EP4669930A1 - Messvorrichtung, messtisch mit einer messvorrichtung sowie verfahren zur dickenmessung eines flächigen bauteils, insbesondere einer gasdiffusionsschicht - Google Patents

Messvorrichtung, messtisch mit einer messvorrichtung sowie verfahren zur dickenmessung eines flächigen bauteils, insbesondere einer gasdiffusionsschicht

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Publication number
EP4669930A1
EP4669930A1 EP24718123.3A EP24718123A EP4669930A1 EP 4669930 A1 EP4669930 A1 EP 4669930A1 EP 24718123 A EP24718123 A EP 24718123A EP 4669930 A1 EP4669930 A1 EP 4669930A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure plate
measuring
measuring device
weight
gas diffusion
Prior art date
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Pending
Application number
EP24718123.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philip Terhorst
Tim Schreiber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4669930A1 publication Critical patent/EP4669930A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/08—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00—Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/002—Details
    • G01B3/008—Arrangements for controlling the measuring force

Definitions

  • Measuring device measuring table with a measuring device and method for measuring the thickness of a flat component, in particular a gas diffusion layer
  • the invention relates to a measuring device for measuring the thickness of a gas diffusion layer of an electrochemical cell, in particular a PEM electrolysis cell.
  • the invention further relates to a measuring table comprising a measuring device and a method for measuring the thickness of a gas diffusion layer.
  • Electrochemical cells are generally known and are divided into galvanic cells and electrolysis cells.
  • An electrolysis cell is a device in which an electric current forces a chemical reaction, whereby at least part of the electrical energy is converted into chemical energy.
  • a galvanic cell is a device - complementary to the electrolysis cell - for the spontaneous conversion of chemical energy into electrical energy.
  • a well-known device of such a galvanic cell is, for example, a fuel cell.
  • the core of a technical electrolysis system is the electrolysis cell, comprising two electrodes and an electrolyte.
  • the electrolyte consists of a proton-conducting membrane, on which the electrodes are located on both sides.
  • the unit consisting of the membrane and electrodes is called an MEA (membrane-electrode assembly).
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the electrodes In the assembled state of an electrolysis stack made up of several electrolysis cells, they are contacted via a gas diffusion layer of so-called bipolar plates, whereby the bipolar plates separate the individual electrolysis cells of the stack from each other.
  • the Cd side of the electrolysis cell corresponds to the positive pole and the H2 side to the negative pole, separated by the membrane electrode unit in between.
  • the PEM electrolysis cell is fed with fully demineralized water on the Cd side, which is broken down into oxygen gas and protons (H + ) at the anode.
  • the protons migrate through the electrolyte membrane and recombine at the cathode (H2- side) to form hydrogen gas.
  • the gas diffusion layer on the electrodes ensures not only electrode contact, but also optimal water distribution (and thus wetting of the membrane) and the removal of product gases.
  • An electrically conductive, porous element with good, permanent contact with the electrode is therefore required as the gas diffusion layer.
  • any construction tolerances that may arise in the electrolyzer must be compensated for in order to enable uniform contact with the MEA in every tolerance case.
  • sintered metal disks have been used as a gas diffusion layer in known electrolysis cells. Although these meet the requirements for electrical conductivity and porosity, additional tolerance compensation of the electrolysis cell components on both sides of the gas diffusion layer is not possible. In addition, the production costs for such disks are comparatively high and there is a size restriction due to the pressure required to manufacture such disks. In addition, large components cause distortion problems that are difficult to control.
  • gas diffusion electrodes with spring elements to establish an electrical contact in alkaline electrolysers are described, for example, in WO 2007/080193 A2 and EP 2436804 A1.
  • EP 1378589 Bl discloses a spring plate in which the individual spring elements are bent alternately upwards and downwards.
  • the spring plate is only installed on the cathode side in an ion exchange electrolyzer, so that the spring plate directly contacts the cathodes.
  • US 2003/188966 A1 describes another spring component for an electrolysis cell, which is arranged between a partition wall and a cathode.
  • the spring component comprises a plurality of leaf spring elements which rest against the cathode for uniform adjustment.
  • Other differently constructed gas diffusion electrodes are described in WO 2002035620 A2, DE 10027339 A1 and DE 102004023161 A1.
  • EP 2 957 659 B1 discloses a gas diffusion layer for attachment between a bipolar plate and an electrode of an electrochemical cell.
  • the gas diffusion layer comprises at least two layers stacked on top of one another, one of the layers being designed as a spring component with a progressive spring characteristic.
  • a progressive spring behavior ensures that the contact pressure is sufficient in all tolerance positions of the adjacent components.
  • the implementation of a progressive spring behavior in a gas diffusion layer takes place through the geometric design of the spring component. This makes it possible to compensate for component tolerances that arise in an electrochemical cell, in particular in an electrolysis cell or galvanic cell, in particular in the area of the bipolar plates, at least within certain limits.
  • WO° 2021 / 018459 °A1 describes an electrolysis cell with a cell frame and a method for producing an electrolysis cell.
  • the cell frame has a step-like inner profile.
  • the inner profile comprises at least one support surface for receiving a planar component in the Cell frame.
  • the support surface has a recess for a seal. Due to the stepped inner profile, the first gas diffusion layer protrudes beyond the boundaries of the second gas diffusion layer.
  • the gap dimensions between the cell frame and the membranes or gas diffusion layers can therefore advantageously be larger. This facilitates and shortens the assembly process.
  • the outer contours of the membranes and/or gas diffusion layers can advantageously be freely selected.
  • a typical structure of a PEM electrolysis cell comprises a first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer.
  • the proton exchange membrane is arranged between the gas diffusion layers. All layers are arranged in a cell frame.
  • the arrangement of the gas diffusion layers in the cell frame must be carried out with a high degree of precision in order to produce a reliably functioning electrolysis cell and subsequently a large number of electrolysis cells stacked to form a stack. This makes the manufacture of the components and the assembly in general very complex.
  • the manufacturing-related deviations due to variations in the thickness dimensions of the gas diffusion layers of electrolysis cells can add up to a thickness tolerance that is still permissible in the individual case and can lead to inadmissible mechanical stresses when bracing a stack with a large number of electrolysis cells.
  • the invention is based on the object of specifying a measuring device that is improved in terms of measurement accuracy and reproducibility. Furthermore, the object of the invention is to specify a method for measuring the thicknesses of stacked gas diffusion layers that is characterized by high precision and reproducibility.
  • a measuring device for measuring the thickness of a gas diffusion layer for an electrochemical cell comprising a lower pressure plate and an upper pressure plate as well as a test weight guided via a vertical guide in such a way that during a measuring process a predeterminable test force can be applied to a flat component to be tested via the weight of the test weight, so that a defined surface pressure is brought about, and further comprising a distance sensor by means of which the distance of the flat component between the upper pressure plate and the lower pressure plate under the predefined test force can be determined as a thickness measurement value.
  • the invention is based on the knowledge that gas diffusion layers of electrolysis cells have particularly high requirements for the respective height or thickness profile. Dimensional accuracy and dimensional stability are becoming increasingly important, particularly for large-format, flat gas diffusion layers, as are currently being developed and designed for use in high-performance electrolyzers. When installed, gas diffusion layers are pressed and must fill a predetermined installation space in the electrolysis cell with precision under pressure. The gas diffusion layers generally have spring-like force/displacement characteristics within certain limits. Since in the application a large number of electrolysis cells are connected one after the other and stacked to form a stack, the thickness tolerances add up cumulatively.
  • the invention has recognized that conventional measuring devices and available universal testing machines are not sufficient here to be able to measure the thicknesses of the extended and flat gas diffusion layers as accurately as possible with a required measurement uncertainty ⁇ 0.01 mm.
  • a measuring device and a measuring method in order to enable application and as simple as possible integration into an industrial production process for electrolysis cells while still maintaining a reasonable level of effort for the required quality assurance.
  • the measuring device of the invention whereby high accuracy requirements of the measuring device for quality assurance can be achieved on an industrial scale.
  • the thickness of a spring-elastic gas diffusion layer made of expanded metal - as a flat component - can be determined under a well-defined test force.
  • the measuring device designed in this way can advantageously be operated on an industrial scale in a production hall in 3-shift operation.
  • the measuring device is set up in such a way that during a measuring process the test force is introduced into the flat component solely via the predetermined weight of the test weight.
  • the vertical guide enables the test weight to be set down and raised in a guided vertical manner and, during a measuring process, the upper pressure plate can be placed flat and the pressing force can be transmitted to the flat component to be measured.
  • the measuring device is particularly advantageously applicable to the thickness determination of plug-in metal-based gas diffusion layers or gas diffusion layers as flat components to be measured and is particularly advantageously designed for this purpose.
  • large flat components with preferably a rectangular base area in different sizes can be measured precisely and reproducibly with high cycle times.
  • the flat components - such as gas diffusion layers - can thus be subjected to a form cut in the industrial production process and measured with the measuring device at identical points both before and after the cut and subjected to quality assurance.
  • the measuring device is preferably advantageously applicable for the thickness measurement of flat components with, for example, a length of 600-1500 mm, a width of 350-450 mm and a height of 0-7 mm.
  • the height of the flat component corresponds to the determining thickness measurement value that can be determined with a high degree of accuracy.
  • the measuring device comprises a lifting mechanism by means of which the test weight can be lowered and thereby the predetermined test force can be applied to the flat component via the weight force.
  • the specified test force can be introduced into the flat component in a particularly simple manner using only the weight of the test weight, locally via the contact surface of the upper pressure plate. This means that the rigidity of the measuring device and of a higher-level machine structure integrating the measuring device has no influence on the measurement accuracy.
  • a test weight is a force source with only a very limited dispersion and practically no variation over time. The lifting device allows the test weight to be lowered for the measurement process and the specified surface pressure is achieved.
  • the lifting mechanism is designed in such a way that a decoupling from the test weight is achieved during a measuring process, so that no additional force is applied to the flat component beyond the test force imparted by the test weight.
  • the test force is introduced into an inserted flat component by lowering the test weight only locally in the area of the defined contact surfaces of the upper pressure plate and the lower pressure plate.
  • the distance between the upper pressure plate and the lower pressure plate can then be measured with the distance sensor under well-defined test conditions.
  • a surface pressure of typically 0.6 N/mm 2 at a test force of about 1180 N is advantageous.
  • the thickness or height of the flat components is defined as the distance between the upper and lower pressure plates when they lie flat on the component and are subjected to the test force.
  • the test weight can be advantageously raised using the lifting mechanism so that, for example, a clear gap of around 40 mm is created between the flat component and the upper pressure plate.
  • the weight is raised and lowered gently so as not to damage the flat component to be tested.
  • the lifting mechanism in the measuring device is designed and guided in such a way that the acceleration and speed of the test weight is limited.
  • the limit is adjustable, for example by setting a limit valve that must be provided, e.g. in the case of a pneumatic or hydraulic damping and limiting device for raising and lowering.
  • the lifting mechanism is designed in such a way that during the actual measurement phase, only the weight transmitted via the test weight is applied to the flat component.
  • the lifting mechanism itself is completely decoupled during this phase and does not introduce any additional weight, so that the measurement result is not distorted.
  • a lifting mechanism based on a cable guide with corresponding rollers and drive units for raising and lowering the test weight is conceivable.
  • the weight force of the test weight is adjustable in the measuring device so that a calibration of the test force can be achieved.
  • the material and volume of the test weight are selected so that the resulting weight of the structure resting on the flat component, including pressure plates, etc., corresponds to the required test force.
  • the specified test force can be determined using a scale, for example. determined and adjusted.
  • the test weight can be composed of a large number of weight units.
  • the measuring device therefore implements a possibility of varying the test force in the range from 950 (surface pressure 0.5 N/mm 2 ) to 2000 N (surface pressure 1 N/mm 2 ), e.g. by providing appropriate space reserves for changing the test weight.
  • this provides the measuring device with flexibility in terms of a generous possibility of adjusting the test force by a preferred value of, for example, 1178 ⁇ 10 N.
  • the vertical guide is fixed against rotation about the vertical axis, so that a positionally accurate and reproducible lowering of the test weight is ensured.
  • the test weight can be precisely guided linearly up and down via the vertical guide and is fixed in rotation about the axis of movement, so that a linear guide is mechanically implemented under a constraint in the measuring device.
  • the vertical guide is therefore advantageously designed as a vertically aligned longitudinal guide that is designed to have as little friction as possible in order to be able to transfer the weight of the test weight to the flat component to be tested as unchanged as possible.
  • brass bushings can be used in which a rod or vertically aligned metal shaft is guided.
  • the measuring device is provided with a calibration device with which a The current reference value can be determined as the zero point of the distance measurement and with which the distance between the upper pressure plate and the lower pressure plate can be calibrated.
  • an automated length measuring device which includes the distance sensor with the calibration function.
  • the advantageous basic functions of the length measuring device arise from the fact that the position of the test weight can be determined relative to a stationary, i.e. fixed point, for example on the housing of the measuring device.
  • the measuring device In order to obtain an exact distance measurement between the upper pressure plate and the lower pressure plate in each measurement, the measuring device must first be referenced, i.e. "zeroed", without a component to be tested inserted. Preferably, this reference is checked regularly during operation of the measuring device - ideally always between two components. In a zero measurement, the pressure plates are moved flat against each other without a component and the measured value output is determined as the "zero value" of the tool distance. If the amount of the measured value is greater than a permissible maximum value, for example > 3 pm, the reference is automatically reset and the measuring device is calibrated accordingly. This procedure allows temporal drifts, e.g. due to temperature changes, to be detected and compensated in-situ during operation of the measuring device. This zero point calibration can be automated by a sensor integrated in the measuring device. advantageously integrated control and regulating device is implemented. The control and regulating device can also implement further functions for automating the measuring process.
  • a dead weight is provided which is arranged radially outside the vertically guided upper pressure plate, so that when the upper pressure plate is lowered, a flat component to be tested can be pressed flat onto the base under the weight of the dead weight.
  • the dead weight is an additional weight and ensures that the flat component rests flat on the flat base. By arranging the dead weight radially outside the pressure plates, the dead weight is completely decoupled from the measuring process and does not take part in the measurement or influence the surface pressure under the specified test weight.
  • the dead weight is advantageously used solely for positioning and flatly resting the flat component on the flat measuring base, particularly at its edges.
  • a circular dead weight or a circular ring is integrated into the measuring device radially around the upper pressure plate.
  • the flat component in particular a gas diffusion layer made of expanded metal, can be pressed flat onto the base and positioned independently of the test force.
  • the weight of the additional weight is not included in the test force, which is achieved by the additional weight being placed outside the plane-parallel measuring surfaces of the upper and lower pressure plates at a predetermined distance.
  • the distance between the dead weight and the measuring surfaces is preferably at least 15 mm.
  • the dead weight is fixed against rotation about the vertical axis, whereby the dead weight can be locked and removed if required.
  • the dead weight is protected against rotation around the vertical axis and can be locked and removed at a vertically upper point on the measuring device.
  • the lock at the upper point is required in order to be able to adjust the ball head, clean the pressure plates and carry out measurements even without a dead weight.
  • the counter surface of the additional weight or dead weight on the base of the flat component is preferably also designed as a circular ring (circular ring) with the same dimensions as the dead weight itself.
  • the support surface of the component including the lower pressure plate is preferably slightly raised from the base, e.g. a table surface made of granite slab. To make it easier to insert the flat components to be measured into a measuring position, the support surfaces are designed with slopes or bevels with an angle of, for example, 20°.
  • the following parameters have proven to be advantageous for the dead weight:
  • the inner diameter of the additional weight ring is 110 mm
  • the outer diameter of the additional weight ring is 140 mm
  • the dead weight has a mass of 15 kg.
  • the contact surfaces of the additional weight with the flat component to be measured are preferably made of hardened and corrosion-resistant stainless steel, e.g. 1. 4923 or 1. 4021 steels can be used.
  • the pressure plates are each designed as circular, flat plates made of hardened stainless steel, which are aligned congruently and plane-parallel to one another.
  • the upper pressure plate is connected to a shaft of the test weight via a ball head joint so that a plane-parallel alignment of the pressure surfaces of the upper pressure plate and the lower pressure plate can be adjusted.
  • both the movable upper pressure plate and the lower pressure plate which is firmly integrated into the base, are designed as circular plates made of corrosion-resistant hardened steel, e.g. 1. 4923 or 1. 4021 steel.
  • the diameters of the circles are advantageously machined to 50 +/- 0.05 mm, with the component contact surfaces ground (Rz ⁇ 4) in order to achieve the best possible plane parallelism of the contact surfaces.
  • Rz ⁇ 4 the component contact surfaces ground
  • the upper pressure plate is advantageously connected to the shaft of the test weight via a ball head.
  • the ball head is fixed and positioned under the measuring pressure during calibration.
  • the ball head is designed in such a way that rotational movement around the vertical axis is possible and the center of the ball is advantageously located on the contact surface of the upper pressure plate.
  • the dead weight is fixed in its upper position.
  • the measuring device has a plurality of plate pairs, each comprising an upper pressure plate and a lower pressure plate, wherein the plate pairs are arranged such that, during a measurement, the thickness of a flat component introduced for a measurement can be determined simultaneously at several measuring points.
  • the thickness of a flat component can be determined simultaneously at several measuring points.
  • This makes it possible to achieve particularly uniform surface pressure and thickness adjustment for extended flat components such as gas diffusion layers made of expanded metal sheets stacked on top of one another.
  • the thickness of the components can, for example, be measured at six points at the same time.
  • the measuring device is particularly advantageously designed and adjusted to provide a surface pressure of, for example, 0.6 N/mm 2 between circular pressure plates, each with a diameter of 50 mm and a test weight of 1178 N +/- 10 N as an exemplary embodiment.
  • the distances between the measuring points are preferably constant; the distances to the edge of the flat component can vary depending on the component.
  • adjustable stops for positioning the flat component can be provided in the measuring device.
  • the thickness or height of the components is defined as the distance between the upper and lower pressure plate when they lie flat against the flat component and are subjected to the specified test force.
  • the plate pairs of the upper pressure plate and the lower pressure plate are therefore preferably arranged regularly over the surface so that the respective local thickness measurements of a flat component introduced for a measurement can be determined.
  • a uniform grid-like arrangement and positioning of the plate pairs as a rectangular grid or as a square grid with regard to the flat component surface is particularly advantageous for local thickness measurements at a large number of measuring points. Since the flat components have a very reproducible compression behavior with a spring constant of up to 50 kN/mm, a regular positioning of the measuring points on the flat component is preferred. This is particularly the case with gas diffusion layers made of expanded metal, as are used for electrolysis cells.
  • a measuring table with a measuring device comprising a table top into which a lower pressure plate is integrated, wherein a support surface for receiving a flat component for thickness measurement is formed on the table top.
  • the measuring table with the table top is designed in such a way that during the measuring process the flat component only rests on the support surface of the dead weight and the lower pressure plate raised above the table surface.
  • the table top also serves to provide good guidance and reproducible positioning of the flat components, in particular when inserting and removing them during the measuring process.
  • the measuring table comprises a control device with an operating panel so that the measuring process can be controlled and monitored, wherein measurement data from the distance sensor can be read into a processor and processed.
  • a computer with an operating device comprising an operating panel is preferably provided.
  • the measurement results can also be visually displayed to an operator at the operating station, for example on a monitor or a display.
  • a measurement can be triggered by the operator using a foot switch, for example.
  • a service function with optional manual operation is advantageously implemented in the control device.
  • the lower end position of the test weights is approached in order, for example, to be able to adjust the ball head and at the same time to secure the test weights.
  • the measuring table comprises a transport device for loading and unloading a flat component.
  • the implementation of an automated feed of the flat components is particularly advantageous here.
  • the object is further achieved by a method for measuring the thickness of a gas diffusion layer of an electrochemical cell, in which a measuring device is provided, wherein a gas diffusion layer is inserted into the measuring device as a flat component, wherein during a measuring process a predetermined test force is applied to the gas diffusion layer via the weight of the test weight by lowering the test weight so that a defined surface pressure is caused, and wherein the distance between the upper pressure plate and the lower pressure plate is determined under the predetermined test force.
  • a current reference value is preferably determined as the respective zero point and thereby the distance between the upper pressure plate and the lower pressure plate is calibrated.
  • the repeatability and precision of the thickness measurement is crucial and is preferably set to values ⁇ 5 pm.
  • the measuring device can also be compared with existing measuring systems. To check the repeatability, a "zero measurement run" is carried out without a component in order to reference the measuring system.
  • a thickness measurement is preferably carried out simultaneously at several measuring points distributed over the surface of the gas diffusion layer during one measuring process.
  • the measuring points can be distributed evenly and in a grid pattern over the surface of the gas diffusion layer.
  • the only effective functional surfaces for the force input by the specified test weight are the plane-parallel and congruent surfaces of the upper and lower pressure plate at the respective measuring points.
  • FIG 1 shows the basic structure of an electrochemical cell, which is exemplified as a PEM electrolysis cell
  • FIG 2 shows a simplified representation of the basic measuring principle of the invention for determining the thickness of a flat component designed as a gas diffusion layer
  • FIG 3 Arrangement of several measuring points on a gas diffusion layer
  • FIG 4 is a view of a measuring device for a selected measuring point of a gas diffusion layer
  • FIG 5 is a view of a measuring device before measurement with an inserted gas diffusion layer
  • FIG 6 the measuring device according to FIG 5 during the measurement
  • FIG 7 is a sectional view of a lower punch with a lower pressure plate
  • FIG 8 is a plan view of the lower punch according to FIG 7 ;
  • FIG 9 is a schematic plan view of a measuring table with measuring device and inserted gas diffusion layer.
  • FIG 1 shows a schematic of the structure of an electrochemical cell 31, which is designed as a PEM electrolysis cell.
  • the electrochemical cell 31 is part of an electrolyzer (not shown in detail here) for splitting water using electrical current to produce hydrogen and oxygen.
  • the electrochemical cell 31 comprises an electrolyte made of a proton-conducting membrane 33 (proton exchange membrane, PEM), on which the electrodes 35a, 35b are located on both sides.
  • PEM proton-conducting membrane
  • the unit made up of the membrane and electrodes is referred to as a membrane-electrode unit (MEA).
  • MEA membrane-electrode unit
  • the electrode 35b is referred to as a cathode and the electrode 35a as an anode.
  • a gas diffusion layer 11 is applied to each of the electrodes 35a, 35b.
  • the gas diffusion layers 11 are contacted by so-called bipolar plates 37, which separate an electrolysis stack from several individual electrolysis cells 31 when assembled.
  • the electrochemical cell 31 is fed with water, which is broken down at the anode 35a into oxygen gas O2 and protons H + .
  • the protons H + migrate through the electrolyte membrane 33 in the direction of the cathode 35b . On the cathode side, they recombine to form hydrogen gas H2 .
  • the electrochemical cell 31 is designed as a galvanic cell or fuel cell designed to generate electricity.
  • the gas diffusion layers 11 of electrochemical cells 31 designed in this way are to be modified analogously to the electrolysis cell 31 shown in FIG. 1. Without restricting the generality, the following is therefore exemplary. reference is made to an electrochemical cell 31 designed as an electrolysis cell.
  • the gas diffusion layer 11 - also referred to as the gas diffusion layer - is a flat component 10 and a functional layer that is important for the electrolysis cell 31 and has various tasks in the operation of an electrolysis cell 31.
  • the gas diffusion layer 11 ensures optimal distribution of the water and the removal of the product gases.
  • the gas diffusion layers 11 serve to supply reactants to the respective electrodes. It is essential that the gas diffusion layer 11 is sufficiently permeable to the gaseous products or reactants in any case so that their removal is possible.
  • the gas diffusion layer 8 also serves as a current distributor, particularly in an electrolysis cell. For these reasons, the gas diffusion layer 8 is made of an electrically conductive, porous material.
  • the gas diffusion layer 11 therefore contains layers stacked on top of one another, with an outer layer being designed as a spring component that has a progressive spring characteristic.
  • the gas diffusion layer 11 comprises in particular a contacting component, a diffusion component and the spring component, which differ specifically from one another in terms of their structure and/or composition.
  • the gas diffusion layer 11 of electrolysis cells 37 comprising several layered diffusion layers must meet particularly high requirements for the respective height or thickness profile and, due to the specified installation space of the cell frame, must be designed and manufactured to fit very precisely for use in an electrolysis cell 37.
  • the dimensional accuracy and Dimensional control with regard to the permissible thickness is becoming increasingly important, particularly for large-format, flat gas diffusion layers 11, such as those currently being developed and designed for use in high-performance electrolyzers. Therefore, for an industrial production process with high volumes and large effective functional areas, quality assurance when setting the thickness of the gas diffusion layer 11 is very important.
  • the permissible thickness tolerances must be monitored when axially stacking and mechanically bracing a large number of electrolysis cells 31 to form a high-performance electrolyzer.
  • FIG 2 shows a schematic representation of the measuring principle in order to demonstrate the thickness measurement on a prefabricated multi-layer gas diffusion layer 11.
  • the gas diffusion layer 11 contains layers (not shown in detail) stacked on top of one another, with an outer layer being designed as a spring component which has a progressive spring characteristic curve.
  • the gas diffusion layer 11 comprises in particular a contacting component for the electrical supply, a diffusion component for media transport and a spring component for the required elastic properties when installing the gas diffusion layer 11 in a cell frame.
  • the components and layers of a gas diffusion layer can differ from one another in terms of their structure and/or their composition depending on the function and installation situation.
  • a circular upper pressure plate 5 and a corresponding congruent circular lower pressure plate 7 with the same diameter D are arranged vertically one above the other so that an intermediate space is formed.
  • a gas diffusion layer 11 comprising several gas diffusion layers is inserted into the intermediate space, the thickness of which is to be determined.
  • the upper pressure plate 5 is guided so that it can be lowered and raised vertically, while the lower pressure plate 3 is firmly integrated into a solid base.
  • the pressure plates 3, 5 are made of hardened and corrosion-resistant steel such as 1.4923 or 1.4021.
  • the component contact surfaces 23 are ground in order to achieve the best possible plane parallelism.
  • Applying the test force F to the upper pressure plate 5 results in a defined surface pressure of, for example, 0.6 N / mm 2 at the selected measuring point of the gas diffusion layer 11.
  • This defined surface pressure results in the thickness measurement value H to be determined for the gas diffusion layer 11, whereby the thickness measurement value H is defined as the distance between the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3.
  • the measuring arrangement ensures that the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3 rest flat on the gas diffusion layer 11 with the component contact surface 23 and are subjected to the test force F.
  • FIG 3 shows a view - in this case as a top view - of a flat component 10 using the example of a flat, rectangular gas diffusion layer 11.
  • several measuring points 25 are specified, which are evenly distributed on the flat component 10.
  • Each of the measuring points 25 is formed by a circular surface area which corresponds to the component contact surfaces 23 of a respective upper pressure plate 5 or a lower pressure plate 3 according to FIG 2.
  • the measuring points 25 are arranged in a grid with a predetermined grid spacing X and Y with respect to the component axes of the flat component 10 in the direction of its length, i.e. along the x-axis, or its width, i.e. along the y-axis.
  • the component height is perpendicular to the axis defined by the x-axis and the y-axis.
  • the gas diffusion layer 11 as a flat component 10 has a particularly well reproducible compression behavior.
  • the spring constants of the gas diffusion layer 11 are up to 50 kN / m.
  • FIG 4 shows a view of a measuring device 1 for a selected measuring point 25 of a gas diffusion layer 11.
  • the measuring device 1 is designed for precise thickness measurement on a gas diffusion layer 11.
  • the measuring device 1 has a lower pressure plate 3 and an upper pressure plate 5 as well as a test weight 9.
  • the test weight 9 is guided vertically via a vertical guide 7 so as to be vertically movable and with little friction and is fixed against rotation about the vertical axis.
  • the lower pressure plate 3 is embedded and fixed in a solid table top 21, for example made of granite.
  • the lower pressure plate 3 is separate and raised but is designed as an integral part of an all-metal lower stamp 41 which is embedded in the table top 21.
  • the upper pressure plate 5 is mechanically coupled to the test weight 9.
  • a predetermined weight force can thus be introduced into the upper pressure plate 5 via the test weight 9 and a flat component 10 to be tested can be subjected to a defined surface pressure.
  • the measuring device 1 has a lifting mechanism 15 by means of which the test weight 9 can be lowered in a vertically guided manner, whereby the predetermined test force F (see FIG. 2) can be applied to the flat component 10 solely via the weight force of the test weight 9.
  • the lifting mechanism 15 is designed in such a way that a complete decoupling from the test weight 9 is achieved during a measuring process, so that no additional distorting force is applied to the flat component 10 beyond the test force F imparted by the test weight 9.
  • a cantilever arm 39 designed as a C-profile absorbs the force of the test weight 9 via the lifting mechanism 15.
  • the cantilever arm 39 is particularly stable and solid.
  • the cantilever arm 29 is also used to attach a guide device 53 of the lifting mechanism 15 - shown in more detail in FIG. 9 - for example based on a cable pull system, for raising and lowering the test weight 9 during a measuring cycle.
  • a distance sensor 13 is provided which is integrated into a higher-level measuring and calibration device 17.
  • a current reference value can be determined as the zero point of the distance measurement and continuously checked, and in this way the distance between the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3 can be regularly recalibrated if necessary.
  • a dead weight 19 is provided in the measuring device 1 as an additional weight for stabilization and, above all, for the level alignment of a gas diffusion layer 11 to be tested.
  • the dead weight 19 is arranged radially at least 15 mm outside the vertically guided upper pressure plate 5 and does not influence the thickness measurement.
  • the dead weight 19 is also fixed against rotation about the vertical axis and can be locked in the upper position and also removed if necessary.
  • FIG 5 shows a view of a measuring device 1 with a gas diffusion layer 11 inserted into the measuring device 1 before the start of the measurement.
  • the test weight 9 and thus the upper pressure plate 5 are in a vertically upper position.
  • the gas diffusion layer 11 is an extended flat component 10 and can be attached to the edges. This is indicated in FIG 5.
  • the dead weight 19 is introduced as an additional weight into the measuring device and is arranged radially on the periphery and concentrically and at a distance around the upper pressure plate 5.
  • the dead weight 19 can be designed as a solid metallic hollow cylinder, with an annular and flat support surface being provided for the function of the dead weight 19.
  • the inner diameter A of the dead weight 19 is therefore larger than the diameter D of the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3.
  • the outer diameter B is correspondingly larger than the inner diameter A.
  • the annular design provides an adapted effective surface for the dead weight 19.
  • the lower pressure plate 3 is designed as part of a lower punch 41 and is configured to exert a defined surface pressure during the measurement.
  • the lower punch 41 is integrated into the table top 21, with the circular lower pressure plate 3 being raised relative to the solid table top 21. Accordingly, the lower punch 41 has an equally raised circular ring-shaped support surface, which is designed to be congruent with the circular ring-shaped effective surface of the dead weight 19.
  • the upper pressure plate 5 is connected to the test weight 9 via a ball-head joint 43.
  • the ball-head joint 43 can be used to precisely adjust and plane-parallel align the component contact surfaces 23 of the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3.
  • FIG 6 shows the measuring device 1 during the thickness measurement on an introduced gas diffusion layer 11, wherein a predetermined pressing force F is introduced via the upper pressure plate 5 due to the weight of the test weight.
  • the test weight 9 with the upper pressure plate 5 is lowered so that the test force F causes a defined local surface pressure of the gas diffusion layer 11.
  • the dead weight 19 is lowered accordingly and rests on the periphery in a precise fit with respect to the opposite circular ring-shaped raised support surface of the Lower punch 41. This achieves a very precise and reproducible planar alignment of the gas diffusion layer 11 for the measurement, completely decoupled from the test force F introduced via the test weight 9.
  • test force F is provided in a particularly simple manner as the weight of the solid test weight 9, which is subject to practically no or only very small tolerances. Due to the simplicity of the measuring device 1 and the measuring method, no complex compensation is required, as was the case with the previously known universal testing machines for these measuring purposes.
  • FIG 7 shows a sectional view of a lower punch 41 with a lower pressure plate 3 and FIG 8 shows a corresponding top view of the lower punch 41 according to FIG 7 .
  • the lower pressure plate 3 is an integral component.
  • the component contact surface 23 is flat and surface-treated, e.g. polished, and has a low average roughness depth of Rz ⁇ 4.
  • the lower punch 41 is made in one piece and is made of solid stainless steel, preferably made as a turned part and surface treated.
  • This provides a concentric depression around the lower pressure plate 3, which advantageously facilitates the insertion and positioning of the Gas diffusion layer 11 is made easier for a measurement.
  • a transition region 49 which is flat, adjoins the slope 47 radially inwards.
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of a measuring table 27.
  • the measuring table 27 has a solid table top 21 and integrates the measuring device 1 described above.
  • a corresponding number of lower stamps 41 with a respective lower pressure plate 3 are integrated into the table top 21, compare FIG. 7 and FIG. 8.
  • the measuring points 25 are arranged in a grid and regularly on the table top 21. A precise and flexible setting of a desired position and positioning of the gas diffusion layer 11 is possible and adjustable using variable stops 49.
  • each of the measuring points 25 is assigned a cantilever arm 39 as a C-profile with a respective lifting mechanism 15.
  • a guide device 53 is attached to the cantilever arm 39, which can be activated, for example, via a cable pull system.
  • a safety device 51 is provided, which has, for example, a light curtain.
  • a control device with an operating panel 29 is provided so that the measuring process can be controlled and monitored automatically. Measurement data from the distance sensor 13 or the calibration device 17 are read into a processor and processed.
  • a transport device - not shown in more detail - can be provided for automatic feed.
  • a central computer with an operating device is advantageous for controlling and monitoring the process. The results are displayed and stored on the control panel 29 at the operating station.
  • a measurement can be initiated by the operator 55, for example, using a foot switch.
  • the measuring table 27 has a service function with manual operation as required. implemented, in which the lower end position of the test weights 9 is approached in order to e.g. adjust the ball head joint 43.
  • a measuring device 1 is provided, wherein a gas diffusion layer 11 is inserted into the measuring device 1 as a flat component 10, wherein during a measuring process a predetermined test force F is applied to the gas diffusion layer via the weight of the test weight 9 by lowering the test weight 9 so that a defined surface pressure is caused, and wherein the distance between the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3 is determined under the predetermined test force F.
  • a current reference value is determined as the respective zero point and the distance between the upper pressure plate 5 and the lower pressure plate 3 is thereby calibrated.
  • a thickness measurement is carried out simultaneously at several measuring points 25 distributed over the surface of the gas diffusion layer 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine zur Dickenbestimmung einer Gasdiffusionsschicht (11) für eine elektrochemische Zelle (31), umfassend eine untere Druckplatte (3) und eine obere Druckplatte (5) sowie ein über eine Vertikalführung (7) derart geführtes Prüfgewicht (9), dass bei einem Messvorgang eine vorgebbare Prüfkraft über die Gewichtskraft des Prüfgewichts (9) auf ein zu prüfendes flächiges Bauteil (10, 11) aufbringbar ist, so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt ist, und weiter umfassend einen Abstandssensor (13), mittels dessen als Dickenmesswert (H) der Abstand des flächigen Bauteils (10, 11) zwischen der oberen Druckplatte (5) und der unteren Druckplatte (3) unter der vorgegebenen Prüfkraft (F) bestimmbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Messtisch (27) mit einer Messvorrichtung (1) und ein Verfahren zur Dickenmessung eines flächigen Bauteils (10, 11), insbesondere einer Gasdiffusionsschicht (11) für eine elektrochemische Zelle (31).

Description

Beschreibung
Messvorrichtung, Messtisch mit einer Messvorrichtung sowie Verfahren zur Dickenmessung eines flächigen Bauteils , insbesondere einer Gasdi f fusionsschicht
Die Erfindung betri f ft eine Messvorrichtung zur Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht einer elektrochemischen Zelle , insbesondere einer PEM-Elektrolysezelle . Die Erfindung betri f ft weiterhin einen Messtisch umfassend eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zur Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht .
Elektrochemische Zellen sind allgemein bekannt und werden unterteilt in galvanische Zellen und Elektrolysezellen . Eine Elektrolysezelle ist eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Strom eine chemische Reaktion erzwingt , wobei zumindest ein Teil von elektrischer Energie in chemische Energie umgewandelt wird . Eine galvanische Zelle ist eine - zur Elektrolysezelle - komplementäre Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie . Eine bekannte Vorrichtung einer solchen galvanischen Zelle ist z . B . eine Brennstof f zelle .
Die Spaltung von Wasser durch elektrischen Strom zur Produktion von Wasserstof f- und Sauerstof f gas mittels einer Elektrolysezelle ist hinlänglich bekannt . Es wird dabei hauptsächlich zwischen zwei technischen Systemen unterschieden, nämlich der alkalischen Elektrolyse und der PEM ( Proton- Exchange-Membrane ) -Elektrolyse .
Das Kernstück einer technischen Elektrolyseanlage ist die Elektrolysezelle , umfassend zwei Elektroden und einen Elektrolyten . In einer PEM-Elektrolysezelle besteht der Elektrolyt aus einer protonenleitenden Membran, auf welcher sich beidseitig die Elektroden befinden . Die Einheit aus Membran und Elektroden wird als MEA ( engl . Membrane-Electrode-Assembly, dt . Membran-Elektroden-Einheit ) bezeichnet . Die Elektroden werden im zusammengebauten Zustand eines Elektrolyse-Stacks aus mehreren Elektrolysezellen über eine Gasdi f fusionsschicht von so genannten Bipolarplatten kontaktiert , wobei die Bipolarplatten die einzelnen Elektrolysezellen des Stacks voneinander trennen . Dabei entspricht die Cd-Seite der Elektrolysezelle dem Pluspol und die H2-Seite dem Minuspol , getrennt durch die dazwischen liegende Membran-Elektroden-Einheit .
Die PEM-Elektrolysezelle wird auf der Cd-Seite mit voll entsal ztem Wasser gespeist , das an der Anode in Sauerstof f gas und Protonen (H+) zerlegt wird . Die Protonen wandern durch die Elektrolytmembran und rekombinieren an der Kathode (H2- Seite ) zu Wasserstof f gas . Die an den Elektroden anliegende Gasdi f fusionsschicht gewährleistet neben der Elektrodenkontaktierung die optimale Wasserverteilung (und damit die Benetzung der Membran) sowie den Abtransport der Produktgase . Benötigt wird daher als Gasdi f fusionsschicht ein elektrisch leitendes , poröses Element mit guter dauerhafter Kontaktierung der Elektrode . Als zusätzliche Anforderung sollen ggf . im Elektrolyseur entstehende Bautoleranzen ausgeglichen werden, um eine gleichmäßige Kontaktierung der MEA in j edem Toleranz fall zu ermöglichen .
Zuweilen wurden in bekannten Elektrolysezellen gesinterte Metallscheiben als Gasdi f fusionsschicht eingesetzt . Diese erfüllen zwar die Forderungen nach elektrischer Leitfähigkeit und Porosität , ein zusätzlicher Toleranzausgleich der Bauteile der Elektrolysezelle auf beiden Seiten der Gasdi f fusionsschicht ist j edoch nicht möglich . Zudem sind die Fertigungskosten für solche Scheiben im Vergleich sehr hoch und es liegt bezüglich der Größe bedingt durch die benötigten Pressdrücke bei der Fertigung derartiger Scheiben eine Größenbeschränkung vor . Darüber hinaus entstehen bei großen Bauteilen Verzugsprobleme , die nur schwer kontrollierbar sind .
Der Einsatz von Gasdi f fusionselektroden mit federnden Elementen zur Herstellung eines elektrischen Kontakts bei alkalischen Elektrolyseuren ist z . B . in der WO 2007 / 080193 A2 und der EP 2436804 Al beschrieben .
Aus der EP 1378589 Bl geht ein Federblech hervor, bei dem die einzelnen Federelemente abwechselnd nach oben und nach unten gebogen sind . Das Federblech wird lediglich kathodenseitig in einem lonen-Austausch-Elektrolyseur eingebaut , so dass das Federblech direkt die Kathoden kontaktiert .
US 2003/ 188966 Al beschreibt eine weitere Federkomponente für eine Elektrolysezelle , die zwischen einer Trennwand und einer Kathode angeordnet ist . Die Federkomponente umfasst eine Viel zahl von Blattfederelementen, die zum gleichmäßigen Anpassen an der Kathode anliegen . Weitere , unterschiedlich aufgebaute Gasdi f fusionselektroden sind in der WO 2002035620 A2 , der DE 10027339 Al und DE 102004023161 Al beschrieben .
In der EP 2 957 659 Bl ist eine Gasdi f fusionsschicht zum Anbringen zwischen einer Bipolarplatte und einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle of fenbart . Die Gasdi f fusionsschicht umfasst mindestens zwei übereinander geschichtete Lagen, wobei eine der Lagen als Federkomponente mit einer progressiven Federkennlinie ausgebildet ist . Durch ein progressives Federverhalten wird gewährleistet , dass der Anpressdruck in allen Toleranzlagen der anliegenden Bauteile ausreichend ist . Die Implementierung eines progressiven Federverhaltens in eine Gasdi f fusionsschicht erfolgt dabei durch die geometrische Ausgestaltung der Federkomponente . Dadurch können zumindest in bestimmten Grenzen entstehende Bauteil-Toleranzen in einer elektrochemischen Zelle , insbesondere in einer Elektrolysezelle oder galvanischen Zelle , insbesondere im Bereich der Bipolarplatten, ausgeglichen werden .
In der WO° 2021 / 018459 °A1 ist eine Elektrolysezelle mit einem Zellrahmen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle beschrieben . Der Zellrahmen weist ein stufenartiges Innenprofil auf . Das Innenprofil umfasst wenigstens eine Auflagefläche zur Aufnahme einer planaren Komponente in den Zellrahmen . Die Auflagefläche weist eine Aussparung für eine Dichtung auf . Aufgrund des stufenartigen Innenprofils ragt die erste Gasdi f fusionsschicht über die Grenzen der zweiten Gasdi f fusionsschicht hinaus . Die Spaltmaße zwischen Zellrahmen und Membranen, bzw . Gasdi f fusionsschichten können daher vorteilhaft größer sein . Das erleichtert und verkürzt den Montageprozess vorteilhaft . Weiterhin können die Außenkonturen der Membranen und/oder Gasdi f fusionsschichten vor-teil- haft weitgehend frei gewählt werden .
Ein typischer Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle umfasst eine erste Gasdi f fusionsschicht und eine zweite Gasdi f fusionsschicht . Zwischen den Gasdi f fusionsschichten ist die Protonenaustauschmembran angeordnet . Alle Schichten werden in einem Zellrahmen angeordnet . Die Anordnung der Gasdi f fusionsschichten in den Zellrahmen muss mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, um eine zuverlässig funktionierende Elektrolysezelle und hernach eine zu einem Stack gestapelte Viel zahl von Elektrolysezellen herzustellen . Dies macht die Herstellung der Komponenten sowie die Montage generell sehr aufwändig .
Insbesondere bei einer Viel zahl von zu einem Stack hintereinander gestapelten Elektrolysezellen können sich die fertigungsbedingten Abweichungen durch Streuungen der Dickenmaße der Gasdi f fusionsschichten von Elektrolysezellen von einer im Einzel fall noch zulässigen Dickentoleranz addieren und beim Verspannen zu einem Stack mit einer Viel zahl von Elektrolysezellen zu unzulässigen mechanischen Spannungen führen .
Daher ist es ein zunehmender Bedarf in der Fertigung von Gasdi f fusionslagen für Elektrolysezellen die Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Dickenmessung im Hinblick auf eine angestrebte industrielle Serienfertigung zu verbessern . Die Qualitätssicherung der Fertigung auf der Ebene der Elektrolysezelle gewinnt hier zunehmend an Bedeutung, um marktgängige Elektrolyseure großer Stückzahl und großer Elektrolyseleistung bereitzustellen . Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , eine hinsichtlich Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit verbesserte Messvorrichtung anzugeben . Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Messung der Dicken von gestapelten Gasdi f fusionslagen anzugeben, dass sich durch hohe Präzision und Reproduzierbarkeit aus zeichnet .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung zur Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht für eine elektrochemische Zelle , umfassend eine untere Druckplatte und eine obere Druckplatte sowie ein über eine Vertikal führung derart geführtes Prüfgewicht , dass bei einem Messvorgang eine vorgebbare Prüfkraft über die Gewichtskraft des Prüfgewichts auf ein zu prüfendes flächiges Bauteil aufbringbar ist , so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt ist , und weiter umfassend einen Abstandssensor mittels dessen als Dickenmesswert der Abstand des flächigen Bauteils zwischen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte unter der vorgegebenen Prüf kraft bestimmbar ist .
Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass Gasdi f fusionslagen von Elektrolysezellen besonders hohe Anforderungen an das j eweilige Höhen- bzw . Dickenprofil aufweisen . Die Maßgenauigkeit und Maßhaltung gewinnt dabei insbesondere bei groß formatigen flächigen Gasdi f fusionslagen zunehmend an Bedeutung, wie sie aktuell für den Einsatz in Elektrolyseuren großer Leistung entwickelt und proj ektiert werden . Im eingebauten Zustand werden Gasdi f fusionslagen verpresst und müssen unter Druck einen vorbestimmten Bauraum in der Elektrolysezelle passgenau aus füllen . Die Gasdi f fusionslagen weisen im Allgemeinen in gewissen Grenzen federähnliche Kraf t/Wegkennlinien auf . Da im Anwendungs fall eine Viel zahl von Elektrolysezellen hintereinander verschaltet und zu einem Stack gestapelt werden, addieren sich die Dickentoleranzen kumulativ auf . Die Erfindung hat erkannt , dass konventionelle Messvorrichtungen und verfügbare Universalprüfmaschinen hier nicht ausreichen, um die Dicken der ausgedehnten und flachen Gasdi f fusionslagen möglichst genau messen zu können mit einer geforderten Messunsicherheit < 0 , 01 mm . Hinsichtlich erhöhter Anforderungen an die Messgenauigkeit , Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit ist daher ein hoher Bedarf an einer Messvorrichtung und einem Messverfahren zu verzeichnen, um bei noch vertretbarem Aufwand für eine erforderliche Qualitätssicherung gleichzeitig eine Anwendung und möglichst einfache Integration in einen industriellen Fertigungsprozess für Elektrolysezellen zu ermöglichen .
Bislang werden zur Dickenermittlung konventionelle Universal- Prüfmaschinen verwendet . Diese werden mit Druckplatten ausgestattet und im Modus „Druckversuch" genutzt , bei der die Prüfkraft über zumeist elektrische Antriebe und eine Antriebsspindel eingeregelt wird . Problematisch ist , dass sich diese Maschinen unter einer aufgebrachten Druckkraft deformieren, was eine Verfälschung des Messergebnisses mit sich zieht , und zwar zuweilen 1- 2 Größenordnungen oberhalb bzw . außerhalb der geforderten Messgenauigkeit . Eine sehr aufwendige Kompensation der Messwerte durch einmalig aufgenommene Kompensationskurven ist üblich, muss j edoch regelmäßig überprüft und korrigiert werden . Bei Änderungen ist das Messergebnis direkt unbrauchbar . Überfährt die Maschine den Kraftbereich, ist das betrof fene Bauteil möglicherweise irreparabel beschädigt , beispielsweise über das minimale Dickenmaß hinaus zu dünn gepresst . Neben dem Zeitaufwand für eine ständige Kontrolle - zwar nach j edem Bauteil - sowie eine regelmäßige Korrektur typischerweise zwischen 2 bis 10 mal pro Schicht ist die Fertigung so in erheblichem Maße von äußeren Einflüssen wie etwa Luftfeuchtigkeitsschwankungen, Temperaturschwankungen usw . abhängig . Dieses Messprinzip und die damit verbundenen Nachteile sind bei allen betrachteten Universalprüfmaschinen gleich . Zudem wird im Standardaufbau ein Teil der Prüfkraft dafür verwendet , gekrümmte flächige Bauteile eben auf dem Tisch plan aus zurichten, was sehr nachteilig ist .
Diese Nachteile überwindet die Messvorrichtung der Erfindung, wobei hohe Genauigkeitsanforderungen der Messvorrichtung für eine Qualitätssicherung im industriellen Maßstab erzielt werden . Mittels der Messvorrichtung kann beispielsweise die Dicke einer aus einem Streckmetall gebildeten federelastischen Gasdi f fusionslage - als flächiges Bauteil - unter einer wohldefinierten Prüfkraft ermittelt werden . Die so konzipierte Messvorrichtung kann dabei vorteilhaft im industriellen Maßstab in einer Fertigungshalle in einem 3-Schicht-Betrieb betrieben werden . Dabei ist die Messvorrichtung derart eingerichtet , dass bei einem Messvorgang die Prüfkraft allein über die vorgegebene Gewichtskraft des Prüfgewichts in das flächige Bauteil eingeleitet wird . Dadurch ist eine definierte Flächenpressung im Bereich der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte erzielbar und damit ein unverfälschtes Messergebnis für den Dickenmesswert , der als Abstand der Druckplatten über den Abstandssensor präzise ermittelbar ist . Die Vertikal führung ermöglicht ein geführtes vertikales Absetzen und Anheben des Prüfgewichts und bei einem Messvorgang eine plane Auflage und Presskraftvermittlung der oberen Druckplatte auf das zu messende flächige Bauteil .
Die Messvorrichtung in besonders vorteilhafter Weise bei der Dickenbestimmung von steckmetallbasierten Gasdi f fusionsschichten oder eine Gasdi f fusionslagen als aus zumessende flächige Bauteile anwendbar und besonders vorteilhaft dafür ausgelegt . Im Serienbetrieb der Messvorrichtung können mit der Messvorrichtung groß flächige flache Bauteile mit bevorzugt rechteckiger Grundfläche in unterschiedlichen Größen präzise und reproduzierbar mit hoher Taktung vermessen werden . Die flächigen Bauteile - wie etwa Gasdi f fusionslagen - können dadurch im industriellen Fertigungsprozess einem Formschnitt unterzogen und sowohl vor als auch nach dem Schnitt an identischen Stellen mit der Messvorrichtung vermessen und einer Qualitätssicherung unterzogen werden . Die Messvorrichtung ist vorzugsweise für die Dickenmessung von flächigen Bauteilen mit beispielsweise einer Länge von 600- 1500 mm, einer Breite von 350-450 mm und einer Höhe von 0 - 7 mm vorteilhaft anwendbar . Die Höhe des flächigen Bauteils entspricht dem zu bestimmenden Dickenmesswert , der mit einer hohen Genauigkeit bestimmbar ist .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Messvorrichtung umfasst diese einen Hebemechanismus mittels dessen das Prüfgewicht absenkbar und dadurch die vorgegebene Prüfkraft auf das flächige Bauteil über die Gewichtskraft aufbringbar ist .
Die vorgegebene Prüfkraft ist auf besonders einfache Weise alleinig über die Gewichtskraft des Prüfgewichts in das flächige Bauteil einzubringen, und zwar lokal über die Kontaktfläche der oberen Druckplatte . Dadurch hat die Stei figkeit der Messvorrichtung und eines übergeordneten, die Messvorrichtung integrierenden, Maschinenaufbaus keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit . Zusätzlich ist ein Prüf gewicht eine nur sehr begrenzt streuende , zeitlich praktisch nicht variable Kraftquelle . Durch die Hebevorrichtung ist das Prüf gewicht für den Messvorgang absenkbar und die vorgegebene Flächenpressung bewirkt .
In bevorzugter Ausgestaltung der Messvorrichtung ist dabei der Hebemechanismus derart ausgestaltet , dass bei einem Messvorgang eine Entkopplung von dem Prüfgewicht bewirkt ist , so dass über die durch das Prüfgewicht vermittelte Prüfkraft hinaus keine zusätzliche Kraft auf das flächige Bauteil aufgebracht wird .
Somit ist lediglich lokal im Bereich der definierter Kontaktflächen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte eine Einleitung der Prüfkraft in ein eingelegtes flächiges Bauteil durch Ansenken des Prüfgewichts bewirkt . Das Abstandmaß zwischen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte kann dann mit dem Abstandssensor unter wohldefinierten Prüfbedingungen gemessen werden . Bei als Gasdi f fusionslagen ausgestalteten flächigen Bauteilen ist eine Flächenpressung von typischerweise beispielsweise 0 , 6 N/mm2 bei einer Prüfkraft von etwa 1180 N vorteilhaft . Die Dicke bzw . Höhe der flächigen Bauteile ist definiert als Abstand zwischen der oberen und unteren Druckplatte , wenn diese flächig am Bauteil anliegen und mit der Prüfkraft beaufschlagt sind .
Bei einer vollständigen Messprozedur mit der Messvorrichtung muss zum sicheren Einlegen und Entnehmen des flächigen Bauteils die Gewichtskraft vom flächigen Bauteil entfernt werden . Das Prüf gewicht kann dafür mit dem Hebemechanismus vorteilhaft angehoben werden, sodass beispielsweise ein etwa 40 mm lichtes Maß zwischen dem flächigen Bauteil und oberer Druckplatte gebildet wird . Anheben und Absenken des Gewichts erfolgen sanft , um das zu prüfende flächige Bauteil nicht zu beschädigen . Hierzu ist in der Messvorrichtung der Hebemechanismus derart gesteuert und geführt ausgelegt , dass die Beschleunigung und Geschwindigkeit des Prüfgewichts begrenzt ist . Die Begrenzung ist einstellbar, beispielsweise durch Einstellen eines vorzusehenden Begrenzungsventils , z . B . im Falle einer pneumatischen oder hydraulischen Dämpfungs- und Begrenzungseinrichtung für eine Hebung und Absenkung .
Dabei ist der Hebemechanismus derart konzipiert , dass in der eigentlichen Messphase alleinig die über das Prüfgewicht vermittelte Gewichtskraft auf dem flächigen Bauteil auf liegt . Der Hebemechanismus selbst ist in dieser Phase vollständig entkoppelt und leitet keine zusätzliche Gewichtskraft ein, so dass das Messergebnis nicht verfälscht wird . Denkbar sind beispielsweise ein Hebemechanismus auf Basis einer Seil führung mit entsprechenden Rollen und Antriebseinheiten zum Anheben und Absenken des Prüf gewichts .
Vorzugsweise ist bei der Messvorrichtung die Gewichtskraft des Prüfgewichts einstellbar, so dass eine Kalibrierung der Prüfkraft erzielbar ist .
Das Material und das Volumen des Prüfgewichts ist dabei so wählt , dass die resultierende Gewichtskraft des auf dem flächigen Bauteil liegenden Aufbaus inkl . Druckplatten etc . der geforderten Prüf kraft entspricht . Je nach spezi fischer Anforderung kann die vorgegebene Prüfkraft z . B . mit einer Waage ermittelt und eingestellt werden . Hierzu kann das Prüfgewicht aus einer Viel zahl von Gewichtseinheiten zusammengesetzt sein .
Hierdurch ist vorteilhaft eine Justage- und Kalibriermöglichkeit implementierbar, um z . B . durch das gezielte Hinzufü- gen/Ent fernen von Gewichtseinheiten die Prüfkraft fein einzustellen und bedarfsweise zu variieren .
Vorzugsweise ist bei der Messvorrichtung daher eine Variationsmöglichkeit der Prüfkraft im Bereich von 950 ( Flächenpressung 0 , 5 N/mm2 ) bis zu 2000 N ( Flächenpressung 1 N/mm2 ) implementiert , z . B . durch entsprechende Platzreserven für eine Änderung des Prüf gewichts . Für eine industrielle Fertigung und Qualitätskontrolle wird dadurch bei der Messvorrichtung eine Flexibilität hinsichtlich einer groß zügigen Anpassungsmöglichkeit der Prüfkraft um einen bevorzugten Wert vom beispielsweise 1178 ± 10 N vorgehalten .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Messvorrichtung ist die Vertikal führung gegenüber einer Rotation um die Vertikalachse fixiert ist , so dass ein positionsgenaues und reproduzierbares Absenken des Prüf gewichts gewährleistet ist .
Das Prüfgewicht ist über die Vertikal führung linear nach oben und unten präzise führbar zugleich und rotatorisch um die Bewegungsachse fixiert , so dass mechanisch eine Linearführung unter einer Zwangsbedingung bei der Messvorrichtung implementiert ist . Die Vertikal führung ist damit vorteilhaft als vertikal ausgerichtete Längs führung ausgestaltet , die so reibungsarm wie möglich ausgeführt ist , um die Gewichtskraft des Prüfgewichts möglichst unverändert auf das zu prüfende flächige Bauteil leiten zu können . Dabei können beispielsweise Messingbuchsen zum Einsatz kommen, in denen eine Stange oder vertikal ausgerichtete Metallwelle geführt ist .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist bei der Messvorrichtung eine Kalibriereinrichtung vorgesehen, mit der ein aktueller Referenzwert als Nullpunkt der Abstandsmessung ermittelbar und womit das Abstandmaß zwischen oberer Druckplatte und unterer Druckplatte kalibrierbar ist .
Dadurch ist bedarfsweise , turnusgemäß oder auch regelmäßig zwischen den Messvorgängen eine Kalibrierung des Nullpunkts einer Abstandsmessung zwischen oberer und unterer Druckplatte vorgesehen . Der Abstandssensor ist somit mit einer Kalibrierfunktion ausgestattet , so dass eine präzise Dickenmessung erreicht ist . Der Abstand und damit die Dicke des in die Messvorrichtung eingebrachten flächigen Bauteils resultiert daher aus einer Längenmessung . Hierzu kann eine automatisierte Längenmesseinrichtung vorgesehen sein, die den Abstandssensor mit der Kalibrierfunktion umfasst . Die vorteilhaften Grundfunktionen der Längenmesseinrichtung ergeben sich dadurch, dass die Position des Prüfgewichts Gewichts relativ zu einem orts festen, d . h . fixen Punkt etwa am Gehäuse der Messvorrichtung ermittelbar ist . Durch die Krafteinleitung des Prüfge- wichts lässt sich der Kraftpfad der Messung von dem Kraftpfad des Hebemechanismus trennen und damit entkoppeln, um bestmögliche Messergebnisse zu erzielen .
Um in j eder Messung ein genaues Abstandsmaß zwischen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte zu erhalten, muss die Messvorrichtung ohne ein eingelegtes zu prüfendes Bauteil zunächst ref erenziert , d . h . „genullt" werden . Vorzugsweise wird im Betrieb der Messvorrichtung diese Referenz regelmäßig - idealerweise stets zwischen zwei Bauteilen - überprüft . Dabei werden bei einer Nullmessung die Druckplatten ohne Bauteil plan aufeinander gefahren und der ausgegebene Messwert als „Nullwert" des Werkzeugabstands ermittelt . I st der Betrag des Messwerts größer als ein zulässiger Maximalwert , beispielsweise > 3 pm, wird die Referenz automatisch neu gesetzt und die Messvorrichtung entsprechend kalibriert . Durch dieses Vorgehen können im Betrieb der Messeinrichtung zeitliche Dri fts z . B . durch Temperaturänderungen detektiert und in-situ kompensiert werden . Eine Automatisierung dieser Nullpunktkalibrierung ist durch eine in die Messvorrichtung in vorteilhafter Weise integrierte Steuer- und Regeleinrichtung realisiert . Die Steuer- und Regeleinrichtung kann dabei auch weitere Funktionen der Automatisierung des Messprozesses implementiert sein .
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Messvorrichtung ist ein Totgewicht vorgesehen ist , welches radial außerhalb der vertikal geführten oberen Druckplatte angeordnet ist , so dass bei einem Absenken der oberen Druckplatte ein zu prüfendes flächiges Bauteil unter der Gewichtskraft des Totgewichts flach auf die Unterlage anpressbar ist .
Das Totgewicht ist ein Zusatzgewicht und sichert eine plane Auflage des flächigen Bauteils auf der ebenen Unterlage . Durch die Anordnung des Totgewichts radial außerhalb der Druckplatten ist das Totgewicht von dem Messvorgang vollständig entkoppelt und nimmt nicht an der Messung teil bzw . beeinflusst nicht die Flächenpressung unter dem vorgegebenen Prüf gewicht . Das Totgewicht dient vorteilhafterweise allein der Positionierung und planen Auflage des flächigen Bauteils auf der ebenen Messunterlage , insbesondere an dessen Rändern .
Da die flächigen Bauteile fertigungsbedingt häufig eine leichte Wölbung aufweisen, die das Messergebnis beeinflussen können, ist in bevorzugter Ausgestaltung ein kreisrundes Totgewicht bzw . als Kreisring radial um die obere Druckplatte herum in die Messvorrichtung integriert . Damit kann das flächige Bauteil , insbesondere eine Gasdi f fusionslage aus einem Streckmetall , unabhängig von der Prüfkraft flach auf die Unterlage gedrückt und zudem positioniert werden . Die Gewichtskraft des Zusatzgewichts geht dabei nicht in die Prüfkraft mit ein, was dadurch realisiert ist , dass das Zusatzgewicht außerhalb der planparallelen Mess flächen der oberen und unteren Druckplatten mit einem vorgegebenen Abstand auf liegt . Der Abstand der Auflage des Totgewichts beträgt bevorzugt mindestens 15 mm von den Mess flächen . Vorzugsweise ist bei der Messvorrichtung das Totgewicht gegen Rotation um die Vertikalachse fixiert , wobei bedarfsweise das Totgewicht arretierbar und demontierbar ist .
Dadurch ist beispielsweise im Servicefall zudem ein Zugang zu der oberen Druckplatte und weiteren Funktionsteilen der Messvorrichtung geschaf fen . Das Totgewicht ist dabei gegen Rotation um die vertikale Achse geschützt und lässt sich in einem vertikal oberen Punkt der Messvorrichtung arretieren und demontieren . Die Arretierung im oberen Punkt wird benötigt , um den Kugelkopf j ustieren, die Druckplatten reinigen und Messungen auch ohne Totgewicht durchzuführen zu können .
Die Gegenfläche des Zusatzgewichts oder Totgewichts auf der Unterlage des flächigen Bauteils ist bevorzugt ebenfalls als ein kreisrunder Ring (Kreisring) mit den gleichen Maßen ausgeführt , wie das Totgewicht selbst . Die Auflagefläche des Bauteils inklusive der unteren Druckplatte ist hierbei vorzugsweise von der Unterlage , z . B . eine als Granitplatte ausgeführte Tischoberfläche etwas erhaben ausgeführt . Zum leichteren Einführen der zu messenden flächigen Bauteile in eine Messposition sind die Auflageflächen mit Schrägen oder Fasen mit einem Winkel von beispielweise 20 ° ausgeführt . Folgende Parameter haben sich beispielhaft für das Totgewicht als vorteilhaft erwiesen : Der Innendurchmesser des Zusatzgewichtrings beträgt 110 mm, der Außendurchmesser des Zusatzgewichtrings beträgt 140 mm, das Totgewicht hat eine Masse von 15 kg . Je nach Messaufgabe und Dimensionierung des flächigen Bauteils können auch angepasste Durchmesser angewendet werden . Die Kontakt flächen des Zusatzgewichts mit dem zu messenden flächigen Bauteil sind bevorzugt aus gehärtetem und korrosionsbeständigem Edelstahl , z . B . können 1 . 4923 oder 1 . 4021 Stähle Verwendung finden .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Messvorrichtung sind die Druckplatten j eweils als kreisrunde ebene Platten aus einem gehärteten Edelstahl ausgeführt , die kongruent und planparallel zueinander ausgerichtet sind . Dabei ist bevorzugt die obere Druckplatte über ein Kugelkopfgelenk mit einem Schaft des Prüfgewichts verbunden, so dass eine planparallele Ausrichtung der Druckflächen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte einstellbar ist .
Dabei ist beispielsweise sowohl die bewegliche obere Druckplatte als auch die in die Unterlage fest integrierte untere Druckplatte als kreisrunde Platten aus korrosionsbeständigem gehärtetem Stahl ausgeführt , z . B . 1 . 4923 oder 1 . 4021 Stahl . Die Durchmesser der Kreise sind vorteilhafterweise auf 50 +/- 0 , 05 mm zu bearbeiten, wobei die Bauteilkontaktflächen geschli f fen sind (Rz < 4 ) , um eine bestmögliche Planparallelität der Kontakt flächen zu erzielen . Eine größere Fase von > 0 , 1x45 ° ist zu vermeiden, um die Flächenpressung nicht zu verfälschen, so dass genau vorgegebene kreisrunde kongruente und planparallele Normflächen durch die Druckplatten bereitgestellt sind .
Um die Druckflächen der oberen und der unteren Druckplatte präzise parallel zueinander aus zurichten, ist die obere Druckplatte vorteilhaft über einen Kugelkopf mit dem Schaft des Prüfgewichts verbunden . Der Kugelkopf wird bei der Kalibrierung unter dem Messdruck fixiert und positioniert . Der Kugelkopf ist derart ausgestaltet , dass rotatorische Bewegung um die vertikale Achse möglich ist und sich der Kugelmittelpunkt vorteilhaft auf der Kontakt fläche der oberen Druckplatte befindet . Um unter Messdruck an die Fixiereinrichtung des Kugelkopfgelenks zu kommen, wird das Totgewicht an seiner oberen Position fixiert .
Vorzugsweise weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Plattenpaaren auf , umfassend j eweils eine obere Druckplatte und eine untere Druckplatte , wobei die Plattenpaare derart angeordnet sind, dass bei einer Messung die Dicke eines für eine Messung eingebrachten flächigen Bauteils an mehreren Messpunkten simultan ermittelbar ist . Auf diese Weise ist für ein flächiges Bauteil gleichzeitig eine Dickenmessung an mehreren verschiedenen Stellen möglich . Eine besonders gleichförmige Flächenpressung und Dickeneinstellung ist dadurch für ausgedehnte flache Bauteile wie etwa Gasdi f fusionslagen aus aufeinander geschichteten Streckmetallblechen möglich . Die Dicke der Bauteile kann beispielsweise gleichzeitig an 6 Stellen gemessen werden . Die Messvorrichtung ist besonders vorteilhaft ausgelegt und eingestellt zur Bereitstellung einer Flächenpressung von z . B . 0 , 6 N/mm2 zwischen kreisrunden Druckplatten mit j e 50 mm Durchmesser und einem Prüfgewicht von 1178 N +/- 10 N als eine beispielhafte Aus führung . Die Abstände der Messpunkte zueinander sind vorzugsweise konstant , die Abstände zur Bauteilkante des flächigen Bauteils können sich unterscheiden j e nach Bauteil . Hierzu können in der Messvorrichtung verstellbare Anschläge zur Positionierung des flächigen Bauteils vorgesehen sein .
Die Dicke bzw . Höhe der Bauteile ist definiert als Abstand zwischen der oberen und unteren Druckplatte , wenn diese flächig am flächigen Bauteil anliegen und mit der vorgegebenen Prüfkraft beaufschlagt sind .
Bei der Messvorrichtung sind daher bevorzugt die Plattenpaare von oberer Druckplatte und unterer Druckplatte regelmäßig über die Fläche angeordnet , so dass j eweilige lokale Dickenmesswerte eines für eine Messung eingebrachten flächigen Bauteils bestimmbar sind . Eine gleichmäßige gitterf örmige Anordnung und Positionierung der Plattenpaare als Rechteckgitter oder als Quadratgitter hinsichtlich der flächigen Bauteiloberfläche ist besonders vorteilhaft für eine lokale Dickenmessung an einer Viel zahl von Messpunkten . Da die flächigen Bauteile ein sehr reproduzierbares Komprimierungsverhalten mit einer Federkonstante von bis zu 50 kN/mm aufweisen, ist eine regelmäßige Positionierung der Messpunkte am flächigen Bauteil bevorzugt . Dies ist insbesondere bei Gasdi f fusionslagen aus einem Streckmetall gegeben, wie sie für Elektrolysezellen Anwendung finden . Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch einen Messtisch mit einer Messvorrichtung umfassend eine Tischplatte , in die eine untere Druckplatte integriert ist , wobei auf der Tischplatte eine Auflagefläche zur Aufnahme eines flächigen Bauteils zur Dickenmessung gebildet ist . Dabei ist der Messtisch mit der Tischplatte so ausgeführt , dass während des Messvorgangs das flächige Bauteil nur auf der Auflagefläche des Totgewichts und der gegenüber der Tischoberfläche erhabenen unteren Druckplatte auf liegt . Die Tischplatte dient zugleich einer guten Führung und reproduzierbaren Positionierung der flächigen Bauteile , insbesondere bei deren Einlegen und Entnehmen beim Messvorgang .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Messtisch eine Steuereinrichtung mit einem Bedienpanel , so dass der Messprozess steuerbar und überwachbar ist , wobei Messdaten des Abstandssensors in einen Prozessor einlesbar und verarbeitbar sind .
Zur Steuerung und Überwachung des Prozesses ist bevorzugt ein Computer mit einer Bedieneinrichtung umfassend ein Bedienpanel vorgesehen . An der Bedienstation sind die Messergebnisse auch visuell für einen Bediener anzeigbar, etwa über einen Monitor oder ein Display . Eine Messung kann beispielsweise über einen Fußtaster von dem Bediener ausgelöst werden . In die Steuereinrichtung ist vorteilhafterweise eine Servicefunktion mit einem optionalen Handbetrieb implementiert . Dabei wird die untere Endlage der Prüfgewichte angefahren, um z . B . den Kugelkopf j ustieren zu können und um zugleich die Prüfgewichte zu sichern .
Vorzugsweise umfasst der Messtisch eine Transporteinrichtung zum Beladen und Entladen eines flächigen Bauteils .
Die Implementierung eines automatisierten Vorschubs der flächigen Bauteile ist hier besonders vorteilhaft . Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht einer elektrochemischen Zelle , bei dem eine Messvorrichtung bereitgestellt wird, wobei in die Messvorrichtung als flächiges Bauteil eine Gasdi f fusionsschicht eingelegt wird, wobei bei einem Messvorgang eine vorgegebene Prüfkraft über die Gewichtskraft des Prüfgewichts auf die Gasdi f fusionsschicht aufgebracht wird, indem das Prüfgewicht abgesenkt wird, so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt wird, und wobei der Abstand zwischen der oberen Druckplatte und der unteren Druckplatte unter der vorgegebenen Prüfkraft bestimmt wird .
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise ein aktueller Referenzwert als j eweiliger Nullpunkt ermittelt und dadurch das Abstandmaß zwischen oberer Druckplatte und unterer Druckplatte kalibriert .
Die Wiederholgenauigkeit und Präzision der Dickenmessung ist entscheidend und ist vorzugsweise auf Werte < 5 pm eingestellt . Die Messeinrichtung kann dabei auch gegen bestehende Messsysteme verglichen werden . Zur Überprüfung der Wiederholgenauigkeit wird in dem Verfahren eine „Null-Mess fahrt" ohne Bauteil durchgeführt , um das Messsystem zu ref erenzieren .
Weiterhin wird in dem Verfahren bevorzugt bei einem Messvorgang eine Dickenmessung simultan an mehreren über die Fläche der Gasdi f fusionsschicht verteilten Messpunkten durchgeführt .
Die Messpunkte können über die Fläche der Gasdi f fusionslage gleichmäßig und gitterförmig verteilt sein . Als ef fektive Funktions fläche für den Krafteintrag durch das vorgegebene Prüfgewicht wirken lediglich die planparallelen und kongruenten Flächen der oberen und unteren Druckplatte an den j eweiligen Messpunkten .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Messverfahrens ergeben sich in entsprechender Weise aus den Vorteilen der Messvorrichtung . Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 den prinzipiellen Aufbau einer elektrochemischen Zelle , die exemplarisch als PEM-Elektrolysezelle ausgeführt ist ;
FIG 2 in vereinfachter Darstellung das grundlegendes Messprinzip der Erfindung zur Dickenbestimmung eines als Gasdi f fusionsschicht ausgeführten flächigen Bauteils ;
FIG 3 Anordnung mehrerer Messpunkte auf einer Gasdi f fusionsschicht ;
FIG 4 eine Ansicht einer Messvorrichtung für einen ausgewählten Messpunkt einer Gasdi f fusionsschicht ;
FIG 5 eine Ansicht einer Messvorrichtung vor der Messung mit eingelegter Gasdi f fusionsschicht ;
FIG 6 die Messvorrichtung nach FIG 5 während der Messung;
FIG 7 eine Schnittansicht eines Unterstempels mit einer unteren Druckplatte ; FIG 8 eine Draufsicht auf den Unterstempel nach FIG 7 ;
FIG 9 eine schematische Draufsicht auf einen Messtisch mit Messvorrichtung und eingelegter Gasdi f fusionsschicht .
In FIG 1 ist schematisch der Aufbau einer elektrochemischen Zelle 31 gezeigt , die als PEM-Elektrolysezelle ausgebildet ist . Die elektrochemische Zelle 31 ist Teil eines hier nicht näher gezeigten Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser durch elektrischen Strom zur Produktion von Wasserstof f und Sauerstof f .
Die elektrochemische Zelle 31 umfasst einen Elektrolyten aus einer protonleitenden Membran 33 ( Proton-Exchange-Membrane , PEM) , auf welcher sich beidseitig die Elektroden 35a, 35b befinden . Die Einheit aus Membran und Elektroden wird als Memb- ran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet . Mit der Elektrode 35b wird hierbei eine Kathode , und mit der Elektrode 35a eine Anode bezeichnet . An den Elektroden 35a, 35b liegt j eweils eine Gasdi f fusionsschicht 11 an . Die Gasdi f fusionsschichten 11 werden von sogenannten Bipolarplatten 37 kontaktiert , die im zusammengebauten Zustand eines Elektrolyse-Stacks aus mehreren einzelner Elektrolysezellen 31 voneinander trennen .
Die elektrochemische Zelle 31 wird mit Wasser gespeist , welches an der Anode 35a in Sauerstof f-Gas O2 und Protonen H+ zerlegt wird . Die Protonen H+ wandern durch die Elektrolytmembran 33 in Richtung der Kathode 35b . Auf der Kathodenseite rekombinieren sie zu Wasserstof f-Gas H2 .
In einem anderen Aus führungsbeispiel ist die elektrochemische Zelle 31 als eine zur Stromerzeugung ausgebildete galvanische Zelle bzw . Brennstof f zelle ausgeführt . Gemäß der Erfindung sind die Gasdi f fusionsschichten 11 derartig ausgebildeter elektrochemischen Zellen 31 analog zu der in FIG 1 dargestellten Elektrolysezelle 31 zu modi fi zieren . Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird daher im Folgenden exemplarisch auf eine als Elektrolysezelle ausgebildete elektrochemische Zelle 31 Bezug genommen.
Die Gasdiffusionsschicht 11 - auch als Gasdiffusionslage bezeichnet - ist ein flächiges Bauteil 10 und eine für die Elektrolysezelle 31 bedeutsame Funktionsschicht mit verschiedenen Aufgaben im Betrieb einer Elektrolysezelle 31. Durch die Gasdiffusionsschicht 11 werden eine optimale Verteilung des Wassers sowie der Abtransport der Produktgase sichergestellt. Im Falle einer galvanischen Zelle dienen die Gasdiffusionsschichten 11 entsprechend der Zuführung von Reaktanten zu den jeweiligen Elektroden. Wesentlich hierbei ist, dass die Gasdiffusionsschicht 11 in jedem Fall für die gasförmigen Produkte bzw. Edukte hinreichend permeabel ist, so dass deren Abtransport möglich ist.
Die Gasdiffusionsschicht 8 dient insbesondere bei einer Elektrolysezelle zudem als Stromverteiler. Aus diesen Gründen ist die Gasdiffusionsschicht 8 aus einem elektrisch leitenden, porösen Material ausgebildet.
Durch die Gasdiffusionsschicht 11 werden im gezeigten Ausführungsbeispiel Bauteiltoleranzen, insbesondere die der anliegenden Bipolarplatten 37, ausgeglichen. Die Gasdiffusionsschicht 11 enthält daher übereinander geschichtete Lagen, wobei eine äußere Lage als eine Federkomponente ausgebildet ist, die eine progressive Federkennlinie aufweist. Die Gasdiffusionsschicht 11 umfasst insbesondere eine Kontaktierungskomponente, eine Diffusionskomponente und die Federkomponente, die sich voneinander hinsichtlich ihres Aufbaus und/oder ihrer Zusammensetzung spezifisch unterscheiden.
Die Gasdiffusionsschicht 11 von Elektrolysezellen 37 umfassend mehrere geschichtete Diffusionslagen muss besonders hohen Anforderungen an das jeweilige Höhen- bzw. Dickenprofil genügen und aufgrund des vorgegebenen Bauraums des Zellrahmens sehr passgenau für den Einsatz in einer Elektrolysezelle 37 konzipiert und gefertigt sein. Die Maßgenauigkeit und Maßhaltung hinsichtlich der zulässigen Dicke gewinnt dabei insbesondere bei groß formatigen flächigen Gasdi f fusionslagen 11 zunehmend an Bedeutung, wie sie aktuell für den Einsatz in Elektrolyseuren großer Leistung entwickelt und proj ektiert werden . Daher ist für einen industriellen Fertigungsprozess mit hohen Stückzahlen und großer ef fektiver Funktions flächen die Qualitätssicherung bei der Dickeneinstellung der Gasdi ffusionsschicht 11 sehr wichtig . Zudem sind bei der axialen Stapelung und mechanischen Verspannung einer Viel zahl von Elektrolysezellen 31 zu einem leistungsstarken Elektrolyseur die zulässigen Dickentoleranzen zu überwachen .
In FIG 2 ist schematisch das Messprinzip dargestellt , um die Dickenmessung an einer bereits vorgefertigten mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht 11 auf zuzeigen . Die Gasdi f fusionsschicht 11 enthält übereinander geschichtete - nicht näher dargestellte - Lagen, wobei eine äußere Lage als eine Federkomponente ausgebildet ist , die eine progressive Federkennlinie aufweist . Die Gasdi f fusionsschicht 11 umfasst insbesondere eine Kontaktierungskomponente für die elektrische Versorgung, eine Di f fusionskomponente für den Medientransport und eine Federkomponente für die geforderten elastischen Eigenschaften beim Einbau der Gasdi f fusionsschicht 11 in einen Zellrahmen . Die Komponenten und Lagen einer Gasdi f fusionsschicht können sich voneinander bezüglich ihres Aufbaus und/oder ihrer Zusammensetzung entsprechend der Funktion und Einbausituation unterscheiden . Eine kreisrunde obere Druckplatte 5 und eine entsprechende kongruente kreisrunde untere Druckplatte 7 mit gleichem Durchmesser D sind vertikal übereinander angeordnet , so dass ein Zwischenraum gebildet ist . In den Zwischenraum ist eine mehrere Gasdi f fusionslagen aufweisende Gasdi f fusionsschicht 11 eingelegt , deren Dicke bestimmt werden soll . Die obere Druckplatte 5 ist vertikal beweglich absenkbar und anhebbar geführt , während die untere Druckplatte 3 fest in eine massive Unterlage integriert ist . Die obere Druckplatte 5 und die untere Druckplatte 3 weisen ebene planparallele Bauteilkontaktflächen 23 mit demselben präzisen Durchmesser von beispielsweise D = 50 ± 0 , 05 mm auf , um bei einem Messvorgang eine vorgegebene und wohldefinierte Flächenpressung mit unter Anwendung einer vertikalen Prüfkraft F zu bewirken. Die Druckplatten 3, 5 bestehen dabei aus gehärtetem und korrosionsfestem Stahl wie z.B. 1.4923 oder 1.4021. Die Bauteilkontaktflächen 23 sind geschliffen, um eine bestmögliche Planparallelität zu erzielen.
Unter Anwendung der Prüfkraft F auf die oberen Druckplatte 5 ergibt sich somit eine definierte Flächenpressung von beispielsweise 0, 6 N / mm2 an dem ausgewählten Messpunkt der Gasdiffusionsschicht 11. Unter dieser definierten Flächenpressung ergibt sich der zu bestimmende Dickenmesswert H für die Gasdiffusionsschicht 11, wobei der Dickenmesswert H als Abstand zwischen der oberen Druckplatte 5 und der unteren Druckplatte 3 definiert ist. Dabei ist durch die Messanordnung sichergestellt, dass die obere Druckplatte 5 und die untere Druckplatte 3 mit der Bauteilkontakt fläche 23 flächig an der Gasdiffusionsschicht 11 aufliegen und mit der Prüfkraft F beaufschlagt sind. Die Prüfkraft F wird auf einen festen Wert von beispielsweise F = 1178 ± 10 N eingestellt.
In FIG 3 ist eine Ansicht - vorliegend als Draufsicht - eines flächigen Bauteils 10 am Beispiel einer flachen rechteckförmigen Gasdiffusionsschicht 11 gezeigt. Dabei sind mehrere Messpunkte 25 vorgegeben, die auf dem flächigen Bauteil 10 gleichmäßig verteilt sind. Jeder der Messpunkte 25 ist von einem kreisrunden Flächenbereich gebildet, der den Bauteilkontaktflächen 23 einer jeweiligen oberen Druckplatte 5 bzw. einer unteren Druckplatte 3 gemäß FIG 2 entspricht. Die Messpunkte 25 sind gitterförmig angeordnet mit einem vorgegebenen Gitterabstand X und Y bezüglich der Bauteilachsen des flächigen Bauteils 10 in Richtung von dessen Längenerstreckung, d.h. entlang der x-Achse bzw. dessen Breitenerstreckung, d.h. entlang der y-Achse. Vorliegend sind sechs Messpunkte 25 vorgegeben, so dass gleichzeitig an sechs Messpunkten 25 jeweils unter Anwendung derselben Flächenpressung pro Messpunkt 25 von z.B. 0, 6 N / mm2 die Bauteilhöhe lokal bestimmbar ist. In der Ansicht gemäß FIG 3 ist die Bauteilhöhe dabei senkrecht zu der durch die x-Achse und die y-Achse definierten Bauteilebene des flächigen Bauteils 10 festgelegt . Typischerweise kann das rechteckige Messpunktgitter mit X = 635 mm und Y = 210 mm mit konstanten Abständen ausgeführt sein . Die Abstände der Messpunkte 25 zur Bauteilkante können sich j e nach flächigem Bauteil 10 unterscheiden und bedarfsweise adaptiert werden . Die Gasdi f fusionsschicht 11 als flächiges Bauteil 10 weist dabei ein besonders gut reproduzierbares Komprimierungsverhalten auf . Die Federkonstanten der Gasdi f fusionsschicht 11 betragen dabei von bis zu 50 kN / m .
In FIG 4 ist eine Ansicht einer Messvorrichtung 1 für einen ausgewählten Messpunkt 25 einer Gasdi f fusionsschicht 11 gezeigt . Die Messvorrichtung 1 ist für eine präzise Dickenmessung an einer Gasdi f fusionsschicht 11 ausgelegt . Die Messvorrichtung 1 weist eine untere Druckplatte 3 und eine obere Druckplatte 5 sowie ein Prüf gewicht 9 auf . Das Prüf gewicht 9 ist über eine Vertikal führung 7 vertikal beweglich und reibungsarm geführt und gegenüber Rotation um die Vertikalachse fixiert . In eine massive Tischplatte 21 , beispielsweise aus Granit gefertigt , ist die untere Druckplatte 3 eingelassen und fixiert . Dabei ist die untere Druckplatte 3 gesondert und erhaben j edoch als ein integraler Bestandteil eines vollmetallischen Unterstempels 41 ausgeführt , der in die Tischplatte 21 eingelassen ist . Die obere Druckplatte 5 ist mit dem Prüf gewicht 9 mechanisch gekoppelt . Uber das Prüf gewicht 9 kann somit eine vorgegebene Gewichtskraft in die obere Druckplatte 5 eingeleitet und ein zu prüfendes flächiges Bauteil 10 mit einer definierten Flächenpressung beaufschlagt werden . Hierzu weist die Messvorrichtung 1 einen Hebemechanismus 15 auf , mittels dessen das Prüfgewicht 9 vertikal geführt absenkbar ist , wodurch die vorgegebene Prüfkraft F ( siehe FIG 2 ) auf das flächige Bauteil 10 allein über die Gewichtskraft des Prüfgewichts 9 aufbringbar ist . Der Hebemechanismus 15 ist dergestalt ausgeführt , dass bei einem Messvorgang eine vollständige Entkopplung von dem Prüfgewicht 9 bewirkt ist , so dass über die durch das Prüfgewicht 9 hinaus vermittelte Prüfkraft F keine zusätzliche verfälschende Kraft auf das flächige Bauteil 10 aufgebracht wird . Somit können Dickenmessungen an einer mit der Messvorrichtung 1 zu prüfenden Gasdi f fusionsschicht 11 sehr präzise und reproduzierbar durchgeführt werden . Ein als ein C-Profil ausgeführter Kragarm 39 nimmt über den Hebemechanismus 15 die Kraft des Prüfgewichts 9 auf . Der Kragarm 39 ist besonders stabil und massiv ausgeführt . Ferner dient der Kragarm 29 auch zur Befestigung einer - in FIG 9 näher gezeigten - Führungseinrichtung 53 des Hebemechanismus 15 , beispielsweise basierend auf einem Seil zugsystem, für das Anheben und Absenken des Prüfgewichts 9 bei einem Mess zyklus . Zur Ermittlung eines genauen Dickenmesswerts H für die Dicke der Gasdi f fusionsschicht 11 unter den festgelegten Prüfbedingungen und Flächenpressung ist ein Abstandssensor 13 vorgesehen, der in eine übergeordnete Mess- und Kalibriereinrichtung 17 integriert ist . Somit kann ein aktueller Referenzwert als Nullpunkt der Abstandsmessung bestimmt und kontinuierlich überprüft werden und dadurch das Abstandsmaß zwischen der oberen Druckplatte 5 und der unteren Druckplatte 3 bei Bedarf regelmäßig neu kalibriert werden . Zusätzlich ist in der Messvorrichtung 1 zur Stabilisierung und vor allem zur ebenen Ausrichtung einer zu prüfenden Gasdi f fusionsschicht 11 ein Totgewicht 19 als Zusatzgewicht vorgesehen . Das Totgewicht 19 ist dabei radial mindestens 15 mm außerhalb der vertikal geführten oberen Druckplatte 5 angeordnet und beeinflusst die Dickenmessung nicht . Bei einem Absenken der oberen Druckplatte 5 über das Prüfgewicht 9 kann somit eine eingebrachte Gasdi f fusionsschicht 11 unter der Gewichtskraft des Totgewichts flach auf die Unterlage gedrückt werden . Das Totgewicht 19 ist zusätzlich gegenüber Rotation um die Vertikalachse fixiert und bedarfsweise in der oberen Position arretierbar und auch demontierbar .
FIG 5 zeigt eine Ansicht einer Messvorrichtung 1 mit einer in die Messvorrichtung 1 eingelegten Gasdi f fusionsschicht 11 vor Beginn der Messung . Hier befindet sich das Prüfgewicht 9 und damit die obere Druckplatte 5 in einer vertikal oberen Position . Die Gasdi f fusionsschicht 11 ist ein ausgedehntes flächiges Bauteil 10 und kann fertigungsbedingt vor allem an den Rändern aufgewölbt sein . Dies ist in FIG 5 angedeutet . Das Totgewicht 19 ist als ein Zusatzgewicht in die Messvorrichtung eingebracht und radial an der Peripherie und konzentrisch und mit einem Abstand um die obere Druckplatte 5 herum angeordnet . Das Totgewicht 19 kann als massiver metallischer Hohl zylinder ausgeführt sein, wobei für die Funktion des Totgewichts 19 eine kreisringförmige und plane Auflagefläche vorgesehen ist . Mithin ist der Innendurchmesser A des Totgewichts 19 größer als der Durchmesser D der oberen Druckplatte 5 und der unteren Druckplatte 3 . Der Außendurchmesser B ist entsprechend größer als der Innendurchmesser A. Durch die kreisringförmige Aus führung ist durch das Totgewicht 19 eine angepasste Wirkfläche bereitgestellt . Die untere Druckplatte 3 ist als Teil eines Unterstempels 41 für ausgeführt und für die Einwirkung einer definierten Flächenpressung bei der Messung ausgestaltet . Dabei ist der Unterstempel 41 in die Tischplatte 21 integriert , wobei die kreis förmige untere Druckplatte 3 gegenüber der massiven Tischplatte 21 erhaben ist . Entsprechend weist der Unterstempel 41 eine gleichermaßen erhabene kreisringförmige Auflagefläche auf , die kongruent zu der kreisringförmigen Wirkfläche des Totgewichts 19 ausgeführt ist . Die obere Druckplatte 5 ist über ein Kugelkopfgelenk 43 mit dem Prüfgewicht 9 verbunden . Mittels des Kugelkopfgelenks 43 kann eine präzise Einstellung und planparallele Ausrichtung der Bauteilkontaktflächen 23 der oberen Druckplatte 5 und der unteren Druckplatte 3 vorgenommen werden .
Im Vergleich zu FIG 5 zeigt FIG 6 die Messvorrichtung 1 während der Dickenmessung an einer eingebrachten Gasdi f fusionsschicht 11 , wobei eine vorgegebene Presskraft F aufgrund der Gewichtskraft des Prüfgewichts über die obere Druckplatte 5 eingeleitet wird . Das Prüfgewicht 9 mit der oberen Druckplatte 5 ist abgesenkt , so dass die Prüfkraft F eine definierte lokale Flächenpressung der Gasdi f fusionsschicht 11 bewirkt . Weiterhin ist das Totgewicht 19 entsprechend abgesenkt und ruht auf der Peripherie passgenau bezüglich der gegenüberliegenden kreisringförmigen erhabenen Auflagefläche des Unterstempels 41 . Hierdurch ist eine sehr präzise und reproduzierbare planare Ausrichtung der Gasdi f fusionsschicht 11 für die Messung erreicht , und zwar vollständig entkoppelt von der über das Prüfgewicht 9 eingeleiteten Prüfkraft F . Die Messung kann damit sehr genau und zugleich einfach durchgeführt werden, da die Prüfkraft F in besonders einfacher Weise als Gewichtskraft des massiven Prüfgewichts 9 bereitgestellt wird, die praktisch keinen oder nur sehr geringen Toleranzen unterliegt . Aufgrund der Einfachheit der Messvorrichtung 1 und des Messverfahrens sind auch keine aufwendigen Kompensationen erforderlich, wie es bei den bisher bekannten Univer- sal-Prüfmaschinen für diese Mess zwecke der Fall war .
FIG 7 zeigt eine Schnittansicht eines Unterstempels 41 mit einer unteren Druckplatte 3 und FIG 8 eine entsprechende Draufsicht auf den Unterstempel 41 nach FIG 7 . Bei dem Unterstempel 41 ist die untere Druckplatte 3 ein integraler Bestandteil . Die untere Druckplatte 3 ist zylinderförmig mit einer kreis förmigen Bauteilkontakt fläche 23 mit einem vorgegebenen Durchmesser D, beispielsweise D = 50 mm . Die Bauteilkontaktfläche 23 ist plan und oberflächenbehandelt , z . B . poliert , und weist eine geringe mittlere Rautiefe von Rz < 4 auf . Der Gesamtdurchmesser G des Unterstempels 41 kann typischerweise G = 190 mm betragen . Der Innendurchmesser A kann z . B . A = 110 mm betragen und der Außendurchmesser B kann z . B . B = 140 mm betragen . Dadurch ist eine ebenfalls erhabene kreisringförmige Ringfläche 45 als Auflagefläche gebildet , die die Bauteilkontakt fläche 23 konzentrisch und radiale beanstandet umschließt . Der Unterstempel 41 ist einstückig ausgeführt und aus massivem Edelstahl gefertigt , vorzugsweise als ein Drehteil gefertigt und oberflächenbehandelt . Der Übergang von der erhabenen Ringfläche 45 in Richtung radial einwärts zu der erhabenen Bauteilkontakt fläche 23 sowie auch radial auswärts zum Rand des Unterstempels 41 ist als Schräge 47 ausgeführt mit einem Winkel a von typischerweise a = 20 ° für die Schräge 47 . Dadurch ist eine konzentrische Absenkung um die untere Druckplatte 3 bereitgestellt , die vorteilhafterweise das Einführen und Positionieren der Gasdi f fusionsschicht 11 für eine Messung erleichtert . In dieser Absenkung um die untere Druckplatte 3 schließt sich radial einwärts an die Schräge 47 ein Übergangsbereich 49 an, der eben ausgeführt ist .
In FIG 9 ist eine schematische Draufsicht auf einen Messtisch 27 gezeigt . Damit ist ein Messystem für die Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht 11 geschaf fen . Der Messtisch 27 weist eine massive Tischplatte 21 und integriert die oben beschriebene Messvorrichtung 1 auf . Entsprechend der Anzahl von Messpunkten 25 ist in die Tischplatte 21 eine entsprechende Anzahl von Unterstempeln 41 mit einer j eweiligen unteren Druckplatte 3 integriert , vergleiche entsprechend FIG 7 und FIG 8 . Die Messpunkte 25 sind gitterförmig und regelmäßig auf der Tischplatte 21 angeordnet . Uber variierbare Anschläge 49 ist eine passgenaue und flexible Einstallung einer gewünschten Lage und Positionierung der Gasdi f fusionsschicht 11 möglich und einstellbar . Entsprechend der Anzahl und Anordnung der Messpunkte 25 auf dem Messtisch ist j edem der Messpunkte 25 eigens ein Kragarm 39 als C-Profil mit einem j eweiligen Hebemechanismus 15 zugeordnet . Zum Heben und Senken der Prüfgewichte 9 bei einer Messsequenz ist eine Führungseinrichtung 53 an dem Kragarm 39 angebracht , die beispielsweise über ein Seil zugsystem aktivierbar ist . Zum Schutz des Bedieners 55 ist eine Sicherheitseinrichtung 51 vorgesehen, die z . B . einen Lichtvorhang aufweist . Weiterhin ist eine Steuereinrichtung mit einem Bedienpanel 29 vorgesehen, so dass der Messprozess automatisch steuerbar und überwachbar ist . Dabei werden Messdaten des Abstandssensors 13 bzw . der Kalibriereinrichtung 17 in einen Prozessor eingelesen und verarbeitet . Zum automatischen Vorschub kann eine - nicht näher dargestellte - Transporteinrichtung vorgesehen sein . Zur Steuerung und Überwachung des Prozesses ist ein zentraler Computer mit Bedieneinrichtung vorteilhaft . An der Bedienstation werden die Ergebnisse an dem Bedienpanel 29 angezeigt und gespeichert . Eine Messung kann von dem Bediener 55 beispielsweise über einen Fußtaster ausgelöst werden . Zugleich ist bei dem Messtisch 27 eine Servicefunktion mit bedarfsweisem Handbetrieb implementiert , bei der die untere Endlage der Prüfgewichte 9 angefahren wird, um z . B . den Kugelkopfgelenk 43 zu j ustieren .
Bei einem Messvorgang zur Dickenmessung einer Gasdi f fusionsschicht 11 wird eine Messvorrichtung 1 bereitgestellt , wobei in die Messvorrichtung 1 als flächiges Bauteil 10 eine Gasdi f fusionsschicht 11 eingelegt wird, wobei bei einem Messvorgang eine vorgegebene Prüfkraft F über die Gewichtskraft des Prüfgewichts 9 auf die Gasdi f fusionsschicht aufgebracht wird, indem das Prüfgewicht 9 abgesenkt wird, so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt wird, und wobei der Abstand zwischen der oberen Druckplatte 5 und der unteren Druckplatte 3 unter der vorgegebenen Prüfkraft F bestimmt wird . Dabei wird ein aktueller Referenzwert als j eweiliger Nullpunkt ermittelt und dadurch das Abstandmaß zwischen oberer Druckplatte 5 und unterer Druckplatte 3 kalibriert . Bei einem Messvorgang wird eine Dickenmessung simultan an mehreren über die Fläche der Gasdi f fusionsschicht 11 verteilten Messpunkten 25 durchgeführt .

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (1) zur Dickenmessung einer Gasdiffusionsschicht (11) für eine elektrochemische Zelle (31) , umfassend eine untere Druckplatte (3) und eine obere Druckplatte (5) sowie ein über eine Vertikalführung (7) derart geführtes Prüfgewicht (9) , das bei einem Messvorgang eine vorgebbare Prüfkraft über die Gewichtskraft des Prüfgewichts (9) auf ein zu prüfendes flächiges Bauteil (10, 11) aufbringbar ist, so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt ist, und weiter umfassend einen Abstandssensor (13) mittels dessen als Dickenmesswert (H) der Abstand des flächigen Bauteils (10, 11) zwischen der oberen Druckplatte (5) und der unteren Druckplatte (3) unter der vorgegebenen Prüfkraft (F) bestimmbar ist .
2. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend einen Hebemechanismus (15) mittels dessen das Prüfgewicht (9) absenkbar und dadurch die vorgegebene Prüfkraft (F) auf das flächige Bauteil (10, 11) über die Gewichtskraft aufbringbar ist.
3. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der der Hebemechanismus (15) derart ausgestaltet ist, dass bei einem Messvorgang eine Entkopplung von dem Prüfgewicht (9) bewirkt ist, so dass über die durch das Prüfgewicht (9) vermittelte Prüfkraft (F) hinaus keine zusätzliche Kraft auf das flächige Bauteil (10, 11) aufgebracht wird.
4. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Gewichtskraft des Prüfgewichts (9) einstellbar ist, so dass eine Kalibrierung der Prüfkraft (F) erzielbar ist.
5. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vertikalführung (7) gegenüber einer Rotation um die Vertikalachse fixiert ist, so dass ein positionsgenaues und reproduzierbares Absenken des Prüfgewichts (9) gewährleistet ist.
6. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Kalibriereinrichtung (17) vorgesehen ist, mit der ein aktueller Referenzwert als Nullpunkt der Abstandsmessung ermittelbar und dadurch das Abstandmaß zwischen oberer Druckplatte (5) und unterer Druckplatte (3) kalibrierbar ist.
7. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Totgewicht (19) vorgesehen ist, welches radial außerhalb der vertikal geführten oberen Druckplatte (5) angeordnet ist, so dass bei einem Absenken der oberen Druckplatte (5) ein zu prüfendes flächiges Bauteil (10, 11) unter der Gewichtskraft des Totgewichts (19) flach auf die Unterlage anpressbar ist.
8. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Totgewicht (19) gegen Rotation um die Vertikalachse fixiert ist, wobei bedarfsweise das Totgewicht (19) arretierbar und demontierbar ist.
9. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Druckplatten (3, 7) jeweils als kreisrunde ebene Platten aus einem gehärteten korrosionsbeständigen Stahl ausgeführt sind, die kongruent und planparallel zueinander ausgerichtet sind.
10. Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die obere Druckplatte (5) über ein Kugelkopfgelenk (43) mit einem Schaft des Prüfgewichts (9) verbunden ist, so dass eine planparallele Ausrichtung der Druckflächen der oberen Druckplatte (5) und der unteren Druckplatte (3) einstellbar ist.
11. Messvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von Plattenpaaren umfassend jeweils eine obere Druckplatte (5) und eine untere Druckplatte (3) , wobei die Plattenpaare derart angeordnet sind, dass bei einer Messung jeweilige Dickenmesswerte (H) eines für eine Messung eingebrachten flächigen Bauteils (10, 11) an mehreren Messpunkten (25) simultan ermittelbar sind.
12. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 11, bei der die Plattenpaare regelmäßig über die Fläche angeordnet sind, so dass jeweilige lokale Dickenmesswerte (H) eines für eine Messung eingebrachten flächigen Bauteils (10, 11) bestimmbar sind.
13. Messtisch (27) umfassend eine Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Tischplatte (21) in die eine untere Druckplatte (3) integriert ist, wobei auf der Tischplatte (21) eine Auflagefläche zur Aufnahme eines flächigen Bauteils (10, 11) zur Dickenmessung gebildet ist .
14. Messtisch (27) nach Anspruch 13, umfassend eine Steuereinrichtung mit einem Bedienpanel (29) , so dass der Messprozess steuerbar und überwachbar ist, wobei Messdaten des Abstandssensors (13) in einen Prozessor einlesbar und verarbeitbar sind.
15. Messtisch (27) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend eine Transporteinrichtung zum Beladen und Entladen eines flächigen Bauteils (10, 11) .
16. Verfahren zur Dickenmessung einer Gasdiffusionsschicht (11) einer elektrochemischen Zelle (31) , bei dem eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bereitgestellt wird, wobei in die Messvorrichtung (1) als flächiges Bauteil
(10) eine Gasdiffusionsschicht (11) eingelegt wird, wobei bei einem Messvorgang eine vorgegebene Prüfkraft (F) über die Gewichtskraft des Prüfgewichts (9) auf die Gasdiffusionsschicht
(11) aufgebracht wird, indem das Prüfgewicht (9) abgesenkt wird, so dass eine definierte Flächenpressung bewirkt wird, und wobei der Abstand zwischen der oberen Druckplatte (5) und der unteren Druckplatte (3) unter der vorgegebenen Prüfkraft (F) bestimmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein aktueller Referenzwert als jeweiliger Nullpunkt ermittelt wird und dadurch das Abstandmaß zwischen oberer Druckplatte (5) und unterer Druckplatte (3) kalibriert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei bei einem Messvorgang eine Dickenmessung simultan an mehreren über die Fläche der Gasdiffusionsschicht (11) verteilten Messpunkten (25) durchgeführt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10027339A1 (de) 2000-06-02 2001-12-06 Bayer Ag Dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode
DE10052224B4 (de) 2000-10-21 2009-12-10 Daimler Ag Gasdiffusionselektrode mit erhöhter Toleranz gegenüber Feuchteschwankung, eine diese aufweisende Membranelektrodenanordnung, Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode und der Membranelektrodenanordnung sowie Verwendung der Membranelektrodenanordnung
DE60302610T2 (de) 2002-04-05 2006-07-06 Chlorine Engineers Corp., Ltd. Ionenaustauschmembran-Elektrolyseur
DE102004023161A1 (de) 2004-05-07 2005-11-24 Eilenburger Elektrolyse- Und Umwelttechnik Gmbh Elektrolysezelle mit Mehrlagen-Streckmetall-Kathoden
ITMI20060054A1 (it) 2006-01-16 2007-07-17 Uhdenora Spa Distributore di corrente elastico per celle a percolatore
KR20090049882A (ko) * 2007-11-14 2009-05-19 한국타이어 주식회사 유로가 있는 연료전지 분리판의 두께와 유로 깊이 측정장치
JP5785492B2 (ja) 2009-05-26 2015-09-30 ティッセンクルップ・ウーデ・クロリンエンジニアズ株式会社 ガス拡散電極装着イオン交換膜電解槽
CN201440069U (zh) 2009-06-04 2010-04-21 苏州达信科技电子有限公司 厚度量测装置
KR100972956B1 (ko) * 2010-05-04 2010-07-30 한국에너지기술연구원 연료전지용 기체확산층 품질 검사 장치
ES2727129T3 (es) 2014-06-16 2019-10-14 Siemens Ag Capa de difusión gaseosa, celda electrolítica tipo PEM con una tal capa de difusión gaseosa, así como electrolizador
CN105423979A (zh) * 2015-12-17 2016-03-23 佛山市南海区欣源电子有限公司 一种软包式锂电池厚度测量装置
CN105865392B (zh) * 2016-05-25 2019-04-05 北京新能源汽车股份有限公司 用于软包动力电池厚度变化测量的测量装置
EP3771753A1 (de) 2019-07-30 2021-02-03 Siemens Aktiengesellschaft Zellrahmen für elektrolysezelle, elektrolysezelle und verfahren zum herstellen der elektrolysezelle
CN212843311U (zh) 2020-08-05 2021-03-30 浙江南都电源动力股份有限公司 一种压力测厚设备

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