[发明专利]一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置

权利要求书

1.一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：包括监测单元、上位机、报警器；

所述监测单元包括柔性电容式传感器、柔性绝缘壳体(2)、两根导线(3)、电容数据采集模块(4)；

所述柔性电容式传感器包括柔性上极板(101)、柔性下极板(102)、柔性衬底(103)、若干个头部朝上的柔性半椭球介电体(104)；柔性上极板(101)和柔性下极板(102)平行正对；柔性衬底(103)的下表面紧贴柔性下极板(102)的上表面；各个柔性半椭球介电体(104)呈正方形阵列排布于柔性衬底(103)的上表面，且各个柔性半椭球介电体(104)的头部均紧贴柔性上极板(101)的下表面；

柔性绝缘壳体(2)紧密包裹于柔性电容式传感器外侧；

两根导线(3)均密封贯穿柔性绝缘壳体(2)；

柔性上极板(101)和柔性下极板(102)分别通过两根导线(3)与电容数据采集模块(4)电连接；

电容数据采集模块(4)与上位机电连接；

上位机与报警器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述监测单元贴附于氢燃料电池堆的单体电池连接处。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性上极板(101)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，下表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性下极板(102)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为100～200μm，其采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，上表面设有厚度为100nm的金层；所述柔性衬底(103)呈正方形，其边长为10～30mm，厚度为300μm，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性半椭球介电体(104)的长轴与短轴之比R范围为1.3≤R≤1.4，其采用复合材料制成，该复合材料由Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属混合而成；所述柔性绝缘壳体(2)呈箱形，其采用丁腈橡胶或氟橡胶或聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯制成；所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属，其由如下组分及质量百分比组成：68.5％的镓、21.5％的铟、10％的锡；所述正方形阵列的行数和列数均为5～9个；相邻两个柔性半椭球介电体(104)的间距为0.5mm或1mm。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性绝缘壳体(2)的外表面电镀有绝缘氧化层(5)。

5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述电容数据采集模块(4)包括AD7746电容数字转换器、STM32F103C8T6微控制器；柔性上极板(101)和柔性下极板(102)分别通过两根导线(3)与AD7746电容数字转换器电连接；AD7746电容数字转换器与STM32F103C8T6微控制器电连接；STM32F103C8T6微控制器与上位机电连接。

6.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性半椭球介电体(104)的长轴与短轴之比R表示为：

L＝2a；

D＝2b；

式中：L表示柔性半椭球介电体(104)的长轴；D表示柔性半椭球介电体(104)的短轴；a表示柔性半椭球介电体(104)的高度，0.5mm≤a≤3mm；b表示柔性半椭球介电体(104)的最大半径，单位为mm；

所述柔性半椭球介电体(104)的截面外轮廓曲线表示为：

截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。

7.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述复合材料中，镓铟锡液态金属的体积分数为1％～40％；所述复合材料的相对介电常数ε_mix范围为2.46≤ε_mix≤12.39。

8.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池堆气体泄漏柔性监测装置，其特征在于：所述柔性衬底(103)和各个柔性半椭球介电体(104)的制备步骤如下：

步骤一：将烘箱预热至80℃；

步骤二：由激光打标机以150mm/s的速度在预制的铜模板上加工形成多个半椭球形模腔，各个半椭球形模腔呈正方形阵列排布；

步骤三：依次采用1000目砂纸、3000目砂纸对铜模板进行打磨；

步骤四：依次将铜模板置于1mol/L的稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间均为5min；然后，将铜模板置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5min；

步骤五：将Ecoflex 00-30组分A与Ecoflex 00-30组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀；所述Ecoflex 00-30组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex 00-30组分B为铂催化硅橡胶固化剂；

步骤六：将镓铟锡液态金属按体积分数1％～40％与Ecoflex 00-30进行混合，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2～3min，而后由真空搅拌机以900rpm～2000rpm～1000rpm的速度搅拌10～15min，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70～80μm，由此制得复合材料；

步骤七：采用玻璃棒蘸取复合材料，并将复合材料滴入铜模板上的各个半椭球形模腔内，然后采用0.8mm针头将各个半椭球形模腔内形成的气泡戳破，而后将铜模板置于真空机中进行抽真空，抽真空时间为10min，由此制得多个呈液态的柔性半椭球介电体(104)；

步骤八：由匀胶机以370rpm的速度在铜模板上旋涂复合材料，由此制得呈液态的柔性衬底(103)；然后，将铜模板置于烘箱中进行固化，固化温度为85℃，固化时间为8h，由此制得多个呈固态的柔性半椭球介电体(104)和呈固态的柔性衬底(103)；最后，将各个呈固态的柔性半椭球介电体(104)和呈固态的柔性衬底(103)进行剥离。