用于燃料电池温度和热流测量的薄膜传感器的实验研究

论文摘要

燃料电池（Fuel Cell, FC）是将储存在燃料中的化学能直接转化成电能的电化学发电装置，随着现代通信技术的高速发展，逐步被应用于可移动电子产品，并且逐渐向更加紧凑、微型化结构的方向发展。在这种情况下，微小型被动式直接甲醇燃料电池（micro direct methanol fuel cells, μDMFCs）以其能量密度高、可靠性好、便携性好、结构简单、无污染等优点，被广泛研究用作便携式设备主流电源。对于微小型被动式直接甲醇燃料电池来说，电池内的温度、热流等因素均是影响电池性能和寿命的重要因素。随着燃料电池的体积微小化，传统的温度和热流测量技术已经不再适合微小型燃料电池。常规热电偶由于体积的问题而难于布置于当前的微小型燃料电池测试中，即使将其勉强布置于电池的流道中，可是在使用中通过导线释放的热量会对电池内局部热流分布起到干扰作用，同时其体积太大也增加了电池的装配难度，处理不当时甚至会导致燃料在电池运行过程中向外泄露。随着微机电技术（Micro Electro Mechanical Systems technology, MEMS）被广泛应用于微型传感器和微型燃料电池（micro fuel cell, μFC）的制作中，微型传感器逐渐被引入到燃料电池的参数测试中。本文在前人工作的基础上，采用真空蒸镀技术制作了薄膜热电偶测头和瞬态薄膜热流计测头，并使用标定系统对薄膜传感器测头进行了标定和响应测试。本文选用边长为8mm，厚度为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。薄膜热电偶由13对单热电偶组成，大小为4.6mm×4.6mm，厚度为0.170.18μm；薄膜热流计是在0.15μm的热阻层两侧由11对钴锑薄膜热电偶组成的热电堆，大小为6×6mm，厚度为0.470.48μm。本文通过实验比较镀有不同厚度二氧化硅保护层的薄膜传感器动态性能，得出在一定范围内，二氧化硅保护层厚度影响薄膜传感器的测量精度。保护层厚度越大，薄膜传感器的响应速率降低，但热灵敏度却得到提高。最后，本文利用薄膜热电偶测头测量了火柴点燃瞬间温度变化，利用瞬态薄膜热流计测头测量了沸腾试管停止加热和火柴点燃瞬间的热流变化，对测头的性能做了进一步的检测和验证。薄膜热电偶和瞬态薄膜热流计的灵敏度分别是0.83843μV/oC和2.20575×10-8V/（W/m2），稳态时间常数分别是72ms和36ms。本文制作的薄膜热电偶测头和瞬态薄膜热流计测头在响应时间、应用范围和测头尺寸上有一定的优势，能够满足燃料电池内部小空间的温度和热流的测量需求，有很大的发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 性能影响因素
• 1.1.2 阳极供料系统研究
• 1.2 微小型燃料电池温度测试
• 1.2.1 接触式测温
• 1.2.2 红外热成像技术测温
• 1.2.3 其它方法
• 1.3 微小型燃料电池热流计测试
• 1.3.1 微型瞬态薄膜热流计的发展历史
• 1.3.2 微型瞬态薄膜热流计的分类
• 1.3.3 微型瞬态薄膜热流计的发展现状
• 1.4 本文的研究内容及研究目的
• 1.5 本章小结
• 第2章 薄膜传感器的镀膜系统和标定系统
• 2.1 薄膜技术
• 2.1.1 薄膜与厚膜
• 2.1.2 成膜方法
• 2.1.3 薄膜附着强度
• 2.2 真空镀膜系统
• 2.2.1 真空镀膜系统的构成
• 2.2.2 真空镀膜系统各部件的使用
• 2.2.3 真空镀膜系统的使用流程与注意事项
• 2.2.4 故障及维修
• 2.3 薄膜传感器的标定系统
• 2.3.1 标定技术
• 2.3.2 标定系统的构成
• 2.3.3 标定系统的标定流程与使用
• 2.4 本章小结
• 第3章 薄膜热电偶测头的制作与标定
• 3.1 薄膜热电偶制作材料的选择
• 3.1.1 基片材料的选择
• 3.1.2 电极材料的选择
• 3.2 薄膜热电偶的制作
• 3.2.1 薄膜热电偶测温原理
• 3.2.2 薄膜热电偶的制作方案
• 3.2.3 薄膜热电偶掩模与卡具的设计
• 3.2.4 薄膜热电偶的制作流程
• 3.3 薄膜热电偶的标定
• 3.3.1 薄膜热电偶的静态标定
• 3.3.2 薄膜热电偶的稳态性能测试
• 3.3.3 薄膜热电偶的动态性能测试
• 3.3.4 薄膜热电偶的应用
• 3.4 保护层厚度的影响
• 3.5 误差分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 薄膜热流计测头的制作与标定
• 4.1 薄膜热流计制作电极和基片材料的选择
• 4.2 薄膜热流计的制作
• 4.2.1 薄膜热流计的测热流原理
• 4.2.2 薄膜热流计掩模与卡具的设计
• 4.2.3 薄膜热流计的制作流程
• 4.3 薄膜热流计的标定
• 4.3.1 薄膜热流计的静态标定
• 4.3.2 薄膜热流计的稳态响应测试
• 4.3.3 薄膜热流计的动态性能测试
• 4.4 热流计在燃料电池中的应用分析
• 4.5 误差分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢