DE102016225026A1

DE102016225026A1 - Verbindungselement zum elektrischen Kontaktieren von Separatorplatten eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102016225026A1
Application number: DE102016225026.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Florian Kriesch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Kontaktieren zumindest einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels, umfassend ein Gehäuse, eine in oder auf dem Gehäuse angeordnete Anschlussplatine zum Anschließen an eine weiterführende Leitung, zumindest ein im Gehäuse angeordnetes Kontaktelement mit einem Kontaktende zum Kontaktieren der Separatorplatte und einem an der Anschlussplatine befestigtem Anschlussende, und ein Montageelement mit zumindest einem am Gehäuse oder an der Anschlussplatine einrastbarem Rastelement, wobei das Montagelement ausgebildet ist zum Aufstecken des Verbindungselementes auf die zumindest eine Separatorplatte in einer Steckrichtung und zum Abziehen des Verbindungselementes von der zumindest einen Separatorplatte in einer Abziehrichtung.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Kontaktieren zumindest einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels. Das Verbindungselement ist insbesondere Bestandteil eines Verbindungssystems zum Anschluss der Separatorplatten an ein Zellüberwachungsmodul. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend das Verbindungssystem.
Zellüberwachungssysteme für Brennstoffzellensysteme umfassen ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement zum Kontaktieren der Separatorplatten (Monopolarplatten oder Bipolarplatten) eines Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Verbindungssystem entsprechende elektrische Leiter, um das Verbindungselement mit einem Zellüberwachungsmodul des Zellüberwachungssystems zu verbinden. Im Zellüberwachungsmodul erfolgt die Verarbeitung bzw. Auswertung der an den Separatorplatten abgegriffenen Signale.
Zellüberwachungssysteme (en. cell voltage monitoring system bzw. CVM System) sind beispielsweise aus WO 2007 102031 A1 und WO 2005 069026 A1 bekannt. Ein Verbindungselement zum Kontaktieren der Separatorplatten ist beispielsweise aus DE 10 2007 003506 B4 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile vorbekannter Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie ein Verbindungselement zum elektrischen Kontaktieren zumindest einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, das bei einfacher Herstellung und Handhabung eine betriebssichere und dauerfeste elektrische Verbindung zu den Separatorplatten ermöglicht. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem ein Brennstoffzellensystem mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben den Brennstoffzellen periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode ausbildet. Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Zellüberwachungssystem. Das Zellüberwachungssystem (en.: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System), insbesondere das Zellüberwachungsmodul des Zellüberwachungssystems kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. I.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden. Vorteilhaft können mindestens eine Messgröße direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstapel fließende Strom bestimmt. Aus den gemessenen Spannungen kann das CVM-System beispielsweise einen der folgenden Werte bestimmen: Min-, Max- und Mittelwert der Einzelzellspannung. Vorteilhaft können somit Spannungsabweichungen zwischen den Einzelzellen bzw. zu einem Mittelwert der Einzelzellspannungen erkannt werden. Bevorzugt werden weitere Einzelzellanalyseverfahren durchgeführt, wie beispielsweise eine Impedanzberechnung (z.B.: elektrochemische Impedanzspektroskopie).
Die Aufgabe der hier offenbarten Technologie wird gelöst durch ein Verbindungselement zum elektrischen Kontaktieren zumindest einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels.
Das Verbindungselement kann auch als Verbindungsstecker bezeichnet werden. In seiner einfachsten Ausgestaltung wird das Verbindungselement zum Kontaktieren einer Separatorplatte verwendet. Im Regelfall ist das Verbindungselement jedoch dazu ausgebildet, um auf mehrere Separatorplatten aufgesteckt zu werden. Dadurch können gleichzeitig mehrere Separatorplatten des Brennstoffzellenstapels kontaktiert werden.
Das Verbindungselement umfasst ein Gehäuse. In dem Gehäuse ist zumindest ein Kontaktelement angeordnet. Im Folgenden wird der Einfachheit halber meist auf ein Kontaktelement Bezug genommen. In bevorzugter Ausführung sind in dem Gehäuse jedoch mehrere Kontaktelemente angeordnet, die alle gemäß der hier offenbarten Technologie ausgestaltet und im Gehäuse angeordnet sind.
Das Kontaktelement weist ein Kontaktende auf. Das Kontaktende ist zum elektrischen Kontaktieren der Separatorplatten ausgebildet. Insbesondere weist das Kontaktende eine entsprechende Öffnung, beispielsweise einen Schlitz, auf. Diese Öffnung wird auf die Separatorplatte aufgesteckt.
Das gegenüberliegende Ende des Kontaktelements wird als Anschlussende bezeichnet. Das Anschlussende dient zum elektrischen Anschließen des Kontaktelements an eine weiterführende Leitung. Hierzu befindet sich in oder auf dem Gehäuse eine Anschlussplatine. Besonders bevorzugt umfasst die weiterführende Leitung Leiterbahnen die sich bis auf die Anschlussplatine erstrecken. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anschlussenden aller Kontaktelemente mechanisch fest mit der Anschlussplatine verbunden sind. Insbesondere ist das jeweilige Anschlussende mit der Anschlussplatine verlötet.
Die gestapelten Separatorplatten liegen jeweils in einer durch eine y-Achse und z-Achse aufgespannten Ebene. Das Verbindungselement wird zum Aufstecken bzw. Abziehen in Richtung der z-Achse bewegt. Entlang einer x-Achse sind die mehreren Separatorplatten nebeneinander gestapelt. Die drei Achsen stehen jeweils senkrecht zueinander.
Eine positive z-Richtung, parallel zur z-Achse, ist vom Kontaktende in Richtung des Anschlussendes definiert. Das Verbindungselement wird in positiver z-Richtung von den Separatorplatten abgezogen, weshalb diese Richtung auch als Abziehrichtung bezeichnet wird. Die negative z-Richtung verläuft in entgegengesetzter Richtung, also vom Anschlussende in Richtung des Kontaktendes und wird als Steckrichtung bezeichnet.
Das Verbindungselement umfasst ein Montageelement mit zumindest einem Rastelement. Beim Aufsetzen des Montageelements auf das Gehäuse rastet das zumindest eine Rastelement am Gehäuse oder an der Anschlussplatine ein. Das Montageelement kann auch mehrere Rastelemente aufweisen. Dabei ist auch vorgesehen, dass zumindest ein Rastelement am Gehäuse und zumindest ein Rastelement an der Anschlussplatine einrastet.
Durch das zumindest eine Rastelement ist das Montageelement fest mit dem Gehäuse bzw. der Anschlussplatine verbunden. Insbesondere wenn das Montageelement nur an der Anschlussplatine einrastet, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Anschlussplatine fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Verbindung zwischen Anschlussplatine und Gehäuse kann auch über das Kontaktelement erfolgen, wobei dann das Kontaktelement mit der Anschlussplatine und mit dem Gehäuse verbunden ist.
Das Montageelement, und insbesondere auch dessen Rastverbindung sind so ausgebildet, dass durch Greifen des Montageelements das Verbindungselement auf die zumindest eine Separatorplatte in Steckrichtung aufsteckbar und von der zumindest einen Separatorplatte in Abziehrichtung abziehbar ist.
Der zweiteilige Aufbau mit Gehäuse und separatem Montageelement ermöglicht eine einfache Anordnung der Anschlussplatine in oder auf dem Gehäuse. Durch die Verwendung des Montageelements ist sichergestellt, dass die Krafteinleitung zum Aufstecken oder Abziehen des Verbindungselements an der richtigen Stelle erfolgt. Insbesondere durch das Einrasten des Montageelements am Gehäuse wird sichergestellt, dass beim Abziehen die Krafteinleitung ins Gehäuse und nicht direkt in die Anschlussplatine erfolgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Montageelement auf einer in Abziehrichtung weisenden Fläche der Anschlussplatine aufliegt. Bei dieser in Abziehrichtung weisenden Fläche handelt es sich insbesondere um die Oberseite der Anschlussplatine. Die der Oberseite gegenüberliegende Unterseite der Anschlussplatine ist dem Kontaktende des Kontaktelements bzw. den Separatorplatten zugewandt. Die Unterseite der Anschlussplatine liegt vorzugsweise auf dem Gehäuse auf. So ist die Anschlussplatine bezüglich der z-Achse formschlüssig zwischen dem Montageelement und dem Gehäuse aufgenommen. Insbesondere beim Aufstecken des Verbindungselements drückt das Montageelement auf die Anschlussplatine, welche wiederum auf dem Gehäuse abgestützt ist.
Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Rastelement an einer in Steckrichtung weisenden Befestigungsfläche des Gehäuses oder der Anschlussplatine anliegt. Diese in Steckrichtung weisende Befestigungsfläche liegt insbesondere der oben beschriebenen, in Abziehrichtung weisenden Fläche gegenüber. Das zumindest eine Rastelement rastet an der Befestigungsfläche ein. Beim Abziehen des Verbindungselements durch Ziehen am Montageelement erfolgt die Krafteinleitung über das Rastelement auf die Befestigungsfläche.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass das Montageelement als Deckel des Gehäuses ausgebildet ist. Das Montageelement wird hierbei nicht nur zum Aufstecken und Abziehen des Verbindungselements genutzt, sondern verbleibt auch während der Benutzung des Verbindungselements im Brennstoffzellensystem auf dem Gehäuse. Insbesondere ist der Deckel dazu ausgebildet, die Anschlussplatine abzudecken.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Oberseite der Anschlussplatine ohne Deckel im Gehäuse freiliegt. Insbesondere liegt die vollständige Oberseite der Anschlussplatine frei. Erst durch Aufsetzen des als Deckel ausgebildeten Montageelements ist das Gehäuse oben verschlossen, wobei das Montageelement die Anschlussplatine abdeckt. Besonders bevorzugt deckt das Montageelement die vollständige Oberseite der Anschlussplatine, mit Ausnahme von etwaigen Öffnungen für ein Auslösewerkzeug, ab.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Deckel schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Schwenkachse zwischen Deckel und Gehäuse steht insbesondere senkrecht zur z-Achse. Insbesondere ist der Deckel zumindest um 90° gegenüber dem Gehäuse schwenkbar. Durch die schwenkbare Verbindung von Deckel und Gehäuse muss nur ein gemeinsames Teil hergestellt, bevorratet und in der Logistik verarbeitet werden.
Besonders bevorzugt wird ein gemeinsames Spritzgussteil gefertigt, das zumindest einen Teil des Deckels, zumindest einen Teil des Gehäuses und die Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse bildet. Die Verbindung zwischen Deckel und Gehäuse ist dabei vorzugsweise ein dünner, biegbarer Anteil dieses Spritzgussteils.
Das Montageelement weist vorzugsweise einen Griff auf. Der Griff erstreckt sich vorzugsweise von einem Grundkörper des Montageelements in der positiven z-Richtung.
Der Griff ist insbesondere zum Greifen durch eine menschliche Hand ausgebildet und unterstützt die Handhabung sowohl beim Aufstecken als auch beim Abziehen des Verbindungselements. Zusätzlich oder alternativ kann der Griff auch für ein maschinelles Greifen ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt weist der Griff eine ausreichende Grifflänge, definiert parallel zur z-Achse, auf. Die Grifflänge beträgt insbesondere zumindest 3 cm, vorzugsweise zumindest 4 cm, besonders vorzugsweise zumindest 5 cm.
Das Montageelement und das Gehäuse können in der Ebene senkrecht zur z-Achse relativ groß sein, da sie sich über mehrere Separatorplatten erstrecken. Im Vergleich hierzu sollte der Griff nicht zu breit sein, um von der menschlichen Hand greifbar zu sein. So ist senkrecht zur z-Achse eine Montageelementbreite definiert, wobei an der breitesten Stelle des Montageelements gemessen wird. Des Weiteren ist an der dünnsten Stelle des Griffs, ebenfalls senkrecht zur z-Achse eine Griffbreite definiert. Vorzugsweise beträgt die Griffbreite höchstens 50 %, vorzugsweise höchstens 30 %, der Montageelementbreite. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Griffbreite höchstens 10 cm, insbesondere höchstens 6 cm, beträgt.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Montageelement zumindest mit zwei gegenüberliegenden Rastelementen am Gehäuse oder der Anschlussplatine einrastet. Insbesondere ist das Montageelement so ausgebildet, dass die Rastverbindungen einfach gesetzt und wieder gelöst werden können. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass der Griff durch zwei Schenkel gebildet ist. Die beiden Schenkel sind, insbesondere am oberen Ende des Griffs, beweglich miteinander verbunden. Diese bewegliche Verbindung kann auch durch eine entsprechend dünne Stelle des spritzgegossenen Griffs hergestellt werden. Beim Greifen des Griffs können die beiden Schenkel, beispielsweise durch die Hand des Monteurs, zusammengedrückt werden.
Die beiden Schenkel sind jeweils mit einem der Rastelemente verbunden. Durch Bewegen der Schenkel zueinander bewegen sich somit auch die Rastelemente. Die Rastelemente können durch Zusammendrücken der beiden Schenkel voneinander weg bewegt werden. Wenn die beiden Rastelemente voneinander weg bewegt werden, lässt sich dadurch das Montageelement vom Gehäuse bzw. der Anschlussplatine lösen.
Diese Ausgestaltung des Griffs mit den beiden Schenkeln zum Lösen bzw. Setzen der Rastverbindung wird insbesondere verwendet, wenn das Montageelement nach dem Aufstecken oder Abziehen des Verbindungselements nicht auf dem Gehäuse verbleibt, sondern für ein weiteres Verbindungselement genutzt wird.
Das Montageelement weist vorzugsweise zumindest eine Öffnung auf. Die Öffnung befindet sich insbesondere auf der in positiver z-Richtung weisenden Seite des Montageelements. Die Öffnung ist als Durchgangsausnehmung ausgebildet und führt zum Rastelement. Durch die Öffnung ist ein Auslösewerkzeug zum Lösen der Rastverbindung einsteckbar. Diese bevorzugte Öffnung im Montageelement kann in allen hier beschriebenen Ausführungen angewendet werden.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verbindungssystem. Das Verbindungssystem ist zum Anschluss von Separatorplatten des Brennstoffzellenstapels an ein Zellüberwachungsmodul ausgebildet. Das Verbindungssystem umfasst zumindest eines der beschriebenen Verbindungselemente, eine Zellüberwachungsplatine und zumindest eine der weiterführenden Leitungen, um das Verbindungselement über die Anschlussplatine elektrisch leitend mit der Zellüberwachungsplatine zu verbinden.
Die Zellüberwachungsplatine ist zur Aufnahme des Zellüberwachungsmoduls ausgebildet. In dem Zellüberwachungsmodul erfolgt die Verarbeitung bzw. Auswertung der über die Verbindungselemente abgegriffenen Signale oder zumindest die Weiterleitung der Signale an eine übergeordnete Recheneinheit. Die Zellüberwachungsplatine und somit auch das Zellüberwachungsmodul können mit mehreren der Verbindungselemente elektrisch leitend verbunden sein.
Die im Rahmen des offenbarten Verbindungselements beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das offenbarte Verbindungssystem.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem befindet sich insbesondere in einem Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest ein soeben beschriebenes Verbindungssystem, einen Brennstoffzellenstapel mit Separatorplatten, kontaktiert durch das Verbindungselement, und ein Zellüberwachungsmodul auf der Zellüberwachungsplatine. Die im Rahmen des offenbarten Verbindungselements beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das offenbarte Brennstoffzellensystem.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass das Montageelement, ausgebildet als Deckel, beim Betrieb des Brennstoffzellensystems auf dem Gehäuse verbleibt. Dadurch wird nicht nur die sehr praktische Funktion des Montageelements beim Aufstecken und Abziehen des Verbindungselements genutzt, sondern das Montageelement kann gleichzeitig als Deckel und somit als Abdeckung für die Anschlussplatine verwendet werden.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Montage des Brennstoffzellensystems. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass das Montageelement vor dem Betrieb des Brennstoffzellensystems vom Gehäuse entnommen wird. Insbesondere verbleibt das Montageelement nach dem Aufstecken oder Abziehen des Verbindungselements nicht auf dem Gehäuse, sondern wird vorzugsweise für ein weiteres Verbindungselement genutzt.
Die im Rahmen des offenbarten Verbindungselements beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das offenbarte Verfahren.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems, umfassend das Verbindungssystem mit dem Verbindungselement,
2 eine weitere schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems, umfassend das Verbindungssystem mit dem Verbindungselement,
3-6 schematische Darstellungen zur Ausgestaltung des Verbindungselements, und
7 eine mögliche konstruktive Ausgestaltung des Verbindungselements.

Die Figuren zeigen das offenbarte Verbindungselement 5 als Bestandteil eines Verbindungssystems 1 in einem Brennstoffzellensystem 2.
Das Brennstoffzellensystem 2 kommt insbesondere in einem Fahrzeug zur Anwendung. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Separatorplatten 3. Die Separatorplatten 3 sind insbesondere Monopolarplatten oder Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels.
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 2 ein Zellüberwachungsmodul 4. Mittels des Verbindungssystems 1 ist das Zellüberwachungsmodul 4 elektrisch leitend mit den Separatorplatten 3 verbunden. Die Einheit aus Verbindungssystem 1 und Zellüberwachungsmodul 4 kann auch als Zellüberwachungssystem bezeichnet werden.
Das Verbindungssystem 1 umfasst ein Verbindungselement 5, eine Zellüberwachungsplatine 6 zur Aufnahme des Zellüberwachungsmoduls 4 und eine weiterführende Leitung 7 zur Verbindung des Verbindungselements 5 mit der Zellüberwachungsplatine 6.
Die 1 und 2 zeigen die grundsätzliche Anordnung von mehreren Verbindungselementen 5 auf dem Brennstoffzellenstapel. Wie insbesondere 1 zu entnehmen ist, werden mit jedem Verbindungselement 5 mehrere der Separatorplatten 3 des Brennstoffzellenstapels elektrisch leitend kontaktiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient diese Kontaktierung zur Verbindung der Separatorplatten 3 mit dem Zellüberwachungsmodul 4. Allerdings kann das hier offenbarte Verbindungselement 5 auch für eine anderweitig genutzte Kontaktierung der Separatorplatten 3 verwendet werden.
Das Verbindungselement 5 umfasst ein Gehäuse 510. In dem Gehäuse 510 sind, wie in 1 gezeigt, mehrere Kontaktelemente 520 zur Kontaktierung mehrerer Separatorplatten 3 angeordnet.
Im Folgenden wird anhand der 3 bis 7 die genaue Ausgestaltung des Verbindungselements 5 beschrieben.
Gemäß diesen Figuren sitzt auf dem Gehäuse 510 eine Anschlussplatine 530.
Das Kontaktelement 520 weist ein Kontaktende 521 auf. In dem Kontaktende 521 ist eine Öffnung 522 ausgebildet. Mit dieser Öffnung 522 steckt das Kontaktende 521 des Kontaktelements 520 auf der elektrisch zu kontaktierenden Separatorplatte 3.
Am gegenüberliegenden Ende weist das Kontaktelement 520 ein Anschlussende 523 auf. Das Anschlussende 523 steckt in der Anschlussplatine 530 und ist über eine Lötstelle 531 sowohl elektrisch leitend als auch mechanisch fest mit der Anschlussplatine 530 verbunden.
Die Figuren zeigen drei Achsen die jeweils senkrecht aufeinander stehen. Die einzelnen Separatorplatten 3 befinden sich in einer durch die y-Achse und z-Achse aufgespannten Ebene. Entlang der x-Achse sind die mehreren Separatorplatten 3 aneinander gestapelt.
Von dem Kontaktende 521 in Richtung des Anschlussendes 523 ist eine positive z-Richtung definiert. Entgegengesetzt verläuft die negative z-Richtung. Beim Aufstecken des Verbindungselements 5 auf die Separatorplatten 3 wird das Verbindungselement 5 entlang der negativen z-Richtung aufgesteckt. Beim Abziehen des Verbindungselements 5 wird das Verbindungselement 5 entlang der positiven z-Richtung abgezogen.
Die in positiver z-Richtung weisende Oberseite 549 der Anschlussplatine 530 liegt innerhalb des Gehäuses 510 offen. Durch Aufsetzen eines Montageelements 540, insbesondere ausgebildet als Deckel, wird das Gehäuse 510 verschlossen und die Anschlussplatine 530 abgedeckt.
Das Montageelement 540 weist mehrere Befestigungsarme 541 auf. Die Befestigungsarme 541 erstrecken sich insbesondere entlang der z-Achse. An den Enden der Befestigungsarme 541 sind Rastelemente 542 ausgebildet. In den gezeigten Beispielen gemäß den 3 und 5 bis 7 rasten diese Rastelemente 542 am Gehäuse 510 ein. Hierzu weist das Gehäuse 510 Befestigungsflächen 55 auf, an denen die Rastelemente 542 anliegen. Die Befestigungsflächen 55 weisen in negative z-Richtung.
4 zeigt ein Beispiel, bei dem die Rastelemente 542 an entsprechenden Befestigungsflächen 55 an der Unterseite der Anschlussplatine 530 einrasten. In diesem Beispiel ist die Anschlussplatine 530, gegebenenfalls über das Kontaktelement 520, fest mit dem Gehäuse 510 verbunden.
Wie die Figuren zeigen, ist die Anschlussplatine 530 bei aufgesetztem Montageelement 540 bezüglich der z-Achse formschlüssig zwischen dem Montageelement 540 und dem Gehäuse 510 aufgenommen.
Das Montageelement 540 weist Öffnungen 543 auf. Durch diese Öffnungen 543 ist ein Auslösewerkzeug zu den Rastelementen 542 zum Lösen der Rastverbindung einsteckbar.
Das Montageelement 540 weist einen Griff 544 auf. Der Griff 544 erstreckt sich vorzugsweise von einem die Anschlussplatine 530 abdeckenden Grundkörper des Montageelements 540 in der positiven z-Richtung.
Der Griff 544 ist insbesondere zum Greifen durch eine menschliche Hand ausgebildet und unterstützt die Handhabung sowohl beim Aufstecken als auch beim Abziehen des Verbindungselements 5. Zusätzlich oder alternativ kann der Griff 544 auch für ein maschinelles Greifen ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt weist der Griff 544 eine ausreichende Grifflänge 545, definiert parallel zur z-Achse, auf. Senkrecht zur z-Achse ist eine Montageelementbreite 547 definiert, wobei an der breitesten Stelle des Montageelements 540 gemessen wird. Des Weiteren ist an der dünnsten Stelle des Griffs 544, ebenfalls senkrecht zur z-Achse eine Griffbreite 546 definiert. Die Griffbreite 546 ist wesentlich kleiner als die Montageelementbreite 547.
3 zeigt das Montageelement 540, insbesondere in der Ausbildung als Deckel. In diesem Beispiel ist das Montageelement 540 an mehreren gegenüberliegenden Stellen am Gehäuse 510 eingerastet.
4 zeigt, dass das Montageelement 540 an mehreren gegenüberliegenden Stellen an der Anschlussplatine 530 eingerastet ist. Auch diese Ausgestaltung eignet sich gut für die Verwendung des Montageelements 540 als Deckel.
Gemäß 5 sind das Gehäuse 510 und das Montageelement 540 über eine Verbindung 56 miteinander verbunden. Das Montageelement 540 ist wiederum ist als Deckel ausgeführt.
Über die Verbindung 56 ist das Montageelement 540 schwenkbar mit dem Gehäuse 510 verbunden ist. Wie die Darstellungen in 5 zeigt, steht die Schwenkachse zwischen Montageelement 540 und Gehäuse 510 senkrecht zur z-Achse. Das Montageelement 540 ist um ca. 180° gegenüber dem Gehäuse 510 schwenkbar. Die Verbindung 56 zwischen Montageelement 540 und Gehäuse 510 ist ein dünner, biegbarer Anteil eines Spritzgussteils.
6 zeigt eine Konstruktion des Griffs 544 durch zwei Schenkel 548. Die beiden Schenkel 548 sind jeweils, indirekt über die Befestigungsarme 541, mit einem der Rastelemente 542 verbunden. Durch Bewegen der Schenkel 548 zueinander bewegen sich somit auch die Rastelemente 542.
Im gezeigten Beispiel nach 6 können die Rastelemente 542 durch Zusammendrücken der beiden Schenkel 548 voneinander weg bewegt werden. Dadurch lässt sich das Montageelement 540 vom Gehäuse 510 lösen. Diese Ausgestaltung des Griffs 544 mit den beiden Schenkeln 548 wird insbesondere verwendet, wenn das Montageelement 540 nach dem Aufstecken oder Abziehen des Verbindungselements 5 nicht auf dem Gehäuse 510 verbleibt, sondern für ein weiteres Verbindungselement 5 genutzt wird.
7 zeigt eine mögliche konstruktive Ausgestaltung des Verbindungselements 5, in etwa gemäß der schematischen Darstellung aus 3. Rein schematisch ist die Schnittebene A:A aus 3 in 7 eingezeichnet.
7 zeigt, dass das Montageelement 540 die Oberseite 549 der Anschlussplatine 530 abdeckt. Die Befestigungsarme 541 sind entsprechend der Breite der weiterführenden Leitung 7 voneinander beabstandet, sodass die weiterführende Leitung 7 von der Anschlussplatine 530 kommend zwischen den beiden Befestigungsarmen 541 nach außen geführt ist.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungssystem
2: Brennstoffzellensystem
3: Separatorplatten
4: Zellüberwachungsmodul
5: Verbindungselement
510: Gehäuse
520: Kontaktelemente
521: Kontaktende
523: Anschlussende
530: Anschlussplatine
531: Lötstelle
540: Montageelement, insbesondere Deckel
541: Befestigungsarm
542: Rastelement
543: Öffnung
544: Griff
545: Grifflänge
546: Griffbreite
547: Montageelementbreite
548: Schenkel
549: Oberseite
55: Befestigungsfläche
56: Verbindung
6: Zellüberwachungsplatine
7: weiterführende Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007102031 A1 [0003]
WO 2005069026 A1 [0003]
DE 102007003506 B4 [0003]

Claims

Verbindungselement (5) zum elektrischen Kontaktieren zumindest einer Separatorplatte (3) eines Brennstoffzellenstapels, umfassend • ein Gehäuse (510), • eine in oder auf dem Gehäuse (510) angeordnete Anschlussplatine (530) einer weiterführenden Leitung (7), • zumindest ein im Gehäuse (510) angeordnetes Kontaktelement (520) mit einem Kontaktende (521) zum Kontaktieren der Separatorplatte (3) und einem an der Anschlussplatine (530) befestigtem Anschlussende (523), und • ein Montageelement (540) mit zumindest einem am Gehäuse (510) oder an der Anschlussplatine (530) einrastbarem Rastelement (542), wobei das Montagelement (540) ausgebildet ist zum Aufstecken des Verbindungselementes (5) auf die zumindest eine Separatorplatte (3) in einer Steckrichtung (-z) und zum Abziehen des Verbindungselementes (5) von der zumindest einen Separatorplatte (3) in einer Abziehrichtung (+z).
Verbindungselement nach Anspruch 1, wobei das Montagelement (540) auf einer in Abziehrichtung (+z) weisenden Fläche, vorzugsweise der Oberseite (549), der Anschlussplatine (530) aufliegt.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rastelement (542) an einer in Steckrichtung (-z) weisenden Befestigungsfläche (55) des Gehäuses (510) oder der Anschlussplatine (530) anliegt.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Montagelement (540) als ein die Anschlussplatine (530) abdeckender Deckel ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 4, wobei eine Oberseite (549) der im oder auf dem Gehäuse (510) angeordneten Anschlussplatine (530) ohne dem Deckel freiliegt, vorzugsweise vollständig freiliegt, und durch den Deckel abdeckbar ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Deckel schwenkbar mit dem Gehäuse (510) verbunden ist.
Verbindungselement nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Teil des Deckels und zumindest ein Teil des Gehäuses (510) sowie die Verbindung (56) zwischen Deckel und Gehäuse (510) einteilig, vorzugsweise als Spritzgussteil, gefertigt sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Montagelement (540) einen Griff (544) umfasst.
Verbindungselement nach Anspruch 8, wobei das Montagelement (540) zumindest zwei gegenüberliegende Rastelemente (542) umfasst, wobei der Griff (544) durch zwei zueinander bewegliche Schenkel (548) gebildet ist, wobei die beiden Schenkel (548) an einer Seite miteinander verbunden sind und an der anderen Seite jeweils mit einem der Rastelemente (542) verbunden sind, sodass die Rastelemente (542) durch Zusammendrücken der beiden Schenkel (548) bewegbar sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Montagelement (540) zumindest eine zum Rastelement (542) führende Öffnung (543) zum Einstecken eines Auslösewerkzeugs aufweist.
Verbindungssystem (1) zum Anschluss von Separatorplatten (3) eines Brennstoffzellenstapels an ein Zellüberwachungsmodul (4), umfassend • zumindest eines der Verbindungselemente (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, • eine Zellüberwachungsplatine (6), ausgebildet zur Aufnahme des Zellüberwachungsmoduls (4), und • zumindest eine der weiterführenden Leitungen (7) vom der Anschlussplatine (5) zur Zellüberwachungsplatine (6).
Brennstoffzellensystem (2), vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend • zumindest ein Verbindungssystem (1) nach Anspruch 11, • einen Brennstoffzellenstapel mit Separatorplatten (3), kontaktiert durch das Verbindungselement (5), und • ein Zellüberwachungsmodul (4) auf der Zellüberwachungsplatine (6).
Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) nach Anspruch 12, wobei das Montageelement (540), ausgebildet als Deckel, beim Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) auf dem Gehäuse (510) verbleibt.