[發明專利]燃料電池內部濕度-熱流密度聯測傳感器

在審

• 申請號: 201410636169.6
• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN104359950A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 郭航;王政;葉芳;馬重芳
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01K17/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于燃料電池內部熱參數測量領域，涉及燃料電池內部濕度和熱流密度的測量，特別涉及燃料電池內部濕度-熱流密度聯測傳感器。

背景技術

燃料電池結構緊湊，隨著電化學反應的進行，若內部的熱量不能被順利釋放，將會引起燃料電池內局部溫度異常升高，從而影響膜電極的活性，造成燃料電池性能下降。燃料電池內部熱流密度不僅與膜電極上電化學反應速率有關，同時受燃料電池反應物流量、電池組裝結構的影響，因此對燃料電池內部熱流密度的監控對其性能的優化非常有意義。

對燃料電池性能影響具有同樣重要性的另一個因素是內部的濕度，濕度的大小不單影響燃料電池質子交換膜的質子傳導，而且還會影響燃料電池內部反應生成物水的多少，同時又會影響燃料電池的傳熱傳質，若燃料電池內部聚集過多的水，將會產生水淹現象，導致反應物不能與膜電極充分接觸，性能降低。

因此對燃料電池內部的熱流密度和濕度進行監測對燃料電池性能的優化具有非常重要的意義。多數研究者只是針對燃料電池內部的熱流密度或濕度進行了測量研究，通過對熱流密度的研究而采取的對燃料電池的優化措施并不能確定其對濕度的影響是否有益，這就需要對燃料電池內部的熱流密度和濕度進行同步監測，以找到最適宜燃料電池運行的工況和結構。傳統的測量方法制作工藝復雜，大多需要對燃料電池的結構進行特殊改造，增加了測量工作的復雜程度，同時也破壞了燃料電池的整體結構，甚至會降低燃料電池的性能。

本發明采用真空蒸發鍍膜方法制作，制作工序簡單，成本低；在傳感器測頭上集成了測濕單元和測熱流單元，實現了燃料電池內部濕度和熱流密度的同步測量。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能同步測量燃料電池內部濕度和熱流密度的傳感器，以解決燃料電池內部濕度和熱流密度聯測的問題。該發明采用真空蒸發鍍膜方法制作而成，傳感器測頭集成了濕敏電容測濕單元和薄膜熱流計測熱流單元，具有結構簡單，制作方便，體積小等優點，方便了燃料電池內部濕度和熱流密度的測量研究。

為實現上述技術目的，本發明的技術方案如下：燃料電池內部濕度-熱流密度聯測傳感器，包括燃料電池流場板1、濕度-熱流密度聯測傳感器4、引線5，在燃料電池流場板1上設有流道2和脊3，濕度-熱流密度聯測傳感器4設置在燃料電池流場板1兩相鄰流道2之間的脊3上，引線5的一端與濕度-熱流密度聯測傳感器4的接線引出端相接，另一端延伸至燃料電池流場板1的邊緣；燃料電池組裝時，燃料電池流場板1上布置有濕度-熱流密度聯測傳感器4的面朝向燃料電池膜電極側并與之緊密接觸。

所述濕度-熱流密度聯測傳感器4集成了濕敏電容測濕單元和薄膜熱流計測熱流單元，采用真空蒸發鍍膜方法制作，包括八層薄膜：第一層為蒸鍍在脊3上的厚為0.08-0.12μm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1.0-1.2μm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0.5-1μm的高分子聚合物感濕介質層16，第四層為在高分子聚合物感濕介質層層16上方蒸鍍的厚為1.0-1.2μm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層16和下電極鋁鍍層15構成濕敏電容測濕單元，首端為濕敏電容接線引出端33，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0.1-0.12μm的薄膜熱流計銅鍍層18，第六層為在二氧化硅絕緣層14上蒸鍍的厚為0.1-0.12μm的薄膜熱流計鎳鍍層19，第七層為在先前鍍層的基礎上蒸鍍的厚為0.08-0.12μm的二氧化硅保護層20，第八層為在薄膜熱流計上結點31所對的二氧化硅鍍層上方蒸鍍一層厚為1.2-2.0μm的二氧化硅厚熱阻層21；所述薄膜熱流計銅鍍層18、薄膜熱流計鎳鍍層19、二氧化硅保護層20和二氧化硅厚熱阻層21構成薄膜熱流計測熱流單元，首端為薄膜熱流計接線引出端30；所述薄膜熱流計銅鍍層18和薄膜熱流計鎳鍍層19的形狀分別為相互平行的四邊形，首尾相互搭接，搭接處構成薄膜熱流計上結點31和薄膜熱流計下結點32。

所述薄膜熱流計接線引出端30和濕敏電容接線引出端33均制作成圓形，且均布置于二氧化硅絕緣層14的同一側。