燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片

摘要

燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片，是燃料电池内部温度、热流密度和电流密度分布的测量装置，其在导电基片两相邻漏缝之间的筋上布置有温度-热流密度-电流密度联测传感器，导电基片上的漏缝和筋与燃料电池流场板的流道和脊相互对应，电信号通过引线传递至外接测量电路及数据采集设备；温度-热流密度-电流密度联测传感器是由采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的七层薄膜构成。本发明可实现对燃料电池内部温度、热流密度和电流密度分布的同步在线测量；该装置可作为独立的构件安装于燃料电池内部，无需对燃料电池的结构进行特殊改造，可适配于平行流道、蛇形流道、交错形流道或其他流道形状的燃料电池流场板。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测 量插片，属于燃料电池检测技术领域。

背景技术

燃料电池内部的参数能够反映出燃料电池运行过程中传热传质 的变化情况，对于掌握燃料电池最佳运行工况和优化传热传质过程 有重要的意义。许多研究人员针对燃料电池内部的温度、热流密度 和电流密度展开了多种方法的测量，以探索燃料电池运行过程中传 热传质的机理和需找提高燃料电池性能的办法。

燃料电池内部温度场的均匀程度很大程度上影响到燃料电池膜 电极表面上电化学反应的均匀性程度，从而影响到了燃料电池的性 能；燃料电池结构设计的合理与否会对其内部热量的释放产生重要 的影响，热量传递的好坏也会影响温度场的分布；燃料电池内部的 局部电流密度能够反映出反应物流量、水淹状况、接触电阻等因素 对燃料电池性能的影响，通过测量燃料电池内部的局部电流密度可 以预测燃料电池内部的水淹情况，气体分别情况；因此可以看出， 温度、热流密度和电流密度对燃料电池内部的传热传质有很大的影 响，通过测量该参数有助于寻找强化燃料电池内部传热传质的途径， 提高燃料电池的性能。

温度的测量，传统的方法主要是将微型温度传感器、热电偶或 热电阻埋入燃料电池的流道中，或与燃料电池的膜电极热压为一体， 这些方法不仅加工制作困难，而且测温元件的植入也破坏了燃料电 池整体结构的气密性，甚至降低了膜电极的活性面积，进而影响到 了燃料电池的性能；电流密度测量，主要方法有子电池法、局部膜 电极法、磁环组法等，这些方法大多需要对燃料电池的极板或流场 板进行加工改造或分割膜电极组件，加工难度大、工艺复杂、制作 成本高。而对燃料电池内部的参数进行逐一测量，无疑增加了测量 工作的复杂程度和工作量，同时对燃料电池性能的稳定也有很大的 影响，因此制作能够同步测量燃料电池内部多种参数的测量装置是 很有必要的。

本发明的燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片 能够实现同步在线测量燃料电池内部温度、热流密度和电流密度的 分布情况，独立于被测燃料电池，不需要对被测燃料电池的结构进 行特殊改造，减少了对燃料电池的拆装次数，从而降低了由于多参 数分布测量而带来的成本增加和工作量增加，也减少了对燃料电池 性能的破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同步在线测量燃料电池内部温度 分布、热流密度分布和电流密度分布的装置。该装置独立于被测燃 料电池，结构简单，制作方便，无需对燃料电池内部结构进行特殊 改造，简化了燃料电池内部温度、热流密度和电流密度分布测量的 步骤。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部 温度-热流密度-电流密度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、 筋3、温度-热流密度-电流密度联测传感器4、引线5、定位孔7；所 述漏缝2、筋3设置在导电基片1上，筋3位于两相邻漏缝2之间， 漏缝2和筋3的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形 状和尺寸相同，漏缝2和筋3的位置分别与燃料电池流场板流道和 脊相对应；所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4设置在筋3上； 引线5的一端与温度-热流密度-电流密度联测传感器4的接线引出端 相接，另一端延伸至导电基片1的边缘并放大形成引脚6；定位孔7 对称、均匀设置在导电基片1四周，用以将导电基片1固定在燃料 电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部温度-热流密度-电流 密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有 温度-热流密度-电流密度联测传感器4的面朝向膜电极侧并与之紧密 接触。

所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4为采用真空蒸发镀膜 方法在筋3上蒸镀的七层薄膜：第一层为厚0.08-0.12μm的二氧化硅 绝缘层15，第二层为蒸镀在二氧化硅绝缘层15上厚为0.1-0.12μm的 铜镀层16，第三层为蒸镀在二氧化硅绝缘层15上厚为0.1-0.12μm的 镍镀层17；所述铜镀层16同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计 铜镀层；所述镍镀层17同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍 镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形， 中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点29，首端为薄膜热 电偶接线引出端30；所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的 形状分别为相互平行的四边形，且首尾相互搭接，搭接处构成热电 堆，其中包括薄膜热流计上结点31和薄膜热流计下结点32，首端为 薄膜热流计接线引出端33；第四层为在铜镀层16和镍镀层17上方 蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层18，第五层为在薄膜热流 计上结点31所对应的二氧化硅镀层上方蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的 二氧化硅厚热阻层19，第六层为在先前镀层基础上蒸镀的一层厚为 1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层20，第七层为在电流密度测量铜镀 层20上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层21；所述 电流密度测量铜镀层20和电流密度测量金镀层21相互重叠，构成 了电流密度测量金属镀层34，首端为电流密度测量金属镀层接线引 出端35。

所述薄膜热电偶接线引出端30、薄膜热流计接线引出端33和电 流密度测量金属镀层接线引出端35均制作成圆形，且均布置于二氧 化硅绝缘层15的同一侧。

所述导电基片1的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、 三角形、不规则图形；导电基片1上漏缝2的形状可为蛇形漏缝、 平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。

所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中由铜和镍组成的薄 膜热电偶和薄膜热流计金属镀层材料还可以选用钨和镍、铜和钴、 钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。

所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层 和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还 可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后 的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。

所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中薄膜热流计铜镀层 和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还 可为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧 形、波浪形、Z字形。

所述二氧化硅厚热阻层19还可位于薄膜热流计下结点32的上 方。

所述温度-热流密度-电流密度联测传感器4中的薄膜热流计至少 包括一对薄膜热流计上结点31、薄膜热流计下结点32。

所述电流密度测量铜镀层20和电流密度测量金镀层21的形状 是根据掩膜的形状而设定的，其形状可为方形、圆形、椭圆形、梯 形。

所述薄膜热电偶接线引出端30、薄膜热流计接线引出端32和电 流密度测量金属镀层接线引出端35可分别相对的布置于二氧化硅绝 缘层15的两侧，其形状还可制作为椭圆形、矩形、梯形、三角形。

引线5的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片1的边缘处进行放大， 形成引脚6。

引线5是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层 为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层36，第二层为厚0.1-0.12μm 的引线铜镀层37，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层38，最上一 层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层39；其中，在引脚6处不 蒸镀引线二氧化硅保护层39。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明的燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片， 在导电基片的筋上布置有温度-热流密度-电流密度联测传感器，可在 燃料电池运行过程中实现对燃料电池内部温度、热流密度和电流密 度分布的同步测量；与燃料电池组装时，该发明装置布置于燃料电 池流场板和膜电极中间，其结构与被测燃料电池独立，不需要对燃 料电池流场板或极板等其他结构进行特殊改造，降低了由测量装置 的植入对燃料电池性能的影响；同时，该装置结构简单，制作方便， 适用范围广，可适配于平行流道、蛇形流道、交错形流道或其它不 规则流道形状的燃料电池流场板。

附图说明

图1为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布平行漏缝测量 插片主观示意图；

图2为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片上单 个温度-热流密度-电流密度联测传感器的主观示意图；

图3为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片上单 个温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作流程图；

图4为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量插片上温 度-热流密度-电流密度联测传感器引线的截面主观示意图；

图5为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布交错漏缝测量 插片主观示意图；

图6为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布蛇形单漏缝测 量插片主观示意图；

图7为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布蛇形双漏缝测 量插片主观示意图；

图中，1、导电基片，2、漏缝，3、筋，4、温度-热流密度-电流 密度联测传感器，5、引线，6、引脚，7、定位孔；

8-14为温度-热流密度-电流密度联测传感器各镀层掩膜：8、二 氧化硅绝缘层掩膜，9、铜镀层掩膜，10、镍镀层掩膜，11、二氧化 硅保护层掩膜，12、二氧化硅厚热阻层掩膜，13、电流密度测量铜 镀层掩膜，14、电流密度测量金镀层掩膜；

15-21为根据掩膜蒸镀的温度-热流密度-电流密度联测传感器各 个镀层：15、二氧化硅绝缘层，16、铜镀层，17、镍镀层，18、二 氧化硅保护层，19、二氧化硅厚热阻层，20、电流密度测量铜镀层， 21、电流密度测量金镀层；

22-28为温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作过程：22、 步骤一，23、步骤二，24、步骤三，25、步骤四，26、步骤五，27、 步骤六，28、步骤七；

29、薄膜热电偶热端结点，30、薄膜热电偶接线引出端，31、 薄膜热流计上结点，32、薄膜热流计下结点，33、薄膜热流计接线 引出端，34、电流密度测量金属镀层，35、电流密度测量金属镀层 接线引出端；

36、引线二氧化硅绝缘层，37、引线铜镀层，38、引线金镀层， 39、引线二氧化硅保护层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-热流密度-电流密度 分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-热流密度-电流 密度联测传感器4、引线5、引脚6、定位孔7；漏缝2和筋3设置 在导电基片1上，其与被测燃料电池流场板上的流道和脊在形状和 尺寸上相同，位置相互对应，在筋3上布置有温度-热流密度-电流密 度联测传感器4；引线5一端与温度-热流密度-电流密度联测传感器 4相连，另一端延伸至导电基片1的边缘，用于传递温度-热流密度- 电流密度联测传感器4产生的电信号；引脚6布置在导电基片1的 边缘并与引线5相连；在导电基片的四周布置有定位孔7，方便该温 度-热流密度-电流密度分布测量插片与燃料电池流场板的定位和固 定。为与被测燃料电池的形状相匹配，导电基片1的形状可制作成 方形、圆形、多边形、梯形、三角形等。测量时将该测量插片植入 燃料电池流场板和膜电极组件之间，通过定位孔7将其固定在燃料 电池流场板上，布置有温度-热流密度-电流密度联测传感器4的面朝 向燃料电池膜电极组件方向，并与膜电极组件紧密接触，漏缝2与 燃料电池流场板上的流道相对应，筋3与燃料电池流场板上的脊相 对应，以使测量插片的植入不影响反应物向膜电极方向的扩散。同 时，布置在测量插片上的温度-热流密度-电流密度联测传感器4对燃 料电池内部的温度、热流密度和电流密度进行测量，产生的电信号 通过引线5传递至引脚6，数据采集设备的数据输入端与引脚6相连 即可采集到测量插片输出的电信号，并计算分析出燃料电池内部温 度分布、热流密度分布和电流密度的分布。

参照图2所示，本发明所述的温度-热流密度-电流密度联测传感 器4是由采用真空蒸发镀膜方法在导电基片1的筋3上蒸镀的七层 薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层15，第二层为 蒸镀在二氧化硅绝缘层15上厚为0.1-0.12μm的铜镀层16，第三层为 蒸镀在二氧化硅绝缘层15上厚为0.1-0.12μm的镍镀层17，第四层为 在铜镀层16和镍镀层17上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保 护层18，第五层为在薄膜热流计上结点31所对应的二氧化硅镀层上 方蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层19，第六层为在先前 镀层基础上蒸镀的一层厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层20，第 七层为在电流密度测量铜镀层20上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的电 流密度测量金镀层21；由于铜和金均为热的良导体，导热系数很高， 加之蒸镀的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层都很薄，因 此蒸镀在薄膜热流计和薄膜热电偶上层的电流密度测量金属镀层对 薄膜热流计和薄膜热电偶测量精度的干扰可以忽略。

薄膜热流计铜镀层、薄膜热流计镍镀层、二氧化硅保护层18和 二氧化硅厚热阻层19构成了完整的薄膜热流计，以实现热流密度的 测量，其测量原理为：由铜镀层和镍镀层首尾相互搭接构成热电堆， 由于薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点上的二氧化硅热阻层厚 度不同，从而使热电堆产生温差电势，其与上结点和下结点上二氧 化硅热阻层的厚度差相关，而热流密度与温差、二氧化硅热阻层厚 度差及导热系数相关，由于二氧化硅导热系数已知，故可计算出热 流密度的大小。

图3为单个温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作流程图： 8-14为温度-热流密度-电流密度联测传感器各镀层掩膜，15-21为根 据掩膜蒸镀的温度-热流密度-电流密度联测传感器各个镀层，22-28 为温度-热流密度-电流密度联测传感器的制作过程。首先根据二氧化 硅绝缘层掩膜8蒸镀一层二氧化硅绝缘层15，作为传感器的绝缘衬 底，从而完成步骤一22；步骤二23为在二氧化硅绝缘层15上根据 铜镀层掩膜9蒸镀一层铜镀层16，步骤三24为根据镍镀层掩膜10 在二氧化硅绝缘层15上蒸镀一层镍镀层17；其中，铜镀层16同时 包括了薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层，镍镀层17同时包括 了薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；步骤四25为在所镀铜镀 层16和镍镀层17的上方根据二氧化硅保护层掩膜11蒸镀一层二氧 化硅保护层18，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计 的二氧化硅薄热阻层；步骤五26为在薄膜热流计上结点31所对应 的二氧化硅镀层上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜12蒸镀一层二氧化 硅厚热阻层19，其中薄膜热流计铜镀层、薄膜热流计镍镀层、二氧 化硅保护层18和二氧化硅厚热阻层19构成了完整的薄膜热流计， 实现了热流密度的测量；步骤六27为在先前镀层的基础上根据电流 密度测量铜镀层掩膜13，蒸镀一层电流密度测量铜镀层20，步骤七 28为在电流密度测量铜镀层20的上方根据电流密度测量金镀层掩膜 14蒸镀一层电流密度测量金镀层21；其中电流密度测量铜镀层20 和电流密度测量金镀层21相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层 34，实现了电流密度的测量；由以上步骤构成温度-热流密度-电流密 度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池 内部温度分布、热流密度分布和电流密度分布的同步测量。

其中，步骤二23所蒸镀的铜镀层16同时包括了薄膜热电偶铜 镀层和薄膜热流计铜镀层，同样，步骤三24所蒸镀的镍镀层17同 时包括了薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层。薄膜热电偶铜镀 层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构 成薄膜热电偶热端结点29，用以实现温度测量；其薄膜热电偶铜镀 层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状 还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状等其它形状， 相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形等。薄膜热流计铜镀 层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互 搭接，搭接处构成热电堆，其中至少包括一对薄膜热流计上结点31 和薄膜热流计下结点32，其中薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀 层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧 形、菱形等，薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的搭接后形状 可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形等其它形状；二氧化硅厚热阻层 19还可位于薄膜热流计下结点32的上方。薄膜热电偶和薄膜热流计 中的金属镀层材料还可为钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴等替代， 也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。步骤六27和步骤七28 完成的电流密度测量铜镀层20和电流密度测量金镀层21的形状也 可根据掩膜的形状而改变，可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯 形、不规则图形等其它形状。

薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端30，薄膜热流计的 首端为薄膜热流计接线引出端33，电流密度测量金属镀层的首端为 电流密度测量金属镀层接线引出端35，其作用为方便与引线5相连， 进行电信号的传导。薄膜热电偶接线引出端30、薄膜热流计接线引 出端33和电流密度测量金属镀层接线引出端35的形状不仅可为图3 所示的形状，还可制作为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状， 其位置可均布置在二氧化硅绝缘层15的同一侧，也可相对的布置在 二氧化硅绝缘层15的两侧，即当薄膜热流计接线引出端33位于二 氧化硅绝缘层15的上侧时，薄膜热电偶接线引出端30和电流密度 测量金属镀层接线引出端35布置在与薄膜热流计接线引出端33相 对的二氧化硅绝缘层15的另一侧，以方便传感器引线5在导电基片 上的布置。

参照图4所示，引线5的宽度为0.1-0.2mm，在导电基片1的边 缘处进行放大，形成接线引脚6，以方便与外接测量电路及设备进行 连接。该引线是采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一 层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层36，第二层为厚 0.1-0.12μm的引线铜镀层37，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层 38，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层39；其中，在 接线引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层39。

图5为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布交错漏缝测量 插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与交错型流道流 场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有温 度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密度 -电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基片 1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-热流密度-电流密度联测传 感器4电信号的传递。

图6为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布蛇形单漏缝测 量插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与蛇形单通道 流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有 温度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密 度-电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基 片1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-热流密度-电流密度联测 传感器4电信号的传递。

图7为燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布蛇形双漏缝测 量插片主观示意图，其导电基片1上的漏缝2和筋3与蛇形双通道 流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3上布置有 温度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5的一端与温度-热流密 度-电流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至导电基 片1的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-热流密度-电流密度联测 传感器4电信号的传递。

采用本发明的燃料电池内部温度-热流密度-电流密度分布测量 插片，能够方便的实现同步在线测量燃料电池内部温度、热流密度 和电流密度的分布情况；该测量装置与被测燃料电池独立，不需要 对燃料电池的结构进行特殊改造，结构简单，制作方便，使用范围 广，即可实现单体燃料电池内部温度、热流密度和电流密度分布的 测量，也可实现燃料电池堆内部温度、热流密度和电流密度的测量。