燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，属于燃料电池内部参数测量领域，其温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器主要采用真空蒸发镀膜方法制作，包括十层薄膜：第一层为二氧化硅绝缘层，第二层为下电极铝镀层，第三层涂覆高分子聚合物感湿介质，第四层蒸镀上电极铝镀层，第五、六层分别蒸镀铜镀层和镍镀层，第七层为二氧化硅保护层，第八层为二氧化硅厚热阻层，第九、十层为电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层。本发明实现了燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步联测，可布置于各种流道形状的燃料电池流场板上，实现燃料电池内部单个或多个位置的多参数测量。
【专利说明】燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器
【技术领域】
[0001]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、热流密度和电流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器。
【背景技术】
[0002]由于燃料电池内部空间小，结构紧凑，所以其内部参数的测量一直是比较困难的问题。研究人员大多是通过对燃料电池进行特殊改造来实现对某一参数的测量，对于多参数的测量需要多次拆装燃料电池或制作多种专门的测试燃料电池，给测量工作但来很多麻烦。
[0003]如温度测量，大多通过在燃料电池内部植入热电偶、热电阻或将微型温度传感器与膜电极制作成一体，来进行温度的测量；此种方法制作的成本比较高，对燃料电池的改造复杂，也容易造成燃料电池的性能下降。对于湿度测量，大多采用改造燃料电池结构以植入湿度传感器来对其湿度进行测量，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；还有采用光刻和刻蚀技术制作湿度传感器植入燃料电池测量湿度的方法，该方法虽然不需要对燃料电池的结构进行特殊改造，但刻蚀工艺较为复杂，成本较高。对于热流密度的测量也多见于在燃料电池内部植入热流计来测量，同样需要加工改造燃料电池极板。电流密度的测量方法主要有子电池法、膜电极法、磁环组法等，对燃料电池的改造比较复杂，使用不方便。若用传统方法分别对燃料电池内部的温度、湿度、热流密度和电流密度进行测量，则需要对燃料电池进行非常复杂的改造，或多次拆装燃料电池植入不同传感器进行测量，这将使工作量变得非常大，也不利于燃料电池性能的稳定。
[0004]本发明通过采用真空蒸发镀膜方法，在传感器之上集成测温、测湿、测热流和测电流单元，实现了对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的联测，不需要对燃料电池的流场板等其他部件进行特殊改造，减少了燃料电池的拆装次数，方便了燃料电池内部的多参数测量，保证了燃料电池性能的稳定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度多参数联测的问题，该发明包括十层薄膜，主要采用真空蒸发镀膜方法制作，实现了对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步联测；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、热流密度和电流密度的测量。
[0006]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-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板1、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4、引线5，在燃料电池流场板I上设有流道2和脊3，温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板I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-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I的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板I上布置有温度-湿度-热流密度-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。
[0007]所述温度-湿度-热流密度-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、薄膜热流计测热流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，包括十层薄膜:第一层为蒸镀在燃料电池流场板I两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层16，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层17，第三层为在下电极铝镀层17上方涂覆一层厚为0.5-1 μ m的高分子聚合物感湿介质层18，第四层为在高分子聚合物感湿介质层18上方蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的上电极铝镀层19 ;所述上电极铝镀层19、高分子聚合物感湿介质层18和下电极铝镀层17构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端41，其中上电极铝镀层19的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层20，第六层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的镍镀层21 ;所述铜镀层20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21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36，首端为薄膜热电偶接线引出端37 ;所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状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38、薄膜热流计下结点39，首端为薄膜热流计接线引出端40 ;第七层为在铜镀层20、镍镀层21和上电极铝镀层19的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层22，第八层为在薄膜热流计上结点38上方蒸镀一层厚为1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚热阻层23，第九层为在铜镀层20和镍镀层21所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5-2.Ομπι的电流密度测量铜镀层24，第十层为在电流密度测量铜镀层24的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 μ m的电流密度测量金镀层25 ;所述电流密度测量铜镀层24和电流密度测量金镀层25相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层42，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端43。
[0008]所述薄膜热电偶接线引出端37、薄膜热流计接线引出端40、湿敏电容接线引出端41和电流密度测量金属镀层接线引出端43均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层16的同一侧。
[0009]温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一 26、步骤二27、步骤三28、步骤四29、步骤五30、步骤六31、步骤七32、步骤八33，步骤九34，步骤十35 ；具体而言，步骤一 26，在燃料电池流场板I的脊3上根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层16 ;步骤二 27，在二氧化硅绝缘层16上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀一层下电极铝镀层17 ;步骤三28，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层17上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层18 ;步骤四29，在高分子聚合物感湿介质层18的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀一层上电极铝镀层19 ;步骤五30，根据铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层铜镀层20 ;步骤六31，根据镍镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层镍镀层21 ;步骤七32，在所镀铜镀层20、镍镀层21和上电极铝镀层19的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层22 ;步骤八33，在薄膜热流计上结点38所对二氧化硅镀层的上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜13蒸镀一层二氧化硅厚热阻层23 ;步骤九34，为在铜镀层20和镍镀层21所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜14蒸镀一层电流密度测量铜镀层24 ;步骤十35，在电流密度测量铜镀层24的上方根据电流密度测量金镀层掩膜15蒸镀一层电流密度测量金镀层25 ;由以上步骤构成温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步测量。
[0010]所述温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层16可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。
[0011]所述湿敏电容中上电极和下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、钼金属代替；所述薄膜热流计和薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钥和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
[0012]所述上电极铝镀层19的形状还可为锯齿状、梳状。
[0013]所述温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形；薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状也是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
[0014]所述薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点38、薄膜热流计下结点39 ;二氧化硅厚热阻层23还可位于薄膜热流计下结点39的上方。
[0015]所述电流密度测量铜镀层24和电流密度测量金镀层25的形状是根据掩膜的形状而设定的，可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形。
[0016]所述薄膜热电偶接线引出端37、薄膜热流计接线引出端40、湿敏电容接线引出端41和电流密度测量金属镀层接线引出端43的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形，其位置还可相对的布置在二氧化硅绝缘层16的两侧。
[0017]所述引线5的宽度为0.1-0.2_，是由真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成:第一层为厚0.08-0.12 μ m的引线二氧化硅绝缘层44，第二层为厚0.1-0.12 μ m的引线铜镀层45，第三层为厚0.1-0.12 μ m的引线金镀层46，最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层47。
[0018]引线二氧化硅绝缘层44与引线铜镀层45和引线金镀层46在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层47与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。
[0019]所述燃料电池流场板I上流道2的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0021]本发明实现了对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步联测；该发明结构简单，制作方便，体积小，布置在燃料电池电池内部不需要对燃料电池的流场板等其他构件进行特殊改造，降低了对燃料电池内部密封性的破坏，并且该发明可布置于各种流道形状的燃料电池流场板上，如平行流道、孔状流道、蛇形流道、插指型流道等，并且可实现燃料电池内部单点或多点位置的温度、湿度、热流密度和电流密度的同步测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在平行流道流场板上布置的王观不意图；
[0023]图2为燃料电池流场板上单个温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的主观示意图；
[0024]图3为燃料电池流场板上单个温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作流程图；
[0025]图4为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器引线的截面主观示意图；
[0026]图5为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在插指型流道流场板上布置的主观不意图；
[0027]图6为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上布置的主观示意图；
[0028]图7为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上布置的主观示意图；
[0029]图中，1、燃料电池流场板，2、流道，3、脊，4、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，5、引线；
[0030]6-15为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各层掩膜:6、二氧化硅绝缘层掩膜，7、下电极铝镀层掩膜，8、高分子聚合物感湿介质层掩膜，9、上电极铝镀层掩膜，10、铜镀层掩膜，11、镍镀层掩膜，12、二氧化硅保护层掩膜，13、二氧化硅厚热阻层掩膜，14、电流密度测量铜镀层掩膜，15、电流密度测量金镀层掩膜；
[0031]16-25为根据掩膜制作的温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各膜层:16、二氧化硅绝缘层，17、下电极铝镀层，18、高分子聚合物感湿介质层，19、上电极铝镀层，20、铜镀层，21、镍镀层，22、二氧化硅保护层，23、二氧化硅厚热阻层，24、电流密度测量铜镀层，25、电路密度测量金镀层；
[0032]26-35为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤:26、步骤一，
27、步骤二，28、步骤三，29、步骤四，30、步骤五，31、步骤六，32、步骤七，33、步骤八，34步骤九，35、步骤十；
[0033]36、薄膜热电偶热端结点，37、薄膜热电偶接线引出端，38、薄膜热流计上结点，39、薄膜热流计下结点，40、薄膜热流计接线引出端，41、湿敏电容接线引出端，42、电流密度测量金属镀层，43、电流密度测量金属镀层接线引出端；
[0034]44、引线二氧化硅绝缘层，45、引线铜镀层，46、弓丨线金镀层，47、引线二氧化硅保护层。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0036]参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电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-电流密度联测传感器4、引线5 ;在燃料电池流场板I上设有流道2和脊3，温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板I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-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I的边缘，用于传递传感器测头产生的电信号；该温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器接线引出端通过引线5与外测量电路和数据采集设备相连，即可实现对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步测量；燃料电池组装时，燃料电池流场板I上布置有温度-湿度-热流密度-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。
[0037]参照图2所示，本发明所述温度-湿度-热流密度-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、薄膜热流计测热流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而成，包括十层薄膜:第一层为蒸镀在燃料电池流场板I两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层16，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为1.0-1.2 μ m的下电极铝镀层17，第三层为在下电极铝镀层17上方涂覆一层厚为0.5-1 μ m的高分子聚合物感湿介质层18，第四层为在高分子聚合物感湿介质层18上方蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的上电极铝镀层19，第五层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层20，第六层为在二氧化硅绝缘层16上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的镍镀层21，第七层为在铜镀层20、镍镀层21和上电极铝镀层19的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层22，第八层为在薄膜热流计上结点38所对二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.0 μ m的二氧化硅厚热阻层23，第九层为在铜镀层20和镍镀层21所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为
1.5-2.0ym的电流密度测量铜镀层24，第十层为在电流密度测量铜镀层24的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 μ m的电流密度测量金镀层25 ;由于铜和金均为热的良导体，导热系数很高，加之蒸镀的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层都很薄，因此蒸镀在薄膜热流计和薄膜热电偶上层的电流密度测量铜镀层和电流密度测量金镀层不会对薄膜热流计和薄膜热电偶的测量精度造成干扰。
[0038]薄膜热流计铜镀层、薄膜热流计镍镀层、二氧化硅保护层22和二氧化硅厚热阻层23构成了完整的薄膜热流计，以实现热流密度的测量，其测量原理为:由薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层首尾相互搭接构成热电堆，由于薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点上的二氧化硅热阻层厚度不同，从而使热电堆产生温差电势，其与上结点和下结点上二氧化硅热阻层的厚度差相关，而热流密度与温差、二氧化硅热阻层厚度差及导热系数相关，由于二氧化硅导热系数已知，故可计算出热流密度的大小。
[0039]图3为单个温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作流程图:6-15为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各层掩膜，16-25为根据掩膜制作的温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各膜层，26-35为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤。首先在燃料电池流场板I的脊3上根据二氧化硅绝缘层掩膜6蒸镀一层二氧化硅绝缘层16，作为传感器的绝缘衬底，与燃料电池流场板充分绝缘，从而完成步骤一 26 ;步骤二 27为在二氧化硅绝缘层16上根据下电极铝镀层掩膜7蒸镀一层下电极铝镀层17，步骤三28为根据高分子聚合物感湿介质层掩膜8在下电极铝镀层17上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层18，步骤四29为在高分子聚合物感湿介质层18的上方根据上电极铝镀层掩膜9蒸镀一层上电极铝镀层19 ;其中，下电极铝镀层17、高分聚合物感湿介质层18和上电极铝镀层19构成了湿敏电容，实现了湿度的测量；步骤五30为根据铜镀层掩膜10在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层铜镀层20，步骤六31为根据镍镀层掩膜11在二氧化硅绝缘层16上蒸镀一层镍镀层21，其中，铜镀层20同时包括了薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层，镍镀层21同时包括了薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；步骤七32为在所镀铜镀层20、镍镀层21和上电极铝镀层19的上方根据二氧化硅保护层掩膜12蒸镀一层二氧化硅保护层22，其即作为薄膜热电偶和湿敏电容上电极的保护层，又作为薄膜热流计的薄热阻层；步骤八33为在薄膜热流计上结点38所对的二氧化硅镀层的上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜13蒸镀一层二氧化硅厚热阻层23，其中铜镀层20、镍镀层21、二氧化硅保护层22和二氧化硅厚热阻层23构成了完整的薄膜热流计，实现了热流密度的测量；步骤九34为在铜镀层20和镍镀层21所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜14，蒸镀一层电流密度测量铜镀层24，步骤十35为在电流密度测量铜镀层24的上方根据电流密度测量金镀层掩膜15蒸镀一层电流密度测量金镀层25 ;其中电流密度测量铜镀层24和电流密度测量金镀层25相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层42，实现了电流密度的测量；由以上步骤构成温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步测量。
[0040]其中，温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的整体形状是由二氧化硅绝缘层的形状来决定的，其不仅可以制作成图3所示的方形，可制作成圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形等其它形状。步骤二 27和步骤四29完成的湿敏电容上电极和下电极的金属镀层材料还可选用金、铜、钼等其他金属替代；其中，上电极铝镀层19的形状是根据掩膜的形状设定的，不仅可为图3所示的蛇形，还可为锯齿状、梳状等其他形状。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36 ;其中，薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状等其它形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形等。薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中至少包括一对薄膜热流计上结点38、薄膜热流计下结点39 ;其中，薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形等，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形等其它形状；二氧化硅厚热阻层23还可位于薄膜热流计下结点39的上方。薄膜热电偶和薄膜热流计中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钥和镍、锑和钴等替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。步骤九34和步骤十35所完成的电流密度测量铜镀层24和电流密度测量金镀层25的形状也是根据掩膜的形状而设定的，其形状不仅可为如图3所示的矩形，还可为椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形等其它形状。
[0041]薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端37，薄膜热流计的首端为薄膜热流计接线引出端40，湿敏电容的首端为湿敏电容接线引出端41，电流密度测量金属镀层的首端为电流密度测量金属镀层接线引出端43，其作用为方便与引线5相连，进行电信号的传导。薄膜热电偶接线引出端37、薄膜热流计接线引出端40、湿敏电容接线引出端41和电流密度测量金属镀层接线引出端43不仅可制成如图3所示的形状，还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置可均布置在二氧化硅绝缘层16的同一侧，也可相对的布置在二氧化硅绝缘层16的两侧。
[0042]图4为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器引线的截面示意图，该引线5的宽度为0.1-0.2mm，是由真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成:第一层为厚
0.08-0.12 μ m的引线二氧化硅绝缘层44，第二层为厚0.1-0.12 μ m的引线铜镀层45，第三层为厚0.1-0.12 μ m的引线金镀层46，最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层47 ;引线二氧化硅绝缘层44与引线铜镀层45和引线金镀层46在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层47与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层，以方便与外接数据采集设备的引线连接。
[0043]图5为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器布置在插指型流道流场板上的示意图，在插指型流道流场板的脊上布置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5 —端与温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0044]图6为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5 —端与温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0045]图7为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4，引线5 —端与温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0046]本发明的温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器是采用真空蒸发镀膜方法制作，将薄膜热电偶、薄膜热流计、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，实现了对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步联测；该发明结构简单，制作容易，体积小，无需对燃料电池的结构进行特殊改造，保证了燃料电池性能的稳定。
【权利要求】
1.燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，包括燃料电池流场板(I)、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器(4)、引线(5)，在燃料电池流场板(I)上设有流道(2)和脊(3)，温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器(4)设置在燃料电池流场板⑴两相邻流道⑵之间的脊⑶上，引线(5)的一端与温度-湿度-热流密度-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(I)的边缘；燃料电池组装时，燃料电池流场板(I)上布置有温度-湿度-热流密度-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；其特征在于: 所述温度-湿度-热流密度-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、薄膜热流计测热流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，包括十层薄膜:第一层为蒸镀在燃料电池流场板(I)两相邻流道(2)之间的脊(3)上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层(16)，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层(17)，第三层为在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层厚为0.5-1 μ m的高分子聚合物感湿介质层(18)，第四层为在高分子聚合物感湿介质层(18)上方蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的上电极铝镀层(19);所述上电极铝镀层(19)、高分子聚合物感湿介质层(18)和下电极铝镀层(17)构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(41)，其中上电极铝镀层(19)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层(20)，第六层为在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀的厚为0.1-0.12μπι的镍镀层(21);所述铜镀层(20)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(21)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(36)，首端为薄膜热电偶接线引出端(37);所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状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(38)、薄膜热流计下结点(39)，首端为薄膜热流计接线引出端(40);第七层为在铜镀层(20)、镍镀层(21)和上电极铝镀层(19)的上方蒸镀的厚为0.08-0.12μπι的二氧化硅保护层(22)，第八层为在薄膜热流计上结点(38)上方蒸镀一层厚为1.2-2.0μπι的二氧化硅厚热阻层(23)，第九层为在铜镀层(20)和镍镀层(21)所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5-2.Ομπι的电流密度测量铜镀层(24)，第十层为在电流密度测量铜镀层(24)的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 μ m的电流密度测量金镀层(25)；所述电流密度测量铜镀层(24)和电流密度测量金镀层(25)相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层(42)，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(43)； 所述薄膜热电偶接线引出端(37)、薄膜热流计接线引出端(40)、湿敏电容接线引出端(41)和电流密度测量金属镀层接线引出端(43)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(16)的同一侧； 温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一(26)、步骤二(27)、步骤三(28)、步骤四(29)、步骤五(30)、步骤六(31)、步骤七(32)、步骤八(33)，步骤九(34)，步骤十(35);具体而言，步骤一(26)，在燃料电池流场板(I)的脊(3)上根据二氧化硅绝缘层掩膜(6)蒸镀一层二氧化硅绝缘层(16);步骤二(27)，在二氧化硅绝缘层(16)上根据下电极铝镀层掩膜(7)蒸镀一层下电极铝镀层(17);步骤三(28)，根据高分子聚合物感湿介质层掩膜(8)在下电极铝镀层(17)上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层(18)；步骤四(29)，在高分子聚合物感湿介质层(18)的上方根据上电极铝镀层掩膜(9)蒸镀一层上电极铝镀层(19);步骤五(30)，根据铜镀层掩膜(10)在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀一层铜镀层(20);步骤六(31)，根据镍镀层掩膜(11)在二氧化硅绝缘层(16)上蒸镀一层镍镀层(21);步骤七(32)，在所镀铜镀层(20)、镍镀层(21)和上电极铝镀层(19)的上方根据二氧化硅保护层掩膜(12)蒸镀一层二氧化硅保护层(22);步骤八(33)，在薄膜热流计上结点(38)所对二氧化硅镀层的上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜(13)蒸镀一层二氧化硅厚热阻层(23);步骤九(34)，为在铜镀层(20)和镍镀层(21)所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜(14)蒸镀一层电流密度测量铜镀层(24);步骤十(35)，在电流密度测量铜镀层(24)的上方根据电流密度测量金镀层掩膜(15)蒸镀一层电流密度测量金镀层(25);由以上步骤构成温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度的同步测量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器(4)中二氧化硅绝缘层(16)可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形。
3.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述湿敏电容中上电极和下电极的金属镀层材料，还可选用金、铜、钼金属代替；所述薄膜热流计和薄膜热电偶金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钥和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述上电极铝镀层(19)的形状还可为锯齿状、梳状。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器(4)中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形；薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状也是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
6.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点(38)、薄膜热流计下结点(39) ;二氧化硅厚热阻层(23)还可位于薄膜热流计下结点(39)的上方。
7.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述电流密度测量铜镀层(24)和电流密度测量金镀层(25)的形状是根据掩膜的形状而设定的，可为矩形、椭圆形、圆形、三角形、梯形、不规则图形。
8.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述薄膜热电偶接线引出端(37)、薄膜热流计接线引出端(40)、湿敏电容接线引出端(41)和电流密度测量金属镀层接线引出端(43)的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形，其位置还可相对的布置在二氧化硅绝缘层(16)的两侧。
9.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述引线(5)的宽度为0.1-0.2_，是由真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成:第一层为厚0.08-0.12 μ m的引线二氧化硅绝缘层(44)，第二层为厚0.1-0.12 μ m的引线铜镀层(45)，第三层为厚0.1-0.12 μ m的引线金镀层(46)，最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层(47)； 引线二氧化硅绝缘层(44)与引线铜镀层(45)和引线金镀层(46)在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层(47)与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层。
10.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其特征在于:所述燃料电池流场板(I)上流道(2)的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。
【文档编号】G01R31/36GK104360276SQ201410637433
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】郭航, 王政, 叶芳, 马重芳 申请人:北京工业大学