DE102022200623A1

DE102022200623A1 - Test system and test method for leak testing of a bipolar plate

Info

Publication number: DE102022200623A1
Application number: DE102022200623.2A
Authority: DE
Inventors: Philipp Krueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023139093A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Prüfsystem (100) zur Dichtheitsprüfung einer Bipolarplatte (201, 205, 400). Das Prüfsystem umfasst eine Anzahl optischer Mikrofone (101), ein Anregungselement (103) und eine Auswerteeinheit (105), wobei das Anregungselement (103) dazu konfiguriert ist, einen durch die Bipolarplatte (201, 205, 400) strömenden Luftstrom akustisch anzuregen, und wobei die Auswerteeinheit (105) dazu konfiguriert ist, jeweilige durch die Anzahl optischer Mikrofone (101) während der Anregung ermittelte Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema abzugleichen und für, den Fall, dass das Prüfzustandzuordnungsschema den jeweiligen ermittelten Messwerten einen Fehler zuordnet, eine Fehlermeldung auf einer Ausgabeeinheit (107) auszugeben.

The invention presented relates to a test system (100) for testing the tightness of a bipolar plate (201, 205, 400). The test system comprises a number of optical microphones (101), an excitation element (103) and an evaluation unit (105), the excitation element (103) being configured to acoustically excite an air flow flowing through the bipolar plate (201, 205, 400), and wherein the evaluation unit (105) is configured to compare respective measured values determined by the number of optical microphones (101) during the excitation with a specified test state assignment scheme and, in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined, an error message on a issue output unit (107).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Prüfsystem und ein Prüfverfahren zur Dichtheitsprüfung einer Bipolarplatte.The invention presented relates to a test system and a test method for testing the tightness of a bipolar plate.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme umfassen eine Vielzahl an Brennstoffzellen, die wiederum jeweils eine Bipolarplatte und eine Membran-Elektrodeneinheit umfassen.Fuel cell systems include a large number of fuel cells, which in turn each include a bipolar plate and a membrane electrode assembly.

Bipolarplatten werden in der Regel hergestellt, indem ein Anodenblech und ein Kathodenblech zusammengeschweißt werden. Dabei werden Prozessparameter bei einem Schweißprozess derart gewählt, dass ein möglichst geringer Energieeintrag in die Bipolarplatte erfolgt, was in sehr schmalen Schweißnähten mit einer Nahtbreite von bspw. kleiner 0,1 mm und einem entsprechend geringen Schmelzbadvolumen resultiert.Bipolar plates are typically manufactured by welding together an anode sheet and a cathode sheet. Process parameters in a welding process are selected in such a way that the energy input into the bipolar plate is as low as possible, which results in very narrow weld seams with a seam width of, for example, less than 0.1 mm and a correspondingly small melt pool volume.

Um einen elektrischen Widerstand einer Bipolarplatte zu minimieren, werden in der Regel dünne Stahlbleche mit einer Materialstärke kleiner 0,1 mm zur Herstellung von Bipolarplatten verwendet.In order to minimize an electrical resistance of a bipolar plate, thin steel sheets with a material thickness of less than 0.1 mm are generally used to produce bipolar plates.

Schweißnahtbedingte Fehlstellen, die zu Undichtigkeiten führen können sich durch bspw. Risse, Auswürfe oder fehlerhafte Anbindungen zwischen den Blechen einer Bipolarplatte ergeben. Da diese Defekte innerhalb einer bei einem Schweißprozess erzeugten Schmelze auftreten sind die Defekte an sich bzw. die damit verbundenen Verformungen stets kleiner als eine entsprechende Naht. Defects caused by the weld seam, which can lead to leaks, can result from, for example, cracks, ejections or faulty connections between the sheets of a bipolar plate. Since these defects occur within a melt produced during a welding process, the defects themselves or the deformations associated with them are always smaller than a corresponding seam.

Dadurch bedingt weisen fehlerhaft geschweißte Bipolarplatten in der Regel eine geringe Leckage auf, die entsprechend schwer zu erkennen ist.As a result, incorrectly welded bipolar plates usually have a small amount of leakage, which is correspondingly difficult to detect.

Konventionelle Dichtheitsmessungen für Leckageraten kleiner als 10-3 mbarl/s erfolgen in der Regel über eine Detektion von Prüfgasen im Überdruck oder Vakuumverfahren oder durch eine Schnüffel-Methode. Bei höheren Leckageraten größer als 10-3 mbarl/s ist auch eine Druckabfallprüfung oder ein Differenzdruckverfahren anwendbar.Conventional tightness measurements for leakage rates of less than 10-3 mbarl/s are usually carried out by detecting test gases in the overpressure or vacuum method or by a sniffing method. In the case of higher leakage rates greater than 10-3 mbarl/s, a pressure drop test or a differential pressure method can also be used.

Sämtliche konventionelle Dichtheitsmessungen haben gemeinsam, dass eine Prüfdauer größer al 10 Sekunden pro Bipolarplatte erforderlich ist um eine sichere Erkennung einer Leckage zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass eine solche Dichtheitsmessung nicht in einen Fertigungstakt einer Schweißvorrichtung integriert werden kann. Entsprechend sind konventionelle Dichtheitsmessungen sehr kostenintensiv, da diese einen zusätzlichen Fertigungsschritt bei der Fertigung einer Brennstoffzelle bedingen.All conventional tightness measurements have in common that a test duration of more than 10 seconds per bipolar plate is required to enable reliable detection of a leak. This means that such a tightness measurement cannot be integrated into a production cycle of a welding device. Correspondingly, conventional tightness measurements are very cost-intensive, since they require an additional manufacturing step in the manufacture of a fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Prüfsystem und ein Prüfverfahren zum Prüfen einer Dichtheit einer Bipolarplatte vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Prüfsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a test system and a test method for testing the tightness of a bipolar plate are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the test system according to the invention naturally also apply in connection with the test method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine schnelle Erkennung einer fehlerhaft geschweißten Bipolarplatte zu ermöglichen.The invention presented is used in particular to enable rapid detection of a faulty welded bipolar plate.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Prüfsystem zur Dichtheitsprüfung einer Bipolarplatte vorgestellt. Das Prüfsystem umfasst eine Anzahl optischer Mikrofone, ein Anregungselement und eine Auswerteeinheit.According to a first aspect of the presented invention, a test system for testing the tightness of a bipolar plate is thus presented. The test system includes a number of optical microphones, an excitation element and an evaluation unit.

Das Anregungselement ist dazu konfiguriert, in der Bipolarplatte strömende Luft akustisch anzuregen, insbesondere mit Prüfgas zu beaufschlagen und/oder mit einem pulsierten Laserstrahl zu erwärmen, so dass ein durch die Bipolarplatte strömender Luftstrom in Schwingung versetzt und ein Geräusch erzeugt wird.The excitation element is configured to acoustically excite air flowing in the bipolar plate, in particular to apply test gas and/or to heat it with a pulsed laser beam, so that an air flow flowing through the bipolar plate vibrates and a noise is generated.

Die Auswerteeinheit ist dazu konfiguriert, jeweilige durch die Anzahl optischer Mikrofone während einer akustischen Anregung der durch die Bipolarplatte strömenden Luft ermittelte Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema abzugleichen und für, den Fall, dass das Prüfzustandzuordnungsschema den jeweiligen ermittelten Messwerten einen Fehler zuordnet, eine Fehlermeldung auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.The evaluation unit is configured to compare respective measured values determined by the number of optical microphones during acoustic excitation of the air flowing through the bipolar plate with a specified test state assignment scheme and, in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined, an error message on a issue output unit.

Unter einer akustischen Anregung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein durch ein Objekt, wie bspw. eine Bipolarplatte strömender Luftstrom derart angeregt wird, dass dieser in Schwingung versetzt wird.In the context of the present invention, acoustic excitation is to be understood as a process in which an air flow flowing through an object, such as a bipolar plate, is excited in such a way that it is made to oscillate.

Unter einem Anregungselement ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Vorrichtung zum akustischen Anregen eines Luftstroms zu verstehen. Dazu kann das Anregungselement bspw. einen Prüfgasapplikator zum Bereitstellen, insbesondere zum Modulieren von Prüfgas oder einen Laser zum Erwärmen der Bipolarplatte umfassen.In the context of the present invention, an excitation element is to be understood as a device for acoustically exciting an air flow. For this purpose, the excitation element can include a test gas applicator for providing, in particular for modulating, test gas or a laser for heating the bipolar plate.

Insbesondere kann ein Anregungselement Prüfgas, wie bspw. Luft oder Wasserstoff, ortsspezifisch, d.h. an einem oder mehreren Orten bereitstellen. Dabei kann der Volumenstrom frequenz- und/oder amplitudenmoduliert bereitgestellt werden. Weiterhin kann ein Luftstrom mittels einer orts- und zeitmodulierten Erwärmung der Bipolarplatte durch einen Laser des Anregungselements akustisch angeregt werden.In particular, an excitation element can provide test gas, such as air or hydrogen, in a location-specific manner, i.e. at one or more locations. The volume flow can be provided in a frequency- and/or amplitude-modulated manner. Furthermore, an air flow can be acoustically excited by means of a spatially and time-modulated heating of the bipolar plate by a laser of the excitation element.

Unter einer Auswerteeinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.In the context of the present invention, an evaluation unit is to be understood as a computer, a processor, a control device or any other programmable circuit.

Das vorgestellte Prüfsystem basiert auf dem Prinzip, dass eine fehlerhafte Schweißnaht eine Eigenschwindung bedingen kann. Diese Eigenschwindung entsteht nur bei einer Leckage und nicht bei einer intakten Schweißnaht, so dass beim Vorliegen einer solchen Eigenschwindung von einem Defekt ausgegangen werden kann. Bspw. hat sich in Versuchen gezeigt, dass für Defektlängen von L = 0,04 mm - 0,1 mm Eigenschwingungen mit Frequenzen im Bereich von ca.200KHz bis 4300 KHz entstehen.The testing system presented is based on the principle that a faulty weld seam can cause intrinsic shrinkage. This intrinsic shrinkage occurs only in the event of a leak and not in the case of an intact weld seam, so that a defect can be assumed if such intrinsic shrinkage is present. For example, tests have shown that for defect lengths of L = 0.04 mm - 0.1 mm, natural vibrations with frequencies in the range from approx. 200 kHz to 4300 kHz occur.

Weiterhin bedingt eine fehlerhafte Schweißnaht, insbesondere bei einer Anregung mit einem gepulsten Prüfgasstrom, eine Veränderung in einem durch eine jeweilige Bipolarplatte bereitgestellten Resonanzraum, so dass Eigenresonanzen entstehen, die charakteristisch für einen Defekt bzw. eine fehlerhafte Bipolarplatte sind. Dabei kann der gepulste Prüfgasstrom bspw. durch eine modulierte Bereitstellung von Prüfgas oder durch einen Laserpuls erfolgen, der aufgrund von Temperaturunterschieden in der Bipolarplatte eine Eigenbewegung der Bipolarplatte und, dadurch bedingt, Druckimpulse in einem durch die Bipolarplatte strömenden Luftstrom erzeugt.Furthermore, a faulty weld seam, particularly when excited with a pulsed test gas flow, causes a change in a resonance space provided by a respective bipolar plate, so that natural resonances arise that are characteristic of a defect or a faulty bipolar plate. The pulsed flow of test gas can be provided, for example, by a modulated supply of test gas or by a laser pulse, which, due to temperature differences in the bipolar plate, causes the bipolar plate to move itself and, as a result, pressure pulses in an air flow flowing through the bipolar plate.

Da Frequenzen im Bereich zwischen 100 KHz bis 4300 KHz von konventionellen Mikrofonen aufgrund der Trägheit ihrer mechanisch bewegten Teile, wie bspw. einer Platte und einer Membran, nicht aufgelöst bzw. erfasst werden können, oder diese nur sehr schmalbandige Frequenzbereiche erfassen, umfasst das vorgestellte Prüfsystem eine Anzahl optischer Mikrofone.Since frequencies in the range between 100 KHz and 4300 KHz cannot be resolved or recorded by conventional microphones due to the inertia of their mechanically moving parts, such as a plate and a membrane, or they only record very narrow frequency ranges, the presented test system includes a number of optical microphones.

Optische Mikrofone sind in der Lage sehr hohe Frequenzen aufzulösen bzw. zu erfassen.Optical microphones are able to resolve or record very high frequencies.

Entsprechend basiert das vorgestellte Prüfsystem auf einer akustischen Messung, die sehr schnell, bspw. in wenigen Millisekunden, insbesondere in weniger als einer Sekunde, durchgeführt werden kann. Dazu wird ein durch die Bipolarplatte strömender Luftstrom mittels des Prüfsystems akustisch angeregt, indem bspw. die Bipolarplatte mit einem Prüfgasstrom oder einem Laserstrahl beaufschlagt wird. Während der Anregung wird ein durch die Anregung erzeugter Schall mittels der Anzahl optischer Mikrofone des Prüfsystems erfasst. Anschließend werden durch die optischen Mikrofone ermittelte Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema abgeglichen, um die Bipolarplatte einem Zustand „Fehler“ oder einem Zustand „ordentlich“ zuzuordnen.Accordingly, the test system presented is based on an acoustic measurement that can be carried out very quickly, for example in a few milliseconds, in particular in less than one second. For this purpose, an air flow flowing through the bipolar plate is acoustically excited by means of the test system, for example by subjecting the bipolar plate to a test gas flow or a laser beam. During the excitation, a sound generated by the excitation is recorded using the number of optical microphones in the test system. Subsequently, measured values determined by the optical microphones are compared with a specified test state assignment scheme in order to assign the bipolar plate to a "faulty" or "correct" state.

Durch eine Ausgabe eines ermittelten Zustands einer geprüften Bipolarplatte auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einem Monitor oder einem Speicher, kann der Zustand der Bipolarplatte protokoliert und insbesondere anderen Systemen zugänglich gemacht werden, um bspw. eine als fehlerhaft gekennzeichnete bzw. einen Zustand „Fehler“ zugeordnete Bipolarplatte automatisch aus einem Fertigungsprozess zur Fertigung eines Brennstoffzellensystem herauszunehmen.By outputting a determined status of a tested bipolar plate on an output unit, such as a monitor or a memory, the status of the bipolar plate can be logged and, in particular, made accessible to other systems, for example to indicate a status marked as faulty or an "error" status. automatically remove associated bipolar plate from a manufacturing process for manufacturing a fuel cell system.

Es kann vorgesehen sein, dass das Prüfsystem als integraler Bestandteil einer Schweißanlage zum Schweißen von Bipolarplatten ausgestaltet ist, und das Prüfsystem dazu konfiguriert ist, eine Überprüfung einer Bipolarplatte anhand eines Abgleichs jeweiliger durch die Anzahl optischer Mikrofone während der akustischen Anregung ermittelter Messwerte mit dem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema innerhalb einer Taktzeit der Schweißanlage durchzuführen.It can be provided that the test system is designed as an integral part of a welding system for welding bipolar plates, and the test system is configured to check a bipolar plate based on a comparison of the respective measured values determined by the number of optical microphones during the acoustic excitation with the specified test state assignment scheme carried out within one cycle time of the welding system.

Durch eine Integration des vorgestellten Prüfsystems in eine Schweißanlage kann ein integrierter Fertigungsprozess erreicht werden, bei dem die Prüfung auf Dichtheit einer durch die Schweißanlage geschweißten Bipolarplatte aufgrund der prinzipbedingt kurzen Prüfdauer des vorgestellten Prüfsystems innerhalb einer Taktzeit der Schweißanlage abläuft. Mit anderen Worten kann das vorgestellte Prüfsystem eine frisch geschweißte Bipolarplatte auf Dichtheit prüfen, bevor eine nächste Bipolarplatte fertiggeschweißt ist, sodass auf zusätzliche Fertigungsschritte und entsprechende Geräte zur zeitlichen Entkopplung einer Prüfung von Bipolarplatten auf Dichtheit von einem weiteren Fertigungsprozess, wie bspw. Pufferspeicher, verzichtet werden kann.By integrating the test system presented in a welding system, an integrated manufacturing process can be achieved in which the leak test of a bipolar plate welded by the welding system runs within one cycle time of the welding system due to the short test duration of the test system presented. In other words, the test system presented can check a freshly welded bipolar plate for leaks before the next bipolar plate is welded, so that additional manufacturing steps and corresponding devices for temporally decoupling a leak test of bipolar plates from another manufacturing process, such as buffer storage, are dispensed with can.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige optische Mikrofone der Anzahl optischer Mikrofone keine schwingenden mechanischen Komponenten umfassen.It can further be provided that respective optical microphones of the number of optical microphones do not include any oscillating mechanical components.

Durch optische Mikrofone, die keine schwingenden mechanischen Komponenten umfassen, können, wie voranstehend bereits erläutert, besonders hochfrequent schwingende Schallwellen erfasst bzw. aufgelöst werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige optische Mikrofone der Anzahl optischer Mikrofone, eine Recheneinheit, eine Referenzstrecke und eine Messstrecke umfassen, wobei durch die Referenzstrecke und die Messstrecke jeweils ein Laserstrahl leuchtet, und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Abweichung zwischen einer ersten Laufzeit eines durch die Referenzstrecke leuchtenden ersten Laserstrahls und einer zweiten Laufzeit eines durch die Messstrecke leuchtenden zweiten Laserstrahls zu ermitteln und unter Verwendung eines vorgegebenen Frequenzzuordnungsschemas der Abweichung eine Frequenz als Messwert zuzuordnen.Through optical microphones, which do not contain vibrating mechanical components, As already explained above, particularly high-frequency oscillating sound waves can be detected or resolved.
Provision can also be made for the respective optical microphones of the number of optical microphones to comprise a computing unit, a reference section and a measurement section, with a laser beam shining through the reference section and the measurement section, and with the processing unit being configured to detect a deviation between a first To determine the transit time of a first laser beam shining through the reference section and a second transit time of a second laser beam shining through the measurement section and to assign a frequency as a measured value to the deviation using a predetermined frequency allocation scheme.

Durch eine Bestimmung eines Laufzeitunterschieds zu einer Referenzstrecke kann eine besonders hochauflösende Erfassung von Schallwellen erreicht werden. Insbesondere bewirkt eine Bestimmung eines Laufzeitunterschieds zu einer Referenzstrecke eine automatische Kalibrierung des Mikrofons auf jeweilige Umgebungsbedingungen, da dieselben Umgebungsbedingungen in der Referenzstrecke und der Messstrecke vorliegen. Daher kann der Einfluss von durch einen Fertigungsprozess zur Fertigung einer Bipolarplatte bedingten Änderungen in einer Umgebung des vorgestellten Prüfsystems, wie bspw. eine durch einen Schweißvorgang bedingte zeitweise Temperaturerhöhung im Bereich des Mikrofons, minimiert werden.A particularly high-resolution detection of sound waves can be achieved by determining a transit time difference with respect to a reference section. In particular, a determination of a propagation time difference from a reference section causes the microphone to be automatically calibrated to the respective environmental conditions, since the same environmental conditions are present in the reference section and the measurement section. Therefore, the influence of changes in an environment of the presented test system caused by a manufacturing process for manufacturing a bipolar plate, such as a temporary temperature increase in the area of the microphone caused by a welding process, can be minimized.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Prüfzustandzuordnungsschema Frequenzen in einem Bereich zwischen 100 KHz und 5000 KHz einen Fehler zuordnet.Provision can furthermore be made for the test state allocation scheme to allocate an error to frequencies in a range between 100 KHz and 5000 KHz.

Da sich in Versuchen gezeigt hat, dass für Defektlängen von L = 0,04 mm - 0,1 mm Frequenzen im Bereich von ca. 100 KHz bis 5000 KHz entstehen, ist dieser Frequenzbereich besonders gut zur Differenzierung einer ordentlichen Bipolarplatte von einer fehlerhaften Bipolarplatte geeignet.Since tests have shown that frequencies in the range of approx. 100 KHz to 5000 KHz occur for defect lengths of L = 0.04 mm - 0.1 mm, this frequency range is particularly well suited for differentiating a normal bipolar plate from a defective bipolar plate .

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Anregungselement dazu konfiguriert ist, die Bipolarplatte mit einem frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Prüfgasstrahl oder mit einem frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Laserstrahl zu beaufschlagen.Provision can furthermore be made for the excitation element to be configured to apply a frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jet or a frequency-modulated and/or amplitude-modulated laser beam to the bipolar plate.

Eine durch einen frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Prüfgasstrahl bzw. Laserstrahl erzeugte akustische Anregung, wie bspw. ein Ton, kann durch gezielte bzw. vorgegebene Modulationen wiedererkannt bzw. von einem Umgebungsrauschen unterschieden werden. Entsprechend ermöglicht ein frequenzmodulierter und/oder amplitudenmodulierter Prüfgasstrahl bzw. Laserstrahl eine präzise Erkennung von durch den Prüfgasstrahl bzw. Laserstrahl bedingten Änderungen, sodass eine entsprechend minimale Messvarianz bzw. entsprechend hohe Frequenzauflösung des Mikrofons entsteht.An acoustic excitation, such as a tone, generated by a frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jet or laser beam, for example, can be recognized or differentiated from ambient noise by targeted or predetermined modulations. Accordingly, a frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jet or laser beam enables precise detection of changes caused by the test gas jet or laser beam, resulting in a correspondingly minimal measurement variance or correspondingly high frequency resolution of the microphone.

In Abhängigkeit von der Art eines jeweiligen Defekts kann eine Druckmodulation in einem Prüfgas, wie bspw. Luft, zur Erzeugung einer Luftdruckschwankung verwendet werden, um eine Bipolarplatte akustisch anzuregen.Depending on the nature of a particular defect, pressure modulation in a test gas, such as air, can be used to create an air pressure fluctuation to acoustically excite a bipolar plate.

Es kann vorgesehen sein, dass die Frequenzmodulation insbesondere eine Druckimpulsauslösung durch eine Anregung des Bauteiles über hochfrequente Laserpulse in der Nähe eines Defekts eines jeweiligen Bauteils erfolgt. Dabei führt ein Laserpuls zu einer Schwingung des Bauteils, die einen Impuls auf die umgebende Luft gibt, die aus dem Defekt strömt.Provision can be made for the frequency modulation, in particular a pressure pulse triggering, to take place by excitation of the component via high-frequency laser pulses in the vicinity of a defect in a respective component. A laser pulse causes the component to vibrate, which gives an impulse to the surrounding air flowing out of the defect.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Anregungselement dazu konfiguriert ist, eine Vielzahl von Bereichen der Bipolarplatte zu prüfen und unterschiedliche Bereiche der Vielzahl Bereiche mit unterschiedlich frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Prüfgasstrahlen oder unterschiedlich frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Laserstrahlen zu beaufschlagen.Provision can furthermore be made for the excitation element to be configured to test a large number of areas of the bipolar plate and to apply differently frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jets or differently frequency-modulated and/or amplitude-modulated laser beams to different areas of the large number of areas.

Durch unterschiedlich modulierte Prüfgasstrahlen bzw. Laserstrahlen, die auf unterschiedliche Bereiche, wie bspw. Brennstoffkanäle und Kühlmittelkanäle, geleitet werden, können die unterschiedlichen Bereiche zeitgleich geprüft werden, da die verschiedenen Prüfgasstrahlen bzw. Laserstrahl aufgrund ihrer jeweiligen spezifischen erzeugten Anregung voneinander unterschieden werden können. Dies bedeutet, dass ein durch einen ersten Prüfgasstrahl bzw. Laserstrahl in einem ersten Bereich erzeugter Schall von einem zeitgleich durch einen zweiten Prüfgasstrahl bzw. Laserstrahl in einen zweiten Bereich erzeugten Schall unterschieden werden kann. Entsprechend kann durch eine Vielzahl an Prüfgasstrahlen bzw. Laserstrahlen schnell eine Vielzahl von Bereichen einer Bipolarplatte auf Dichtheit geprüft werden.Differently modulated test gas jets or laser beams, which are directed to different areas, such as fuel channels and coolant channels, can be used to test the different areas at the same time, since the various test gas jets or laser beams can be distinguished from one another based on the specific excitation generated. This means that a sound generated by a first test gas jet or laser beam in a first area can be distinguished from a sound generated at the same time by a second test gas jet or laser beam in a second area. Accordingly, a large number of areas of a bipolar plate can be quickly checked for leaks by a large number of test gas jets or laser beams.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Prüfsystem dazu konfiguriert ist, jeweilige Bipolarplatten einer Vielzahl an Bipolarplatten in einer Einzelteilprüfung zu prüfen.Provision can furthermore be made for the test system to be configured to test the respective bipolar plates of a large number of bipolar plates in an individual test.

Da das vorgestellte Prüfsystem dazu konfiguriert ist, sehr schnell zu prüfen, kann auf aufwendige Stapelanordnung zum Prüfen der Dichtheit von Bipolarplatten verzichtet werden.Since the test system presented is configured to test very quickly, there is no need for a complex stack arrangement for testing the tightness of bipolar plates.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Prüfsystem einen Aktuator umfasst, der dazu konfiguriert ist, die Bipolarplatte unter der Anzahl optischer Mikrofone hindurch zu bewegen, um eine hohe örtliche Auflösung jeweiliger Mikrofone der Vielzahl optischer Mikrofone zu ermöglichen.Provision can furthermore be made for the test system to include an actuator which is configured to move the bipolar plate under the number of optical microphones in order to enable a high spatial resolution of the respective microphones in the number of optical microphones.

Durch einen Aktuator, der eine zu prüfende Bipolarplatte unter jeweiligen Mikrofonen des Prüfsystems hindurchbewegt, bspw. schiebt oder zieht, können Mikrofone mit einer hohen Ortauflösung verwendet werden, die entsprechend kleine Bereiche abtasten, jedoch, durch die Bewegung der Bipolarplatte und wiederholte Messungen, die gesamte Bipolarplatte abtasten können.With an actuator that moves, e.g. pushes or pulls, a bipolar plate to be tested under the respective microphones of the test system, microphones with a high spatial resolution can be used, which scan correspondingly small areas, but, through the movement of the bipolar plate and repeated measurements, the entire palpate the bipolar plate.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Prüfverfahren zur Dichtheitsprüfung einer Bipolarplatte. Das Prüfverfahren umfasst das akustische Anregen einer Bipolarplatte mit einem Anregungselement, das Ermitteln von Messwerten eines akustischen Verhaltens der Bipolarplatte während der Anregung der Bipolarplatte durch eine Anzahl optischer Mikrofone, das Abgleichen der ermittelten Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema, und das Ausgeben einer Fehlermeldung auf einer Ausgabeeinheit für den Fall, dass das Prüfzustandzuordnungsschema den jeweiligen ermittelten Messwerten einen Fehler zuordnet.According to a second aspect, the presented invention relates to a testing method for testing the tightness of a bipolar plate. The test method includes the acoustic stimulation of a bipolar plate with an excitation element, the determination of measured values of an acoustic behavior of the bipolar plate during the stimulation of the bipolar plate by a number of optical microphones, the comparison of the measured values determined with a specified test state assignment scheme, and the output of an error message on an output unit in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined.

Das vorgestellte Prüfsystem dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Prüfverfahrens.The test system presented serves in particular to carry out the test method presented.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Prüfsystems,
2 eine schematische Darstellung des dem vorgestellten Prüfsystem zugrundeliegenden Prinzips,
3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Prüfverfahrens,
4 eine schematische Darstellung des dem vorgestellten Prüfverfahren zugrundeliegenden Prinzips.

Show it:

1 a schematic representation of a possible embodiment of the presented test system,
2 a schematic representation of the principle on which the presented test system is based,
3 a schematic representation of a possible embodiment of the test method presented,
4 a schematic representation of the principle on which the test method presented is based.

In 1 ist ein Prüfsystem 100 zur Prüfung der Dichtheit einer Bipolarplatte dargestellt. Das Prüfsystem 100 umfasst eine Anzahl optischer Mikrofone 101, ein Anregungselement 103, und eine Auswerteeinheit 105.In 1 a test system 100 for testing the tightness of a bipolar plate is shown. The test system 100 includes a number of optical microphones 101, an excitation element 103, and an evaluation unit 105.

Das Anregungselement 103 ist dazu konfiguriert, einen durch die Bipolarplatte strömenden Luftstrom mit Prüfgas oder einem Laserstrahl akustisch anzuregen. The excitation element 103 is configured to acoustically excite an air flow flowing through the bipolar plate with test gas or a laser beam.

Die Auswerteeinheit 105 ist dazu konfiguriert, jeweilige durch die Mikrofone 101 während der Anregung des Luftstroms ermittelte Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema abzugleichen und für, den Fall, dass das Prüfzustandzuordnungsschema den jeweiligen ermittelten Messwerten einen Fehler zuordnet, eine Fehlermeldung auf einer Ausgabeeinheit 107 auszugeben.The evaluation unit 105 is configured to compare the respective measured values determined by the microphones 101 during the excitation of the air flow with a predetermined test state assignment scheme and, in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined, to output an error message on an output unit 107.

In 2 sind eine erste Bipolarplatte 201 mit einer intakten Schweißnaht 203 und eine zweite Bipolarplatte 205 mit einer defekten Schweißnaht 207 dargestellt.In 2 a first bipolar plate 201 with an intact weld seam 203 and a second bipolar plate 205 with a defective weld seam 207 are shown.

Während beim Anregen eines durch die ersten Bipolarplatte 201 strömenden Luftstroms durch einen ersten Prüfgasstrahl 209 keine Eigenschwingung durch die Bipolarplatte 201 erfolgt und sich auch kein veränderter Resonanzraum ergibt bleibt ein durch den Prüfgasstrahl 209 hervorgerufenes Geräusch im Wesentlich unverändert.While when an air flow flowing through the first bipolar plate 201 is excited by a first test gas jet 209, there is no natural oscillation through the bipolar plate 201 and there is also no change in the resonance chamber, a noise caused by the test gas jet 209 remains essentially unchanged.

Im Gegensatz zu dem ersten Prüfgasstrahl 209 kommt es beim Anregen der zweiten Bipolarplatte 205 mittels eines zweiten Prüfgasstrahls 211 aufgrund einer verformten bzw. defekten Schweißnaht 207 zu einer Eigenschwingung der zweiten Bipolarplatte 205 und/oder zu einem vergrößerten Resonanzraum, so dass sich ein durch den zweiten Prüfgasstrahl 211 hervorgerufenes Geräusch gegenüber einem durch den ersten Prüfgasstrahl 209 hervorgerufenen Geräusch ändert und, dadurch bedingt, die zweite Bipolarplatte 205 als fehlerhaft vor der ersten Bipolarplatte 201 unterschieden werden kann.In contrast to the first test gas jet 209, when the second bipolar plate 205 is excited by means of a second test gas jet 211, natural oscillation of the second bipolar plate 205 and/or an enlarged resonance space occurs due to a deformed or defective weld seam 207, so that a Test gas jet 211 caused noise changes compared to a noise caused by the first test gas jet 209 and, as a result, the second bipolar plate 205 can be distinguished as faulty in front of the first bipolar plate 201.

Dabei ergeben sich bei strömungsbedingter Schallanregung für Defektlängen von L = 0,04 - 0,1 mm gemäß der folgenden Formel (1) für die erste Bipolarplatte (gedeckelt) 201 und Formel (2) für die zweite Bipolarplatte (offen) 205 Schallfrequenzen der durchströmten Leckagestelle zu fLeckage = 800 kHz - 4300 kHz. Solch hohe Frequenzen können mit konventionellen Mikrophonen aufgrund mechanisch bewegter Teile nicht erfasst werden. $f_{g e d e c k e l t} = \frac{c}{4 \times L} = 0,8 - 2,1 m H z$

f_{o f f e n} = \frac{c}{2 \times L} = 1,7 - 4,3 m H z

With flow-related sound excitation for defect lengths of L = 0.04 - 0.1 mm, according to the following formula (1) for the first bipolar plate (covered) 201 and formula (2) for the second bipolar plate (open) 205, sound frequencies of the flow-through result Leakage point to fLeakage = 800 kHz - 4300 kHz. Such high frequencies cannot be captured with conventional microphones due to mechanically moving parts.

f_{G e i.e e c k e l t} = \frac{c}{4 \times L} = 0.8 - 2.1 m H e.g

f_{O f f e n} = \frac{c}{2 \times L} = 1.7 - 4.3 m H e.g

In 3 ist ein Prüfverfahren 300 dargestellt. Das Prüfverfahren umfasst einen Beaufschlagungsschritt 301, bei dem ein durch eine Bipolarplatte strömender Luftstrom mit einem Anregungselement akustisch angeregt wird, einen Ermittlungsschritt 303, bei dem Messwerte eines akustischen Verhaltens des Luftstroms während der akustischen Anregung durch eine Anzahl optischer Mikrofone ermittelt werden, einen Abgleichschritt 305, bei dem die ermittelten Messwerte mit einem vorgegebenen Prüfzustandzuordnungsschema abgeglichen werden, und einen Ausgabeschritt 307, bei dem eine Fehlermeldung auf einer Ausgabeeinheit für den Fall ausgegeben wird, dass das Prüfzustandzuordnungsschema den jeweiligen ermittelten Messwerten einen Fehler zuordnet.In 3 a test method 300 is shown. The test method includes an application step 301, in which an airflow flowing through a bipolar plate is acoustically excited with an excitation element, a determination step 303, in which measured values of an acoustic behavior of the airflow are determined during the acoustic excitation by a number of optical microphones, a calibration step 305, in which the measured values determined are compared with a predetermined test state assignment scheme, and an output step 307 in which an error message is output on an output unit in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined.

In 4 ist eine Bipolarplatte 400 dargestellt, deren Dichtheit zu prüfen ist. Dazu wird eine Anodenplatte 401 der Bipolarplatte 400 mit einer Niederhalteplatte 403 auf eine Kathodenplatte 405 gedrückt, die auf einer Basisplatte 407 angeordnet ist.In 4 a bipolar plate 400 is shown whose tightness is to be checked. For this purpose, an anode plate 401 of the bipolar plate 400 is pressed with a hold-down plate 403 onto a cathode plate 405 which is arranged on a base plate 407 .

Die Niederhalteplatte 403 umfasst ein Dichtelement 409, dass durch die Anodenplatte 401 gebildete Kanäle abdichtet.The hold-down plate 403 includes a sealing element 409 that seals channels formed by the anode plate 401 .

Die Basisplatte 407 umfasst ein Dichtelement 411, dass durch die kathodenplatte 405 gebildete Kanäle abdichtet.The base plate 407 includes a sealing element 411 that seals channels formed by the cathode plate 405 .

Ferner verhindern die Dichtelemente 409 und 411 eine Verformung der Bipolarplatte 403.Furthermore, the sealing elements 409 and 411 prevent deformation of the bipolar plate 403.

Die Dichtelemente 409 und 411 können bspw. aus einem flexiblen Material bestehen.The sealing elements 409 and 411 can consist of a flexible material, for example.

Durch einen Prüfgaskanal 413 wird die Bipolarplatte 400 mit Prüfgas beaufschlagt, sodass durch zwischen der Anodenplatte 401 und der Kathodenplatte 403 gebildete Kanäle das Prüfgas zu einer Schweißnaht 415 gelangt.Test gas is applied to the bipolar plate 400 through a test gas channel 413 , so that the test gas reaches a weld seam 415 through channels formed between the anode plate 401 and the cathode plate 403 .

Claims

Test system (100) for leak testing a bipolar plate (201, 205, 400), the test system comprising: - a number of optical microphones (101), - an excitation element (103), - an evaluation unit (105), wherein the excitation element (103) is configured to acoustically excite an airflow flowing through the bipolar plate (201, 205, 400), and wherein the evaluation unit (105) is configured to compare respective measured values determined by the number of optical microphones (101) during the acoustic excitation with a specified test state assignment scheme and, in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined, an error message on a issue output unit (107).

Test system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the test system (100) is designed as an integral part of a welding system for welding bipolar plates (201, 205, 400), and the test system (100) is configured to a check a bipolar plate (201, 205, 400) based on a comparison of respective measured values determined by the number of optical microphones (101) during the acoustic excitation with the specified test state allocation scheme within a cycle time of the welding system.

Test system (100) according to claim 1 or 2 , characterized in that respective optical microphones (101) of the number of optical microphones (101) do not comprise any vibrating mechanical components.

Test system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that respective optical microphones (101) of the number of optical microphones (101) comprise a computing unit, a reference section and a measurement section, with a laser beam shining through the reference section and the measurement section, and wherein the processing unit is configured to determine a deviation between a first transit time of a first laser beam shining through the reference section and a second transit time of a second laser beam shining through the measurement section and to assign a frequency as a measured value to the deviation using a predetermined frequency allocation scheme.

Test system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the test state assignment scheme assigns an error to frequencies in a range between 100 KHz and 5000 KHz.

Testing system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation element (103) is configured to apply a frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jet or a frequency-modulated and/or amplitude-modulated laser beam to the bipolar plate (201, 205, 400). .

Test system (100) according to claim 6 , characterized in that the excitation element (103) is configured to test a multiplicity of areas of the bipolar plate (201, 205, 400) and to test different areas of the multiplicity of areas with differently frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas beams or differently frequency-modulated and/or amplitude-modulated laser beams to apply.

Test system (100) according to claim 7 , characterized in that the excitation element (103) is configured to test the plurality of areas of the bipolar plate (201, 205, 400) simultaneously and to test the different areas of the plurality of areas simultaneously or at different times with differently frequency-modulated and/or amplitude-modulated test gas jets or the to apply different frequency-modulated and/or amplitude-modulated laser beams to different areas of the plurality of areas simultaneously or at different times.

Test system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the test system (100) is configured to test respective bipolar plates (201, 205, 400) of a plurality of bipolar plates (201, 205, 400) in a single part test.

Test system (100) according to any of the preceding claims, characterized in that the test system (100) comprises an actuator configured to move the bipolar plate (201, 205, 400) under the plurality of optical microphones (101) to to enable a high spatial resolution of respective microphones (101) of the plurality of optical microphones (101).

Test method (300) for leak testing a bipolar plate (201, 205, 400), the test method (300) comprising: - Excitation (301) of an air flow flowing through the bipolar plate (201, 205, 400) by an excitation element (103), - determining (303) measured values of an acoustic behavior of the bipolar plate (201, 205, 400) during the excitation using a number of optical microphones (101), - Comparison (305) of the measured values determined with a specified test state assignment scheme, - Outputting (307) an error message on an output unit (107) in the event that the test state assignment scheme assigns an error to the respective measured values determined.