DE202023102567U1

DE202023102567U1 - Vorrichtung zur Dichteprüfung von elektrochemischen Zellen

Info

Publication number: DE202023102567U1
Application number: DE202023102567.6U
Authority: DE
Original assignee: Mafu Robotics GmbH
Current assignee: Mafu Robotics GmbH
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2023-05-11
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2033-05-12

Abstract

Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2), insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit,
mit einer Kammer (3) zur Aufnahme und Überprüfung wenigstens einer elektrochemischen Zelle (2), dadurch gekennzeichnet,
dass die Kammer (3) mit einem Unterdruck beaufschlagt ist,
dass eine Einheit zur Gasversorgung (6) vorgesehen ist, die eine in die Kammer (3) eingebrachte zu prüfende elektrochemische Zelle (2) mit Pressluft beaufschlagt und damit den Innenraum (5) der elektrochemischen Zelle (2) unter Überdruck setzt und dass ein Sensor (7) vorgesehen ist, der geeignet ist, eine Druckerhöhung in der Kammer (3) zu erfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen, insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, dass die Dichtigkeit von Gehäusen dadurch überprüft werden kann, dass diese mit ihrem Volumen im Inneren unter einen Prüfdruck gesetzt werden und im Folgenden überprüft wird, ob dieser Druck im Innern des Gehäuses abfällt oder nicht. Diese Art der Dichtigkeitsprüfung erweist sich als sehr aufwendig und bedarf einer sehr spezifisch an die zu prüfenden Gehäuse angepassten Vorrichtung. Darüber hinaus erweist sich die Aussagekraft zur Dichtigkeit als wenig aussagekräftig. Aus dem US-Patent US 9,857,264 B2 ist eine derartige Testvorrichtung bekannt, die als Inspektionsgas Helium verwendet, dessen Entweichen mittels sogenannter MEMS erfasst wird. Diese Vorrichtung erweist sich als sehr kostenintensiv und sehr aufwendig.
Aus der US-Patentanmeldung US 2011/0174060 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Überprüfung der Dichtigkeit von Behältern bekannt, wobei die Behälter für den Transport von Pharmazeutika oder medizinischen Substanzen oder Gegenständen vorgesehen sind. Hierzu werden die Behälter in eine Vakuumkammer eingebracht und das Maß der Druckveränderung in der Vakuumkammer als Maß für die Dichte der Gehäuse herangezogen. Dieses System ist wenig geeignet für die Dichtigkeitsprüfung von komplexen Gegenständen insbesondere solchen, die noch geringere Leckraten zeigen als diese Behälter für den Transport von Pharmazeutika oder medizinischen Substanzen oder Gegenständen, beziehungsweise solche Gegenstände, die für Undichtigkeiten von Wasserstoff oder Edelgase besonders anfällig sind.
Aus dem koreanischen Patent KR 101198857 B1 ist eine Vorrichtung zur Dichteprüfung von Batterien bekannt, wobei die Batterien mit flüssigen Elektrolyten gefüllt sind. Um die Elektrolyte aus der Batterie heraus zu saugen, wird die Batterie in eine Vakuumkammer verbracht und durch das Vakuum die flüssigen Elektrolyte vergast und dadurch aus der Batterie herausgesaugt, falls diese nicht dicht ist. Die gasförmigen Elektrolyte werden dann mittels Halbleitersensor detektiert und daraus ein Maß für die Undichtigkeit abgeleitet. Diese Vorrichtung erweist sich als sehr aufwendig und wenig geeignet für komplexe Gegenstände insbesondere solche, die noch geringere Leckraten zeigen als diese flüssigkeitsgefüllten Batterien, beziehungsweise solche Gegenstände, die für Undichtigkeiten von Wasserstoff oder Edelgase besonders anfällig sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen, insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit anzugeben. Diese soll sich durch eine effiziente und aussagekräftige Überprüfung der Dichtigkeit auszeichnen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen, insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit ist mit einer Kammer zur Aufnahme und Überprüfung wenigstens einer elektrochemischen Zelle versehen. Die Kammer ist so ausgebildet, dass sie für die Überprüfung mit einem Unterdruck beaufschlagt wird. Dabei ist eine Einheit zur Gasversorgung vorgesehen, die eine in die Kammer eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zelle mit Pressluft versorgen kann und dadurch die Möglichkeit schafft, dass der Innenraum der elektrochemischen Zelle unter Überdruck gesetzt wird und dadurch die Möglichkeit der Identifikation eines Druckverlustes aufgrund einer Undichtigkeit für das eingebrachte Gas besonders vorteilhaft unterstützt wird. Dies wird gerade dadurch besonders vorteilhaft möglich, dass die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum mit dem Überdruck zu der Kammer mit dem Unterdruck besonders groß ist und dadurch eine besondere Motivation zum Gastransfer zwischen dem Innenraum und der unter Unterdruck stehenden Kammer geschaffen ist, was eine Dichteprüfung besonders vorteilhaft und aussagekräftig ermöglicht. Dies wird insbesondere mithilfe des vorgesehenen Drucksensors ermöglicht, der geeignet ist, eine Druckerhöhung in der Kammer zu erfassen und dadurch eine aussagekräftige Information zur mangelnden Dichtigkeit zu gewinnen und dem Benutzer zur Verfügung zu stellen.
Dies wird unter anderem dadurch unterstützt, dass die Kammer mit einem gasdichten Gehäuse versehen ist und damit so gasdicht ausgebildet ist, dass eine Erhöhung des Gasdruckes in der Kammer durch eine oder mehrere über die in die Kammer eingebrachte elektrochemische, zu untersuchende Zellen bedingt und darauf zurückzuführen ist.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von einfacher Pressluft als Prüfgas und nicht das Vorsehen von speziellen, kostenintensiven Prüfgasen wie Helium oder anderen Edelgasen gelingt es, eine sehr aussagekräftige und dabei kostengünstige und entsprechend effiziente Vorrichtung zur Beurteilung einer Dichtigkeit für elektrochemische Zellen zu schaffen. Die Pressluft kann dabei eines oder mehrere der gängigen Gase der Luft, insbesondere Stickstoff, Sauerstoff, trockene Luft enthalten.
Durch das Vorsehen eines derartigen Aufbaus und Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es möglich, auch sehr geringe Undichtigkeiten zu detektieren, die beispielsweise zu Leckraten im Bereich von 10^-4 mbar je Liter des Volumens und je Sekunde führen, und dadurch eine sehr aussagekräftige Information zur notwendigen Dichtigkeit der elektrochemischen Zellen zu gewinnen. Dies ist insbesondere für solche elektrochemischen Zellen von Bedeutung, die nicht flüssige Elektrolyte sondern gasförmige Medien beinhalten insbesondere solche, die Wasserstoff oder Edelgase wie Helium oder auch Argon, enthalten. Derartige elektrochemische Zellen sind hinsichtlich der Dichtigkeit gegenüber Helium oder Wasserstoff besonders schwierig zu beurteilen, was aber mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen, insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit, ermöglicht ist.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass der erzeugte Überdruck der Pressluft in der elektrochemischen Zelle über 2 bar liegt. Bei entsprechender Druckfestigkeit der elektrochemischen Zelle kann der erzeugte Überdruck der Pressluft bis zu 200 bar gewählt sein. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Einheit zur Gasversorgung so ausgebildet ist, dass die Pressluft mit einem höheren Druck als der Zieldruck im Innenraum der zu untersuchenden elektrochemischen Zelle über Verbindungsleitungen zu der zu untersuchenden Zelle in der Kammer gasdicht geleitet wird und so lang der Innenraum mit der Pressluft beaufschlagt wird, bis der gewünschte Überdruck erreicht ist. Dies kann einerseits über eine Zeitsteuerung in Kenntnis des betreffenden Volumens und der Einströmgeschwindigkeit erreicht werden oder mithilfe eines Drucksensors, der geeignet ist, den Gasdruck im Innenraum der auf Dichtigkeit zu untersuchenden elektrochemischen Zelle misst und abhängig davon die Zuführung mit Pressluft steuert. Durch diesen signifikanten Überdruck im Innenraum der Zelle wird ein Druckunterschied zwischen Kammer und Innenraum der Zelle von mehreren Größenordnungen, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 9 Größenordnungen, an mbar bzw. hPa erzeugt und dadurch besondere aussagekräftige Vorrichtungen zur Beurteilung der Dichtigkeit geschaffen.
Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass der Unterdruck in der Kammer beispielhaft im Bereich von beziehungsweise unter 10^-3 hPa liegt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Kammer mit einer Vakuumpumpe versehen ist, die geeignet ist, den gewünschten Unterdruck in der Kammer zu erzeugen und bei Bedarf auch wieder zielgerichtet herzustellen. Ist der gewünschte Unterdruck in der Kammer erreicht, so wird die Vakuumpumpe deaktiviert beziehungsweise die Vakuumpumpe von der Kammer so gasdicht getrennt, dass die Kammer den gewünschten Unterdruck stabil hält und auch geringe Erhöhungen des Drucks in der Kammer mithilfe des Sensors zur Erfassung einer Druckerhöhung in der Kammer erfasst werden können. Durch diesen ausgeprägten und gewählten starken Unterdruck in der Kammer wird durch diesen signifikanten Überdruck im Innenraum der Zelle insbesondere ein Druckunterschied zwischen Kammer und Innenraum der zu untersuchenden elektrochemischen Zelle von mehreren Größenordnungen an mbar bzw. hPa erzeugt und dadurch besondere aussagekräftige Vorrichtungen zur Beurteilung der Dichtigkeit geschaffen.
Ergänzend hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass die Kammer zur gleichzeitigen Aufnahme und zur Überprüfung von mehreren elektrochemischen Zellen vorgesehen ist. Durch diese bevorzugte Weiterbildung gelingt es, die Effizienz der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung zu verbessern. Durch diese Weiterbildung lassen sich mit einer einzigen Vorrichtung mehrere Zellen in kürzerer Zeit überprüfen, denn die notwendige Zeit für das Austauschen der einzelnen Zellen mit dem damit verbundenen Entleeren beziehungsweise Befüllen der Kammer und das anschließende Evakuieren nach dessen Befüllen der Kammer mit einer einzelnen Zelle kann reduziert und dadurch der Überprüfungsvorgang für eine Einzelzelle beschleunigt werden. Dies wird möglich, ohne dass die Qualität der Aussage zur Dichtigkeit in relevanter Weise leidet.
Als besonders bevorzugte Weiterbildung hat sich eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung gezeigt, bei welcher die Einheit zur Gasversorgung dafür vorgesehen ist, in die Kammer eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zellen gemeinsam mit Pressluft zu beaufschlagen und damit den Innenraum der elektrochemischen Zellen unter einen gemeinsamen Überdruck zu setzen. Diese Weiterbildung der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung zeichnet sich durch einen einfachen und effizienten sowie sicheren Aufbau mit einer einzigen Einheit zur Gasversorgung aus, die über eine gasdichte Zuleitung mit den in der Kammer angeordneten, zu untersuchenden elektrochemischen Zellen gemeinsam so verbunden ist, dass sie mit dem erfindungsgemäßen Überdruck beaufschlagt werden können. Dies kann einerseits zeitgleich erfolgen oder auch sequenziell oder teilsequenziell.
Daneben hat es sich auch bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass die Einheit zur Gasversorgung dafür vorgesehen ist, in die Kammer eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zellen sequenziell unter einen Überdruck zu setzen und damit eine sequenzielle Überprüfung zu ermöglichen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass jede in der Kammer angeordnete, zu untersuchende Zelle über eine gemeinsame Gasdichtezuleitung mit Pressluft versorgt wird und dies so erfolgt, dass ein Steuerventil jeder zu untersuchenden Zelle zugeordnet ist, welches gesteuert von einer Steuereinheit sequenziell nur eine zu untersuchende elektrochemische Zelle für die Befüllung mit Pressluft freigibt. Nach der Überprüfung der Dichtigkeit dieser einen freigegebenen elektrochemischen Zelle wird diese von der Druckluftversorgung über die Einheit zur Gasversorgung getrennt, indem das steuerbare Steuerventil geschlossen wird und die nächste zu untersuchende elektrochemische Zelle mithilfe des ihr zugeordneten Steuerventils freigegeben und damit mit Pressluft selektiv beaufschlagt wird. Dies wiederholt sich, bis alle in der Kammer angeordneten, zu untersuchenden Zellen sequenziell also hintereinander untersucht sind und deren Dichtigkeit damit einzelnen überprüft werden konnte. Wird mithilfe des zugeordneten Sensors eine Druckerhöhung in der unter Unterdruck stehenden Kammer festgestellt, so ist die eindeutige Zuordnung zu der aktuell beaufschlagten, freigegebenen und zu untersuchenden Zelle ermöglicht, was die Effizienz der weitergebildeten Vorrichtung zur Überprüfung der Dichtigkeit deutlich verbessert. Dabei werden bevorzugt die bereits überprüften Zellen in der Kammer von dem bestehenden Überdruck befreit, indem diese beispielsweise durch eine Entgasungsleitung entlüftet werden. Dabei erfolgt dies bevorzugt und zielgerichtet über die Steuereinheit und ein in der Entgasungsleitung angeordnetes, steuerbares Ventil, das für die Entgasung die Entgasungsleitung zeitlich beschränkt freigibt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung zeigt die Möglichkeit, dass der Sensor zur Erfassung einer Druckerhöhung in der Kammer angeordnet ist. Durch diese Ausbildung der Vorrichtung gelingt es, die Dichtigkeit der Kammer besonders vorteilhaft zu gewährleisten und dadurch eine besonders detaillierte und aussagekräftige Information zur Druckerhöhung in der Kammer zu erreichen, was die Effizienz der Vorrichtung zudem verbessert. Durch diese Ausbildung müssen keine Zuleitungen durch die Wandung der Kammer von außen in den Innenraum der Kammer geführt und entsprechend abgedichtet werden, was sich vorteilhaft auf die Dichtigkeit der Kammer auswirkt.
Dabei hat es sich als bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung bewährt, dass der Sensor zur Erfassung einer Druckerhöhung außerhalb der Kammer angeordnet ist und über eine Gasleitung mit dem unter Unterdruck stehenden Innenraum der Kammer verbunden ist. Durch diese Weiterbildung wird es möglich, den Sensor auch während des Betriebs ohne große Schwierigkeiten auszulesen beziehungsweise bei Bedarf zu warten oder gar auszutauschen, ohne dass der Unterdruck in der Kammer mit den zu untersuchenden elektrochemischen Zellen aufgehoben werden muss. Dies führt zu einer Verbesserung der Handhabung der weitergebildeten Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen insbesondere hinsichtlich der Dichtigkeit gegenüber Edelgasen oder ähnlichen.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung wird dem Sensor zur Erfassung einer Druckerhöhung eine Alarmeinheit zugeordnet, die geeignet ist, bei Erfassung einer Druckerhöhung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal auszugeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen abzuspeichern und/oder abzugeben. Dabei ist das Alarmsignal bevorzugt als optisches Alarmsignal realisiert, das alternativ oder ergänzend auch als akustisches Alarmsignal ausgebildet sein kann. Hierdurch gelingt es sicherzustellen, dass sobald eine unerwünschte Druckerhöhung detektiert wird dies als Identifikation einer undichten, zu untersuchenden Zelle interpretiert wird und dies zu einer klaren Zuordnung zu einer Zelle in der Kammer führt. Dadurch kann der Überprüfungsprozess auf Dichtigkeit gerade bei einer teilautomatisierten oder vollautomatisierten Bedienung sehr zielgerichtet und effizient realisiert werden. Ergänzend oder auch alternativ zu dem Alarmsignal hat sich auch bewährt, die Informationen zur Druckerhöhung beziehungsweise zu der oder den aktuell überprüften Zellen abzuspeichern und damit zu dokumentieren und bei Bedarf einer späteren Überprüfung zuzuführen. Dies ist insbesondere bei einer vollautomatischen insbesondere sequenziellen Überprüfung mehrerer Zellen insbesondere von mehreren Zellen in einer Kammer von Vorteil. Dabei erfolgt die Abspeicherung bevorzugt in einem elektronischen Speicher, insbesondere in einem elektronischen Datenspeicher, der für längere Zeit auch ohne externe Stromversorgung seine Daten sichert. Aus diesem können dann zu einem späteren Zeitpunkt Informationen zur Dichtigkeit einzelner untersuchter Zellen abgerufen werden und dementsprechend diese Zellen als ausreichend dicht oder als ungeeignet und damit als nicht ausreichend dicht eingestuft und entsprechend aussortiert werden. Dies führt zu einer sehr nützlichen und effizienten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überprüfung der Dichtigkeit.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so auszubilden, dass die Druckerhöhung zeitabhängig erfasst wird und bei Erfassung einer Druckerhöhungsgeschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal ausgegeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen abgespeichert und/oder abgegeben werden. Dabei kann die Druckerhöhungsgeschwindigkeit ergänzend oder auch alternativ zu der reinen Betrachtung der absoluten Druckerhöhung herangezogen werden, wobei sich das Maß der Druckerhöhungsgeschwindigkeit als aussagekräftigeres und damit als effizienteres Maß für die Beurteilung der ausreichenden Dichtigkeit für elektrochemische Zellen insbesondere mit gasförmigen Medien erweisen. Durch diese Weiterbildung lässt sich die Effizienz und Aussagekraft der Vorrichtung weiter verbessern. Durch die Verwendung der Druckerhöhungsgeschwindigkeit wird es auch möglich, die notwendige Zeit für das Messen der Veränderung des Drucks in der Kammer und damit für das Messen einer aussagekräftigen Druckerhöhung zu reduzieren, wodurch die Effizienz der Vorrichtung gesteigert werden kann.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass wenigstens eine insbesondere alle elektrochemischen Zellen eine Brennstoffzelle und/oder eine Batterie oder einen elektrochemischen Sensor darstellen, die mit gasförmigen Medien für die elektrochemische Reaktion beaufschlagt werden. Die Weiterbildung dieser Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung erweist sich gerade für diese besonders sensiblen Arten von elektrochemischen Zellen als besonders nützlich insbesondere dann, wenn in der Kammer eine oder mehrere Aufnahmen zur Einbringung dieser Art der elektrochemischen Zellen vorgesehen sind und diese Zellen mithilfe der Einheit zur Gasversorgung zielgerichtet mit der unter Überdruck stehenden Pressluft beaufschlagt werden. Für diese speziellen elektrochemischen Zellen, insbesondere die Brennstoffzellen und die elektrochemischen Gassensoren sowie die Batterien mit gasförmigen Medien ist die Bedeutung der Dichtigkeit der eingebrachten, gasförmigen Medien insbesondere im Hinblick auf Wasserstoff oder Edelgase von besonderer Bedeutung insbesondere für die langfristige Funktionsfähigkeit und deren Effizienz gegebenenfalls sogar entscheidend.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass die Kammer eine Schleuse zur Zuführung und/oder Entnahme von einer oder mehreren zu prüfenden Zellen aufweist. Durch das Vorsehen einer solchen zusätzlichen Schleuse zu der Kammer wird es möglich, die notwendige Zeit für das Wechseln von zu untersuchenden Zellen zu reduzieren und dadurch die Belastung der Vorrichtung insbesondere der Einheit zur Versorgung mit Pressluft oder auch der Sensoren beziehungsweise der Aufnahmen für elektrochemische Zellen zu verringern. Was die Anfälligkeit der Vorrichtung reduziert und die Effizienz der Vorrichtung erhöht.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass das Volumen des Innenraums der Kammer der Vorrichtung wenig größer insbesondere weniger als 20% größer als das Volumen der zu prüfenden elektrochemischen Zelle oder Zellen in der Kammer ist. Vorzugsweise sind bei einer weitergebildeten Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung die Volumina der zu prüfenden elektrochemischen Zelle oder Zellen und des Innenraums der Kammer der Vorrichtung so in ihrer Gestalt aufeinander angepasst, dass sie einander entsprechen und das Volumen des Innenraums der Kammer das Volumen der zu prüfenden elektrochemischen Zelle oder Zellen allseitig umschließt und dabei wenig übersteht. Mithin ist das Gasvolumen zwischen dem Gehäuse der Kammer und der darin angeordneten, zu prüfenden elektrochemische Zelle beziehungsweise Zellen gering, was dazu führt, dass bereits geringe Zunahmen des Volumens durch Undichtigkeiten in der oder den zu prüfenden elektrochemischen Zellen zu einer deutlichen Druckerhöhung in dem mit einem Unterdruck beaufschlagten Innenraum führt und diese damit sehr effizient als Undichtigkeit erkannt wird. Damit wird die Effizienz der weitergebildeten Vorrichtung noch weiter gesteigert.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Zellen ist so ausgebildet, dass der Unterdruck in der Kammer beziehungsweise der Überdruck in der elektrochemischen Zelle so gewählt ist, dass die Druckdifferenz zwischen Unterdruck und Überdruck periodisch variiert und der Sensor zur Erfassung einer Druckänderung geeignet ist, eine Periodizität in der Druckerhöhung in der Kammer zu erfassen. Diese Erfassung und damit Analyse kann beispielsweise mithilfe einer Fourieranalyse erfolgen, zumal die Periodizität der Druckdifferenz bekannt ist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Druckdifferenz dadurch zu variieren, in dem ausschließlich der Überdruck in der elektrochemischen Zelle variiert wird. Dies führt zu einer noch besseren Detektion einer Periodizitätsperiodizität in dem Sensorsignal, was zum einen störende Einflüsse von unerwünschten Untergrundsignalen in dem Sensorsignal oder in dem Unterdruck beziehungsweise in der Druckdifferenz identifizierbar macht und dadurch ausschließt und dadurch zum andern eine sehr verlässliche Aussage zur Vorhandensein von Undichtigkeiten beziehungsweise auch zur Größenordnung der Undichtigkeiten ermöglicht. Dabei hat es sich besonders vorteilhaft erwiesen, die Variation der Druckdifferenz sinusförmig oder sägezahnförmig und damit periodisch zu wählen. Diese lassen sich sehr gut identifizieren und ihre Auswirkungen auf Veränderungen des Sensorsignals entsprechend sicher und verlässlich erfassen, wodurch die Aussagen zur Dichtigkeit der elektrochemischen Zellen besonders aussagekräftig sind.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung so weiterzubilden, dass die Amplitude der Veränderung der Druckdifferenz zwischen Unterdruck und Überdruck so zu wählen, dass sie in einem Bereich einer oder zwei Größenordnungen der Druckdifferenz insbesondere bei einem Faktor von etwa 5 der Druckdifferenz liegt. Besonders vorteilhaft hat sich eine beispielhafte Ausbildung der Erfindung bewährt, bei der der Überdruck in einem Bereich zwischen etwa 2 bar und etwa 10 bar periodisch variiert wird. Durch diese Variation der Druckdifferenz, insbesondere durch die ausschließliche Variation des Überdrucks in der elektrochemischen Zelle, wird einerseits eine ausreichend deutliche Veränderung des Sensorsignals und damit eine Erfassung einer Periodizität im Sensorsignal bei dem Vorliegen einer unerwünschten Undichtigkeit ermöglicht und andererseits wird dies ohne allzu komplexe Veränderung der Vorrichtung und damit mit einem einfachen Aufbau der Vorrichtung ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.

1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine beispielhafte, erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung und
2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine andere beispielhafte Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung.

In 1 ist schematisch eine beispielhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 von elektrochemischen Zellen 2 dargestellt. Diese Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung ist insbesondere für die Überprüfung der H₂-Dichtigkeit der zu prüfenden elektrochemischen Zellen 2 geeignet. Sie ist mit einer Kammer 3 zur Aufnahme und Überprüfung wenigstens einer elektrochemischen Zelle 2 versehen. Die Kammer 3 ist dabei so ausgebildet, dass sie für die Überprüfung mit einem Unterdruck beaufschlagt wird. Mithilfe einer Einheit zur Gasversorgung 6 wird eine in die Kammer 3 eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zelle 2 mit Pressluft beaufschlagt und dadurch die Möglichkeit geschaffen, dass der Innenraum 5 der elektrochemischen Zelle 2 unter Überdruck gesetzt wird und dadurch die Möglichkeit der Identifikation eines Druckverlustes aufgrund einer Undichtigkeit für das eingebrachte Gas besonders vorteilhaft unterstützt wird. Dies wird gerade dadurch besonders vorteilhaft möglich, da die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Zelle 2 mit dem Überdruck zu der Kammer 3 mit dem Unterdruck besonders groß ist und dadurch eine besondere Motivation zum Gastransfer zwischen dem Innenraum der Zelle 2 und der unter Unterdruck stehenden Kammer 3 geschaffen ist, was eine Dichtigkeitsprüfung besonders vorteilhaft und aussagekräftig ermöglicht. Die Dichtigkeitsprüfung wird insbesondere mithilfe des vorgesehenen Drucksensors 7 ermöglicht, der geeignet ist, eine Druckerhöhung in der Kammer 3 zu erfassen und dadurch eine aussagekräftige Information zur mangelnden Dichtigkeit der Zelle 2 zu gewinnen und dem Benutzer über die Informationseinheit 9 neben Informationen zur Druckänderung auch ein Alarmsignal auszugeben und damit dem Benutzer zur Verfügung zu stellen.
Dies wird unter anderem dadurch unterstützt, dass die Kammer 3 mit einem gasdichten Gehäuse 4 versehen ist und damit so gasdicht ausgebildet ist, dass eine Erhöhung des Gasdruckes in der Kammer 3 durch eine oder mehrere über die in die Kammer 3 eingebrachte elektrochemische, zu untersuchende Zellen 2 bedingt und darauf zurückzuführen ist.
Die zu untersuchende Zelle 2 im Innenraum 5 der Kammer 3 ist so positioniert, dass mithilfe einer durchgängigen, ringförmigen Ohrringdichtung 10 eine dichte Anbindung der Zelle 2 gegenüber dem Gehäuse 4 der Kammer 3 erreicht ist. Damit ist die Gefahr einer Leckage der Zuleitung 13 für die Pressluft zu der Zelle 2 und damit einer Kontaminierung des Innenraums 5 der Kammer 3 reduziert, wodurch das Risiko einer Fehlfunktion der Vorrichtung 1 durch eine Undichtigkeit der Zuleitung 13 und damit einer Druckerhöhung im Innern der Kammer 3 deutlich verringert ist.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von einfacher Pressluft, die eines oder mehrere der gängigen Gase der Luft, insbesondere Stickstoff, Sauerstoff, trockene Luft enthalten kann, als Prüfgas gelingt es, eine sehr aussagekräftige und dabei kostengünstige und entsprechend effiziente Vorrichtung 1 zur Beurteilung einer Dichtigkeit für elektrochemische Zellen zu schaffen.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 so auszubilden, dass der erzeugte Überdruck der Pressluft in der elektrochemischen Zelle 2 über 2 bar liegt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Einheit zur Gasversorgung 6 so ausgebildet ist, dass die Pressluft mit einem höheren Druck als der Zieldruck im Innenraum der zu untersuchenden elektrochemischen Zelle 2 über Verbindungsleitungen 13 zu der zu untersuchenden Zelle 2 in der Kammer 3 gasdicht geleitet wird und so lang der Innenraum der Zelle 2 mit der Pressluft beaufschlagt wird, bis der gewünschte Überdruck erreicht ist. Durch diesen signifikanten Überdruck im Innenraum der Zelle 2 wird ein Druckunterschied zwischen Kammer 3 und Innenraum der Zelle 2 von mehreren insbesondere von 6 oder 7 Größenordnungen an mbar bzw. hPa erzeugt und dadurch besonders aussagekräftige Vorrichtungen 1 zur Beurteilung der Dichtigkeit geschaffen.
Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 so auszubilden, dass der Unterdruck in der Kammer 3 unter 10^-3 hPa liegt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Kammer 3 mit einer Vakuumpumpe versehen ist, die geeignet ist, den gewünschten Unterdruck in der Kammer zu erzeugen und bei Bedarf auch wieder zielgerichtet herzustellen. Ist der gewünschte Unterdruck in der Kammer 3 erreicht, so wird die Vakuumpumpe deaktiviert beziehungsweise die Vakuumpumpe von der Kammer 3 so gasdicht getrennt, dass die Kammer 3 den gewünschten Unterdruck stabil hält und auch geringe Erhöhungen des Drucks in der Kammer 3 mithilfe des Sensors 7 zur Erfassung einer Druckerhöhung in der Kammer 3 erfasst werden können. Durch diesen ausgeprägten und gewählten starken Unterdruck in der Kammer 3 wird durch den signifikanten Überdruck im Innenraum der Zelle 2 insbesondere ein Druckunterschied zwischen Kammer 3 und Innenraum der zu untersuchenden elektrochemischen Zelle 2 von mehreren insbesondere von 6 oder 7 Größenordnungen an mbar bzw. hPa erzeugt und dadurch besonders aussagekräftige Vorrichtungen 1 zur Beurteilung der Dichtigkeit geschaffen.
Dabei hat es sich bewährt, dass der Sensor 7 zur Erfassung einer Druckerhöhung außerhalb der Kammer 3 angeordnet ist und über eine Gasleitung mit dem unter Unterdruck stehenden Innenraum 5 der Kammer 3 verbunden ist. Durch diese Weiterbildung wird es möglich, den Sensor 7 auch während des Betriebs ohne große Schwierigkeiten auszulesen beziehungsweise bei Bedarf zu warten oder gar auszutauschen, ohne dass der Unterdruck in der Kammer 3 mit den zu untersuchenden elektrochemischen Zellen 2 aufgehoben werden muss. Dies führt zu einer Verbesserung der Handhabung der weitergebildeten Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1von elektrochemischen Zellen 2 insbesondere hinsichtlich der Dichtigkeit gegenüber Edelgasen oder ähnlichen.
Nach einer bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung 1 zur Dichtigkeitsprüfung wird dem Sensor 7 zur Erfassung einer Druckerhöhung eine Alarmeinheit 9 zugeordnet, die geeignet ist, bei Erfassung einer Druckerhöhung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal auszugeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen 2 abzuspeichern und/oder abzugeben. Dabei ist das Alarmsignal bevorzugt als optisches Alarmsignal und als akustisches Alarmsignal ausgebildet. Hierdurch gelingt es sicherzustellen, dass sobald eine unerwünschte Druckerhöhung detektiert wird, dies als Identifikation einer undichten, zu untersuchenden Zelle 2 interpretiert wird und dies zu einer klaren Zuordnung zu einer Zelle 2 in der Kammer 3 führt. Auch hat es sich bewährt, zu dem Alarmsignal die Informationen zur Druckerhöhung beziehungsweise zu der oder den aktuell überprüften Zellen 2 abzuspeichern und damit zu dokumentieren und bei Bedarf einer späteren Überprüfung zuzuführen. Dies ist insbesondere bei einer vollautomatischen insbesondere sequenziellen Überprüfung mehrerer Zellen 2 insbesondere von mehreren Zellen 2 in einer Kammer 3 von Vorteil.
Dabei ist die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 so ausgebildet, dass die Druckerhöhung zeitabhängig erfasst wird und bei Erfassung einer Druckerhöhungsgeschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal ausgegeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen 2 abgespeichert und/oder abgegeben werden. Dabei kann die Druckerhöhungsgeschwindigkeit ergänzend oder auch alternativ zu der reinen Betrachtung der absoluten Druckerhöhung herangezogen werden. Dabei hat sich das Maß der Druckerhöhungsgeschwindigkeit als aussagekräftigeres und damit als effizienteres Maß für die Beurteilung der ausreichenden Dichtigkeit für elektrochemische Zellen 2 insbesondere mit gasförmigen Medien erweisen. Durch diese Weiterbildung lässt sich die Effizienz und Aussagekraft der Vorrichtung 1 weiter verbessern. Auch kann durch die Verwendung der Druckerhöhungsgeschwindigkeit die notwendige Zeit für das Messen der Veränderung des Drucks in der Kammer 3 und damit für das Messen einer aussagekräftigen Druckerhöhung reduziert werden, wodurch die Effizienz der Vorrichtung 1 gesteigert werden kann.
Die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 ist für eine Dichtigkeitsprüfung für unterschiedliche elektrochemische Zellen 2 insbesondere für Brennstoffzellen und/oder Batterien oder elektrochemische Sensoren geeignet, wobei diese vor allem mit gasförmigen Medien für die elektrochemische Reaktion beaufschlagt werden.
Die Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 wird dabei über eine Steuereinheit 8 gesteuert. Die Steuereinheit 8 ist dabei über Steuerleitungen 11 mit steuerbaren Ventilen 12 in den Zuleitungen 13 zur Zuführung der Pressluft zu der zu überprüfenden Zelle 2 in der Kammer 3 sowie mit dem Sensor 7, der Alarmeinheit und Anzeigeeinheit 9 sowie der Einheit 6 zur Gasversorgung verbunden. Über diese Steuerleitungen 11 werden Steuersignale, aber auch Informationen oder Daten, die für die Steuerung durch die Steuereinheit 8 notwendig oder hilfreich sind, übertragen.
In 2 ist schematisch eine beispielhafte, andere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 dargestellt. Im Folgenden werden bezüglich der 2 nur die wesentlichen und funktionellen Unterschiede zur 1 erläutert. Im Übrigen entspricht der Aufbau der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 gemäß 2 dem Aufbau der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 gemäß 1.
Die beispielhaft dargestellte Vorrichtung 1 zeigt mehrere elektrochemische Zellen 2, die auf ihre Dichtigkeit hin überprüft werden sollen.
Die drei elektrochemischen Zellen 2 sind jeweils über eine Zuleitung 13 mit integriertem, steuerbaren Ventil 12 mit einer gemeinsamen Zuleitung 13 zu der Einheit 6 zur Gasversorgung mit Pressluft verbunden. Über diese gemeinsame Zuleitung 13 ist sichergestellt, dass die Versorgung mit Pressluft sehr effizient und wirkungsvoll für mehrere zu untersuchende Zellen 2 insbesondere zugleich ermöglicht ist. Dadurch lässt sich die Zeit zur Überprüfung der mehreren Zellen 2 deutlich reduzieren und dadurch die Effizienz der Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung 1 steigern.
Die steuerbaren Ventile 12 sind über eine gemeinsame Steuerleitung 11 mit der Steuereinheit 8 so verbunden, dass diese zeitgleich geöffnet oder geschlossen aber auch sequenziell also einzeln und hintereinander geöffnet beziehungsweise geschlossen werden können. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, dass stets eine zu untersuchende Zelle 2 selektiv mit Pressluft beaufschlagt wird und deren Dichtigkeit überprüft wird und im Folgenden die nächste, bis alle drei zu überprüfenden Zellen 2 Schritt für Schritt aufeinanderfolgend überprüft sind. Dabei werden die Ventile 12 selektiv so angesteuert, dass immer nur ein steuerbares Ventil 12 geöffnet und damit stets nur eine zu untersuchende Zelle 2 mit Pressluft beaufschlagt wird beziehungsweise ist. Nachdem eine zu untersuchende Zelle 2 abschließend überprüft ist, kann der Überdruck also die Pressluft in der zu untersuchenden Zelle 2 über ein nicht dargestelltes Ventil zur Umgebung abgelassen werden, sodass eine Beeinflussung des Unterdrucks in dem Innenraum 5 der Kammer 3 durch diese bereits überprüfte, zu untersuchende Zelle 2 nicht mehr möglich ist. Dadurch kann die Qualität der Überprüfung weiter gesteigert werden.
Die in 1 und 2 dargestellten Verrichtungen zur Dichtigkeitsprüfung 1 von elektrochemischen Zellen 2 erweisen sich als sehr aussagekräftig und in der Durchführung und Handhabung der Vorrichtung 1 als sehr effizient.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung
2: Elektrochemische Zelle
3: Kammer
4: Gehäuse der Kammer
5: Innenraum der elektrochemischen Zelle
6: Einheit zur Gasversorgung
7: Sensor
8: Steuereinheit
9: Alarmeinheit und Anzeigeeinheit
10: Dichtung
11: Steuerleitung
12: Steuerbares Ventil
13: Zuleitung für Pressluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9857264 B2 [0002]
US 20110174060 A1 [0003]
KR 101198857 B1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2), insbesondere hinsichtlich der H₂-Dichtigkeit, mit einer Kammer (3) zur Aufnahme und Überprüfung wenigstens einer elektrochemischen Zelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (3) mit einem Unterdruck beaufschlagt ist, dass eine Einheit zur Gasversorgung (6) vorgesehen ist, die eine in die Kammer (3) eingebrachte zu prüfende elektrochemische Zelle (2) mit Pressluft beaufschlagt und damit den Innenraum (5) der elektrochemischen Zelle (2) unter Überdruck setzt und dass ein Sensor (7) vorgesehen ist, der geeignet ist, eine Druckerhöhung in der Kammer (3) zu erfassen.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach Anspruch 1, wobei der erzeugte Überdruck P_Ü der Pressluft in der elektrochemischen Zelle (2) über 2 bar liegt.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Unterdruck P_U in der Kammer (3) unter 10^-3 hPa liegt.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kammer (3) zur gleichzeitigen Aufnahme und zur Überprüfung von mehreren elektrochemischen Zellen (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach Anspruch 4, wobei die Einheit zur Gasversorgung (6) dafür vorgesehen ist, in die Kammer (3) eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zellen (2) gemeinsam mit Pressluft zu beaufschlagen und damit den Innenraum der elektrochemischen Zellen (2) unter einen gemeinsamen Überdruck zu setzen.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Einheit zur Gasversorgung (6) dafür vorgesehen ist, in die Kammer (3) eingebrachte, zu prüfende elektrochemische Zellen (2) sequenziell unter einen Überdruck zu setzen und damit eine sequenzielle Überprüfung zu ermöglichen.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensor (7) zur Erfassung einer Druckerhöhung in der Kammer (3) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensor (7) zur Erfassung einer Druckerhöhung außerhalb der Kammer (3) angeordnet ist und über eine Gasleitung (13) mit dem unter Unterdruck stehenden Innenraum (5) der Kammer (3) verbunden ist.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei dem Sensor (7) zur Erfassung einer Druckerhöhung eine Alarmeinheit (9) zugeordnet ist, die geeignet ist, bei Erfassung einer Druckerhöhung oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal auszugeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen (2) abzuspeichern und/oder abzugeben.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach Anspruch 9, wobei die erfasste Druckerhöhung zeitabhängig erfasst wird und bei Erfassung einer Druckerhöhungsgeschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal ausgegeben und/oder Informationen zur Druckerhöhung und/oder zu einer oder mehreren überprüften Zellen (2) abgespeichert und/oder abgegeben wird.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei wenigstens eine elektrochemische Zelle (2) eine Brennstoffzelle oder eine Batterie oder einen elektrochemischen Sensor darstellt, die mit gasförmigen Medien für die elektrochemische Reaktion beaufschlagt werden.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kammer (3) eine Schleuse zur Zuführung und/oder Entnahme von einer oder mehreren zu prüfenden Zellen (2) aufweist.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Volumen des Innenraums (5) der Kammer (3) der Vorrichtung (1) wenig größer insbesondere weniger als 20% größer als das Volumen der zu prüfenden elektrochemischen Zelle oder Zellen (2) in der Kammer (3) ist und insbesondere die Volumina in ihrer Gestalt aufeinander angepasst sind.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Unterdruck in der Kammer (3) und der Überdruck in der elektrochemischen Zelle (2) so gewählt ist, dass die Druckdifferenz zwischen Unterdruck und Überdruck periodisch variiert und der Sensor (7) geeignet ist, eine Periodizität in der Druckerhöhung in der Kammer (3) zu erfassen, wobei die Druckdifferenz insbesondere sinusförmig oder sägezahnförmig periodisch variiert.
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung (1) von elektrochemischen Zellen (2) nach Anspruch 14, wobei die Amplitude der Veränderung der Druckdifferenz zwischen Unterdruck und Überdruck in einem Bereich von einer oder zwei Größenordnungen der Druckdifferenz insbesondere bei einem Faktor von etwa 5 liegt.