍍層掩膜(7)蒸鍍一層下電極鋁鍍層(15);步驟三(24)，根據(jù)高分子聚合物感濕介質(zhì)層掩膜(8)在下電極鋁鍍層(15)上方涂覆一層高分子聚合物感濕介質(zhì)層(16);步驟四(25)，在高分子聚合物感濕介質(zhì)層(16)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(17);步驟五(26)，根據(jù)銅鍍層掩膜(10)在二氧化硅絕緣層(14)上蒸鍍一層銅鍍層(18);步驟六(27)，根據(jù)鎳鍍層掩膜(11)在二氧化硅絕緣層(14)上蒸鍍一層鎳鍍層(19);步驟七(28)，在所鍍銅鍍層(18)、鎳鍍層(19)和上電極鋁鍍層(17)的上方根據(jù)二氧化硅保護(hù)層掩膜(12)蒸鍍一層二氧化硅保護(hù)層(20)，其即作為薄膜熱電偶和濕敏電容上電極的保護(hù)層，又作為薄膜熱流計(jì)的薄熱阻層；步驟八(29)，在薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(32)所對(duì)應(yīng)的二氧化硅鍍層上方根據(jù)二氧化硅厚熱阻層掩膜(13)蒸鍍一層二氧化硅厚熱阻層(21);由以上步驟構(gòu)成溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，外接測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度、濕度和熱流密度的同步測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器(4)中二氧化硅絕緣層(14)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(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述上電極鋁鍍層(17)的形狀是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可為鋸齒狀、梳狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述薄膜熱電偶和薄膜熱流計(jì)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、銻和鈷代，也可采用金屬混合物材料如銅和康銅替代。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)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(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為橢圓形、弧形、波浪形、菱形以及不規(guī)則形狀，相互搭接后的形狀可為弧形、波浪形、鋸齒形；薄膜熱流計(jì)銅鍍層和薄膜熱流計(jì)鎳鍍層的形狀也是根據(jù)掩膜的形狀而設(shè)定的，其形狀還可以為長(zhǎng)條形、弧形、菱形，首位相互搭接后的形狀可為鋸齒形、弧形、波浪形、Z字形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述薄膜熱流計(jì)中至少包括一對(duì)薄膜熱流計(jì)上結(jié)點(diǎn)(32)、薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(33) ;二氧化硅厚熱阻層(21)還可位于薄膜熱流計(jì)下結(jié)點(diǎn)(33)的上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述薄膜熱電偶接線引出端(31)、薄膜熱流計(jì)接線引出端(34)和濕敏電容接線引出端(35)的形狀還可為橢圓形、矩形、梯形、三角形，其位置還可分別對(duì)稱的布置在二氧化硅絕緣層(14)的兩側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于: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(gòu)成:第一層為厚0.08-0.12 μ m的引線二氧化硅絕緣層(36)，第二層為厚0.1-0.12μπι的引線銅鍍層(37)，第三層為厚0.1-0.12 μ m的引線金鍍層(38)，最上一層為厚0.05-0.1 μ m的引線二氧化硅保護(hù)層(39)； 引線二氧化硅絕緣層(36)與引線銅鍍層(37)和引線金鍍層(38)在形狀、位置和尺寸上均一致，引線二氧化硅保護(hù)層(39)與前三層在形狀和位置上相同，但在靠近流場(chǎng)板邊緣處，要略短于前三層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池內(nèi)部溫度-濕度-熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，其特征在于:所述燃料電池流場(chǎng)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。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK104360273SQ201410636313
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】郭航, 王政, 葉芳, 馬重芳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)