[发明专利]燃料电池内部温度-湿度-电流密度联测传感器

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、湿度和局部电流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-湿度-电流密度联测传感器。

背景技术

燃料电池的性能受多种因素的影响，如温度，湿度，反应气体浓度、流量等。通过对燃料电池内部温度、湿度和电流密度的测量，能够反映出多种影响因素对燃料电池性能影响的机理，因此燃料电池内部参数的测量受到越来越多研究人员的关注。

对于温度测量，传统的测量方法大多是将热电偶、热电阻或微型温度传感器植入燃料电池内或与燃料电池的膜电极热压成一体，这些方法大多需要对燃料电池的流场板或极板进行特殊改造，加工复杂；与燃料电池膜电极热压成一体，容易对膜电极的性能产生影响，同时制作成本高。对于湿度测量，方法有通过在燃料电池流场板上开孔，植入湿度传感器来对燃料电池内部的湿度进行测量，该方法需要对燃料电池的流场板进行特殊的加工改造，加工难度大，且对燃料电池的密封性有一定的破坏性；另外，还有采用刻蚀工艺制作湿度传感器以植入燃料电池内部进行湿度测量的方法。电流密度的测量，方法主要有子电池法、膜电极分割法、磁环组法等，大多需要对燃料电池的极板进行特殊改造，制作复杂，加工难度大。

同时，若分别对温度、湿度和电流密度进行测量，需要对燃料电池进行多次拆装或对燃料电池的结构进行特殊的改造。由于燃料电池的性能的影响因素非常多，多次的拆装或结构的改变都会对其性能有很大的影响，也使得前后数据对比缺乏准确性。

本发明通过采用真空蒸发镀膜方法，将薄膜热电偶、湿敏电容和电流密度测量金属镀层集成于一个传感器之上，实现了燃料电池内部温度、湿度和电流密度的同步测量，减少了对燃料电池的拆装次数，可方便的布置在燃料电池流场板上，不需要对燃料电池的流场板进行特殊改造，保证了燃料电池性能的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能对燃料电池内部温度、湿度和电流密度进行联测的传感器。该发明结构简单，制作方便，在燃料电池流场板上的布置位置灵活。

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-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-湿度-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器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-电流密度联测传感器4包括薄膜热电偶测温单元、湿敏电容测湿单元和电流密度测量金属镀层测电流单元，采用真空蒸发镀膜方法制作，包括九层薄膜：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15，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为1.0-1.2μm的下电极铝镀层16，第三层为在下电极铝镀层16上方涂覆一层厚为0.5-1μm的高分子聚合物感湿介质层17，第四层为在高分子聚合物感湿介质层17上方蒸镀的厚为1.0-1.2μm的上电极铝镀层18；所述上电极铝镀层18、高分子聚合物感湿介质层17和下电极铝镀层16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18的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶铜镀层19，第六层为在二氧化硅绝缘层15上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热电偶镍镀层20；所述薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20构成了薄膜热电偶，首端为薄膜热电偶接线引出端34；薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20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33；第七层为在上电极铝镀层18、薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层21，第八层为在薄膜热电偶铜镀层19和薄膜热电偶镍镀层20所在的二氧化硅保护层21的上方蒸镀一层厚为1.5-2.0μm的电流密度测量铜镀层22，第九层为在电流密度测量铜镀层22的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12μm的电流密度测量金镀层23；所述电流密度测量铜镀层22和电流密度测量金镀层23相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层36，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端37。