基于薄膜传感器的燃料电池内部分布式热测量研究

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燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的发电装置。微型直接甲醇燃料电池作为燃料电池的一种,具有能量密度高、结构简单、操作安全等优点。随着现代便携式电子产品的快速发展和微机电系统技术的进步,微型直接甲醇燃料电池日益受到重视,被认为是取代当前便携式电子产品主流电池的可能替代电源。  热管理对燃料电池来说非常重要,热参数影响着燃料电池内部的传热、传质、电子传输、电化学反应等现象。合理的热管理有助于优化电池设计,提高燃料电池的性能,因而非常有必要获得燃料电池内部的温度和热流密度分布。  目前已经有一些方法测量电池内部温度,如热电偶、红外热成像技术、电阻式温度传感器,测量热流密度则没有有效方法。常规热电偶难以布置于微小型燃料电池测试中,且测量结果不够准确;红外热成像技术不需要接触燃料电池,但是价格昂贵,而且需要改变电池结构;热电阻温度传感器电阻大,影响电池性能。需要一种灵敏度高、尺寸小、响应时间短的传感器放置到电池内部进行瞬态热参数测量。  因此,在前人工作的基础上,本文采用真空蒸镀技术制作了薄膜热流计测头和薄膜热电偶插片,并使用标定系统对薄膜传感器测头进行了性能测试。薄膜热流计以8mm×8mm×0.1mm的二氧化硅薄片为基片,选用纯金属钴和锑为热电极材料,在0.15μm的热阻层两侧由多对钴-锑薄膜热电偶组成的热电堆,厚度为0.49μm;薄膜热电偶插片由4个钴-锑薄膜热电偶蒸镀在117mm×134mm×0.35mm的不锈钢基片上,薄膜热电偶由多个热电偶串联构成,厚度为0.33μm。  对薄膜热流计和薄膜热电偶插片进行标定及性能测试,得出薄膜热流计灵敏度为0.05062μV/(W/m2),稳态响应时间为0.66044s,动态测试响应速度快,复现性好。而以不锈钢为基片的薄膜热电偶插片有一个薄膜热电偶制作过程中已坏,灵敏度最高的为0.13642μV/℃。将薄膜热电偶与燃料电池流场板制作为一体,方便简单,但是由于石墨粘附性差,膜层容易脱落或被破坏。  最后将4个薄膜热电偶布置在阴极流场板上来测量电池内部的温度,薄膜热电偶测量的温度值较准确反映了电池内部膜电极阴极侧表面温度,膜电极阴极侧表面温度随电池运行电流密度阶段性上升而上升。在电池停止运行降温过程中,膜电极阴极侧表面温度缓慢下降,随着甲醇储存腔内溶液的排出与添加导致膜电极阴极侧表面温度的变化,薄膜热电偶输出响应快。
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