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用于小型燃料电池内部参数测量的瞬态热流计实验研究

聂志华  
【摘要】:小型燃料电池具有能量密度高、结构简单、清洁无污染等优点,有望成为下一代小型电子设备的电源。燃料电池中反应物的浓度、温度等参数对电池的性能、效率和燃料利用率等均有重要的影响。其中,温度在电池性能的提高上起着不可替代的作用,影响催化剂的活性、膜的含水量、传质以及电池的热管理等,因此获得燃料电池内部的温度和热流分布对提高电池的性能,改进电池的结构以及电池的热模拟有重要的指导意义。 目前,国内外已经有关于运行中燃料电池内部温度分布的测试方法,但是薄膜传感器由于体积小、响应快、应用范围广等将是微小型燃料电池内部温度分布测量最具发展前景的替代品。随着燃料电池的微小型化,需要掌握电池内部电化学反应的热量收支情况,迄今为止,国内外还没有关于燃料电池内部热流密度分布直接测试方法的公开文献报道。因此,本文根据微小型燃料电池的特殊结构以及燃料电池内部热流的瞬变性,研制出一种响应速度快、灵敏度高、体积小的薄膜传感器。 为了测量微小型燃料电池内部的温度和热流,选用边长为8mm,厚度为0.1mm的二氧化硅绝缘基片以及相同尺寸的石墨和不锈钢作为薄膜传感器的测头基片,根据金属薄膜的热敏性,选择铜-镍或钴-锑作为传感器的热电极材料。通过在绝缘基片上蒸镀0.08~0.09μm厚的铜-镍或钴-锑薄膜热电堆进行瞬变温度的测量;在0.15μm厚的热阻层两侧蒸镀0.08~0.09μm厚的铜-镍或钴-锑热电堆进行瞬变热流的测量。采用不锈钢或石墨作为基片时,首先要在基片上蒸镀0.1~0.15μm厚的二氧化硅绝缘层。 利用本文的传导式标定系统对薄膜传感器测头进行了静态标定和动态响应测试。通过实验得出,本文研制的薄膜传感器在响应时间、应用范围和测头尺寸上存在着一定的优势,能够满足燃料电池微小空间内的瞬变温度和热流测量的需求。 最后,本文利用自制的薄膜传感器进行了动态响应性能测试,验证了传感器对瞬变温度和热流的响应能力以及测试系统的可靠性。


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