微電子溫度傳感器技術測量質子交換膜燃料電池內部溫度分布的研究

摘要：溫度是影響燃料電池性能的重要指標，有效測量燃料電池內部的溫度分布一直是燃料電池研究的難點。本研究調查了微電子溫度傳感器這一技術方案在質子交換膜燃料電池內部的應用。傳感器為以聚酰亞胺柔性材料為基底的微型電阻。先在溫度環境箱內標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子交換膜之間，通過讀取燃料電池工作狀態的實時電阻數據來預測燃料電池內部各個位置的溫度。此傳感器顯示了良好的溫度敏感性。通過比較測試數據和仿真數據，溫度測量的有效性也得到了驗證。同時溫度的測量不會影響到燃料電池本身的性能。因此本測量方法是一種新型的、有著廣闊商業化前景的燃料電池內部溫度測量方案。

關鍵詞：微電子系統；溫度傳感器；質子交換膜燃料電池；燃料電池單池；有限元分析

0 前言

質子交換膜燃料電池的性能被其操作參數顯著影響，這些參數包括氣體化學計量比、溫度、相對濕度等［1］。因此準確地對于上述參數的檢測對于燃料電池性能的提升具有至關重要的作用。現如今，絕大部分的研究者對于溫度和濕度的檢測是通過使用設置在燃料電池外部的商用傳感器來進行［2］。雖然這類傳感器能夠很好的測量燃料電池瞬時的參數值，但是價格昂貴且設備笨重。同時，由于只能通過測量外部參數來預測燃料電池內部的參數值，測量的準確性還有待驗證。HE 等［3］設計了一種特殊針對燃料電池的薄膜柔性溫度傳感器，使用兩個Nafion 112 膜，然后將這個膜系統嵌入到燃料電池的電極之間。這個設計非常新穎，但是傳感器的嵌入可能會堵塞水合氫離子從陽極到陰極的轉移，從而造成燃料電池性能的下降。ZHANG 等［4］的設計不會造成離子交換的負面影響，但是會造成流道內氣體流動的堵塞。因此，為了解決上述技術難點，本研究提出了一種嶄新的技術解決方案，通過將1 個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域去測量不同位置的內部溫度。陰極支撐區域相對的離子交換量小，同時，不會對流道內空氣的流動產生任何的阻礙。

如今有許多對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。季運康等［6］通過CFD 仿真軟件展示了燃料電池的三維流道的優化設計。針對燃料電池內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熱分布對于其性能的影響，律翠萍等［8］的研究展現了水管理系統在燃料電池系統中的重要性。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 個共同的缺陷就是沒有實驗數據去支撐仿真結果的準確性。

基于上述提到的所有測試和仿真問題，在本研究中，首先1 個微型的柔性溫度傳感器被設計和組裝。通過微電子加工和組裝方法，6 個微型的電阻溫度檢測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。為了評估傳感器嵌入對于燃料電池單池性能的影響，1 個活化面積為25cm2的燃料電池單池被測試，比較傳感器嵌入前后電池本身的極化曲線。同時，1 個三維的CFD 仿真模型被開發，通過對比仿真模型和實驗模型的數據來確保仿真模型的準確性。

1 微電子溫度傳感器

基于微電子加工方法而制作的測量燃料電池物理參數的傳感器展示了諸多的優點［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相應的實時物理參數。而以聚酰亞胺為基底的微電子傳感器的優勢更大。第一，強度高并且兼有一定的柔性度；第二，對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準硅片上，使用電子束蒸發器將金和鉻的金屬蒸汽蒸發到膜上形成1 層厚度為10 μm 的金屬層。之后使用光刻機將金屬層上刷1 層光刻膠，通過光刻工藝得到需要的微型電阻結構。此時，金屬電阻結構只存在于光刻膠上，通過濕式刻蝕技術，將多余的金屬層溶解，得到預期的金屬電阻結構。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 傳感器計量測試結果

在傳感器使用于燃料電池內部的溫度測試之前需要對其進行計量標定。將傳感器至于溫度可調節的環境倉內，標定6 個電阻在不同溫度下的電阻值。結果如圖2 所示。

3 傳感器嵌入對燃料電池性能的影響

溫度傳感器標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 個溫度傳感器全部被嵌入到了燃料電池陰極板的支撐區域位置，這樣的嵌入方式不會影響的空氣的流動和陰極區域內反應的進行。使用Greenlight 的G20 燃料電池測試臺，對于嵌入傳感器之前和嵌入傳感器之后電池的極化曲線進行評估，結果如圖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，可以認為該傳感器對于電池性能的影響極小。

4 溫度檢測結果

在Greenlight G20 燃料電池臺架上將燃料電池的電壓調整到額定狀態0.6 V，同時使用萬用表記錄穩定狀態下各個傳感器的電阻值，通過此前標定的不同溫度下的電阻值去推斷額定狀態下6 個不同點位的溫度值，結果如表1 所示。

5 有限元分析及其結果

一個完整的針對質子交換膜燃料電池的CFD三維模型被開發，此模型和實驗用的燃料電池單池有完全相同的幾何結構。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 又由陽極氣體擴散層，質子交換膜和陰極氣體擴散組成。對于模型中各個部分的物理條件，陽極和陰極的氣體都被指定為理想氣體。電極被認為是均勻的多孔介質，在相同的工況條件下認為其透氣率和孔隙率不變。對于網格的劃分工作，本模型一共設置了125 萬個網格單元，由于網格數量足夠多，保證了計算結果本身的準確性，因此本模型沒有做網格獨立性的驗證。

此仿真模型的理論支配方程主要包括陰極和陽極物質的質量守恒方程，物質的擴散方程，物質的動量方程，以及電子傳導方程。所有的支配方程都經過了理論實驗和多次仿真的交叉驗證，廣泛運用于COMSOL 商業軟件之中，這保證了模型設計的準確性。

將CFD 模型的電壓同樣設計為0.6 V，與燃料電池單池的測試電壓保持一致。同時將分析模型的邊界條件和實驗條件一一對應。此工況條件下模型分析結果和實驗結果在電池性能，即電流值這一參數上顯示了高度的一致性，這充分說明了模型的準確性。在模型準確性的前提之下，提取出溫度傳感器檢測的6 個位置的模擬分析的溫度值，將數據和表1 中的數據進行對比，其結果見表2。和燃料電池的性能對比類似，傳感器檢測的溫度數據和仿真分析數據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確性。同時交叉驗證了此柔性的微電子溫度傳感器在對于質子交換膜燃料電池內部溫度檢測的有效性。

6 結論

在本研究中，一種柔性的微電子溫度傳感器被開發運用于燃料電池內部的溫度測量，該傳感器以柔性材料聚酰亞胺為基底，而非傳統的硬質材料，因而可LbCFSVMIv5PWViuCxYXO2BxVuXV0e/EAYJNV8ZpCBOA=以嵌入到燃料電池內部的任何位置來測量其溫度。傳感器的溫度和電阻的對應特性通過溫度可以調節的溫度環境箱做了標定。有效反應面積為25cm2的某個燃料電池單池被使用來去檢測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，該溫度傳感器對于燃料電池性能的低影響性得到了驗證。同時，在基于同樣的幾何和物理條件下開發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分析數據都和實驗數據顯示了高度的一致性。從理論角度上對于該溫度傳感器性能做了有效驗證。該研究成功的解決了燃料電池內部溫度測量難的問題，可以同時測量不同位置的溫度分布，測量的準確性高，同時，溫度傳感器的嵌入對于燃料電池本身性能的影響幾乎可以忽略，因此該測量方法具有很強的商業應用前景。該研究的未來工作將聚焦于通過監測、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。

參考文獻

［ 1 ］ 邵志剛，衣寶廉. 氫能與燃料電池發展現狀及展望[J]. 中國科學院刊，2019（4）：469-477.

［ 2 ］ 韓冬林. 氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置設計[J]. 自動化與儀表， 2019（4）：46-49.

［ 3 ］ HE S H， MENCH M M， TADIGADAPA S.Thin film temperature sensor for real-time measurement of electrolyte temperature in a polymer electrolyte fuel cell[J]. Sensors and Actuators A，2006，125（2）：170-177.

［ 4 ］ ZHANG G， GUO L， MA L， LIU H.Simultaneous measurement of current and temperature distributions in a proton exchange membrane fuel cell[J].Power Source 2010，195（11）：3597-3608.

［ 5 ］ 趙建鋒，梁前超. 基于氮氫混合氣為燃料的PEMFC 性能仿真分析與研究[J]. 武漢理工大學學報，2020（8）：29-36.

［ 6 ］ 季運康，丁大增. 質子交換膜燃料電池雙極板流場分析[J]. 佳木斯大學學報自然科學版，2018（2）：236-240.

［ 7 ］ 李忠華，杜傳進，侯獻軍. 質子交換膜燃料電池熱管理研究[J]. 華東電力，2007（2）：19-22.

［ 8 ］ 律翠萍，葉芳，馬重芳. 質子交換膜燃料電池的水熱管理[J]. 節能，2005（8）：6-10.

［ 9 ］ LEE CY， HSIEH WJ， WU GW. Embedded flexible micro-sensors in MEA for measuring temperature and humidity in a micro-fuel cell[J].Power Source，2008，181（1）：237-243.

［10］ CHANG WY， FANG TH， LIN YC. Physical characteristics of polyimide films for flexible sensors[J]. Applied Physics A， 2008， 92（5）：693-701.