DE102021105215A1

DE102021105215A1 - Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte und Verfahren zum Kontaktieren einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102021105215A1
Application number: DE102021105215.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-09-08
Also published as: CN116670873A; US20240136543A1; WO2022184200A1

Abstract

Eine Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte umfasst zwei parallel voneinander beabstandete, einer Bipolarplatte (10) zuzurechnende Halbbleche (2, 3), wobei jedes Halbblech (2, 3) Prägeelemente (4, 5) aufweist und die Prägeelemente (4, 5) der beiden Halbbleche (2, 3) aufeinander zu gerichtet sind, und wobei ein zwischen die Halbbleche (2, 3) eingelegter Anschlussstift (6) Prägeelemente (4, 5) der Halbbleche (2, 3) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte, welche insbesondere in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kontaktieren einer Bipolarplatte.
Aus der EP 1 900 052 B1 ist eine Brennstoffzelle-Bipolarplatte mit einer Buchse für Messungsverbinder bekannt. Die Bipolarplatte umfasst zwei aneinandergefügte Halbbleche, welche als halbe kathodische Bipolarplatte und halbe anodische Bipolarplatte bezeichnet werden. Jedes Halbblech umfasst eine zentrale aktive Zone und einen umfänglichen Teil mit mehreren Ausschnitten. Ferner befindet sich am umfänglichen Teil der Bipolarplatte eine als hohle Aufnahme bezeichnete Buchse, in welche zu Messzwecken ein stiftförmiges elektrisches Verbindungselement eingesteckt werden kann. Die Buchse ist aus zwei einander gegenüberliegenden Rippen gebildet, welche sich jeweils in einem Halbblech befinden.
Die WO 2008 / 145 221 A1 offenbart eine Einzel-Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel. Innerhalb der Einzel-Brennstoffzelle befindet sich ein Nickel-Netz als elektrisches Kontaktierelement. Darüber hinaus wird die Verwendung von Pasten aus metallischen und keramischen Werkstoffen als Kontaktierelemente vorgeschlagen.
Die DE 10 2018 213 688 A1 offenbart einen eine Mehrzahl an Kontaktierelementen umfassenden Stecker für einen Bipolarstapel. Jedes Kontaktelement weist einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Kontaktkörper auf, durch welchen ein Kanal gebildet ist, welcher zur Aufnahme eines Abschnitts einer Bipolarplatte vorgesehen ist. In den Kanal ragt eine Kontaktfeder hinein, die die Bipolarplatte kontaktiert. Ferner sind Schneidkanten vorgesehen, die sich in eine Oberfläche der Bipolarplatte einschneiden, um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten, welche auch Vibrations- und Schlagbelastungen standhalten soll.
Die DE 20 2005 019 195 U1 beschreibt eine Interfaceplatine mit elektrischer Schaltung zum Anschließen einer Brennstoffzelle. Die Interfaceplatine umfasst eine Leiterplatte, auf der sich mehrere Schnittstellen befinden, die mit einer Brennstoffzelle beziehungsweise mit einer elektrischen Vorrichtung zu verbinden sind, wobei es sich bei der elektrischen Vorrichtung um eine Prüfvorrichtung zum Prüfen der Brennstoffzelle handeln kann.
Kontaktierungsvorrichtungen, die beim Prüfen und Überwachen von Brennstoffzellen zum Einsatz kommen können, sind auch aus den Dokumenten WO 2014 / 060 727 A1 , WO 2018 / 236 266 A1 , WO 2013 / 041 869 A1 und WO 2005 / 069 026 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter den Aspekten einer rationellen Fertigung sowie eines geringen Bauraumbedarfs weiterentwickelte Möglichkeiten der Kontaktierung einer Bipolarplatte anzugeben, wobei möglichst keine Kompromisse hinsichtlich der Zuverlässigkeit des elektrischen Anschlusses eingegangen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Kontaktieren einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Kontaktierungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Kontaktieranordnung, sowie eine, eine solche Anordnung umfassende Bipolarplatte, und umgekehrt.
Die Kontaktieranordnung umfasst zwei parallel voneinander beabstandete, einer Bipolarplatte zuzurechnende Halbbleche, wobei jedes Halbblech Prägeelemente aufweist und die Prägeelemente der beiden Halbbleche aufeinander zu gerichtet sind, und wobei ein zwischen die Halbbleche eingelegter Anschlussstift, welcher auch als Kontaktierelement oder kurz als Pin bezeichnet wird, Prägeelemente der Halbbleche kontaktiert. Insbesondere kann die Kontaktieranordnung derart gestaltet sein, dass der Anschlussstift ausschließlich Prägeelemente der Halbbleche, jedoch keine ebenen Bereiche der Halbbleche außerhalb deren Prägeelemente kontaktiert.
Die Prägeelemente eines der Halbbleche oder beider Halbbleche sind insbesondere als Noppen ausgebildet und können jeweils Teil eines größeren Noppenfeldes sein. Ein solches Noppenfeld kann die Aufgabe haben, ein Fluid entlang der Oberfläche der Bipolarplatte zu leiten, und zugleich die Bipolarplatte mechanisch stabilisieren. Ebenso sind Varianten der Bipolarplatte realisierbar, in welchen, abgesehen von den Noppen, welche der Kontaktieranordnung zuzurechnen sind, keine weiteren derartigen Noppen vorhanden sind. In jedem Fall reicht ein geringer Abstand zwischen den zueinander parallelen Halbblechen für die Integration der Kontaktieranordnung aus.
Da die Abstände zwischen in einem Stack angeordneten Bipolarplatten einer Brennstoffzelle nicht völlig konstant sind und sich Abweichungen von einem Sollwert des Abstandes addieren können, ist eine denkbare Anschlussleiste, welche sich über zahlreiche Bipolarplatten eines Stacks hinweg erstreckt, bei serienmäßig hergestellten Brennstoffzellen-Stacks möglicherweise nicht in jedem Fall exakt auf die tatsächliche Geometrie des Stacks abgestimmt. Diese Problematik umgeht die anmeldungsgemäße Kontaktieranordnung dadurch, dass sie lediglich der Kontaktierung zweier Halbbleche, welche einer einzigen Bipolarplatte zuzurechnen sind, dient.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen sind die der Kontaktieranordnung zuzurechnenden Prägeelemente des einen Halbblechs gegenüber mindestens einem ebenfalls der Kontaktieranordnung zuzurechnenden Prägeelement des anderen Halbblechs versetzt angeordnet, wobei die Halbbleche in Draufsicht betrachtet werden. Hierbei hat eines der Halbbleche die Aufgabe, den Pin seitlich zu führen, wofür mindestens zwei Prägeelemente erforderlich sind.
Eine nochmals verbesserte Führung des Kontaktierungselementes ist in Varianten der Kontaktieranordnung möglich, in welchen der Anschlussstift vier in einem rechteckigen Muster angeordnete, als Erhebungen ausgebildete Prägeelemente des ersten Halbblechs und gleichzeitig ein einziges, als Vertiefung ausgebildetes Prägeelement des zweiten Halbblechs kontaktiert. Hierbei kann der Anschlussstift die in einem rechteckigen Muster angeordneten Erhebungen des einen Bleches jeweils in einem seitlichen Bereich der Erhebung tangieren, welcher in einem Winkel von mindestens 5° und höchstens 60°, insbesondere in einem Winkel von 45° ± 15°, schräg zu den Ebenen, in welchen die Halbbleche angeordnet sind, gestellt ist. Statt der Anordnung der Erhebungen des einen Halbblechs in einem rechteckigen Muster kann beispielsweise auch eine Anordnung dieser Erhebungen in einem Trapezmuster vorliegen.
Zusätzlich zu den seitlichen Bereichen, das heißt Flanken, der vier Erhebungen eines der beiden Bleche kontaktiert der Anschlussstift die Vertiefung des anderen Bleches, wobei diese Vertiefung - wiederum in Draufsicht auf die Bleche - innerhalb des durch die vier Erhebungen des ersten Halbblechs beschriebenen Rechtecks angeordnet sein kann. Insbesondere kann sich die Vertiefung mittig in dem Rechteck befinden. Die Vertiefung ist insbesondere spiegelsymmetrisch zu einer längs durch den Pin gelegten, die beiden Halbbleche orthogonal schneidenden Mittelebene ausgebildet.
Was Elastizitäten innerhalb der Kontaktieranordnung betrifft, existieren verschiedene Möglichkeiten: Zum einen kann das Kontaktierungselement als Federzunge ausgebildet sein. Wird diese Federzunge bei der Montage zwischen die Halbbleche eingesetzt, so wird sie sich zumindest geringfügig biegen. Ebenso kann eine federnde Lagerung des Kontaktierungselementes zwischen den Halbblechen dadurch realisiert sein, dass die Prägeelemente zumindest eines der Halbbleche als federnde Widerlager des Anschlussstiftes ausgebildet sind, wobei es sich bei dem Kontaktierungselement in diesem Fall um einen in sich starren Stift handeln kann. Diese Variante, in der die innerhalb der kraftschlüssigen Kontaktieranordnung existierende Federwirkung ausschließlich durch die geprägten Halbbleche bereitgestellt wird, zeichnet sich besonders dadurch aus, dass der Stift unabhängig von Kräften, welche senkrecht zum Stift wirken, stets parallel zu den durch die Halbbleche gegebenen Ebenen angeordnet ist.
Unabhängig davon, inwieweit die Federwirkung durch die Halbbleche und/oder durch das Kontaktierungselement übernommen werden, können die Prägeelemente beider Halbbleche zumindest näherungsweise kalottenförmig gestaltet sein. Im Zuge der Montage der Kontaktieranordnung wird das Kontaktierungselement derart zwischen die Halbbleche eingesetzt, dass es in federnder Weise mehrere der insbesondere kalottenförmigen Prägeelemente der Halbbleche berührt. Hierbei kann das Kontaktierungselement zunächst auf eines der Halbbleche aufgesetzt und hierbei bereits durch eine Mehrzahl an Prägeelementen dieses Halbblechs seitlich geführt werden. Erst in einem weiteren Schritt des Kontaktierungsverfahrens wird das Kontaktierungselement durch ein einziges Prägeelement des zweiten Halbblechs belastet. Ein weiterer Kontakt zwischen dem Anschlussstift und dem zweiten Halbblech wird in diesem Verfahren zu keinem Zeitpunkt hergestellt. Ein Steckergehäuse ist nicht vorgesehen.
Die Kontaktieranordnung ist insbesondere zur Durchführung einer Spannungsmessung an einer Bipolarplatte geeignet. Damit sich Einzelspannungen einzelner Zellen eines Brennstoffzellen-Stapels überwachbar. Darüber hinaus eignet sich die Kontaktieranordnung auch zur Abnahme elektrischer Leistung von einer die Bipolarplatte aufweisenden elektrochemischen Zelle.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte in Draufsicht,
2 die Anordnung nach 1 in Seitenansicht,
3 die Anordnung nach 1 in perspektivischer Ansicht.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Kontaktieranordnung ist zur Verwendung in einer nur ansatzweise dargestellten Biopolarplatte 10 einer Brennstoffzelle vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion von Bipolarplatten in Brennstoffzellen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die Bipolarplatte 10 ist aus zwei parallel zueinander angeordneten Halbblechen 2, 3 aufgebaut, wobei jedes Halbblech 2, 3 Prägeelemente 4, 5 aufweist. Die Prägeelemente 4, 5 haben die Grundform abgeflachter Kalotten. Beim Halbblech 2 sind die Prägeelemente 4 als Erhebungen ausgebildet. Dagegen handelt es sich bei dem in den Figuren sichtbaren Prägeelement 5 des Halbblechs 3 um eine Vertiefung. Außer dem Prägeelement 5 sind in den Figuren keine weiteren Strukturen des Halbblechs 3 dargestellt. Die Prägeelemente 4, 5 der verschiedenen Halbbleche 2, 3 sind aufeinander zu gerichtet und können Bestandteile ausgedehnterer Noppenfelder sein, die auch eine strömungstechnische Funktion haben.
In der Draufsicht auf die Kontaktieranordnung 1 beschreiben die vier durch das Halbblech 2 gebildeten Prägeelemente 4 ein Rechteck mit einer Breite d1 und einer Höhe d2. Die Abmessungen d1, d2 beziehen sich auf die mit M bezeichneten Mittelpunkte der Erhebungen 4. Innerhalb des durch die Mittelpunkte M der Erhebungen 4 beschriebenen Rechtecks ist die Vertiefung 5 angeordnet, deren Mittelpunkt ebenfalls mit M bezeichnet ist. Sämtliche fünf Prägeelemente 4, 5 kontaktieren einen Anschlussstift 6, der allgemein auch als Kontaktierungselement bezeichnet wird und im vorliegenden Fall als Federzunge ausgebildet ist. Der seitlich über die Halbbleche 2, 3 hinausragende Anschlussstift 6 weist eine maximale Breite BA auf und verjüngt sich in Richtung zu seinem mit 8 bezeichneten Spitzenabschnitt. Der Spitzenabschnitt 8 ist dicker als der Rest des insgesamt blättchenförmigen Anschlussstiftes 6. Die minimale Dicke des Anschlussstiftes 6 ist mit dA bezeichnet.
Bei der Montage der Kontaktieranordnung 1 wird zunächst der Anschlussstift 6 auf das Halbblech 2 aufgelegt, sodass der Anschlussstift 6 die vier Erhebungen 4 jeweils seitlich kontaktiert. Die Erhebungen 4 sind einer Prägestruktur 9 des Halbblechs 2 zuzurechnen, welche weitere geprägte Elemente umfassen kann. Sämtliche Prägeelemente 4 ragen aus einer ebenen Grundfläche des Halbblechs 2 heraus. Die mit dB angegebene Dicke des Halbblechs 2 ist außerhalb der Prägeelemente 4, das heißt im ebenen Bereich des Halbblechs 2, zu messen.
Der Anschlussstift 6 bleibt auch im fertig montierten Zustand der Kontaktieranordnung 1 von den ebenen Bereichen der Halbbleche 2, 3 beabstandet. Die beiden seitlichen Ränder des Anschlussstiftes 6 kontaktieren lediglich Flanken 7 der Erhebungen 4. Die Flanken 7, das heißt schräg gestellten Bereiche der Prägeelemente 4, sind im dargestellten Beispiel um einen Winkel α von 45° ± 15° gegenüber der Ebene, in welcher das Halbblech 2 liegt, schräggestellt. Die Höhe eines jeden Prägeelementes 4, 5 ist mit H angegeben und beträgt mindestens das Doppelte und höchstens das Achtfache der Blechdicke dB. Dies gilt für das in der dargestellten Anordnung unten liegende Halbblech 2 ebenso wie für das oben liegende Halbblech 3. Mit der in den Figuren dargestellten Anordnung der Halbbleche 2, 3 ist keine Aussage über die tatsächliche Ausrichtung der Bipolarplatte 10 im Raum verbunden. Insbesondere kann sich die Bipolarplatte 10 in vertikaler Ausrichtung in einem Brennstoffzellen-Stack befinden.
Die Prägeelemente 4, 5 weisen im Ausführungsbeispiel einen einheitlichen Durchmesser DP auf, welcher mindestens dem 1,5-fachen und höchstens dem 2,5-fachen der Breite BA des Anschlussstiftes 6 entspricht. Im Gegensatz zu den Erhebungen 4 kontaktiert das Prägeelement 5, welches als Vertiefung des Halbbleches 3 ausgebildet ist, den Anschlussstift 6 mittig zwischen seinen beiden seitlichen Rändern. Damit übt das Prägeelement 5, anders als die Prägeelemente 4, eine Kraft senkrecht auf den Anschlussstift 6 aus. Insgesamt ist damit eine Fünf-Punkt-Abstützung des Anschlussstiftes 6 gegeben.
Durch diese Abstützung kann sich eine leichte Biegung des zumindest in geringfügigem Maße federnde Eigenschaften aufweisenden Anschlussstiftes 6 ergeben, ohne dass es jedoch zu einem Kontakt zwischen dem Anschlussstift 6 und den ebenen Bereichen der Halbbleche 2, 3 kommt. Eine Federwirkung ist in jedem Fall durch eine elastische Verformung der als Widerlager des Anschlussstiftes fungierenden Prägeelemente 4 gegeben.
Die mit dA bezeichnete minimale Dicke des Anschlussstiftes 6, welche mit Ausnahme des Spitzenabschnitts 8 einheitlich ist, beträgt im Ausführungsbeispiel mindestens das Doppelte, jedoch nicht mehr als das Vierfache der Blechdicke dB. Mehr noch als die Elastizität des Anschlussstiftes 6 tragen elastische Eigenschaften der Prägeelemente 4, 5 zur stabilen Halterung des Anschlussstiftes 6 zwischen den Halbblechen 2, 3 bei. Der Anschlussstift 6 wird für messtechnische Zwecke verwendet. Darüber hinaus ist es mittels des Anschlussstiftes 6 und weiterer, nicht dargestellter Elemente möglich, elektrische Leistung von der Brennstoffzelle, welcher die Bipolarplatte 10 zuzurechnen ist, abzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktieranordnung
2: Halbblech
3: Halbblech
4: Prägeelement, Erhebung
5: Prägeelement, Vertiefung
6: Anschlussstift, Kontaktierungselement
7: Flanke eines Prägeelementes
8: Spitzenabschnitt des Anschlussstiftes
9: Prägestruktur
10: Bipolarplatte
α: Flankenwinkel
BA: maximale Breite des Anschlussstiftes
d1: Abstand zwischen Mittelpunkten zweier Erhebungen
d2: Abstand zwischen Mittelpunkten zweier Erhebungen
dA: minimale Dicke des Anschlussstiftes
dB: Blechdicke
DP: Durchmesser eines Prägeelementes
H: Höhe eines Prägeelementes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1900052 B1 [0002]
WO 2008/145221 A1 [0003]
DE 102018213688 A1 [0004]
DE 202005019195 U1 [0005]
WO 2014/060727 A1 [0006]
WO 2018/236266 A1 [0006]
WO 2013/041869 A1 [0006]
WO 2005/069026 A1 [0006]

Claims

Kontaktieranordnung einer Bipolarplatte, umfassend zwei parallel voneinander beabstandete, einer Bipolarplatte (10) zuzurechnende Halbbleche (2, 3), wobei jedes Halbblech (2, 3) Prägeelemente (4, 5) aufweist und die Prägeelemente (4, 5) der beiden Halbbleche (2, 3) aufeinander zu gerichtet sind, und wobei ein zwischen die Halbbleche (2, 3) eingelegter Anschlussstift (6) Prägeelemente (4, 5) der Halbbleche (2, 3) kontaktiert.
Kontaktieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeelemente (4) des ersten Halbblechs (2) gegenüber mindestens einem Prägeelement (5) des zweiten Halbblechs (3) - in Draufsicht auf die Bipolarplatte (10) - versetzt sind.
Kontaktieranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstift (6) vier in einem rechteckigen Muster angeordnete, als Erhebungen (4) ausgebildete Prägeelemente des ersten Halbblechs (2) und ein einziges, als Vertiefung (5) ausgebildetes Prägeelement des zweiten Halbblechs (3) kontaktiert, wobei diese Vertiefung (5) des zweiten Halbblechs (3) innerhalb des durch die vier Erhebungen (4) des ersten Halbblechs (2) beschriebenen Rechtecks angeordnet ist.
Kontaktieranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstift (6) die in einem rechteckigen Muster angeordneten Erhebungen (4) jeweils in einem seitlichen, in einem Winkel (a) von mindestens 5° und höchstens 60° schräg zu den Ebenen, in welchen die Halbbleche (2, 3) angeordnet sind, gestellten Bereich (7) tangiert und die Vertiefung (5) des zweiten Halbblechs (3) mittig kontaktiert.
Kontaktieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstift (6) ausschließlich Prägeelemente (4, 5) der Halbbleche (2, 3), jedoch keine ebenen Bereiche der Halbbleche (2, 3) außerhalb deren Prägeelemente (4, 5) kontaktiert.
Kontaktieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstift (6) als Federzunge ausgebildet ist.
Kontaktieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeelemente (4, 5) zumindest eines der Halbbleche (2, 3) als federnde Widerlager des Anschlussstiftes (6) ausgebildet sind.
Verwendung einer Kontaktieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Durchführung einer Spannungsmessung an einer Bipolarplatte (10) sowie zur Abnahme elektrischer Leistung von einer die Bipolarplatte (10) aufweisenden elektrochemischen Zelle.
Verfahren zum Kontaktieren einer Bipolarplatte (10), welche aus zwei Halbblechen (2, 3) aufgebaut ist, wobei zwischen die Halbbleche (2, 3) ein Kontaktierungselement (6) derart eingesetzt wird, dass es in federnder Weise mehrere zumindest näherungsweise kalottenförmige Prägeelemente (4, 5) der Halbbleche (2, 3) berührt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (6) zunächst auf eines der Halbbleche (2) aufgesetzt und hierbei durch eine Mehrzahl an Prägeelementen (4) dieses Halbblechs (2) seitlich geführt wird, und in einem weiteren Schritt durch ein einziges Prägeelement (5) des zweiten Halbblechs (3) belastet wird.