CN107534120A - 用于燃料电池堆的电连接器 - Google Patents

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Abstract

用于电接触燃料电池堆(2)的至少一个双极板(8)的电连接器组件(1)，包括至少一个支撑结构(10)和至少一个接触销(20)，该电连接器组件适于电接触双极板(8)并由支撑结构(10)支撑，其特征在于支撑结构(10)包括至少一个适于面对燃料电池堆(2)的后表面(R)、与后表面(R)相对的前表面(F)、以及第一侧面和第二侧面(S、S2)，其中，后表面(R)包括至少一个双极板容纳狭缝(12)，其从第一侧面(S)延伸到第二侧面(S2)并且其适于至少部分地容纳双极板(8)，从而限定梳状支撑结构(10)，其具有从支撑底座(16)延伸的至少两个齿(14)，所述至少两个齿(14)由布置在中间的双极板容纳狭缝(12)分开，且其中支撑结构(10)还包括具有适于容纳接触销(20)的尺寸的至少一个接触销容纳开口(18)。

Description

用于燃料电池堆的电连接器
技术领域
本发明涉及一种用于电接触燃料电池堆中的至少一个双极板的电连接器的支撑结构。
背景技术
燃料电池堆通常通过将大量单元电池堆叠成多个层而形成。每个单元电池都包括至少一个膜电极组件(MEA)，该至少一个MEA具有夹在阳极与阴极之间的离子交换膜，以及位于MEA两外侧的一对双极板。氢燃料和氧化剂通过双极板被供给到产生电力的MEA。对于这样的燃料电池堆，为了控制所提供的氢和氧的量和/或找到损坏或故障单元燃料电池，必须对每个单元电池的发电状态进行管理。为了实现这种管理，会对每个单元电池产生的电压进行监视，并且基于监视的电压来进行控制。为了监视电压，每个双极板均连接到电连接器，电连接器通常包括支承多个接触元件的外壳，所述接触元件适于电接触双极板。
从现有技术，例如US2003/054220，已知了一种梳状电接触元件，其支承在支撑结构上，且其齿适于与双极板邻接，从而建立电接触。这种连接器的缺点是多方面的。首先，所使用的双极板必须具有一定的最小厚度，以通过邻接双极板和电接触元件来建立电接触。其次，电连接器容易脱离双极板，因此需要额外的固定元件来将电连接器固定到燃料电池堆。另一个问题是，必须仔细设计电触头齿之间的距离，以适应燃料电池堆。因此，仅允许最小的制造公差，这进而导致制造过程昂贵且耗时。
从文档US2008/003482中，我们知道了一种电连接器，其包括带有并排布置的多个电接触元件的外壳。每个接触元件都具有两个具有向外弯曲的尾部的扁平矩形条带，双极板插入这两个条带之间。
这种现有技术的缺点是燃料电池堆需要一定的最小尺寸，以便双极板可以连接到并列的接触元件上。即使一个接触元件已经布置在其他接触元件的顶部，为了解决薄燃料电池的空间问题，接触元件仍然需要有效空间。此外，电连接器的支撑壳体还需要特殊设计来装配到可用空间中。
另一个已知的电连接器的问题是，它们很容易从双极板上脱离，因此通常用额外的紧固件(例如，夹子或钩)将其固定到燃料电池堆。因此，双极板和电连接器的设计和制造复杂、昂贵且耗时。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电连接器，即便使用薄型单元燃料电池，该电连接器也可以容易地固定到燃料电池堆，并且进一步为双极板提供改进的电接触。
此目标通过根据权利要求1所述的电连接器组件，根据权利要求12所述的这种电连接器组件的支撑结构，根据权利要求13所述的燃料电池堆装置，以及根据权利要求14所述的用于将电连接器组件固定到燃料电池堆的双极板的方法来实现。
在下文中，公开了一种用于电接触燃料电池堆中的至少一个双极板的电连接器组件，以及用于这种电连接器组件的支撑结构，其中，电连接器组件包括至少一个支撑结构和至少一个接触销，该电连接器组件适于电接触双极板，并且在组装状态下由支撑结构支撑。支撑结构本身至少包括适于面对燃料电池堆的后表面、与后表面相对的前表面，以及至少两个侧面，即，第一侧面和第二侧面。此外，支撑结构的后表面还包括至少一个双极板容纳狭缝，下文中也称为狭缝，该狭缝从第一侧面延伸到第二侧面，并且适于容纳双极板。因此，支撑结构为梳状，具有至少两个从支撑底座延伸的齿，该齿被布置在中间的双极容纳狭缝分开。
另外，该支撑结构还包括至少一个接触销容纳开口，其具有适于在电连接器组件的组装状态下容纳接触销的尺寸。接触销容纳开口本身可以布置在支撑底座上，从前表面延伸到狭缝，和/或布置在至少一个侧表面上，至少部分地从一个侧面延伸到另一个侧面。
此外，支撑结构和接触销还可以作为单独的元件来提供，当将支撑结构和接触销安装到燃料电池堆时，将它们组装到电连接器组件。或者，也可以将接触销初步布置在接触销容纳开口中，并且可以从接触销容纳开口中移除并重新插入或更深地插入开口中，以将电连接器组件固定到双极板。
有利的是，梳状支撑结构允许很容易地将支撑结构分别应用于双极板和燃料电池堆，而不需要对燃料电池堆或双极板进行特殊设计。此外，在支撑结构已经布置在燃料电池堆之后被插入接触销容纳开口的接触销会使容纳在支撑结构的狭缝中的双极板变形，由此使双极板夹紧在狭缝中，这又导致支撑结构夹紧到燃料电池堆。不需要诸如固定元件(例如，钩或鼻状物)之类的特殊实现方式。这进而具有电连接器组件普遍适用的优点。
根据另一优选实施方案，在电连接器组件的组装状态下，该至少一个接触销插入该至少一个开口中，其中，将支撑底座的厚度确定为小于接触销的长度，使得在组装状态下，接触销伸入狭缝中并接触双极板。如此，在将支撑结构布置到燃料电池之后，可以很容易将接触销插入到开口中。接触销的插入会使双极板变形，并使其楔入狭缝中。这进而导致支撑结构和接触销被固定到双极板，并且双极板被电接触。由此，电连接器可以快速且容易地组装到双极板上，而不需要在燃料电池和/或连接器上设置附加固定元件来将连接器固定到燃料电池堆上。
根据另一优选实施方案，接触销容纳开口和/或接触销的尺寸大于狭缝的厚度。因此，双极板可以被卡在狭缝的壁和插入的接触销之间，从而增加了狭缝与双极板之间的摩擦力。此外，优选地，当将接触销插入接触销容纳开口时，在狭缝的壁中，形成凹槽，双极板可以被压入到凹槽中。这允许将电接触组件分别固定到双极板和燃料电池堆上。
进一步优选的是，如果该至少一个狭缝具有中心线，且该至少一个接触销容纳开口具有中心线，那么接触销容纳开口的中心线与狭缝的中心线不对准。如此，接触销将不会从双极板上弹回(这会妨碍组装过程)，但会伸出到双极板的上方或下方，因此双极板可能会变形。
根据另一优选实施方案，电连接器组件包括多个双极板容纳狭缝和多个接触销容纳开口，其中，每个狭缝都包括单个接触销容纳开口。优选地，至少一个支撑结构的齿的厚度适应于单元燃料电池的至少一个膜电极组件。因此，使用单个电连接器组件，不仅可以电连接单个双极板，而且还可以电连接多个双极板，从而加快电接触过程。
由于双极板的尺寸以及膜电极组件的尺寸往往会变得越来越小，因此，优选地，使双极板容纳狭缝彼此基本平行，但相邻双极板容纳狭缝的接触销容纳开口在双极板容纳狭缝的纵向轴线方向相互偏移。因此，双极板容纳狭缝优选地沿着与纵向轴线成一定角度的线(优选对角线)布置。这样做的优点是，即使燃料电池堆中存在小尺寸的双极板，相应地，小尺寸的单元燃料电池，插入开口中的接触销也不会相互干扰。这也允许使用粗标准化接触销，这是非常划算的。
根据另一个优选实施方案，两个相邻接触销容纳开口之间的距离由避免使接触销短路而所需的两个相邻接触销之间的最小距离确定。
进一步优选地，至少两个相邻接触销容纳开口之间的距离由标准公插头中包括的和/或用于可连接到标准化母插座的至少两个对应相邻的接触销之间所要求的距离确定。除了避免短路的要求之外，优选地通过包括常规间隔的母插座的标准插头来与接触销接触，或者使用包括接触销的标准公插头来将接触销插入接触销容纳开口。因此，可以同时连接多个单独的接触销或接触销容纳开口，从而提高燃料电池堆的布线过程的速度。因此，通过以标准距离提供接触销和/或接触销容纳开口，可以使用标准化母插座和/或公插头，这使得布线过程快速并且具有成本效益。
如上所述，可以以拆卸状态提供电连接器组件。因此，本发明的另一方面涉及这种电连接器组件的支撑结构，该电连接器组件表现出上述特征中的至少一个。
本发明的另一方面涉及一种包括至少一个燃料电池堆以及上述电连接器组件的燃料电池堆装置，该燃料电池堆具有至少一个双极板和至少一个燃料电池单元，燃料电池单元具有至少一个膜电极组件。在组装状态下，该至少一个双极板至少部分地容纳在该至少一个双极板容纳狭缝中，并通过由插入到设置在支撑结构中的接触销容纳开口中的接触销施加的夹紧和/或摩擦力而紧固并电连接到电接触组件。
本发明的另一方面涉及一种用于将上述电连接器组件紧固到燃料电池堆结构的方法，该方法包括下列步骤：在电连接器支撑结构的每个狭缝中至少部分地布置单个双极板，并且将接触销按压到每个接触销容纳开口中，使得接触销伸入狭缝中并接触双极板，由此接触销使狭缝中的双极板变形，并将双极板固定在狭缝中，并固定到支撑结构中。这种紧固方法使得可以快速且以具有成本效益的方式电接触上述燃料电池堆。
说明书、附图和所附权利要求中公开了进一步的优点和优选实施方案。
附图说明
在下文中，将参考附图来描述本发明的实施方案。所示实施方案仅是示例性的，并不旨在限制保护范围。保护范围仅由所附权利要求限定。
附图示出了：
图1：安置在燃料电池堆中但在组装之前的本发明的电连接器组件的第一实施方案的示意性剖面图；
图2：图1所示的组装状态下的电连接器组件的放大视图；
图3：图1和图2所示的电连接器组件的支撑结构的透视图；
图4：电连接器组件的第二实施方案的放大视图；
图5：沿着线A-A截取的图4所示的实施方案的剖面图；
图6：组装前电连接器组件的第三实施方案的示意剖面图；
图7：图6所示的处于组装状态的电连接器组件的示意透视图。
具体实施方式
在下文中，相同元件或功能上相似的元件以相同附图标记表示。
图1和图6示出了安装在燃料电池堆2上(形成燃料电池堆装置100)的电连接器组件1的两个不同实施方案的剖面图。电连接器组件1是从其侧面S1、S2的其中之一看到的，并且具有前侧F，以及与前侧F相对的面向燃料电池堆2的后侧R。燃料电池堆2包括层叠在彼此顶部的多个单元燃料电池4，单元燃料电池4具有膜电极组件6和双极板8。由于燃料电池堆2是现有技术，因此在本申请中将不再进一步描述。为了电连接双极板8，双极板8从燃料电池堆突出，从而限定了电接触旗状部8-1。
电连接器组件1还包括具有多个双极板容纳狭缝12(在下文中称为狭缝)的支撑结构10，该狭缝限定了一种梳状结构，并适于容纳双极板8的接触旗状部8-1。在狭缝12之间，支撑结构10露出齿14，齿的厚度与膜电极组件6的厚度相近。此外，支撑结构10包括支撑结构底座16，齿从该支撑结构底座16伸出，并且底座的宽度由狭缝12的深度限定。应明确地指出，所示狭缝或齿的数量分别仅仅是示例性的。任何其他数量也都是可以的。即使仅包括单个狭缝12的电连接器组件1也包括在本申请中。
在图1中所描述的实施方案中，支撑结构底座16还包括接触销容纳开口18，其在下文中被称为开口，该开口与狭缝12对准，并允许容纳插入到开口18中的接触销20。在图2所示的组装状态下，接触销20适于伸入到狭缝12中，从而电接触双极板8。此外，接触销20还将双极板8夹在缝隙12中，使得电连接器组件1通过夹紧和/或摩擦力固定到燃料电池堆2。
图3仅从其前侧F示出了支撑结构10的透视图。如图3所示，开口18彼此对角地偏移，以增大开口18之间的距离D。即使单元燃料电池4的由两个狭缝之间的距离d限定的厚度小于粗标准接触销20所需的最小距离，该偏移也允许使用粗标准化接触销20和/或标准化公插头。因此，由于开口18的偏移对准，两个开口18之间的距离D增大，因此使用标准化接触销20便可行，而当开口18沿着垂直于狭缝12的延长线的线对准时，就不一定可行。除了可以容易地处理较粗的标准化接触销的优点之外，标准化的接触销也可以连接到标准母插头，这降低了制造成本。
为了增加电连接器组件1到双极板8的内聚力，还可以在狭缝12中使双极板8变形。图4-图7中示出了不同的可能性。因此，接触销容纳开口18与狭缝12的尺寸不相同尺寸，而是比狭缝稍大(图4、图5)或相对于其偏移(图6、图7)，由此，在支撑结构10中形成了凹槽22，双极板向该凹槽22内变形。
图4及其从正面F看到的并在图5中示出的沿着线A-A的剖面图描绘了在狭缝12的底部24形成的凹槽22的实施方案。因此，凹槽22可以如所示的那样对称地布置，由此狭缝12的两个侧壁26、28均带有凹槽。但是，仅一个侧壁提供凹槽12也是可以的。当插入接触销20时，双极板8变形到凹槽22中，如图4，以及图5的剖面图所示。双极板8的变形8-2会阻止电连接器组件沿着燃料电池堆侧向移动(参见图5中的双箭头)并阻止支撑结构10从双极板分离的运动(参见图4中的箭头)。由此，电连接器组件1安全地固定在双极板8上。凹槽22本身可以是矩形形状，如图所示，但也可以是圆形或椭圆形。此外，凹槽22可以具有与接触销20相似的形状。
除了如图1-图5所示的接触销20在前侧F处的布置之外，接触销20也可以布置在侧面S1、S2之一处(见图7)。图6和图7示出了这些实施方案。从图6可以看出，凹槽22可以布置在齿14的一个侧壁28中(见图6的上部)，或者在两个侧壁26和28中(参见图6的下部)。还示出了凹槽22可以彼此偏置或彼此垂直对准布置。此外，还示出了凹槽22的形状类似于接触销20的形状。
图7示出了从侧面S1示出的图6所示的实施方案的透视图，其中，接触销20-1、20-2、20-3彼此偏置对齐。中间接触销20-2进一步示出了凹槽22-2仅部分地延伸到狭缝12中，从而限定凹槽22-2的底端32，这进而限定了接触销20的止端。由此，可以实现限定接触销20的插入深度，从而也可实现限定接触销20从侧面S1伸出的长度。这有助于将接触销20布置到支撑结构中，以获得能够连接到母插头的标准化电触点。
所限定的底端32也可在凹槽22具有限定深度的所有其它实施方案中实现(例如，参见图4)。
所公开的电接触组件优选使得燃料电池的双极板能快速且以具有成本效益的方式电气连接。通过将接触销插入接触销容纳开口中，而将电连接器组件的支撑结构夹紧在双极板上，可以容易地电接触燃料电池。此外，由于不需要以特殊方式形成燃料电池堆来将电连接器组件固定到其上，因此电连接器组件可通用。此外，开口和接触销各自的偏移布置允许使用标准化接触销，即使是薄双极板也如此，在薄双极板的情况下，狭缝之间的纵向距离不足以垂直或水平地布置接触销。
附图标记
1 电连接器组件
2 燃料电池堆
4 单元燃料电池
6 膜电极组件
8 双极板
8-1 电接触旗状部
8-2 变形
10 支撑结构
12 双极板容纳狭缝
14 齿
16 支撑结构底座
18 接触销容纳开口
20 接触销
22 凹槽
24 狭缝底部
26、28 狭缝侧壁
32 凹槽底端

Claims (14)

1.一种用于电接触燃料电池堆(2)的至少一个双极板(8)的电连接器组件(1)，包括至少一个支撑结构(10)和至少一个接触销(20)，该电连接器组件适于电接触所述双极板(8)并由所述支撑结构(10)支撑，
其特征在于，
所述支撑结构(10)包括至少一个适于面对燃料电池堆(2)的后表面(R)、与所述后表面(R)相对的前表面(F)、以及第一侧面和第二侧面(S1、S2)，其中，所述后表面(R)包括至少一个双极板容纳狭缝(12)，其从所述第一侧面(S1)延伸到所述第二侧面(S2)并且其适于至少部分地容纳所述双极板(8)，从而限定梳状支撑结构(10)，其具有从支撑底座(16)延伸的至少两个齿(14)，所述至少两个齿(14)由布置在中间的双极板容纳狭缝(12)分开，且其中所述支撑结构(10)还包括具有适于容纳接触销(20)的尺寸的至少一个接触销容纳开口(18)。
2.根据权利要求1所述的电连接器组件(1)，其中，所述至少一个接触销容纳开口(18)布置在所述支撑底座(16)中并且至少从所述前表面(F)延伸到所述双极板容纳狭缝(12)，从而在所述前表面(F)限定接触销孔。
3.根据权利要求2所述的电连接器组件(1)，其中，在所述电连接器组件(1)的组装状态下，所述至少一个接触销(20)插入所述至少一个接触销孔(18)中，其中，将所述支撑结构的支撑底座(16)的宽度确定为小于所述接触销(20)的长度，使得在组装状态下，所述接触销(20)伸入所述双极板容纳狭缝(12)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电连接器组件(1)，其中，所述至少一个接触销容纳开口(18)至少部分地从一个侧面(S1、S2)延伸到另一侧面(S1、S2)，其中，所述接触销容纳开口(18)在所述齿(14)的至少一个侧壁(26、28)中形成凹槽(22)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电连接器组件(1)，其中，所述接触销容纳开口(18)和/或所述接触销(20)的尺寸大于所述双极板容纳狭缝(12)的厚度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电连接器组件(1)，其中，所述接触销容纳开口(18)延伸穿过所述支撑底座(16)并且伸入所述双极板容纳狭缝(12)中，由此在所述齿(14)的至少一个侧壁(26、28)中形成凹槽(22)，从而在双极板容纳狭缝(12)的底部(24)处形成增大的空间。
7.根据权利要求4或6所述的电连接器组件(1)，其中，所述凹槽(22)具有凹槽底部(32)，所述凹槽底部限定所述接触销(20)进入所述凹槽(22)的最大插入深度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电连接器组件(1)，其中所述支撑结构(10)包括多个双极板容纳狭缝(12)和多个接触销容纳开口(18)，其中每一狭缝(12)均包括单个开口(18)。
9.根据权利要求8所述的电连接器组件(1)，其中所述狭缝(12)基本上彼此平行地布置，并且相邻狭缝(12)的接触销容纳开口(18)彼此偏移地布置。
10.根据权利要求8或9所述的电连接器组件(1)，其中两个相邻接触销容纳开口(18)之间的距离(D)由避免接触销短路而所需的两个相邻接触销(20)之间的最小距离确定。
11.根据权利要求8至10所述的电连接器组件(1)，其中，至少两个相邻的接触销容纳开口(18)之间的距离(D)由标准化公插头的和/或可连接到标准化母插座的至少两个对应相邻的接触销(20)之间所需的距离确定。
12.用于根据权利要求1至11中的任一项所述的电连接器组件(1)的支撑结构(10)。
13.燃料电池堆装置(100)，包括至少一个燃料电池堆(2)，以及根据权利要求1至11中的任一项所述的电连接器组件(1)，该燃料电池堆(2)具有至少一个燃料电池单元(4)，该燃料电池单元(4)包括至少一个双极板(8)和至少一个膜电极组件(6)，其中，在组装状态下，所述至少一个双极板(8)至少部分地容纳在所述至少一个双极板容纳狭缝(12)中，并且通过由所述接触销(20)施加的夹紧力来紧固。
14.一种用于将根据权利要求1至11中的任一项所述的电连接器组件(1)紧固到根据权利要求13所述的燃料电池堆装置(100)的方法，包括以下步骤：
-至少部分地将单个双极板(8)布置在所述支撑结构(10)的每个双极板容纳狭缝(12)中；以及
-将接触销(20)压入到每一接触销容纳开口(18)中，以便接触销(20)伸入所述狭缝(12)并接触所述双极板(8)，从而使所述双极板(8)变形，并将所述双极板(8)紧固在所述双极板容纳狭缝(12)中并紧固至所述支撑结构(10)。
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