TWI633701B - 用於燃料電池組件之缺陷檢測方法及設備 - Google Patents

Abstract

各具體實施例提供檢測燃料電池組件中之缺陷之系統及方法。檢測燃料電池系統互連中之缺陷之具體方法及系統包括利用光輻射及/或感應刺激而熱激發該互連、檢測該互連之熱反應、及基於該熱反應判定在互連中存在或不存在缺陷，如互連中之橫向裂紋或貫穿裂紋。

Description

用於燃料電池組件之缺陷檢測方法及設備 相關申請案

本申請案主張2013年1月8日申請之標題為「用於燃料電池組件之缺陷檢測方法及設備」之美國臨時申請案61/749,984及2012年4月13日申請之標題為「用於燃料電池組件之缺陷檢測方法及設備」之美國臨時申請案61/623,841之優先權。此等申請案之全文係以引用的方式併入本文。

在高溫燃料電池系統，如固態氧化物燃料電池(SOFC)系統中，氧化性流動物通過燃料電池之陰極側，同時燃料流動物通過燃料電池之陽極側。氧化性流動物一般為空氣，而燃料流動物可為烴燃料，如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。在介於750℃與950℃之間之典型溫度下操作的燃料電池使得帶負電陽離子自陰極流動流傳輸至陽極流動流，離子在此處與自由氫或烴分子中之氫組合而形成水蒸氣及/或與一氧化碳組合而形成二氧化碳。來自帶負電離子之過量電子經由在陽極與陰極之間完成之電路而路回至燃料電池之陰極側，藉此使電流流經電路。

為使SOFC之操作最優化，系統之各組件，如電解質、陽極及陰極及互連應予以準確製造且基本上不含缺陷。

具體實施例包括檢測燃料電池系統互連中之缺陷之方法，該方法包括在互連處提供第一熱激發，檢測該互連之第一熱反應，在該互連處提供不同於第一熱激發之第二熱激發，檢測該互連之第二熱反應及基於該第一熱反應判定該互連中存在或不存在第一缺陷及基於該第二熱反應判定存在或不存在第二缺陷。

在各具體實施例中，該第一熱激發可藉由將光輻射引導至互連處而提供，及該第二熱激發可藉由感應刺激該互連而提供。該方法可用於檢測在互連中之第一及第二裂紋缺陷，包括與互連平面基本上平行地延伸之裂紋(即，橫向裂紋)及延伸而部分或完全貫穿互連之厚度之裂紋(即，貫穿裂紋)。

其他具體實施例包括一種檢測在包括電解質之燃料電池組件中之脫層缺陷之方法，該電解質具有在電解質表面上之陽極及陰極中之至少一者，其中該方法包括在該組件處提供熱激發，檢測該組件之熱反應，及基於該熱反應，判定在該組件中存在或不存在脫層缺陷，其中該脫層缺陷包括陽極及陰極中之至少一者自電解質表面脫層。

其他具體實施例包括一種測量燃料電池系統之層狀組件之厚度之方法，其包括在該層狀組件處提供熱激發，檢測該層狀組件之熱反應，及基於所檢測到之熱反應測量該層狀組件之厚度。

其他具體實施例包括測試燃料電池組件之方法，其包括將音能引導至該組件中，檢測來自該組件之音能，分析所檢測到之音能之特性，及基於該分析，判定在該組件中存在或不存在缺陷。

1‧‧‧SOFC

3‧‧‧陽極

5‧‧‧電解質

7‧‧‧陰極

8‧‧‧通道

9‧‧‧互連

10‧‧‧肋條

15a‧‧‧密封件

15b‧‧‧密封件

15c‧‧‧周邊密封件

16a‧‧‧豎立通道

16b‧‧‧豎立通道

17a‧‧‧入口氣室

17b‧‧‧出口氣室

29‧‧‧箭頭

44‧‧‧氣體流動

300‧‧‧系統

302‧‧‧燃料電池組件

304‧‧‧音能源

306‧‧‧音能檢測器

308‧‧‧控制器

400‧‧‧方法

402‧‧‧步驟

404‧‧‧步驟

406‧‧‧步驟

408‧‧‧步驟

410‧‧‧步驟

500‧‧‧方法

502‧‧‧步驟

504‧‧‧步驟

506‧‧‧步驟

508‧‧‧步驟

510‧‧‧步驟

600‧‧‧系統

602‧‧‧燃料電池組件

604‧‧‧光能源

606‧‧‧熱能檢測器

608‧‧‧控制器

700‧‧‧方法

702‧‧‧步驟

704‧‧‧步驟

706‧‧‧步驟

708‧‧‧步驟

801‧‧‧貫穿裂紋

803‧‧‧橫向裂紋

900‧‧‧方法

902‧‧‧步驟

904‧‧‧步驟

906‧‧‧步驟

1000‧‧‧測試設備

1004‧‧‧冷卻歧管

1006‧‧‧輻射檢測器

1008‧‧‧控制器

1010‧‧‧感應激發源

1012‧‧‧平台

1100‧‧‧方法

1102‧‧‧步驟

1104‧‧‧步驟

1106‧‧‧步驟

1200‧‧‧系統

1204‧‧‧光輻射激發源

1206‧‧‧輻射檢測器

1208‧‧‧控制器

1210‧‧‧感應激發源

1211‧‧‧冷卻歧管

1212‧‧‧平台

併入本文且構成本說明書一部分之附圖說明本發明之列舉具體實施例，且結合上文提供之基本敘述及下文提供之詳細敘述，解釋本發明之特徵。

圖1A說明SOFC堆疊之橫截面側視圖。

圖1B及1C各別顯示SOFC堆疊之互連之頂視圖及底視圖。

圖2A係燃料電池之電解質之平面視圖。

圖2B係燃料電池之電解質及電極之平面視圖。

圖3說明燃料電池組件及經組態以檢測組件中之缺陷之超音波測試設備。

圖4係方法流程圖，其說明藉由測量來自組件之誘發超音波波形來檢測燃料電池組件中的裂紋之具體方法。

圖5係方法流程圖，其說明藉由測量來自組件之誘發超音波波形來檢測層狀燃料組件的脫層之具體方法。

圖6說明燃料電池組件及藉由測量組件對引導至組件上之光輻射的熱反應來檢測組件中之脫層缺陷之測試設備。

圖7係方法流程圖，其說明藉由測量組件對所施加之光輻射能的熱能反應來檢測層狀燃料電池組件中的脫層缺陷之具體方法。

圖8A及8B說明在燃料電池系統互連中之不同類型裂紋缺陷。

圖9係方法流程圖，其說明藉由測量互連對所施加之光輻射能的熱能反應來檢測互連中的裂紋缺陷之具體方法。

圖10說明互連及藉由測量互連對感應激發的熱反應來檢測互連中的裂紋缺陷之測試設備。

圖11係方法流程圖，其說明藉由測量互連對來自感應激發源之刺激的熱能反應來檢測互連中的裂紋缺陷之具體方法。

圖12說明互連及藉由測量互連對光輻射及感應刺激激發的熱反應來檢測互連中的裂紋缺陷之測試設備。

各具體實施例將參照附圖予以詳細描述。若可能，在附圖中皆使用相同參考數字來表示相同或類似零件。針對說明目的參考特定實例及實現例，但非意欲限制本發明或申請專利範圍之範圍。

在一態樣中，本發明提供檢測燃料電池組件中之缺陷之準確、快速及非破壞性技術，預期該技術將極大地改良固態氧化物燃料電池裝置之製造方法。可預見本發明檢測技術將使此等裝置具有較低成本，係因可在生產及/或使用的早期更輕易地識別及移除缺陷組件及電池。此外，本發明缺陷檢測方法將有助於降低燃料電池系統之生產成本，係因將可避免現有密集勞力且費時的檢查方法。

圖1說明SOFC堆疊，其中各SOFC 1包括陰極7、固態氧化物電解質5及陽極3。燃料電池堆疊經常係自呈平面元件、管或其他幾何形態形式之多個SOFC 1建立。需將燃料及空氣提供至大型電化學活性表面。

含有位於肋條10之間之氣體流動通路或通道之氣體流動分離器9(當作為平面堆疊之一部分時稱為氣體流動分離板)分離在堆疊中之個別電池。該氣體流動分離器將流向堆疊中之一電池之燃料電極(即陽極3)之燃料(如烴燃料)與流向堆疊中之相鄰電池之空氣電極(即陰極7)之氧化劑(如空氣)分離。在堆疊之任一末端，可存在用於各別將空氣或燃料提供至末端電極之空氣端板或燃料端板(未顯示)。

經常地，氣體流動分離板9亦使用作為將一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。在此情況中，用作互連之氣體流動分離板係由導電材料作成或含有導電材料。圖1顯示下SOFC 1位於兩互連9之間。

圖1B及1C各別顯示互連9之頂視圖及底視圖。顯示在圖1A之橫截面側視圖中之互連9之一部分係提供在圖1B及1C中之沿線A-A。互連9含有位於肋條10之間之氣體流動通路或通道8。在此具體實施例中之互連9包括用於將燃料如箭頭29所示提供至SOFC1之陽極側之至少一豎立通道16a。豎立通道16a通常包括延伸穿過在堆疊中之燃料電池及 互連中之至少一層之燃料入口豎立開口或孔。如圖1C所示，燃料可經由入口豎立通道16a流向各燃料電池之陽極側。在彼處，燃料可彙集在入口氣室17a(例如，在互連表面中之凹槽)中，隨後在燃料電池陽極3上經由形成於互連9中之氣體流動通道8流向出口氣室17b及隨後經由另一出口豎立通道16b離開。

圖1B中所說明之陰極側可包括位於肋條10之間之氣體流動通路或通道8，其引導氣體流動44在燃料電池之陰極上通過。密封件15a、15b可密封在互連之陰極側上之各豎立通道16a、16b及燃料電池以防止燃料到達燃料電池之陰極。該等密封件可具有如圖所示之甜甜圈或空心圓柱形狀，以使豎立通道16a、16b延伸穿過各密封件15a、15b之中空部分。密封件15a、15b可包括用於觸抵相鄰SOFC 1之平坦表面之凸起頂表面。周邊密封件15c可密封互連之陽極側及燃料電池以防止空氣到達燃料電池之陽極。

圖2A係固態氧化物電解質5之平面視圖。電解質5可包含穩定化氧化鋯，如氧化鈧穩定化氧化鋯(SSZ)或氧化釔穩定化氧化鋯(YSZ)。或者，電解質5可包含另一種離子傳導材料，如摻雜氧化鈰。在此具體實施例中，電解質5具有平面幾何形態，但將理解可採用其他幾何形態，如管狀幾何形態。在此具體實施例中包括圓形孔之豎立通道開口16a、16b延伸穿過電解質5。豎立通道16a、16b基本上包括延伸穿過燃料電池中至少一層之燃料入口及出口開口。豎立通道16a、16b可延伸穿過多個電解質層5及位於燃料電池堆疊的電解質層之間之互連9。燃料可經由入口豎立通道16a流向各燃料電池之陽極側。在彼處，燃料在燃料電池陽極3上流動通過形成於氣體流動分離器/互連板9中之氣體流動通道8，及隨後經由另一出口豎立通道16b離開。

在圖2B中，顯示陽極(例如，燃料)電極3，其覆蓋電解質5之 第一主表面之一部分。陰極(例如空氣)電極7(未顯示)可覆蓋在電解質5之相反側上之第二主表面之一部分。

在此具體實施例中之SOFC1經組態用於對燃料向內分歧及對空氣向外分歧之堆疊。因此，該堆疊之空氣入口及出口側敞開。或者，SOFC1可經組態用於對空氣及燃料均向內分歧之堆疊。在此情況中，電解質可含有其他空氣入口及出口開口。或者，SOFC1可對空氣及燃料均向外分歧。

各燃料電池組件應予以準確製造以使燃料電池效率最佳化。燃料電池組件亦應實質上不含缺陷，包括在組件中之小裂紋及/或在電解質5上之層狀組件(如油墨印刷電極3、7)之脫層。

在固態氧化物燃料電池中之裂紋及其他缺陷降低電池之機械穩定性且可能導致電解質或燃料電池斷裂。為製造高品質燃料電池，宜採用可以非破壞方式快速且準確地識別燃料電池缺陷之線上檢查技術。降低製造成本之一方式係減小基板(例如，分別為電解質或用於電解質或陽極支撐電池之陽極)厚度，且晶圓之機械穩定性變得更為重要之考量。

在燃料電池電解質中，肉眼無法見到的小裂紋可導致在使用時燃料自電池之陽極洩漏至陰極側。所導致之洩漏可導致燃料電池組合件之其他組件受損。燃料豎管開口可導致應力集中在陶瓷電解質中且在此等開口附近發現許多裂紋。現有檢查技術成本高、緩慢且經常無法高效識別裂紋。在一些情況中，檢查技術本身可導致電解質受損。

電極自電解質脫層係可降低燃料電池效率及可導致整體堆疊性能問題之另一問題。降低成本之一方式係減小電極厚度。因此，電極燒結之有效性變得更為重要。檢測電極脫層之現有檢查技術甚為昂貴且緩慢。因此，需要提供一種在燃料電池堆疊組裝前檢測電極層脫層之快速且準確技術。

圖3示意性說明用於檢測燃料電池組件中的缺陷之系統300。在一具體實施例中，系統300包括音能源304，其可為接觸燃料電池組件302且經組態以將音能(如超音波能)引導至組件302中之第一換能器。在此具體實施例中，系統300進一步包括音能檢測器306，其可為接觸燃料電池組件302之第二換能器。檢測器306可經組態以檢測通過組件302之音能，如超音波能。在一些實施例中，燃料電池組件302可為電解質板或層，包括電解質原材料。在一些具體實施例中，燃料電池組件302可為具有設在電解質上之一或多個電極之電解質板或層，且可為成品電池，如圖1及2B中所示之SOFC 1。在一些具體實施例中，單一換能器可同時用作音能源及檢測器，且可用於例如將音能引導至燃料電池組件302中及檢測來自組件302之反射音能。

在一具體實施例中，控制器308可如圖3中所示電子耦合至源304及檢測器306。控制器308可為邏輯裝置(例如，電腦)且可包括記憶體及耦合至該記憶體之處理器，其中該處理器可經組態有處理器可執行指令來實施各種功能。在一具體實施例中，控制器308經組態以控制音能源304之操作，藉此導致源304將諸如超音波能之音能引導至組件302。在一些具體實施例中，控制器308可經組態以控制由換能器所產生之音能之一或多個特性，如引導至組件302之音能之振幅、脈衝持續時間及/或速率及頻率特性。控制器308亦可經組態以接收在檢測器306檢測到之音能之電子訊號圖像，及分析所接收之訊號以判定在燃料電池組件302中缺陷之存在。

圖4說明檢測燃料電池組件中之裂紋之具體方法400。在具體實施例中，方法400可利用如圖3中所顯示之系統300實施。在步驟402中，提供燃料電池組件。如上所述，燃料電池組件可為完全未加工電解質材料。在其他具體實施例中，燃料電池組件可為部分或完全加工電解質，且可藉由一或多個電極塗覆。在一較佳具體實施例中，燃料 電池組件係包括電解質、陽極及陰極之成品燃料電池。

在步驟404中，將音能引導至燃料電池組件。音能可藉由如圖3中所顯示之音能源如源304產生。音能可為由換能器所產生之音能中之一或多種短脈衝(例如，「音脈衝」)。在各具體實施例中，聲脈衝可為超音波訊號。音能之頻率或頻率範圍可經選擇以刺激組件之已知共振頻率。聲脈衝之能量及/或頻率可經選擇以刺激組件之共振反應而不導致組件受損。例如，在kHz範圍內之聲脈衝不可能損壞常見燃料電池組件。在步驟406中，檢測來自燃料電池組件之音能。可藉由音能檢測器，如圖3中所顯示之檢測器306檢測音能。在一具體實施例中，可與燃料電池組件接觸之探針換能器檢測音能。所檢測到之音能可為在組件中響應在步驟404經引導至組件中之超音波能而誘發之超音波波形。可藉由換能器將所檢測到之聲訊號轉化為電子訊號。可將該電子訊號發送至合適處理裝置，如圖3中所示之控制器308，以待分析。

在步驟408中，分析所檢測之音能之特性，及基於該分析，在步驟410中判定燃料電池組件中存在或不存在裂紋。在各具體實施例中，分析步驟408可包括將在步驟404中所檢測到之來自組件之誘發波形與來自已知「良好」組件(即，不含或實質上不含裂紋之組件)之波形比較。帶裂紋電解質/燃料電池將產生可重複之獨特波形。此獨特性可用於判定在所測試之組件中存在或不存在裂紋。

在各具體實施例中，分析步驟408可包括判定組件在已知共振頻率下之聲學反應是否衰減。可作為振幅減小及/或共振頻率相對常見參考無缺陷組件之共振頻率偏移而檢測到之共振頻率衰減可能為所測試之組件中之裂紋之指標。在各具體實施例中，可設定檢測反應離正常組件之預期或參考共振反應之最大偏差。可將該(等)最大偏差值儲存在查詢表中。在步驟410可將檢測反應大於最大偏差之組件判定 為具有裂紋，且可將其等自製程剔除。在一些具體實施例中，可將檢測反應與複數個組件之共振反應特性之統計學分佈比較。

在各具體實施例中，圖4之方法400可準確、高處理量且非破壞性地測試燃料電池組件以識別組件中之裂紋。在較佳具體實施例中，方法400提供針對燃料電池組件(包括電解質)中之裂紋之快速檢測，且該測試方法基本上耗費短於約5秒來完成，且更特定言之，對各測試組件耗費短於約2秒來完成。

圖3之系統300可用於檢測層狀組件之脫層，諸如在如圖1及2B所示之電解質5上之一或兩電極層3、7之脫層。圖5係說明利用音能檢測燃料電池組件中之脫層缺陷之具體方法500之方法流程圖。在步驟502中，音能(可為超音波能)係如上所述般經引導至層狀組件(例如，在相反側面上具有一或兩電極3、7之電解質5)，及在步驟504中，檢測來自該組件之音能。在步驟508中，分析所檢測到之音能之特性，及可在步驟510中基於該分析判定存在或不存在脫層缺陷。

在層狀組件中可能由底燒結電極層導致之脫層缺陷產生所檢測到之音能之可重複獨特波形。因此，可將所檢測之組件之波形與來自正常(例如，良好燒結、非脫層)參考電池之波形比較以判定存在或不存在脫層缺陷。在各具體實施例中，分析步驟508可包括判定層狀組件在已知共振頻率下之聲學反應是否衰減。可作為振幅減小及/或以共振頻率相對常見參考無缺陷組件之共振反應偏移而檢測到之共振反應衰減可為所測試之層狀組件中之脫層缺陷之指標。在各具體實施例中，可設定檢測反應離正常組件之預期或參考共振反應之最大偏差。可將該(等)最大偏差值儲存在查詢表中。在步驟510可將檢測反應大於最大偏差之組件判定為具有裂紋，且可將其等自製程剔除。在一些具體實施例中，可將檢測反應與複數個組件之共振反應特性之統計學分佈進行比較。

可將音能施加至層狀組件而不導致該組件損壞。在具體實施例中，方法500通常耗費短於約5秒/組件，及更特定言之，耗費短於約2秒來測試各個組件。

其他具體實施例可包括藉由主動熱記錄法測試燃料電池組件之非破壞性方法。燃料電池組件可為完全未加工電解質材料，或可藉由一或多個電極塗覆之部分或完全加工電解質(例如，成品電池)，其可藉由一或多類能量(如超音波、感應(即，感應加熱)或光能(例如，紫外光、可見光及/或紅外光輻射)刺激，且可觀察到該燃料電池組件之熱反應。可基於所觀察到的熱反應的不規則性檢測燃料電池組件中之缺陷。

主動熱記錄法與被動熱記錄法之不同在於將能源用於產生測試物件與其環境之間之熱反差。例如，燃料電池組件可與背景環境達到熱平衡。在利用能量刺激燃料電池組件後，組件釋放熱以再建立熱平衡。此熱釋放可以空間(即遍及該組件)及時間(即，經時，如紅外視訊或一系列圖片)形式觀察到。可基於此熱成像利用各種算法判定缺陷。例如，裂紋、空隙、雜質或脫層塗層(例如在電解質上之陰極或陽極塗層)可釋放比無缺陷燃料電池組件更多的熱或以不同速率釋放熱。

圖6示意性說明利用主動熱記錄法來測試燃料電池組件之具體系統600。在一具體實施例中，系統600可用於檢測層狀組件包括燃料電池之層狀組件中之脫層缺陷。在此具體實施例中，系統600包括經組態以將光輻射能量(例如，紫外光、可見光或紅外光輻射，較佳紅外光輻射)引導至燃料電池組件602之至少一光能源604。傳遞至燃料電池組件602之光能可足以導致組件602之至少一部分產生可測溫度增加(例如1至2攝氏度)而不導致組件602受損。光能(例如，輻射)可為脈衝或連續。源604可為，例如，閃光燈、鹵素燈、LED、雷射源 等。在一具體實施例中，源604可為高功率、高頻照相燈。系統600亦包括至少一熱能檢測器606，其可為紅外照相機或紅外光檢測器，用於檢測燃料電池組件602之熱反應。源604及檢測器606可整合至同一外殼/裝置中。

燃料電池組件602可為成品電池，如圖1及2B中所示之SOFC1，且可包括電解質5，該電解質具有在電解質5之第一表面上之陽極3及在電解質5之第二表面上之陰極7。在一具體實施例中，控制器608可耦合(有線或無線)至源604及檢測器606，如圖6中所示。控制器608可為邏輯裝置(例如，電腦)且可包括記憶體及耦合至該記憶體之處理器，其中該處理器可組態有處理器可執行指令以實施各種功能。在一具體實施例中，控制器608係經組態以控制光能源604之操作以導致源604將光能引導至燃料電池組件602。在一些具體實施例中，控制器608可經組態以控制光能之一或多種特性，如引導至組件602之光能之功率、脈衝持續時間、次數或脈衝數及/或速率(對於脈衝輻射而言)及波長。控制器608亦可經組態以接收在檢測器606上所檢測到之熱反應之電子訊號表示，及基於所接收到之熱反應訊號判定燃料電池組件602中之脫層缺陷之存在。

圖7係方法流程圖，其說明檢測層狀組件中之脫層缺陷之具體方法700。在步驟702中，提供層狀燃料電池組件。如上所述，該層狀組件可為電解質5，其具有設在該電解質5上之至少一電極層(例如，陽極3及/或陰極7)。在步驟702中，將光能引導至層狀組件。在具體實施例中，光能可為高功率寬頻閃光，其可藉由一或多種燈產生。可將光能引導至電極層，藉此加熱該層。在具體實施例中，光能可在電極層上提供實質均勻熱能。

在步驟704中，檢測層狀組件之熱反應。檢測熱反應可包括檢測層狀組件之經時熱分佈變化。在各具體實施例中，可藉由溫度感應檢 測器(如紅外照相機)檢測熱反應。該溫度感應檢測器可檢測層在短時間內(例如，短於1秒，及通常為約0.1秒或更短)之溫度變化且較佳包括檢測層之不同區域在短時間內的溫度變化之充足時間及空間解析度。

基於檢測到之熱反應，可在步驟710判定存在或不存在脫層缺陷。在一具體實施例中，可基於層厚度測量之時間反應變化測量脫層缺陷。可測量層之熱擴散時間以決定層之厚度。脫層電極包括形成在電極與底層電解質材料之間之小空氣空穴。此等空氣空穴導致熱能自電極之脫層部分之較慢擴散，使此等區域表現為較層之非脫層部分要來得「厚」。可利用高靈敏度熱感應器(如紅外照相機)檢測層之此等「較厚」部分，且可用於指示脫層缺陷之存在。在一些具體實施例中，可監視所檢測之層之熱反應以識別在層中之非均勻「厚度」區域，此等區域為脫層缺陷之指標。在一些具體實施例中，可將層之測量「厚度」(例如，層之一部分上之厚度或層之平均厚度)與對應常見參考組件(例如，在電解質上之良好燒結、非脫層電極層)之參考值進行比較且可基於該比較判定存在或不存在脫層缺陷。

在各具體實施例中，方法700可用於測試燃料電池第一側(例如陽極3或陰極7側)之脫層缺陷，及隨後利用相同或不同測試系統測試燃料電池之相反側。在一些具體實施例中，測試系統600可包括多個光能源604及可位在組件602的任一側上用於同時測試電池之陽極3及陰極7側之熱感應器606。

用於測試層狀組件之脫層缺陷之具體方法可耗費短於3秒，及更特定言之，約1至3秒或更短來完成測試。

於各具體實施例中，組合測試方法包括利用音能(如與圖3至5相關描述者)測試燃料電池組件之缺陷，同時利用光能及熱感應器(如與圖6至7相關描述者)測試該組件之缺陷。該等測試方法可依任 何順序依次實施，且亦可同時實施。在一較佳具體實施例中，組合測試方法係於成品燃料電池(如圖1及2A中所示之SOFC 1)上實施以在組裝燃料電池堆疊前識別及剔除缺陷電池。

雖然在上文將用於固態氧化物燃料電池之陶瓷電解質描述為某些具體實施例中之受測試物件，然而亦可利用以上方法測試任何其他電解質或與燃料電池系統不相關之任何其他陶瓷材料。此外，雖然在上文將包括具有陽極及陰極層之電解質之層狀組件描述為某些具體實施例中之受測試物件，然而亦可利用以上方法測試任何其他層狀組件。

其他實施例可包括用於測試燃料電池系統中之互連以檢測互連中之缺陷之非破壞性方法。用於燃料電池系統之互連9之實例說明於圖1A至C。互連9可為以鉻為主之合金，如4至6重量%Fe與94至96重量%Cr，視需要含有小於約1重量%之Y及不可避免之雜質，且可利用粉末冶金技術形成。保護塗層(例如，錳化鑭鍶(LSM)鈣鈦礦塗層及/或氧化錳鈷尖晶石塗層)可形成在互連9之至少一表面上，如在互連9之面向陰極之表面上。

在燃料電池互連9中有至少兩大類裂紋，如圖8A及8B所示。第一類裂紋801延伸而部分或完全穿過該互連之厚度(即，貫穿裂紋)，如圖8A中所示。此等在裸眼下不可見之貫穿裂紋可導致燃料自互連9之陽極側洩漏至陰極側。此等洩漏可導致燃料電池堆疊之其他層隨時間而受損。圖8B中所顯示之第二類裂紋803通常平行於互連9之表面延伸(即，橫向裂紋)，且可自互連9之流動通道8延伸至肋條10中，導致肋條10隆起。此可在鄰接該隆起肋條10之燃料電池上形成應力區域，而顯著增大脆性燃料電池斷裂之可能性。兩類裂紋均難以利用習知技術檢測。因此，需要提供一種在將互連併入燃料電池堆疊前檢測互連中之裂紋，包括貫穿裂紋及橫向裂紋兩者之快速且準確技術。

各具體實施例可包括藉由主動熱記錄法檢測互連中之裂紋之非破壞性方法。可藉由一或多類能量，如超音波、感應(即感應加熱)或光能(例如紫外光、可見光及/或紅外光輻射)刺激互連，且可觀察到燃料電池組件之熱反應。可基於所觀察到之熱反應之不規則性檢測互連中之裂紋。

圖9係方法流程圖，其說明檢測燃料電池之互連，如圖1A至C中所示之互連9中之缺陷之具體方法900。方法900可利用如圖6中所示之主動熱記錄系統600實施，該系統包括經組態以將光輻射能(例如，紫外光、可見光或紅外光輻射，較佳紅外光輻射)引導至互連上之源604，及用於檢測互連之熱反應之檢測器606(例如，紅外照相機或紅外光檢測器)。

在步驟902中，將光能引導至互連上。在具體實施例中，該光能可為高功率寬頻閃光，其可藉由一或多種燈產生。可將光能引導至互連之表面，藉此引起互連加熱。在具體實施例中，光能可在互連之表面上提供實質均勻熱能。

在步驟904中，檢測互連之熱反應。檢測熱反應可包括檢測互連之經時熱分佈變化。在各具體實施例中，可藉由溫度感應檢測器，如紅外照相機檢測熱反應。溫度感應檢測器可檢測互連在短時間內(例如，短於1秒，且通常為約0.1秒或更短)之溫度變化及較佳包括檢測互連之不同區在短時間內之溫度變化之充足時間及空間解析度。

基於所檢測到之熱反應，可在步驟906判定存在或不存在裂紋。特定言之，可將使用光照射之主動熱記錄測量技術用於檢測在互連中之橫向裂紋之存在，如圖8B中示意性說明之裂紋803。在一具體實施例中，可基於互連或其一部分之熱反應變化測量互連中之裂紋。可測量整個互連或其一部分之熱擴散時間。具有橫向裂紋803之互連可包括形成在被裂紋延伸貫穿之肋條10內或下方之小空氣空穴。此等空氣 空穴導致熱能自互連之裂紋部分較慢擴散，使此等區域表現為較互連之無裂紋部分(即，無裂紋肋條)要來得「厚」。可利用高靈敏度熱感應器，如紅外照相機檢測互連之此等「較厚」部分，及可用於顯示裂紋之存在。在一些具體實施例中，可監視所檢測到之互連熱反應以識別在互連中之非均勻「厚度」區域，此等區為橫向裂紋之指標。在一些具體實施例中，可將所測得之互連熱反應(例如，在互連之一部分上之熱反應或互連之平均厚度)與對應常見參考組件(例如，已知不具有裂紋之互連)之參考值比較，且可基於該比較判定存在或不存在裂紋。

較佳，具光輻射源之IR熱記錄法包括IR鎖定熱記錄法，其中週期性調變光輻射及隨後關聯互連熱反應並對許多個時期取平均。然而，該IR熱記錄法可為非鎖定類型。

例如，如可在http：//www.mpi-halle.mpg.de/mpi/publi/pdf/540_02.pdf中獲得之S.Huth等人之文章「Lock-in IR-Thermography- a novel tool for material and device characterization」所描述，鎖定熱記錄法利用鎖定原理，該原理涉及週期性調變進入物件(例如，互連)之熱(例如，光輻射)及僅監視週期表面溫度調變相(歸因於調變之熱供應)。因此，若藉由紅外(IR)熱照相機測量表面溫度，則鎖定熱記錄法意指圖像之各像素之資訊係如同將其饋入鎖定放大器般經加工。如Huth等人所描述，數位鎖定關聯程序包括藉由一套加權因子連續倍增不斷輸入之IR圖像及在幀儲存器中累加結果。該等加權因子近似於諧波函數且對施加至樣品之脈衝偏壓同步化。由於所測得之表面溫度調變之振幅及相可能因隨位置而變化，故需使用二相鎖定關聯。因此，鎖定熱記錄法測量可產生振幅及相圖，或同相(0°)及正交(-90°)圖像，其等係指週期性熱供應之相。亦可使用其他類型鎖定熱記錄法。

在各具體實施例中，方法900可用於測試互連之第一側，及隨後利用相同或不同測試系統測試互連之相反側。在一些具體實施例中，測試系統600可包括多個光能源604及可位在互連(如圖1A至C中所示之互連9)之任一側上用於同時測試互連之面向陽極及陰極側之熱感應器606。

利用光激發主動熱記錄技術測試互連裂紋之具體方法可耗費短於3秒，及更特定言之，約1至2秒或更短來完成測試。

利用光輻射(例如，閃光燈)激發源之主動熱記錄技術亦可用於檢測在互連9之至少一表面上，如在互連9之面向陰極表面上之保護塗層(例如，錳化鑭鍶(LSM)鈣鈦礦塗層及/或氧化錳鈷尖晶石塗層)之厚度。高靈敏度檢測器，如紅外照相機可測量塗層之熱擴散時間以檢測塗層缺陷，如不均勻厚度、空隙區域及/或相較於已知良好塗層過厚或過薄之塗層。

其他具體實施例可包括藉由使用來自感應線圈之刺激之主動熱記錄法非破壞性測試互連中之裂紋。感應線圈可具有不同形狀及功率。圖10說明測試設備實例1000，其使用含有矩形感應激發源(即線圈)1010之液體冷卻歧管1004。圖10顯示矩形感應線圈1010之橫截面，其中該線圈突出頁面，以致矩形線圈呈現為圓形而非矩形。替代具體實施例可基於各種形狀感應線圈，如圓形(即，具有近似圓形外徑之螺旋形)感應線圈。平台1012，如不被感應加熱之木製(或不會被感應加熱之其他材料)平台可支撐該互連9。輻射檢測器1006，如紅外照相機，可位在互連9之表面上，與感應激發源1010相反側，以檢測互連9之熱反應。

可將控制器1008耦合(有線或無線)至感應激發源1010及檢測器1006，如圖10中所示。控制器1008可為邏輯裝置(例如，電腦)且可包括記憶體及耦合至該記憶體之處理器，其中該處理器可組態有處 理器可執行指令以實施各種功能。在一具體實施例中，控制器1008係經組態以控制感應激發源1010之操作以使該源1010感應刺激互連9，引起互連加熱。控制器1008亦可經組態以接收在檢測器1006上所檢測到之熱反應之電子訊號表示，且基於所接收到之熱反應訊號判定互連9中之缺陷之存在。

圖11係方法流程圖，其說明檢測燃料電池互連，如圖1A至C中所示之互連9中之裂紋之具體方法1100。方法1100可利用如圖10中所示之主動熱記錄系統1000實施，該系統包括經組態以感應刺激互連之感應激發源1010及用於檢測互連之熱反應之檢測器1006(例如，紅外照相機或紅外光檢測器)。

在步驟1102中，利用感應激發源激發互連，引起互連加熱。在步驟1104中，檢測互連之熱反應。檢測熱反應可包括檢測互連之經時熱分佈變化。在各具體實施例中，可藉由溫度感應檢測器，如紅外照相機檢測熱反應。溫度感應檢測器可檢測互連在短時間內(例如，短於1秒，及基本上為約0.1秒或更短)之溫度變化及較佳包括檢測互連之不同區在短時間內之溫度變化之充足時間及空間解析度。

基於所檢測到之熱反應，可在步驟1006判定存在或不存在裂紋。特定言之，使用感應刺激(即，加熱)之主動熱記錄測量技術可用於檢測互連中之貫穿裂紋之存在，如圖8A中示意性說明之裂紋801。較佳，將非調變感應激發用於非鎖定型IR熱記錄法。

在一具體實施例中，可基於互連或其一部分之熱反應變化測量互連中之裂紋。感應激發源通常可均勻地加熱互連之整個厚度。具有貫穿裂紋之互連可包括延伸穿過互連之厚度之小空隙區域或空氣空穴，其等產生非均勻感應加熱及/或熱擴散之局部化區域。可利用高靈敏度熱感應器，如紅外照相機檢測互連之此等帶裂紋區域，且可用於表示貫穿裂紋之存在。在一些具體實施例中，可監視所檢測到之互 連熱反應以識別在互連中之不均勻加熱或擴散區，此為貫穿裂紋之指標。在一些具體實施例中，可將所測得之互連(例如，互連之一部分上)熱反應與對應常見參考組件(例如，已知不具有裂紋之互連)之參考值比較，且可基於該比較判定存在或不存在裂紋。

利用感應激發主動熱記錄技術測試互連裂紋之具體方法可耗費短於3秒，及更特定言之約1至2秒或更短來完成測試。

其他具體實施例可包括利用主動熱記錄法非破壞性測試互連，其包括利用不同激發源，如光輻射源及感應激發源多次刺激互連，檢測互連在受到多種激發源刺激時各次之熱反應，及基於該等所檢測到之熱反應判定互連中之缺陷之存在。在一實例中，來自光輻射源(例如，閃光燈)之刺激可用於檢測第一缺陷或第一組缺陷(例如，橫向裂紋、保護塗層裂紋等)及來自感應激發源之刺激可用於檢測第二缺陷或第二組缺陷(例如，貫穿裂紋)。

圖12說明用於燃料電池組件，如互連9之多模態主動熱記錄測試之系統1200。在此具體實施例中之系統1200包括可含在液體冷卻歧管1211中之感應激發源(即線圈)1210及光輻射激發源1204(例如，閃光燈、鹵素燈、LED、雷射源等)。互連9可位在支撐體1012上，該支撐體較佳係由不被感應加熱之材料製成。在圖12之具體實施例中，單輻射檢測器1206可經定位以檢測互連9響應來自感應源1210及光輻射源1204之刺激之熱反應。控制器1208控制激發源1210、1204及檢測器1206之操作且可操作以導致激發源1210、1204依序激發互連9(即，由感應源1210激發，接著由光輻射源1204激發，或反之)。檢測器1206可在各次激發後檢測互連9之熱反應。控制器1208可經組態以接收在檢測器1206上所檢測到之熱反應各者之電子訊號表示，及基於所接收到之熱反應訊號判定互連9中之缺陷之存在。來自光輻射激發之熱反應可用於檢測第一缺陷或第一組缺陷(例如，橫向裂紋、保護塗 層裂紋等)及來自感應激發之熱反應可用於檢測第二缺陷或第二組缺陷(例如，貫穿裂紋)。

在替代具體實施例中，系統1200可包括用於檢測來自各激發源1210、1204之熱反應之多個檢測器1206。例如，互連9可在帶體或其他可移動支撐體上自可包括感應激發源及相關檢測器之第一測試站移動至可包括光輻射激發源及相關檢測器之第二測試站。可顛倒測試之順序。在具體實施例中，互連9可保持固定，及激發源及相關檢測器可相對互連移動。

在各具體實施例中，至少可在互連之兩側，如面向陰極側及面向陽極側上實施該互連之光輻射激發。在具體實施例中，可將互連設在測試設施中，使第一側面向光輻射源1204及檢測器1206，及隨後可翻轉以在互連之第二側重複至少光輻射激發測試。在其他具體實施例中，可設有第二光輻射源1204及檢測器1206對(pair)以在互連之第二側實施測試。

以上方法敘述僅提供作為說明性實例且不意欲要求或暗示各具體實施例之步驟應當依照出示順序實施。熟習本項技術者將瞭解，以上具體實施例中之步驟之順序可依照任何順序實施。諸如「然後」、「隨後」、「此後」等之用詞不必意欲限制步驟之順序；此等用詞可用於在方法之敘述中指導讀者。此外，對技術方案成分所採取之單數形式，例如，使用冠詞「一」或「該」之任何引述不應理解為限制該成分為單數。

提供關於所揭示態樣之以上敘述以使任何熟習本項技術者可實施或使用本發明。熟習本項技術者將輕易瞭解對此等態樣之各種修改，且本文中所定義之基本原理可適用於其他態樣而不脫離本發明之範圍。因此，本發明不意欲限制於本文中所顯示之態樣，而限制於與本文所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣義範圍。

Claims (51)

1. 一種檢測燃料電池系統之互連中之缺陷之方法，其包括：在該互連處提供第一熱激發；檢測該互連之第一熱反應；在該互連處提供不同於該第一熱激發之第二熱激發；檢測該互連之第二熱反應；及基於該第一熱反應判定在該互連中存在或不存在第一缺陷及基於該第二熱反應判定存在或不存在第二缺陷。
2. 如請求項1之方法，其中提供該第一熱激發係包括：將光輻射引導至該互連上。
3. 如請求項1之方法，其中提供該第二熱激發係包括：感應刺激該互連。
4. 如請求項1之方法，其中檢測該第一及第二熱反應係包括檢測該互連之經時溫度變化。
5. 如請求項1之方法，其中檢測該第一及第二熱反應係包括檢測該互連之區域之經時溫度變化。
6. 如請求項1之方法，其中該第一缺陷包括橫向裂紋。
7. 如請求項1之方法，其中該第二缺陷包括貫穿裂紋。
8. 如請求項1之方法，其進一步包括：基於該等所檢測到之熱反應中之至少一者測量該互連上之保護塗層厚度。
9. 如請求項8之方法，其中該保護塗層包括LSM及氧化錳鈷尖晶石中之至少一者。
10. 如請求項1之方法，其中提供該第一熱激發係包括將經調變之光輻射引導至該互連之第一表面，且檢測該第一缺陷係包括基於 來自該光輻射激發之該熱反應利用IR鎖定熱記錄法檢測橫向裂紋。
11. 如請求項10之方法，其進一步包括將光輻射引導至該互連之與該第一表面相背之第二表面，及基於來自該互連之該第二表面之該光輻射激發之熱反應檢測橫向裂紋。
12. 如請求項1之方法，其中提供該第二熱激發係包括利用非調變感應刺激來感應刺激該互連，且檢測該第二缺陷係包括基於來自該感應刺激之該熱反應檢測貫穿裂紋。
13. 如請求項1之方法，其中提供一第一熱激發係包括將光輻射引導至該互連之表面上且提供該第二熱激發係包括感應刺激該互連，且其中檢測該第一缺陷係包括基於來自該第一熱激發之該第一熱反應檢測橫向裂紋且檢測該第二缺陷係包括基於來自該第二熱激發之該第二熱反應檢測貫穿裂紋。
14. 如請求項2之方法，其中該引導光輻射之步驟包括使用燈藉由紫外光、可見光或紅外光輻射中之至少一者照射該互連。
15. 如請求項2之方法，其中該引導該光輻射之步驟包括使用閃光燈、鹵素燈、LED及雷射源中之至少一者，藉由紫外光、可見光或紅外光輻射中之至少一者照射該互連。
16. 如請求項3之方法，其中該感應刺激該互連之步驟包括對在該互連附近之感應線圈通電(energizing)。
17. 如請求項1之方法，其中該檢測該第一及該第二熱反應之步驟包括使用至少一紅外照相機以檢測來自該互連之紅外輻射。
18. 一種測量燃料電池系統之層狀組件之厚度之方法，其包括：在該層狀組件上提供熱激發；檢測該層狀組件之熱反應；及基於該所檢測到之熱反應測量該層狀組件之厚度。
19. 如請求項18之方法，其中該層狀組件包括互連，其具有在該互連之表面上之保護塗層，且其中測量厚度係包括測量該保護塗層之厚度。
20. 如請求項19之方法，其中該保護塗層包括LSM及氧化錳鈷尖晶石中之至少一者。
21. 如請求項18之方法，其中該層狀組件包括電解質材料，該電解質材料具有在該電解質材料之表面上之陽極及陰極中之至少一者，且其中測量厚度係包括測量該陽極及該陰極中之至少一者之厚度。
22. 一種檢測燃料電池組件中之脫層缺陷之方法，該燃料電池組件包括電解質，該電解質具有在該電解質之表面上之陽極及陰極中之至少一者，該方法包括：在該組件上提供熱激發；檢測該組件之熱反應；及基於該熱反應，判定在該組件中存在或不存在脫層缺陷，其中該脫層缺陷包括陽極及陰極中之至少一者自該電解質表面脫層。
23. 如請求項22之方法，其中提供熱激發係包括：將光輻射引導至該層狀組件上。
24. 如請求項22之方法，其中檢測該熱反應係包括檢測該組件之經時溫度變化。
25. 如請求項24之方法，其中檢測該熱反應係包括檢測該組件之區域之經時溫度變化。
26. 如請求項22之方法，其進一步包括：利用該所檢測到之熱反應判定該層狀組件之熱擴散性相關值；及 將該經判定之值與熱擴散性相關參考值比較以判定存在或不存在脫層缺陷。
27. 如請求項22之方法，其進一步包括：利用該所檢測到之熱反應判定該層狀組件之熱擴散性相關值；及基於在該層狀組件之至少一部分上之該所判定之值之一致性判定存在或不存在脫層缺陷。
28. 如請求項23之方法，其中該引導該光輻射之步驟包括使用燈藉由紫外光、可見光或紅外光輻射中之至少一者照射該層狀組件。
29. 如請求項23之方法，其中該引導該光輻射之步驟包括使用閃光燈、鹵素燈、LED及雷射源中之至少一者，藉由紫外光、可見光或紅外光輻射中之至少一者照射該層狀組件。
30. 如請求項22之方法，其中該檢測該熱反應之步驟包括利用紅外照相機檢測來自該層狀組件之紅外輻射。
31. 一種測試燃料電池組件之方法，其包括：將音能(acoustic energy)引導至該組件中；檢測來自該組件之音能；分析該所檢測到之音能特性；及基於該分析，判定在該組件中存在或不存在缺陷。
32. 如請求項31之方法，其中該音能包括超音波能。
33. 如請求項31之方法，其中該組件包括用於燃料電池之電解質。
34. 如請求項33之方法，其中該組件包括用於固態氧化物燃料電池(SOFC)之陶瓷電解質。
35. 如請求項33之方法，其中該組件進一步包括在該電解質表面上之至少一電極層。
36. 如請求項34之方法，其中該組件包括在該電解質之第一表面上之陽極及在該電解質之第二表面上之陰極。
37. 如請求項31之方法，其中該缺陷包括在該組件中之裂紋。
38. 如請求項37之方法，其中在該組件中之該裂紋包括在陶瓷電解質中之裂紋。
39. 如請求項31之方法，其中該組件係層狀組件，且該缺陷包括脫層缺陷。
40. 如請求項39之方法，其中該脫層缺陷包括電極自陶瓷電解質之脫層。
41. 如請求項31之方法，其中檢測音能係包括檢測在該組件中誘發之波形，且分析特性係包括將該所檢測到之波形與參考波形比較以判定存在或不存在缺陷。
42. 如請求項41之方法，其進一步包括：丟棄缺陷組件。
43. 如請求項41之方法，其進一步包括：將無缺陷組件用於燃料電池堆疊中。
44. 如請求項31之方法，其中引導音能係包括以該組件之共振頻率刺激該組件。
45. 如請求項44之方法，其中檢測該音能係包括檢測該組件之共振反應。
46. 如請求項45之方法，其中分析特性係包括測量該所檢測到之共振反應之振幅衰減。
47. 如請求項46之方法，其進一步包括當所測得之衰減值超過自參考值之預定最大衰減偏差值時判定存在缺陷。
48. 如請求項45之方法，其中分析特性係包括測量該所檢測到之共振反應之共振峰偏移。
49. 如請求項48之方法，其進一步包括當該所測得之共振峰偏移值超過預定最大偏移偏差值時判定存在缺陷。
50. 如請求項31之方法，其進一步包括在短於約5秒內實施該方法。
51. 如請求項50之方法，其進一步包括在約2秒或更短時間內實施該方法。