TW201244243A - Non-destructive testing methods for fuel cell interconnect manufacturing - Google Patents

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201244243 六、發明說明： 本申請案主張於2010年11月30日申請之盖撕# + τ明I吴國臨時專利申 請案序號61/418,043之優先權利，其以弓丨用上 Ή用之方式全文併 入本文。 【先前技術】 在高溫燃料電池系統，諸如固態氧化物燃料電池（s〇FC) 系統中’氧化流通過燃料電池的陰極側，而燃料流通過燃 料電池的陽極側。氧化流一般為空氣，而燃料流可為烴燃 料，諸如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。在介於 750°C與950°C之間之典型溫度下操作的燃料電池可使帶負 電的氧離子從陰極流動流輸送至陽極流動流，其中離子與 游離氫或烴分子中之氫結合形成水蒸氣及/或與一氧化碳 結合形成二氧化碳。來自帶負電離子的過量電子通過在陽 極與陰極之間形成的電路返回至燃料電池的陰極側，在電 路中產生電流。 為最佳地操作SOFC，應精確地調節氧化流及燃料流。 因此’應精確地製造燃料電池系統中之流動調節結構（諸 如互連件）。 【發明内容】 各種實施例提供用於測試燃料電池互連件的非破壞性方 法’其包括以下步驟：提供燃料電池互連件及對燃料電池 互連件進行非破壞性測試，其包括以下至少一者：檢測互 連件的磁響應’藉由光照互連件來計算體積，檢測互連件 的聲響應，及檢測互連件的熱響應。 160466.doc 201244243 其他實施例包括測試燃料電池互連件的方法，其包括提 供燃料電池互連件及檢測互連件之磁響應成跨越互連件位 置之函數之步驟。 其他實施例包括測試互連件的方法，其包括以下步驟： 提供具有多個面之互連件、將互連件置於條狀白光照射場 中及基於反射光條紋的位置計算互連件之多個面之每一面 之咼度成長度及寬度之函數。可使樣品旋轉以使各不同面 暴露至條狀光來進行計算。此實施例還可包括利用計算高 度及旋轉角在三維空間模擬互連件並計算模型之封閉體積 的步驟。 其他實施例包括測試燃料電池互連件的方法，其包括以 下步驟：提供燃料電池互連件，對燃料電池互連件施加波 激擾激勵，檢測聲響應’及測定互連件密度、互連件熱膨 脹係數及聲音基於聲響應在互連件中之速度中之至少一 者。 其他實施例包括測試互連件的方法，其包括提供互連 件、刺激互連件及檢測互連件之熱響應的步驟。 【實施方式】 文中併入並構成本說明書一部份之附圖說明本發明之示 例性實施例，並與以上之發明内容及實施方式一起說明本 發明的特徵。 將參考附圖詳細敘述各實施例。若可能，將貫穿圖示使 用相π的參考數子來表示相同或相似部件。所引用之特定 實例及操作係為說明之目的而不欲限制本發明或申請專利 160466.doc 201244243 範圍之範疇》 各個實施例提供測試材料性質的系統及方法。此等方法 可為非破壞性的，如此互連件在測試期間不會損壞或毀壞 且隨後可用於燃料電池。其他實施例在改良製造及選擇用 於燃料電池系統之組件中使用此等系統及方法。精確製造 之燃料電池組件（諸如具有均一密度及熱膨脹係數之彼等） 可改良燃料電池系統的效率。 圖1說明一種SOFC堆疊，其中各s〇FC;丨包括陰極電極 7(例如，LSM或其他傳導性鈣鈦礦）、固態氧化物電解質 5(例如YSZ、ScSZ或摻雜氧化鈽）及陽極電極3(例如，金屬 陶瓷諸如經鎳穩定之氧化锆及/或摻雜氧化鈽之金屬陶 瓷）。燃料電池堆疊經常係由多個呈平面元件、管或其他 幾何形狀形式之SOFC 1構建。燃料及空氣必須提供至可能 較大之電化學活性表面。 包含介於肋條10之間之氣流通道或渠道8的氣流隔板 9(當爲平面堆疊的一部份時，稱為氣流分離板）分離堆疊中 之個別電池。氣流分離板使流入堆疊中之一個電池之燃料 電極（即陽極3)的燃料（諸如烴燃料）與流入堆疊中之相鄰電 池之空氣電極（即陰極7)的氧化劑（諸如空氣）分離。在堆疊 中之任’可能存在用⑨分別向端電極提供线或燃料 的空氣端板或燃料端板（未顯示 經常亦使用氣流分離板9作為將一個電池之陽極或燃料 電極3電連接至相鄰電池之陰極或空氣電極7之互連件。在 此情形下，充當互連件之氣流分離板係由導電材料製成或 160466.doc 201244243 包含導電材料。圖1顯示下方SOFC 1係位於兩個互連件9之 間。互連件可由鉻合金製成，諸如含有4_6重量％鐵之鉻合 金。 各種燃料電池組件必須精確地製造以使燃料電池效率最 大化。具體言之，需要具有既均一又具有位於預定範圍内 之平均值之密度及熱膨脹係數的組件。實施例之方法及系 統提供有助於製造具有此等性質之互連件的方式。 第一組實施例仰賴磁性來指示熱膨脹係數分佈。可利用 固定磁鐵及測力計來測量互連件對磁鐵之吸引力成跨越互 連件位置之函數。已發現，在金屬合金部件（諸如固態氧 化物燃料電池互連件）中，吸引力之自然對數與熱膨脹係 數（CTE)線性相關。較佳而言，金屬部件（諸如互連件）包 括基於絡之合金’諸如4-6 wt% Fe及94-96 wt% Cr。合金 可視需要包括Y、Co及Cu中之一或多者（例如，〇至i wt〇/〇 之Y、Co及/或Cu)。因此，CTE之室溫示值（例如，平均 CTE值）可藉由測量金屬部件與磁鐵之間之磁吸引而獲得。 製圖可確定該吸引之非均一性，其可確定CTE之均一性。 利於製造之另一點在於藉由在未經塗布互連件表面附近 放置磁性探針，互連件之製造商或來源可藉由其互連件所 展示之不同吸引量而區分。例如，圖2說明由四家不同製 造商製成相同規格之互連件的磁響應變化（標為Mfg#i至 Mfg#4)。具體言之，圖2說明對於來自四家不同製造商之 互連件，來自估計CTE之以毫米為單位之「膨脹高度」成 以克力為單位之互連件對固定磁鐵之吸引力之對數圖的函 160466.doc 201244243 數。 不希望受限於任何特定操作理論，本發明人相信與小型 鐵或亞鐵磁性顆粒有關之超順磁性可能與CTE相關。具體 言之，主要引入基於鉻（Cr)之互連件中之鐵（Fe)來調節 CTE以與SOFC堆疊中之電解質之彼等匹配。Fe係作為粉末 引入粉末狀Cr中，及Fe在部件於製造期間所暴露之高燒結 度下擴散進入Cr中。擴散量係依據顆粒表面氧化狀態或 其它擴散障礙而變。由於鐵較柔軟，故若其未充分擴散進 入’則CTE將更低或更接近匹配於純Cr。 磁化率取決於製程相差若干個數量級，因此測力計需具 有優良線性度，及磁通量需在空間上均一或在互連件的厚 度上受控。 基於兩個原因，室溫熱膨脹指示值在製造方面提供重要 優勢。一為部件無需加熱（例如，在5〇它或以下，諸如在 包括室溫之20至50t )及無需敏感性熱膨脹測量即可測 "式。另一個為CTE可以非破壞性方式就部件製圖。其有助 於確保CTE均一，此對SOFC製造之高良率為關鍵。 可利用更小的探針以及相當於用於流體流動之互連件上 之肋條結構10的探針來獲得更佳測量。此外，有影響之 CTE差異為約〇.1%，而磁化率變化若干數量級，因此 感得多。 ' 在一個示例性實施例方法中，將較小直徑磁鐵（〜3 5 mm)置於具有毫克解析度的天平上。將一平台置於天平 上，其具有一用於磁鐵之孔洞。將待測試的互連件放置在 160466.doc 201244243 平台上’其底端高於磁鐵頂端3 mm。將互連件人工掃描過 孔洞’及以相機記錄互連件的位置，及明顯受互連件局部 吸引影響之磁鐵的重量讀數。3 mm的間隙足夠大以使因互 連件曲率所引起的間隙變化保持為讀數之數百分比。該裝 置意在獲得一些初始數據，而非提供最佳可能的數值。邊 緣效應及反應延遲可能引起一些讀數誤差。 圖3說明一種實施例方法3〇〇。在步驟3〇2中，可檢測跨 越互連件之磁響應，諸如磁化率或另一適宜磁響應。磁響 應可如在上例中藉由測量受互連件吸引所影響之磁鐵的重 量讀數而測定》跨越互連件之磁響應可以其他方式測量， 諸如藉由利用各種不同磁強計中之一種。在步驟3〇4中， 可基於測量之磁響應測定熱膨脹係數成跨越互連件之位置 之函數。例#，熱膨脹係數可基於其與磁響應（諸如磁化 性）之反相關來測定。 在步驟3G6中’若跨越互連件之平均測定熱膨脹係數係 處於預定範圍内（例如，於用於具有互連件之堆#中之固 態氧化物燃料電池之平均CTEi5%内’諸如1%内）及/或若 CTE係於跨越互連件之可接受均_水平内（例如，跨越互連 件’若CTE均一性變化小於1〇%，諸如小於1%)，則將互連 件放置在燃料電池堆疊中。此步驟容許製造商避免使用 CTE不匹配及/或非均_的互連件。若咖之平均數值與燃 料電池CTE相差太大及/或若跨越互連件所測量之熱膨服係 數範圍太大，以致其將影響燃料電池堆疊效率，則不將互 連件放置在燃料電池中。 160466.doc 201244243 若需要，可省略步驟304。在此情形下，使在步驟3〇2中 磁響應（諸如磁化性）之測量值與磁響應之人或機器（諸如電 腦）之可接受及不可接受數值之資料庫（例如查找表）相關聯 或比較，及基於該關聯或比較做出步驟306之決定。 其他實施例方法測試用於製造互連件的壓實金屬粉末部 件的體積和密度。在此實施例中，體積係藉由光照該部件 而計算，使來自不同角度之所得數據電子結合，從而確定 體積。 為各邊長1至3 圖4中說明一種測定體積之示例性實施例方法4〇〇。壓實 金屬粉末樣本可為未燒結、經壓實的金屬粉末部件或在粉 末冶金製程中後來產生之壓實燒結金屬部件。典型樣本可 敘述，但此方法也可適用於其它實施例中之互連件。

以製作樣本之3D模型 。在步驟408中，— 般或特定用途之電腦或任何適宜處理 宜處理器或邏輯裝置可計算 儘管此方法係針對壓實金屬粉末樣本 模型的封閉體積。

量。例如 可利用相當高解析度的天平(諸如具有約 之密度。可測量樣本之重 約五位 160466.doc 201244243 有效數字）稱量樣本。可藉由將重量除以藉由上述實施例 方法所測得之體積來計算密度。在一些實施例中，可在體 積測定之前及之後測量重量以確保其未改變。 此方法可避免其他方法面對之問題，諸如氣泡、流體滲 入部件中及將樣本固持在液體中之絲線的影響。結果為準 確度改良達ίο倍或以上，從而容許更易影響待檢測之相連 孔隙度之密度的微小變化。 圖5A顯示一些相關測試數據。製備壓實金屬粉末之小樣 本並應用該方法。所得固體模型的體積由該模型計算為 42.743 mm3 ° 圖5B顯示另-測試數據。製備兩個壓實金屬粉末之小樣 本並應用該光學方法^亦稱量各部件的重量，並結合體積 付到6.718及6.660 g/cm3的密度。 誤差來源主要來源於兩處；感測器之2高度解析度，及 結合圖像令因製圖扭曲所引起的誤差。對於此等小樣本， z高度解析度係於⑴微米範圍内及良好透鏡之扭曲為不 到一百分比。 利用此解析度，預期密度可以良好保證計算至第四位有 效數字（第三小數位數）°以上參照圖4'5如崎述之方 法可為非破壞性或破壞性。例如，若樣本包括完整燒結互 連件，則該方法為非破壞性。“，若該樣本包括來自燒 ^互連件之切割片，如圖_5Β所示，則該方法為破壞 性。完整的互連件較容易測量，但來自互連件之切割片容 許測量將局部密度變化列入考慮。 160466.doc 201244243 · 其他實施例可包括利用聲波激擾測試燃料電池部件的非 破壞性方法。本發明者瞭解一部件之熱膨脹係數、聲速及 共振頻率皆與部件材料的原子間位勢有關並因此彼此相 關。各種實施例方法及系統提供有助於基於此等相關性質 製造及分類具有所需熱膨脹係數之組件的方式。 此等實施例可包括對部件施加聲波激擾（例如，一或多 種音源或信號）、檢測聲響應及基於聲響應測定部件之一 或多種性質。 谷種貫施例可依 及/或超聲脈衝）來測定燃料電池組件之性質。圖6說明一種 用於提供燃料電池組件602(諸如互連件9、電解質5或堆疊 之端板）音源的示例性裝置。端板係與互連件相似，除了 端板係位於堆疊之末端，僅與-個燃料電池相鄰，而互連 件係位於兩個燃料電池之間β第一換能器6〇4可連接至組 件602。如圖6所示，第-拖台t势 弟一換此态606可連接至組件6〇2的對 側距第―㈣_4距離踏。各換能ϋ可經配置以提供音 源、檢測音源或兩者兼具。 圖7Α說明一種實施例方法 , + 。於步驟702中可提供燃料 電池邛件（諸如上述任何組件）。 多個音源在部件中測定聲 ’可基於-或 能之短脈衝。在各種實施例中能器產生之聲 之測量可由任何適宜超聲 ，”、超仏琥。音源 鳩之輸出的分析儀進行。2基於來自換能器7〇4、 類。分類可包括選擇m驟〇6中部件可基於聲速分 括選擇或不選擇待包括於燃料電池堆疊中之 I60466.doc 201244243 i件可使用*類分類，諸如利用查找表來判定測量聲速 是否位於一或多個預定範圍内。在另一實施例中，可使聲 速諸如基於來自先前測量部件之數據與熱膨脹係、數相關 聯，及部件可基於相關熱膨脹係數分類。分類可基於超聲 檢測儀之輸出人工進行或藉由諸如機器臂之機器藉由基於 步驟704中之測量值的控制器控制而進行。 、各種實施例可包括步驟704中用於測量聲速的不同方 、、圖7B說明一種探尋燃料電池部件聲速的示例性方法。 在步驟752中可測量部件之尺寸。例如，可測量(例如，以 人工或藉由機器，諸如藉由雷射長度測量系統）在第一及 第:換能器之間之尺寸χ(例如，長度）。在步驟754中可產 生3源。音源可為由第一換能器004產生之聲能之短脈 衝。可記錄（例#，藉由超聲檢測儀4分析儀）音源之時 ^在步驟756中’可在第三換能器祕處檢測或接收音源 (藉由超聲檢測儀或分析儀）。可記錄到達時間。在 步驟758中，可基於測量尺寸及音源產生時間與音源接收 ^間之間的差來計算部件之聲速。例如，可將尺寸χ除以 音源產生時間與音源接收時間之間的差來確定聲速。 其他實施例可包括多個音源。例如，多個實施例可包括 來回之換能器音源。第一換能器6〇4可產生在第二換能器 6〇6處檢測之音源。—經檢測到第—音源，則第二換能器 可藉由產生在第一換能器6〇4處接收的另一音源而響 應。可記錄各音源之產生及接收時間，聲速係基於尺寸X 及各音源之時間差來計算。可將此等速度平均。音源可視 160466.doc 201244243 需要持續多次以增加信號對雜訊比。 其他實施例可包括燃料電池部件上不同位置處之音源。 例如’可如上述產生並接收多個音源。 尽此等多個音源可再 次用於計算多個聲速，其進而可經平垧 ，丁刁。然而，換能器 6〇4及606可在一或多個音源之間移動 秒動例如，換能器 604、606可沿部件602之側面上下移動。 夕莉可對各音源測量 在換能器604及606之間的新尺寸χ(若拖处

』1右換忐器之間之距離X 在移動後改變）並用於計算對應聲速。 ·η 疋而且，可記錄換能 器604及_的位置以致可跨越部件對聲料ι聲速可與 熱膨脹係數相關聯，因此，亦可跨越部件對熱膨服係數繪 圖。該繪圖可㈣確保料及跨越料之熱膨脹係數均 ——〇 其他實施例可包括測量一或多種丘 禋振頻率。圖8說明一 種實施例方法刚。於步雜2中可提供燃料電池部件 步驟m中可測量共振頻率。部 巧右干共振頻率或 莫式。此等模式可為多個最低頻率 可门… 午域本頻率。共振頻率 二右干不同方式測量。例如’可對部件施加怪定震動 (例如，聲震動）激勵。可使用獨立 杜it * 的接觸式棟針來讀取部 件/、振的頻率。或者，可應用翠一 干 9源’震動可隨時間砉 退，及探針或其他換能器可讀取共 依賴超聲作號來激摄、項率。各個實施例可 车就采激擾或刺激燃料電池部件。 在步驟806中可測量燃料電 « . A 〒的尺寸。例如，可測 量在。卩件邊緣之間之尺寸χ。乒 有節1¾。. 一項率在部件邊緣處將具 虿郎點。因此，在步驟8〇8中， 了基於尺寸及共振頻率來 160466.doc •13- 201244243 計算聲速。 在步驟810中，可基於計算之聲速分類部件。分類可包 括選擇或不選擇用於燃料電池堆疊中之部件。或者，各個 實施例可省略步驟806、808及810,及燃料電池部件可基 於共振頻率分類。例如，某些共振頻率範圍可與是否選擇 或不選擇該部件直接相關聯。同理亦適用於圖7八及73之 方法’其中部件可基於聲測量裝置之輸出分類而無需明確 計算聲速β 各個實施例可使部件中之共振頻率或聲速與部件之熱膨 脹係數相關聯。其他實施例可依賴聲速或共振頻率來測定 或近似得出熱膨腸係數及基於熱膨脹係數來分類燃料電池 部件。 各個實施例可包括測量燃料電池部件之重量。可基於重 量調節聲速。例如’可稱量部件。部件體積可為已知或基 於測量尺寸以及其他測量尺寸來計算。體積可與重量一起 用於計算部件密度（例如，密度為重量除以體積的函數）。 此等測量值可為平均值或跨越部件之數值分佈。其他實施 例可基於針對重量調節之聲速或基於密度來分類燃料電池 部件。 圖9說明一種實施例方法_，其包括第一及第二共振頻 率之多個溫度測量值’但避免測量尺寸之需求。於步驟 902中可提供燃料電池部件。 τ在步驟9〇4中，可在第一溫度 下測量第一共振頻率（例如，^ 在至&下）。共振頻率可以如 上述之不同方式測量。名半 在步驟906中，可在第二溫度下測 160466.doc -14- 201244243 f第二共振頻_如’高於室溫）。在步驟刪中，可使第 、第帛率間之差與熱膨脹係數相關聯。此可以各種方 式（諸如利用查找表）進行。可事先基於具有已知數值之先 前燃料電池部件製作表。若某些變數保持不變，則可減少 該表的複雜性。例如’可將第-及第二溫度設為預定值以 便於相關。 在步驟91G中’燃料電池部件可基於熱膨脹係數分類。 分類可包括選擇或不選擇包含於燃料電池堆疊中之組件。 或者，可省略步驟908及910及可基於第一及第二頻率分類 燃料電池部件。例如，某些共振頻率範圍可與是否選擇或 不選擇該部件直接相關聯。 圖10為說明跨越空氣端板或「AEP」（例如，與燃料電池 堆疊中最後一個電池之陰極相鄰的端板)及燃料端板或 「FEP」（例如，與燃料電池堆疊中對置之最後一個電池之 陽極相鄰的端板）之各種頻率之振幅的實驗數據圖。元素 1002表明兩個端板相似的共料。此相似之共振可指示該 等端板可用於相同燃料電池堆疊上。 圖11說明十個不同燃料端板之間之頻率響應的變化。與 圖10之先前圖相似，X軸為頻率及y軸為振幅。儘管係來自 相同批次，但圖11之表中顯示之端板說明共振頻率之可能 變化，其可指示在板之間之密度及/或熱膨脹係數的差 異0 圖12為針對不同組件測量之峰值共振頻率之圖。包括空 氣端板（AEP)、燃料端板（FEP)及來自不同生產批次的若干 160466.doc •15· 201244243 互連件（ic，用於燃料電池堆疊中間）。圖12再次說明部件 之間（例如’儘管兩批次之1(：幾何形狀相同，在IC批次3及 9之間之峰位置差異）之可能變化。圖12亦說明各類部件之 間之變化。例如，互連件一般可具有較低共振頻率。因 此，上述關聯可基於用於該方法中之燃料電池部件或甚至 基於生產批次而不同。圖12還包括展示不同磁響應之互連 件之峰值共振頻率。互連件或其他燃料電池部件可根據磁 響應來分類。圖12說明峰值共振頻率甚至可跨越具有相似 磁響應之互連件而變化，從而藉由共振頻率分類互連件可 提供與藉由磁響應分類不同或改進的結果。 校正如上所述之部件之重量及長度可減少在圖1〇_12中 所見之變化並改進各種關聯。 各種超聲檢測及分析裝置可用於上述方法中。例如，各 個實施例可使用來自UUras〇nic Techn〇1〇gies Systems矸

Flonda之共振超聲波振動（RUV)系統。RUV系統可為對部 件之生產線提供快速非破壞性測量之電腦控制的機械單 元。 其他實施例可包括藉由主動式熱影像法（acUve thermography)測試燃料電池部件之非破壞性方法。燃料電 池部件（諸如互連件）可藉由一或多種能量諸如超聲、感應 (即感應加熱）或光能（例如，紫外線、可見光及/或紅外線 輻射）刺激，及觀察燃料電池部件的熱響應。基於所觀察 熱響應之不規則性可以檢測燃料電池部件的缺陷。 主動式熱影像法與被動式熱影像法之區別在於使用能源 160466.doc 201244243 於在測試目標及其周圍之間產生熱對比。例如，互連件可 與背景環境處於熱平衡《在利用能量刺激互連件後，互連 件釋放熱量以重建熱平衡。該熱量釋放可在空間上（即， 跨越互連件或其它部件）及在時間上（即隨著時間，諸如紅 外視頻或一系列照片）觀察到。基於該熱影像，可使用各 種演算法來測定缺陷。例如，互連件中之裂縫、空隙、雜 質或脫層塗料（例如，在互連件空氣面上之㈣礦或尖晶 石金屬氧化物㈣，諸如猛酸鋼錄或氧化姑猛）可比無缺 陷互連件釋放更多熱量或以不同速率釋放熱量。 圖13說明-翻用主動式熱影像法來賴燃料電池組件 之實施例系統13 0 0。此實施例中之系統13 0 〇包括至少一個 經配置以將光輻射（例如，紫外線、可見光及/或紅外賴射） 能1308導向燃料電池組件13〇2(諸如互連件）之光能源 ⑽。光能源1304可為例如閃光&㈣，加熱或攝影 、）i素S LED、雷射源等。在—個實施例中，源 可為高功率、高頻攝影燈。該系統1300亦包括至少一個熱 能檢測儀1306，其可為心檢測燃料電池組件13〇2之熱響 應之紅外相機或紅外光檢測儀。 圖14說明—種用於檢測互連件中之缺陷的實施例方法 咖。於步驟14G2中可提供互連件。在步驟剛中刺激 該互連件。刺激該互連件可以多種方式進行。例如，在圖 、,實細例系統中，光能源丨3 04可利用光能刺激互連件。 光能可以-或多個脈衝歧録料向互連件。在各種實 •中⑻激可為靜態或動態。例如，靜態刺激可為具有 J 60466.doc •17· 201244243 振幅、峰值波長及/或頻率之脈衝或持續均一刺激。 7刺激可隨時間變化，諸如掃描頻率、峰值波長及/或 刺激振幅（即強度）或各種其他模式或序列。替代性實施 :可利用其他能源(諸如超聲換能器或感應線圈)刺激互連 牛或其它料°此等替代性能源亦可提供靜態或動態刺 激0 在步請6中可檢測熱響應。例如，紅外相機可在互連 =釋放熱^與和重建平衡時⑽其之—或多個影像。 在^驟刚中，可測定互連件是否具有任何缺陷。缺陷可 Γ響應中例如，來自红外相機之熱影像可經由各 决异法搜尋影像内之任何不規則或與無缺陷互連件之影 2比較其間差異。例如，缺陷（例如，裂縫、空隙、雜 脫層金屬氧化物塗層（諸如，猛酸鋼銷或氧化銘猛））可 ，由來自空間熱影像之較高溫度特徵及/或藉由來自一或 多個時間熱影像之較低熱擴散係數辨識。在另—實例中， :影像可與可接受或無缺陷參考互連件之參考熱影像比 。可將無檢測缺陷的互連件置於燃料電池堆疊中，而有 缺陷的互連件則否（例如，將其丢棄或送去修理）。 „熱響應或影像可藉由邏輯裝置儲存或操控或顯示在監視 益上。例如’熱能檢測儀13〇6可與具有記憶體及處理器的 電腦相連。電腦或；羅# # $1 ^, "輯裝置可利用指令編程以進行各個實 施例方法。 其他實施例可包括來自超聲換能器的刺激。圖Η說明一 種用於燃料電池組件15〇2(例如，互連件）之超聲刺激及紅 160466.doc 201244243 外成像的示例性測試裝置1500。互連件可藉由超聲（諸如 利用一或多個超聲脈衝或信號）刺激。超聲可藉由與和互 連件接觸之換能器或探針1508相連的超聲產生儀15〇4提 供。系統1500還包括至少一個熱能檢測儀15〇6(諸如紅外 相機或紅外光檢測儀），以檢測燃料電池組件15〇2之熱響 應。 圖16A及16B說明具有缺陷之樣本互連件及所得之紅外 影像。圖16A中之互連件16〇2顯示清晰可見的線狀缺陷 1606。紅外影像1604說明缺陷1606如何在熱影像中可見。 圖17A及17B為一系列分別顯示由超聲波激擾掃過互連 件所得之紅外相及振幅的紅外影像。圖17A顯示基於由互 連件釋放之能量之紅外相的影像，而圖17B顯示基於紅外 振幅的影像。影像的激勵頻率從左變化至右。如影像所 示’一般而言，較低頻率顯示較大裂縫及缺陷，而較高頻 率顯示較小或較緊湊的裂縫及缺陷。 其他實施例可包括來自電感線圈的刺激。電感線圈可在 开> 狀及功率方面相異。圖18說明一種利用包含矩形電感激 勵源（即’線圈）1810之液體冷卻歧管1804的示例性測試裝 置1800。圖18顯示矩形電感線圈1810之橫截面，其中線圈 從頁面出來以致矩形線圈看似圓形而非矩形。平台 1812(諸如不經感應加熱之木製（或另一非經感應加熱的材 料）平台）可支撐互連件1802。紅外成像裝置1806可懸掛於 上方。 圖19A-19C為一系列來自紅外成像裝置（諸如圖丨8中者） 160466.doc •19· 201244243 的互連件影像。圖19A中之影像19〇2為藉由電感線圈刺激 後之互連件的紅外影像。圖19B中之影像19〇4顯示在諸如 藉由影像分析演算法已辨識相關區域後之相同影像❶圖 19C中之影像19〇6為確定該區域為欲丟棄之缺陷後的再一 相同影像。 替代f生實施例可依賴不同形狀的電感線圈。圖中之 影像2002為經矩形感應線圈刺激之互連件的紅外影像。圖 20B中之衫像2〇〇4為經圓形（即，具有大致圓形外徑的螺旋 形）感應線圈刺激之互連件的紅外影像。當使用矩形感應 線圈時’在影像2002中看不到互連件的缺陷，但當利用圓 形感應線圈刺激相同互連件時，缺陷在影像2〇〇4中於互連 件中部分明可見。因此，替代性實施例可依賴組合此等形 狀或其他形狀之電感線圈來消除盲點。其他實施例可包括 利用多個電感線圈之測試。 儘管以上說明固態氧化物燃料電池互連件、端板及電解 質作為測試目標，但任何其他燃料電池互連件（諸如熔融 碳酸醋或PEM關電池互連件），或與燃料電池系統無關 之任何其他金屬纟金或壓實金屬粉末或陶£物體亦可利用 以上方法測試。 先前方法描述僅係提供作為說明性實例，而非意欲要求 或暗示各個實施例之步驟必須按照所呈現之順序進行。如 擅長該項技術者所當理解’先前實施例中之步驟順序可以 任何順序進行1如「其後」、「然後」、「接著」等詞 語m要限制步驟順序；此等詞語可用於在方法叙述 160466.doc •20- 201244243 中引導讀者。此外，以單數形式對主張元件之任何引用 (例如，利用冠詞「一」或「該」）不應視為限制該元件為 單數。 結合文中揭示之實施例敘述之各說明步驟可以電子硬 體、電腦軟體或兩者之組合執行◎為明確說明該硬體及軟 體之可互換性，各種說明組件、模塊、模組、電路及步驟 一般係按其功能性如上所述。該類功能是否可作為硬體或 軟體執行取決於特定應用及施加於整體系統的設計限制。 技術熟練者可針對每一特定應用以不同方式執行所述功 能，但該類執行決定不應視為引起從本發明範圍之脫離。 在電腦軟體中執行的實施例可在軟體、韌體、中間軟 體、微碼、硬體描述語言或任何其組合中進行。程式碼區 段或機器可執行指令可表示一種程序、函數、子程^ 式、常式、副常式、模組、軟體包、類別、或任何指令之 組合、數據結構或程式描述。程式碼區段可藉由傳輸及, 或接收訊息、數據、引數、參數或記憶體内容輕合至另— 程式碼區段或硬體電路。訊息、引數、參數、數據等可經 由任何適宜手段(包括記憶體共用、訊息傳遞、 遞、網路傳輸等）傳輸、轉送或輸送》 當在軟體中執行時，函數可以__或多個指令或程 或處理器可讀儲存媒體中。文中描 ; 示之方法步驟或演算法可在可駐留於電腦可讀或處理器^ 4儲存媒體上之處理器 雷聪w 益了執盯軟體杈組中貫施。非暫時性 電胳可讀或處理器可讀媒 了任 只硃體a括電腦儲存媒體及便於將電 160466.doc •21· 201244243 腦程式從一處轉移至另一處的有形儲存媒體。非暫時性處 理器可讀健存媒體可為任何電腦可存取的可利用媒體。例 如（而非限制），該類非暫時性處理器可讀媒體可包括 RAM、R〇M、EEPR〇M、cdr〇m或其他光盤儲存磁碟 儲存或其他磁性儲存裝置、或可用於以指令或數據結構形 式儲存期望程式碼及可由電腦或處理器存取的任何其他有 形儲存媒體。文中所用之碟及盤包括光碟(CD)、雷射盤、 光盤、數位多功能光碟（DVD)、軟性磁碟及藍光光碟，其 中碟通常藉磁性再現數據，而盤係利用雷射光學再現數 據。以上之組合亦應包括在電腦可讀媒體的範圍内。另 外，方法或演算法之操作可作為程式碼及/或指令之—種 或任何組合或集合駐留於非暫時性處理器可讀媒體及/或 電腦可讀媒體上’該等媒體可併入電腦程式產品中。 當在硬體中執行時，功能可在於無線接收器或行動裝置 中可適用之無線信號處理電路之電路系統内進行。該無線 仏號處理電路可包括用於完成在各個實施例中敘述之信號 測量及計算步驟的電路。 用於執行文中所揭示各個實施例之硬體可利用通用處理 器、數位信號處理器（DSp)、特定應用的積體電路 (ASIC)、場可程式化閘陣列（FpGA)或其他可程式化邏輯裝 置、離散閘極或電晶體邏輯、離散硬體組件或設計於實行 文中所it功月b的任何其組合來執行或實行。通用處理器可 為微處理器，但在替代實施例中，處理器可為任何習知處 理器、控制器、微控制器或狀態機。處理器亦可作為計算 160466.doc -22· 201244243 裝置之組合執行，例如，DSP及微處理器之組合、多個微 處理器、與DSP核心結合之一 &多個微處理器或任何其他 該類結構。或者…些步驟或方法可藉由專用於指定功能 的電路系統來實行。 匕 提供前述揭示態樣之說明以使擅長該項技術者能製作或 應用本發明。擅長該項技術者當可輕易明瞭此等態樣之各 種修改，及文中^義之-般原理可應用至其他態樣而不脫 離本發明範圍。因此，本發明不欲受限於文中所示態樣， 而是符合與文中揭示之原理及新穎特徵一致的最廣範圍。 【圖式簡單說明】 圖1說明SOFC堆疊之橫截面側視圖。 圖2為說明磁響應與熱膨脹係數之反相關的圖。 圖3為說明利用磁響應測試互連件的實施例方法的流程 圖。 圖4為說明用於測試壓實金屬粉末樣本之體積的實施例 方法的流程圖。 圖5A及5B為電腦產生的壓實金屬粉末樣本之3d模型影 像。 圖6說明具有用於產生並接收音源之換能器的燃料電池 互連件。 圖7A為說明基於聲速測試燃料電池互連件之實施例方法 的方法流程圖。 圖7B為說明利用音源測量聲速之實施例方法的方法流程 圖。 160466.doc -23- 201244243 圖8為說明涉及共振頻率之測試燃料電池互連件之實施 例方法的方法流程圖。 圖9為說明涉及兩共振頻率之測試燃料電池互連件之實 施例方法的方法流程圖。 圖ίο為在兩個不同燃料電池板上從25 KHz測量至乃 KHz以辨識共振峰之頻率掃描圖。 圖11為在多個燃料端板上於窄頻率範圍内測量之頻率掃 描圖。 圖12為在不同燃料電池互連件板上測量之共振頻率峰位 置圖。 圖13示意性地說明一種藉由測量組件對導引至組件之光 輕射能的熱響應而檢測組件中缺陷的測試裝置。 圖14為說明基於紅外成像測試燃料電池互連件之實施例 方法的方法流程圖》 圖15示意性地說明用於超聲波激擾及紅外成像的測試裝 圖Μ及!6B分別為具有缺陷之樣本互連件的頂視圖及 所得紅外影像之示意圖。 圖17A及17B為一系列分別顯示由掃描超聲波激擾所得 之紅外相及振幅的紅外影像。 圖18示意性地說明—種利用液體冷卻矩形電感激勵源及 紅外成像之測試裝置。 圖19H9C為互連件之紅外影像的示意頂視圖，其分別 為已辨識出相關區域之影像及經判定為待捨棄缺陷之區域 160466.doc -24- 201244243 的影像。 圖20A及20B分別爲無缺陷及有缺陷互連件之紅外影像 的示意性頂視圖。 【主要元件符號說明】 1 固態氧化物燃料電池 3 陽極電極 5 固態氧化物電解質 7 陰極電極 8 氣流通道或渠道 9 氣流隔板 10 肋條 602 燃料電池組件 604 第一換能器 606 第二換能器 1300 系統 1302 燃料電池組件 1304 光能源 1306 熱能檢測儀 1308 光輻射能 1500 測試裝置 1502 燃料電池組件 1504 超聲產生儀 1506 熱能檢測儀 1508 換能器或探針 160466.doc -25- 201244243 1602 互連件 1604 紅外影像 1606 缺陷 1800 測試裝置 1802 互連件 1804 液體冷卻歧管 1806 紅外成像裝置 1810 矩形電感激勵源 1812 平台 1902 影像 1904 影像 1906 影像 2002 影像 2004 影像 160466.doc -26-

Claims (1)

1. 201244243 七、申請專利範圍： 1 · 一種用於測試燃料電池互連件之方法，其包括： 乂供燃料電池互連件：及 對該燃料電池互連件進行非破壞性測試，其包括下列 至 者·檢測互連件的磁響應，藉由光照互連件來計 算體積，檢測互連件的聲響應，及檢測互連件的熱響 應。 3 2. 如明求項1之方法，其中該非破壞性測試包括： 檢測該互連件的磁響應成跨越互連件位置之函數。 3. 如請求項2之方法，其進一步包括： 當磁響應係於預定磁響應條件範圍時，將該互連件置 於燃料電池堆疊中。 4. 如請求項2之方法，其進一步包括： 基於檢測之磁響應’確定熱膨脹係數成跨越互連件位 置之函數；及 若熱膨脹係數均-性及平均熱膨脹係數中至少一者係 於預定熱膨脹絲條件範圍内，制該互連件置於燃料 電池堆疊中。 5. 如請求項2之方法，其中兮石、击从 ^ ω 丹Τ該互連件之磁響應係在低於 50°C的溫度下檢測。 6. 如4求項1之方法’其中該非破壞性測試包括： 提供具有多個面之互連件； 將該互連件置於條狀白光照射場中； 在旋轉《亥互連件㉟轉角度以使待計算高度之面暴露 160466.doc 201244243 於條狀白光後，基於反射光條紋的位置，計算該互連件 之多個面之每一面之高度成長度及寬度之函數； 利用計算高度及旋轉角度在三維空間中模擬互連件；及 計算該模型的封閉體積。 7·如請求項6之方法，其進一步包括： 藉由將該互連件之質量除以該模型之計算封閉體積來 δ十异互連件的密度；及 當該計算密度係於預定密度條件範圍内時，將該互連 件置於燃料電池堆曼中。 8·如請求項1之方法，其中該非破壞性測試包括： 從多個角度光照該互連件並檢測反射之輕射；及 由組合之檢測反射輻射確定該互連件的封閉體積。 9·如請求項8之方法，其進一步包括： 藉由將該互連件之質量除以該互連件之測定封閉體積 來計算該互連件的密度；及 當該計算密度係於預定密度條件範圍内時，將該互連 件置於燃料電池堆疊中。 1 〇·如响求項1之方法，《中該非破壞性測試包括： 對該互連件施加聲波激擾； 檢測該互連件之聲響應；及 測定》亥互連件之密《、該互連件之熱膨服係數及基於 聲響應之該互連件中之聲速之至少一者。 ll.如請求項10之方法’其進一步包括基於該測定步驟分類 該互連件。 160466.doc 201244243 12 13 14 15. 16. :请未項U之方法’其中該聲波激擾包括至少一個音 如二求項12之方法’其巾該測定步驟包括測定聲速。 如凊求項13之方法’其中測定該聲速包括： 收換能器之間之互 測疋介於音源發送換能器與音源接 連件之長度； 該 測量音源由該音源發送換能器傳輸通過該互連件至 音源接收換能器之時間；及 基於該長度及該時間來計算聲速。 如請求項13之方法，其中測定該聲速包括： 器之間之互 測定介於音源發送換能器與音源接收換能 連件之長度； 測量音源由該音源發送換能器傳輸通過該互連件至該 音源接收換能器之複數個時間； 將該複數個時間平均；及 基於該長度及該平均時間來計算聲速。 如请求項13之方法，其中測定該聲逮包括： 則定；I於日源發送換能器與音源接收換能器之複數個 位置之間之該互連件之複數個長度； 針對該複數個長度之每一者，測量音源由該音源發送 換能器傳輸通過該互連件至該音源接收換能器之時間；及 基於該複數個長度及對應於該複數個長度之每一者之 時間來計算複數個速度；及 藉由將該複數個速度平均來計算聲速。 160466.doc 201244243 17. 如請求項13之方法，其中分類該互連件包括： 使測定之聲速與熱膨脹係數相關聯，以確定該互連件 之熱膨脹係數；及 基於該測定之熱膨脹係數來分類該互連件。 18. 如凊求項17之方法，其進一步包括： 測疋s亥互連件之重量或密度；及 其中該相關聯步驟包括使測定之聲速及測定之重量或 密度與熱膨脹係&相關㈣，以#定該互連# t熱膨㈣ 數。 19. 如凊求項11之方法，其中該聲波激擾包括恆定聲波激 擾，及該測定步驟進一步包括測定該互連件之第一共振 頻率。 20_如清求項19之方法，其進一步包括： 測量該互連件之尺寸；及 基於該測量尺寸及該測定之第一共振頻率來計算該互 連件中之聲速。 21. 如請求項20之方法，其進一步包括基於該計算聲速來分 類該互連件。 22. 如請求項21之方法，其中該分類步驟包括：若該計算聲 速係於預定範圍内，則將該互連件置於燃料電池堆疊 中，或若該計算聲速係於該範圍外，則丟棄該互連件。 23·如請求項20之方法，其進一步包括： 測量該互連件之重量；及 基於該測量重量調節該計算聲速值β 160466.doc -4- 201244243 24·如請求項19之方法，其中該第一共振頻率係在第一溫度 下測量，及該方法進一步包括： 在不同於該第一溫度的第二溫度下測量第二共振頻 率；及 使該第一及第二共振頻率之間之差與該互連件之熱膨 脹係數相關聯。 25. 如請求項24之方法，其進一步包括基於該確定之熱膨脹 係數分類該互連件。 26. 如请求項1之方法，其中該非破壞性測試包括： 對該燃料電池互連件施加聲波激擾； 檢測該互連件之聲響應；及 基於該聲響應分類該互連件。 27·如請求項26之方法’其中該檢測聲響應之步驟包括檢測 一或多個音源或測定該互連件之共振頻率。 28.如請求項27之方法，其中該聲波激擾包括至卜個音 29·如請求項27之方法，其中該檢測步驟包括藉由如下步驟 測定該互連件中之聲速： 之間之該 測定介於音源發送換能器與音源接收換能器 互連件之長度； /貝！| 1音源由該音源發送拖能装# 該 愿赞达換此傳輪通過該互 音源接收換能器之時間；及 基於該長度及該時間來計算聲速。 30.如請求項29之方法，其中 該檢測步驟包括藉由如下步 160466.doc 201244243 來測定該互連件中之聲速： 測定介於音源發送換能器與t源接收換能器之間之該 互連件之長度； 測量音源由該音源發送換能器傳輸通過該互連件至該 音源接收換能器之複數個時間； 將該複數個時間平均；及 基於該長度及該平均時間來計算聲速。 31.如請求項29之方法，其中該檢測步驟包括藉由如下步驟 測定該互連件中之聲速： 測定介於音源發送換能器與音源接收換能器之複數個 位置之間之該互連件之複數個長度； 針對該複數個長度之每一者，測量音源由該音源發送 換能器傳輸通過該互連件至該音源接收換能器之時間；及 基於該複數個長度及對應於該複數個長度之每一者之 時間來計算複數個速度；及 藉由將該複數個速度平均來計算聲速。 32·如請求項26之方法，其中分類該互連件包括： 使該聲響應與熱膨脹係數相關聯，以確定該互連件之 熱膨脹係數；及 基於該確定之熱膨脹係數來分類該互連件。 33.如請求項32之方法，其進一步包括： 測定該互連件之重量或密度；及 其中該相關聯步驟包括使該測定之聲響應及該測定之 重量或密度與熱膨脹係數相關聯，以確定該互連件之熱 160466.doc 201244243 膨脹係數。 波激擾 34’ΠΓ項26之方法，其中該聲波激擾包括恆定聲 及㈣響應為該互連件之第一共振頻率。 35.如請求項34之方法，其進一步包括： 測量該互連件之尺寸；及 36.如 速 基於該尺寸及該第一共振頻率來計算聲速。 清求項35之方法，纟巾分類該互連件係基於該計算聲 ο 37·如3:求項36之方法，其中該分類步驟包括：若該計算聲 速係於，定範圍内，則將該互連件置於燃料電池堆疊 '’或若該計算聲速係於該範圍外，則丟棄該互連件。 38.如請求項35之方法，其進一步包括 測量該互連件之重量；及 基於該測量重量調節該計算聲速。 39·如a求項34之方法，其中該第一共振頻率係在第一溫度 下測量，及該方法進一步包括： 在不同於該第一溫度的第二溫度下測量第二共振頻 率；及 使該第一及第二共振頻率之間之差與熱膨脹係數相關 聯》 40. 如叫求項39之方法，其進—步包括基於該確定之熱膨脹 係數分類該互連件。 41. 如租求項1之方法，其中該非破壞性測試包括： 刺激該互連件；及 160466.doc 201244243 檢測該互連件之熱響應。 42. 如請求項41之方法，其進一步包括： 基於該檢測之熱響應確定該互連件是否具有缺陷。 43. 如請求項42之方法，其進一步包括： 右確疋該互連件不具有缺陷，則將該互連件置於燃料 電池堆疊中’或若確定該互連件具有缺陷，則不將該互 連件置於燃料電池堆疊中。 44. 如凊求項41之方法’其中刺激該互連件包括利用感應線 圈刺激該互連件。 月求項41之方法’其中刺激該互連件包括利用超聲換 能器刺激該互連件。 46. 如明求項41之方法，其中刺激該互連件包括利用光能源 刺激該互連件。 47. 如請求項41之方法，其中使該互連件經受靜態刺激。 48. 如請求項41之方法，其中使該互連件經受動態刺激。 49. 如請求項42之方法，其中該熱響應係藉由 法檢測，及其μ缺陷包括該互連件之空隙、裂縫= 質或脫層塗料。 50. —種分類互連件之方法，其包括· 獲得包括檢測互連件的磁響應、藉由光照互連件來計 异體積、檢测互連件的聲響應及檢測互連件的熱響應之 至少一者之非破壞性測試的結果；及 基於該結果來分類該互連件。 51.如請求項50之方法，其進_步包括 I60466.doc 201244243 . 當該結果係於預定條件範圍内時，將該互連件置於燃 料電池堆疊中。 52. 如請求項50之方法’其t該結果包括檢測回應於該互連 件之感應加熱藉由主動式熱影像法測量的熱響應。 53. —種測試燃料電池互連件之方法，其包括： 提供具有多個面之燃料電池互連件； 將該互連件之至少一部份置於條狀白光照射場中； 在旋轉該互連件之至少一部份一旋轉角度以使待計算 高度的面暴露於條狀白光後，基於反射光條紋的位置， 計算該互連件之至少一部份之多個面之每一面之高度成 長度及寬度之函數； 利用該計算高度及該旋轉角度在三維空間中模擬該互 連件之至少一部份；及 計算該模型的封閉體積。 54. 如請求項53之方法，其進一步包括： 藉由將該互連件之質量除以該模型之計算封閉體積來 計算該互連件之至少一部份的密度。 55. 如請求項54之方法，其中該互連件之該至少一部份包括 從該互連件切割之互連件片。 56·如請求項54之方法，其中該互連件之該至少一部份包括 整個互連件，及該方法進一步包括：當該計算密度係於 預疋松度條件範圍内時，將該整個互連件置於燃料電、、也 堆疊中。 160466.doc