[发明专利]燃料电池内部温度-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热参数测量领域，涉及燃料电池内部温度和热流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-热流密度联测传感器。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的清洁、高效的能量转换装置，其阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，质子通过燃料电池内的质子交换膜进行传递，电子则通过外电路联通而产生电能，理论上其发电效率可达85％-90％，能量转化效率高达40％-60％，且不受卡诺循环的限制，由于其高效的燃料利用率及能量转换效率，故可有效的节约能源。燃料电池最突出的特点之一是对环境的友好性，当燃料为氢气时，其产物仅为纯净的水；当燃料为甲醇时其反应产物为水和CO₂；当以天然气等富氢气体为燃料时，可比热机过程减少40％的CO₂排放量，由此燃料电池的使用可大大减少对环境的污染。由于燃料电池具有的高效节能、无污染、低噪声的特点，因此受到了国内外研究人员的广泛关注和研究。

燃料电池的电化学反应全部集中在膜电极的催化层上，其内部传热传质对电化学反应速率有很大影响。燃料电池内部温度分布的均匀性及热量能否顺利排出电池体对膜电极上的电化学反应有着至关重要的作用，而燃料电池反应气体的浓度、水的分布、电池结构又是影响温度分布和热量传递的重要因素。因此，对于温度和热流密度的测量将有助于确定电池最佳运行工况和设计结构，找到强化传热传质的有效途径，从而提高燃料电池性能。

由于燃料电池结构紧凑，故要测量出其内部的瞬态温度和热流密度则会非常困难。传统的测温方法大多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。但这些方法也带来很大的弊端，使燃料电池膜电极不能与燃料充分反应，从而使电池的性能降低。另外，也可采用红外热成像测温法来测得燃料电池内部的温度分布。但由于燃料电池的结构封闭，要测得燃料电池内部的温度分布，需要改变电池结构，采用特殊材料制作燃料电池的端板，使此方法实施起来尤为的复杂，同时，又由于燃料电池在运行过程中会产生水，这也将严重影响红外热成像法测温的准确性。对于燃料电池内部热流密度的测量，传统的测量方法由于传感器体积大，响应慢，因此不能真实的反应出燃料电池内部的热流密度分布。

温度分布和热流密度分布是研究燃料电池内部传热传质影响的重要参数，薄膜型热电偶和热流计由于其体积小，制作工艺简单，响应速度快，灵敏度高等优点，在燃料电池内部热参数测量中的应用受到了越来越多的关注。燃料电池的传热传质研究当中，往往需要同时知道燃料电池内部的温度和热流密度的变化，若分别测量燃料电池内的温度分布和热流密度分布，需要制作多组布置有传感器的流场板，并需多次拆装燃料电池，这大大增加了工作成本，同时多次拆装燃料电池也给测量数据的对比带来许多不一致性，即使在同一燃料电池中同时植入薄膜热电偶和薄膜热流计，但其累计效果也将大大影响膜电极的有效反应面积，从而降低燃料电池的性能。

本发明使传感器同时具备测温和测热流密度的功能，制作方法简单，工序简洁，提高了工作效率；应用此传感器，能同时监测燃料电池内部局部的温度和热流密度，减少电池多参数测量而所需的拆装次数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传感器能在线同步测量燃料电池内部温度和热流密度。该温度-热流密度联测传感器采用真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板上蒸镀五层薄膜构成，其结构简单，制作方便，体积小，降低了传感器植入对燃料电池性能带来的影响。

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-热流密度联测传感器，其中包括燃料电池流场板1、温度-热流密度联测传感器4、引线5，且在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，温度-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-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-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。