DE102023117366B4

DE102023117366B4 - Quality assurance in the production of stacks from solid oxide cells

Info

Publication number: DE102023117366B4
Application number: DE102023117366.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Benecke; Hannes Benecke
Original assignee: Sivonic GmbH
Current assignee: Sivonic GmbH
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2025-02-13
Anticipated expiration: 2043-07-01
Also published as: DE102023117366A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Stacks (1) aus Festoxid-Zellen SOxC (2₁, 2₂, ... 2_n), welche in einem dafür ausgebildeten Ofen (7) in einem Fügeprozess unter Temperatur- und Krafteinwirkung mithilfe eines dabei zwischen sie eingebrachten Lots miteinander zu dem Stack (1) verbunden werden. Hierbei wird ein jeweiliger Stack (1) während des gesamten Fügeprozesses hinsichtlich an seiner Geometrie auftretender unerwünschter Verformungen gemonitort, indem in einem sich während des Fügeprozesses ständig wiederholenden Messzyklus an einer Mehrzahl von auf den Stack-Außenseiten verteilt, an mehreren SOxC (2₁, 2₂, ... 2_n) des Stacks (1) jeweils paarweise und voneinander beabstandet angeordneten Messpunkten (5₁, 5₂, ... 5_n) mithilfe einer mehrkanaligen Impedanzspektroskopie EIS jeweils die Impedanz gemessen wird. Aus den an den Messpunkten (5₁, 5₂, ... 5_n) in den einzelnen Messzyklen gemessenen Impedanzen werden jeweils mittels einer von einer Steuer- und Verarbeitungseinrichtung SVE des Ofens (7) verarbeiteten Programmanwendung die Zellengeometrie der mit Messpunkten (5₁, 5₂, ... 5_n) versehenen SOxC (2₁, 2₂, ... 2_n) beschreibende geometrische Größen berechnet, welche zur Steuerung des Fügeprozesses oder/und zur Ableitung von Qualitätsaussagen zum erzeugten Stack (1) verwendet werden. The invention relates to a solution for quality assurance in the production of stacks (1) from solid oxide cells SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ), which are connected to one another to form the stack (1) in a furnace (7) designed for this purpose in a joining process under the influence of temperature and force using a solder introduced between them. In this process, a respective stack (1) is monitored during the entire joining process with regard to undesirable deformations occurring in its geometry by measuring the impedance in each case using multi-channel impedance spectroscopy EIS at a plurality of measuring points (5 1 , 5 ₂ , ... 5 _n ) distributed on the outer sides of the stack, at several SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack (1), each arranged in pairs and spaced apart from one another _, in a measuring cycle that is constantly repeated during the joining process. From the impedances measured at the measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) in the individual measuring cycles, geometric variables describing the cell geometry of the SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) provided with measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) are calculated by means of a program application processed by a control and processing device SVE of the furnace (7), which are used to control the joining process and/or to derive quality statements about the stack (1) produced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Sicherung der Qualität bei der Herstellung von Stacks aus Festoxid-Zellen SOxC. Sie bezieht sich genauer gesagt auf Stacks aus Hochtemperatur-SOxC. Derartige Stacks werden in einem speziellen Fügeprozess unter Temperatur- und Krafteinwirkung auf mehrere übereinander gestapelte Festoxid-Zellen unter Verwendung eines zwischen die Zellen eingebrachten, bei dem Fügeprozess aufgeschmolzenen Lots, typischerweise eines Glaslots, hergestellt. Mit Hilfe der Erfindung können die Auswirkungen der während des Fügeprozesses erfolgenden Krafteinwirkung und damit verbundener, an den Zellen auftretender Verformungserscheinungen im Hinblick auf die Lebensdauer der Zellen, respektive des aus ihnen zusammengefügten Stacks, berücksichtigt werden. Gegenstände der Erfindung sind ein Verfahren und ein zur Durchführung dieses Verfahrens in geeigneter Weise ausgebildetes System.The invention relates to a solution for ensuring quality in the production of stacks of solid oxide cells SOxC. More specifically, it relates to stacks of high-temperature SOxC. Such stacks are produced in a special joining process under the influence of temperature and force on several solid oxide cells stacked on top of one another using a solder, typically a glass solder, which is introduced between the cells and melted during the joining process. With the help of the invention, the effects of the force applied during the joining process and the associated deformation phenomena occurring on the cells can be taken into account with regard to the service life of the cells or the stack assembled from them. The subject matter of the invention is a method and a system suitably designed to carry out this method.

Wie bereits ausgeführt, ist im Zusammenhang mit dem sich bei der Fertigung von Stacks aus Hochtemperatur-SOxC vollziehenden Fügeprozess eine Krafteinwirkung auf die den Stapel ausbildenden Zellen unerlässlich. Die für den Fügeprozess erforderliche Krafteinwirkung erfolgt mit Hilfe mindestens einer Schubstange, über welche die Kraft auf einen mittleren Bereich der obersten oder/und untersten Zelle des Stacks appliziert wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch eine solche Krafteinwirkung nicht nur eine sichere Verbindung der Zellen mittels des eingebrachten Lots erreicht wird, sondern dass diese in unerwünschter Weise auch zu einer Verformung der Zellen führen kann. Derartige, an den Zellen des Stacks und damit auch in Bezug auf die Stack-Geometrie auftretende Verformungen wiederum können beim späteren Einsatz der erzeugten Stacks zu Degradationserscheinungen, das heißt zu einem vorzeitigen Altern der Zellen, führen. Dies wirkt sich schließlich nachteilig auf die Lebensdauer der Stacks aus. Im ungünstigsten Fall können solche unerwünschten Verformungen der Zell- und Stack-Geometrie auch zu einer derartigen Qualitätsminderung führen, dass ein Stack überhaupt nicht funktioniert oder aber wegen schlechter Leistungsparameter als Ausschuss einzustufen und somit nicht verwendbar ist.As already mentioned, in connection with the joining process that takes place during the manufacture of stacks from high-temperature SOxC, it is essential that the cells forming the stack are applied forcefully. The force required for the joining process is applied using at least one push rod, via which the force is applied to a central area of the top and/or bottom cell of the stack. Studies have shown that such force not only ensures a secure connection of the cells using the solder introduced, but that it can also lead to undesirable deformation of the cells. Such deformations occurring on the cells of the stack and thus also in relation to the stack geometry can in turn lead to degradation phenomena when the stacks are later used, i.e. to premature aging of the cells. This ultimately has a detrimental effect on the service life of the stacks. In the worst case, such undesirable deformations of the cell and stack geometry can also lead to such a reduction in quality that a stack does not function at all or is classified as scrap due to poor performance parameters and is therefore unusable.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels Impedanzspektroskopie den Fertigungsprozess bei der Herstellung von Stacks aus Festoxid-Zellen SOxC messtechnisch zu überwachen und zu steuern sowie die Qualität von Zwischenerzeugnissen oder Stacks zu bewerten. So ist es aus DE 10 2021 134 334 A1 bekannt, den Fügeprozess als impedanzgeführten Prozess zu gestalten und ihn, unter Wahrung einer hohen Qualität, durch eine widerholte Impedanzmessung hinsichtlich der Dauer einzelner Prozessphasen zeitlich effizient zu steuern.It is known from the state of the art to use impedance spectroscopy to monitor and control the manufacturing process in the manufacture of stacks made of solid oxide cells (SOxC) and to evaluate the quality of intermediate products or stacks. DE 10 2021 134 334 A1 It is known to design the joining process as an impedance-controlled process and to control it efficiently in terms of time by means of repeated impedance measurements with regard to the duration of individual process phases, while maintaining high quality.

Bei dem in DE 10 2006 056 986 A1 beschriebenen Verfahren zur Herstellen von Stacks aus Festoxid-Zellen wird der Einsatz der Impedanzspektroskopie zur Qualitätsbewertung erwähnt. Demnach erfolgt nach einem als Vorabdichtungsverfahren bezeichneten ersten Abschnitt des Fügeprozesses, bei dem zunächst ein teilfertiger, als Pseudostapel bezeichneter Stack erzeugt wird, eine Zwischenkontrolle, beispielsweise mittels Impedanzspektroskopie. Sofern keine der Zellen des Pseudostapels Fehler aufweist, zumindest aber alle Zellen funktionstüchtig sind, werden die weiteren zur Ausbildung des fertigen Stacks erforderlichen Verbindungen geschaffen.In the DE 10 2006 056 986 A1 The process described for producing stacks from solid oxide cells mentions the use of impedance spectroscopy for quality assessment. Accordingly, after a first section of the joining process known as the pre-sealing process, in which a partially finished stack known as a pseudo stack is first produced, an intermediate check is carried out, for example using impedance spectroscopy. If none of the cells in the pseudo stack have any defects, or at least all of the cells are functional, the other connections required to form the finished stack are created.

Darüber hinaus können aber, aufgrund der Unabdingbarkeit einer Krafteinwirkung beim Fügen der Stacks, Verformungen an den Zellen und am Stack nicht vollständig vermieden werden. Allerdings sollte es das Bestreben der Hersteller sein, derartige Verformungen möglichst gering zu halten, jedenfalls aber ihnen im Hinblick auf das Qualitätsmanagement entsprechend Rechnung zu tragen.In addition, however, due to the indispensable application of force when joining the stacks, deformations of the cells and the stack cannot be completely avoided. However, manufacturers should strive to keep such deformations as low as possible, or at least take them into account with regard to quality management.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von in einem Fügeprozess unter Temperatur- und Krafteinwirkung erzeugter Stacks aus Festoxid-Zellen bereitzustellen, mit deren Hilfe trotz während des Fügeprozesses gegebenenfalls auftretender Verformungen an den Zellen und der Stack-Geometrie, den Qualitätsanforderungen der Abnehmer solchermaßen gefertigter Stacks in geeigneter Weise Rechnung getragen werden kann. Hierzu sind ein Verfahren und ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes System anzugeben.The object of the invention is therefore to provide a solution for quality assurance in the manufacture of stacks made of solid oxide cells produced in a joining process under the influence of temperature and force, with the help of which the quality requirements of the buyers of stacks produced in this way can be taken into account in a suitable manner despite any deformations that may occur in the cells and the stack geometry during the joining process. For this purpose, a method and a system suitable for carrying out this method are to be specified.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein die Aufgabe lösendes, zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System, wird durch den ersten Sachanspruch charakterisiert.The problem is solved by a method having the features of patent claim 1. A system that solves the problem and is suitable for carrying out the method is characterized by the first claim.

Auch gemäß dem zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Herstellung von Stacks aus Festoxid-Zellen SOxC, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt, in einem dafür ausgebildeten Ofen in einem Fügeprozess unter Temperatur- und Krafteinwirkung mit Hilfe eines zwischen die Zellen eingebrachten Lots, vorzugsweise eines Glaslots. Die Krafteinwirkung erfolgt vermittels mindestens einer Druck auf einen mittleren, respektive zentralen Bereich der obersten oder/und untersten SOxC des Stacks ausübenden Schubstange. Die SOxC eines Stacks sind dabei typischerweise quaderförmig, mit einer sich in der Stapelrichtung des Stacks erstreckenden, verhältnismäßig geringen Höhe und einer, bezogen auf die Stapelrichtung quadratischen oder rechteckigen Querschnittsfläche mit gegenüber der Höhe um ein Vielfaches größeren Kantenlängen (Umfangslängen).Also according to the method proposed to solve the problem, the production of stacks of solid oxide cells SOxC, as already known from the prior art, takes place in a furnace designed for this purpose in a joining process under the influence of temperature and force with the aid of a solder, preferably a glass solder, introduced between the cells. The force is applied by means of at least one push rod exerting pressure on a middle, or central, area of the uppermost and/or lowermost SOxC of the stack. The SOxC of a stack are typically cuboid-shaped, with a relatively small Height and a square or rectangular cross-sectional area with respect to the stacking direction and edge lengths (perimeter lengths) that are many times larger than the height.

Gemäß dem Verfahren wird der Stack während des gesamten Fügeprozesses fortwährend hinsichtlich an seiner Geometrie auftretender unerwünschter Verformungen gemonitort. Dies geschieht, indem in einem sich während des Fügeprozesses ständig wiederholenden Messzyklus an einer Mehrzahl von auf den Stack-Außenseiten verteilt angeordneten Messpunkten mithilfe einer mehrkanaligen Impedanzspektroskopie EIS jeweils die Impedanz gemessen wird. Dabei sind die vorgenannten Messpunkte derart an den Außenseiten des Staks verteilt, dass sie an mehreren SOxC des Stacks und hierbei, bezogen auf eine mit ihnen versehene SOxC, jeweils paarweise und voneinander beabstandet angeordnet sind.According to the method, the stack is continuously monitored during the entire joining process for undesirable deformations occurring in its geometry. This is done by measuring the impedance at a number of measuring points distributed on the outside of the stack using multi-channel impedance spectroscopy (EIS) in a measuring cycle that is constantly repeated during the joining process. The aforementioned measuring points are distributed on the outside of the stack in such a way that they are arranged on several SOxCs of the stack and, in relation to an SOxC provided with them, in pairs and at a distance from one another.

Es wird insoweit an einer mit Messpunkten zu versehenen SOxC des Stacks eine geradzahlige Anzahl von Messpunkten angeordnet, wobei die Messpunkte eines Messpunkte-Paares vorzugsweise (aber nicht zwingend) an einander gegenüberliegenden Außenseiten (an auf dem Umfang des Stacks einander gegenüber gelegenen Seiten der jeweiligen Zelle) ausgebildet werden. Insbesondere bei länglichen Zellen kann ein Paar von Messpunkten jedoch gegebenenfalls auch an den Enden (jeder Messpunkt an einem Ende) einer Außenlängsseite - und somit voneinander beabstandet - angeordnet werden. Durch die sich fortwährend wiederholende Impedanzmessung wird für jeden der Messpunkte des Stacks, ausgehend von einem beim ersten Messvorgang für die Impedanz gemessenen Startwert, ein zeitlicher Verlauf der sich während des Fügeprozesses zwangsläufig ändernden Impedanz erfasst.In this respect, an even number of measuring points are arranged on a SOxC of the stack that is to be provided with measuring points, with the measuring points of a pair of measuring points preferably (but not necessarily) being formed on opposite outer sides (on opposite sides of the respective cell on the circumference of the stack). However, particularly in the case of elongated cells, a pair of measuring points can also be arranged at the ends (each measuring point at one end) of an outer long side - and thus spaced apart from one another. The continuously repeated impedance measurement records a temporal progression of the impedance, which inevitably changes during the joining process, for each of the measuring points of the stack, starting from a starting value measured for the impedance during the first measurement process.

Die an den Messpunkten in den einzelnen Messzyklen jeweils gemessenen Impedanzen werden, entsprechend einem physikalisch-mathematischen Modell, jeweils von einer Steuer- und Verarbeitungseinrichtung des Ofens (im Weiteren sprachlich vereinfachend SVE) programmtechnisch weiterverarbeitet. Bei der programmtechnischen Verarbeitung der Messwerte werden durch die SVE geometrische Größen berechnet, welche die Zellengeometrie der mit einem Messpunkt versehenen SOxC des Stacks und somit letztlich auch die Stack-Geometrie insgesamt beschreiben. Die berechneten geometrischen Größen werden jeweils unmittelbar zur Steuerung des Fügeprozesses für eine Minimierung unerwünschter Verformungen der Zellen und damit des Stacks verwendet oder/und dazu, basierend auf ihrem Verlauf während des Fügeprozesses, Qualitätsaussagen zu einem jeweils erzeugten Stack abzuleiten.The impedances measured at the measuring points in the individual measuring cycles are further processed by a control and processing device of the furnace (hereinafter referred to as SVE) in accordance with a physical-mathematical model. During the programmatic processing of the measured values, the SVE calculates geometric variables that describe the cell geometry of the SOxC of the stack provided with a measuring point and thus ultimately also the stack geometry as a whole. The calculated geometric variables are used directly to control the joining process in order to minimize undesirable deformation of the cells and thus of the stack and/or to derive quality statements about a stack produced based on their course during the joining process.

Das vorgeschlagene Verfahren geht davon aus, dass - wie sich in Versuchen gezeigt hat - zwischen den an SOxC (Zellen des Stacks) während des Fügeprozesses zwangsläufig auftretenden Veränderungen ihrer Geometrie und der sich ebenfalls verändernden Impedanz der den Stack ausbildenden Zellen Zusammenhänge bestehen, die sich durch ein physikalisch-mathematisches Modell beschreiben lassen. Im günstigsten Fall sollten entsprechende Veränderungen der Impedanz in Bezug auf die einzelnen an den Zellen des Stacks festgelegten Messpunkte annähernd den gleichen, im Wesentlichen durch Schrumpfungsprozesse bedingten zeitlichen Verlauf zeigen.The proposed method is based on the assumption that - as has been shown in tests - there are relationships between the changes in the geometry of SOxC (cells of the stack) that inevitably occur during the joining process and the changing impedance of the cells that make up the stack, which can be described by a physical-mathematical model. In the best case, corresponding changes in the impedance in relation to the individual measuring points defined on the cells of the stack should show approximately the same temporal progression, which is essentially caused by shrinkage processes.

Sofern dies nicht gegeben ist, lässt sich dies auf Änderungen die SOxC beschreibender geometrischer Größen zurückführen, welche im Verhältnis zueinander betrachtet unerwünschte Verformungen der mit Messpunkten versehenen Zellen (SOxC des Stacks) und somit auch der Stack-Geometrie insgesamt erkennbar werden lassen. Hierbei handelt es sich eben nicht um typischerweise ohnehin während des Fügeprozesses auftretende geometrische Veränderungen, wie beispielsweise Schrumpfungen, sondern um geometrische Veränderungen, durch welche der Stack gewissermaßen außer Form gerät, also sich beispielsweise eine Schieflage des Stacks in der Stapelrichtung entwickelt. Die insoweit über den Verlauf der sich ändernden Geometrie der Zellen und des Stacks gewonnenen Erkenntnisse, respektive berechneten Werte, lassen sich, je nach Implementierung des Verfahrens und Ausstattung des Systems, mit der SVE und dem der Temperierung des Stacks beim Fügeprozess dienenden sowie eine Schubstange zur Krafteinwirkung auf den Stack aufweisenden Ofen, in unterschiedlicher Weise verwenden.If this is not the case, this can be attributed to changes in geometric variables describing the SOxC, which, when viewed in relation to one another, reveal undesirable deformations of the cells provided with measuring points (SOxC of the stack) and thus also of the stack geometry as a whole. These are not geometric changes that typically occur during the joining process anyway, such as shrinkage, but geometric changes that cause the stack to become out of shape, for example, causing the stack to become skewed in the stacking direction. The knowledge gained in this regard about the course of the changing geometry of the cells and the stack, or the values calculated, can be used in different ways, depending on the implementation of the process and the equipment of the system, with the SVE and the oven that serves to temper the stack during the joining process and has a push rod to apply force to the stack.

Entsprechend einer geringere Anforderungen an die Fertigungseinrichtung, respektive an das System stellenden Implementierung des Verfahrens werden die jeweils nach einem Messvorgang berechneten, die Zellengeometrie und somit auch die Stack-Geometrie beschreibenden geometrischen Größen sowie die sich für diese beim Ablauf des Fügeprozesses ergebenden zeitlichen Verläufe dazu verwendet, unter Einsatz des Verfahrens gefertigte Stacks in unterschiedliche Qualitätsklassen einzuordnen. Hierbei werden dann Stacks, für welche im Verlauf des Fügeprozesses sehr starke ungleichmäßige Verformungen festgestellt wurden, einer minderen Qualitätsklasse zugeordnet. Die mindere Qualität kann sich dabei zum Beispiel nachteilig auf die Lebenddauer eines Stacks auswirken. Zudem ist bei solchen Stacks im praktischen Einsatz, aufgrund wegen der minderen Qualität steigender Betriebskosten, von einer schlechteren Effizienz auszugehen. In accordance with a lower demand on the production facility or on the system, the implementation of the process places fewer demands on the production facility or the system. The geometrical sizes that describe the cell geometry and thus also the stack geometry, calculated after a measurement process, as well as the temporal progressions that result for these during the joining process, are used to classify stacks manufactured using the process into different quality classes. Stacks for which very strong, uneven deformations were found during the joining process are then assigned to a lower quality class. The lower quality can, for example, have a negative effect on the service life of a stack. In addition, such stacks are expected to be less efficient in practical use due to the increasing operating costs caused by the lower quality.

Sofern die Stacks daher unter Angabe einer entsprechenden Qualitätsklasse in den Verkauf gehen, kann für diese wegen der eventuell geringeren Lebensdauer und der typischerweise schlechteren Effizienz nur ein geringerer Kaufpreis erhoben werden. Im Gegensatz dazu werden Stacks, die sich während des Fügeprozesses sehr gleichmäßig, nämlich nahezu ausschließlich bedingt durch die unvermeidlichen Schrumpfungsprozesse, verformen, einer höherwertigen Qualitätsklasse zugeordnet, an welche typischerweise eine zu erwartende hohe Lebensdauer, eine höhere Effizienz und - im Falle eines Verkaufs - ein höherer Verkaufspreis gekoppelt sein können.If the stacks are sold with a corresponding quality class, they can only be sold at a lower price due to the potentially shorter service life and typically poorer efficiency. In contrast, stacks that deform very evenly during the joining process, namely almost exclusively due to the unavoidable shrinkage processes, are assigned to a higher quality class, which can typically be linked to an expected long service life, higher efficiency and - in the event of a sale - a higher sales price.

Im Zusammenhang mit dieser Implementierungsform, respektive Ausgestaltung des Verfahrens sei darauf hingewiesen, dass für eine zuverlässige Klassifizierung der Stacks tatsächlich der während des Fügeprozessen zu verzeichnende Verlauf der die Zellengeometrie beschreibenden geometrischen Größen und nicht etwa nur deren Ist-Zustand am Ende des Fügeprozesses herangezogen werden sollte. Dies begründest sich dadurch, dass im Laufe des Fügungsprozesses auftretende, gegebenenfalls auch starke vorübergehende Verformungen einer Zelle unter Umständen in anderen Phasen des Prozesses auch wieder kompensiert werden, aber dennoch die Lebensdauer der Zelle und damit des Stacks beeinträchtigende Schäden hinterlassen können.In connection with this form of implementation, or rather the design of the method, it should be noted that for a reliable classification of the stacks, the course of the geometrical variables describing the cell geometry recorded during the joining process should actually be used, and not just their actual state at the end of the joining process. This is because deformations of a cell that occur during the joining process, possibly even strong temporary ones, may be compensated for in other phases of the process, but can still cause damage that impairs the service life of the cell and thus of the stack.

Entsprechend einer bevorzugten Gestaltung des Verfahrens werden die zum zeitlichen Verlauf der geometrischen Verhältnisse an dem Stack während des Fügeprozesses mittels der EIS gewonnenen Erkenntnisse dazu verwendet, unmittelbar auf den Fügeprozess einzuwirken und hierdurch das Maß unerwünschter Verformungen möglichst gering zu halten. Bei dieser Verfahrensgestaltung ist es vorgesehen, die nach jedem der über den gesamten Fügeprozess zyklisch aufeinanderfolgenden Messvorgänge berechneten, die Geometrie der mit den Messpunkten versehenen Zellen und damit auch des Stacks beschreibenden geometrischen Größen als Ist-Größen in eine Regelfunktion zur Einstellung der Ausrichtung der Schubstange einzubeziehen. Hierbei wird jeweils der von der Schubstange gegenüber einer gedachten, in der Stapelrichtung lotrecht durch den Stack geführten Geraden eingenommene Winkel entsprechend den festgestellten unerwünschten Verformungen geringfügig korrigiert.According to a preferred design of the method, the knowledge gained from the EIS on the temporal progression of the geometric conditions on the stack during the joining process is used to directly influence the joining process and thereby keep the extent of undesirable deformations as low as possible. In this design of the method, the geometric variables calculated after each of the cyclical measuring processes over the entire joining process, which describe the geometry of the cells provided with the measuring points and thus also of the stack, are included as actual variables in a control function for adjusting the alignment of the push rod. In this case, the angle assumed by the push rod with respect to an imaginary straight line running perpendicularly through the stack in the stacking direction is slightly corrected in accordance with the undesirable deformations detected.

Während des Fügeprozesses wird also jeweils unmittelbar auf festgestellte unerwünschte Verformungen reagiert und diesen durch eine ständige Korrektur des Winkels der Schubstange gegenüber der Lotrechten in der Stapelrichtung des Stacks fortwährend entgegengewirkt. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich gemäß dieser Implementierung des Verfahren gefertigte Stacks über den gesamten Fügeprozess hinweg sehr gleichmäßig und weitestgehend nur in einer durch die auftretenden Schrumpfungen bedingten Weise verformen.During the joining process, any undesirable deformations detected are immediately responded to and counteracted by constantly correcting the angle of the push rod relative to the vertical in the stacking direction of the stack. In this way, stacks manufactured according to this implementation of the method deform very evenly throughout the entire joining process and largely only in a way that is caused by the shrinkage that occurs.

Dennoch kommt es aber nahezu unvermeidlich auch bei dieser Verfahrensgestaltung zumindest kurzzeitig zu unerwünschten Änderungen der Zellen-Geometrie, welche auch dann Einfluss auf die Lebensdauer einer jeweiligen Zelle haben können, wenn ihnen im Grunde sofort durch eine Korrektur der Ausrichtung der Schubstange entgegengewirkt wird. Daher können entsprechend einer ebenfalls möglichen Implementierung des Verfahrens auch beide zuvor erläuterten Verfahrensgestaltungen kumulativ umgesetzt werden. Das heißt, einerseits erfolgt eine ständige Korrektur der Ausrichtung der Schubstange währende des Fügeprozesses, andererseits werden die entstehenden Stacks unter Berücksichtigung dennoch während Fügeprozesses auftretender unerwünschter Verformungen ihrer Zellen, respektive der Stack-Geometrie, nach dem Abschluss des Fügeprozesses unter Berücksichtigung solcher etwaiger Verformungen hinsichtlich ihrer Qualität klassifiziert.However, even with this process design, undesirable changes in the cell geometry almost inevitably occur, at least for a short time, which can have an impact on the service life of a particular cell even if they are essentially immediately counteracted by correcting the alignment of the push rod. Therefore, according to a possible implementation of the process, both of the previously explained process designs can also be implemented cumulatively. This means that on the one hand, the alignment of the push rod is constantly corrected during the joining process, and on the other hand, the resulting stacks are classified in terms of their quality after the joining process has been completed, taking into account any undesirable deformations of their cells or stack geometry that may occur during the joining process.

Wie eingangs angegeben, werden zur Durchführung des Verfahrens mehrere Messpunkte auf den Außenflächen des Stacks und seiner ihn ausbildenden SOxC verteilt und hierbei paarweise an betreffenden Zellen angeordnet. Zum Erhalt möglichst genauer Aussagen zur Stack-Verformung sollten die entsprechenden Messpunkte selbstverständlich annähernd gleichmäßig auf den Außenflächen des Stacks verteilt angeordnet werden. Soweit dies gewährleistet ist, ist es lediglich eine Frage des in der von der Steuereinrichtung verarbeiteten Programmanwendung hinterlegten physikalisch-mathematischen Modells, mit Hilfe der an diesen Messpunkten jeweils gemessenen Impedanzen und der sich daraus für diese Messpunkte ergebenden zeitlichen Verläufe für die Impedanz die für eine fundierte Aussage über den zeitlichen Verlauf der Stack-Geometrie erforderlichen geometrischen Größen richtig zu berechnen.As stated at the beginning, to carry out the method, several measuring points are distributed on the outer surfaces of the stack and the SOxC that forms it, and are arranged in pairs on the relevant cells. To obtain the most accurate information possible about the stack deformation, the corresponding measuring points should of course be distributed almost evenly on the outer surfaces of the stack. As long as this is guaranteed, it is only a question of the physical-mathematical model stored in the program application processed by the control device to correctly calculate the geometric quantities required for a well-founded statement about the temporal progression of the stack geometry using the impedances measured at these measuring points and the resulting temporal progressions for the impedance for these measuring points.

Das insoweit für die Berechnung zugrunde zu legende Modell kann dabei durch geeignete Versuche gewonnen werden. Für die praktische Umsetzung des Verfahrens hat es sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen, an mehreren SOxC, das heißt gegebenenfalls, respektive vorzugsweise an allen SOxC, des Stacks jeweils mindestens zwei zueinander jeweils gleich beabstandete, vorzugsweise einander gegenüberliegende Messpunkte anzuordnen, welche jeweils mit einem Kanal einer zu der Impedanzspektroskopie EIS verwendeten Impedanzmesseinrichtung verbunden werden. Als besonders sinnvoll hat es sich dabei erwiesen, an einer jeweiligen mit Messpunkten versehenen, regelmäßig quaderförmigen SOxC des Stacks jeweils mindestens vier Messpunkte anzuordnen, und zwar so, dass mindestens zwei Messpunkte an einander gegenüberliegenden Umfangsseiten der SOxC und mindestens zwei weitere Messpunkte an den beiden anderen, sich dazu jeweils orthogonal erstreckenden sowie ebenfalls einander gegenüberliegenden Umfangsseiten der jeweiligen SOxC angeordnet werden. Betrachtet man bei einem gedachten, in den Stack gelegten Koordinatensystem die Stapelrichtung des Stacks als Z-Achse, so erhält man auf diese Weise für die einzelnen, mit Messpunkten versehenen SOxC jeweils Aussagen zu den an ihnen während des Fügeprozesses entlang der X-Achse sowie entlang der Y-Achse in Bezug auf die Z-Richtung auftretenden Verformungen.The model used as a basis for the calculation can be obtained through suitable tests. For the practical implementation of the method, it has proven particularly advantageous to arrange at least two measuring points on several SOxCs, i.e. if necessary, or preferably on all SOxCs, of the stack, each of which is equally spaced apart, preferably opposite one another, which are each connected to a channel of an impedance measuring device used for the impedance spectroscopy EIS. It has proven particularly useful to arrange at least two measuring points on a regular basis, each of which is provided with measuring points. At least four measuring points are to be arranged on each of the moderately cuboid-shaped SOxCs of the stack, in such a way that at least two measuring points are arranged on opposite circumferential sides of the SOxC and at least two further measuring points are arranged on the other two circumferential sides of the respective SOxC, which extend orthogonally to them and are also opposite one another. If the stacking direction of the stack is considered to be the Z axis in an imaginary coordinate system placed in the stack, this provides information for the individual SOxCs provided with measuring points on the deformations occurring on them during the joining process along the X axis and along the Y axis in relation to the Z direction.

Im Zusammenhang mit der Durchführung von Tests zur Festlegung des jeweils für das Verfahren zu verwendenden physikalisch-mathematischen Modells hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Spektrum der für die EIS verwendeten Frequenzen in geeigneter Weise zu begrenzen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die zwischen der Veränderung der geometrischen Größen des Stacks und den gemessenen Impedanzen bestehende Korrelation in bestimmten Frequenzbereichen des Messspektrums der EIS besonders deutlich zutage treten. Zur Erreichung einer hohen Effizienz, insbesondere im Zusammenhang mit der auf eine ständige Korrektur der Ausrichtung der Schubstange gerichteten Regelung, ist es dabei möglich, die Dauer der einzelnen Messvorgänge gewissermaßen durch die Beschränkung des Frequenzbereichs auf ein bestimmtes Frequenzfenster zu verkürzen und dafür über den gesamten Fügeprozess hinweg eine größere Zahl von Messvorgängen und Berechnungen sich an der Stack-Geometrie vollziehender Änderungen durchzuführen. Der insoweit jeweils vorteilhafterweise zu wählende Frequenzbereich ist unter anderem abhängig vom jeweiligen Typ der Zellen des Stacks und auf der Basis entsprechender der Implementierung des Verfahrens und der Konfiguration, das heißt es kann auf der Basis der Einrichtung des Systems vorausgehender Test festgelegt werden.When carrying out tests to determine the physical and mathematical model to be used for the process, it has proven advantageous to limit the spectrum of frequencies used for the EIS in a suitable manner. It has been shown that the correlation between the change in the geometric dimensions of the stack and the measured impedances is particularly evident in certain frequency ranges of the EIS measurement spectrum. In order to achieve high efficiency, particularly in connection with the control aimed at constantly correcting the alignment of the push rod, it is possible to shorten the duration of the individual measurement processes to a certain extent by limiting the frequency range to a certain frequency window and to carry out a larger number of measurements and calculations of changes to the stack geometry over the entire joining process. The frequency range to be advantageously selected in each case depends, among other things, on the respective type of cells of the stack and on the basis of the corresponding implementation of the method and the configuration, i.e. it can be determined on the basis of tests preceding the setup of the system.

Ein die Aufgabe lösendes, zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System, also ein System für einen unter Temperatur- und Krafteinwirkung erfolgenden Fügeprozess zur Herstellung eines Stacks aus Festoxid-Zellen SOxC, umfasst einen Ofen zur Temperierung des Stacks, mindesten eine Druck auf einen mittleren Bereich der obersten oder/und untersten SOxC des sich während des Fügeprozesses in dem Ofen befindenden Stacks ausübende Schubstange und eine Steuer- und Verarbeitungseinrichtung SEV. Das System ist darüber hinaus mit einer mehrkanaligen Impedanzmesseinrichtung zur Impedanzspektroskopie EIS ausgestattet. Während des Fügeprozesses sind mehrere Messkanäle dieser Impedanzmesseinrichtung mit dem Stack verbunden. Die Verbindung dieser mehreren Messkanäle mit dem Stack ist derart, dass jeweils einer der Messkanäle mit jeweils einem von mehreren auf den Stack-Außenseiten verteilt an mehreren SOxC des Stacks jeweils paarweise und voneinander beabstandet angeordneten Messpunkten verbunden ist.A system that solves the problem and is suitable for carrying out the method, i.e. a system for a joining process that takes place under the influence of temperature and force to produce a stack of solid oxide cells SOxC, comprises a furnace for tempering the stack, at least one push rod that exerts pressure on a central area of the uppermost and/or lowermost SOxC of the stack located in the furnace during the joining process, and a control and processing device SEV. The system is also equipped with a multi-channel impedance measuring device for impedance spectroscopy EIS. During the joining process, several measuring channels of this impedance measuring device are connected to the stack. The connection of these several measuring channels to the stack is such that each of the measuring channels is connected to one of several measuring points distributed on the outside of the stack on several SOxC of the stack, each arranged in pairs and spaced apart from one another.

Die SEV ist dazu ausgebildet, während des Fügeprozesses

- die Impedanzmesseinrichtung dazu anzusteuern, in einem sich während dieses Fügeprozesses ständig wiederholenden Messzyklus jeweils an allen an dem Stack angeordneten Messpunkten die Impedanz zu messen,
- aus den Messwerten der Impedanzmesseinrichtung jeweils damit korrelierende, die Zellengeometrie der mit Messpunkten versehenen SOxC und damit die Stack-Geometrie beschreibende geometrische Größen zu berechnen,
- mittels der berechneten geometrischen Größen den Fügeprozess im Hinblick auf eine Minimierung unerwünschter Verformungen von SOxC und damit des Stacks insgesamt zu steuern oder/und aus den zeitlichen Verläufen dieser geometrischen Größen Qualitätsaussagen zu dem erzeugten Stack abzuleiten.

The SEV is designed to

- to control the impedance measuring device to measure the impedance at all measuring points arranged on the stack in a measuring cycle that is constantly repeated during this joining process,
- to calculate from the measured values of the impedance measuring device the respective correlating geometric quantities describing the cell geometry of the SOxC provided with measuring points and thus the stack geometry,
- to use the calculated geometrical variables to control the joining process with a view to minimizing undesirable deformations of SOxC and thus of the stack as a whole and/or to derive quality statements about the stack produced from the temporal progression of these geometrical variables.

Entsprechend einer ersten konkreten Ausgestaltung des vorstehend hinsichtlich seines grundsätzlichen Aufbaus charakterisierten Systems ist dessen SEV ferner dazu ausgebildet, in einem gefertigten Stack, in Abhängigkeit von den aufgrund ihrer wiederholten Berechnung für die geometrischen Größen ermittelten zeitlichen Verläufen, nach der Beendigung des Fügeprozesses in einem automatisierten Prozess eine Qualitätsklasse zuzuweisen. Die Zuweisung der jeweiligen Qualitätsklasse durch die SEV geschieht dabei aufgrund eines in der SEV hinterlegten Schemas. Ebenso wie zum Verfahren hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Impedanzen und den geometrischen Größen einer SOxC ausgeführt, wird hierbei das vorgenannte Schema für die Klassifizierung auf der Basis der Ergebnisse entsprechender Versuche festgelegt. Derartige Versuche können beispielsweise künstliche Alterungsprozesse einschließen, mit deren Hilfe Zusammenhänge zwischen an den SOxC des Stacks und somit an der Stack-Geometrie während des Fügeprozesses aufgetretenen Verformungen und der (im Zuge einer an einzelnen Stacks zu Testzwecken herbeigeführten künstlichen Alterung) ermittelten zu erwartenden Lebensdauer eines jeweiligen Stacks erkennbar machen.According to a first specific embodiment of the system characterized above in terms of its basic structure, its SEV is further designed to assign a quality class in a manufactured stack in an automated process after the joining process has ended, depending on the temporal progressions determined for the geometric sizes based on its repeated calculation. The SEV assigns the respective quality class based on a scheme stored in the SEV. Just as with the process regarding the relationship between the measured impedances and the geometric sizes of an SOxC, the aforementioned scheme for classification is determined on the basis of the results of corresponding tests. Such tests can, for example, include artificial aging processes, with the help of which relationships between deformations that occurred on the SOxC of the stack and thus on the stack geometry during the joining process and the expected service life of a respective stack determined (in the course of artificial aging induced on individual stacks for test purposes) can be identified.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausbildung des Systems ist dessen SEV alternativ zur zuletzt beschriebenen Ausbildungsform oder zusätzlich dazu ausgebildet, die Schubstange, durch Ansteuerung eines Aktors, nach jedem mittels der Impedanzmesseinrichtung nach dem Prinzip der Impedanzspektroskopie EIS durchgeführten Messzyklus bezüglich des Winkels ihrer Längsachse zu einer Lotrechten in der Stapelrichtung des Stacks neu auszurichten. Die Ausbildung der SEV ist dabei derart, dass sie zur Einstellung des vorgenannten Winkels, also zur Ausrichtung der Schubstange, eine Regelfunktion ausführt, in welche die aus den Messwerten eines jeweiligen Messzyklus berechneten geometrischen Größen von der SEV als Ist-Werte einbezogen werden.According to a particularly preferred design of the system, its SEV is alternative to the last described design form or additionally designed to realign the push rod, by controlling an actuator, with regard to the angle of its longitudinal axis to a vertical in the stacking direction of the stack after each measurement cycle carried out using the impedance measuring device according to the principle of impedance spectroscopy EIS. The SEV is designed in such a way that it carries out a control function to set the aforementioned angle, i.e. to align the push rod, in which the geometric sizes calculated from the measured values of a respective measurement cycle are included by the SEV as actual values.

Anhand von Zeichnungen sollen nachfolgend in der Art eines Ausführungsbeispiels nochmals einige Aspekte der Erfindung erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

1: die schematische Darstellung einer möglichen Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems,
2: ein Beispiel für mögliche, während des Fügeprozesses an einem Stack auftretende Verformungen in einer schematischen Darstellung,
3: eine Draufsicht auf eine SOxC des Stacks mit daran angeordneten Messpunkten,
4: ein Beispiel für an unterschiedlichen Messpunkten einer SOxC gemessene Impedanzen.

Some aspects of the invention will be explained again below in the form of an exemplary embodiment using drawings. The drawings show in detail:

1 : the schematic representation of a possible embodiment of the system according to the invention,
2 : an example of possible deformations occurring during the joining process on a stack in a schematic representation,
3 : a top view of a SOxC of the stack with measuring points arranged on it,
4 : an example of impedances measured at different measuring points of a SOxC.

Die 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems, einschließlich eines mittels diesem in einem Fügeprozess gefertigten Stacks 1 in einer grobschematischen Darstellung. Wesentliche Komponenten des Systems sind ein Ofen 7 zur Temperierung eines sich während des Fügeprozesses darin befindenden Stacks 1 aus zwischen einer oberen und einer unteren Endplatte angeordneten SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n sowie eine Schubstange 3 mit einem Aktor 6 zu deren Betätigung und Ausrichtung. Mittels der Schubstange 3 wird während des Fügeprozesses ein Druck auf einen mittleren Bereich der oberen Endplatte und damit der obersten SOxC 2₁ des in dem Ofen 7 temperierten Stacks 1 ausgeübt. Der Ofen 7 weist zur Realisierung eines definierten Heizregimes mehrere unter Ausbildung von Heizzonen angeordnete Heizelemente 10 und um den Stack herum angeordnete Kühlrohre 11 auf.The 1 shows a possible embodiment of the system according to the invention, including a stack 1 manufactured by means of this in a joining process in a rough schematic representation. Essential components of the system are a furnace 7 for tempering a stack 1 located therein during the joining process, made up of SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n arranged between an upper and a lower end plate, and a push rod 3 with an actuator 6 for actuating and aligning it. During the joining process, pressure is exerted by means of the push rod 3 on a central region of the upper end plate and thus the uppermost SOxC 2 ₁ of the stack 1 tempered in the furnace 7. To implement a defined heating regime, the furnace 7 has a plurality of heating elements 10 arranged to form heating zones and cooling pipes 11 arranged around the stack.

Zum System gehören ferner eine nach dem Prinzip der Impedanzspektroskopie EIS arbeitende Impedanzmesseinrichtung und eine Steuer- und Verarbeitungseinrichtung SEV, welche jedoch in der Zeichnung nicht im Detail dargestellt sind. Betreffend die Impedanzmesseinrichtung sind in der 2 vielmehr lediglich symbolhaft deren einzelne, jeweils mit einem an dem Stack 1, respektive an einer SOxC angeordneten Messpunkt 5₁, 5₂, ... 5_n verbundene Messkanäle 4₁, 4₂, ... 4_n dargestellt. In einem mehrere Stunden oder gar mehrere Tage andauernden Fügeprozess wird der Stack 1 unter Temperatureinwirkung nach einem vorgegebenen Temperaturablaufschema und dabei andauernder Krafteinwirkung mittels der Schubstange 3 gefügt.The system also includes an impedance measuring device operating according to the principle of impedance spectroscopy (EIS) and a control and processing device (SEV), which are not shown in detail in the drawing. Regarding the impedance measuring device, the 2 Rather, their individual measuring channels 4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n are shown only symbolically, each of which is connected to a measuring point 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n arranged on the stack 1 or on an SOxC. In a joining process lasting several hours or even several days, the stack 1 is joined by means of the push rod 3 under the influence of temperature according to a predetermined temperature sequence scheme and with the continuous application of force.

Während des gesamten Fügeprozesses wird dabei der Stack 1 im Hinblick auf die sich verändernde Geometrie seiner SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n gemonitort. Das Monitoring erfolgt jedoch nicht mittels optischer Sensoren oder dergleichen, sondern unter Einsatz der Impedanzspektroskopie EIS und der Weiterverarbeitung der mittels dieser gewonnenen Messwerte zu geometrischen, die Zellengeometrie der mit Messpunkten 5₁, 5₂, ... 5_n versehenen SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n beschreibenden Größen. Hierzu ist anzumerken, dass etwaige auftretende unerwünschte Verformungen des Stacks 1 typischerweise so geringfügig sind, dass sie möglicherweise mittels eines optischen Systems kaum erkannt werden könnten. Zudem dürfte die Anordnung solcher Sensoren oder auch anderer Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen und dergleichen, an dem Stack 1 mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden sein. Dies gilt zumal in dem Ofen 7, in welchem der Fügeprozess ausgeführt wird, sehr hohe Temperaturen herrschen. Entsprechende Sensoren müssten daher außerdem im hohen Maße temperaturbeständig sein. Schließlich ist auch noch darauf hinzuweisen, dass Vorgänge, die sich im Volumen der Zellen (SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n) vollziehende Vorgänge, mit an den Stack-Außenseiten angeordneten Sensoren der vorgenannten Art im Grunde nicht fassbar sind.During the entire joining process, the stack 1 is monitored with regard to the changing geometry of its SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n . However, the monitoring is not carried out using optical sensors or the like, but using impedance spectroscopy EIS and the further processing of the measured values obtained using this to form geometric variables that describe the cell geometry of the SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n provided with measuring points 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n . It should be noted in this regard that any undesirable deformations of the stack 1 that occur are typically so slight that they could hardly be detected using an optical system. In addition, the arrangement of such sensors or other sensors, such as strain gauges and the like, on the stack 1 is likely to be associated with a number of difficulties. This is particularly true since very high temperatures prevail in the furnace 7 in which the joining process is carried out. Corresponding sensors would therefore also have to be highly temperature-resistant. Finally, it should also be pointed out that processes taking place in the volume of the cells (SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) are basically not detectable with sensors of the aforementioned type arranged on the outside of the stack.

Die 2 zeigt beispielhaft, ebenfalls in einer stark schematisierten Darstellung, mögliche an einem Stack 1 und dessen Zellen (SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n) während des Fügeprozesses auftretende geometrische Verformungen. Die sich gemäß dem entsprechenden Beispiel an dem Stack 1 zu irgendeinem Zeitpunkt einstellenden geometrischen Verhältnisse sind in der Zeichnung unter Weglassung des den Stack 1 umgebenden Ofens 7 dargestellt. Wie in der Zeichnung angedeutet, resultieren die an Zellen (SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n) des Stacks 1 und somit an der Stack-Geometrie insgesamt auftretenden Verformungen aus Fehlstellungen der Schubstange 3, also aus Abweichungen ihrer Längsachse 9 in einem Winkel α von der Lotrechten 8 der Stapelrichtung des Stacks 1.The 2 shows, by way of example and also in a highly schematic representation, possible geometric deformations that may occur on a stack 1 and its cells (SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) during the joining process. The geometric relationships that arise at any point in time on the stack 1 according to the corresponding example are shown in the drawing without showing the furnace 7 surrounding the stack 1. As indicated in the drawing, the deformations that occur on cells (SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack 1 and thus on the stack geometry as a whole result from misalignments of the push rod 3, i.e. from deviations of its longitudinal axis 9 at an angle α from the vertical 8 of the stacking direction of the stack 1.

In der Zeichnung sind allerdings diese Abweichungen, respektive der Winkel α, zur Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt. In der Realität sind diese Abweichungen so gering, dass sie mit optischen Mitteln kaum wahrnehmbar sind, aber dennoch zu optisch zwar ebenfalls kaum wahrnehmbaren, jedoch die Qualität und gegebenenfalls die Lebensdauer des Stacks 1 beeinträchtigenden Verformungen der SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n des Stacks 1 führen können. Daher wird der Stack 1 während des gesamten Fügeprozesses auf das Auftreten solcher unerwünschter Verformungen gemonitort. Dies geschieht dadurch, dass in einem sich ständig wiederholenden Messzyklus an einer Mehrzahl von an dem Stack 1 angeordneten und mit jeweils einem Kanal 4₁, 4₂, ... 4_n einer nach dem Prinzip der EIS arbeitenden Impedanzmesseinrichtung verbundenen Messpunkten 5₁, 5₂, ... 5_n jeweils die Impedanz gemessen und aus den Impedanzmesswerten geometrische, die Verformungen zum Ausdruck bringende Größen berechnet werden. Entsprechend der dabei festgestellten Verformungen wird mit Hilfe einer Regelfunktion und durch Betätigung des Aktors 6 fortwährend die Ausrichtung der Schubstange 3 korrigiert.In the drawing, however, these deviations, or rather the angle α, are greatly exaggerated for clarity. In reality, these deviations are so small that they are hardly perceptible with optical means, but they are nevertheless optically also barely perceptible. , which can lead to deformations of the SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n of the stack 1, which can however impair the quality and possibly the service life of the stack 1. The stack 1 is therefore monitored for the occurrence of such undesirable deformations throughout the entire joining process. This is done by measuring the impedance in a constantly repeating measuring cycle at a plurality of measuring points 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n arranged on the stack 1 and each connected to a channel 4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n of an impedance measuring device operating according to the EIS principle, and calculating geometric quantities expressing the deformations from the impedance measurements. In accordance with the deformations determined, the alignment of the push rod 3 is continuously corrected with the aid of a control function and by actuating the actuator 6.

In dem gezeigten Beispiel ist an jeder SOxC 2₁, 2₂, ... 2_n an zwei einander gegenüberliegenden Umfangsseiten (Außenseiten) ein Paar von Messpunkten 5₁, 5₂, ... 5_n angeordnet von denen jeder mit einem Kanal 4₁, 4₂, ... 4_n einer nach dem Prinzip der EIS arbeitenden, nicht gezeigten Impedanzmesseinrichtung verbunden ist. Die jeweils an diesen erhaltenen Impedanz-Messwerte ermöglichen Aussagen über die an einer jeweiligen Zelle in der X-Richtung auftretenden Verformungen. Vorzugsweise kann - in der 2 nicht gezeigt - außerdem an der sichtbaren, sich in der Zeichnungsebene erstreckenden Außenlängsseite und an der ihr gegenüberliegenden (nicht sichtbaren) Außenlängsseite ebenfalls je ein, mit einem Kanal 4₁, 4₂, ... 4_n der Impedanzmesseinrichtung verbundener Messpunkt 5₁, 5₂, ... 5_n angeordnet sein, wobei an diesen Messpunkten 5₁, 5₂, ... 5_n die an einer jeweiligen Zelle 2₁, 2₂, ... 2_n in der Y-Richtung auftretenden Verformungen ermittelt werden können.In the example shown, a pair of measuring points 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n is arranged on each SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n on two opposite circumferential sides (outer sides), each of which is connected to a channel 4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n of an impedance measuring device (not shown) that operates according to the EIS principle. The impedance measured values obtained at these allow statements to be made about the deformations occurring in a respective cell in the X direction. Preferably - in the 2 not shown - in addition, on the visible outer longitudinal side extending in the plane of the drawing and on the opposite (not visible) outer longitudinal side, a measuring point 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n connected to a channel 4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n of the impedance measuring device can be arranged, wherein the deformations occurring at a respective cell 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n in the Y direction can be determined at these measuring points 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n .

Andeutungsweise ist letzteres in der (im Verhältnis zur 2 nicht maßstäblichen) 3 in einer Draufsicht auf eine SOxC 2₁ des (ansonsten ebenso wie Ofen und Schubstange nicht gezeigten) Stacks 1 dargestellt, wobei hier die Messpunkte 5₁, 5₂ und die sie mit der Impedanzmesseinrichtung zur Erfassung von Verformungen in der Y-Richtung verbindenden (Mess-)Kanäle 4₁, 4₂ nur durch ein Symbol angedeutet und nicht mit einem Bezugszeichen versehen sind.The latter is indicated in the (in relation to the 2 not to scale) 3 in a plan view of a SOxC 2 ₁ of the stack 1 (otherwise not shown, like the furnace and push rod), wherein the measuring points 5 ₁ , 5 ₂ and the (measuring) channels 4 ₁ , 4 ₂ connecting them to the impedance measuring device for detecting deformations in the Y direction are only indicated by a symbol and are not provided with a reference number.

Die 4 zeigt beispielhaft die an unterschiedlichen Messpunkten 5₁, 5₂, ... 5_n zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Fügeprozesses in Bezug auf die X-Richtung gemessenen unterschiedlichen Impedanzen Z. In dem in der 4 gezeigten Diagramm steht also das Z, anders als das X, nicht für die entsprechende Richtung im Raum, sondern bezeichnet vielmehr die Impedanz.The 4 shows, by way of example, the different impedances Z measured at different measuring points 5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n at a specific time during the joining process in relation to the X-direction. In the 4 In the diagram shown, Z, unlike X, does not stand for the corresponding direction in space, but rather indicates the impedance.

Claims

Method for quality assurance in the production of stacks (1) from solid oxide cells SOxC 2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n , which are connected to one another to form the stack (1) in a furnace (7) designed for this purpose in a joining process under the influence of temperature and force with the aid of a solder introduced between them, wherein the force is applied by means of at least one push rod (3) exerting pressure on a central region of the uppermost and/or lowermost SOxC of the stack (1), characterized in that a respective stack (1) is monitored during the entire joining process with regard to undesirable deformations occurring in its geometry by, in a measuring cycle that is constantly repeated during the joining process, at a plurality of measuring points (5 ₁ , 5 ₂ ) distributed on the stack outer sides, on several SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack (1), each arranged in pairs and spaced apart from one another. , ... 5 _n ) using a multi-channel impedance spectroscopy EIS, the impedance is measured in each case and thus for each of the measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ), starting from a starting value measured for the impedance in the first measuring cycle at the respective measuring point (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ), a temporal progression of the impedance changing during the joining process is recorded and from the impedances measured at the measuring points (5 ₁ , 5 2 , ... 5 _n ) in the individual measuring cycles, the cell geometry of the SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) provided with measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) is calculated by means of a program application processed by a control and processing device SVE of the furnace (7), _and that these calculated geometric quantities are each directly used for Control of the joining process for minimizing undesirable deformations of SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) and thus of the stack (1) and/or from the temporal courses determined for these geometric quantities by repeated calculation during the joining process, quality statements on the produced stack (1) are derived.

procedure according to claim 1 , characterized in that at least one pair of measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) is arranged on each SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack (1) and each of these measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) is connected exclusively to one channel of an impedance measuring device used for impedance spectroscopy EIS.

procedure according to claim 1 or 2 , characterized in that at least four measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) are arranged on a respective cuboidal SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack (1) provided with measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) and are connected to one channel of the impedance measuring device, wherein at least one pair of measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) is arranged on opposite circumferential sides of the SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) and at least one further pair is arranged on the two other circumferential sides of the respective SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ), which extend orthogonally thereto and are also opposite one another.

Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the stack (1) is assigned a quality class in an automated process depending on the temporal progressions of the geometric variables which are calculated during the joining of the stack (1) and describe the cell geometry of the SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) provided with measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ), in accordance with a scheme stored for this purpose in the program application processed by the SEV.

Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the geometric variables calculated from the measured values for the impedance after a respective measuring cycle are included as actual values in a control function carried out by the SEV, according to which the orientation of the at least one push rod (3) with regard to the angle (α) between its longitudinal axis (9) and a plumb line dropped in the stacking direction of the stack is controlled by controlling an actuator (6).

System for a joining process under the influence of temperature and force for producing a stack (1) from solid oxide cells SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ), with a furnace (7), with at least one push rod (3) exerting pressure on a central region of the uppermost and/or lowermost SOxC of the stack (1) located in the furnace (7) during the joining process, and with a control and processing device SEV, characterized in that the system is equipped with an impedance measuring device having several measuring channels (4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n ) for impedance spectroscopy EIS, wherein during the joining process several of the measuring channels (4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n ) of the impedance measuring device are connected to the stack (1), namely one of the measuring channels (4 ₁ , 4 ₂ , ... 4 _n ) with each one of several measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) distributed on the stack outer sides at several SOxCs (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) of the stack (1), each arranged in pairs and spaced apart from one another, and that the SEV is designed to - control the impedance measuring device to measure the impedance in a constantly repeating measuring cycle at all measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ) arranged on the stack (1), - calculate from the measured values of the impedance measuring device, respectively correlating geometric variables describing the cell geometry of the SOxCs (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) provided with measuring points (5 ₁ , 5 ₂ , ... 5 _n ), - use the calculated geometric variables to analyze the joining process with regard to a To control minimization of undesirable deformations of SOxC (2 ₁ , 2 ₂ , ... 2 _n ) and thus of the stack (1) and/or to derive quality statements about the generated stack (1) from the temporal courses of these geometric quantities.

system according to claim 6 , characterized in that the SEV is designed to assign a quality class to a manufactured stack (1) in an automated process depending on the temporal courses determined for the geometric sizes on the basis of its repeated calculation, after the completion of the joining process, in accordance with a scheme stored for this purpose in the SEV.

system according to claim 6 or 7 , characterized in that the SEV is designed to align the at least one push rod (3) by controlling an actuator (6) after each measuring cycle with regard to the angle (α) of its longitudinal axis (9) to a vertical (8) in the stacking direction of the stack (1), according to a control function, in which the geometric variables calculated from the measured values of the measuring cycle are included by the SEV as actual values.