微電子溫度傳感器技術(shù)測(cè)量質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部溫度分布的研究

摘要：溫度是影響燃料電池性能的重要指標(biāo)，有效測(cè)量燃料電池內(nèi)部的溫度分布一直是燃料電池研究的難點(diǎn)。本研究調(diào)查了微電子溫度傳感器這一技術(shù)方案在質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的應(yīng)用。傳感器為以聚酰亞胺柔性材料為基底的微型電阻。先在溫度環(huán)境箱內(nèi)標(biāo)定好微型電阻在不同溫度下的電阻值之后，將傳感器嵌入到燃料電池陰極板和質(zhì)子交換膜之間，通過讀取燃料電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)電阻數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)燃料電池內(nèi)部各個(gè)位置的溫度。此傳感器顯示了良好的溫度敏感性。通過比較測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，溫度測(cè)量的有效性也得到了驗(yàn)證。同時(shí)溫度的測(cè)量不會(huì)影響到燃料電池本身的性能。因此本測(cè)量方法是一種新型的、有著廣闊商業(yè)化前景的燃料電池內(nèi)部溫度測(cè)量方案。

關(guān)鍵詞：微電子系統(tǒng)；溫度傳感器；質(zhì)子交換膜燃料電池；燃料電池單池；有限元分析

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能被其操作參數(shù)顯著影響，這些參數(shù)包括氣體化學(xué)計(jì)量比、溫度、相對(duì)濕度等［1］。因此準(zhǔn)確地對(duì)于上述參數(shù)的檢測(cè)對(duì)于燃料電池性能的提升具有至關(guān)重要的作用。現(xiàn)如今，絕大部分的研究者對(duì)于溫度和濕度的檢測(cè)是通過使用設(shè)置在燃料電池外部的商用傳感器來進(jìn)行［2］。雖然這類傳感器能夠很好的測(cè)量燃料電池瞬時(shí)的參數(shù)值，但是價(jià)格昂貴且設(shè)備笨重。同時(shí)，由于只能通過測(cè)量外部參數(shù)來預(yù)測(cè)燃料電池內(nèi)部的參數(shù)值，測(cè)量的準(zhǔn)確性還有待驗(yàn)證。HE 等［3］設(shè)計(jì)了一種特殊針對(duì)燃料電池的薄膜柔性溫度傳感器，使用兩個(gè)Nafion 112 膜，然后將這個(gè)膜系統(tǒng)嵌入到燃料電池的電極之間。這個(gè)設(shè)計(jì)非常新穎，但是傳感器的嵌入可能會(huì)堵塞水合氫離子從陽極到陰極的轉(zhuǎn)移，從而造成燃料電池性能的下降。ZHANG 等［4］的設(shè)計(jì)不會(huì)造成離子交換的負(fù)面影響，但是會(huì)造成流道內(nèi)氣體流動(dòng)的堵塞。因此，為了解決上述技術(shù)難點(diǎn)，本研究提出了一種嶄新的技術(shù)解決方案，通過將1 個(gè)微型的柔性電阻溫度傳感器嵌入到燃料電池陰極的支撐區(qū)域去測(cè)量不同位置的內(nèi)部溫度。陰極支撐區(qū)域相對(duì)的離子交換量小，同時(shí)，不會(huì)對(duì)流道內(nèi)空氣的流動(dòng)產(chǎn)生任何的阻礙。

如今有許多對(duì)于燃料電池分析的仿真方法。趙建鋒等［5］提出了燃料電池的二維分析模型。季運(yùn)康等［6］通過CFD 仿真軟件展示了燃料電池的三維流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)燃料電池內(nèi)部的熱分布也同樣有著大量的研究。李忠華等［7］的研究主要聚焦于燃料電池?zé)岱植紝?duì)于其性能的影響，律翠萍等［8］的研究展現(xiàn)了水管理系統(tǒng)在燃料電池系統(tǒng)中的重要性。上述研究從各自的角度闡述了仿真分析在燃料電池性能研究工作中扮演的重要作用。但是有1 個(gè)共同的缺陷就是沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去支撐仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于上述提到的所有測(cè)試和仿真問題，在本研究中，首先1 個(gè)微型的柔性溫度傳感器被設(shè)計(jì)和組裝。通過微電子加工和組裝方法，6 個(gè)微型的電阻溫度檢測(cè)器被制作到柔性聚酰亞胺的基底上，然后嵌入到燃料電池單池中。為了評(píng)估傳感器嵌入對(duì)于燃料電池單池性能的影響，1 個(gè)活化面積為25cm2的燃料電池單池被測(cè)試，比較傳感器嵌入前后電池本身的極化曲線。同時(shí)，1 個(gè)三維的CFD 仿真模型被開發(fā)，通過對(duì)比仿真模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)來確保仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 微電子溫度傳感器

基于微電子加工方法而制作的測(cè)量燃料電池物理參數(shù)的傳感器展示了諸多的優(yōu)點(diǎn)［9］。微電子傳感器體積極小，因此可以嵌入到任何需要的地方去檢測(cè)相應(yīng)的實(shí)時(shí)物理參數(shù)。而以聚酰亞胺為基底的微電子傳感器的優(yōu)勢(shì)更大。第一，強(qiáng)度高并且兼有一定的柔性度；第二，對(duì)于危害氣體污染具有免疫性；第三，金和鉻的金屬可以很好的在基底上做鍍層［10］；第四，未來還可以用于測(cè)試濕度等其他用途。

圖1 展示了微電子溫度傳感器的加工方法。首先，使用雙面膠將聚酰亞胺薄膜固定于標(biāo)準(zhǔn)硅片上，使用電子束蒸發(fā)器將金和鉻的金屬蒸汽蒸發(fā)到膜上形成1 層厚度為10 μm 的金屬層。之后使用光刻機(jī)將金屬層上刷1 層光刻膠，通過光刻工藝得到需要的微型電阻結(jié)構(gòu)。此時(shí)，金屬電阻結(jié)構(gòu)只存在于光刻膠上，通過濕式刻蝕技術(shù)，將多余的金屬層溶解，得到預(yù)期的金屬電阻結(jié)構(gòu)。最后洗去多余的光刻膠，將柔性聚酰亞胺薄膜從硅片上揭開，得到最終需要的溫度傳感器。

2 傳感器計(jì)量測(cè)試結(jié)果

在傳感器使用于燃料電池內(nèi)部的溫度測(cè)試之前需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定。將傳感器至于溫度可調(diào)節(jié)的環(huán)境倉內(nèi)，標(biāo)定6 個(gè)電阻在不同溫度下的電阻值。結(jié)果如圖2 所示。

3 傳感器嵌入對(duì)燃料電池性能的影響

溫度傳感器標(biāo)定了不同溫度下的電阻值之后被嵌入到了燃料電池單池中，嵌入的方式和具體的嵌入位置如圖3 所示。6 個(gè)溫度傳感器全部被嵌入到了燃料電池陰極板的支撐區(qū)域位置，這樣的嵌入方式不會(huì)影響的空氣的流動(dòng)和陰極區(qū)域內(nèi)反應(yīng)的進(jìn)行。使用Greenlight 的G20 燃料電池測(cè)試臺(tái)，對(duì)于嵌入傳感器之前和嵌入傳感器之后電池的極化曲線進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖4 所示。通過比較燃料電池性能在傳感器嵌入之前和嵌入之后的變化，可以認(rèn)為該傳感器對(duì)于電池性能的影響極小。

4 溫度檢測(cè)結(jié)果

在Greenlight G20 燃料電池臺(tái)架上將燃料電池的電壓調(diào)整到額定狀態(tài)0.6 V，同時(shí)使用萬用表記錄穩(wěn)定狀態(tài)下各個(gè)傳感器的電阻值，通過此前標(biāo)定的不同溫度下的電阻值去推斷額定狀態(tài)下6 個(gè)不同點(diǎn)位的溫度值，結(jié)果如表1 所示。

5 有限元分析及其結(jié)果

一個(gè)完整的針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的CFD三維模型被開發(fā)，此模型和實(shí)驗(yàn)用的燃料電池單池有完全相同的幾何結(jié)構(gòu)。仿真幾何模型顯示在了圖5 中。模型分為三部分，分別為雙極板陽極，MEA 和雙極板陰極。MEA 又由陽極氣體擴(kuò)散層，質(zhì)子交換膜和陰極氣體擴(kuò)散組成。對(duì)于模型中各個(gè)部分的物理?xiàng)l件，陽極和陰極的氣體都被指定為理想氣體。電極被認(rèn)為是均勻的多孔介質(zhì)，在相同的工況條件下認(rèn)為其透氣率和孔隙率不變。對(duì)于網(wǎng)格的劃分工作，本模型一共設(shè)置了125 萬個(gè)網(wǎng)格單元，由于網(wǎng)格數(shù)量足夠多，保證了計(jì)算結(jié)果本身的準(zhǔn)確性，因此本模型沒有做網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證。

此仿真模型的理論支配方程主要包括陰極和陽極物質(zhì)的質(zhì)量守恒方程，物質(zhì)的擴(kuò)散方程，物質(zhì)的動(dòng)量方程，以及電子傳導(dǎo)方程。所有的支配方程都經(jīng)過了理論實(shí)驗(yàn)和多次仿真的交叉驗(yàn)證，廣泛運(yùn)用于COMSOL 商業(yè)軟件之中，這保證了模型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

將CFD 模型的電壓同樣設(shè)計(jì)為0.6 V，與燃料電池單池的測(cè)試電壓保持一致。同時(shí)將分析模型的邊界條件和實(shí)驗(yàn)條件一一對(duì)應(yīng)。此工況條件下模型分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在電池性能，即電流值這一參數(shù)上顯示了高度的一致性，這充分說明了模型的準(zhǔn)確性。在模型準(zhǔn)確性的前提之下，提取出溫度傳感器檢測(cè)的6 個(gè)位置的模擬分析的溫度值，將數(shù)據(jù)和表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見表2。和燃料電池的性能對(duì)比類似，傳感器檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)同樣顯示了高度的一致性，這證明了仿真模型在溫度模塊上的準(zhǔn)確性。同時(shí)交叉驗(yàn)證了此柔性的微電子溫度傳感器在對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部溫度檢測(cè)的有效性。

6 結(jié)論

在本研究中，一種柔性的微電子溫度傳感器被開發(fā)運(yùn)用于燃料電池內(nèi)部的溫度測(cè)量，該傳感器以柔性材料聚酰亞胺為基底，而非傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料，因而可LbCFSVMIv5PWViuCxYXO2BxVuXV0e/EAYJNV8ZpCBOA=以嵌入到燃料電池內(nèi)部的任何位置來測(cè)量其溫度。傳感器的溫度和電阻的對(duì)應(yīng)特性通過溫度可以調(diào)節(jié)的溫度環(huán)境箱做了標(biāo)定。有效反應(yīng)面積為25cm2的某個(gè)燃料電池單池被使用來去檢測(cè)該溫度傳感器的有效性。通過比較燃料電池在嵌入溫度傳感器之前和嵌入溫度傳感器之后其極化曲線的變化，該溫度傳感器對(duì)于燃料電池性能的低影響性得到了驗(yàn)證。同時(shí)，在基于同樣的幾何和物理?xiàng)l件下開發(fā)了三維的有限元仿真模型。該三維模型在溫度分布和電池性能的兩項(xiàng)分析數(shù)據(jù)都和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了高度的一致性。從理論角度上對(duì)于該溫度傳感器性能做了有效驗(yàn)證。該研究成功的解決了燃料電池內(nèi)部溫度測(cè)量難的問題，可以同時(shí)測(cè)量不同位置的溫度分布，測(cè)量的準(zhǔn)確性高，同時(shí)，溫度傳感器的嵌入對(duì)于燃料電池本身性能的影響幾乎可以忽略，因此該測(cè)量方法具有很強(qiáng)的商業(yè)應(yīng)用前景。該研究的未來工作將聚焦于通過監(jiān)測(cè)、分析、控制和診斷等方法來提高燃料電池的性能和使用壽命。

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