DE102018216265A1

DE102018216265A1 - Steckverbinder, Bipolarplatte und Kombination aus einem Steckverbinder und einem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018216265A1
Application number: DE102018216265.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Gehres
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-03-26
Also published as: US11563221B2; CN110943244B; US20200099064A1; CN110943244A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder (100) zur elektrischen Kontaktierung von einer Mehrzahl von eine Kontaktnut (102) aufweisenden Bipolarplatten (104), mit einem aus elektrisch isolierendem Material gebildeten Steckerkörper (106), durch den eine Mehrzahl von elektrisch voneinander getrennten Kontaktelementen (108) geführt ist, von denen jeweils ein Kontaktelement (108) in eine dazu korrespondierende Kontaktnut (102) von einer der Bipolarplatten (104) eingreift und dadurch die Bipolarplatte elektrisch kontaktiert. Jedes der Kontaktelemente (108) ist als ein in die Kontaktnut (102) eingreifender und elastisch deformierbarer Drahtbügel (110) geformt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Bipolarplatte und eine Kombination eines Steckverbinders (100) und eines Brennstoffzellenstapels (138).

Description

Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder zur elektrischen Kontaktierung von einer Mehrzahl von eine Kontaktnut aufweisenden Bipolarplatten, mit einem aus elektrisch isolierendem Material gebildeten Steckerkörper, durch den eine Mehrzahl von elektrisch voneinander getrennten Kontaktelementen geführt ist, von denen jeweils ein Kontaktelement in eine dazu korrespondierende Kontaktnut von einer der Bipolarplatten eingreift und dadurch die Bipolarplatte elektrisch kontaktiert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Kombination eines Steckverbinders mit einem Brennstoffzellenstapel.
Derartige Steckverbinder werden bei Brennstoffzellensystemen dazu verwendet, um die Spannungen der einzelnen im Brennstoffzellenstapel vorliegenden Brennstoffzellen zu erfassen. Sie sind damit Teil eines Zellspannungserfassungssystems („CVM“ = engl. „cell voltage monitoring“), welches die einzelnen, elektrischen Potentiale zwischen der Anode und der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) des Brennstoffzellensystems messtechnisch erfasst. Dazu ist neben dem Steuergerät zur Erfassung und Auswertung eine sichere Kontaktierung der stromführenden Bipolarplatten erforderl ich.
In der DE 10 2016 210 316 A1 wird hierzu vorgeschlagen, einzelne Verbindungselemente zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten zu positionieren, wobei das Verbindungselement aus zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen gebildet ist, um die beiden Bipolarplatten sicher zu kontaktieren und zwar auch dann, wenn der Brennstoffzellenstapel betriebsbedingten Ausdehnungen unterliegt. In der DE 10 2010 014 080 A1 wird ebenfalls ein System zur Kontaktierung einer Mehrzahl von Brennstoffzellen unter Verwendung einer einzelnen Leiterplatte beschrieben, welche mit einem leitenden komprimierbaren Verbinder oder direkt durch einen Plattenkontaktierer mit den Bipolarplatten verbunden ist. Ein weiteres System zur Überwachung der Zellspannungen ist in der EP 2 907 188 B 1 beschrieben.
In der US 2007/0108960 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Einzelzellspannungen beschrieben, bei der einzelne Kontaktstifte in einzelne Kontaktnuten von Bipolarplatten eingreifen, wobei die Kontaktstifte entlang ihrer Längsachse teleskopierbar oder komprimierbar ausgebildet sind. Alle Kontaktstifte sind innerhalb einer Nut eines Steckerkörpers positioniert und können entlang dieser Nut gleiten, um zu gewährleisten, dass Bipolarplatten unterschiedlicher Höhe und Dicke sicher elektrisch kontaktiert werden.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen hat es sich als nachteilhaft herausgestellt, dass die elektrische Kontaktierung oft nicht die benötigte mechanische Stabilität aufweist oder ein geometrischer Ausgleich nicht hinreichende sichergestellt ist. Der geometrische Ausgleich wird benötigt aufgrund von herstellungsbedingten Toleranzen, von produktionstechnischen Toleranzen, aufgrund von Längenausdehnungen im Betrieb, aufgrund von Durchbiegungen durch die Gewichtskraft oder durch einwirkende Fliehkräfte. Zudem hat es sich bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen herausgestellt, dass bei diesen keine schnelle und prozesssichere Montage möglich ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Steckverbinder, eine Bipolarplatte und eine Kombination aus einem Steckverbinder mit einem Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die vorstehend genannten Nachteile überwinden.
Diese Aufgabe wird durch einen Steckverbinder mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch eine Kombination mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Steckverbinder zur elektrischen Kontaktierung von einer Mehrzahl an eine Kontaktnut aufweisenden Bipolarplatten zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass jedes der Kontaktelemente als ein in die Kontaktnut eingreifender und elastisch deformierbarer Drahtbügel geformt ist.
Durch den Einsatz eines solchen Drahtbügels hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass dieser eine Ausgleichsbewegung in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels (x-Richtung) ausüben kann. Aber auch eine Ausweichbewegung in einer zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels senkrecht orientierten Richtung (z-Richtung) ist durch den Einsatz des Drahtbügels ermöglicht, so dass stets eine sichere Kontaktierung des Kontaktelements mit der ihm zugeordneten Kontaktnut vorhanden ist.
Eine sichere Kontaktierung und ein stabilerer Drahtbügel lässt sich dadurch realisieren, dass jedes der Kontaktelemente zur Formung des Drahtbügels mindestens zweifach durch den Steckerkörper geführt ist.
Es kann zudem das Bedürfnis bestehen, dass die mögliche Ausweichbewegung oder die Auslenkung der Drahtbügel begrenzt wird, wobei es sich hierzu als vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Kontaktelemente, insbesondere endständig, mit einem Anschlagelement versehen sind, und wenn der Steckerkörper einen Anschlag für das Anschlagelement aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist eine zumindest einseitige Begrenzung einer elastischen Deformation der Drahtbügel realisierbar.
Außerdem besteht die Möglichkeit, dass der Steckerkörper einen Distanzhalter, insbesondere einen Distanzpin, aufweist, der ausgebildet ist, den Steckerkörper gegenüber einer Bipolarplatte abzustützen, wobei der Distanzhalter vorzugsweise ebenfalls in eine Kontaktnut der Bipolarplatte einführbar ist. Dieser Distanzhalter gewährleistet nicht nur einen vorgegebenen Abstand des Steckerkörpers gegenüber der Bipolarplatten in z-Richtung, sondern kann auch dafür vorgesehen sein, den Steckerkörper zum Ausgleich in x-Richtung, nämlich in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels, mitzunehmen; mithin also zu verschieben. Somit können durch den Abstandshalter Belastungen auf die Kontaktierungsdrähte, nämlich auf die Drahtbügel reduziert werden. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, auch mehrere solcher Distanzhalter vorzusehen, die vorzugsweise dann jeweils in eine Kontaktnut der Bipolarplatte eingreifen. Der Distanzhalter kann dabei aus einem elektrisch isolierendem Material geformt sein.
Die Montage des Steckverbinders mit einem Brennstoffzellenstapel wird dadurch vereinfacht, dass der Steckerkörper eine Rastnase aufweist, die ausgebildet ist, mit einer in einer Gleitschiene ausgebildeten Rastausnehmung zu verrasten. Hierbei kann beispielsweise ein Geräuschindikator (bspw. indiziert durch ein Klicken) vorhanden sein, um dem Monteur die Information geben zu können, dass der Steckverbinder in der korrekten Position gegenüber dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Zur noch besseren Fixierung des Steckverbinders an einer Gleitschiene hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Steckerkörper eine Sicherungsaufnahme aufweist, die ausgebildet ist, eine an einer Gleitschiene ausgebildete Sicherungsleiste aufzunehmen.
Eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel zeichnet sich durch eine mit einer Nuterweiterung versehene Kontaktnut aus. Die Nuterweiterung ist vorzugsweise gebildet als ein sich aufweitender Abschnitt an der Kontaktnut der Bipolarplatte. Diese begünstigt die Einführbarkeit des Drahtbügels in die Kontaktnut und gewährleistet, dass der Drahtbügel nur in die für ihn vorgesehene Kontaktnut gleitet. Vorzugsweise ist der sich aufweitende Abschnitt an einem Einführende der Kontaktnut ausgebildet.
Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kontaktnut an einem ihrem dem Einführende abgewandten Ende eine Steuerfläche aufweist, die ausgebildet ist, mit dem Drahtbügel des Kontaktelements wechselzuwirken. Durch diese Steuerfläche wird eine elastische Verformung des Drahtbügels begünstigt, so dass keine plastischen Verformungen wie Knicke oder dergleichen am Drahtbügel auftreten.
Für eine zusätzliche Möglichkeit, eine Ausgleichsbewegung des Drahtbügels bereitzustellen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Nuterweiterung gebildet ist durch eine im Querschnitt trapezförmige Kontaktnut der Bipolarplatte. Damit ist die Kontaktnut in z-Richtung sich aufweitend ausgeformt, so dass der Drahtbügel einen größeren Bewegungsspielraum in x-Richtung besitzt, um eine Ausgleichsbewegung bereitzustellen.
Die für den Steckverbinder beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für eine entsprechende Kombination eines solchen Steckverbinders mit einem Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von mindestens eine Kontaktnut aufweisenden Bipolarplatten umfasst.
Diese Kombination zeichnet sich insbesondere durch ihre betriebssichere Montage aus, bei der zuverlässig verhindert wird, dass ihre Bauteile oder Bestandteile versagen aufgrund von zu großen Aufsteck- oder Abziehkräften oder aufgrund von zu großen Beschleunigungen im Betrieb.
In diesem Zusammenhang hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Gleitschiene vorhanden ist, an welcher der Steckverbinder zur elektrischen Kontaktierung der Bipolarplatten, insbesondere gleitend, fixiert ist. Hierbei ist es von Vorteil, wenn entweder der Steckerkörper oder Teile des Steckerkörpers aus einem gleitoptimierten Werkstoff oder mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sind. Alternativ oder ergänzend kann auch die Gleitschiene aus einem gleitoptimierten Werkstoff gebildet sein. Vorzugsweise liegt zwischen dem Steckverbinder und der Gleitschiene eine geeignete tribologische Materialpaarung mit einem geringen Gleitwert vor.
Die Gleitschiene ist dafür vorgesehen, dass der Steckverbinder in Stapellängsrichtung Ausgleichsbewegungen ausführen kann, die beispielsweise über die Drahtbügel der Kontaktelemente in den Steckerkörper eingeleitet werden.
Es besteht zudem die Möglichkeit einen Distanzhalter, insbesondere einen Distanzpin, am Steckerkörper anzubringen oder auszubilden, der die Verschiebung des Steckerkörpers bezüglich der Gleitschiene zusätzlich begünstigt.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, um eine Ausdehnung in z-Richtung auszugleichen, ist eine geometrische Kopplung der Gleitschiene mit der Bipolarplatte, insbesondere mit der der Gleitschiene abgewandten, gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte. Ein Großteil der Ausdehnung in z-Richtung erfolgt nämlich durch ein „Durchhängen“ des Brennstoffzellenstapels aufgrund der Gewichtskraft und aufgrund möglicher dynamischer äußerer Kräfte. In diesem Zusammenhang hat es sich also als vorteilhaft erwiesen, wenn mit der Gleitschiene ein Kraftübertragungselement verbunden ist, das ausgebildet ist, Biegekräfte des Brennstoffzellenstapels auf die Gleitschiene zu übertragen, wodurch ein konstanter Abstand zwischen dem Steckverbinder und der Kontaktnut der Bipolarplatte gewährleistet wird.
Das Kraftübertragungselement ist vorzugsweise ein die Bipolarplatten zumindest teilweise umgreifender Sicherungsarm, der ausgebildet ist, die Bewegung oder die Biegung des Brennstoffzellenstapels auf die Gleitschiene und damit auf den mit der Gleitschiene verbundenen Steckverbinder zu übertragen. Eine solche Konfiguration ist auch deshalb von Vorteil, da häufig eine direkte Verschraubung einer solchen Gleitschiene mit den Bipolarplatten aus Herstellungsgründen und technischen Gründen nicht möglich ist.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine ausschnittsweise Seitenansicht einer Kombination eines Steckverbinders mit einer Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Steckverbinder an einer Gleitschiene fixiert ist,
2 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der Kombination aus 1,
3 ausschnittsweise einen mehrere Bipolarplatten umfassenden Brennstoffzellenstapel,
4 eine ausschnittsweise Seitenansicht einer Kombination, bei der der Drahtbügel in Kontaktnuten von Bipolarplatten eingebracht sind,
5 eine weitere ausschnittsweise Perspektivansicht einer Kombination nach 1 mit einer verlängert dargestellten Gleitschiene,
6 eine ausschnittsweise Perspektivansicht einer Kombination mit einem Steckverbinder, der einen Distanzhalter aufweist, und
7 eine ausschnittsweise Seitenansicht auf eine Kombination, die ein Kraftübertragungselement umfasst.

In den Figuren sind die Bauteile einer Kombination eines Steckverbinders 100 und eines Brennstoffzellenstapels 138 gezeigt, der eine Mehrzahl von mindestens eine Kontaktnut 102 aufweisenden Bipolarplatten 104 umfasst (2). Diese Bauteile sind Bestandteile eines Systems zur Einzelzellspannungserfassung der Spannungen einzelner Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 138 (CVM = engl. „cell voltage monitoring“).
Zwischen den Bipolarplatten 104 des Brennstoffzellenstapels 138 liegt jeweils eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die aus einer Kathode und einer Anode sowie eine die Kathode von der Anode trennende protonenleitfähige Membran gebildet ist. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über einen in der Bipolarplatte 104 ausgebildeten Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden, wobei in einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet werden. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über einen Kathodenraum, der ebenfalls in einer der Bipolarplatten 104 ausgebildet ist, kann der Kathode das Kathodengas (z. B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme). Um beispielsweise die für einen Antrieb erforderliche elektrische Leistung bereitstellen zu können, werden die Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel 138 in Serie geschaltet. Dabei besteht jedoch das Bedürfnis, die von jeder einzelnen Zelle erzeugte Spannung zu erfassen, um insbesondere deren Funktion überwachen zu können.
Hierzu wird der Steckverbinder 100 verwendet, der zur elektrischen Kontaktierung von einer Mehrzahl von eine Kontaktnut 102 aufweisenden Bipolarplatten 104 ausgebildet ist. Er weist einen Steckerkörper 106 auf, welcher aus elektrisch nicht-leitfähigem, mithin elektrisch isolierendem, Material gebildet ist. Durch den Steckerkörper 106 ist eine Mehrzahl von Kontaktelementen 108 geführt, die durch den Steckerkörper 106 elektrisch voneinander isoliert verlaufen. Jedes der Kontaktelemente 108 greift in eine dazu korrespondierende Kontaktnut 102 von einer entsprechenden Bipolarplatte 104, wodurch die betreffende Bipolarplatte 104 elektrisch vom Kontaktelement 108 kontaktiert wird.
In 1 ist zu erkennen, dass das Kontaktelement 108 als ein Drahtbügel 110 geformt ist, der elastisch deformierbar ist, um eine Ausgleichsbewegungen in z-Richtung ausführen zu können, wie die strichlierte Darstellung des Drahtbügels 110 belegt. Zur Formung des Drahtbügels 110 werden die Kontaktelemente vorliegend zweifach durch den Steckerkörper 106 geführt, nämlich durch eine erste Durchführung 112 im Steckerkörper 106 und durch eine zweite Durchführung 114 im Steckerkörper 106. Die erste Durchführung 112 weist einen sich im Wesentlichen entlang oder parallel der z-Richtung orientierten Abschnitt auf, wobei die zweite Durchführung 114 einen sich im Wesentlichen entlang oder parallel zur y-Richtung erstreckenden Abschnitt umfasst. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktelemente 108 aus der zweiten Durchführung 114 wieder austreten und endständig ein Anschlagelement 116 aufweisen, welches vorliegend durch eine Abkantung oder eine Biegung des Kontaktelements 108 gebildet ist. Die strichlierte Darstellung des Kontaktelements 108 zeigt, dass der Drahtbügel 110 derart deformierbar ist, dass das Kontaktelement 108 aus dem Steckerkörper 106 hervorsteht. Um allerdings zu gewährleisten, dass der Drahtbügel 110 nur eine vorgegebene Ausdehnung oder Auslenkung besitzt, ist am Steckerkörper 106 ein Anschlag 118 vorhanden, durch welchen das Anschlagelement 116 des Kontaktelements 108 in seiner Bewegung begrenzt wird.
Zusätzlich wird die Bewegung des Drahtbügels 110 dadurch unterstützt, dass die Bipolarplatte 104 innerhalb ihrer Kontaktnut 102 eine Steuerfläche 136 aufweist, die die Führung des Kontaktelements 108, d.h. des Drahtbügels 110 in Richtung der zweiten Durchführung 114 begünstigt. Aufgrund des Einsatzes einer Steuerfläche 136 ist zusätzlich gewährleistet, dass keine plastischen Deformationen am Kontaktelement 108 auftreten, insbesondere also Knicke oder Biegungen an den Kontaktelementen 108 vermieden werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Kontaktelemente 108 in Form eines Kontaktdrahtes gebildet sein können, und insbesondere als Federdraht ausgeführt sind, um eine möglichst hohe Anpressung, auch bei der Ausdehnung der Bipolarplatten 104 sicherstellen zu können. Bei einer geeigneten Auslegung der Kontaktnut 102 der Bipolarplatten 104 kann aber auch ein Flachdraht anstelle eines Runddrahts Verwendung finden, wodurch sich die Kontaktfläche erhöht und damit eine noch zuverlässigere Spannungserfassung der Einzelzellen möglich ist, da nunmehr kein Linienkontakt sondern ein Flächenkontakt zwischen dem Kontaktelement 108 und der betreffenden Bipolarplatte 104 vorliegt.
Der Steckverbinder 100 ist mit seinem Steckerkörper 106 vorliegend an einer Gleitschiene 124 fixiert. Hierzu weist der Steckerkörper 106 eine Rastnase 122 auf, die ausgebildet ist, mit einer in der Gleitschiene 124 ausgebildeten Rastausnehmung 126 zu verrasten. Die Gleitschiene 124 lässt sich häufig nicht unmittelbar mit den Bipolarplatten 104 verbinden, sondern ist beispielsweise an den Endplatten des Brennstoffzellenstapels 138 fixiert oder sogar an einem Element, welches nicht Bestandteil des Brennstoffzellenstapels 138 ist. Die Gleitschiene 124 selbst weist ein, insbesondere sich an die Rastausnehmung 126 anschließendes, Rastglied 148 auf, das ausgebildet ist, die Rastnase 122 des Steckerkörpers 106 zu hintergreifen, insbesondere dann, wenn der Steckerkörper 106 gegenüber der Gleitschiene 124 in eine verrastete Konfiguration überführt ist.
Zur weiteren sicheren Fixierung des Steckerkörpers 106 an der Gleitschiene 124 weist der Steckerkörper 106 eine Gleitfläche 142 einerseits auf, die geneigt bezüglich der z-Richtung ausgeführt ist. Demgegenüber ist an der Gleitschiene, insbesondere am Rastglied 148 eine Gleitgegenfläche 144 andererseits ausgeformt, so dass beim Gegeneinanderverschieben des Steckerkörpers 106 bezüglich der Gleitschiene 124 ein Aufweiten des Steckerkörpers 106 erfolgt, solange, bis die Verrastung zwischen dem Steckerkörper 108 und der Gleitschiene 124 realisiert ist.
Zudem ist der Steckerkörper 106 vorliegend auch mit einer Einführkontur 146 versehen, die in eine Sicherungsaufnahme 128 des Steckerkörpers 106 übergeht. Diese Sicherungsaufnahme 128 ist ausgebildet, um eine Sicherungsleiste 130 der Gleitschiene 124 aufzunehmen. Diese Sicherung hat die Funktion, den Steckverbinder 100 sowohl in y-Richtung als auch in z-Richtung in seiner Position gegenüber der Gleitschiene 124 zu fixieren. In x-Richtung ist der Steckverbinder 100 aber gegenüber der Gleitschiene 124 gleitend gelagert. Diese gleitende Lagerung in Stapellängsrichtung dient dem Ausgleich einer Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 138 während seines Betriebs. Dabei können vom Brennstoffzellenstapel 138, über die Bipolarplatten 104 in die Drahtbügel 110 eingeleitete Kräfte auf den Steckerkörper 106 übertragen werden, so dass der Steckerkörper 106 entlang der Gleitschiene 124 gleiten kann, um die eingeleiteten Kräfte auszugleichen.
In der Perspektivansicht nach 2 ist zu erkennen, dass eine Mehrzahl der Kontaktelemente 108 durch den Steckerkörper 106 geführt ist und jede der Bipolarplatten 104 mit einer eigenen Kontaktnut 102 ausgestaltet ist, in welche eines der als Drahtbügel 110 gebildeten Kontaktelemente 108 eingreift. Der Steckverbinder 100 kann in y-Richtung auf die Gleitschiene 124 aufgesteckt werden, wobei die Drahtbügel 110 in die Kontaktnuten über ihr, insbesondere vorderes, Einführende 134 eingeschoben werden.
Anhand von 3 ist die Konfiguration der Bipolarplatten 104 näher zu erkennen, wobei die Kontaktnuten 102 jeweils mit einer Nuterweiterung 132 versehen ist, die sich vorliegend durch einen sich aufweitenden Abschnitt an dem Einführende 134 der Kontaktnut 102 befindet. Zudem ist die Steuerfläche 136 der Kontaktnut 102 zu erkennen, die der weiteren Führung der Drahtbügel 110 dient.
In 4 ist eine Seitenansicht der Kombination gezeigt, bei der in die Kontaktnut 102 einer der Drahtbügel 110 des Steckverbinders 100 eingebracht ist. Auch hier ist eine Nuterweiterung 132 vorhanden, die durch eine trapezförmige Gestaltung des Querschnitts der Kontaktnut 102 entsteht. Auch durch diese sich nach unten, in Richtung eines Zentrums der Bipolarplatte 104 aufweitende, trapezförmige Kontaktnut 102 kann eine Ausgleichsbewegung des Drahtbügels 110 innerhalb der Kontaktnut 102 in Stapellängsrichtung erfolgen.
Anhand der Darstellung von 5 ist zu erkennen, dass die Gleitschiene 126 in ihrer Längsrichtung deutlich länger ausgestaltet sein kann als es der Steckerkörper 106 ist. Somit kann also an einer einzelnen Gleitschiene 124 eine Mehrzahl von Steckverbindern 100 angebracht werden, die zum Längenausgleich des Brennstoffzellenstapels 138 während seines Betriebs verschiebbar entlang der Gleitschiene 124 gelagert sind.
Sollten die Drahtbügel 110 nicht steif genug sein, um die vom Brennstoffzellenstapel 138 ausgeübten Kräfte in den Steckerkörper 106 einzuleiten, so zeigt 6 die Möglichkeit des Einsatzes eines Distanzhalters 120 auf, der vorliegend ausgebildet ist, ebenfalls in einer Kontaktnut 102 einer Bipolarplatte 104 aufgenommen zu werden. Dieser Distanzhalter 120 gewährleistet einen definierten Abstand zwischen der Bipolarplatte 104 und dem Steckerkörper 106 einerseits in z-Richtung und führt andererseits zusätzlich zu einer Mitnahme des Steckerkörpers 106, wenn eine Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 138 in x-Richtung erfolgt. Dieser mechanische Pin ist also mit anderen Worten ausgebildet, den Steckerkörper 106 entlang der Gleitschiene 124 zu verschieben.
In 7 ist letztlich noch eine Kombination gezeigt, bei welcher mit der Gleitschiene 124 ein Kraftübertragungselement verbunden ist, das ausgebildet ist, Biegekräfte des Brennstoffzellenstapels 138 auf die Gleitschiene 124 zu übertragen. Aufgrund der Gewichtskraft des Brennstoffzellenstapels 138 kann es vorkommen, dass der Brennstoffzellenstapel 138 in Längsrichtung, insbesondere mittig, „durchhängt“. In solchen Fällen ist eine sichere elektrische Anbindung des Steckverbinders 100, insbesondere der Kontaktelemente 108, an die Bipolarplatten 104 zu gewährleisten. Durch das Kraftübertragungselement wird eine Biegung des Brennstoffzellenstapels 138 auch auf die Gleitschiene 124 und damit auf den Steckverbinder 100 übertragen, so dass die elektrische Anbindung gewährleistet bleibt.
Vorliegend ist das Kraftübertragungselement als ein die Bipolarplatten 104 zumindest teilweise umgreifender Sicherungsarm 140 geformt, der ausgebildet ist, die Bewegung oder die Biegung des Brennstoffzellenstapels 138 auf die Gleitschiene 124 und damit auf den mit der Gleitschiene 124 verbundenen Steckverbinder 100 zu übertragen. Der Sicherungsarm 140 ist dabei vorzugsweise aus einem elektrisch nicht-leitenden, mithin isolierenden, Material geformt, so dass eine elektrische Isolation der einzelnen Bipolarplatten 104 gewährleistet ist.
Die vorstehend beschriebene Erfindung ermöglicht die Umsetzung eines Steckkontakts zur Erfassung der Einzelzellspannungen eines Brennstoffzellenstapels 138 ohne das Einbringen zusätzlicher Pins oder Clips in die einzelnen Bipolarplatten 104. Zudem ist die Montage des Steckverbinders 100 mit dem Brennstoffzellenstapel 138 erleichtert und die Fehleranfälligkeit verringert. Auch die Kräfte in x-Richtung, in y-Richtung und in z-Richtung werden durch die entsprechende Kombination eines Steckverbinders 100 und dem Brennstoffzellenstapel 138 sicher und hinreichend ausgeglichen.
Bezugszeichenliste

100: Steckverbinder
102: Kontaktnut
104: Bipolarplatte
106: Steckerkörper
108: Kontaktelement
110: Drahtbügel
112: erste Durchführung
114: zweite Durchführung
116: Anschlagelement
118: Anschlag
120: Distanzhalter
122: Rastnase
124: Gleitschiene
126: Rastausnehmung
128: Sicherungsaufnahme
130: Sicherungsleiste
132: Nuterweiterung
134: Einführende
136: Steuerfläche
138: Brennstoffzellenstapel
140: Sicherungsarm
142: Gleitfläche
144: Gleitgegenfläche
146: Einführkontur
148: Rastglied

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016210316 A1 [0003]
DE 102010014080 A1 [0003]
EP 2907188 [0003]
US 2007/0108960 A1 [0004]

Claims

Steckverbinder (100) zur elektrischen Kontaktierung von einer Mehrzahl von eine Kontaktnut (102) aufweisenden Bipolarplatten (104), mit einem aus elektrisch isolierendem Material gebildeten Steckerkörper (106), durch den eine Mehrzahl von elektrisch voneinander getrennten Kontaktelementen (108) geführt ist, von denen jeweils ein Kontaktelement (108) in eine dazu korrespondierende Kontaktnut (102) von einer der Bipolarplatten (104) eingreift und dadurch die Bipolarplatte elektrisch kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kontaktelemente (108) als ein in die Kontaktnut (102) eingreifender und elastisch deformierbarer Drahtbügel (110) geformt ist.
Steckverbinder (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kontaktelemente (108) zur Formung des Drahtbügels (110) mindestens zweifach durch den Steckerkörper (106) geführt ist.
Steckverbinder (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (108) mit einem Anschlagelement (116) versehen sind, und dass der Steckerkörper (106) einen Anschlag (118) für das Anschlagelement (116) aufweist zur zumindest einseitigen Begrenzung einer elastischen Deformation des Drahtbügels (110).
Steckverbinder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckerkörper (106) einen Distanzhalter (120) aufweist, der ausgebildet ist, den Steckerkörper (106) gegenüber einer Bipolarplatte (104) abzustützen.
Steckverbinder (100) einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckerkörper (106) eine Rastnase (122) aufweist, die ausgebildet ist, mit einer in einer Gleitschiene (124) ausgebildeten Rastausnehmung (126) zu verrasten.
Steckverbinder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckerkörper (106) eine Sicherungsaufnahme (128) aufweist, die ausgebildet ist, eine an einer Gleitschiene (124) ausgebildete Sicherungsleiste (130) aufzunehmen.
Bipolarplatte (104) für einen Brennstoffzellenstapel (138) mit einer eine Nuterweiterung (132) aufweisenden Kontaktnut.
Kombination eines Steckverbinders (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Brennstoffzellenstapel (138), der eine Mehrzahl von mindestens eine Kontaktnut (102) aufweisenden Bipolarplatten (104) umfasst.
Kombination nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleitschiene (124) vorhanden ist, an welcher der Steckverbinder (100) zur elektrischen Kontaktierung der Bipolarplatten (104) gleitend fixiert ist.
Kombination nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Gleitschiene (124) ein Kraftübertragungselement verbunden ist, das ausgebildet ist, Biegekräfte des Brennstoffzellenstapels (138) auf die Gleitschiene (124) zu übertragen.