DE102021109989A1 - FUEL CELL DEVICE AND FUEL CELL ARRANGEMENT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung (28), mit einer Vielzahl an in einer Stapelrichtung (30) aufeinander gestapelten Brennstoffzellen (10), welche jeweils durch eine obere Bipolarplatte (12) und eine untere Bipolarplatte (12) begrenzt sind, wobei an wenigstens eine der Bipolarplatten (12) der jeweiligen Brennstoffzelle (10) eine elektrisch leitende Anschlusslasche (32) anschließt, welche relativ zu der Bipolarplatte (12) umgebogen ist, wobei über die Anschlusslasche (32) eine Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle (10) gemessen werden kann.The invention relates to a fuel cell device (28) with a large number of fuel cells (10) stacked on top of one another in a stacking direction (30), each of which is delimited by an upper bipolar plate (12) and a lower bipolar plate (12), with at least one of the bipolar plates (12) of the respective fuel cell (10) connects an electrically conductive connecting lug (32), which is bent relative to the bipolar plate (12), it being possible to measure a voltage of the respective fuel cell (10) via the connecting lug (32).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine Brennstoffzellenanordnung.The invention relates to a fuel cell device, in particular for a motor vehicle, and a fuel cell arrangement.
Um die einzelnen Brennstoffzellen eines aus in der Regel mehreren in Serie verschalteten galvanischen Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapels hinsichtlich ihrer optimalen Funktionsfähigkeit, ihres Betriebs- und Alterungszustands zu überwachen, bedarf es einer exakten Überwachung einer elektrischen Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels. Diese Spannungen lassen sich an elektrisch leitenden Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels abgreifen und messen.In order to monitor the individual fuel cells of a fuel cell stack, usually made up of several galvanic fuel cells connected in series, with regard to their optimum functionality, their operating state and their aging condition, it is necessary to precisely monitor the electrical voltage of each individual fuel cell in the fuel cell stack. These voltages can be tapped off and measured on the electrically conductive bipolar plates of the fuel cell stack.
In
Eine elektrische Gesamtspannung eines Brennstoffzellenstapels ergibt sich aus der Summe der einzelnen Zellspannungen der Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels. Die jeweiligen Zellspannungen lassen Rückschlüsse auf den Zustand der jeweiligen Brennstoffzelle 10 zu und sind somit ein elementar wichtiger Bestandteil zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs eines Brennstoffzellensystems.A total electrical voltage of a fuel cell stack results from the sum of the individual cell voltages of the
Aus der
Weiterhin sind aus der
Da die Bipolarplatten 12 eines Brennstoffzellenstapels mit metallischen Bipolarplatten 12 sehr dicht nebeneinander liegen, bedarf es eines sehr hohen mechanischen Aufwands und einer hohen Präzision sowohl bei einer Fertigung eines Spannungsabgriffsystems als auch bei dessen Montage an dem Brennstoffzellenstapel, um Zellspannungen beim Stand der Technik abzugreifen. Zudem kann sich ein sehr großer Aufwand bei einer Verkabelung jeweiliger Zellspannungsabgriffe ergeben. Bei der Verkabelung ist für jede Bipolarplatte 12 jeweils ein Kabel von Zellspannungsabgriffspunkten zu einer Auswerteelektronik zu führen. Die Menge an Kabeln stellt einen hohen Platz-, Montage-, Kosten- und Gewichts-Mehraufwand dar. Messleitungen sind ferner potenzielle Empfangsantennen für elektromagnetische Einstrahlungen, welche sich mit auf jeweiligen Leitungen befindlichen elektrischen Spannungen überlagern und diese verfälschen können. Die durch die Auswerteelektronik gemessenen Spannungen der Bipolarplatten 12 werden somit immer ungenauer, je länger die Messleitungen sind.Since the
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher Zellspannungen jeweiliger Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels besonders einfach und genau ermittelt werden können.It is therefore the object of the present invention to provide a solution by means of which cell voltages of respective fuel cells in a fuel cell stack can be determined in a particularly simple and precise manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.This object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent patent claim. Further possible developments of the invention are listed in the dependent claims.
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche insbesondere Teil einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs oder Teil eines sogenannten Range-Extenders sein kann, mit einer Vielzahl an in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten Brennstoffzellen. The invention relates to a fuel cell device, which can in particular be part of a vehicle battery of a motor vehicle or part of a so-called range extender, with a large number of fuel cells stacked on top of one another in a stacking direction.
Diese Brennstoffzellen sind jeweils durch eine obere und eine untere Bipolarplatte begrenzt, wobei an wenigstens einer der Bipolarplatten der jeweiligen Brennstoffzelle eine elektrisch leitende Anschlusslasche anschließt. Bei einer Anordnung der Brennstoffzellen in einem Brennstoffstapel, kann eine Bipolarplatte zwei zueinander benachbarte Brennstoffzellen begrenzen. Die elektrisch leitende Anschlusslasche ist relativ zu der Bipolarplatte, an welche die Anschlusslasche anschließt, umgebogen, wobei über die Anschlusslasche eine Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle gemessen werden kann. Insbesondere weist jede Brennstoffzelle eine Anschlusslasche auf, über welche die in der jeweiligen Brennstoffzelle vorherrschende Spannung abgreifbar ist. Für ein Ermitteln der Spannung in der jeweiligen Brennstoffzelle können somit mittels einer Spannungsmesseinrichtung über die jeweiligen Anschlusslaschen die an den jeweiligen Brennstoffzellen anliegenden Spannungen abgegriffen werden. Aufgrund der umgebogenen Ausbildung der Anschlusslasche erstreckt sich eine Kontaktierungsfläche der Anschlusslasche, an welcher die Anschlusslasche mit der Spannungsmesseinrichtung zum Messen der Spannung zu kontaktieren ist, zumindest im Wesentlichen in Stapelrichtung. Das bedeutet, dass die Kontaktierungsfläche der Anschlusslasche sich zumindest im Wesentlichen schräg, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der zugeordneten Bipolarplatte erstreckt. Dabei verläuft die Haupterstreckungsebene der jeweiligen Bipolarplatten zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der Brennstoffzellen. Aufgrund des Umbiegens der Anschlusslasche erstreckt sich somit zumindest die Kontaktierungsfläche der Anschlusslasche in Stapelrichtung, wodurch die Kontaktierungsfläche mit einer besonders großen Erstreckung bereitgestellt werden kann, wodurch wiederum ein elektrischer Kontakt zwischen der Spannungsmesseinrichtung und der Anschlusslasche an der Kontaktierungsfläche besonders einfach bereitgestellt werden kann. Die jeweiligen Anschlusslaschen hängen somit bereichsweise seitlich über die jeweilige zugeordnete Bipolarplatte über, wodurch die Spannungsmesseinrichtung besonders einfach mit den jeweiligen Brennstoffzellen über deren Anschlusslaschen elektrisch kontaktiert werden kann. Infolgedessen wird ein besonders einfaches Ermitteln der jeweiligen in der Brennstoffzelle anliegenden Spannung ermöglicht. Um ein besonders einfaches Abgreifen der Spannung jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffstapels zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass an jede Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels eine Anschlusslasche anschließt.These fuel cells are each delimited by an upper and a lower bipolar plate, with an electrically conductive connection lug being connected to at least one of the bipolar plates of the respective fuel cell. When the fuel cells are arranged in a fuel stack, a bipolar plate can delimit two fuel cells that are adjacent to one another. The electrically conductive connecting lug is bent relative to the bipolar plate to which the connecting lug is connected, it being possible to measure a voltage of the respective fuel cell via the connecting lug. In particular, each fuel cell has a connection lug, via which the voltage prevailing in the respective fuel cell can be tapped. To determine the voltage in the respective fuel cell, the voltages present at the respective fuel cells can thus be tapped off by means of a voltage measuring device via the respective connection lugs. Due to the bent design of the connecting lug, a contacting surface of the connecting lug, on which the connecting lug is to be contacted with the voltage measuring device for measuring the voltage, extends at least essentially in the stacking direction. This means that the contacting surface of the connection lug extends at least essentially obliquely, in particular perpendicularly, to a main plane of extension of the associated bipolar plate. In this case, the main extension plane of the respective bipolar plates runs at least essentially perpendicularly to the stacking direction of the fuel cells. Due to the bending of the connecting lug, at least the contacting surface of the connecting lug thus extends in the stacking direction, as a result of which the contacting surface can be provided with a particularly large extent, which in turn makes it possible to provide electrical contact between the voltage measuring device and the connecting lug on the contacting surface in a particularly simple manner. The respective connection lugs thus overhang laterally in some areas over the respective associated bipolar plate, as a result of which the voltage measuring device can be electrically contacted with the respective fuel cells via their connection lugs in a particularly simple manner. As a result, a particularly simple determination of the respective voltage present in the fuel cell is made possible. In order to enable the voltage of each fuel cell in a fuel stack to be tapped particularly easily, it can be provided that a connecting lug is connected to each bipolar plate in the fuel cell stack.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anschlusslasche der jeweiligen Brennstoffzelle entlang der Stapelrichtung wenigstens eine weitere Brennstoffzelle in einer Überdeckungsrichtung seitlich überdeckend angeordnet ist. Hierbei verläuft die Überdeckungsrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinrichtung. Insbesondere kann die Überdeckungsrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene der Bipolarplatten verlaufen. Insbesondere verläuft die von der jeweiligen Anschlusslasche bereitgestellte Kontaktfläche quer, insbesondere senkrecht zu der Haupterstreckungsebene der Bipolarplatten. Es ist somit vorgesehen, dass durch die Kontaktfläche der Anschlusslasche die wenigstens eine weitere Brennstoffzelle in der Überdeckungsrichtung seitlich überdeckt wird. Hierdurch kann die Kontaktfläche der Anschlusslasche mit einer besonders großen Erstreckung bereitgestellt werden. Infolgedessen kann besonders einfach ein elektrischer Kontakt der Spannungsmesseinrichtung mit den jeweiligen Anschlusslaschen bereitgestellt werden. Über die die besonders große Erstreckung aufweisende Kontaktfläche der jeweiligen Anschlusslasche kann die Spannungsmesseinrichtung besonders einfach in elektrischen Kontakt mit der Anschlusslasche und über die Anschlusslasche mit der an die Anschlusslasche angrenzenden Bipolarplatte für das Messen der Spannung in der jeweiligen Brennstoffzelle gebracht werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the connection lug of the respective fuel cell is arranged along the stacking direction, covering at least one further fuel cell laterally in a covering direction. In this case, the overlapping direction runs at least essentially perpendicularly to the stacking direction of the fuel cells in the fuel cell device. In particular, the overlapping direction can run parallel to the main extension plane of the bipolar plates. In particular, the contact surface provided by the respective connection lug runs transversely, in particular perpendicularly, to the Main extension plane of the bipolar plates. Provision is therefore made for the at least one further fuel cell to be covered laterally in the covering direction by the contact surface of the connection lug. As a result, the contact surface of the connection lug can be provided with a particularly large extent. As a result, it is particularly easy to provide electrical contact between the voltage measuring device and the respective terminal lugs. The voltage measuring device can be easily brought into electrical contact with the connecting lug and via the connecting lug with the bipolar plate adjacent to the connecting lug for measuring the voltage in the respective fuel cell via the contact surface of the respective connecting lug, which has a particularly large extent.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anschlusslaschen sämtlicher Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung in der Überdeckungsrichtung überdeckungsfrei zueinander angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Anschlusslaschen in einer senkrecht zur Überdeckungsrichtung und parallel zur Haupterstreckungsebene der jeweiligen Bipolarplatten verlaufenden Benachbarungsrichtung mit einem jeweiligen Abstand zueinander angeordnet sind. Das bedeutet, dass die jeweiligen Kontaktflächen der Anschlusslaschen in der Benachbarungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei für ein Vermeiden eines elektrischen Kontakts zwischen den jeweiligen Anschlusslaschen die Anschlusslaschen zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Benachbarungsrichtung verläuft insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung der Brennstoffzellen. Eine jeweilige Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinrichtung kann durch wenigstens eine, insbesondere wenigstens zwei Anschlusslaschen in der Überdeckungsrichtung überdeckt sein. Hierbei kann die jeweilige Brennstoffzelle durch in der Benachbarungsrichtung zueinander benachbarte Anschlusslaschen in der Überdeckungsrichtung seitlich überdeckt sein. Aufgrund der überdeckungsfreien Anordnung der Anschlusslaschen in der Überdeckungsrichtung kann ein direkter elektrischer Kontakt zwischen den Anschlusslaschen und infolgedessen ein Kurzschluss vermieden werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the connecting lugs of all fuel cells of the fuel cell device are arranged without overlapping one another in the overlapping direction. This means that the connection lugs are arranged at a respective distance from one another in an adjacent direction running perpendicularly to the overlapping direction and parallel to the main extension plane of the respective bipolar plates. This means that the respective contact surfaces of the terminal lugs are arranged next to one another in the juxtaposition direction, the terminal lugs being arranged at a distance from one another to avoid electrical contact between the respective terminal lugs. The adjacency direction runs, in particular, perpendicularly to the stacking direction of the fuel cells. A respective fuel cell of the fuel cell device can be covered by at least one, in particular at least two, connection lugs in the covering direction. In this case, the respective fuel cell can be covered laterally in the covering direction by connection lugs which are adjacent to one another in the direction of adjacency. Because the connection lugs are arranged without overlap in the direction of overlap, direct electrical contact between the connection lugs and, as a result, a short circuit can be avoided.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Überdeckungsrichtung zwischen den Anschlusslaschen und den jeweiligen von den Anschlusslaschen seitlich überdeckten Brennstoffzellen wenigstens ein elektrisch isolierendes Isolierelement angeordnet ist. Dieses Isolierelement kann insbesondere an einer ersten Seite an wenigstens einer Brennstoffzelle anliegen und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an einer diese Brennstoffzellen in Überdeckungsrichtung überdeckenden Anschlusslasche anliegen. Über das Isolierelement ist somit die wenigstens eine in der Überdeckungsrichtung von der Anschlusslasche seitlich überdeckte Brennstoffzelle gegen diese Anschlusslasche elektrisch isoliert. Hierdurch kann ein Kurzschluss zwischen der Anschlusslasche, insbesondere der der Anschlusslasche zugeordneten Brennstoffzelle und der in der Überdeckungsrichtung seitlich von der Anschlusslasche überdeckten Brennstoffzelle vermieden werden.In a further embodiment of the invention, at least one electrically insulating insulating element is arranged in the overlapping direction between the connecting lugs and the respective fuel cells laterally covered by the connecting lugs. This insulating element can in particular rest on at least one fuel cell on a first side and on a second side opposite the first side on a connecting lug that covers these fuel cells in the overlapping direction. The at least one fuel cell laterally covered by the connecting lug in the covering direction is thus electrically insulated from this connecting lug via the insulating element. In this way, a short circuit between the connection lug, in particular the fuel cell assigned to the connection lug, and the fuel cell laterally covered by the connection lug in the overlapping direction can be avoided.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Isolierelement als Isolierstreifen ausgebildet ist, welcher sich zwischen mehreren Anschlusslaschen und Brennstoffzellen hindurcherstreckt. Hierdurch können mittels desselben Isolierelements wenigstens zwei Anschlusslaschen gegen jeweilige Brennstoffzellen isoliert werden. Der wenigstens eine Isolierstreifen kann besonders einfach an den mehreren gestapelten Brennstoffzellen angebracht werden und vermeidet ein zeitaufwändiges Anbringen eines einzelnen Isolierelements für jede der Anschlusslaschen. Insbesondere können sämtliche Isolierstreifen, mittels welchen die Anschlusslaschen der Brennstoffzelleneinrichtung gegen jeweilige Brennstoffzellen isoliert sind, miteinander verbunden sein. Hierbei können sämtliche Isolierstreifen beispielsweise seitlich miteinander verbunden sein, wodurch die Isolierstreifen gemeinsam an den Brennstoffzellen und den Anschlusslaschen angeordnet werden können. Durch das seitliche Verbinden der jeweiligen Isolierstreifen können die Isolierstreifen entsprechend dem Buchstaben E mit mehreren Fingern ausgebildet sein. Über den wenigstens einen Isolierstreifen sind somit besonders viele Anschlusslaschen gleichzeitig gegen die Brennstoffzellen isolierbar, wodurch die Brennstoffzelleneinrichtung in besonders kurzen Taktzeiten bereitgestellt werden kann.In a further embodiment of the invention, it is provided that the at least one insulating element is designed as an insulating strip, which extends between a plurality of connection lugs and fuel cells. As a result, at least two connection lugs can be insulated from respective fuel cells by means of the same insulating element. The at least one insulating strip can be attached particularly easily to the plurality of stacked fuel cells and avoids the time-consuming attachment of an individual insulating element for each of the connecting lugs. In particular, all of the insulating strips, by means of which the connecting lugs of the fuel cell device are insulated from the respective fuel cells, can be connected to one another. All the insulating strips can be connected to one another laterally, for example, so that the insulating strips can be arranged together on the fuel cells and the connection lugs. By laterally connecting the respective isolating strips, the isolating strips can be designed with several fingers corresponding to the letter E. A particularly large number of connecting lugs can thus be insulated simultaneously from the fuel cells via the at least one insulating strip, as a result of which the fuel cell device can be provided in particularly short cycle times.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anschlusslaschen als Verlängerung der jeweiligen zugeordneten Bipolarplatte ausgebildet sind. Das bedeutet, dass die Anschlusslaschen jeweils einstückig mit der zugeordneten Bipolarplatte ausgebildet sind. Das Ausbilden der Anschlusslaschen als Verlängerung der jeweiligen zugeordneten Bipolarplatte ermöglicht ein besonders sicheres elektrisches Kontaktieren der Bipolarplatten über einen jeweiligen elektrischen Kontakt der Spannungsmesseinrichtung mit der durch die jeweilige Anschlusslasche bereitgestellten Kontaktfläche.In a further embodiment of the invention, it is provided that the connection lugs are designed as an extension of the respective associated bipolar plate. This means that the connection lugs are each formed in one piece with the associated bipolar plate. The formation of the connection lugs as an extension of the respective associated bipolar plate enables a particularly reliable electrical contacting of the bipolar plates via a respective electrical contact of the voltage measuring device with the contact surface provided by the respective connection lug.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine der Anschlusslaschen wenigstens eine Brennstoffzelle in der Überdeckungsrichtung überdeckt, welche in Stapelrichtung über der der Anschlusslasche zugeordneten Bipolarplatte angeordnet ist. Weiterhin ist es vorgesehen, dass wenigstens eine der Anschlusslaschen wenigstens eine Brennstoffzelle in Überdeckungsrichtung überdeckt, welche in Stapelrichtung unter der der Anschlusslasche zugeordneten Bipolarplatte angeordnet ist. Das bedeutet, dass wenigstens eine der Anschlusslaschen entlang der Stapelrichtung in einer ersten Richtung, insbesondere nach oben umgebogen ist und wenigstens eine weitere Anschlusslasche entlang der Stapelrichtung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, insbesondere nach unten umgebogen ist. Hierbei kann die jeweilige Richtung, in welche die jeweiligen Anschlusslaschen entlang der Stapelrichtung umgebogen sind, derart gewählt werden, dass ein Überstehen jeweiliger Anschlusslaschen über jeweilige einen durch Stapeln sämtlicher Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffstapel begrenzende Bipolarplatten hinaus vermieden wird. Insbesondere können sämtliche in einem gemeinsamen Bereich angeordnete Anschlusslaschen in die gleiche Richtung entlang der Stapelrichtung umgebogen sein. Die jeweilige Kontaktfläche der Anschlusslaschen wird durch eine jeweilige in Überdeckungsrichtung den überdeckten Brennstoffzellen abgewandte Außenseite der jeweiligen Anschlusslasche bereitgestellt. Durch das Vermeiden des Überstehens jeweiliger Anschlusslaschen über die den Brennstoffzellenstapel abschließenden Bipolarplatten hinaus, kann eine Beschädigungsgefahr für die Anschlusslaschen besonders geringgehalten werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that at least one of the connection lugs covers at least one fuel cell in the overlapping direction, which is arranged in the stacking direction above the bipolar plate assigned to the connection lug. Furthermore is it is provided that at least one of the connection lugs covers at least one fuel cell in the overlapping direction, which is arranged in the stacking direction under the bipolar plate associated with the connection lug. This means that at least one of the connecting lugs is bent along the stacking direction in a first direction, in particular upwards, and at least one further connecting lug is bent along the stacking direction in a second direction opposite the first direction, in particular downwards. The respective direction in which the respective connecting lugs are bent along the stacking direction can be selected such that protruding respective connecting lugs beyond respective bipolar plates delimiting a fuel stack formed by stacking all of the fuel cells is avoided. In particular, all of the terminal lugs arranged in a common area can be bent over in the same direction along the stacking direction. The respective contact surface of the connecting lugs is provided by a respective outer side of the respective connecting lug facing away from the covered fuel cells in the covering direction. The risk of damage to the connection lugs can be kept particularly low by avoiding the protrusion of the respective connection lugs beyond the bipolar plates that close off the fuel cell stack.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Brennstoffzellenanordnung, mit einer Brennstoffzelleneinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung beschrieben worden ist. Weiterhin umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine Spannungsmesseinrichtung, mittels welcher die jeweiligen Anschlusslaschen der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung zu kontaktieren sind, wodurch eine jeweilige Spannung der Brennstoffzellen ermittelt werden kann. Das bedeutet, dass die Spannungsmesseinrichtung mit sämtlichen Anschlusslaschen der Brennstoffzelleneinrichtung in elektrischem Kontakt steht, wodurch die Spannung in sämtlichen Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung ermittelt werden kann. Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung anzusehen und umgekehrt.The invention also relates to a fuel cell arrangement with a fuel cell device as has already been described in connection with the fuel cell device according to the invention. Furthermore, the fuel cell arrangement includes a voltage measuring device, by means of which the respective connection lugs of the fuel cells of the fuel cell device can be contacted, as a result of which a respective voltage of the fuel cells can be determined. This means that the voltage measuring device is in electrical contact with all connection lugs of the fuel cell device, as a result of which the voltage in all fuel cells of the fuel cell device can be determined. Advantages and advantageous developments of the fuel cell device according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous developments of the fuel cell arrangement according to the invention and vice versa.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Spannungsmesseinrichtung für jede Anschlusslasche ein Kontaktelement umfasst, welches mit der jeweiligen zugeordneten Anschlusslasche elektrisch kontaktiert ist, wobei die Kontaktelemente relativ zueinander fixiert sind. Durch die relative Fixierung der Kontaktelemente zueinander können sämtliche Kontaktelemente gleichzeitig an die jeweils zugeordneten Anschlusslaschen angelegt und mit diesen elektrisch kontaktiert werden. Hierdurch kann die Brennstoffzellenanordnung besonders einfach bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Kontaktelement als Kontaktfeder oder als Kontaktspange ausgebildet sein, welche durch ein elektrisch leitendes Blech bereitgestellt ist. Hierdurch kann der elektrische Kontakt zwischen dem jeweiligen Kontaktelement und der zugeordneten Anschlusslasche besonders einfach und zuverlässig bereitgestellt werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the voltage measuring device comprises a contact element for each connecting lug, which is electrically contacted with the respective associated connecting lug, the contact elements being fixed relative to one another. Due to the relative fixing of the contact elements to one another, all of the contact elements can be placed simultaneously on the respective associated connection lugs and electrically contacted with them. As a result, the fuel cell arrangement can be provided in a particularly simple manner. For example, the contact element can be designed as a contact spring or as a contact clip, which is provided by an electrically conductive sheet metal. As a result, the electrical contact between the respective contact element and the associated connection lug can be provided in a particularly simple and reliable manner.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Kontaktelemente an einer Leiterplatteneinrichtung gehalten sind und über diese Leiterplatteneinrichtung elektrisch kontaktiert sind. Die Leiterplatteneinrichtung umfasst wenigstens eine Leiterplatte. Insbesondere können die Kontaktelemente über die Leiterplatteneinrichtung relativ zueinander in ihrer Ausrichtung fixiert sein. Das bedeutet, dass die Kontaktelemente starr an der Leiterplatteneinrichtung gehalten sein können, um relativ zueinander fixiert zu sein. Weiterhin ist die Leiterplatteneinrichtung besonders robust gegen elektromagnetische Einstrahlungen, wodurch über die Leiterplatteneinrichtung übertragene Messsignale besonders unverfälscht zu einer Auswerteeinheit der Spannungsmesseinrichtung transportiert werden können. Hierdurch kann die Spannung in den jeweiligen Brennstoffzellen mit besonders hoher Genauigkeit mittels der Spannungsmesseinrichtung ermittelt werden. Die hohe Robustheit der Leiterplatteneinrichtung gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung kann aus den besonders kurzen Signalwegen resultieren. Weiterhin kann die wenigstens eine Leiterplatte der Leiterplatteneinrichtung mehrschichtig ausgebildet sein, wobei innerhalb der Leiterplatte Abschirmflächen vorgesehen sein können, welche beispielsweise aus Kupferlagen bereitgestellt sind, wodurch eine elektromagnetische Abschirmung der Signalwege erfolgen kann.In a further embodiment of the invention, it is provided that the contact elements are held on a printed circuit board device and are electrically contacted via this printed circuit board device. The circuit board device comprises at least one circuit board. In particular, the contact elements can be fixed in their orientation relative to one another via the printed circuit board device. This means that the contact elements can be held rigidly on the circuit board device in order to be fixed relative to one another. Furthermore, the printed circuit board device is particularly robust against electromagnetic radiation, as a result of which measurement signals transmitted via the printed circuit board device can be transported to an evaluation unit of the voltage measuring device in a particularly uncorrupted manner. As a result, the voltage in the respective fuel cells can be determined with particularly high accuracy using the voltage measuring device. The high level of robustness of the circuit board device with respect to electromagnetic radiation can result from the particularly short signal paths. Furthermore, the at least one printed circuit board of the printed circuit board device can have a multilayer design, with shielding surfaces being provided within the printed circuit board, which are made of copper layers, for example, so that electromagnetic shielding of the signal paths can take place.
Es ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Kontaktelemente eine Federeinrichtung umfassen, über welche das jeweilige Kontaktelement mit einer Federkraft beaufschlagt gegen die zugeordnete Anschlusslasche abgestützt ist. Beispielsweise kann das Kontaktelement als gefederter Stift ausgebildet sein, wobei über die durch die Federeinrichtung bereitgestellte Federkraft ein freies Ende des gefederten Stifts gegen die Kontaktfläche des Anschlusselements gedrückt wird. Mittels der Federeinrichtung können somit Toleranzen ausgeglichen werden, insbesondere entlang der Überdeckungsrichtung, wodurch ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen dem jeweiligen Kontaktelement und der zugeordneten Anschlusslasche gewährleistet werden kann. Über die Federeinrichtung kann somit ein erstes Ende des Kontaktelements gegen die Leiterplatte gedrückt werden und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende gegen die Kontaktfläche der Anschlusslasche gedrückt werden.It is provided in a further embodiment of the invention that the contact elements comprise a spring device, via which the respective contact element is acted upon by a spring force and is supported against the associated connection lug. For example, the contact element can be designed as a spring-loaded pin, with a free end of the spring-loaded pin being pressed against the contact surface of the connecting element via the spring force provided by the spring device. Tolerances can thus be compensated for by means of the spring device, in particular along the overlapping direction, as a result of which reliable electrical contact can be ensured between the respective contact element and the associated connecting lug. Above the spring device can thus press a first end of the contact element against the printed circuit board and a second end opposite the first end can be pressed against the contact surface of the connecting lug.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Brennstoffzellenanordnung wenigstens ein Abstützelement umfasst, mittels welchem die Leiterplatteneinrichtung in Überdeckungsrichtung gegen die Brennstoffzellen abgestützt ist. Das Abstützelement kann somit mit einer ersten Seite gegen die Leiterplatteneinrichtung abgestützt sein, insbesondere indem das Abstützelement mit seiner ersten Seite an der Leiterplatteneinrichtung anliegt, und mit seiner der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite gegen die Brennstoffzellen abgestützt sein, insbesondere indem das Abstützelement mit seiner zweiten Seite an zumindest einer der Brennstoffzellen seitlich anliegt. Dieses Abstützelement ist insbesondere elektrisch isolierend ausgebildet und ermöglicht, dass ein Abstand zwischen der Leiterplatteneinrichtung und den Brennstoffzellen vorgehalten wird. Hierdurch kann eine Gefahr eines Kurzschlusses besonders gering gehalten werden. Insbesondere verhindert das Abstützelement einen unmittelbaren elektrischen Kontakt zwischen der Leiterplatteneinrichtung und den Brennstoffzellen unter Umgehung der Kontaktelemente. Hierdurch kann eine Beschädigungsgefahr der Brennstoffzellenanordnung besonders gering gehalten werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the fuel cell arrangement comprises at least one support element, by means of which the printed circuit board device is supported against the fuel cells in the overlapping direction. The support element can thus be supported with a first side against the circuit board device, in particular by the support element resting with its first side on the circuit board device, and with its second side opposite the first side against the fuel cells, in particular by the support element with its second side laterally applied to at least one of the fuel cells. This support element is designed in particular to be electrically insulating and allows a distance to be maintained between the printed circuit board device and the fuel cells. As a result, the risk of a short circuit can be kept particularly low. In particular, the support element prevents direct electrical contact between the printed circuit board device and the fuel cells, bypassing the contact elements. As a result, the risk of damage to the fuel cell arrangement can be kept particularly low.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Leiterplatteneinrichtung in der Überdeckungsrichtung in Überdeckung mit den Brennstoffzellen angeordnet ist. Die Leiterplatteneinrichtung erstreckt sich somit schräg zu der Haupterstreckungsebene der jeweiligen Bipolarplatten der Brennstoffzellen. Insbesondere erstreckt sich die Leiterplatteneinrichtung zumindest im Wesentlichen in einer durch die Überdeckungsrichtung und die Benachbarungsrichtung aufgespannten Ebene. Hierbei kann sich die wenigstens eine Leiterplatte der Leiterplatteneinrichtung mit ihrer Haupterstreckungsebene insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Seitenfläche der Brennstoffzelleneinrichtung erstrecken. Infolgedessen kann die Spannungsmesseinrichtung seitlich an der Brennstoffzelleneinrichtung anliegen, wodurch die Spannungsmesseinrichtung die Brennstoffzelleneinrichtung in Überdeckungsrichtung zumindest bereichsweise überdeckt. Die Leiterplatteneinrichtung der Spannungsmesseinrichtung kann an jeder Seite der Brennstoffzelleneinrichtung befestigbar ausgebildet sein. Durch die seitliche Anordnung der Leiterplatteneinrichtung an dem Brennstoffzellenstapel ist die Brennstoffzellenanordnung besonders kompakt ausgebildet. Insbesondere kann ein jeweiliger kürzester Abstand zwischen den Kontaktflächen der Anschlusslaschen zu der Leiterplatteneinrichtung über die gesamte Leiterplatteneinrichtung zumindest im Wesentlichen gleich sein. Hierdurch kann die Brennstoffzellenanordnung mit einem besonders geringen Bauraumbedarf bereitgestellt werden.In a further embodiment of the invention, provision is made for the circuit board device to be arranged in the overlapping direction so as to overlap with the fuel cells. The circuit board device thus extends obliquely to the main extension plane of the respective bipolar plates of the fuel cells. In particular, the printed circuit board device extends at least essentially in a plane spanned by the overlapping direction and the adjoining direction. In this case, the at least one circuit board of the circuit board device can extend with its main extension plane, in particular at least essentially parallel to a side surface of the fuel cell device. As a result, the voltage measuring device can rest laterally on the fuel cell device, as a result of which the voltage measuring device covers the fuel cell device at least in regions in the overlapping direction. The printed circuit board device of the voltage measuring device can be designed so that it can be fastened to either side of the fuel cell device. Due to the lateral arrangement of the printed circuit board device on the fuel cell stack, the fuel cell arrangement is of particularly compact design. In particular, a respective shortest distance between the contact surfaces of the connecting lugs to the printed circuit board device can be at least essentially the same over the entire printed circuit board device. As a result, the fuel cell arrangement can be provided with a particularly small installation space requirement.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Spannungsmesseinrichtung eine Auswerteeinheit umfasst, welche auf der Leiterplatteneinrichtung angeordnet ist. Hierbei kann die Auswerteeinheit insbesondere eine Auswerteelektronik umfassen, die auf der Leiterplatteneinrichtung angeordnet ist. Hierdurch können jeweilige Signalwege von den Anschlusslaschen zu der Auswerteeinheit besonders kurz gehalten werden, wodurch eine Gefahr einer Verfälschung von Messwerten, beispielsweise aufgrund von elektromagnetischer Strahlung, besonders gering gehalten werden kann.In a further embodiment of the invention, it is provided that the voltage measuring device includes an evaluation unit, which is arranged on the printed circuit board device. In this case, the evaluation unit can in particular comprise evaluation electronics which are arranged on the printed circuit board device. As a result, the respective signal paths from the connection lugs to the evaluation unit can be kept particularly short, as a result of which the risk of falsification of measured values, for example due to electromagnetic radiation, can be kept particularly low.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Leiterplatteneinrichtung wenigstens zwei Leiterplatten umfasst. Diese mehreren Leiterplatten können untereinander elektrisch und/oder signaltechnisch verbunden sein. Beispielsweise können die mehreren Leiterplatten über jeweilige Flachbandkabel miteinander verbunden sein. Wenigstens eine dieser mehreren Leiterplatten kann mit der Auswerteeinheit verbunden sein, um die gemessenen Spannungen für die Auswerteeinheit bereitzustellen. Beispielsweise können sämtliche Leiterplatten der Leiterplatteneinrichtung über eine der Leiterplatten mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Alternativ kann jede der Leiterplatten unmittelbar mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Durch das Bereitstellen der Leiterplatteneinrichtung mit mehreren Leiterplatten kann die Leiterplatteneinrichtung dazu eingerichtet sein, eine besonders große Brennstoffzelleneinrichtung zu kontaktieren und/oder komplizierte Geometrien abzubilden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the printed circuit board device comprises at least two printed circuit boards. These several printed circuit boards can be electrically and/or signal-connected to one another. For example, the multiple printed circuit boards can be connected to one another via respective ribbon cables. At least one of these multiple printed circuit boards can be connected to the evaluation unit in order to provide the measured voltages for the evaluation unit. For example, all printed circuit boards of the printed circuit board device can be connected to the evaluation unit via one of the printed circuit boards. Alternatively, each of the printed circuit boards can be connected directly to the evaluation unit. By providing the printed circuit board device with a plurality of printed circuit boards, the printed circuit board device can be set up to contact a particularly large fuel cell device and/or to depict complicated geometries.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung 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.Further features of the invention can result from the following description of the figures and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description and the features and feature combinations shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the invention to leave.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle, welche durch eine obere Bipolarplatte und eine untere Bipolarplatte begrenzt ist und welche dazu eingerichtet ist, elektrische Energie durch Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff bereitzustellen; -
2 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, welcher mehrere in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelte Brennstoffzellen umfasst, wobei vorliegend eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle durch eine Anschlusslasche verlängert gezeigt ist, wobei die Anschlusslasche relativ zu einer Haupterstreckungsebene der Bipolarplatten umgebogen ist, wodurch eine von der Anschlusslasche bereitgestellte Kontaktfläche, an welcher die Anschlusslasche von einer Spannungsmesseinrichtung elektrisch zu kontaktieren ist, sich parallel zu der Stapelrichtung der Brennstoffzellen erstreckt, wodurch die Kontaktfläche mit einer besonders großen Erstreckung bereitgestellt ist; -
3 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzelleneinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel aus den mehreren in der Stapelrichtung aufeinandergestapelten Brennstoffzellen, wobei jeweilige Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels durch Anschlusslaschen verlängert sind, welche entlang der Stapelrichtung jeweilige Brennstoffzellen seitlich überdecken; -
4 eine schematische Seitenansicht der Brennstoffzelleneinrichtung, wobei für jede Brennstoffzelle wenigstens eine Anschlusslasche vorgesehen ist, über welche die jeweilige Brennstoffzelle elektrisch kontaktierbar ist, wodurch wiederum für jede Brennstoffzelle die in der Brennstoffzelle anliegende Spannung ermittelbar ist, wobei ein Teil der Anschlusslaschen nach oben umgebogen ist und ein weiterer Teil der Anschlusslaschen nach unten umgebogen ist, wodurch ein Überstehen jeweiliger Anschlusslaschen über eine Hauptertreckungsebene einer obersten Bipolarplatte sowie über eine Hauptertreckungsebene einer untersten Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinrichtung hinaus vermieden werden kann; -
5 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzellenanordnung mit der Brennstoffzelleneinrichtung sowie einer mit der Brennstoffzelleneinrichtung in elektrischem Kontakt stehenden Spannungsmesseinrichtung, über welche die jeweilige in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung anliegende Spannung ermittelbar ist, wobei die Spannungsmesseinrichtung für jede Anschlusslasche ein Kontaktelement aufweist, welches vorliegend als gefederter Stift ausgebildet ist, dessen Basis fest an einer Leiterplatteneinrichtung der Spannungsmesseinrichtung gehalten ist und dessen Spitze über eine Federeinrichtung gegen dessen Basis abgestützt ist und mit der Kontaktfläche der zugeordneten Anschlusslasche kontaktiert ist; -
6 eine schematische Seitenansicht der Brennstoffzellenanordnung, bei welcher die Leiterplatteneinrichtung die Brennstoffzellen in der Überdeckungsrichtung seitlich überdeckend angeordnet ist und für jede Anschlusslasche der Brennstoffzelleneinrichtung ein Kontaktelement der Spannungsmesseinrichtung vorgesehen ist, welches mit der jeweiligen zugeordneten Anschlusslasche in Kontakt steht, wodurch für jede Brennstoffzelle die in der Brennstoffzelle anliegende Spannung ermittelbar ist; -
7 eine schematische Schnittansicht des Ausschnitts der Brennstoffzellenanordnung mit der Brennstoffzelleneinrichtung sowie einer mit der Brennstoffzelleneinrichtung in elektrischem Kontakt stehenden Spannungsmesseinrichtung, über welche die jeweilige in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung anliegende Spannung ermittelbar ist, wobei die Spannungsmesseinrichtung für jede Anschlusslasche ein Kontaktelement aufweist, welches vorliegend als Kontaktfeder ausgebildet ist, welche einenends an der Leiterplatteneinrichtung der Spannungsmesseinrichtung gehalten ist und deren Kontaktbereich gefedert gegen die Kontaktfläche der zugeordneten Anschlusslasche abgestützt ist; -
8 eine schematische Ansicht von Isolierelementen der Brennstoffzelleneinrichtung gemäß6 , wobei über die Isolierelemente die Anschlusslaschen gegen jeweilige Bipolarplatten der Brennstoffzellen elektrisch isoliert sind, -
9 eine schematische Darstellung einer Anordnung jeweiliger Anschlusslaschen relativ zueinander als Basis für eine Berechnung einer optimalen Länge der jeweiligen Anschlusslaschen; und -
10 eine schematische Darstellung einer Anordnung jeweiliger Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinrichtung relativ zueinander, welche für die Berechnung der optimalen Länge der Anschlusslaschen herangezogen werden kann.
-
1 a schematic sectional view of a fuel cell, which is delimited by an upper bipolar plate and a lower bipolar plate and which is adapted to electrical to provide energy by reacting hydrogen with oxygen; -
2 a schematic sectional view of a fuel cell stack, which comprises a plurality of fuel cells stacked one on top of the other in a stacking direction, in the present case a bipolar plate of a fuel cell is shown extended by a connecting lug, the connecting lug being bent relative to a main extension plane of the bipolar plates, whereby a contact surface provided by the connecting lug, on which the terminal lug is to be electrically contacted by a voltage measuring device, extends parallel to the stacking direction of the fuel cells, as a result of which the contact surface is provided with a particularly large extent; -
3 a schematic side view of a detail of a fuel cell device with the fuel cell stack made up of the several fuel cells stacked one on top of the other in the stacking direction, wherein respective bipolar plates of the fuel cell stack are extended by connection lugs which laterally cover respective fuel cells along the stacking direction; -
4 a schematic side view of the fuel cell device, wherein at least one connecting lug is provided for each fuel cell, via which the respective fuel cell can be electrically contacted, whereby in turn the voltage present in the fuel cell can be determined for each fuel cell, with part of the connecting lugs being bent upwards and another part of the connection lugs is bent downwards, as a result of which the respective connection lugs can be prevented from protruding beyond a main extension plane of an uppermost bipolar plate and beyond a main extension plane of a lowermost bipolar plate of the fuel cell device; -
5 a schematic sectional view of a section of a fuel cell arrangement with the fuel cell device and a voltage measuring device which is in electrical contact with the fuel cell device and via which the respective voltage present in the fuel cells of the fuel cell device can be determined, the voltage measuring device having a contact element for each connecting lug, which is present as a spring-loaded pin is formed, the base of which is held firmly on a printed circuit board device of the voltage measuring device and the tip of which is supported by a spring device against its base and makes contact with the contact surface of the associated connecting lug; -
6 a schematic side view of the fuel cell arrangement, in which the printed circuit board device is arranged laterally covering the fuel cells in the overlapping direction and a contact element of the voltage measuring device is provided for each connecting lug of the fuel cell device, which is in contact with the respective associated connecting lug, whereby for each fuel cell the in the fuel cell applied voltage can be determined; -
7 a schematic sectional view of the section of the fuel cell arrangement with the fuel cell device and a voltage measuring device which is in electrical contact with the fuel cell device and via which the respective voltage present in the fuel cells of the fuel cell device can be determined, the voltage measuring device having a contact element for each connecting lug, which is in the present case designed as a contact spring which is held at one end on the printed circuit board device of the voltage measuring device and the contact area of which is supported in a spring-loaded manner against the contact surface of the associated connecting lug; -
8th a schematic view of insulating elements of the fuel cell device according to FIG6 , the connection lugs being electrically insulated from the respective bipolar plates of the fuel cells via the insulating elements, -
9 a schematic representation of an arrangement of respective connection lugs relative to one another as a basis for calculating an optimum length of the respective connection lugs; and -
10 a schematic representation of an arrangement of respective bipolar plates of the fuel cell device relative to one another, which can be used to calculate the optimal length of the connection lugs.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in den Figuren teilweise nur bei einzelnen Elementen einer jeweiligen gleichen Elementgruppe die Bezugszeichen gezeigt.Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures. For reasons of clarity, the reference numbers are sometimes only shown in the figures for individual elements of a respective identical group of elements.
Wie bereits erläutert, ist in
Um ein besonders einfaches elektrisches Kontaktieren der jeweiligen Bipolarplatten 12 des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass jede der Bipolarplatten 12 durch eine Anschlusslasche 32 seitlich verlängert ist. Die jeweilige Anschlusslasche 32 ist ausgehend von der Haupterstreckungsebene der jeweiligen zugeordneten Bipolarplatte 12 umgebogen. Das bedeutet, dass eine Haupterstreckungsebene der jeweiligen Anschlusslaschen 32 schräg zu der jeweiligen Haupterstreckungsebene der Bipolarplatten 12 verläuft. Vorliegend ist für jede Bipolarplatte 12 eine Anschlusslasche 32 vorgesehen. Jede Anschlusslasche 32 weist eine Kontaktfläche 34 auf, über welche die jeweilige Anschlusslasche 32 mit einer Spannungsmesseinrichtung 36 kontaktierbar ist. Die jeweilige Kontaktfläche 34 verläuft vorliegend zumindest im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 30. Infolgedessen überdeckt die Anschlusslasche 32 mit ihrer Kontaktfläche 34 entlang der Stapelrichtung 30 wenigstens eine Brennstoffzelle 10 in einer Überdeckungsrichtung 38. Die Überdeckungsrichtung 38 verläuft insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung 30. Hierbei kann die Überdeckungsrichtung 38 parallel zu der Haupterstreckungsebene der Bipolarplatten 12 verlaufen, während die Stapelrichtung 30 senkrecht zu den Haupterstreckungsebenen der Bipolarplatten 12 verläuft. Die jeweilige Anschlusslasche 32 erstreckt sich somit seitlich entlang des Brennstoffzellenstapels.In order to enable particularly simple electrical contacting of the respective
Wie in
In
In
Um die jeweiligen Anschlusslaschen 32 über die Kontaktflächen 34 besonders einfach kontaktieren zu können, umfasst die Spannungsmesseinrichtung 36 für jede Anschlusslasche 32 ein Kontaktelement 50. Bei der bereitgestellten Brennstoffzellenanordnung 46 sind sämtliche Kontaktelemente 50 der Spannungsmesseinrichtung 36 mit den jeweils zugeordneten Anschlusslaschen 32 in elektrischem Kontakt stehend. Vorliegend sind die jeweiligen Kontaktelemente 50 als gefederte Stifte ausgebildet. Das bedeutet, dass jedes der Kontaktelemente 50 eine Federeinrichtung 52 aufweist, über welche eine jeweilige Kontaktspitze 54 des jeweiligen Kontaktelements 50 mit einer Federkraft beaufschlagt gegen die zugeordnete Kontaktfläche 34 der jeweiligen Anschlusslasche 32 gedrückt werden kann. Mittels der Federeinrichtung 52 können somit Toleranzen der Anschlusslaschen 32 ausgeglichen werden, um eine sichere Kontaktierung jeder der Anschlusslaschen 32 durch die Spannungsmesseinrichtung 36 zu gewährleisten. Die Spannungsmesseinrichtung 36 umfasst des Weiteren eine Leiterplatteneinrichtung 56, an welcher jedes Kontaktelement 50 gehalten ist. Die Leiterplatteneinrichtung 56 kann wenigstens eine Leiterplatte, insbesondere wenigstens zwei Leiterplatten umfassen. Die jeweilige Leiterplatte kann auch als sogenannte Platine bezeichnet werden. Vorliegend steht jedes der Kontaktelemente 50 von der Leiterplatteneinrichtung 56 ab. Jedes Kontaktelement 50 ist an der Leiterplatteneinrichtung 56 gehalten. Hierdurch können durch ein Annähern der Leiterplatteneinrichtung 56 an die Brennstoffzelleneinrichtung 28 sämtliche Kontaktelemente 50 auf einmal mit den jeweiligen zugeordneten Anschlusslaschen 32 der Brennstoffzelleneinrichtung 28 kontaktiert werden.In order to be able to contact the respective connection lugs 32 via the contact surfaces 34 particularly easily, the
Vorliegend ist die Leiterplatteneinrichtung 56 mit ihrer Haupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche 34 ausgerichtet. Das unmittelbare Befestigen der jeweiligen Kontaktelemente 50 an der Leiterplatteneinrichtung 56 ermöglicht, dass Messsignale direkt auf der Leiterplatteneinrichtung 56 ausgewertet werden können, wenn eine Auswerteeinheit 60, insbesondere zumindest eine Auswerteelektronik der Auswerteeinheit 60 direkt mit auf der Leiterplatteneinrichtung 56 platziert ist. Hierbei kann die Auswerteelektronik insbesondere an einer der Brennstoffzelleneinrichtung 28 abgewandten Rückseite der Leiterplatteneinrichtung 56 angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteelektronik insbesondere an einer der Brennstoffzelleneinrichtung 28 zugewandten Vorderseite der Leiterplatteneinrichtung 56 angeordnet sein. An der der Brennstoffzelleneinrichtung 28 zugewandten Vorderseite der Leiterplatteneinrichtung 56 sind die Kontaktelemente 50 an der Leiterplatteneinrichtung 56 gehalten. Aufgrund der Verwendung der Leiterplatteneinrichtung 56 können jeweilige Kabel von den jeweiligen Bipolarplatten 12 zu einer Auswerteelektronik eingespart werden. Infolgedessen ermöglicht die beschriebene Spannungsmesseinrichtung 36 ein Einsparen von Kabeln, von für die Kabel benötigtem Platz sowie von Gewicht. Weiterhin ermöglicht die Leiterplatteneinrichtung 56, dass ein Einfluss von elektromagnetischen Störsignalen auf Messwerte besonders gering gehalten werden kann.In the present case, the
In
In
In
Die beschriebene Lösung für das besonders einfache Kontaktieren jeweiliger Bipolarplatten 12 mittels der Spannungsmesseinrichtung 36 setzt bereits bei der Produktion der jeweiligen Bipolarplatten 12 an. Hierbei kann für jede Bipolarplatte 12 vorgesehen sein, dass bei deren Zuschneidevorgang ein Metallstreifen, vorliegend die Anschlusslasche 32 ausgebildet wird, welche bei der Anordnung der jeweiligen Brennstoffzellen 10 in dem Brennstoffzellenstapel umgebogen wird. Der jeweilige die Anschlusslasche 32 bereitstellende Metallstreifen, welcher an einer der Bipolarplatten 12 angebracht ist beziehungsweise die jeweilige Bipolarplatte 12 verlängert, überragt mehrere Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung 30. Jede Bipolarplatte 12 des Brennstoffzellenstapels wird mit einer Anschlusslasche 32 versehen. Hierbei werden die jeweiligen Anschlusslaschen 32 räumlich versetzt zueinander positioniert in der Benachbarungsrichtung 40, um ein Überlappen der Anschlusslaschen 32 zu vermeiden.The solution described for the particularly simple contacting of the respective
Der in
Die Leiterplatteneinrichtung 56 wird im Rahmen eines Montageprozesses derart an dem Brennstoffzellenstapel positioniert, dass die Stifte, vorliegend die Kontaktelemente 50, mittig auf die Kontaktflächen 34 der Anschlusslaschen 32 drücken und so die jeweilige Zellspannung der Brennstoffzellen 10 abgreifen. Bei einer Montage der Brennstoffzellenanordnung 46 können die Isolierstreifen zwischen die Brennstoffzellen 10 und die jeweiligen Anschlusslaschen 32 geschoben werden, um einen Kurzschluss der Bipolarplatten 12 zu verhindern.The printed
Wie in
Nachfolgend wird die Berechnung einer optimalen Länge B der Anschlusslaschen 32 bei gegebenem horizontalem Abstand ah und gegebener Breite Ader Anschlusslaschen 32 sowie bei gegebener Breite b der längsten Seite einer Bipolarplatte 12 beschrieben. Hierbei bezeichnet av einen vertikalen Abstand zwischen den Anschlusslaschen 32 in der Stapelrichtung 30. ah repräsentiert einen horizontalen Abstand und somit einen Abstand entlang der Benachbarungsrichtung 40 zwischen den Anschlusslaschen 32. A bezeichnet eine Breite einer jeweiligen Anschlusslasche 32 wohingegen B eine Länge der jeweiligen Anschlusslasche 32 repräsentiert. b repräsentiert eine Breite einer längsten Seite der Bipolarplatten (BPP) 12. H steht für eine Höhe des Brennstoffzellenstapels und d beschreibt einen Mittenabstand der Biploarplatten 12. Mit z ist eine Anzahl der Bipolarplatten 12 bezeichnet. n bezeichnet eine Anzahl der Anschlusslaschen 32 in einer horizontalen Zeile, und damit in der Benachbarungsrichtung 40, wobei hierbei eine Anzahl an Anschlusslaschen 32 beschrieben wird, welche nebeneinander in eine Reihe passen. mh beschreibt eine Anzahl an horizontalen Lücken der Breite ah. k beschreibt eine Anzahl der notwendigen Anschlusslaschen 32 einer Zeile, um alle z Anschlusslaschen 32 bei gegebener Anzahl n unterzubringen. In
Für die Breite b gilt Formel (1).
Für die Anzahl horizontaler Lücken gilt Formel (2).
Einsetzen von Formel (2) in (1) ergibt umgestellt zu Formel (3) die Anzahl n der Anschlusslaschen 32 in einer horizontalen Zeile.
Aus Formel (4) berechnet sich die notwendige Anzahl an Anschlusslaschen 32 einer horizontalen Zeile.
Die Formeln (5) und (6) beschreiben die Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels.
Gleichsetzen der Formeln (5) und (6) und Umstellen nach der optimalen Länge B der Anschlusslaschen 32 ergibt Formel (7).
Einsetzen von Formel (4) in Formel (7) ergibt schließlich die Formel (8).
Die beschriebene Brennstoffzelleneinrichtung 28 sowie die beschriebene Brennstoffzellenanordnung 46 ermöglichen, dass ein Fertigungsaufwand eines Zellspannungsabgriffs minimiert werden kann. Weiterhin sind keine langen Kabel notwendig, welche die abgegriffenen Spannungen zur Auswerteelektronik führen. Eine Analog-DigitalWandlung von gemessenen Analogspannungen kann direkt auf der Leiterplatteneinrichtung 56 stattfinden, auf welcher sich die Kontaktelemente 50 befinden. Von dort aus kann insbesondere ein dreiadriges CAN-Bus-Kabel angeschlossen werden, dessen digitale Signale störfest sind. Weiterhin vorteilhaft ist, dass bei der Montage der Zellspannungsabgriffe kein Verkabelungsaufwand vorhanden ist. Durch die vorgespannten gefederten Kontaktstifte, vorliegend die Kontaktelemente 50, welche jeweils auf eine flächenoptimierte Anschlusslasche 32 drücken, deren Kontaktfläche 34 verhältnismäßig groß ist, ergeben sich hinsichtlich von Fertigungstoleranzen und hinsichtlich möglicher Stapelbewegungen besonders große Freiräume in Vergleich zu hochpräzise auszurichtenden Spannungsabgriffsmechanismen anderer Verfahren. Die Brennstoffzellenanordnung 46 weist darüber hinaus eine besonders hohe Störfestigkeit hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit auf, aufgrund der Tatsache, dass die Analog-Digital-Wandlung der gemessenen Analogspannungen direkt auf der Leiterplatteneinrichtung 56 stattfinden kann, auf welcher sich die Kontaktelemente 50 befinden.The
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Brennstoffzellefuel cell
- 1212
- Bipolarplattebipolar plate
- 1414
- Dichtungpoetry
- 1616
- maskierte Laminierfoliemasked laminating film
- 1818
- anodenseitige Katalysatorschichtanode-side catalyst layer
- 2020
- Membranmembrane
- 2222
- kathodenseitige Katalysatorschichtcathode-side catalyst layer
- 2424
- Wasserstoffgasdiffusionsschichthydrogen gas diffusion layer
- 2626
- Sauerstoffgasdiffusionsschichtoxygen gas diffusion layer
- 2828
- Brennstoffzelleneinrichtungfuel cell device
- 3030
- Stapelrichtungstacking direction
- 3232
- Anschlusslascheconnection tab
- 3434
- Kontaktflächecontact surface
- 3636
- Spannungsmesseinrichtungvoltage measuring device
- 3838
- Überdeckungsrichtungcoverage direction
- 4040
- Benachbarungsrichtungadjacency direction
- 4242
- erster Bereichfirst area
- 4444
- zweiter Bereichsecond area
- 4646
- Brennstoffzellenanordnungfuel cell assembly
- 4848
- Isolierelementinsulating element
- 5050
- Kontaktelementcontact element
- 5252
- Federeinrichtungspring device
- 5454
- Kontaktspitzecontact tip
- 5656
- Leiterplatteneinrichtungcircuit board setup
- 5858
- Abstützelementsupport element
- 6060
- Auswerteeinheitevaluation unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 9966339 A1 [0005]WO 9966339 A1 [0005]
- US 9620800 B2 [0006]US9620800B2 [0006]
Claims (15)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
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Publications (1)
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ID=83447226
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-
2021
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication |