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Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder zur Kontaktierung von Brennstoffzellenkomponenten mit in einem Steckverbindergehäuse angeordneten Kontakteinheiten, deren jede wenigstens ein Kontaktelement aufweist, nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der US 2014 / 0 342 614 A1 geht ein Steckverbinder hervor mit in einem Steckverbindergehäuse angeordneten Kontakteinheiten, deren jede wenigstens ein Kontaktelement aufweist. Diese Kontakteinheiten sind in dem Steckverbindergehäuse in wenigstens eine Verschiebungsrichtung zum Ausgleich unterschiedlicher Abstände jeweils unabhängig voneinander beweglich geführt. Die Verschiebungsrichtung verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Steckrichtung.
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Brennstoffzellen werden zur Wandlung chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie verwendet. Heute werden üblicherweise modulare Brennstoffzellensysteme, beispielsweise in einem Stapel angeordnete Brennstoffzellenkomponenten verwendet. In einer Brennstoffzelle werden einer flächig ausgebildeten elektrochemischen Zelle ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt, die in der Zelle miteinander reagieren. Bei dieser Reaktion entsteht ein Elektronen-Strom, der in einem verhältnismäßig großen Flächenstrom resultiert. Üblicherweise liefert eine einzelne herkömmliche Brennstoffzelle bei einer Spannung von etwa 1,2 V einen Flächenstrom von etwa 3 A/cm2, so dass bei einer Brennstoffzelle, die eine Fläche von 100 cm2 aufweist, Ströme bis zu 300 A bei einer Gleichspannung von 1,2 V fließen. Gewöhnlich werden mehrere derartige Brennstoffzellen hintereinander geschaltet, so dass sich die Spannungen addieren. Auf diese Weise lassen sich höhere Spannungen erzielen, die bei den heute üblichen Anwendungen vorteilhafter sind.
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Generell weisen Brennstoffzellen typischerweise eine flache, ebene Form mit zumeist viereckiger Grundfläche auf. Hintereinander geschaltete Brennstoffzellen werden auch als „Stapel“ oder „Stack“ bezeichnet. Die flachen Brennstoffzellen sind dabei übereinander gestapelt, so dass sich ein Quader ergibt, der die Grundfläche einer Brennstoffzelle aufweist und dessen Höhe von der Anzahl der Brennstoffzellen bestimmt wird.
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Die einzelnen Brennstoffzellen liegen dabei verhältnismäßig eng nebeneinander und ihr Abstand variiert geringfügig. Um nun die Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere sogenannte Bipolarplatten, zu kontaktieren, um beispielsweise deren Einzelspannungen zu überwachen, müssen Steckverbinder vorgesehen sein, die zum einen den sehr dicht nebeneinander liegenden Brennstoffzellenkomponenten, zum anderen den variierenden Abständen Rechnung tragen.
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Ein Steckverbinder, der für Brennstoffzellenkomponenten geeignet ist, geht beispielsweise aus der
DE 103 93 737 T5 hervor. Der Verbinder zum elektrischen Verbinden mit einer Serie von eng beabstandeten Platten mit im Wesentlichen gleichförmigem Abstand zwischen diesen Platten umfasst eine Vielzahl von Ausnehmungen, die längs eines länglichen elastomeren Elements angeordnet sind, und eine Vielzahl elektrischer Kontakte, die den Ausnehmungen des elastomeren Elements zugeordnet sind. Das längliche elastomere Element ist derart ausgebildet, dass es in Längsrichtung - senkrecht zu den Ausnehmungen und Kontakten - ausgedehnt und zusammengepresst werden kann, um die eng beabstandeten Platten in jeder der Vielzahl von Ausnehmungen aufzunehmen und dadurch die elektrischen Kontakte mit einem entsprechenden Kontaktpunkt an den eng beabstandeten Platten in Ausrichtung zu bringen. Bei diesem Verbinder wird also der leicht differierende Plattenabstand durch das elastomere Element ausgeglichen, das sich aufgrund seiner Elastizität dem unterschiedlichen Plattenabstand anpasst, womit auch die entsprechenden Kontaktelemente an den Plattenabstand angepasst werden.
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Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen ist ein solcher Steckverbinder sehr hohen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Das elastomere Element wird dabei zum Beispiel sehr hohen Temperaturänderungen ausgesetzt, wodurch sich die elastomeren Eigenschaften ändern. Darüber hinaus ist nicht ausgeschlossen, dass das elastomere Element auch über eine gewisse Zeit an Elastizität verliert.
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Eine Vorrichtung zum Kontaktieren von Brennstoffzellen-Stacks ist auch aus der
DE 10 2006 006 831 B4 bekannt geworden. Die Kontaktierung der Elektroden von Stacks erfolgt hier mittels federnder Kontakte, die auf beweglichen Trägern montiert sind, beispielsweise Leiterplatten, wobei mehrere dieser Träger als gegenüberliegende Schenkel von in der Ebene verformbaren Rauten, bestehend aus Trägern oder Koppelgliedern, angeordnet sind, so dass sämtliche Träger unabhängig davon, wie weit die Rautenführung der gesamten Anordnung auseinandergezogen und zusammengeschoben wird, parallel zueinander stehen. Dieser Stecker weist einen aufwendigen Aufbau auf. Darüber hinaus sind durch die rautenartige Anordnung mehrere Kontaktelemente über größere Längen miteinander verbunden und können nur gemeinsam miteinander verschoben werden, was mitunter bei sehr unterschiedlichen Abständen problematisch sein kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Steckverbinder zur Kontaktierung von Brennstoffzellenkomponenten mit in einem Steckverbindergehäuse angeordneten Kontakteinheiten, deren jede wenigstens ein Kontaktelement aufweist, wobei die Kontakteinheiten in dem Steckverbindergehäuse in wenigstens eine, im Wesentlichen senkrecht zur Steckrichtung verlaufende Verschiebungsrichtung zum Ausgleich unterschiedlicher Kontaktelementabstände jeweils unabhängig voneinander beweglich geführt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheiten Federelemente aufweisen, die zwischen zwei benachbarten Kontakteinheiten eine Federwirkung in die wenigstens eine Verschiebungsrichtung ausüben
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Der große Vorteil dieses Steckverbinders liegt darin, dass die Kontakteinheiten zum Ausgleich der unterschiedlichen Kontaktelementabstände jeweils unabhängig voneinander beweglich gewissermaßen federnd geführt sind. Auf diese Weise kann der Steckverbinder auch auf variierende und sogar sehr unterschiedliche Abstände der zur kontaktierenden Brennstoffzellenkomponenten angepasst werden. Gleichzeitig ist der Steckverbinder auch gegenüber äußeren Umwelteinflüssen robust, er enthält beispielsweise keine einer Alterung unterliegenden, beispielsweise elastomeren, Materialien. Darüber hinaus ist er verhältnismäßig einfach aufgebaut und weist keine komplizierten Verschiebemechanismen auf. Durch die Federelemente sind die Kontakteinheiten in Verschiebungsrichtung gewissermaßen federnd komprimierbar. Diese Federwirkung ermöglicht im kontaktierten Zustand insbesondere ein Anliegen der Kontakteinheiten an den zu kontaktierenden Brennstoffzellenkomponenten, beispielsweise den Bipolarplatten, mit einer durch die Feder hervorgerufenen Vorspannung, was eine sichere Kontaktierung ermöglicht, auch beispielsweise bei einer Rüttelbelastung, wie sie zum Beispiel in Fahrzeugen während deren Betriebs auftreten kann.
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Die Federn können rein prinzipiell auf die unterschiedlichste Art und Weise ausgestaltet sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Federelemente über die Kontakteinheiten im Wesentlichen in Verschiebungsrichtung vorspringende Blattfedern sind. Diese Blattfedern können beispielsweise mit den Kontakteinheiten einstückig verbunden sein, beispielsweise an diesen angespritzt sein und damit mit ihnen zusammen hergestellt werden - dies insbesondere dann, wenn der Werkstoff, aus dem die Kontakteinheiten hergestellt sind und der vorzugsweise aus Kunststoff besteht, eine gewisse Elastizität aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Blattfedern aus Metall bestehen und an dem Korpus, der die Kontakteinheiten bildet, befestigt sind.
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Um Brennstoffzellenkomponenten zu kontaktieren, die besonders eng zusammenliegen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass jede Kontakteinheit mehrere im Wesentlichen senkrecht zur Verschiebungsrichtung versetzt angeordnete Kontaktelemente aufweist. Durch die im Wesentlichen senkrecht zur Verschiebungsrichtung versetzt angeordnete Kontaktelemente können die Kontaktelemente in Verschiebungsrichtung enger zusammenrücken, da auf diese Weise in Verschiebungsrichtung mehr Bauraum zur Verfügung steht.
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Die Verschiebungsmöglichkeit der Kontakteinheiten kann auf die unterschiedlichste Art und Weise realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Steckverbindergehäuse längs der wenigstens einen Verschiebungsrichtung zwei sich gegenüberliegende Führungsschienen angeordnet sind, an denen die Kontakteinheiten gleitverschieblich geführt sind. Diese Lösung lässt sich technisch einfach realisieren.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Führungsschienen Führungselemente aufweisen, die mit an den Kontakteinheiten angeordneten entsprechenden Führungselementen zusammenwirken.
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Diese Führungselemente können auf die unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Führungsschienen Führungsvorsprünge aufweisen, die mit an den Kontakteinheiten angeordneten und an die Führungsvorsprünge angepassten Führungsnuten zusammenwirken. Aber auch der umgekehrte Fall kann realisiert sein, dass also die Kontakteinheiten Führungsvorsprünge aufweisen, die in Führungsnuten eingreifen, welche in den Führungsschienen vorgesehen sind, und darin verschieblich sind.
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Dies ermöglicht nicht nur eine sehr gute Führung der einzelnen Kontakteinheiten, sondern auch eine einfache Montage.
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Die Nuten selbst können rein prinzipiell auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht schwalbenschwanzförmige Profile der Nuten und damit auch der entsprechenden Vorsprünge vor.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Führungsschienen an ihrem einen Ende federnde Rastelemente aufweisen. Diese federnden Rastelemente federn beim Einschieben der Kontakteinheiten ein, sodass die Kontakteinheiten in die Führungsschienen geschoben werden können. Sobald die Kontakteinheiten in die Führungsschienen geschoben wurden, federn die federnden Rastelemente wieder aus, sodass ein Herausfallen der Kontakteinheiten aus der Führungsschiene nicht möglich ist.
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Diese federnden Rastelemente können insbesondere auch an den Führungselementen, also beispielsweise an den Führungsvorsprüngen oder in den Führungsnuten angeordnet sein. Sie sind bevorzugt an beiden Kontaktschienen angeordnet und liegen sich insoweit gegenüber.
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An ihrem anderen Ende weisen die Führungsschienen Anschlagelemente auf, die mit entsprechenden Anschlagelementen einer einen Abschluss bildenden Abschluss-Kontakteinheit zusammenwirken.
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Eine Kontakteinheit ist daher als Abschluss-Kontakteinheit ausgebildet und weist wenigstens ein, vorzugsweise zwei Gegenanschlagelemente auf, die im montierten Zustand der Kontakteinheiten an den Anschlagelementen der Führungsschiene zur Anlage kommen.
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Auf Ihrer der Kontaktierungsseite abgewandten Seite sind die Kontaktelemente vorteilhafterweise mit Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden, die auf Leiterbahnfingern einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind. Dies ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität und gleichzeitig auch einen Höhenausgleich der Kontaktelemente in Steckrichtung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 schematisch in isometrischer Explosionsdarstellung die einzelnen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Steckverbinders zur Kontaktierung von Brennstoffzellenkomponenten;
- 2 in isometrischer Explosionsdarstellung Kontakteinheiten des Steckverbinders;
- 3 isometrisch, an einer flexiblen Leiterplatte kontaktierte Kontakteinheiten;
- 4 eine teilweise weggebrochene isometrische Darstellung von an Führungsschienen fertigmontierten Kontakteinheiten;
- 5 eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steckverbinders von unten; und
- 6 eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steckverbinders von oben.
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Ausführungsbeispiel
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Ein in den Figuren dargestellter Steckverbinder 10 zur Kontaktierung von (nicht dargestellten) Brennstoffzellenkomponenten weist ein Steckverbindergehäuse 105 auf, welches beispielsweise - wie in den Figuren dargestellt - als im Wesentlichen U-förmige Abdeckung ausgestaltet sein kann. In diesem Steckverbindergehäuse 105 sind Kontakteinheiten 101 angeordnet. Hierzu sind in dem Gehäuse 105 zwei parallel zueinander verlaufende Führungsschienen 110 befestigt, die einander zugewandte Führungsvorsprünge 112 aufweisen. Diese Führungsvorsprünge 112 greifen in entsprechende Nuten 102 ein, die an jeder Kontakteinheit 101 auf ihren den Führungsschienen 110 zugewandten Seiten ausgebildet sind.
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Die Führungsvorsprünge 112 und die Nuten 102 weisen beispielsweise ein schwalbenschwanzförmiges Profil auf, welches nicht nur eine sichere Führung der Kontakteinheiten 101 an den Führungsschienen 110, sondern auch eine einfache Montage der Kontakteinheiten 101 an den Führungsschienen 110 ermöglicht.
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Die Kontakteinheiten 101, die im Wesentlichen alle die gleiche Gestalt aufweisen, sind aus einem isolierenden Material bestehende Einzelelemente, die, eine nach der anderen, in die beiden Führungsschienen 110 entlang einer der Verschiebungsrichtungen V (in 1 von links nach rechts) geschoben werden. Eine der Kontakteinheiten ist als Abschlusskontakteinheit 101a ausgebildet. Diese weist Anschlagelemente 116 auf, die mit an den Führungsschienen ausgebildeten Anschlagelementen 115 zusammenwirken. Diese Abschlusskontakteinheit 101a wird als erste auf die Führungsschienen geschoben, sodann werden die weiteren Kontakteinheiten 101 auf die Führungsschienen geschoben, bis die gesamte Länge mit Kontakteinheiten 101 ausgefüllt ist. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt. Die Führungsschienen 110 weisen federnde Rastelemente 114 auf, die, wie in 1 gezeigt, besonders bevorzugt an den Führungsvorsprüngen 112 ausgebildet sind. Diese federnden Rastelemente 114 federn beim Einschieben der Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a zurück, sodass die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a in die Führungsschienen 110 geschoben werden können (in 1 von links nach rechts). Sobald die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a auf die Führungsschienen geschoben wurden, federn die Rastelemente 114 aufgrund der Federwirkung wieder in ihre Ausgangsposition zurück, sodass die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a nicht aus den Führungsschienen 110 herausgleiten können. Die Führungsschienen 110 und die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a bilden einen festen Verbund, wobei die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a in Verschiebungsrichtung V federnd aufeinander zu verschieblich sind, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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In den Kontakteinheiten 101 sind Kontaktelemente 107 angeordnet, die auf ihrer Steckseite beispielsweise Federkontakte 108 aufweisen und die auf ihrer der Steckseite abgewandten Seite Anschlusselemente 109 aufweisen. Die Anschlusselemente 109 werden mit Leiterbahnen kontaktiert, die auf Leiterbahnfingern 131 einer flexiblen Leiterplatte 130 auf deren den Anschlusselementen 109 zugewandten Seite angeordnet sind und die in 1 nicht zu sehen sind. Unter Leiterbahnfingern 131 versteht die vorliegende Anmeldung den vorderen Bereich der flexiblen Leiterplatte 130, der durch Einschnitte unterteilt ist, sodass die Leiterplatte 130 hier einzelne fingerartig voneinander getrennte Bereiche aufweist.
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Die Kontaktelemente 107 sind in jeweils in den Kontakteinheiten 101 vorgesehene, an die Kontaktelemente 107 angepasste Öffnungen 1011 hinein schiebbar, wie es in 2 schematisch dargestellt ist. Die Steckrichtung des Steckers ist in 1 mit einem Pfeil S bezeichnet. Senkrecht zu den mit Doppelpfeil bezeichneten Verschiebungsrichtungen V sind in 1 mit einem Doppelpfeil Richtungen P bezeichnet. Entlang dieser Richtungen P senkrecht zu den Verschiebungsrichtungen V weisen die Kontakteinheiten 101 einen stufenförmigen Aufbau auf, der deshalb gewählt ist, weil auf diese Weise einzelne Kontaktelemente 107 senkrecht zu den Verschiebungsrichtungen V sehr eng nebeneinanderliegend positioniert sein können, was ohne versetzten Aufbau nicht möglich wäre. Dies erhöht die Kompaktheit des Steckers und die Kontaktzahl wesentlich.
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Jede der Kontakteinheiten 101 weist an einer ihrer stufenförmig ausgebildeten Stirnseiten wenigstens ein, vorzugsweise zwei in Verschiebungsrichtung wirkende Federelemente 103 auf, die jeweils im montierten Zustand an einer benachbarten Kontakteinheit 101 anliegen. Durch diese Federelemente 103, die beispielsweise als über eine Stirnseite in eine der Verschiebungsrichtungen V der Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a vorspringende Blattfedern ausgebildet sind und die einstückig mit den Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen, ausgebildet sind, sind die einzelnen Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a federnd aneinander montiert und können in eine der Verschiebungsrichtungen V entgegen einer Federkraft aufeinander zu verschoben werden. Durch diese Federkraft wird bewirkt, dass zum einen eine Anpassung an unterschiedliche Abstände der Brennstoffzellenkomponenten, sogenannter Bipolarplatten, beispielsweise plattenförmige Brennstoffzellenkomponenten, möglich ist, zum anderen eine insbesondere gegenüber Rüttel- oder Vibrationsbewegungen sichere Kontaktierung erreicht wird, die unter anderem auch durch die Federvorspannung erzielt wird.
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Die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a können zunächst wie vorstehend beschrieben an den Schienen 110 montiert werden und danach mit der flexiblen Leiterplatte 130 kontaktiert werden und sodann in dem Gehäuse 105 montiert werden, beispielsweise indem das Gehäuse 105, das U-förmig ausgebildet ist, über die auf diese Weise vormontierten Steckverbinder-Elemente geschoben und verrastet wird.
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Es ist auch möglich, zunächst die einzelnen Kontaktelemente 107 an den Leiterbahnfingern 131 der flexiblen Leiterplatte 130 zu befestigen und zu kontaktieren, wie es in 3 schematisch dargestellt ist, um sodann die so montierten Kontaktelemente 107 in den Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a durch Hineinschieben der Kontaktelemente 107 in die entsprechend in den Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a vorgesehenen Öffnungen 1011 zu montieren. Das Ergebnis dieser Herstellungsschritte ist in 5 dargestellt, wobei 5 bereits den fertig montierten Stecker von unten zeigt, d. h. die einzelnen Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a mit den versetzt angeordneten Kontaktelementen 107 sind bereits an den Führungsschienen 110 befestigt, die in dem Steckverbindergehäuse 105 montiert sind. In 5 und 6 ist jeweils die Steckrichtung mit Pfeilen S bezeichnet.
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Die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a sind auch in ihrem fertig montierten Zustand, dargestellt in 5 und 6, verschieblich auf/an den Führungsschienen 110 gelagert, wobei sie durch die Federwirkung der Federelemente 103 federnd aneinander anliegen. Durch gleichzeitiges Ausüben von Kräften in die Verschiebungsrichtungen V1 und V2, die in 6 mit Pfeilen bezeichnet sind, können die einzelnen Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a aufeinander zu bewegt werden. Bei Entfernen der Kräfte werden die Kontakteinheiten 101 bzw. die Abschlusskontakteinheit 101a durch die Federkräfte der Federelemente 103 wieder voneinander weg bewegt, sie können rein prinzipiell auch auseinander gezogen werden. Auf diese Weise können die Kontaktelemente 107 und mit ihnen die Federkontakte 108, an die Abstände der Brennstoffzellenkomponenten, die variieren können, angepasst werden.
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Der vorstehend beschriebene Steckverbinder 10 weist eine hohe Robustheit auf, er ist durch die Federwirkung der einzelnen Kontakteinheiten 101 bzw. der Abschlusskontakteinheit 101a an unterschiedliche Abstände der Brennstoffzellenkomponenten anpassbar und er ist gleichzeitig gegen Umwelteinflüsse robust. Durch die Federwirkung der Federelemente 103 ist er auch gegenüber Rüttelbelastungen, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen auftreten können, unempfindlich und ermöglicht eine sichere Kontaktierung.
