Füllstand und Durchfluss in der Batterie- und Wasserstofffertigung: Elektrolyt, Säure, Kühlmittel und Lauge ohne Medienkontakt überwachen

Von der Befüllstation bis zum Big Pack: wo in Batterie- und Wasserstofffertigung gemessen wird

Weil das Medium in das Produkt geht, liegt der Messort davor: in der Zuleitung der Befüllstation, im Vorratsbehälter, im Bad der Maschine oder im Kühlkreis. Die Füllhöhe am fertigen Produkt, etwa Verguss oder Elektrolyt am Zellrand, prüfen Stationen am Produkt. Hinzu kommt die Art der Medien. Säure, Lauge und Elektrolyt sind aggressiv, und an einem Elektrolyseur wird zusätzlich verlangt, dass keine Spannung am Rohr anliegt. In den Anfragen steht deshalb immer wieder derselbe Wunsch: den Durchfluss von außen am Rohr messen und den Füllstand von oben, ohne Teil im Medium.

Neben den großen Medienkreisen gibt es zwei einfachere Aufgaben. In der Absaugung eines Batteriefertigungsprozesses kann die Luft korrosives Elektrolytgas enthalten. Einen genauen Wert braucht dort niemand, nur die Antwort, ob Luft strömt. Das Konzept sieht an einem Rohr von knapp 80 mm einen Bypass vor, in dem ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC den Luftstrom erfasst. Die Gasliste dieser Modellreihe nennt Luft, Stickstoff und Argon; das Elektrolytgas selbst wird nicht gemessen.

Am Ende des Batterielebens steht das Recycling. In einer Anlage liegt recyceltes Batteriematerial, darunter Aluminium, Eisen, Kunststoff und Schwarzmasse, in rund zehn Big Packs, deren Stand ein Mitarbeiter täglich kontrolliert. Halb voll oder voll zu unterscheiden genügt, eine Genauigkeit von etwa 10 cm reicht. Ein Test mit einem Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR an verschiedenen Materialien ist vorgesehen.

Säure und Elektrolyt an der Befüllstation: Durchfluss in der Zuleitung, Füllstand im Vorrat

An mehreren Befüllstationen einer Batteriefertigung wird Säure in die Batterien gegossen. Die Überwachung ist dort für den Betreiber Pflicht. Heute zeigen Schwimmkörper in der Leitung, ob Säure fließt. Gewünscht ist ein Signal, das sich ohne Änderung an der SPS nachrüsten lässt, als skalierbarer Analogwert 4-20 mA. Betrachtet wird dafür ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-R an der Zuleitung jeder Station. Der Sensor sitzt außen am Rohr, die Säure berührt kein Sensorteil.

Beim Füllstand geht es um den Vorrat. Ein Hersteller von Energiespeichern und Batterien sucht für seine Test- und Formiermaschinen eine Füllstandsmessung des Elektrolyts ohne Kontakt, mit kurzer Messdistanz, Schraubbefestigung und chemikalienbeständigem Kabel. Der Katalog des Radar-Füllstandssensors führt dafür ein Kompaktmodell (Chemikalienbeständig) für kurze Distanzen mit Kabel aus chemikalienbeständigem PVC, auch als Stand-Alone-Ausführung. Welche Medien das Modell im Einzelnen verträgt, wird je Medium im Katalog geprüft.

Ein anderer Batteriehersteller lagert Salzsäure in Tanks und sucht eine Füllstandsmessung von außen. Laut Katalog erfasst der Radar-Füllstandssensor den Stand durch die Kunststoffwand eines Tanks oder durch ein Sichtfenster aus Glas, die Signalstärke variiert je nach Glas oder Kunststoff. Ob das an der Wand eines bestimmten Tanks gelingt, zeigt nur ein Test am realen Behälter; für diese Tanks sind weitere Tests vorgesehen.

Bei einer Batterie in Entwicklung ist der Elektrolyt eine Kalilauge von etwa 30 Prozent, geführt in Kunststoffrohren von rund 12 bis 20 mm. Für solche Medien werden häufig Coriolis-Geräte eingesetzt, die in der Leitung sitzen. Betrachtet wird hier ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-X. Dessen Katalog führt Elektrolyt unter den beispielhaften Medien, neben Flussmittel, Chemikalien und Lösungsmitteln. Das ist eine Beispielliste; ob Rohrgröße und Lauge zur Modellreihe passen, klärt der Katalog im Einzelfall.

In der Bleibatteriemaschine: Säurebad, Flussmittel, Blei und Kühlung der Bleiformen

Der dichteste Fall stammt aus einer Bleibatteriefertigung, in der eine Maschine gleich mehrere Medien führt. Im Säurebad soll ein Hoch-Hoch-Stand gemeldet werden. Das Flussmittel, ein säurehaltiges Medium, steht in einem Tank und in einem kleinen Becken, in dem nur etwa 80 mm Abstand bleiben; heute sitzt dort ein Schwimmerschalter. Gewünscht ist eine Anbindung über IO-Link.

Am Säurebad wurden zwei Ausführungen des Radar-Füllstandssensors getestet. Das chemikalienbeständige Kompaktmodell arbeitete im Test gut, auch durch Kunststoffteile hindurch, und erfasste den Stand des Flussmittels. Auch über heißem, flüssigem Blei wurde der Füllstand im Test erfasst. Für einen dauerhaften Einsatz über der Schmelze sind die Temperaturgrenzen vorher mit dem Katalog abzugleichen.

Für die Kühlung der Bleiformen ist in dieser Fertigung der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-H im Einsatz. In die Maschinen integriert, überwacht er jeden Kühlzyklus von außen am Rohr. Für Säure und Flussmittel derselben Maschine liegen die Radar-Tests vor, bei denen ebenfalls kein Sensorteil in das Medium taucht.

Kühlmittel von Pack und Batterielinie: am Schlauch, am eingesetzten Rohrstück, an der Folienlinie

Ein Unternehmen rüstet Lkw und Kommunalfahrzeuge auf Batterieantrieb um. Ein spezielles Kühlmittel kühlt mehrere Lagen des Packs und fließt durch einen eigens gefertigten Mehrschichtschlauch, der viel Luft mitführt. Ein Schlauch mit Lufteinschlüssen ist ein schwieriger Messort; ein Testaufbau mit den realen Leitungen folgt. Auch in der Batteriemontage für große Fahrzeuge soll der Durchfluss im Kühlsystem des Packs überwacht werden, an einem flexiblen Schlauch von etwa 20 mm.

An einer 1500-V-Batterielinie geht es um die Kühlleistung. Die Zellen sind validiert, am Produkt darf nichts verändert werden. Deshalb wurde ein dünnwandiges Edelstahlrohrstück von rund 40 mm Außendurchmesser in den Kreis eingesetzt. Daran lieferte die Modellreihe FD-H im Test stabile Werte. Der Durchflusswert soll per Modbus TCP ins Netzwerk gehen.

In einem Entwicklungsprojekt für die Batterieproduktion soll an einer Linie für Separatorfolie die Flüssigkeit für die Pumpenregelung gemessen werden. Ein Test mit der Modellreihe FD-H verlief erfolgreich. In einem Folgeprojekt ist die Erfassung des Kühlmittelflusses an der Folienfertigung angefragt.

Ein Hersteller von Speichern, die Energie in Flüssigkeiten statt in Lithiumzellen speichern, fragt nach mehreren Durchflussmesspunkten je System, an Zulauf und Ablauf der Tanks. Auch hier sitzt die Messung außen an der Leitung.

Elektrolyseur und Brennstoffzelle: VE-Wasser, Kühlwasser und Kalilauge ohne Medienkontakt

An Wasserstoffanlagen stellen sich dieselben Fragen an anderen Kreisen. Gemessen werden Flüssigkeiten. Wasserstoff und Sauerstoff stehen in keiner Gasliste der Modellreihen und bleiben außen vor.

Für eine neue alkalische Elektrolyseanlage ist der Durchfluss an mehreren Stellen zu prüfen: VE-Wasser in einem Edelstahlrohr von 6 mm bei sehr kleinem Durchfluss, Kühlwasser in Edelstahlrohren von 15 und 30 mm und Kalilauge mit etwa 25 bis 35 Gewichtsprozent bei 50 bis 90 °C in einem 25-mm-Rohr, mit einigen hundert bis knapp 2000 L/h. Betrachtet wird dafür die Modellreihe FD-H. Ihr Katalog nennt als unterstützte Flüssigkeitstemperatur, gemessen als Rohroberflächentemperatur, für das Standardmodell 0 °C bis 85 °C und für das Hochtemperaturmodell 0 °C bis 180 °C. Die Lauge mit bis zu 90 °C liegt damit über dem Bereich des Standardmodells; ob die Lauge selbst passt, klärt die Auslegung.

An einem Elektrolyseur-Prototyp ist der Elektrolyt eine Lauge in einem Metallrohr von etwa 12 mm, bei rund 15 L/min. Die Genauigkeit ist zweitrangig. Vorrang haben zwei Anforderungen: kein Kontakt zum Medium und keine Spannung am Rohr. In der Verfahrenstechnik der Elektrolyse geht es dagegen um Flüssigkeitsleitungen großer Nennweite, teils mit Zwei-Phasen-Strömung. In Betracht gezogen wird dafür die Modellreihe FD-R. Ihr Katalog nennt Rohre von 40 A bis 200 A und verlangt eine Flüssigkeit ohne große Lufteinschlüsse oder übermäßige Blasen; das Strömungsbild ist deshalb vorab zu klären.

Bei Brennstoffzellen gilt die Messung dem Kühlkreis. Ein Hersteller von Brennstoffzellen für die Industrie möchte den Kühlwasserdurchfluss erfassen und wünscht für Durchfluss und Temperatur eine Genauigkeit von etwa 1 Prozent. Tests mit ersten Sensoren sind geplant; welche Genauigkeit erreichbar ist, klären Katalogwerte und Test. Für ein Brennstoffzellensystem in Entwicklung liegt der Kühlkreis bei etwa 40 l/min an Leitungen von rund 30 mm Außendurchmesser, möglicherweise als Schlauch. Für die Kühlflüssigkeit an Brennstoffzellen eines weiteren Betriebs kommen die Modellreihe FD-H und ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-Q in Betracht.

In Containern, die Energie mit Wasserstoff speichern, fließt Wasser in PVC-Rohren von etwa 20 bis 40 mm bei bis zu 50 °C. Angefragt sind mehrere Durchflussmesspunkte je Container.

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