TWI395366B - 固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法及其量測裝置 - Google Patents

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Description

固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法及其量測裝置
本發明係有關一種元件間最佳接觸壓力之量測方法及其量測裝置，尤其是指一種平板型固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測方法及其量測裝置。
固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，以下簡稱SOFC)具有高性能轉換效率、低噪音、低環境污染、高可靠度與燃料多元性的優點，具有挑戰內燃機之潛能。尤其是在石化能源逐漸枯竭，氫能源漸漸取代石化能源的時期，對於解決未來能源短缺問題，SOFC是新能源開發的重點之一。
目前平板形固態氧化物燃料電池所使用的類固態氧化物燃料電池堆(簡稱類SOFC-Stack)的主要元件包括：一電解質膜、一陰極層、一陰極電流收集器、一陽極層以及一陽極電流收集器，其中，該電解質膜設置於該陰極層的一側面與該陽極層的一側面之間，使該電解質膜、該陰極層與該陽極層一起形成一單元電池膜電極組合元件(membrane electrode assembly，以下簡稱MEA)，該陰極電流收集器設置於該陰極層之另一側面，而該陽極電流收集器則設置於該陽極層之另一側面。
目前MEA之製作的關鍵目標在於高操作性(high performance)、高耐久性(high durability)、穩定性(high stability)以及低劣化性(low degradation rate)。為達到以上目標之關鍵條件在於MEA的材料與結構(Structure)。改變MEA的材料及結構，該MEA之特性亦隨之改變。
在材料方面，最廣泛使用的電解質為釔穩定氧化鋯(ytteria-stabilized zirconium oxide，簡稱YSZ)。常用之陽極材料為氧化鎳摻雜的YSZ(NiO-doped ytteria-stabilized zirconium oxide，簡稱NiO/YSZ)。常用之陰極材料為鍶摻雜的鑭錳氧化物(strontium-doped LaMnO3 ，簡稱LSM)或鍶和鐵摻雜的鑭鈷氧化物(strontium-and ferrum-doped LaCoO3 ，簡稱LSCF)。
陰極電流收集器主要為鉑(Pt)或鎳(Ni)製成的網(Net)或網絲(Mesh)，陰極電流收集器主要以鉑或銀(Ag)製成的網絲為主。
世界各研究室皆致力於材料研發與材料加工製作技術的改善，以降低阻抗，增加離導(Ionic conductivity)、電導度，增進SOFC之發電功率密度。
然而，即使上述元件具有優良之材料，還不足以完全改善SOFC之效能，還必需將上述元件封裝成具有優良效能之類SOFC-Stack，方可將複數個類SOFC-Stack有效串聯或並聯，然後製作出合適之SOFC發電系統，以滿足不同電壓或電流量之要求。因此類SOFC-Stack之封裝製作技術要求甚高。一則要將MEA密封於類SOFC-Stack內而形成分隔之陽極室與陰極室，並與外界密封隔離成為一獨立之封閉系統，以進行有效之電化學反應，確保高於1.0V以上之開路電壓(Open Circuit Voltage)，增進MEA壽命，另則要以陰極電流收集器與陽極電流收集器分別緊密地完全接觸於MEA之陰極與陽極，將MEA進行電化學反應所產生之電流有效導出，以提高發電效率。在此兩種基本要求下，一方面要有效避免除因電導接觸面接觸不良造成電阻增加，而消耗功率，另一方面要避免元件間接觸壓力過大造成MEA元件破裂受損之不良效果。
因此，亟需一種量測方法與量測裝置，藉以在類SOFC-Stack的封裝製程中可以量測元件間最佳接觸壓力，藉以減少類SOFC-Stack因組裝所造成之元件破裂損失，同時也能使元件間達到最佳之電性接觸。
本發明提供一種量測固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測方法，該量測方法包括下列步驟：步驟1：將一MEA於650～8000 C下使其進行NiO的還原反應，然後維持還原狀態並使該MEA降至室溫；步驟2：用兩根探測針對該MEA之第一電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之第一關係圖，然後由該第一關係圖得出第一最佳接觸壓力值；步驟3：用兩根探測針對該MEA之第二電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之第二關係圖，然後由該第二關係圖得出一第二最佳接觸壓力值；步驟4：在該MEA第一電極表面設置一第一電極電流收集器，並在該MEA第二電極表面設置一第二電極電流收集器，製作成一個類SOFC-Stack；步驟5：用兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第一電極表面上的第一電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第三關係圖，然後由該第三關係圖得出一第三最佳接觸壓力值；以及步驟6：用兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第二電極表面上的第二電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第四關係圖，然後由該第四關係圖得出一第四最佳接觸壓力值。
本發明提供一種固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測裝置，其係包括：一支撐平台，其係用以放置一待測元件；一電阻量測單元，其係可用以量測兩點間之電阻，該電阻量測單元更至少包括：兩根探測針，其係用以接觸所欲量測之兩點的位置以量測該兩點間之電阻；以及一電阻值顯示單元，其係可以顯示所測得之該兩點間之電阻值；以及一壓力產生與量測顯示單元，其係更至少包括：一壓力產生單元，其係用以產生壓力；一壓力量測顯示單元，其係用以量測並顯示該壓力產生單元所生之壓力；一探測針固定單元，其係用以固定該兩根探測針，並且可以調整該兩根探測針之間距；以及一壓力傳輸單元，其係設置於該壓力產生單元與該探測針固定單元之間，並可將該壓力產生單元所生之壓力傳送到探測針固定單元，使固定在該探測針固定單元上之該兩根探測針在量測該待測元件上兩點間之電阻時，可同時對該待測元件施加壓力。
為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之方法與裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得　審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：圖一係為本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法之流程圖。如圖所示，本發明量測固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測方法包括下列步驟：步驟1：將一MEA於650～8000 C下使其進行NiO的還原反應，然後維持還原狀態並使該MEA降至室溫；步驟2：用兩根探測針對該MEA之第一電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第一關係圖，然後由該第一關係圖得出一第一最佳接觸壓力值；步驟3：用兩根探測針對該MEA之第二電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第二關係圖，然後由該第二關係圖得出一第二最佳接觸壓力值；步驟4：在該MEA第一電極表面設置一第一電極電流收集器，並在該MEA第二電極表面設置一第二電極電流收集器，製作成一個類SOFC-Stack；步驟5：用兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第一電極表面上的第一電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第三關係圖，然後由該第三關係圖得出一第三最佳接觸壓力值；以及步驟6：用兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第二電極表面上的第二電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第四關係圖，然後由該第四關係圖得出一第四最佳接觸壓力值。
利用本發明的方法可以量測固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力。如果接觸壓力超過元件間最佳接觸壓力時，其電阻值將不會再降低，反而因接觸壓力太大而造成SOFC-Stack元件破裂受損產生不良效果。因此，本發明的方法不只可以減少SOFC-Stack因組裝所造成之元件破裂損失，同時也能使元件間達到最佳之電性接觸，使整個SOFC-Stack封裝完成後，具最高導電效率，將MEA在運轉時所產生之電功率，儘可能地傳輸到SOFC-Stack。
圖二係為本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置之結構示意圖。如圖所示，本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置10係包括：一支撐平台11，其係用以放置一待測元件12；一電阻量測單元13，其係可用以量測兩點間之電阻，該電阻量測單元13更至少包括：兩根探測針131a與131b，其係用以接觸所欲量測之兩點的位置以量測該兩點間之電阻；以及一電阻值顯示單元132，其係可以顯示所測得之該兩點間之電阻值；以及一壓力產生與量測顯示單元14，其係更至少包括：一壓力產生單元141，其係用以產生壓力；一壓力量測顯示單元142，其係用以量測並顯示該壓力產生單元141所生之壓力；一探測針固定單元143，其係用以固定該兩根探測針131a與131b，並且可以調整該兩根探測針131a與131b之間距；以及一壓力傳輸單元144，其係設置於該壓力產生單元141與該探測針固定單元143之間，並可將該壓力產生單元141所生之壓力傳送到探測針固定單元143，使固定在該探測針固定單元143上之該兩根探測針131a與131b在量測該待測元件12上兩點間之電阻時，可同時對該待測元件12施加壓力。
請參考圖一及圖二，以下以一實際例子說明如何使用本發明之裝置執行本發明之方法來量測一個類SOFC-Stack在封裝製程中元件間之最佳接觸壓力：
在此例中，該SOFC之電解質為YSZ，陽極材料NiO/YSZ，陰極材料LSM，並且該SOFC為陽極支撐型。
首先進行量測方法之步驟1，將一MEA於650～800℃下使其進行NiO的還原反應，然後維持還原狀態並使該MEA降至室溫。
將該MEA置於本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置10之支撐平台11，此時該MEA即為待測元件12。
然後進行量測方法之步驟2，用該量測裝置10之電阻量測單元13的兩根探測針131a與131b對該MEA之陰極(在此例以陰極為第一電極)表面施加接觸壓力(可用壓力產生單元141改變壓力大小)，並用壓力量測顯示單元142記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值(可由電阻值顯示單元132讀取)，如下列之表一係為量測結果(在表一有兩種量測值，一為兩根探測針之間距D=2cm時之量測值，另一為兩根探測針之間距D=4cm時之量測值)，並根據表一在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第一關係圖(在此有兩個第一關係圖，一為圖三所示當兩根探測針之間距D=2cm時之第一關係圖，另一為圖四所示當兩根探測針之間距D=4cm時之第一關係圖)，然後由該第一關係圖得出一第一最佳接觸壓力值。
由圖三與圖四得知：MEA之陰極面最佳接觸壓力值(第一最佳接觸壓力值)為約6.24Mpa，其可達最小電阻值為17.62Ω。
接著進行量測方法之步驟3，用該量測裝置10之兩根探測針131a與131b對該MEA之陽極(在此例以陽極為第二電極)表面施加接觸壓力(可用壓力產生單元141改變壓力大小)，並用壓力量測顯示單元142記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值(可由電阻值顯示單元132讀取)，如下列之表二係為量測結果(在表二有兩種量測值，一為兩根探測針之間距D=2cm時之量測值，另一為兩根探測針之間距D=4cm時之量測值)，並根據表二在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第二關係圖(在此有兩個第二關係圖，一為圖五所示當兩根探測針之間距D=2cm時之第二關係圖，另一為圖六所示當兩根探測針之間距D=4cm時之第二關係圖)，然後由該第二關係圖得出一第二最佳接觸壓力值。
由圖五與圖六得知：MEA之陽極面最佳接觸壓力值(第二最佳接觸壓力值)為約5.30MPa，其可得最小電阻值為0.12～0.15Ω。
將該MEA自支撐平台11取下，然後進行量測方法之步驟4，在該MEA陰極表面設置一陰極電流收集器，並在該MEA陽極表面設置一陽極電流收集器，製作成一個類SOFC-Stack。
將該類SOFC-Stack置於本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置10之支撐平台11，此時該類SOFC-Stack即為待測元件12。
接著進行量測方法之步驟5，用該量測裝置10之兩根探測針131a與131b對該類SOFC-Stack之陰極表面上的陰極電流收集器表面施加接觸壓力(可用壓力產生單元141改變壓力大小)，並用壓力量測顯示單元142記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值(可由電阻值顯示單元132讀取)，如下列之表三係為量測結果(在表三有兩種量測值，一為用鎳網絲為陰極電流收極器材料時之量測值，另一為用鎳網絲與鎳網為陰極電流收極器材料時之量測值)，並根據表三在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第三關係圖(在此有兩條曲線，如圖七所示，一為用鎳網絲為陰極電流收極器材料時之第三關係圖曲線，另一為用鎳網絲與鎳網為陰極電流收極器材料時之第三關係圖曲線)，然後由該第三關係圖得出一第三最佳接觸壓力值。
由圖七得知：類SOFC-Stack之陰極最佳接觸壓力值(第三最佳接觸壓力值)為約8.11～8.89MPa，其可得最小電阻值為4.08～4.83Ω。
最後進行量測方法之步驟6，用該量測裝置10之兩根探測針131a與131b對該類SOFC-Stack之陽極表面上的陽極電流收集器表面施加接觸壓力(可用壓力產生單元141改變壓力大小)，並用壓力量測顯示單元142記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值(可由電阻值顯示單元132讀取)，如下列之表四係為量測結果(在表四有兩種量測值，一為用鎳網絲為陽極電流收極器材料時之量測值，另一為用鎳網絲與鎳網為陽極電流收極器材料時之量測值)，並根據表四在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第四關係圖(在此有兩條曲線，如圖八所示，一為用鎳網絲為陽極電流收極器材料時之第四關係圖曲線，另一為用鎳網絲與鎳網為陽極電流收極器材料時之第四關係圖曲線)，然後由該第四關係圖得出一第四最佳接觸壓力值。
由圖八得知：類SOFC-Stack之陽極最佳接觸壓力值(第四最佳接觸壓力值)為約1.01～1.20MPa，其可得最小電阻值為1.08Ω。
另外，在上述所用之電阻量測單元13可以是三用電表。
上述之SOFC所用之材料僅為舉例說明，然而本發明之應用並不受限於該些材料。
因此，藉由本發明所提供之固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法及其量測裝置，可以在類SOFC-Stack的封裝製程中量測元件間最佳接觸壓力，藉以減少類SOFC-Stack因組裝所造成之元件破裂損失，同時也能使元件間達到最佳之電性接觸。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置
11．．．支撐平台
12．．．待測元件
13．．．電阻量測單元
131a、131b．．．探測針
132．．．電阻值顯示單元
14．．．壓力產生與量測顯示單元
141．．．壓力產生單元
142．．．壓力量測顯示單元
143．．．探測針固定單元
144．．．壓力傳輸單元
圖一係為本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法之流程圖。
圖二係為本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測裝置之結構示意圖。
圖三係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的MEA陰極面接觸壓力對電阻關係圖(其中量測電阻之兩根探測針的間距D=2cm)。
圖四係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的MEA陰極面接觸壓力對電阻關係圖(其中量測電阻之兩根探測針的間距D=4cm)。
圖五係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的MEA陽極面接觸壓力對電阻關係圖(其中量測電阻之兩根探測針的間距D=2cm)。
圖六係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的MEA陽極面接觸壓力對電阻關係圖(其中量測電阻之兩根探測針的間距D=4cm)。
圖七係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的類SOFC-Stack陰極接觸壓力對電阻關係圖。
圖八係為根據本發明固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力量測方法所作的類SOFC-Stack陽極接觸壓力對電阻關係圖。
1～6．．．流程圖步驟

Claims (4)

  1. 一種量測固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測方法，該量測方法包括下列步驟：步驟1：將一MEA於650~800℃下使其進行NiO的還原反應，然後維持還原狀態並使該MEA降至室溫；步驟2：用兩根探測針對該MEA之一第一電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第一關係圖，然後由該第一關係圖得出一第一最佳接觸壓力值；以及步驟3：用該兩根探測針對該MEA之一第二電極表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在該直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第二關係圖，然後由該第二關係圖得出一第二最佳接觸壓力值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量測固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測方法，其係更包括：步驟4：在該MEA第一電極表面設置一第一電極電流收集器，並在該MEA第二電極表面設置一第二電極電流收集器，製作成一個類SOFC-Stack； 步驟5：用該兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第一電極表面上的第一電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在該直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第三關係圖，然後由該第三關係圖得出一第三最佳接觸壓力值；以及步驟6：用兩根探測針分別同時對該類SOFC-Stack之第二電極表面上的第二電極電流收集器表面施加接觸壓力並記錄所施加之接觸壓力值，同時量測在所選取之接觸壓力下該兩根探測針間之電阻值，並在一直角坐標系製作接觸壓力對電阻之一第四關係圖，然後由該第四關係圖得出一第四最佳接觸壓力值。
  3. 一種固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測裝置，其係包括：一支撐平台，其係用以放置一待測元件；一電阻量測單元，其係可用以量測兩點間之電阻，該電阻量測單元更至少包括：兩根探測針，其係用以接觸所欲量測之兩點的位置以量測該兩點間之電阻；以及一電阻值顯示單元，其係可以顯示所測得之該兩點間之電阻值；以及一壓力產生與量測顯示單元，其係更至少包括： 一壓力產生單元，其係用以產生壓力；一壓力量測顯示單元，其係用以量測並顯示該壓力產生單元所生之壓力；一探測針固定單元，其係用以固定該兩根探測針，並且可以調整該兩根探測針之間距；以及一壓力傳輸單元，其係設置於該壓力產生單元與該探測針固定單元之間，並可將該壓力產生單元所生之壓力傳送到該探測針固定單元，使固定在該探測針固定單元上之該兩根探測針在量測該待測元件上兩點間之電阻時，可同時對該待測元件施加壓力。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之固態氧化物燃料電池堆在封裝製程中元件間最佳接觸壓力之量測裝置，其中該電阻量測單元係為三用電表。
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