[发明专利]燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池内部参数测量领域，涉及燃料电池内部温度、湿度和热流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-湿度-热流密度联测传感器。

背景技术

燃料电池的性能一直是研究人员所关注的重点，其受许多参数的影响，如燃料电池内部温度、反应气体压力、湿度、燃料电池结构等。

燃料电池的结构紧凑，如果设计不合理，将使内部产生的热量很难排出到电池体外，就会引起燃料电池内局部温度的异常升高，在一定范围内部有助于燃料电池性能的提高，但超过一定范围(>80℃)将会影响膜电极上催化剂的活性，严重的将造成膜电极失效。燃料电池内部湿度控制也是尤为重要的，湿度的高低不仅影响燃料电池内质子交换膜的质子传递能力，还会影响燃料电池内部生成水的多少。若湿度不够，质子交换膜干涸，燃料电池的性能将会大幅降低，而湿度过高，燃料电池内部会集聚过多的凝结水，严重的会产生水淹现象，阻碍反应物向膜电极的传递，也会造成燃料电池性能的下降。

因此，对燃料电池内部的多参数进行测量研究是十分有必要的，而传统的研究大多集中于单一参数的研究，如通过在燃料电池内部植入热电偶、热电阻或微型传感器来进行温度的测量；通过特殊加工燃料电池流场板植入湿度传感器来进行湿度的测量。这些方法大多需要对燃料电池进行特殊的改造，制作复杂，成本高，而且每种参数测量对燃料电池的改造不具有通用性，甚至需要多次拆装燃料电池，严重影响了燃料电池性能的稳定。

本发明在温度-湿度-热流密度联测传感器上集成了测温、测湿和测热流单元，实现了对燃料电池内部温度、湿度和热流密度的同步联测，不需要对燃料电池的流场板等其他部件进行特殊改造，方便了燃料电池内部的多参数测量，同时减低了成本，减少了燃料电池的拆装次数，保证了燃料电池性能的稳定。

发明内容

本发明的目的在于解决燃料电池内部温度、湿度和热流密度多参数联测的问题，该发明包括八层薄膜，采用真空蒸发镀膜方法将测温、测湿和测热流单元集成在一个传感器之上，实现了对燃料电池内部温度、湿度和热流密度的同步测量；该发明具有工序简单，制作方便，体积小等优点，方便了燃料电池内部温度、湿度和热流密度的测量。

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-湿度-热流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-湿度-热流密度联测传感器4、引线5，在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，温度-湿度-热流密度联测传感器4)设置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与温度-湿度-热流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有温度-湿度-热流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。

所述温度-湿度-热流密度联测传感器4包括薄膜热电偶测温单元、湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括八层薄膜：第一层为蒸镀在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层14，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层15，第三层为在下电极铝镀层15上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层16，第四层为在高分子聚合物感湿介质层16上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层17；所述上电极铝镀层17、高分子聚合物感湿介质层16和下电极铝镀层15构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端35，其中上电极铝镀层17的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的铜镀层18，第六层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的镍镀层19；所述铜镀层18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19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30，首端为薄膜热电偶接线引出端31；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，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32和薄膜热流计下结点33，首端为薄膜热流计接线引出端34；第七层为在先前镀层的基础上蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层20，第八层为在薄膜热流计上结点32所对应二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层21。