一种带有温度监测的质子交换膜电极、燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及质子交换膜燃料电池及其配件技术领域，尤其是涉及一种带有温度监测的质子交换膜电极、燃料电池。


背景技术：

2.在质子交换膜燃料电池(pemfc)运行过程中，需要对其内部温度进行实时在线监控，以控制其以最佳的工作状态运行。然而在快速的加减载过程中，其内部温度会发生非常迅速的变化，因此要求测温的温度探头要有较好的动态性能。此外，由于电池内部最高温度点位于催化层处，此处空间极小(催化层的厚度仅几微米至十几微米的量级)，而如果将体积过大的温度探头放到催化层处，在电池夹紧力的作用下，就会使温度探头与催化层以及其他电池部件产生挤压，而造成电池结构的严重破坏。
3.在测量阴极催化层温度的传感器中，大多是自主加工的薄膜热电偶，但是在目前的文献中，使用的热电偶厚度通常是几十微米甚至上百微米，尺寸更小的薄膜热电偶可以做到几微米，但是这些尺寸相比催化层几微米的厚度均较大，因此外来温度探头插入到催化层处，会对电池结构造较严重的干涉，一方面会造成电池结构的破坏，同时还会对测量地点的实际温度造成影响，并且尺寸过大其动态性能也无法确保能够捕捉到快速的温度变化。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有温度监测的质子交换膜电极、燃料电池。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种带有温度监测的质子交换膜电极，所述质子交换膜电极包括质子交换膜本体，所述的质子交换膜本体上镀设有至少一个用于温度监测的铂热电阻，在位于所述的质子交换膜本体上的铂热电阻上方设置绝缘层，在所述的质子交换膜本体上位于绝缘层上层设置催化剂层。
7.优选地，所述的铂热电阻分散设置多个。
8.优选地，所述的铂热电阻包括感温区和引脚，所述的感温区设置在质子交换膜本体上的电池工作区域中，所述的感温区通过两根引脚引出至质子交换膜本体边界处。
9.优选地，所述的感温区为呈蛇形分布的连续结构的铂电阻丝，所述的铂电阻丝首末端分别通过一根引脚引出。
10.优选地，所述的引脚包括引线和连接块，所述的引线位于质子交换膜本体上的电池工作区域中并连接铂电阻丝的端部，所述的连接块位于质子交换膜本体上的非电池工作区域中并将引线引出至质子交换膜本体边界处。
11.优选地，每个铂热电阻上位于电池工作区域中的面积占电池工作区域面积的范围是0.5％～0.8％。
12.优选地，所述的感温区铂电阻丝的线宽为5～100μm。
13.优选地，所述的质子交换膜本体包括nafion膜。
14.优选地，所述的绝缘层包括nafion绝缘层。
15.一种带有温度监测的质子交换膜燃料电池，包括膜电极和双极板，所述的膜电极采用所述的带有温度监测的质子交换膜电极。
16.与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
17.(1)本实用新型将铂热电阻集成在膜电极中，通过铂热电阻进行温度监测，由于采用了在膜上直接镀膜的方法，可以使温度探头(铂热电阻)的尺寸极小，厚度可以达到几百纳米，最小线宽达到微米级，因此温度探头的尺寸基本不会对电池产生影响；
18.(2)本实用新型铂热电阻上位于电池工作区域中的面积很小，温度探头的热惯性就小，动态响应很快，提高测温的动态响应性能；
19.(3)本实用新型铂热电阻的引脚中面积较大的连接块区域放在了电池工作区域之外，这样可以减小对电池的影响，并且方便连接外部电路；
20.(4)本实用新型设置nafion绝缘层，在不影响电池性能的同时，提供了铂热电阻的有效绝缘。
附图说明
21.图1为本实用新型一种带有温度监测的质子交换膜电极上铂热电阻的布置示意图；
22.图2为本实用新型铂热电阻的结构示意图。
23.图中，1为质子交换膜本体，2为电池工作区域，3为铂热电阻，31为感温区，32为引线，33为连接块。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。
25.实施例1
26.如图1所述，本实施例提供一种带有温度监测的质子交换膜电极，质子交换膜电极包括质子交换膜本体1，质子交换膜本体1上镀设有至少一个用于温度监测的铂热电阻3，在位于质子交换膜本体1上的铂热电阻3上方设置绝缘层，在质子交换膜本体1上位于绝缘层上层设置催化剂层，本实施例中质子交换膜本体1包括nafion膜，绝缘层包括nafion绝缘层，催化剂层为商业pt/c制备的催化剂浆液。
27.铂热电阻3分散设置多个，在本实施例中铂热电阻3分散设置4个，采用了冗余设计，可以实现多点测温，能够对不同地点进行温度检测。
28.如图2所示，铂热电阻3包括感温区31和引脚，感温区31设置在质子交换膜本体1上的电池工作区域2中，感温区31通过两根引脚引出至质子交换膜本体1边界处。
29.感温区31为呈蛇形分布的连续结构的铂电阻丝，铂电阻丝首末端分别通过一根引脚引出。引脚包括引线32和连接块33，引线32位于质子交换膜本体1上的电池工作区域2中
并连接铂电阻丝的端部，连接块33位于质子交换膜本体1上的非电池工作区域中并将引线32引出至质子交换膜本体1边界处，其中引线32位于电池工作区域2中，从而减小整个铂热电阻3位于电池工作区域2中的面积，提高动态响应性能，且不影响电池性能，连接块33位于非电池工作区域中，方便与外部测温电路连接，
30.感温区31铂电阻丝的线宽为5～100μm，每个铂热电阻3上位于电池工作区域2中的面积占电池工作区域2面积的范围是0.5％～0.8％。
31.上述带有温度监测的质子交换膜电极的制作方法，包括以下步骤：
32.1)利用磁控溅射方法在nafion膜上溅射制作铂热电阻3；
33.2)在铂热电阻3上再喷涂一层nafion溶液，固化后形成nafion绝缘层，避免铂热电阻3与催化层直接接触形成短路；
34.3)铂热电阻3制作完成后，对热电阻进行标定；
35.4)确定铂热电阻3能正常工作后，再将此nafion膜按照燃料电池单电池的操作流程，进行催化剂的喷涂和单电池组装等内容。之后便可以监测pemfc正常工作时的温度。
36.步骤1)中nafion膜应选择吸水溶胀变形小的型号，如美国戈尔公司(gore)生产的质子交换膜，具体加工流程如图1所示，细节如下：
37.①
对nafion膜进行清洗和干燥，清洗干燥完全后取出放在常温下备用。
38.②
按照温度探头设计图纸加工金属掩模版，设计图如图2所示。
39.③
将金属掩模版放在nafion膜上，确定好位置，然后进行磁控溅射，靶材为高纯度铂靶材，溅射过程中控制基底维持在常温20～30℃。
40.步骤2)由于nafion本身具有电子绝缘性，因此喷涂一层薄的nafion以充当铂热电阻3的绝缘层，该绝缘层一方面可以起到绝缘的作用，同时由于厚度很薄，且与原来的nafion膜结构性质相类似，因此不会对电池的性能造成很大影响。具体细节如下：
41.①
配置nafion溶液浆料：此浆料的配比主要由所要喷涂nafion膜的厚度以及nafion密度，来确定所需的nafion质量。使用异丙醇作为溶剂。
42.②
喷涂nafion溶液：喷涂的平台加热到80℃，同时平台需要设置一个负压，能够吸附住待喷涂的基膜，使其在喷涂过程中始终维持平整的状态。喷头的压力和孔径需要满足喷出的雾滴足够小，能够在基膜上迅速固化，不能在基膜上形成可流动的大团液滴。在喷涂之前，将制备好的nafion浆液超声振荡，使其充分均匀分布。
43.步骤3)要实现对铂电阻标定，首先需要搭建完整的测温系统，包括已经制备完成的温度探头，以及激励电路、信号调理电路、信号采集卡和上位机。激励电路为温度探头提供一激励电流，将电阻转化为电压信号，然后信号调理电路对电压信号进行滤波、放大等处理，之后采集卡采集数据，最终在上位机上将电压数据换算为电阻。
44.在测温系统搭建完成后，就可以对系统进行标定。标定还需要一个恒温装置来实现变化的温度，其控制的温度要非常稳定，随时间波动要小。其次还需要一个高精度的温度计，作为参考温度。正式的标定流程如下：
45.用恒温装置设置一系列等间隔的温度点，在每个温度点上，等待温度稳定后，记录温度探头的电阻数据和参考温度计显示的温度。如此从低温到高温，再从高温到低温，重复多次(一般3～10次)，绘制一条电阻——温度曲线。
46.步骤4)在完成了铂电阻温度探头的标定工作后，就可以进行后续燃料电池制备工
作。先在该nafion膜上(上面已制作铂电阻温度探头)喷涂由商业pt/c制备的催化剂浆液，然后进行膜电极封装。最后进行单电池的测试，和温度的实际测量。
47.本实施例中nafion膜的大小为7.5cm
×
7.5cm，中间的活化区域为5cm
×
5cm，4个铂热电阻3位于电池工作区域2的总面积为66.45mm2，占电池工作区域2面积的2.66％，感温区31铂电阻丝的线宽设计为100μm。
48.本实用新型实现了一种在尽量减小对电池结构、性能影响的前提下，能够实时监测pemfc运行温度的测温方法。由于采用了在膜上直接镀膜的方法，可以使温度探头的尺寸极小，厚度可以达到几百纳米，最小线宽达到几百微米，因此温度探头的尺寸基本不会对电池产生影响，温度探头(铂热电阻3)在电池工作区域2内的面积仅占工作面积的2.66％，并且由于尺寸小，温度探头的热惯性就小，动态响应很快。此外，为了防止温度探头与催化层短路，还在温度探头上喷涂了电子绝缘的nafion，在基本不影响电池性能的同时，提供了有效绝缘。
49.实施例2
50.本实施例提供一种带有温度监测的质子交换膜燃料电池，包括膜电极和双极板，膜电极采用如实施例1中提供的带有温度监测的质子交换膜电极，质子交换膜电极的具体结构以及制作方法与实施例1相同，这里不再赘述。
51.上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。