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

背景技术

燃料电池结构紧凑，随着电化学反应的进行，若内部的热量不能被顺利释放，将会引起燃料电池内局部温度异常升高，从而影响膜电极的活性，造成燃料电池性能下降。燃料电池内部热流密度不仅与膜电极上电化学反应速率有关，同时受燃料电池反应物流量、电池组装结构的影响，因此对燃料电池内部热流密度的监控对其性能的优化非常有意义。

对燃料电池性能影响具有同样重要性的另一个因素是内部的湿度，湿度的大小不单影响燃料电池质子交换膜的质子传导，而且还会影响燃料电池内部反应生成物水的多少，同时又会影响燃料电池的传热传质，若燃料电池内部聚集过多的水，将会产生水淹现象，导致反应物不能与膜电极充分接触，性能降低。

因此对燃料电池内部的热流密度和湿度进行监测对燃料电池性能的优化具有非常重要的意义。多数研究者只是针对燃料电池内部的热流密度或湿度进行了测量研究，通过对热流密度的研究而采取的对燃料电池的优化措施并不能确定其对湿度的影响是否有益，这就需要对燃料电池内部的热流密度和湿度进行同步监测，以找到最适宜燃料电池运行的工况和结构。传统的测量方法制作工艺复杂，大多需要对燃料电池的结构进行特殊改造，增加了测量工作的复杂程度，同时也破坏了燃料电池的整体结构，甚至会降低燃料电池的性能。

本发明采用真空蒸发镀膜方法制作，制作工序简单，成本低；在传感器测头上集成了测湿单元和测热流单元，实现了燃料电池内部湿度和热流密度的同步测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同步测量燃料电池内部湿度和热流密度的传感器，以解决燃料电池内部湿度和热流密度联测的问题。该发明采用真空蒸发镀膜方法制作而成，传感器测头集成了湿敏电容测湿单元和薄膜热流计测热流单元，具有结构简单，制作方便，体积小等优点，方便了燃料电池内部湿度和热流密度的测量研究。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部湿度-热流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、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，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。

所述湿度-热流密度联测传感器4集成了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构成湿敏电容测湿单元，首端为湿敏电容接线引出端33，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的薄膜热流计铜镀层18，第六层为在二氧化硅绝缘层14上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的薄膜热流计镍镀层19，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31所对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21；所述薄膜热流计铜镀层18、薄膜热流计镍镀层19、二氧化硅保护层20和二氧化硅厚热阻层21构成薄膜热流计测热流单元，首端为薄膜热流计接线引出端30；所述薄膜热流计铜镀层18和薄膜热流计镍镀层19的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成薄膜热流计上结点31和薄膜热流计下结点32。

所述薄膜热流计接线引出端30和湿敏电容接线引出端33均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层14的同一侧。