DE102006006831B4

DE102006006831B4 - Apparatus for contacting fuel cell stacks

Info

Publication number: DE102006006831B4
Application number: DE102006006831A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hickmann; Wolfgang Langnickel
Original assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Current assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Priority date: 2006-02-11
Filing date: 2006-02-11
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-02-12
Also published as: DE102006006831A1

Abstract

Vorrichtung zum Kontaktieren von Elektroden von Brennstoffzellen-Stacks dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels federnder Kontakte erfolgt und diese auf beweglichen Trägem (1) montiert sind – vorzugsweise Leiterplatten, indem mehrere dieser Träger als gegenüberliegende Schenkel von in der Ebene verformbaren Rauten (5) – bestehend aus Trägem (1) und Koppelgliedern (4) – angeordnet sind, so dass sämtliche Träger unabhängig davon, wie weit die Rautenführung der gesamten Anordnung auseinandergezogen oder zusammengeschoben wird, parallel zueinander stehen, um Elektroden von Stacks (8) zu kontaktieren.contraption for contacting electrodes of fuel cell stacks thereby characterized in that the contacting by means of resilient contacts takes place and these are mounted on movable supports (1) - preferably Circuit boards, placing several of these carriers as opposed Legs of in-plane deformable rhombuses (5) - consisting from carriers (1) and coupling links (4) - arranged are, so that all carriers regardless of how far the diamond guide the entire arrangement pulled apart or pushed together will be parallel to each other around electrodes of stacks (8) to contact.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abgreifen von elektrischen Potentialen an Brennstoffzellen-Stacks und ähnlichen Anordnungen.The The invention relates to a device for tapping electrical Potentials of fuel cell stacks and similar arrangements.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In der Entwicklungsphase von Brennstoffzellen-Systemen oder in Forschungsprojekten ist es sinnvoll und unverzichtbar, die Auswirkung der verschiedensten Entwicklungsparameter auf die Funktion möglichst umfassend messtechnisch zu erfassen, unter anderem auch die elektrische Spannung jeder einzelnen Zelle. Bei Arbeiten an Brennstoffzellen-Stacks, also Anordnungen von aufeinander gestapelten. Einzel-Zellen, lassen sich die elektrischen Potentiale beispielsweise mit federnden Kontaktnadeln abgreifen und auf einen Steckverbinder führen.In the development phase of fuel cell systems or in research projects is it meaningful and indispensable, the impact of the most diverse Development parameters on the function as comprehensively as possible metrologically to capture, among other things, the electrical voltage of each individual Cell. When working on fuel cell stacks, so arrangements stacked on top of each other. Single cells, let the electrical potentials for example, with resilient contact needles tap and on a Lead connector.

Vorrichtungen zum Kontaktieren oder elektrischen Verbindungen von Brennstoffzellen-Stacks sind Bekannt aus DE 103 93 737 T5 , JP 2000 22 31 41 A und WO 2003/02 60 72 A2 .Devices for contacting or electrical connections of fuel cell stacks are known from DE 103 93 737 T5 . JP 2000 22 31 41 A and WO 2003/02 60 72 A2 ,

Es ist üblich, mehrere Kontaktnadeln – beispielsweise 10 – auf einer Einheit zu montieren, und mehrere dieser Einheiten auf dem Stack anzubringen. – Wenn ein Parameter, wie beispielsweise die Geometrie, insbesondere die Dicke der Elektrodenplatten – im Fachjargon oft nicht immer korrekt als „Bipolarplatten" bezeichnet, der Diffusionslayer, der Membranen, der Dichtungen oder auch die Flächenpressung verändert werden soll, dann müssen in der Regel neue Einheiten mit einer anderen Anordnung der Kontaktnadeln entwickelt werden, insbesondere mit anderen Abständen. Dies ist ein unbefriedigender Zustand, weil im Entwicklungsprozess ständig wieder Kosten entstehen – und weil Zeit verloren geht.It is common, several contact needles - for example 10 - up to assemble a unit, and several of these units on the Stack to install. - If a parameter such as the geometry, in particular the Thickness of the electrode plates - im Technical jargon is often not always correctly referred to as "bipolar plates", the Diffusion layer, the membranes, the seals or the surface pressure changed should be, then have to usually new units with a different arrangement of contact pins be developed, especially with other distances. This is an unsatisfactory state because in the development process constantly again costs arise - and because time is lost.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer einheitlichen Vorrichtung ein weites Spektrum an Stack-Geometrien abzudecken, damit insbesondere die folgenden Maßnahmen nicht dazu führen, dass neue Einheiten zum Kontaktieren konstruiert und angefertigt werden müssen: Veränderung der Elektroden-Dicke, beispielsweise als Folge von Änderungen im Flussfeld, Modifikationen an den Dichtungen; Veränderungen im Bereich der MEA, also im Bereich der Diffusionslayer und der Membran.Of the Invention is based on the object with a single device cover a wide range of stack geometries, in particular the following measures do not cause that new units designed and manufactured for contacting Need to become: Change in the Electrode thickness, for example, as a result of changes in the flow field, modifications at the seals; changes in the field of MEA, ie in the area of the diffusion layer and the Membrane.

LÖSUNGSOLUTION

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Kontaktierung von Elektrodenplatten in Stacks (8) unterschiedlicher Geometrie dadurch gelöst, dass anstelle von starren Leiterplatten-Anordnungen eine gelenkige Konstruktion mit Arretiereinrichtung eingesetzt wird. Die Träger der Kontaktnadeln werden vorzugsweise in Form schmaler Leiterplatten-Streifen realisiert, und diese werden durch mechanisch steife Koppelglieder in einer Weise geführt, dass die gesamte Anordnung sehr leicht und schnell an praktisch jede vorkommende Stack-Geometrie angepasst werden kann.According to the invention the object of contacting electrode plates in stacks ( 8th ) different geometry solved in that instead of rigid printed circuit board assemblies an articulated construction is used with locking device. The carriers of the contact needles are preferably realized in the form of narrow circuit board strips, and these are guided by mechanically rigid coupling members in a manner that the entire assembly can be easily and quickly adapted to virtually any occurring stack geometry.

Die erforderliche mechanische Stabilität wird durch eine Arretiervorrichtung erreicht, die außerdem als Führungsschiene dient und damit für eine präzise mechanische Führung sorgt. Diese Führungsschiene kann als Träger für einen oder mehrere Steckverbinder verwendet werden, womit sämtliche Funktionselemente zu einer mechanisch stabilen Einheit zusammengefasst sind.The required mechanical stability is achieved by a locking device reached as well guide rail serves and thus for a precise mechanical guide provides. This guide rail can as a carrier for one or multiple connectors are used, whereby all Functional elements combined to form a mechanically stable unit are.

Die Teil-Aufgabe, die elektrischen Potentiale auf leicht handhabbare Steckverbinder zu führen, kann mit Hilfe flexibler Leiterplatten auf Folienbasis besonders elegant gelöst werden.The Part-task, the electrical potentials on easily manageable Can lead connector particularly elegant thanks to flexible printed circuit boards solved become.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei der neuartigen Vorrichtung (1) sind im Gegensatz zu allen bekannten Ausführungen die Kontaktnadeln (7) auf beweglichen Trägern (1) befestigt, und diese werden vorzugsweise als Leiterplatten ausgeführt. Je nachdem, wie viele Nadeln auf jedem der Träger montiert sind, so viele parallel zueinander stehende Kontaktreihen (9) sind die Folge. Durch den jeweiligen Versatz der Nadelpositionen ist es möglich, auch Stacks mit extrem schmalen Elektroden sicher zu kontaktieren, ohne dass die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Kontaktnadeln besteht.In the novel device ( 1 ) are in contrast to all known designs, the contact pins ( 7 ) on moving supports ( 1 ), and these are preferably designed as printed circuit boards. Depending on how many needles are mounted on each of the carriers, so many parallel contact rows ( 9 ) are the consequence. Due to the respective offset of the needle positions, it is possible to securely contact even stacks with extremely narrow electrodes without the risk of short circuits between the contact needles.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Kontaktierung von Stacks (8) – dies ist der Fachterminus für eine geschichtete Anordnung von Einzelzellen, gelegentlich auch mit "Stapel" bezeichnet – unterschiedlicher Geometrie dadurch gelöst, dass nicht beispielsweise zehn Kontaktnadeln (7) auf einer Einheit – vorzugsweise Leiterplatten (1) – zusammengefasst werden, sondern eine viel geringere Anzahl – beispielsweise zwei (2) pro Träger. Diese Träger der Kontaktnadeln werden – wie in 1 skizziert – über Gelenke (3) so miteinander verbunden, wie man es von Pantographen her kennt. Auf diese Weise entsteht eine Kette von parallel ausgerichteten Trägern von Kontaktnadeln (1), die über jeweils zwei Gelenke mit Koppelgliedern (4) verbunden sind, die wiederum mit dem nächsten Träger von Kontaktnadeln gelenkig verbunden sind. Die Gelenkstellen bilden Rhomben (5), die sich an den Spitzen (6) berühren. Wenn auf den Trägern der Kontaktnadeln beispielsweise zwei Nadelkontakte in einem Abstand zueinander angebracht sind, der mit der Schenkellänge der Rhomben übereinstimmt, und darüber hinaus der Abstand einer der Kontaktnadeln zu einem der Gelenke die Hälfte der Schenkellänge beträgt, dann bilden die Orte sämtlicher Kontaktnadeln ein Muster von zwei parallelen Nadelgruppen mit der besonderen Eigenschaft, dass die Abstandskomponente der Koordinate, die parallel zu den beiden Reihen (9) verläuft, über die gesamte Gruppe grundsätzlich konstant ist. Dies schließt nicht aus, dass auch Anordnungen sinnvoll sein können, bei denen die Abstandskomponenten nicht identisch sein dürfen oder der Versatz der Nadelpositionen unterschiedlich sein muss. Im Rahmen der Erfindung kommt man auch in solchen Fällen mit einem minimalen Repertoire von Trägern der Kontaktnadeln (1) aus, um Stacks beliebiger Geometrie und Zellenzahl zu kontaktieren.According to the invention, the object of contacting stacks ( 8th ) - this is the technical term for a layered arrangement of single cells, sometimes also called "stack" - different geometry solved by not ten contact needles ( 7 ) on one unit - preferably printed circuit boards ( 1 ) - but a much smaller number - for example, two ( 2 ) per carrier. These carriers of the contact needles are - as in 1 outlined - over joints ( 3 ) so interconnected, as one knows from pantographs. In this way, a chain of parallel aligned carriers of contact needles ( 1 ), which in each case have two joints with coupling links ( 4 ), which in turn are hingedly connected to the next carrier of contact needles. The joints form rhombs ( 5 ), which adhere to the tips ( 6 ) touch. If, for example, two needle contacts are at a distance from one another on the carriers of the contact needles Moreover, the distance of one of the contact needles to one of the joints is half the leg length, then the locations of all the contact needles form a pattern of two parallel groups of needles with the special feature that the spacing component of the Coordinate parallel to the two rows ( 9 ), is basically constant over the entire group. This does not exclude that arrangements may be useful in which the spacing components may not be identical or the offset of the needle positions must be different. Within the scope of the invention, even in such cases, a minimal repertoire of carriers of the contact needles ( 1 ) to contact stacks of any geometry and cell count.

Mit weiteren Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass die Durchbiegung der gesamten Anordnung auch bei einer großen Anzahl Kontaktnadeln nicht unzulässig groß wird. Insbesondere durch die Aneinanderreihung von einhundert oder mehr Kontaktnadeln, was durchaus den Realitäten entspricht, summieren sich die Kontaktkräfte und die lichte Weite – und in der Folge die Biegemomente – ganz erheblich. Beispielsweise können die Koppelglieder (4) wie in 2 skizziert aus Blech gefertigt werden, indem an deren Enden Führungslaschen (10) überstehen, und die als Gelenkachse dienenden Überstände (16) etwas länger sind als der Dicke der Träger der Kontaktnadeln entspricht, und diese mit einem Innengewinde versehen sind. Nach dem Einfädeln der Träger der Kontaktnadeln können auf diese Weise die Träger der Kontaktnadeln durch Schrauben gesichert werden. Alternativ sind auch Verbindungen nach dem "Druckknopf-Prinzip" vorteilhaft, wenn eine Montage und Demontage ohne Werkzeug bevorzugt wird. – Die Führungslaschen (10) laufen in Führungsschienen, die hier nicht bildlich dargestellt sind. Die Führungsschienen nehmen die Summe der Kontaktkräfte auf und verleihen dem System die erforderliche mechanische Stabilität. Zu diesem Zweck können durch Lösen von Spannschrauben die Führungsschienen das Justieren der Anordnung erlauben. Zum Fixieren werden die Spannschrauben angezogen.With further embodiments, it is ensured that the deflection of the entire arrangement does not become unacceptably large, even with a large number of contact needles. In particular, by the stringing together of one hundred or more contact needles, which quite corresponds to the realities, the contact forces and the clear width - and in consequence the bending moments - add up considerably. For example, the coupling links ( 4 ) as in 2 sketched out of sheet metal by at the ends of guide plates ( 10 ), and the supernatants serving as joint axis ( 16 ) are slightly longer than the thickness of the carrier corresponding to the contact pins, and they are provided with an internal thread. After threading the carrier of the contact needles can be secured by screws in this way, the carrier of the contact pins. Alternatively, connections according to the "push-button principle" are also advantageous if assembly and disassembly without a tool is preferred. - The guide straps ( 10 ) run in guide rails, which are not pictured here. The guide rails absorb the sum of the contact forces and give the system the required mechanical stability. For this purpose, by loosening the clamping screws, the guide rails allow the adjustment of the arrangement. To fix the clamping screws are tightened.

Die elektrische Verbindung zu einem oder zu mehreren Steckverbindern kann durch Drähte erfolgen. Besonders elegant ist die Verwendung von flexiblen Leiterplatten auf Folien-Basis (12), wie in 3 und 4 schematisch dargestellt. Auf diesen können problemlos Steckverbinder (11) montiert werden. Die Sammelschienen (13) tragen Kontaktzonen (14) – beispielsweise metallisierte Durchbrüche – zum Kontaktieren der auf den Trägern befestigten Kontaktnadeln, was beispielsweise durch Löten, Stecken, Klemmen oder durch Schrauben geschehen kann. Über hier nicht dargestellte Leiterbahnen werden die elektrischen Potentiale der Kontaktnadeln (7) dem Steckverbinder (11) zugeführt. Weil beim Verstellen der Vorrichtung die Kontaktstellen (14) sowohl transversal als auch drehend bewegt werden, wird durch jeweils zwei Knicke (15) zwischen den Kontaktstellen (14) die notwendige Verformung der flexiblen Leiterplatte (13) ermöglicht, wie in 3 und 4 angedeutet.The electrical connection to one or more connectors can be made by wires. Especially elegant is the use of flexible printed circuit boards ( 12 ), as in 3 and 4 shown schematically. On these connectors can be easily ( 11 ) to be assembled. The busbars ( 13 ) carry contact zones ( 14 ) - for example, metallized breakthroughs - for contacting the attached to the carriers contact needles, which can be done for example by soldering, plugging, clamping or by screws. About not shown here traces are the electrical potentials of the contact pins ( 7 ) the connector ( 11 ). Because when moving the device the contact points ( 14 ) are moved both transversally and rotationally, by two kinks ( 15 ) between the contact points ( 14 ) the necessary deformation of the flexible printed circuit board ( 13 ), as in 3 and 4 indicated.

Es werden Träger mit einheitlicher Anzahl an Kontaktnadeln je Träger (Leiterplatte) vorgeschlagen – vorzugsweise zwei – aber auch demontierbare Kontaktnadeln, so dass der Anwender sich je nach Erfordernis rasch einen Träger für Kontaktnadeln zusammenstellen kann. Schließlich wird vorgeschlagen, für die Kontaktierung der jeweils letzten Träger einer Anordnung eine modifizierte Geometrie der betreffenden Träger der Kontaktnadeln bereitzuhalten und ggf. einzusetzen, weil dies möglicherweise wegen der geometrischen Auslegung der Stapelschichtung erforderlich ist. Bedingt durch die geometrischen Verhältnisse der Anordnung kann durch eine relativ große Ortsänderung der Nadelposition auf dem Träger eine relativ geringe Ortsänderung der Nadelposition senkrecht zur Ebene der Elektroden innerhalb des Stacks abgedeckt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, auf einem Träger mehr als eine Position für eine Kontaktnadel vorzuhalten. Dies löst in Verbindung mit steckbar montierten Kontaktnadeln das Problem der Kontaktierung von Endzellen, bei denen in vielen realen Stack-Anordnungen die Symmetrie gebrochen ist.It become carriers proposed with a uniform number of contact needles per carrier (circuit board) - preferably two - but also removable contact pins, allowing the user depending on Require quickly a carrier for contact needles can put together. After all is proposed for the Contacting the last carrier of an arrangement a modified Geometry of the concerned carrier the contact needles ready and use if necessary, because this possibly because of the geometric design of the stacking layer required is. Due to the geometric conditions of the arrangement can through a relatively large change in location the needle position on the carrier a relatively small change of location the needle position perpendicular to the plane of the electrodes within the stack be covered. Because of this, it is possible to carry more on one carrier as a position for one Holding a contact needle. This triggers in connection with plug-in contact needles the problem the contacting of end cells, where in many real stack arrangements the symmetry is broken.

Der Begriff „Kontaktnadeln" wird hier wie in der gesamten Beschreibung synonym für eine beliebige Ausführung federnder Kontakte gebraucht.Of the Term "contact needles" is here as in the entire description synonymous with any execution used springy contacts.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.in the The invention is described below with reference to the figures preferred embodiments further explained and described.

1 zeigt einen angedeuteten Stack (8) sowie die Konstruktion, wobei die als Träger der Kontaktnadeln vorzugsweise eingesetzten Leiterplatten (1) sowie die Koppelglieder (4) zum leichteren Verständnis als Linien dargestellt sind, die Nadeln (7) als Kreise, Gelenkstellen (3) als Kreuze, 1 shows an indicated stack ( 8th ) and the construction, wherein the carrier plates of the contact pins preferably used ( 1 ) as well as the coupling links ( 4 ) are shown as lines for ease of understanding, the needles ( 7 ) as circles, joints ( 3 ) as crosses,

2 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Koppelgliedes (4) mit Führungslaschen (11) und als Gelenkachsen dienenden Überständen (16) mit Bohrung und Innengewinde, 2 shows an exemplary embodiment of a coupling member ( 4 ) with guide straps ( 11 ) and as hinge axes serving supernatants ( 16 ) with bore and internal thread,

3 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer flexiblen Leiterplatte, mit der die elektrischen Potentiale der Kontaktnadeln auf Leiterbahnen über streifenförmige Sammelschienen (13) auf den Steckverbinder (11) geführt werden, 3 shows schematically an arrangement with a flexible printed circuit board, with which the electrical potentials of the contact pins on printed conductors on strip-shaped busbars ( 13 ) on the connector ( 11 ),

4 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt einer streifenförmigen Sammelschiene (13) mit flexibler Leiterplatte (1) und damit kontaktierten Kontaktnadeln (7), Kontaktierungsstellen (14) und Knickstellen (15) – hierbei sind die Träger der Kontaktnadeln selbst nichtdargestellt. 4 shows a side view of a section of a strip-shaped busbar ( 13 ) with flexible printed circuit board ( 1 ) and contacted contact needles ( 7 ), Contact points ( 14 ) and kinks ( 15 ) - here the carriers of the contact needles themselves are not shown.

11: Träger der Kontaktnadeln (z.B. Leiterplatte)Carrier of Contact needles (e.g., circuit board)
22: z.B. zwei Kontaktnadeln (Kreise)e.g. two contact pins (circles)
33: Gelenkstelle (Kreuz)articulation point (Cross)
44: Koppelglied (z.B. aus Blech)coupling member (for example made of sheet metal)
55: Rautediamond
66: jeweils zwei Rauten berühren sich an der seitlichen Spitzeeach touch two diamonds at the side tip
77: Kontaktnadel (Kreis)Contact Adel (Circle)
88th: angedeutetes Stack, indicated stack
99: (z.B.) zwei parallel zueinander stehende Kontakt-Reihen(E) two parallel contact rows
1010: Führungslaschenguide plates
1111: SteckverbinderConnectors
1212: flexible Leiterplatteflexible circuit board
1313: Sammelschiene (aus flexiblem Leiterplatten-Material)bus (made of flexible printed circuit board material)
1414: Kontaktstelle (z.B. Loch mit kontaktiertem Rand)contact point (e.g., hole with contacted edge)
1515: Knickstellenkinks
1616: Achse (führt die Träger der Kontaktnadeln)axis (leads the carriers the contact needles)

Claims

Device for contacting electrodes of fuel cell stacks, characterized in that the contacting takes place by means of resilient contacts and these on movable supports ( 1 ) are preferably printed circuit boards, in that a plurality of these supports are arranged as opposed legs of in-plane deformable diamonds ( 5 ) - consisting of carriers ( 1 ) and coupling links ( 4 ) Are arranged so that all carriers, regardless of how far the diamond guide of the entire assembly is pulled apart or pushed together, are parallel to each other to electrodes of stacks ( 8th ) to contact.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the movable carrier of the contact needles are guided by coupling members which formed with formed at their ends guide plates ( 10 ) run in rails, in which they are freely displaceable in the unlocked state and fixed in the locked state.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling members ( 4 ) even carry contacts.

Apparatus according to claim 2, characterized in that on the guide rail connectors ( 11 ) are mounted, which are electrically connected to the contact pins.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrically conductive connection between the contact pins ( 7 ) and the connectors ( 11 ) via flexible printed circuit boards ( 12 . 13 ) he follows.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the contact pins ( 7 ) not firmly with the carriers ( 1 ) are connected, but pluggable.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement of the contact needles on the carriers takes place in such a way that the distance between joint point ( 3 ) and next contact needle is exactly half the distance between the needles with each other, which equidistant electrodes can be contacted.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement of the contact pins on the carriers takes place in such a way that the distance between hinge point ( 3 ) and next contact is not exactly half the distance between the needles with each other, so that electrode arrangements can be contacted, in which the electrode intervals repeat periodically shifted.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the arrangement of the contact pins ( 7 ) on the carriers ( 1 ) in a way that two alternative positions for the assembly of the contact ( 7 ), which also takes into account contact points at the end positions of a stack, which differ from the pattern within the stack, which is preferably achieved in that the contact pins are not firmly mounted on the circuit board, but instead two alternative positions are provided for pluggable contact needles ,

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling members ( 4 ) via a movable screw connection with the carriers of the contact needles ( 1 ) are connected.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling members ( 4 ) via a movable push-button mechanism with the carriers of the contact needles ( 1 ) are connected.