國科會工程處113年度產學合作計畫優良成果

高效率綠能的守護者：SOFC熱交換器銲道檢測技術大揭密

在全球推動2050淨零碳排的浪潮下，如何提升能源使用效率、減少碳排放成為各國政府與產業界的重要課題。氫能被視為下一世代的重要清潔能源，其中的「固態氧化物燃料電池」(SOFC)則是轉換氫氣為電力的關鍵技術。要讓SOFC系統發揮最大效能，不只電池本體重要，「熱管理」更是成功運轉的關鍵之一。

由行政院原子能委員會核能研究所(現在的國家原子能科技研究院)鄭勝隆博士與李建洲先生主導的科研計畫「SOFC複熱交換器鰭片硬銲銲道之非破壞檢測技術」，開發出能大幅提升SOFC系統穩定性與可靠性的尖端技術。

SOFC是什麼？為什麼重要？

SOFC全名為「固態氧化物燃料電池」，是一種高溫運作的燃料電池，可以直接將氫氣或其他含氫氣體(如甲烷)轉換成電力。它的轉換效率高達60%以上，若搭配熱回收系統，整體效率甚至可突破80%。更重要的是，它在發電過程中不會產生氮氧化物或硫氧化物等空氣污染物，極具環保價值。

SOFC具備多種應用潛力，包括：

• 移動式能源(如軍用電源、移動基地台)
• 家用備用電源
• 氫能車輛的動力來源
• 工業與電廠的高效綠能設備

熱管理：SOFC發電效能的命脈

雖然SOFC擁有高效發電能力，但其運作溫度動輒高達800~1000°C，這對設備的「熱管理」系統提出嚴峻的挑戰。若進氣與燃料溫差過大，不但會降低發電效率，更可能導致電池結構損壞、壽命縮短。為此，SOFC系統必須搭配緊緻且高效的「複熱交換器」，將廢熱再利用以預熱進氣。

鰭片硬銲銲道：熱交換器的心臟血管壁

所謂的「複熱交換器」可想像成一個高密度鎳基合金或不鏽鋼薄片排列結構，用以在排列整齊的薄片間形成許多精密又細小的內部通道，可視為複熱交換器的「心臟血管」，透過這些內部流道將熱能從高溫區轉移到低溫區。為了強化熱交換效率，這些金屬片(即「鰭片」)必須與內外面板精密銲接，形成穩固導熱通路，這些銲接點稱為「硬銲銲道」，就是支撐整個系統的「血管壁」，確保熱能能夠穩定、不間斷地流通。

但麻煩的是，這些銲道通常隱藏於厚度僅2 mm的金屬層內，不只肉眼無法辨識，傳統檢測方法如超音波與X光也難以有效檢查。這不僅帶來品質保證的風險，更可能造成產品報廢、能源損失甚至安全隱患。

找出問題的關鍵：非破壞檢測技術

研究團隊選擇了一種創新的非破壞檢測方法：陣列式渦電流檢測(Phased-array Eddy Current Testing)。

圖一、陣列式渦電流檢測設備

這種技術可利用感應電流遇到瑕疵時的訊號變化，精準描繪出內部缺銲的區域。與傳統的單點檢測不同，陣列式技術可以同時掃描多點，效率更高，並能以圖像方式呈現檢測結果，大大提升解讀便利性。

技術實測成果

研究團隊針對不同材質(Alloy 800 與 Alloy 625)的熱交換器面板，進行一系列檢測試驗與驗證，包括：

• 標準測試塊製作：依據熱交換器設計打造模擬試件，並植入已知缺陷作為比對基準。
• 多方法評估：除渦電流外，也進行X光與中子照相比較，但皆因解析度與敏感度不足未能成功檢出瑕疵，僅渦電流技術能成功辨識。
• 量化指標建立：根據ASME規範，定義檢出率(POD)與誤檢率(FCP)，並透過破壞性測試驗證檢測準確性。

最終成果顯示：

• 檢出率(POD)高達100%
• 誤檢率(FCP)僅2.82%
• 信心水準符合ASME Section V之99%標準

圖二、不同方法對Alloy 800規塊的檢測結果

此外，更進一步執行盲測驗證，測試件是由高力公司設計製作，共有2片試件，尺寸相同為500 mm × 300 mm，分別為Alloy 800與625兩種材質的面板，試件內部設計的瑕疵大小、數量、位置於檢測前均向檢測人員隱瞞，讓檢測人員進行盲測，再來驗證檢測結果的正確性。

盲測結果如圖三及圖四所示，與實際瑕疵設計圖(圖五)比對，發現結果完全一致，由於瑕疵與檢測結果分別位於面板的兩面，因此上下翻轉後兩者的圖樣就完全相同，證明了新開發渦電流檢測方法的可靠度，更進一步證明該技術可精準定位鰭片銲道的瑕疵位置與大小，獲得產業界合作廠商與國際業主(Bloom Energy)高度肯定。

圖三、Alloy 625試件盲測結果渦電流檢測訊號與瑕疵位置

圖四、Alloy 800試件盲測結果渦電流檢測訊號與瑕疵位置

圖五、盲測試件瑕疵設計圖

技術應用前景：從檢測走向產線自動化

本研究成功開發出複熱交換器鰭片硬銲銲道之非破壞檢測技術，運用渦電流陣列檢測方法，完成程序與參數之開發，為目前業界唯一之檢測執行方法，用以確保SOFC複熱交換器鰭片硬銲銲道之銲接品質，目前可達成Alloy 800及Alloy 625兩種材質面板檢測，瑕疵檢出率(POD)可接近100%，誤檢率(FCP)平均為2.82%，達到ASME Section V規範99%之信心水準。

研究期間，多次協同合作廠商高力熱處理公司對其業主美商Bloom Energy公司進行技術說明及展示，獲得認可，藉此協助業者提升技術開發以及公司地位。

本次研究成果不僅可用於產品開發與品管驗證，也具備應用於實際產線的潛力。未來更可望結合自動化機械平台，實現高速掃描與即時判讀，大幅提升檢測效率與準確性。

目前國內僅有少數廠商具備相關製程能力，本技術若能落地產線，將大幅提升我國在高溫熱交換器及氫能設備製造領域的競爭力。

結語：微小瑕疵背後的巨大效益

SOFC作為台灣能源轉型的戰略技術，其熱管理效能決定了未來是否能穩定供電、減少碳排與延長設備壽命。而鰭片硬銲銲道的檢測雖屬細節工程，卻可能決定整體系統的成敗。

這項研究所開發的「渦電流陣列檢測技術」，可用於再生能源發電所用熱交器鰭片銲道，也可用於航太載具的蜂槽結構之檢測。

從小細節著手，將讓能源科技更加穩健，也讓我們邁向綠能未來的每一步更加踏實。