DE10201934A1

DE10201934A1 - Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Verteiler

Info

Publication number: DE10201934A1
Application number: DE10201934A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Blutbacher
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-01-19
Filing date: 2002-01-19
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-20
Also published as: DE10201934B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Verbindung zwischen einer in einer Aufnahmevorrichtung 3 angeordneten Brennstoffzelle 1 und einem Anschlußteil 2, das über ein Kontaktelement 4 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden ist, wobei das Kontaktelement 4 als Federelement elastisch ausgebildet ist und ein erstes Ende 4.1 des Kontaktelements 4 am Anschlußteil 2 formschlüssig angeordnet ist und ein zweites Ende 4.2 an der Brennstoffzelle 1 kraftschlüssig anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung zwischen einer in einer Aufnahmevorrichtung angeordneten Brennstoffzelle und einem Anschlußteil, das über ein Kontaktelement oder ein Verbindungselement mit der Brennstoffzelle verbunden ist.

Verbindungen dieser Art werden innerhalb von mobilen Einrichtungen, wie z. B. ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzelle, verwendet. Hierbei sind für die elektrische Energieerzeugung vielfach zwei elektrische Leitungsnetze vorhanden. Ein von der Brennstoffzelle gespeistes Hochvolt-Netz enthält die Verbraucher mit höheren Leistungen wie einen oder mehrere Fahrantriebe und Verbraucher, die zum Betrieb des Fahrzeugs im Stand oder bei der Bewegung benötigt werden, sowie Antriebe für Hilfsaggregate zum Starten und zum Betrieb der Brennstoffzelle. Das zweite Netz ist ein Niedervolt-Netz mit elektrischen Verbrauchern geringerer Leistung, die bedarfsweise während der Bewegung oder im Stand der mobilen Einrichtung eingeschaltet werden. Es sind an das Niedervolt-Netz auch Antriebe und andere Verbraucher, z. B. Heizstromkreise oder eine Batterie angeschlossen, die zum Starten der Brennstoffzelle benötigt werden. Das Niedervolt-Netz enthält einen Akkumulator, der die elektrische Energie zum Starten der Brennstoffzelle an die entsprechenden elektrischen Verbraucher liefert. Zwischen den beiden Netzen ist eine bidirektionale Gleichstrom-Gleichstrom- Wandlung vorgesehen, die im Betrieb aus der Brennstoffzelle Ladestrom für den Akkumulator und bei Bedarf Betriebsstrom für eingeschaltete Verbraucher im Niedervolt-Netz liefert. Während das Niedervolt-Netz einpolig an die Masse der mobilen Vorrichtung angeschlossen ist, ist das Hochvolt-Netz elektrisch isoliert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Verbindung derart auszubilden und anzuordnen, daß eine einfache und sichere elektrische Ankopplung der Brennstoffzelle gewährleistet ist.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Kontaktelement als Federelement beweglich ausgebildet ist, wobei ein erstes Ende des Kontaktelements am Anschlußteil und ein zweites Ende an der Brennstoffzelle formschlüssig angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, daß trotz der Relativbewegung zwischen Anschlußteil und mechanisch entkoppelter Brennstoffzelle ein stetiger elektrischer Kontakt zwischen Anschlußteil und Brennstoffzelle gewährleistet ist. Dadurch wird trotz teilweiser mechanischer Entkopplung der Brennstoffzelle Kontaktkorrosion sowohl am Anschluß der Brennstoffzelle als auch am Anschlußteil verhindert.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß das Kontaktelement elastisch ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzelle eine Kontaktstelle aufweist, gegen die das zweite Ende des Kontaktelements kraftschlüssig anliegt. Somit ist ein schneller und einfacher Austausch des Kontaktelements und/oder des gesamten Anschlußteils gewährleistet. Diese elektrische Verbindung kann auch formschlüssig in der Art einer Schraub- und/oder Schweißverbindung erfolgen.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß das Kontaktelement als Verbindungselement flexibel ausgebildet und das erste Ende formschlüssig mit dem Anschlußteil verbunden ist. Da das Anschlußteil mit einem Steckkontakt ausgebildet ist, kommt dem Formschluß des Kontaktelements mit dem Anschlußteil die tragende Bedeutung im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit zu, die trotz mehrfacher Betätigung des Steckkontakts gewährleistet sein muß.

Ferner ist es vorteilhaft, daß das Anschlußteil lösbar mit der Aufnahmevorrichtung verbunden ist. Somit ist ein schneller und einfacher Austausch gewährleistet.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß die Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenmantel aufweist, wobei die Brennstoffzelle im Brennstoffzellenmantel und der Brennstoffzellenmantel in der Aufnahmevorrichtung elastisch oder gedämpft gelagert sind. Die Brennstoffzelle ist somit vom Fahrzeug zumindest teilweise mechanisch entkoppelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß das Anschlußteil ein als Flanschplatte ausgebildetes Befestigungsteil und ein Steckerteil aufweist, wobei die Flanschplatte an der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist. Die Flanschplatte und das Steckerteil sind mit der Aufnahmevorrichtung mechanisch gekoppelt und einfach montierbar.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß der Brennstoffzellenmantel eine Öffnung für das Kontaktelement und eine die Öffnung verschließende elastische Dichtung aufweist, die mit dem Brennstoffzellenmantel und dem Anschlußteil verbunden ist. Durch diese Art der Dichtung ist die Dichtheit der Öffnung trotz der Relativbewegung zwischen dem Brennstoffzellenmantel und der Aufnahmevorrichtung bzw. der Flanschplatte gewährleistet.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß das Anschlußteil mit einem Stromverteiler über einen Steckkontakt elektrisch verbunden ist, wobei der Steckkontakt eine Dichtung in der Art eines O- Rings sowie eine elektromagnetische Abschirmung aufweist. Der Steckkontakt gewährleistet das Auswechseln des Anschlußteils mit/ohne Brennstoffzelle und/oder das Auswechseln des Stromverteilers. Es ist auch möglich, den elektrischen Kontakt zu Lasten der Handhabung als Schraub- oder Schweißverbindung auszuführen. Hierbei ist es von Vorteil, daß der Steckkontakt einen im abgesteckten Zustand berührungsgeschützten Innen-Pin bzw. Innenkontakt sowie einen beim Abziehen voreilenden Interlock-Kontakt aufweist. Dieser Interlock-Kontakt sorgt für eine Abschaltung der Verbraucher und somit des Stroms, bevor der Steckkontakt einen kritischen Zustand im Hinblick auf einen möglichen Lichtbogen erreicht. Zudem ist es von Vorteil, daß das Anschlußteil aus einem metallisierten Kunststoffgehäuse gebildet ist, so daß zum einen die elektromagnetische Abschirmung und zum anderen eine Gewichtsersparnis gewährleistet ist.

Vorteilhaft ist es ferner, daß der Stromverteiler eine lösbare Befestigungsschiene aufweist, die an der Aufnahmevorrichtung für die Brennstoffzelle angeordnet ist. Die Anordnung der Befestigungsschiene kann hierbei lösbar oder unlösbar erfolgen. Von Vorteil ist dabei, daß die Verbindung zwischen Befestigungsschiene und Stromverteiler lösbar ist, so daß der Stromverteiler nach Lösen des Steckkontakts von der Befestigungsschiene bzw. von der Aufnahmevorrichtung abgenommen werden kann.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß der Abstand vom Steckkontakt zur Kontaktstelle der Brennstoffzelle dem Ein- bis Zweifachen der Summe der Wandstärken von Brennstoffzellenmantel, Aufnahmevorrichtung, Flanschplatte und Befestigungsschiene entspricht. Durch diesen kurzen feg ist eine Sicherung dieser elektrischen Verbindung nicht notwendig.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit Anschlußteil und Stromverteiler.
In Fig. 1 ist eine Brennstoffzelle 1 dargestellt, die innerhalb eines Brennstoffzellenmantels 5 gelagert ist. Hierzu ist zwischen einer Bodenfläche 1.5 der Brennstoffzelle 1 und dem Brennstoffzellenmantel 5 ein erstes und ein zweites Lager 1.3, 1.4 vorgesehen, die als elastische bzw. bewegliche Lager in der Art einer Druckfeder oder eines Gummis ausgebildet sind. Sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der Brennstoffzellenmantel 5 sind hierbei im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet. Der Brennstoffzellenmantel 5 umschließt die Brennstoffzelle vollständig und weist an seinem einen Ende 5.1 im Bereich eines Anschlußteils 2 eine Öffnung 5.2 für ein Kontaktelement 4 bzw. ein Verbindungselement auf.
Der Brennstoffzellenmantel 5 ist zusammen mit der Brennstoffzelle 1 wiederum über ein drittes und ein viertes Lager 5.3, 5.4 der gleichen Art in einer Aufnahmevorrichtung 3 angeordnet. Die Aufnahmevorrichtung 3 ist hierbei als Wanne oder Trog mit zwei nicht dargestellten Seitenwänden, einer hinteren und einer vorderen Wandfläche 3.1, 3.2 ausgebildet.
Die vordere Wandfläche 3.2 dient hierbei als Aufnahme für das Anschlußteil 2 und einen Stromverteiler 6.
Das Anschlußteil 2 ist mit einem als Flanschplatte ausgebildeten Befestigungsteil 2.1 und mit einem Steckerteil 2.2 bzw. Kontaktteil ausgestattet. Die Flanschplatte 2.1 ist über zwei Befestigungsbolzen 8.1, 8.2 mit der vorderen Wandfläche 3.2 verbunden. Gleichzeitig dienen die beiden Befestigungsbolzen 8.1, 8.2 zur Befestigung einer Befestigungsschiene 6.1 für den Stromverteiler 6.
Das Kontaktelement 4 weist Kupferlamellen auf und ist beweglich bzw. elastisch ausgebildet. Es ist sowohl mit dem Anschlußteil 2 bzw. Steckerteil 2.2 als auch mit der Brennstoffzelle 1 formschlüssig verbunden. An einem ersten Ende 4.1 ist das Kontaktelement 4 in das Anschlußteil 2 bzw. das Steckerteil 2.2 eingebunden bzw. eingegossen, und an einem zweiten Ende 4.2 ist das Kontaktelement 4 über eine Schweißverbindung mit der Brennstoffzelle 1 elektrisch verbunden.
Die Flanschplatte 2.1 ist mit Bezug auf die vordere Wandfläche 3.2 gegenüber dem Steckerteil 2.2 innerhalb der Aufnahmevorrichtung 3 angeordnet und mit dem Steckerteil 2.2 über einen Steg 2.3 verbunden. Zwischen der Flanschplatte 2.1 und dem Brennstoffzellenmantel 5 ist eine die Öffnung 5.2 verschließende Dichtung 9 mit einem an der Flanschplatte 2.1 und an dem Brennstoffzellenmantel 5 anliegenden bzw. angeordneten Dichtkörper 9.1 vorgesehen.
Das Steckerteil 2.2 ist im Wesentlichen rechteckförmig bzw. zylindrisch ausgebildet und weist neben dem Kontaktelement 4 einen damit verbundenen Anschlußkanal 2.4 sowie einen Führungskanal 2.5 auf. Innerhalb des Anschlußkanals 2.4 ist ein Anschlußstecker 6.4 des Stromverteilers 6 lösbar angeordnet bzw. eingesteckt, wobei der Führungskanal 2.5 eine Führungsnase 6.5 des Stromverteilers 6 aufnimmt. Der Anschlußstecker 6.4 ist mit einem Kontakt 7 des Stromverteilers 6 über eine form- und kraftschlüssige Verbindung elektrisch verbunden. Zwischen dem Anschlußkanal 2.4und dem Anschlußstecker 6.4 ist ein Dichtelement 10 in der Art eines O-Rings vorgesehen.
Der Stromverteiler 6 selbst ist über die Befestigungsschiene 6.1 und die beiden Befestigungsbolzen 8.1, 8.2 mit der Aufnahmevorrichtung 3 lösbar verbunden. Bezugszeichenliste 1 Brennstoffzelle
1. 1 Kontaktstelle
1.3 erstes Lager
1.4 zweites Lager
1.5 Bodenfläche
2 Anschlußteil
2.1 Befestigungsteil, Flanschplatte
2.2 Steckerteil
2.3 Steg
2.4 Anschlußkanal
2.5 Führungskanal
3 Aufnahmevorrichtung
3.1 hintere Wandfläche
3.2 vordere Wandfläche
4 Kontaktelement, Verbindungselement
4.1 erstes Ende von 4
4.2 zweites Ende von 4
5 Brennstoffzellenmantel
5.1 Ende
5.2 Öffnung
5.3 drittes Lager
5.4 viertes Lager
6 Stromverteiler
6.1 Befestigungsschiene
6.4 Anschlußstecker
6.5 Führungsnase
7 Steckkontakt
8.1 Befestigungsbolzen
8.2 Befestigungsbolzen
9 Dichtung
9.1 Dichtelement
10 Dichtelement

Claims

1. Elektrische Verbindung zwischen einer in einer Aufnahmevorrichtung (3) angeordneten Brennstoffzelle (1) und einem Anschlußteil (2), das über ein Kontaktelement (4) mit der Brennstoffzelle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (4) als Federelement beweglich ausgebildet ist, wobei ein erstes Ende (4.1) des Kontaktelements (4) am Anschlußteil (2) und ein zweites Ende (4.2) an der Brennstoffzelle (1) formschlüssig angeordnet ist.

2. Elektrische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (4) als Verbindungselement elastisch ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzelle (1) eine Kontaktstelle (1.1) aufweist, mit der das zweite Ende (4.2) des Kontaktelements (4) mittels Kraftschluß und/oder mittels eines Formschlusses wie eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung verbunden ist.

3. Elektrische Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (4) flexibel ausgebildet und das erste Ende (4.1) mittels Kraftschluß und/oder mittels eines Formschlusses wie eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung mit dem Anschlußteil (2) verbunden ist.

4. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (2) lösbar mit der Aufnahmevorrichtung (3) verbunden ist.

5. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (1) einen Brennstoffzellenmantel (5) aufweist, wobei die Brennstoffzelle (1) im Brennstoffzellenmantel (5) und der Brennstoffzellenmantel (5) in der Aufnahmevorrichtung (3) elastisch oder gedämpft gelagert sind.

6. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (2) ein als Flanschplatte ausgebildetes Befestigungsteil (2.1) und ein Steckerteil (2.2) aufweist, wobei die Flanschplatte (2.1) an der Aufnahmevorrichtung (3) befestigt ist.

7. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzellenmantel (5) eine Öffnung (5.2) für das Kontaktelement (4) und eine die Öffnung verschließende elastische Dichtung (9) aufweist, die mit dem Brennstoffzellenmantel (5) und dem Anschlußteil (2) verbunden ist.

8. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus metallisiertem Kunststoff gebildete Anschlußteil (2) über einen Steckkontakt (7) mit einem Stromverteiler (6) elektrisch verbunden ist, wobei der Steckkontakt (7) eine Dichtung (10) in der Art eines O-Rings sowie eine elektromagnetische Abschirmung aufweist.

9. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverteiler (6) eine lösbare Befestigungsschiene (6.1) aufweist, die an der Aufnahmevorrichtung (3) für die Brennstoffzelle (1) befestigt ist.

10. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand vom Steckkontakt (7) zu einer Kontaktstelle (1.1) der Brennstoffzelle (1) dem Ein- bis Zweifachen der Summe der Wandstärken von Brennstoffzellenmantel (5), Aufnahmevorrichtung (3), Flanschplatte (2.1) und Befestigungsschiene (6.1) entspricht.