微电子温度传感器技术测量质子交换膜燃料电池内部温度分布的研究

摘要：温度是影响燃料电池性能的重要指标，有效测量燃料电池内部的温度分布一直是燃料电池研究的难点。本研究调查了微电子温度传感器这一技术方案在质子交换膜燃料电池内部的应用。传感器为以聚酰亚胺柔性材料为基底的微型电阻。先在温度环境箱内标定好微型电阻在不同温度下的电阻值之后，将传感器嵌入到燃料电池阴极板和质子交换膜之间，通过读取燃料电池工作状态的实时电阻数据来预测燃料电池内部各个位置的温度。此传感器显示了良好的温度敏感性。通过比较测试数据和仿真数据，温度测量的有效性也得到了验证。同时温度的测量不会影响到燃料电池本身的性能。因此本测量方法是一种新型的、有着广阔商业化前景的燃料电池内部温度测量方案。

关键词：微电子系统；温度传感器；质子交换膜燃料电池；燃料电池单池；有限元分析

0 前言

质子交换膜燃料电池的性能被其操作参数显著影响，这些参数包括气体化学计量比、温度、相对湿度等［1］。因此准确地对于上述参数的检测对于燃料电池性能的提升具有至关重要的作用。现如今，绝大部分的研究者对于温度和湿度的检测是通过使用设置在燃料电池外部的商用传感器来进行［2］。虽然这类传感器能够很好的测量燃料电池瞬时的参数值，但是价格昂贵且设备笨重。同时，由于只能通过测量外部参数来预测燃料电池内部的参数值，测量的准确性还有待验证。HE 等［3］设计了一种特殊针对燃料电池的薄膜柔性温度传感器，使用两个Nafion 112 膜，然后将这个膜系统嵌入到燃料电池的电极之间。这个设计非常新颖，但是传感器的嵌入可能会堵塞水合氢离子从阳极到阴极的转移，从而造成燃料电池性能的下降。ZHANG 等［4］的设计不会造成离子交换的负面影响，但是会造成流道内气体流动的堵塞。因此，为了解决上述技术难点，本研究提出了一种崭新的技术解决方案，通过将1 个微型的柔性电阻温度传感器嵌入到燃料电池阴极的支撑区域去测量不同位置的内部温度。阴极支撑区域相对的离子交换量小，同时，不会对流道内空气的流动产生任何的阻碍。

如今有许多对于燃料电池分析的仿真方法。赵建锋等［5］提出了燃料电池的二维分析模型。季运康等［6］通过CFD 仿真软件展示了燃料电池的三维流道的优化设计。针对燃料电池内部的热分布也同样有着大量的研究。李忠华等［7］的研究主要聚焦于燃料电池热分布对于其性能的影响，律翠萍等［8］的研究展现了水管理系统在燃料电池系统中的重要性。上述研究从各自的角度阐述了仿真分析在燃料电池性能研究工作中扮演的重要作用。但是有1 个共同的缺陷就是没有实验数据去支撑仿真结果的准确性。

基于上述提到的所有测试和仿真问题，在本研究中，首先1 个微型的柔性温度传感器被设计和组装。通过微电子加工和组装方法，6 个微型的电阻温度检测器被制作到柔性聚酰亚胺的基底上，然后嵌入到燃料电池单池中。为了评估传感器嵌入对于燃料电池单池性能的影响，1 个活化面积为25cm²的燃料电池单池被测试，比较传感器嵌入前后电池本身的极化曲线。同时，1 个三维的CFD 仿真模型被开发，通过对比仿真模型和实验模型的数据来确保仿真模型的准确性。

1 微电子温度传感器

基于微电子加工方法而制作的测量燃料电池物理参数的传感器展示了诸多的优点［9］。微电子传感器体积极小，因此可以嵌入到任何需要的地方去检测相应的实时物理参数。而以聚酰亚胺为基底的微电子传感器的优势更大。第一，强度高并且兼有一定的柔性度；第二，对于危害气体污染具有免疫性；第三，金和铬的金属可以很好的在基底上做镀层［10］；第四，未来还可以用于测试湿度等其他用途。

图1 展示了微电子温度传感器的加工方法。首先，使用双面胶将聚酰亚胺薄膜固定于标准硅片上，使用电子束蒸发器将金和铬的金属蒸汽蒸发到膜上形成1 层厚度为10 μm 的金属层。之后使用光刻机将金属层上刷1 层光刻胶，通过光刻工艺得到需要的微型电阻结构。此时，金属电阻结构只存在于光刻胶上，通过湿式刻蚀技术，将多余的金属层溶解，得到预期的金属电阻结构。最后洗去多余的光刻胶，将柔性聚酰亚胺薄膜从硅片上揭开，得到最终需要的温度传感器。

2 传感器计量测试结果

在传感器使用于燃料电池内部的温度测试之前需要对其进行计量标定。将传感器至于温度可调节的环境仓内，标定6 个电阻在不同温度下的电阻值。结果如图2 所示。

3 传感器嵌入对燃料电池性能的影响

温度传感器标定了不同温度下的电阻值之后被嵌入到了燃料电池单池中，嵌入的方式和具体的嵌入位置如图3 所示。6 个温度传感器全部被嵌入到了燃料电池阴极板的支撑区域位置，这样的嵌入方式不会影响的空气的流动和阴极区域内反应的进行。使用Greenlight 的G20 燃料电池测试台，对于嵌入传感器之前和嵌入传感器之后电池的极化曲线进行评估，结果如图4 所示。通过比较燃料电池性能在传感器嵌入之前和嵌入之后的变化，可以认为该传感器对于电池性能的影响极小。

4 温度检测结果

在Greenlight G20 燃料电池台架上将燃料电池的电压调整到额定状态0.6 V，同时使用万用表记录稳定状态下各个传感器的电阻值，通过此前标定的不同温度下的电阻值去推断额定状态下6 个不同点位的温度值，结果如表1 所示。

5 有限元分析及其结果

一个完整的针对质子交换膜燃料电池的CFD三维模型被开发，此模型和实验用的燃料电池单池有完全相同的几何结构。仿真几何模型显示在了图5 中。模型分为三部分，分别为双极板阳极，MEA 和双极板阴极。MEA 又由阳极气体扩散层，质子交换膜和阴极气体扩散组成。对于模型中各个部分的物理条件，阳极和阴极的气体都被指定为理想气体。电极被认为是均匀的多孔介质，在相同的工况条件下认为其透气率和孔隙率不变。对于网格的划分工作，本模型一共设置了125 万个网格单元，由于网格数量足够多，保证了计算结果本身的准确性，因此本模型没有做网格独立性的验证。

此仿真模型的理论支配方程主要包括阴极和阳极物质的质量守恒方程，物质的扩散方程，物质的动量方程，以及电子传导方程。所有的支配方程都经过了理论实验和多次仿真的交叉验证，广泛运用于COMSOL 商业软件之中，这保证了模型设计的准确性。

将CFD 模型的电压同样设计为0.6 V，与燃料电池单池的测试电压保持一致。同时将分析模型的边界条件和实验条件一一对应。此工况条件下模型分析结果和实验结果在电池性能，即电流值这一参数上显示了高度的一致性，这充分说明了模型的准确性。在模型准确性的前提之下，提取出温度传感器检测的6 个位置的模拟分析的温度值，将数据和表1 中的数据进行对比，其结果见表2。和燃料电池的性能对比类似，传感器检测的温度数据和仿真分析数据同样显示了高度的一致性，这证明了仿真模型在温度模块上的准确性。同时交叉验证了此柔性的微电子温度传感器在对于质子交换膜燃料电池内部温度检测的有效性。

6 结论

在本研究中，一种柔性的微电子温度传感器被开发运用于燃料电池内部的温度测量，该传感器以柔性材料聚酰亚胺为基底，而非传统的硬质材料，因而可LbCFSVMIv5PWViuCxYXO2BxVuXV0e/EAYJNV8ZpCBOA=以嵌入到燃料电池内部的任何位置来测量其温度。传感器的温度和电阻的对应特性通过温度可以调节的温度环境箱做了标定。有效反应面积为25cm²的某个燃料电池单池被使用来去检测该温度传感器的有效性。通过比较燃料电池在嵌入温度传感器之前和嵌入温度传感器之后其极化曲线的变化，该温度传感器对于燃料电池性能的低影响性得到了验证。同时，在基于同样的几何和物理条件下开发了三维的有限元仿真模型。该三维模型在温度分布和电池性能的两项分析数据都和实验数据显示了高度的一致性。从理论角度上对于该温度传感器性能做了有效验证。该研究成功的解决了燃料电池内部温度测量难的问题，可以同时测量不同位置的温度分布，测量的准确性高，同时，温度传感器的嵌入对于燃料电池本身性能的影响几乎可以忽略，因此该测量方法具有很强的商业应用前景。该研究的未来工作将聚焦于通过监测、分析、控制和诊断等方法来提高燃料电池的性能和使用寿命。

参考文献

［ 1 ］ 邵志刚，衣宝廉. 氢能与燃料电池发展现状及展望[J]. 中国科学院刊，2019（4）：469-477.

［ 2 ］ 韩冬林. 氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置设计[J]. 自动化与仪表， 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 ］ 赵建锋，梁前超. 基于氮氢混合气为燃料的PEMFC 性能仿真分析与研究[J]. 武汉理工大学学报，2020（8）：29-36.

［ 6 ］ 季运康，丁大增. 质子交换膜燃料电池双极板流场分析[J]. 佳木斯大学学报自然科学版，2018（2）：236-240.

［ 7 ］ 李忠华，杜传进，侯献军. 质子交换膜燃料电池热管理研究[J]. 华东电力，2007（2）：19-22.

［ 8 ］ 律翠萍，叶芳，马重芳. 质子交换膜燃料电池的水热管理[J]. 节能，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.