B E S C H R E I B U N G
Meßvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung der lokalen Stromverteilung/Wärmeverteilung an einer elektrochemischen Elektrode, umfassend eine Mehrzahl von Meßsegmenten, wobei ein Meßsegment ein Widerstandselement und mindestens ein Stromleitungselement aufweist, über welches die elektrochemische Elektrode kontaktierbar ist und eine Stromableitung zu dem zugeordneten Widerstandselement erfolgt.
Eine solche Meßvorrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 101 51 601 AI bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche auf einfache Weise herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Meßvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das einem Meßsegment zugeordnete Widerstands- element so orientiert ist, daß der Stromfluß an dem Widerstandselement in
einer Richtung quer zu der Stromflußrichtung an dem Stromleitungselement erfolgt.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich auf einfache Weise herstellen, insbesondere im Zusammenhang mit einem mehrlagigen Aufbau, da sich die Widerstandselemente auf einfache Weise herstellen lassen. Beispielsweise werden sie über eine Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie flächenhaft aufgebracht.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung läßt sich gering halten bzw. anpassen, da sich die Höhe der Widerstandselemente in der Dickenrichtung gering halten läßt, so daß die Dicke der Meßvorrichtung nicht durch die Widerstandselemente selber bestimmt ist.
Die Meßvorrichtung läßt sich somit durch aus der Leiterplattentechnik bekannte Produktionsverfahren herstellen und insbesondere als Multilayerplatine herstellen.
Die Meßvorrichtung, die beispielsweise in eine bipolare Kontaktplatte integriert sein kann, läßt sich flach ausgestalten und insbesondere mit einer Dicke, die herkömmlichen Bipolarplatten entspricht, die keine Meßvorrichtung enthalten. Dadurch muß der Abstand zwischen gegenüberliegenden Elektroden nicht wegen der Messung der lokalen Stromverteilung bzw. lokalen Wärmeverteilung verändert werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Stromleitungselemente quer zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung
angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Ströme von der Oberfläche weg führen, wobei diese Oberfläche wiederum in Kontakt mit der elektrochemischen Elektrode steht.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Widerstandselemente im wesentlichen parallel zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung orientiert sind. Dadurch wird die Herstellung der Meßvorrichtung vereinfacht. Insbesondere läßt sich diese als Multilayerplatine (d. h. mit einem mehrlagigen Aufbau) herstellen. Weiterhin bestehen keine besonderen Einschränkungen für die Dicke der Meßvorrichtung aufgrund der Ausbildung der Widerstandselemente.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Meßsegment eine geschlossene Kontaktoberfläche für die elektrochemische Elektrode aufweist. Es läßt sich dann von jedem Punkt der elektrochemischen Elektrode, die mit der Kontaktoberfläche in elektrischem Kontakt steht, Strom abführen. Dadurch wird eine sichere Messung erreicht.
Es ist günstig, wenn die Stromleitungselemente in einem Raster bezogen auf die Kontaktoberfläche angeordnet sind. Dadurch läßt sich der von der Kontaktoberfläche gewissermaßen aufgenommene Strom auf sichere Weise zu einem zugeordneten Widerstandselement ableiten, wobei sich der Widerstand der einzelnen Stromleitungsele εnte gering halten läßt.
Weiterhin ist es günstig, wenn Kontaktoberflächen auf einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung in einem Raster angeordnet sind. Dadurch läßt sich ein weitgehend lückenloser Bereich der
Oberfläche der elektrochemischen Elektrode bezüglich der lokalen Stromverteilung ausmessen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Stromleitungselemente, welche von einer Oberfläche der Meßvorrichtung wegführen, welche der elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, derart ausgebildet sind, daß eine Gasdichtigkeit gewährleistet ist. Beispielsweise sind sie massiv ausgebildet. In der Leiterplattentechnik werden Stromleitungselemente durch Platinenlagen hindurch oft hohlzylindrisch ausgeführt, d. h. in einer Durchgangsbohrung wird die Innen- fläche mit einem elektrischen Leiter versehen. Es kann vorgesehen sein, daß ein Stromleitungselement massiv ist. Es kann sich aber auch um ein Hohlelement handeln, dessen Hohlraum befüllt ist, um eine Gasdichtigkeit herzustellen. Dadurch wird eine Gasdichtigkeit gewährleistet, d. h. es wird verhindert, daß über die Stromleitungselemente ein Reaktionsgas in die Meßvorrich- tung strömen kann.
Ein Stromleitungselement läßt sich auf einfache Weise hersteilen, wenn entsprechende Ausnehmungen und insbesondere Bohrungen mit einem elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer verkleidet oder gefüllt sind. Im Falle der Ver- kleidung wird der Hohlraum gefüllt. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine Stromleitungsrichtung quer zu der Oberfläche erzielen.
An jedem Widerstandselement ist eine elektrische Spannung abgreifbar, so daß über den Spannungswert ein durch das jeweilige Widerstandselement fließender Strom ermittelbar ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Widerstandselemente bezüglich ihres Widerstandswerts kalibrierbar sind. Grundsätzlich können die Widerstandselemente eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Wenn die Widerstandselemente mittels Kupferschichten gebildet werden, dann weisen sie sogar eine relativ starke Temperaturabhängigkeit auf. Aus einem gemessenen Spannungsabfall läßt sich dann nur der Stromdurchfluß ermitteln, wenn die Temperatur bekannt ist und der entsprechende Widerstandswert bei dieser Temperatur bekannt ist. Beim Kalibrierungsvorgang wird der entsprechende Widerstand mit einem definierten Strom beaufschlagt, wobei definierte Tem- peraturbedingungen herrschen, und der Spannungsabfall ermittelt. Die entsprechenden Werte werden gespeichert. Wenn dann bei der eigentlichen Messung ein Spannungsabfall ermittelt wird und die Temperatur bekannt ist, dann lassen sich aus den beim Kalibrierungsvorgang ermittelten Tabellen auch der Stromdurchfluß ermitteln und damit wiederum der jedem Meßsegment zu- geordnete lokale Elektrodenstrom.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Widerstandselement einen oder mehrere Kalibrierungsanschlüsse aufweist, um so an jedem Widerstandselement die entsprechenden Kalibrierungsmessungen durchführen zu können.
Ferner günstig ist es, wenn ein oder mehrere Meßsegmente zur Temperaturmessung vorgesehen sind. Bei diesen Meßsegmenten kann es sich um die eigentlichen Mεßsegmente handeln oder um zusätzliche Meßsegmente, welche insbesondere zwischen den eigentlichen Meßsegmenten für die lokale Strom- Verteilung angeordnet sind. Mit diesen Meßsegmenten zur Temperaturmessung läßt sich beispielsweise die lokale Temperaturverteilung auf der elektrochemischen Elektrode ermitteln. Alternativ läßt sich bei entsprechender
Anordnung zwischen den Meßsegmenten zur lokalen Stromverteilung über die Temperaturmessungs-Meßsegmente die Temperatur in einer Lage ermitteln, welche die Widerstandselemente für die Strommessung aufnimmt, um so in Abhängigkeit der Temperatur den relevanten Widerstandswert insbesondere aus einer Kalibrierungstabelle zu ermitteln. Dadurch kann der Temperatureinfluß auf den Widerstandswert erfaßt werden, und so wiederum der Stromwert mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Insbesondere weist ein Temperaturmessungs-Meßsegment ein Widerstands- element bekannter Temperaturcharakteristik auf. Dadurch läßt sich über die Beaufschlagung mit einem definierten Strom und über Messung des Spannungsabfalls die Temperatur ermitteln.
Vorteilhafterweise sind die Temperaturmessungs-Meßsegmente zwischen Meß- Segmenten für die Strommessung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform läßt sich dann die Meßgenauigkeit für die Strommessung erhöhen, da der Temperatureinfluß auf den Widerstandswert der Widerstandselemente berücksichtigbar ist. ι
Günstig ist es, wenn die Meßvorrichtung einen mehrlagigen Aufbau aufweist. Sie läßt sich dann mit bekannten Produktionsverfahren aus der Multilayer- technik herstellen.
Insbesondere ist eine Lage vorgesehen, in welcher die Widerstandselemente angeordnet sind. Die Dicke dieser Lage ist dabei nicht durch die Dicke der Widerstandselemente bestimmt.
Femer ist es günstig, wenn eine Lage vorgesehen ist, in welcher Stromleitungselemente angeordnet sind, welche zu einer der elektrochemischen Elektrode zugewandten Oberfläche der Meßvorrichtung führen. Über diese Stromleitungselemente lassen sich Ströme von einer Oberfläche ableiten, d. h. lassen sich Ströme von der Elektrode zu den Widerstandselementen hin ableiten.
Es ist auch günstig, wenn eine Lage vorgesehen ist, welche zwischen der Lage mit den Stromleitungselementen, welche zu der Oberfläche führen, und der Lage mit den Widerstandselementen angeordnet ist, und welche Stromleitungselemente zu den Widerstandselementen umfaßt. Dadurch läßt sich für jedes Meßsegment individuell eine definierte Stromableitung zu dem Widerstand erreichen, wobei von der übergeordneten Lage her nur ein Stromleitungselement vorgesehen werden muß. Dadurch genügt von dieser Lage her nur eine Anschlußstelle zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements.
Ferner ist es günstig, wenn eine Lage, welche Leitungen für eine Kalibrierung des Widerstandselements umfaßt, vorgesehen ist. Insbesondere ist diese Lage so ausgebildet, daß Leiterbahnen verdeckt angeordnet sind, d. h. nicht an einer Oberfläche der Meßvorrichtung sitzen. Diese sind dadurch geschützt.
Es ist auch günstig, wenn eine äußere Lage vorgesehen ist, weiche für eine elektrische Kontaktierung einer Oberfläche der Meßvorrichtung sorgt, welche der Oberfläche, die der zu messenden elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, gegenüberliegend ist. Über diese Lage lassen sich die elektrischen Stromkreise schließen.
Eine solche äußere Lage läßt sich auf einfache Weise herstellen, wenn eine Kontakteinrichtung, welche der Oberfläche der Meßvorrichtung gegenüberliegt, die der zu messenden elektrochemischen Elektrode zugewandt ist, eine Äqui- potentialfläche ist. Eine solche Äquipotentialfläche läßt sich auf einfache Weise durch eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material oder durch eine Platte aus einem elektrisch leitenden Material herstellen. Es läßt sich so auf einfache Weise eine Stromsammeieinrichtung realisieren, auf der die einzelnen Strompfade zusammengefaßt sind. Da elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind, läßt sich über eine solche Äquipotentialfläche eine gute Kühlung erreichen. Es können auch auf einfache Weise Kühlkanäle integriert werden, inbesondere bei dem Vorsehen einer Platte.
Günstig ist es, wenn mindestens ein Anschlußelement für die Spannungs- messung vorgesehen ist. Über dieses Anschlußelement, welches entsprechende Kontakte aufweist, lassen sich dann Spannungssignale abgreifen und zu einer Auswerteeinrichtung führen. Es können dabei mehrere solcher Anschlußelemente vorgesehen sein, beispielsweise zwei, die an gegenüberliegenden Seiten der Meßvorrichtung liegen. Dadurch wird die Führung der Leiterbahnen in den entsprechenden Lagen erleichtert.
Es ist auch günstig, wenn mindestens ein Anschlußelement und insbesondere getrenntes Anschlußelement für eine Kalibrierungsmessung der Widerstandselemente vorgesehen ist. Auch hierdurch wird die Leiterbahnführung erleich- tert.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich in eine Kontaktplatte und insbesondere Bipolarplatte zur Anordnung zwischen einer benachbarten Anode
und Kathode integrieren. Die benachbarte Anode und Kathode sind dabei insbesondere eine benachbarte Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels.
Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in ein Gasverteilungselement zu integrieren, mittels welchem Reaktionsgas zu einer elektrochemischen Elektrode zuführbar ist. Es ist dabei eine gleichzeitige Ausbildung als Kontaktplatte und Gasverteilungselement möglich. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die entsprechende elektrochemische Elektrode selber mit Gasverteilungskanälen versehen ist. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in ein Gasverteilungselement zu integrieren, welches nicht zwischen benachbarten Elektroden angeordnet ist, sondern nur einer einzigen Elektrode zugeordnet ist.
Die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, welche als
Kontaktplatte zwischen einer gegenüberliegenden Anode und Kathode angeordnet ist;
Figur 2 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Ausfüh- rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;
Figur 3(a) einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Widerstandslage
(entsprechend dem Bereich A gemäß Figur 7);
Figur 3(b) eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung mit Stromlei- tungselementen (entsprechend dem Bereich B gemäß
Figur 8), welche unterhalb des in Figur 3(a) gezeigten Bereichs liegen;
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung eines Widerstandselements zur Temperaturmessung (entsprechend dem Bereich C gemäß Figur 7);
Figuren 5 bis 9 Schnittansichten in verschiedenen Ebenen der Meßvorrichtung gemäß Figur 2, wobei die verschiedenen Schnitt- ansichten verschiedene Lagen zeigen, mit
Figur 5 einer Schnittansicht in einer ersten Lage längs der Linie
5-5 gemäß Figur 2;
Figur 6 einer Schnittansicht längs der Linie 6-6 gemäß Figur 2 entsprechend einer zweiten Lage;
Figur 7 einer Schnittansicht längs der Linie 7-7 gemäß Figur 2 entsprechend einer Lage mit Widerstandselementen;
Figur 8 einer Schnittansicht längs der Linie 8-8 gemäß Figur 2 entsprechend einer Lage mit Kalibrierungsleitungen für Widerstandselemente und
Figur 9 einer Draufsicht auf die Meßvorrichtung gemäß Figur 2 in der Richtung D entsprechend einer fünften Lage.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, welche in Figur 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, ist bei- spielsweise als Kontaktplatte (Bipolarplatte) zwischen einer Kathode 12 als elektrochemische Elektrode und einer Anode 14 als weitere elektrochemische Elektrode angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei der Kathode 12 und der Anode 14 um die benachbarten Elektroden zwischen benachbarten Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels.
Die Meßvorrichtung 10 kann, wie erwähnt, als Kontaktplatte ausgebildet sein oder in eine solche Kontaktplatte integriert sein.
Die Meßvorrichtung 10 kann zusätzlich oder alternativ als Gasverteilungs- element ausgebildet sein, welches Gaskanäle 16 aufweist, über welche sich
Reaktionsgas der entsprechenden elektrochemischen Elektrode zuführen läßt.
Es ist möglich, daß das Gasverteilungselement gleichzeitig eine Kontaktplatte
Es ist auch möglich, daß Gasverteilungskanäle in die elektrochemische Elektrode integriert sind, so daß die Kontaktplatte mit der Meßvorrichtung keine Gasverteilungsfunktion hat.
Durch die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich die lokale Stromverteilung und bei einer Variante einer Ausführungsform auch noch die lokale Wärmeverteilung an der auszumessenden elektrochemischen Elektrode (in Figur 1 der Kathode 12) ermitteln.
Die Meßvorrichtung 10 weist, wie in Figur 2 gezeigt, eine Oberfläche 18 auf, welche der zu messenden elektrochemischen Elektrode 12 zugewandt ist und mit dieser in elektrischen Kontakt bringbar ist. Es ist eine Mehrzahl von Meß- Segmenten 20 für die Strommessung vorgesehen, welche über die Meßvorrichtung 10 verteilt sind. Jedes Meßsegment 20 ist einem bestimmten Oberflächenbereich der zu messenden elektrochemischen Elektrode 12 zugeordnet und über das entsprechende Meßsegment 20 läßt sich der Strom an dem zugeordneten Bereich der elektrochemischen Elektrode 12 messen. Die räum- liehe Auflösung der Messung ist durch die Anzahl und durch die Größe der Meßsegmente 20 bestimmt.
Ein Meßsegment 20 weist eine Kontaktfläche 22 (Kontaktoberfläche) zur Kontaktierung der elektrochemischen Elektrode 12 auf. Bei einer solchen Kontakt- fläche 22 handelt es sich beispielsweise um aus einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer auf der Oberfläche 18. Benachbarte Kontaktflächen 22 sind dabei beabstandet, d. h. sie sind nicht leitend miteinander verbunden. Diese Kontaktflächen 22 sind in einem Raster angeordnet, welches die Oberfläche 18 mit den entsprechenden Lücken zwischen benachbarten Kontaktflächen 22 bedeckt.
Die Meßvorrichtung 10 ist vorzugsweise mehrlagig aufgebaut. Eine erste Lage 24 umfaßt die Oberfläche 18 mit den Kontaktflächen 22. In dieser ersten Lage
24 sind jeweils einer Kontaktfläche 22 zugeordnet mehrere Ausnehmungen 26 gebildet, welche gasdicht gefüllt sind, beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Material 28. Es ist auch möglich, die Durch kontaktierungen durch Verkleidung der Wände der Äusnehmungen 26 mit einem elektrisch leitenden Material herzustellen, wobei der eventuell verbleibende Zwischenraum gasdicht gefüllt ist (das Füllmaterial muß hier nicht elektrisch leitend sein). Beispielsweise sind die Ausnehmungen 26 mit Kupfer gefüllt. Die Kontaktflächen 22 sitzen auf diesen gefüllten Ausnehmungen 26 und. sind mit diesen elektrisch verbunden. Dadurch sind Stromleitungselemente 30 gebildet, mittels welchen sich ein elektrischer Strom von den jeweiligen Kontaktflächen 22 her durch die erste Lage 24 führen läßt. Die Stromleitungselemente 30 sind dabei quer zur Oberfläche 18 angeordnet, so daß ein Stromfluß durch die erste Lage 24 hindurch erfolgen kann.
Jeder Kontaktfläche 22 ist eine Mehrzahl von Stromleitungselementen 30 zugeordnet. Es ist auch möglich, jedem Stromleitungselement 30 an der Oberfläche 18 eine eigene Kontaktfläche zuzuordnen (in der Zeichnung nicht gezeigt).
Die Kontaktflächen 22 können vergoldet sein. Dadurch erhält man eine Verminderung des Kontaktwiderstands zur elektrochemischen Elektrode bei erhöhter chemischer Beständigkeit.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt ein Meßsegment 20 8 x 8 Stromlei- tungselemente 30 als Durchkontaktierungen, wobei beispielsweise 7 x 7 Meßsegmente 20 vorgesehen sind. Ein Meßsegment 20 weist an der Oberfläche 18
eine Fläche von 7 mm x 7 mm auf. Der Teil eines solchen Meßsegments 20, welcher in der ersten Lage 24 liegt und mit einer entsprechenden Kontaktfläche 22 an der Oberfläche 18 verbunden ist, ist in Figur 5 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 32 versehen.
Dadurch, daß einem Meßsegment 20, welches eine Kontaktfläche 22 aufweist, eine Mehrzahl von insbesondere gitterförmig angeordneten Stromleitungselementen 30 als Durchkontaktierungen zugeordnet ist, läßt sich eine Strombeaufschlagung über den gesamten Bereich der Kontaktfläche 22 er- mittein, unabhängig von eventuell integrierten Gaskanälen. Die Ableitung des Stroms durch die erste Lage 24 hindurch ist gewährleistet.
Wenn die Stromleitungselemente 30 massiv ausgebildet sind oder die Ausnehmungen 26 gefüllt sind, läßt sich ein Gasdurchtritt in unter der ersten Lage 24 angeordnete weitere Lagen verhindern.
Auf die erste Lage 24 folgt eine zweite Lage 34. In der zweiten Lage 34 sind dabei, wie in den Figuren 2 und 6 angedeutet, einem Meßsegment 20 zugeordnete Stromleitungselemente 30 über eine Kontaktschicht 36 leitend mitein- ander verbunden. Die Kontaktschichten 36 benachbarter Meßsegmente 20 sind dabei elektrisch gegeneinander isoliert.
Von den den jeweiligen Meßsegmenten 20 zugeordneten Kontaktschichten 36 führt jeweils ein einziges Stromleitungselement 38 nach unten in eine benach- barte dritte Lage 40 (Figuren 2 und 7). In der dritten Lage 40 sind Widerstandselemente 42, 44 (Figuren 3(a), 4 und 7) angeordnet.
Die Widerstandselemente 42 dienen zur Strommessung und die Widerstandselemente 44 dienen zur Temperaturmessung.
Ein Widerstandselement 42, welches einem Meßsegment 20 zugeordnet ist, liegt im wesentlichen parallel zur Oberfläche 18 orientiert in der dritten Lage 40 mit einer Stromflußrichtung, die quer zur Stromflußrichtung in den Stromleitungselementen 30 ist und insbesondere rechtwinklig zu der Stromflußrichtung durch die erste Lage 24 liegt. Dadurch läßt sich die Dicke der Meßvorrichtung 10 quer zur Oberfläche 18 gering halten bzw. gezielt einstellen.
Die Widerstandselemente 42 sind entsprechend den Meßsegmenten 20 beispielsweise in einem Raster verteilt in der dritten Lage 40 angeordnet.
Ein Widerstandselement 42 ist dabei an Leitungen 46, 48 über Anschlüsse 50, 52 angekoppelt. Diese Leitungen 46 verlaufen in der dritten Lage 40 zu einem seitlichen Rand der Meßvorrichtung 10. Über sie läßt sich die an den jeweiligen Widerstandselementen 42 abfallende Spannung messen.
Die Widerstandselemente 42 sind zur Strombeaufschlagung nach oben zu der zweiten Lage 34 hin über die Stromleitungselemente 38 kontaktiert. Nach unten zu einer vierten Lage 54 hin ist jedem Widerstandselement 42 ein einziges Stromleitungselement 56 vorgesehen (Figur 3(b)).
Bei Stromfluß durch eine Kontaktfläche 22 fließt der Strom über die entspre- chenden Stromleitungselemente 30 auf das zugeordnete Widerstandselement 42 des jeweiligen Meßsegments 20 ab mit einer Richtung, die quer zur Oberfläche 18 ist. In dem Widerstandselement 42 fließt der Strom dann zwischen
den entsprechenden Ankopplungsstellen an das Stromleitungselement 38 und das Stromleitungselement 56 durch das Widerstandselement 42 hindurch mit einer Stromflußrichtung, welche quer zur Stromflußrichtung in den Stromleitungselementen 30 liegt.
An den Anschlüssen 50, 52 ist die abfallende Spannung abgreifbar.
Zwischen entsprechenden Widerstandselementen 42, die den jeweiligen Meßsegmenten 20 zugeordnet sind, sind die Widerstandselemente 44 angeordnet. Dadurch sind zwischen den Meßsegmenten 20 für die Strommessung Temperaturmessungs-Meßsegmente 57 angeordnet. Diese weisen eine größere Fläche für den Stromdurchfluß auf als die Widerstandselemente 42. Sie dienen zur Temperaturmessung, indem sie extern mit einem definierten Strom beaufschlagt werden und die jeweils abfallende Spannung gemessen wird, wobei die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Widerstandselemente 44 bekannt ist, so daß aus einer elektrischen Messung die Temperatur ermittelbar ist.
Ein Widerstandselement 44 ist dazu zwischen Anschlußleitungen 58, 60 gebil- det, wie in Figur 4 gezeigt. Über diese Anschlußleitungen 58, 60, welche in der dritten Lage 40 nach außen verlaufen, kann ein Strom durch das Widerstandselement 44 geschickt werden. Die zwischen Anschlüssen 62, 64 abfallende Spannung wird gemessen, wobei entsprechende Leitungen 56, 68 vorgesehen sind, die an den Rand der Meßvorrichtung 10 führen. Diese Leitungen 66, 68 verlaufen in der dritten Lage 40.
Ein Widerstandselement 44 ist beispielsweise, wie in Figur 4 gezeigt, mäanderförmig ausgebildet mit Leiterbahnen, welche zwischen den Anschlüssen 62 und 64 verlaufen. Dadurch läßt sich in der dritten Lage 40 über eine Spannungsmessung die Temperatur ermitteln.
Mehrere Widerstandselemente 44 sind in der dritten Lage 40 in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich die Stromversorgung vereinfachen, da weniger externe Anschlüsse benötigt werden.
Wie aus den Figuren 4 und 7 ersichtlich ist, sind die Widerstandselemente 44 so zwischen den Widerstandselementen 42 der entsprechenden Meßsegmente 20 angeordnet, daß sie deren regelmäßige Anordnung nicht stören, wobei gleichzeitig die Leiterbahnen der Leitungen 58, 60 und 66, 68 in der entsprechenden dritten Lage 40 geführt sind.
Durch die vierte Lage 54 (Figuren 3(b) und 8) hindurch ist jedem Widerstandselement 42 zugeordnet ein Stromleitungselement 70 geführt. Die jeweiligen Stromleitungselemente 70 sind dabei mit einer eine fünfte Lage 72 (Figuren 2 und 9) bildenden Äquipotentialfläche 74 verbunden. Bei dieser han- delt es sich beispielsweise um eine Kupferplatte oder eine Kupferschicht. Über diese Äquipotentialfläche 74, welche eine Kontakteinrichtung bildet, wird der Strom weitergeleitet.
In der vierten Lage 54 sind auch quer zur Oberfläche 18 verlaufende Strom- leitungselemente 76 angeordnet (Figuren 2, 3(b), 8), die jeweils einem Meßsegment 20 zugeordnet sind und mit dem jeweiligen Widerstandselement 42 verbunden sind.
Ein solches Stromleitungselement 76 ist weiterhin an eine Leiterbahn 78 gekoppelt, welche in der vierten Lage 54 zu einer Seite der Meßvorrichtung 10 läuft.
Bei der Ankopplungsstelle eines Stromleitungselements 76 an ein Widerstandselement 42 handelt es sich um einen Kalibrieranschluß 80. Zur Kalibrierung des Widerstandselements 42 eines Meßsegments 20 wird über den Kalibrieranschluß 80, d. h. über das Stromleitungselement 76, ein definierter Strom durch das Widerstandselement 42 geschickt. Der Stromfluß erfolgt dabei durch die Leiterbahn 78 über das Stromleitungselement 76 durch das Widerstandselement 42 und dann durch die Stromleitungselemente 56 und 70 zur Äquipotentialfläche 74 zur Schließung des Stromkreises. Die abfallende Spannung wird an den Anschlüssen 50, 52 abgegriffen.
Es läßt sich dann zur Vorbereitung der Messung der Widerstandswert bei definierten Temperaturen ermitteln. Die entsprechenden Werte werden beispielsweise beim Kalibriervorgang temperaturabhängig in einer Tabelle gespeichert.
Bei einem eigentlichen Meßvorgang, bei dem die lokale Stromverteilung an der elektrochemischen Elektrode 12 gemessen wird, wird dann über die Widerstandselemente 44 die Temperatur ermittelt. Durch Messung des Spannungsabfalls der Widerstandselemente 42 läßt sich dann durch Berücksichtigung der hinterlegten Widerstandswerte bei der bestimmten Temperatur der jeweils über die Widerstandselemente 42 fließende Strom ermitteln, welcher wiederum von der elektrochemischen Elektrode 12 geliefert wird.
Durch die räumliche Positionierung der Meßsegmente 20 bezüglich der Oberfläche 18 wiederum lassen sich dadurch die lokalen Ströme an der elektrochemischen Elektrode 12 messen, so daß sich die lokale Stromverteilung auf der elektrochemischen Elektrode 12 ermitteln läßt.
Wenn der Widerstandswert der Widerstandselemente 42 in seiner Abhängigkeit von der Temperatur bekannt ist, dann ist ein solcher Kalibrierungsvorgang nicht notwendig.
Grundsätzlich ist es durch die erfindungsgemäße Lösung auch möglich, wenn die Widerstandselemente 42 entsprechend ausgebildet sind mit bekannter Temperaturabhängigkeit, die lokale Wärmeverteilung auf der elektrochemischen Elektrode 12 zu messen.
Die Widerstandselemente 44 dienen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dazu, die Temperatur in der dritten Lage 40 zu messen und dadurch aus dem Kalibrierungsergebnis mit hoher Genauigkeit einem gemessenen Spannungsabfall einen Stromwert für den Strom, welcher durch die entsprechenden Widerstandselemente 42 fließt, zuordnen zu können.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 10 ist mit Anschlußelementen versehen, an welchen die entsprechenden Spannungswerte abgreifbar sind. Beispielsweise sind an der ersten Lage 24 und der vierten Lage 54 ein erstes Anschlußelement 82 und ein zweites Anschlußelement 84 gebildet. Über diese Anschlußelemente 82, 84 läßt sich an entsprechenden Kontakten jeweils der Spannungsabfall, welcher den Widerstandselementen 42 der einzelnen Meßsegmente 20 zugeordnet ist, abgreifen. Die entsprechenden Spannungssignale
lassen sich dann an eine Auswerteeinrichtung weitergeben, um bei bekannter Temperatur aus dem Spannungswert über einen Widerstandswert aus einer Tabelle den Stromwert ermitteln zu können.
Es kann noch ein drittes Anschlußelement 86 (Figur 9) vorgesehen sein, welches zur Kalibrierung der Widerstandselemente 42 dient. Über dieses Anschlußelement 86 lassen sich die Widerstandselemente 42 definiert mit Strom beaufschlagen und es läßt sich der zugehörige Spannungsabfall ermitteln, um insbesondere die temperaturabhängige Widerstandscharakteristik aufnehmen zu können.
Die mehrlagige Meßvorrichtung 10 wird durch bekannte Verfahren hergestellt, indem beispielsweise die erste Lage 24 zuerst hergestellt wird und sukzessive die zweite Lage 34, die dritte Lage 40 und die vierte Lage 54 gebildet werden. Anschließend wird die fünfte Lage 72 hergestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind 7 x 7 Meßsegmente 20 vorgesehen, welche in einem Quadratgitter angeordnet sind. Zwischen benachbarten Meßsegmenten liegt ein Abstand von 0,2 mm. Eine Meßfläche entsprechend einer Kontaktfläche 22 weist eine Fläche von 50,2 mm x 50,2 mm auf.
Ein Meßsegment 20 umfaßt 8 x 8 Stromleitungselemente 30 in einem Raster entsprechend einem regelmäßigen Quadratgitter mit einem Abstand von 0,9 mm. Der Durchmesser eines Stromleitungselements 30 beträgt 0,3 mm.
Die Meßwiderstände selber weisen bei dem Ausführungsbeispiel eine Länge von 1,9 mm zwischen den Anschlüssen 50 und 52 auf. Die Breite quer dazu
beträgt 1 mm und die Höhe in der dritten Lage 40 12 μm. Bei 20°C beträgt der Widerstand 2,73 mΩ; bei 70°C beträgt der Widerstand 3,32 mΩ.
Die Widerstandselemente 44 werden beim Ausführungsbeispiel durch zwölf Bahnen gebildet, welche im Abstand von 0,2 mm verlaufen und 10 mm lang sind.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 10 wird wie folgt eingesetzt:
Bei einem Kalibrierungsvorgang werden über das dritte Anschlußelement 86 die Widerstandselemente 42 ausgemessen, indem bei einer definierten Temperatur und definierter Strombeaufschlagung der Spannungsabfall an den einzelnen Widerstandselementen 42 gemessen wird. Die temperaturabhängigen Widerstandswerte werden gespeichert. Bei der Kalibrierungsmessung erfolgt kein Stromfluß über die Stromleitungselemente 30.
Bei der Ausmessung der elektrochemischen Elektrode 12 wird die Meßvorrichtung 10 mit ihrer Oberfläche 18 an der Oberfläche dieser elektrochemischen Elektrode 12 positioniert. Bei Stromfluß wird der Strom über die Kontakt- flächen 22 durch die Stromleitungselemente 30 durch die erste Lage 24 hindurch auf die jeweiligen Widerstandselemente 42 abgeleitet, die quer zu den Stromleitungselementen 30 orientiert sind. Der entsprechende Spannungsabfall wird gemessen und aus den gespeicherten Werten läßt sich dann der jedem Meßsegment 20 zugeordnete Stromwert ermitteln. Dadurch erhält man die lokale Stromverteilung an der elektrochemischen Elektrode.