燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片的制作方法
【专利摘要】燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片，是燃料电池内部温度、湿度、热流密度和电流密度分布的测量装置，其在导电基片上设置有与燃料电池流场板流道和脊相对应的漏缝和筋，并在筋上布置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器；温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器采用真空蒸发镀膜方法制作，包括十层薄膜。引线也采用真空蒸发镀膜方法制作，用于传递电信号，其延伸至流场板边缘处时放大形成引脚，以方便与外接数据采集设备相连。本发明实现了对燃料电池内部温度分布、湿度分布、热流密度分布和电流密度分布的同步在线测量，可作为独立构件安装于燃料电池内部，无需对燃料电池的结构进行特殊改造。
【专利说明】燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片，属于燃料电池检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]燃料电池的性能受多种因素的干扰，通过监测燃料电池内部多参数的分布情况，可以了解燃料电池内部性能改变时的参数变化情况，有助于燃料电池最佳运行工况的选取和燃料电池结构设计的优化。但由于燃料电池自身的特点，内部空间小，结构紧凑，导致其内部多参数的测量较为困难，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，增加了工作的复杂程度。
[0003]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，力口工难度大，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]本发明在导电基片的筋上布置温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，其可作为独立构件安装在燃料电池流场板和膜电极之间，不影响反应物向膜电极方向地扩散，实现了同步测量燃料电池内部温度分布、湿度分布、热流密度分布和电流密度分布，无需对燃料电池的结构进行特殊改造，减少了燃料电池的拆装次数，保证了燃料电池性能的稳定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能对燃料电池内部温度分布、湿度分布、热流密度分布和电流密度分布进行同步在线测量的装置。该装置独立于被测燃料电池，结构简单，制作方便，无需对燃料电池内部结构进行特殊改造，减少了燃料电池的拆装次数，保证了燃料电池性能的稳定。
[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-电流密度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4、引线5、定位孔7 ;所述漏缝2、筋3设置在导电基片I上，筋3位于两相邻漏缝2之间，漏缝2和筋3的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝2和筋3的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；所述温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4设置在筋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，另一端延伸至导电基片I的边缘并放大形成引脚6 ；定位孔7对称、均匀设置在导电基片I四周，用以将导电基片I固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4的面朝向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:第一层为蒸镀在筋3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层18，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为1.0-1.2 μ m的下电极铝镀层19，第三层为在下电极铝镀层19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20，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21、高分子聚合物感湿介质层20和下电极铝镀层19构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端43，其中上电极铝镀层21的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层22，第六层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的镍镀层23 ;所述铜镀层22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23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38，首端为薄膜热电偶接线引出端39 ;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40和薄膜热流计下结点41,首端为薄膜热流计接线引出端42 ;第七层为在铜镀层22、镍镀层23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24，第八层为在薄膜热流计上结点40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25，第九层为在铜镀层22和镍镀层23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26，第十层为在电流密度测量铜镀层26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27 ;所述电流密度测量铜镀层26和电流密度测量金镀层27相互重叠，构成电流密度测量金属镀层44，首端为电流密度测量金属镀层接线引出端45。
[0008]所述薄膜热电偶接线引出端39、薄膜热流计接线引出端42、湿敏电容接线引出端43和电流密度测量金属镀层接线引出端45均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层18的同一侧。
[0009]所述导电基片I的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形；导电基片I上漏缝2的形状可为蛇形漏缝、平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。
[0010]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、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
[0011]所述上电极铝镀层21的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可为锯齿状、梳状。
[0012]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。
[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，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
[0014]所述测热流单元的薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点40、薄膜热流计下结点41 ;二氧化硅厚热阻层25还可位于薄膜热流计下结点41的上方。
[0015]所述电流密度测量铜镀层26和电流密度测量金镀层27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39、薄膜热流计接线引出端42、湿敏电容接线引出端43和电流密度测量金属镀层接线引出端45的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置还可相对的布置在二氧化硅绝缘层18的两侧。
[0017]所述引线5的宽度为0.1-0.2_，在导电基片I的边缘处进行放大，形成引脚6。
[0018]引线5是采用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46，第二层为厚0.1-0.12μπι的引线铜镀层47，第三层为厚
0.1-0.12 μ m的引线金镀层48，最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层49 ;其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0020]本发明可在不影响燃料电池运行的同时可实现对燃料电池内部温度分布、湿度分布、热流密度分布和电流密度分布的同步测量；该装置可作为独立的构件安装于燃料电池流场板和膜电极中间，不需要对燃料电池流场板或极板等其他结构进行特殊改造，降低了由测量装置的植入对燃料电池性能的影响；同时，该装置结构简单，制作方便，适用范围广，可适配于各种流道形状的燃料电池，如平行流道、蛇形流道、交错型流道或其它不规则流道形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布平行漏缝测量插片主观示意图；
[0022]图2为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片上单个温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的主观示意图；
[0023]图3为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片上单个温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作流程图；
[0024]图4为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片上温度-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；
[0025]图5为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布交错漏缝测量插片主观示意图；
[0026]图6为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布蛇形单漏缝测量插片王观不意图；
[0027]图7为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布蛇形双漏缝测量插片王观不意图；
[0028]图中，1、导电基片，2、漏缝，3、筋，4、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器，5、引线，6、引脚，7、定位孔；
[0029]8-17为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各层掩膜:8、二氧化硅绝缘层掩膜，9、下电极铝镀层掩膜，10、高分子聚合物感湿介质层掩膜，11、上电极铝镀层掩膜，12、铜镀层掩膜，13、镍镀层掩膜，14、二氧化娃保护层掩膜，15、二氧化娃厚热阻层掩膜，16、电流密度测量铜镀层掩膜，17、电流密度测量金镀层掩膜；
[0030]18-27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:18、二氧化硅绝缘层，19、下电极铝镀层，20、高分子聚合物感湿介质层，21、上电极铝镀层，22、铜镀层，23、镍镀层，24、二氧化硅保护层，25、二氧化硅厚热阻层，26、电流密度测量铜镀层，27、电路密度测量金镀层；
[0031]28-37为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤:28、步骤一，29、步骤二，30、步骤三，31、步骤四，32、步骤五，33、步骤六，34、步骤七，35、步骤八，36步骤九，37、步骤十；
[0032]38、薄膜热电偶热端结点，39、薄膜热电偶接线引出端，40、薄膜热流计上结点，41、薄膜热流计下结点，42、薄膜热流计接线引出端，43、湿敏电容接线引出端，44、电流密度测量金属镀层，45、电流密度测量金属镀层接线引出端；
[0033]46、引线二氧化硅绝缘层，47、引线铜镀层，48、弓丨线金镀层，49、引线二氧化硅保护层。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0035]参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片，包括导电基片1、漏缝2、筋3、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4、引线5、引脚6、定位孔7 ;漏缝2和筋3设置在导电基片I上，其与被测燃料电池流场板上的流道和脊在形状和尺寸上相同，位置相互对应，在筋3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4相连，另一端延伸至导电基片I的边缘，用于传递温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4产生的电信号；引脚6布置在导电基片I的边缘并与引线5相连；在导电基片的四周布置有定位孔7，方便该温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片与燃料电池流场板的定位和固定。为与被测燃料电池的形状相匹配，导电基片I的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形等。测量时将该测量插片植入燃料电池流场板和膜电极组件之间，通过定位孔7将其固定在燃料电池流场板上，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组件方向，并与膜电极组件紧密接触，漏缝2与燃料电池流场板上的流道相对应，筋3与燃料电池流场板上的脊相对应，以使测量插片的植入不影响反应物向膜电极方向的扩散。同时，布置在测量插片上的温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4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，产生的电信号通过引线5传递至引脚6，数据采集设备的数据输入端与引脚6相连即可采集到测量插片输出的电信号，并计算分析出燃料电池内部温度分布、湿度分布、热流密度分布和电流密度分布。
[0036]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:第一层为蒸镀在导电基片I两相邻漏缝2之间的筋3上的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅绝缘层18，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的下电极铝镀层19，第三层为在下电极铝镀层19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20，第四层为在高分子聚合物感湿介质层20上方蒸镀的厚为1.0-1.2μπι的上电极铝镀层21，第五层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的铜镀层22，第六层为在二氧化硅绝缘层18上蒸镀的厚为0.1-0.12 μ m的镍镀层23，第七层为在铜镀层22、镍镀层23和上电极铝镀层21的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 μ m的二氧化硅保护层24，第八层为在薄膜热流计上结点40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25，第九层为在铜镀层22和镍镀层23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26，第十层为在电流密度测量铜镀层26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27 ;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。
[0037]薄膜热流计铜镀层、薄膜热流计镍镀层、二氧化硅保护层24和二氧化硅厚热阻层25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。
[0038]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:8-17为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器各层掩膜，18-27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，28-37为温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器的制作步骤。首先在导电基片I的筋3上根据二氧化硅绝缘层掩膜8蒸镀一层二氧化硅绝缘层18，作为传感器的绝缘衬底，与导电基片充分绝缘，从而完成步骤一 28 ;步骤二 29为在二氧化硅绝缘层18上根据下电极铝镀层掩膜9蒸镀一层下电极铝镀层19，步骤三30为根据高分子聚合物感湿介质层掩膜10在下电极铝镀层19上方涂覆一层高分子聚合物感湿介质层20，步骤四31为在高分子聚合物感湿介质层20的上方根据上电极铝镀层掩膜11蒸镀一层上电极铝镀层21 ;其中，下电极铝镀层19、高分聚合物感湿介质20和上电极铝镀层21构成了湿敏电容，实现了湿度的测量；步骤五32为根据铜镀层掩膜12在二氧化硅绝缘层18上蒸镀一层铜镀层22，步骤六33为根据镍镀层掩膜13在二氧化硅绝缘层18上蒸镀一层镍镀层23 ;其中，铜镀层22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23同时包括了薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；步骤七34为在所镀铜镀层22、镍镀层23和上电极铝镀层21的上方根据二氧化硅保护层掩膜14蒸镀一层二氧化硅保护层24，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；步骤八35为在薄膜热流计上结点40所对二氧化硅镀层的上方根据二氧化硅厚热阻层掩膜15蒸镀一层二氧化硅厚热阻层25 ;其中薄膜热流计铜镀层、薄膜热流计镍镀层、二氧化硅保护层24和二氧化硅厚热阻层25构成了完整的薄膜热流计，实现了热流密度的测量；步骤九36为在铜镀层22和镍镀层23所对的二氧化硅镀层上方，根据电流密度测量铜镀层掩膜16，蒸镀一层电流密度测量铜镀层26，步骤十37为在电流密度测量铜镀层26的上方根据电流密度测量金镀层掩膜17蒸镀一层电流密度测量金镀层27 ;其中电流密度测量铜镀层26和电流密度测量金镀层27相互重叠，构成了电流密度测量金属镀层44，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。
[0039]其中，步骤二 29和步骤四31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21的形状不仅可为图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38 ;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40、薄膜热流计下结点41 ;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，薄膜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25还可位于薄膜热流计下结点41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。步骤九36和步骤十37所完成的电流密度测量铜镀层26和电流密度测量金镀层27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。
[0040]薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端39，薄膜热流计的首端为薄膜热流计接线引出端42，湿敏电容的首端为湿敏电容接线引出端43，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45，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39、薄膜热流计接线引出端42、湿敏电容接线引出端43和电流密度测量金属镀层接线引出端45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18的同一侧，也可相对的布置在二氧化硅绝缘层18的两侧，以方便传感器引线5在导电基片上的布置。
[0041]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，在导电基片I的边缘处进行放大，形成引脚6，以方便与外接测量电路及设备进行连接。该引线是采用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46，第二层为厚0.1-0.12 μ m的引线铜镀层47，第三层为厚0.1-0.12 μ m的引线金镀层48，最上一层为厚0.05-0.1 μ m的引线二氧化硅保护层49 ;其中，在引脚6处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
[0042]图5为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布交错漏缝测量插片主观示意图，其导电基片I上的漏缝2和筋3与交错型流道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3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，另一端延伸至导电基片I的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4电信号的传递。
[0043]图6为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布蛇形单漏缝测量插片主观示意图，其导电基片I上的漏缝2和筋3与蛇形单通道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3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，另一端延伸至导电基片I的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4电信号的传递。
[0044]图7为燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布蛇形双漏缝测量插片主观示意图，其导电基片I上的漏缝2和筋3与蛇形双通道流场板上的流道和脊相互对应，两相邻漏缝2之间的筋3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，另一端延伸至导电基片I的外边缘并放大形成引脚6，用于温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器4电信号的传递。
[0045]采用本发明的燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片，可实现燃料电池内部湿度分布、热流密度分布和电流密度分布的同步在线测量；该测量装置可作为独立构件安装于燃料电池内部，不需要对燃料电池的结构进行特殊改造，结构简单，制作方便，使用范围广，适应于多种流道形状的燃料电池。
【权利要求】
1.燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片，包括导电基片(丄)、漏缝⑵、筋(3)、温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器⑷、引线巧)、定位孔(7)；所述漏缝⑵、筋⑶设置在导电基片⑴上，筋⑶位于两相邻漏缝⑵之间，漏缝⑵和筋(3)的形状和尺寸分别与燃料电池流场板上流道和脊的形状和尺寸相同，漏缝(2)和筋(3)的位置分别与燃料电池流场板流道和脊相对应；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)设置在筋(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，另一端延伸至导电基片(1)的边缘并放大形成引脚(6)；定位孔⑵对称、均匀设置在导电基片(1)四周，用以将导电基片(1)固定在燃料电池流场板上；燃料电池组装时，燃料电池内部温度-湿度-热流密度-电流密度分布测量插片布置在燃料电池流场板与膜电极中间，其设置有温度-湿度-热流密度-电流密度联测传感器(4)的面朝向膜电极侧并与之紧密接触； 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:第一层为蒸镀在筋(3)上的厚为0.08-0.12 9 111的二氧化硅绝缘层(18)，作为绝缘衬底，第二层为在二氧化硅绝缘层(18)上蒸镀的厚为1.0-1.2 4 0的下电极铝镀层(19),第三层为在下电极铝镀层(19)上方涂覆一层厚为0.5-190的高分子聚合物感湿介质层(20),第四层为在高分子聚合物感湿介质层(18)上方蒸镀的厚为1.0-1.2 0 0的上电极铝镀层(19)；所述上电极铝镀层(21)、高分子聚合物感湿介质层(20)和下电极铝镀层(19)构成了湿敏电容，首端为湿敏电容接线引出端(43),其中上电极铝镀层(21)的形状为蛇形；第五层为在二氧化硅绝缘层(18)上蒸镀的厚为0.1-0.12 0111的铜镀层(22),第六层为在二氧化硅绝缘层(18)上蒸镀的厚为0.1-0.12 0111的镍镀层(23)；所述铜镀层(22)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(23)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(38)，首端为薄膜热电偶接线引出端(39)；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(40)和薄膜热流计下结点(41),首端为薄膜热流计接线引出端(42)；第七层为在铜镀层(22).镍镀层(23)和上电极铝镀层(19)的上方蒸镀的厚为0.08-0.12 0111的二氧化硅保护层(24)，第八层为在薄膜热流计上结点(40)所对二氧化硅镀层的上方蒸镀一层厚为1.2-2.09 0的二氧化硅厚热阻层(25),第九层为在铜镀层(22)和镍镀层(23)所对的二氧化硅保护层和厚热阻层的上方蒸镀一层厚为1.5-2.0 9 III的电流密度测量铜镀层(26),第十层为在电流密度测量铜镀层(26)的上方蒸镀一层厚为0.1-0.12 9 111的电流密度测量金镀层(27)；所述电流密度测量铜镀层(26)和电流密度测量金镀层(27)相互重叠，构成电流密度测量金属镀层(44),首端为电流密度测量金属镀层接线引出端(45)； 所述薄膜热电偶接线引出端(39),薄膜热流计接线引出端(42),湿敏电容接线引出端(43)和电流密度测量金属镀层接线引出端(45)均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层(18)的同一侧。
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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述导电基片(1)的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形；导电基片(1)上漏缝(2)的形状可为蛇形漏缝、平行漏缝、孔状漏缝、交错型漏缝。
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-电流密度分布测量插片，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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述上电极铝镀层(21)的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可为锯齿状、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-电流密度分布测量插片，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。
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-电流密度分布测量插片，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，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、2字形。
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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述测热流单元的薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点(40)、薄膜热流计下结点(41) ；二氧化硅厚热阻层(25)还可位于薄膜热流计下结点(41)的上方。
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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述电流密度测量铜镀层(26)和电流密度测量金镀层(27)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。
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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述薄膜热电偶接线引出端(39),薄膜热流计接线引出端(42),湿敏电容接线引出端(43)和电流密度测量金属镀层接线引出端(45)的形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置还可相对的布置在二氧化硅绝缘层(18)的两侧。
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-电流密度分布测量插片，其特征在于:所述引线⑶的宽度为0.1-0.2皿，在导电基片⑴的边缘处进行放大，形成引脚(6)；引线(5)是采用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^ 0的引线二氧化硅绝缘层(46)，第二层为厚0.1-0.的引线铜镀层(47)，第三层为厚.0.1-0.12 ^111的引线金镀层(48),最上一层为厚0.05-0.0的引线二氧化硅保护层(49)；其中，在引脚(6)处不蒸镀引线二氧化硅保护层。
【文档编号】G01R31/36GK104360278SQ201410638224
【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