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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten, ein die Vorrichtung enthaltendes System sowie ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten.
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Brennstoffzellen ermöglichen, chemische Energie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes direkt in elektrische Energie umzuwandeln, und eignen sich daher insbesondere zur effizienten Stromerzeugung in modernen Verkehrsmitteln wie Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen. Sie umfassen im Allgemeinen eine Anode, eine Kathode sowie einen zwischen Anode und Kathode angeordneten namensgebenden Elektrolyten und können zu Brennstoffzellenstapeln (auch als Brennstoffzellenstacks bezeichnet) zusammengesetzt werden. Ein Polymerelektrolyt- (PEM-) Brennstoffzellenstapel weist beispielsweise zwei Endplatten und mehrere Bipolarplatten zwischen den Endplatten auf, wobei die Bipolarplatten wiederum durch Membran-Elektroden-Einheiten (sog. MEAs) getrennt sind. Die Bipolarplatten bilden hierbei grundsätzlich jeweils die Anode einer Brennstoffzelle des Stapels sowie die Kathode einer angrenzenden Brennstoffzelle des Stapels und sind mit einem üblicherweise meanderförmigen Fluidkanal für den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel versehen. Die Membran-Elektroden-Einheiten bestehen jeweils im Allgemeinen aus einer protonenleitenden Membran und beiderseits der Membran angeordneten Elektroden, die in der Regel jeweils eine katalytische Schicht und eine poröse Gasdiffusionsschicht aufweisen.
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Zur Überwachung der elektrischen Potentiale der Brennstoffzellen und darauf basierenden Steuerung der elektrochemischen Prozesse ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Bipolarplatten elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise beschreibt das Dokument
EP 1 001 666 A2 eine Kontaktierungsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, die eine Trägerschicht und mehrere elektrisch leitfähige Bereiche aufweist, wobei auf der Trägerschicht insbesondere elektrisch leitfähige Schichten und die elektrisch leitfähigen Schichten trennende Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sind. Die elektrisch leitfähigen Schichten 106 stehen in physischen und elektrischen Kontakt mit einer Kante einer elektrisch leitfähigen, Brennstoff verteilenden Trennplatte der Brennstoffzellen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten bereitzustellen, mit der Kontaktierungsabschnitte der Bipolarplatten schnell, einfach und dennoch präzise kontaktiert werden können. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein System gemäß Patentanspruch 9 sowie ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Die Vorrichtung ist zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, die mehrere Bipolarplatten mit jeweils einem Kontaktierungsabschnitt aufweist, und sie umfasst mehrere Steckerelemente, ein Gehäuse für die Steckerelemente sowie ein separates Positionierungsteil. Die Steckerelemente sind jeweils zur elektrischen Verbindung mit jeweils einem Kontaktierungsabschnitt einer der Bipolarplatten eingerichtet. Das Gehäuse weist einen ersten Führungsabschnitt auf und ist dazu eingerichtet, die Steckerelemente zumindest abschnittsweise aufzunehmen. Das separate Positionierungsteil umfasst einen Halteabschnitt, der dazu ausgebildet ist, jeden der Kontaktierungsabschnitte an einer für ihn vorbestimmten Position relativ zum Positionierungsteil zu halten, und einen zweiten Führungsabschnitt, der dazu eingerichtet ist, das Gehäuse durch Wechselwirkung mit dem ersten Führungsabschnitt aus einer ersten Position in Richtung des Halteabschnitts in eine zweite Position zu führen. In der ersten Position sind die zumindest abschnittsweise im Gehäuse aufgenommenen Steckerelemente von den mittels des Halteabschnitts gehaltenen Kontaktierungsabschnitten beabstandet und in der zweiten Position kontaktieren die zumindest abschnittsweise im Gehäuse aufgenommenen Steckerelemente die mittels des Halteabschnitts gehaltenen Kontaktierungsabschnitte (vorzugsweise elektrisch und physisch).
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Bei der Brennstoffzellenanordnung kann es sich insbesondere um einen Teil eines Brennstoffzellenstapels handeln. Die Bipolarplatten können mehrere plattenförmige Abschnitte (beispielsweise Anode/Kathode benachbarter Einheitszellen) umfassen, die stromleitend miteinander verbunden sind und somit auf dem gleichen Potenzial liegen. Insbesondere können die Bipolarplatten die Einheitszellen der Brennstoffzellenanordnung begrenzen. Der Kontaktierungsabschnitt ist vorzugsweise als Lasche in einem Randbereich der jeweiligen Bipolarplatte ausgebildet. Bei dem Gehäuse für die Steckerelemente und dem separaten Positionierungsteil handelt es sich vorzugsweise jeweils um Formteile. Sie können einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Gehäuse und/oder das separate Positionierungsteil jeweils aus einem isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, hergestellt. Separat kann bedeuten, dass das Positionierungsteil als vom Gehäuse eigenständiger Körper ausgebildet ist. Insbesondere ist das Positionierungsteil kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbindbar und reversibel zerstörungsfrei davon lösbar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt vorteilhafterweise, die Bipolarplatten, insbesondere die Kontaktierungsabschnitte der Bipolarplatten, schnell, effizient und genau zu kontaktieren. Insbesondere kann das separate Positionierungsteil einfach auf die Bipolarplatten im Bereich der Kontaktierungsabschnitte aufgesteckt werden, um diese in der jeweils vorbestimmten Position am Positionierungsteil zu halten. Diese Kontrollierte Vorpositionierung der Kontaktierungsabschnitte bietet den zusätzlichen Vorteil, dass Fertigungstoleranzen betreffend die Position der Bipolarplatten leicht ausgeglichen werden können, um den eigentlichen Kontaktierungsschritt, also das Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den Steckerelementen und den Kontaktierungsabschnitten, praktisch auf Anhieb ohne signifikante manuelle Korrekturen durchführen zu können.
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Die Brennstoffzellenanordnung kann somit nicht nur schneller und einfacher hergestellt werden, sondern aufgrund der synergistischen Wechselwirkung zwischen den Bauteilen der Vorrichtung, nämlich den Steckerelementen, dem Gehäuse und dem separaten Positionierungsteil, wesentlich präziser. Folglich wird das Risiko für nachträglich erforderliche Korrekturen von Fehlkontaktierungen, insbesondere Doppelbelegungen eines Steckerelements mit Kontaktierungsabschnitten benachbarter Bipolarplatten, auf synergetische Art und Weise erheblich reduziert. Selbiges gilt für das Beschädigungsrisiko der Bipolarplatten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit sogar eine maschinelle Bestückung der Brennstoffzellenanordnung mit den Steckerelementen ermöglichen. Gleichzeitig lassen sich die Abstände zwischen den Bipolarplatten reduzieren, um Bauraum einzusparen.
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Die Steckerelemente sind vorzugsweise mit Klemmen ausgebildet, die jeweils einen der Kontaktierungsabschnitte an seinem Randabschnitt einklemmen können, wenn die Steckerelemente in dem Gehäuse aufgenommen sind und das Gehäuse in der zweiten Position angeordnet ist. Die Klemmen können schnabelförmig ausgebildet sein. Insbesondere können die Steckerelemente/Klemmen mit mindestens zwei vorzugsweise elastischen Klemmschenkeln ausgebildet sein, die parallel zum Kontaktierungsabschnitt der Bipolarplatte ausgerichtet sein können, wenn sie den jeweiligen Kontaktierungsabschnitt einklemmen, während sich das Gehäuse in der zweiten Position befindet. Wenn die Steckerelemente auf die Kontaktierungsabschnitte aufgesteckt werden, werden erstere somit (nur leicht) elastisch aufgebogen und die Kontaktierungsabschnitte gelangen jeweils mit ihnen in Eingriff. Der Kontakt zwischen den Steckerelementen und den Kontaktierungsabschnitten die Brennstoffzellenanordnung kann somit reversibel sein, sodass die Vorrichtung von der Brennstoffzellenanordnung entfernt werden kann, um letztere beispielsweise nachträglich auf Fehler zu untersuchen.
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Darüber hinaus können die Steckerelemente an deren den Klemmschenkeln entgegengesetzten Seiten jeweils einen Verbindungsabschnitt für eine elektrische Leitung aufweisen. Die Verbindungsabschnitte können zum Krimpen oder Anlöten der elektrischen Leitung ausgebildet sein und auf der dem Positionierungsteil entgegengesetzten Seite des Gehäuses angeordnet sein, wenn sich das Gehäuse in seiner zweiten Position befindet. Insbesondere können die Verbindungsabschnitte auf dieser Seite über das Gehäuse hinausragen, um die elektrische Leitung vergleichsweise einfach mit dem jeweiligen Steckerelement verbinden zu können, wenn das jeweilige Steckerelement mit dem Gehäuse in Eingriff steht.
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Das Gehäuse ist bevorzugt mit Aussparungen, insbesondere Durchgangsöffnungen, versehen ist, die jeweils zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme eines der Steckerelemente ausgebildet sind. Wenn das jeweilige Steckerelement abschnittsweise in der Durchgangsöffnung aufgenommen ist, kann es an einem oder beiden Enden der Durchgangsöffnung über das Gehäuse hinausragen. Die Durchgangsöffnungen weisen vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und können so bemessen sein, dass jeweils eines der Steckerelemente in eine Durchgangsöffnung passt. Zur formschlüssigen oder kraftschlüssigen, insbesondere einrastenden, Verbindung der Steckerelemente mit dem Gehäuse kann vorgesehen sein, dass die Steckerelemente jeweils mit einem ersten Rastabschnitt und die Aussparungen/Durchgangsöffnungen jeweils mit einem zweiten Rastabschnitt versehen sind. Der erste Rastabschnitt kann eine Rastnase oder eine Rastlasche umfassen und der zweite Rastabschnitt kann eine Nut oder Vertiefung umfassen. Umgekehrt kann der erste Rastabschnitt eine Nut oder Vertiefung und der zweite Rastabschnitt eine Rastnase oder eine Rastlasche umfassen.
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In einer Variante sind mehrere der Steckerelemente beziehungsweise der Durchgangsöffnungen im Gehäuse gruppiert entlang mehrerer parallel zueinander verlaufender Ebenen angeordnet. Mit anderen Worten, eine erste Gruppe der Durchgangsöffnungen ist entlang einer die Längsachsen der Durchgangsöffnungen der ersten Gruppe enthaltenden ersten Längsschnittsebene und eine zweite Gruppe der Durchgangsöffnungen ist entlang einer die Längsachsen der Durchgangsöffnungen der zweiten Gruppe enthaltenden zweiten Längsschnittsebene im Gehäuse angeordnet. Die erste und zweite Längsschnittsebene verlaufen also insbesondere senkrecht zu den Kontaktierungsabschnitten, wenn der Halteabschnitt die Kontaktierungsabschnitte hält und das Gehäuse sich in der zweiten Position befindet. Die durch die Längsachsen der Aussparungen/Durchgangsöffnungen oder der darin aufgenommenen Steckerelemente vorgegebene Richtung ist im Folgenden auch als axial bezeichnet.
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Im Querschnitt senkrecht zu den Längsschnittsebenen sind die Durchgangsöffnungen der ersten Gruppe relativ zu den Durchgangsöffnungen der zweiten Gruppe vorteilhafterweise lateral versetzt. Die Abstände zwischen den Durchgangsöffnungen (sogenannter Pitch) sind in den beiden Längsschnittsebenen vorzugsweise im Wesentlichen gleich. Die Kontaktierungsabschnitte der Bipolarplatten können somit auf verschiedenen Niveaus relativ zum ersten oder zweiten Führungsabschnitt kontaktiert sein, wenn sich das Gehäuse in der zweiten Position befindet. Auf diese Weise können Brennstoffzellenanordnungen mit noch geringerem Abstand zwischen den Kontaktierungsabschnitten einfach und effizient kontaktiert werden. Im Umkehrschluss kann die Brennstoffzellenanordnung / der Brennstoffzellenstapel bei einfacher Kontaktierung noch kompakter gebaut werden.
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Der Halteabschnitt ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Position der Kontaktierungsabschnitte bei Ineingriffbringen der Kontaktierungsabschnitte mit dem Halteabschnitt relativ zu dem Positionierungsteil, optional auch relativ zu dem sich in der zweiten Position befindenden Gehäuse, festzulegen. Das Festlegen kann insbesondere derart erfolgen, dass sich die Kontaktierungsabschnitte in vorbestimmten Bereichen des Positionierungsteils befinden. Um die Kontaktierungsabschnitte für die Kontaktierung durch die am Gehäuse aufgenommenen Steckerelemente vorzupositionieren, kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Halteabschnitt mehrere Schlitze aufweist, von denen jeder einem der Kontaktierungsabschnitte zugeordnet ist. Der Pitch (Mittenabstand) der Schlitze entspricht somit im Wesentlichen (abgesehen von Fertigungstoleranzen) dem über die Brennstoffzellenanordnung gemittelten Pitch der Kontaktierungsabschnitte.
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Die Schlitze sind vorzugsweise auf einer dem Gehäuse entgegengesetzten Seite des Halteabschnitts ausgebildet und sind vorzugsweise axial/parallel relativ zu den Steckerelementen ausgerichtet. Genauer gesagt verläuft jeder Schlitz bevorzugt entlang der Längsachse eines zugehörigen, zumindest abschnittsweise im Gehäuse aufgenommenen Steckerelements, wenn sich das Gehäuse in seiner zweiten Position befindet. Die Schlitze können sich ferner ausgehend von einem dem Gehäuse in der zweiten Position abgewandten Ende in das Positionierungsteil hinein verjüngen, um die Ausrichtung der Kontaktierungsabschnitte für die Kontaktierung durch die Steckerelemente zu unterstützen.
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In einer Variante werden die Kontaktierungsabschnitte mittels des Halteabschnitts fixiert. Insbesondere können die Kontaktierungsabschnitte abschnittsweise formschlüssig in den Schlitzen aufgenommen werden oder gar kraftschlüssig in den Schlitzen eingespannt werden. Entlang der Längsachsen der Steckerelemente, können weitere Öffnungen im Positionierungsteil ausgebildet sein, die sich bevorzugt von einer dem Gehäuse in seiner zweiten Position zugewandten Oberfläche in Richtung des Halteabschnitts in das Positionierungsteil hinein bis zu den Schlitzen erstrecken. Diese Öffnungen können insbesondere eine Verbindung für die Steckerelemente zwischen den Durchgangsöffnungen und den Schlitzen bilden.
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Wenn sich das Gehäuse in seiner ersten Position relativ zum Positionierungsteil befindet, ist es in allen Raumrichtungen frei beweglich oder allenfalls formschlüssig durch Wechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Führungsabschnitt mit dem Positionierungsteil verbunden. Formschlüssig kann hier insbesondere eine Einschränkung der Beweglichkeit in transversaler Richtung, also quer zu den Längsachsen der Steckerelemente/Durchgangsöffnungen, bedeuten. Wenn sich das Gehäuse hingegen in seiner zweiten Position befindet, ist es vorzugsweise kraftschlüssig mit dem Positionierungsteil verbunden. Hierbei kann sich das Gehäuse insbesondere an einer dem Halteabschnitt entgegengesetzten Oberfläche des separaten Positionierungsteils abstützen.
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Um das Gehäuse, vorzugsweise mit den darin bereits abschnittsweise aufgenommenen Steckerelementen, ausgehend von seiner ersten Position besonders präzise und leicht in seine zweite Position zu führen, kann der zweite Führungsabschnitt eine Schiene und der erste Führungsabschnitt einen mit der Schiene in Eingriff bringbaren, vorzugsweise fest mit dem Gehäuse verbundenen, höchstvorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildeten, Gleiter aufweisen. Alternativ kann der zweite Führungsabschnitt den Gleiter und der erste Führungsabschnitt die Schiene umfassen. Die Schiene ist vorzugsweise axial ausgerichtet, d.h., sie verläuft vorzugsweise parallel zu den Längsachsen der Durchgangsöffnungen und/oder Schlitze. Wenn sich der Gleiter in der ersten Position des Gehäuses mit der Schiene in Eingriff befindet, kann er in Eingriff mit der Schiene entlang der Schiene axial verlagert werden, bis sich das Gehäuse in der zweiten Position befindet.
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Ein Spiel des Gehäuses in einer oder mehreren seiner zueinander orthogonalen Transversalrichtungen wird durch Wechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Führungselement ausgehend von der ersten Position hin zur zweiten Position stetig verringert. Dies ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass sich die Schiene verjüngt. Insbesondere kann sich die Schiene ausgehend von ihrem vom Halteabschnitt abgewandten Ende mit geringer werdendem Abstand zum Halteabschnitt bevorzugt hinsichtlich ihrer Breite verjüngen. Es ist auch denkbar, die Schiene innen kegelförmig auszugestalten.
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Der Gleiter kann hingegen eine konstante Breite aufweisen oder ebenfalls kegelförmig ausgestaltet sein, wobei er auf einer dem Halteabschnitt zugewandten Seite schmäler ist als auf einer vom Halteabschnitt abgewandten Seite. Auf diese Weise kann der Gleiter mit Spiel transversal zur Schienenlängsrichtung aufgenommen sein, wenn sich das Gehäuse in der ersten Position befindet. In der zweiten Position des Gehäuses ist der Gleiter hingegen vorzugsweise durch die Schiene in einer oder beiden zueinander orthogonalen Transversalrichtungen festgelegt/fix, also insbesondere transversal zur Schienenlängsrichtung unbeweglich.
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Zusätzlich kann das Positionierungsteil mit einem sich vom Halteabschnitt insbesondere im Wesentlichen parallel zum Rastarm und/oder im Wesentlichen senkrecht zu einer dem Gehäuse in seiner zweiten Position zugewandten Oberfläche des Positionierungsteils erstreckenden Basisabschnitt versehen sein. Das Gehäuse kann in seiner ersten Position auf dem Basisabschnitt aufliegen und/oder in einer zweiten Position zwischen dem federnden Rastarm und dem Basisabschnitt eingespannt sein. Der Basisabschnitt ist vorzugsweise als axial bezüglich des Positionierungsteils verlaufende Platte ausgebildet. Die Platte kann mehrere Längsschlitze aufweisen.
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Um das Gehäuse nicht nur transversal, sondern auch axial zur Schienenlängsrichtung zu fixieren, ist in einer weiteren Variante vorgesehen, dass der zweite Führungsabschnitt einen sich vom Halteabschnitt erstreckenden, insbesondere federnden, Rastarm aufweist oder als dieser ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Schiene als integraler Teil des Rastarms ausgebildet und erstreckt sich ebenfalls vom Halteabschnitt. Der Rastarm ist insbesondere mit einem Vorsprung versehen, der dazu ausgebildet ist, auf einer dem Halteabschnitt entgegengesetzten Seite des Gehäuses am Gehäuse anzugreifen, um dieses zwischen dem Halteabschnitt und dem Vorsprung (insbesondere elastisch) einzuspannen. Der Vorsprung kann dem Basisabschnitt zugewandt sein. Der Abstand zwischen dem Vorsprung und dem Halteabschnitt entspricht bevorzugt im Wesentlichen der axialen Länge des Gehäuses. Wenn die Steckerelemente in der zweiten Position des Gehäuses an einer dem Halteabschnitt zugewandten Seite des Gehäuses über diese hinausstehen, greifen die Steckerelemente somit in den Halteabschnitt ein und erstrecken sich insbesondere bis in die Schlitze.
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Der Rastarm kann außerdem auf seiner dem Halteabschnitt entgegengesetzten Seite eine Rastnase zum Eingriff in eine entsprechende Nut im Kontaktierungsabschnitten aufweisen. Die Rastnase kann sich insbesondere über die gesamte transversale Breite des Rastarms erstrecken und somit in die Nuten der Kontaktierungsabschnitte mehrerer benachbarter, mittels der Vorrichtung zu kontaktierender Bipolarplatten eingreifen. Dadurch kann die sichere Kontaktierung und Verrastung der Brennstoffzellenanordnung schnell und einfach erfolgen. Die Rastnase ist vorzugsweise auf einer dem Vorsprung beziehungsweise dem Gehäuse in der zweiten Position entgegengesetzten Außenseite des Rastarms angeordnet. An einem vom Halteabschnitt abgewandten Ende ist der Rastarm in diesem Fall vorzugsweise mit einer sich axial vom Rastarm erstreckenden Lasche zum Lösen des Eingriffs zwischen der Rastnase und der Nut versehen. Die Vorrichtung kann also effizient an der Brennstoffzellenanordnung angebracht und leicht davon abgenommen werden.
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Das hier vorgeschlagene System weist eine vorstehend im Detail beschriebene Vorrichtung sowie eine mittels der Vorrichtung elektrisch kontaktierbare Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten auf. Jeder der Kontaktierungsabschnitte kann in seinem Randbereich einen Rücksprung zur abschnittsweisen Aufnahme der Vorrichtung aufweisen. Wenn sich das Gehäuse in seiner zweiten Position befindet und die Kontaktierungsabschnitte mittels der Steckerelemente kontaktiert sind, die Vorrichtung also mit den Kontaktierungsabschnitten in Eingriff steht, entspricht in einem Längsschnitt entlang einer Hauptebene des jeweiligen Kontaktierungsabschnitts betrachtet eine Kontur des Rücksprungs vorzugsweise im Wesentlichen einer Kontur der Vorrichtung. Insbesondere kann der Kontaktierungsabschnitt mit einem zugehörigen Schlitz ein Eingriff stehen, während sich das Positionierungsteil außerhalb des Schlitzes axial am Kontaktierungsabschnitt abstützen kann.
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Das Verfahren zur Kontaktierung einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten, umfasst folgende Schritte, die vorzugsweise in der hier angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden: Bereitstellen einer vorstehend im Detail beschriebenen Vorrichtung oder eines vorstehend im Detail beschriebenen Systems; Verbinden der Steckerelemente mit dem Gehäuse, wobei die Steckerelemente zumindest abschnittsweise im Gehäuse aufgenommen werden; Verbinden des separaten Positionierungsteils mit den Kontaktierungsabschnitten, sodass jeder der Kontaktierungsabschnitte an einer für ihn vorbestimmten Position relativ zum Positionierungsteil gehalten wird; Führen des Gehäuses durch Wechselwirkung zwischen dem ersten Führungsabschnitt und dem zweiten Führungsabschnitt aus einer ersten Position, in der die Steckerelemente von den Kontaktierungsabschnitten beabstandet sind, in Richtung des Halteabschnitts des Positionierungsteils in eine zweite Position, in der die Steckerelemente die Kontaktierungsabschnitte kontaktieren.
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Darüber hinaus kann dieses Verfahren beliebige der vorstehend in Zusammenhang mit der Vorrichtung oder mit dem System beschriebene Merkmale aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren beliebige Funktionen der Vorrichtung beziehungsweise des Systems und deren Komponenten als Verfahrensschritte enthalten.
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Bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung zur computertomographischen Prüfung eines Prüfobjekts werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei die Steckerelemente, das Gehäuse und das Positionierungsteil voneinander separiert sind;
- 2 die Vorrichtung aus 1 in einer Seitenansicht zeigt, wobei die Steckerelemente, das Gehäuse und das Positionierungsteil voneinander separiert sind;
- 3 die Vorrichtung aus 1 in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei das Gehäuse in seiner zweiten Position angeordnet ist;
- 4 bis 7 die Vorrichtung aus 1 in einer Ansicht von unten, einer Draufsicht, einer Vorderansicht beziehungsweise einer Rückansicht zeigen, wobei sich das Gehäuse in seiner zweiten Position befindet; und
- 8 eine Ausführungsform eines Systems zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Bipolarplatten in einer Teilansicht zeigt.
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Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 10 zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren elektrisch leitfähigen Bipolarplatten 101. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst mehrere, hier beispielsweise zwölf, Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels. Jede Einzelzelle enthält im Wesentlichen eine eingangs beschriebene Membran-Elektroden-Einheit, die zwischen zwei mit je einem Fluidkanal versehenen Platten angeordnet sind. Die Platten benachbarter Einzelzellen bilden dabei zusammen eine in 8 teilweise gezeigte Bipolarplatte 101, an der jeweils ein hier insbesondere als Lasche ausgebildeter Kontaktierungsabschnitt 102 angeordnet ist. Der Kontaktierungsabschnitt 102 verläuft parallel zu einer Hauptebene der jeweiligen Bipolarplatte. Es versteht sich von selbst, dass die Bipolarplatten 101 parallel zueinander angeordnet sind.
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Die Vorrichtung 10 umfasst mehrere, hier beispielsweise zwölf, Steckerelemente 12, ein Gehäuse 14 für die Steckerelemente 12 und ein separates Positionierungsteil 20. All diese Komponenten sind hier als separate Bauteile ausgebildet, die bei Verwendung zur Kontaktierung der Bipolarplatten 101 an deren Kontaktierungsabschnitten 102, wie im Folgenden näher erläutert, ineinandergesteckt werden. Insbesondere ist das Positionierungsteil 20 separat vom Gehäuse 14 ausgebildet, sodass sich das Gehäuse 14 reversibel in das Positionierungsteil 20 einsetzen und zerstörungsfrei davon entfernen lässt. Das Gehäuse 14 und/oder das Positionierungsteil 20 sind/ist als Formteil ausgebildet und können/kann beispielsweise mittels Spritzgießen hergestellt werden.
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Die Steckerelemente 12 sind alle im Wesentlichen (abgesehen von geringfügigen Fertigungstoleranzen) gleich. Bestimmungsgemäß ist jedes der Steckerelemente 12 für die elektrische Verbindung mit dem Kontaktierungsabschnitt 102 jeweils einer der Bipolarplatten 101 eingerichtet. Entsprechend der Ausgestaltung des Kontaktierungsabschnitts 102 als Lasche ist jedes Steckerelement 12 als Flachstecker ausgebildet, der an seinem vom Kontaktierungsabschnitt 102 abgewandten Ende Anschlusselemente 40 für nicht dargestellte elektrische Leitungen aufweist, die zur elektrischen Verbindung mit einer Messeinrichtung für die elektrischen Potentiale der Bipolarplatten 101 vorgesehen sind. Jede der elektrischen Leitungen kann insbesondere durch Fügen mittels plastischer Deformation (zum Beispiel Crimpen) des zugehörigen Anschlusselements 40 oder thermisches Fügen (zum Beispiel Löten/Schweißen) an das zugehörige Anschlusselement 40 mit dem jeweiligen Steckerelement 12 verbunden sein. Jedes Steckerelement 12 hat an seinem dem Anschlusselement 40 axial (in Längsrichtung L1) entgegengesetzten Ende eine Klemme 42 mit elastischen Klemmschenkeln, die in deren Ruhelage um weniger als die Stärke des Kontaktierungsabschnitts 102 beanstandet sind.
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Das Gehäuse 14 hat einen ersten Führungsabschnitt 16 mit einem Gleiter und mehrere Aussparungen, in die jeweils eines der Steckerelemente 12, vorteilhafterweise bevor das Gehäuse mit dem separaten Positionierungsteil 20 in Eingriff gebracht wird, hineingesteckt wird. Die Aussparungen sind im Wesentlichen als axiale Durchgangsöffnungen 30 ausgestaltet und dienen im Wesentlichen dazu, jedes der Steckerelemente 12 an einer für dieses Steckerelement 12 vorgesehenen Stelle relativ zum ersten Führungsabschnitt 16 (formschlüssig, mit etwas Spiel) zu befestigen. Zu diesem Zweck hat jedes Steckerelement 12 eine Rastlasche 44, die in eine nicht gezeigte Rastnut an der Innenumfangsfläche der jeweiligen Durchgangsöffnung 30 rastend eingreift, wenn das jeweilige Steckerelement 12 (abschnittsweise) im Gehäuse 14 aufgenommen ist. Wie in 2 gezeigt, ist das Gehäuse 14 axial kürzer als jedes der Steckerelemente 12, sodass die Steckerelemente 12 an beiden Enden der Aussparungen aus dem Gehäuse 14 hinausragen.
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Um die Brennstoffzellenanordnung kompakter, insbesondere mit reduzierten Abständen zwischen den Bipolarplatten 101, ausgestalten zu können, sind die Durchgangsöffnungen 30 im Gehäuse 14 auf mehreren, parallel zueinander verlaufenden Längsebenen E1, E2 ausgebildet. Die Längsebenen E1, E2 verlaufen wie in 2 gezeigt jeweils insbesondere in der Längsrichtung L1 mehrerer der Steckerelemente 12 sowie senkrecht zu den Kontaktierungsabschnitten 102, wenn letztere mit den Steckerelementen 12 in Eingriff stehen. Auf diese Weise kann die Packungsdichte der Steckerelemente 12 in dem Gehäuse 14 erhöht und der Mittenabstand zwischen den Kontaktierungsabschnitten 102 verringert werden. Die entlang der Längsebene E1 angeordneten und senkrecht zu dieser Längsebene E1 ausgerichteten Steckerelemente 12 weisen somit im Querschnitt des Gehäuses 14 betrachtet einen Relativversatz gegenüber den entlang der Längsebene E2 angeordneten und senkrecht zu dieser Längsebene E2 ausgerichteten Steckerelementen 12 auf, der im Wesentlichen dem (transversalen) Abstand zwischen den Kontaktierungsabschnitten 102 entspricht, wenn die Kontaktierungsabschnitte 102 wie nachfolgend im Detail beschrieben kontaktiert sind.
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Das separate Positionierungsteil 20 umfasst einen Halteabschnitt 22, der dazu ausgebildet ist, jeden der Kontaktierungsabschnitte 102 an einer für ihn vorbestimmten Position relativ zum Positionierungsteil 20 zu halten. Zu diesem Zweck hat der Halteabschnitt 22 mehrere Schlitze 32, die sich im kontaktierten Zustand ausgehend von einer der Bipolarplatten 101 parallel zueinander und zur Längsrichtung L2 (Haupterstreckungsrichtung) des Positionierungsteils 20 in das Positionierungsteil 20 hinein erstrecken. Die Schlitze 30 sind so ausgestaltet, dass sie jeweils einen der Kontaktierungsabschnitte 102 darin zumindest abschnittsweise einspannen. Darüber hinaus weist das Positionierungsteil 20 einen zweiten Führungsabschnitt 24 in Form eines sich vom Halteabschnitt 22 parallel zur Längsrichtung L2 erstreckenden federelastischen Rastarms mit einer Schiene auf. Es sei angemerkt, dass parallel in dieser Offenbarung gleich- oder entgegengerichtet (also auch antiparallel) bedeuten kann. Der zweite Führungsabschnitt 24 ist dazu eingerichtet, das Gehäuse 14 durch Wechselwirkung mit dem ersten Führungsabschnitt 16 aus einer ersten Position in Richtung des Halteabschnitts 22 in eine in den 3 bis 7 gezeigte zweite Position zu führen.
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Die Vorrichtung 10 wird wie im Folgenden beschrieben verwendet, um die Kontaktierungselemente 102 zu kontaktieren. Das separate Positionierungsteil 20 wird zunächst axial (in der Längsrichtung L2) auf die Kontaktierungsabschnitte 102 der Bipolarplatten 101 aufgesteckt. Da die Schlitze 32 begrenzende Trennwände 33 axial zum längsseitigen Ende des Positionierungsteils 20 hin spitz zulaufen, wird jeweils ein Kontaktierungsabschnitt 102 in einen der Schlitze 32 eingeführt. Dadurch wird der Abstand zwischen den Kontaktierungsabschnitten 102 auf ein Sollmaß gebracht (insbesondere egalisiert), das im Wesentlichen dem Abstand zwischen den Mittelebenen der Steckerelemente 12 / Klemmen entspricht.
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Ausgehend von der ersten Position des Gehäuses 14 mit in den Durchgangsöffnungen 30 rastend eingesteckten Steckerelementen 12, bei der sich der Gleiter des Gehäuses 14 in Abweichung von der Darstellung aus den 1 und 2 mit der Schiene am Rastarm in Eingriff befindet, dabei insbesondere formschlüssig aufgenommen ist, wird das Gehäuse 14 in der Längsrichtung L2 in Richtung des Halteabschnitts 22 verlagert. Die Längsrichtungen L1 und L2 sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander. Wie in der Rückansicht aus 7 gezeigt, weist die Schiene (zweiter Führungsabschnitt 24) im Querschnitt ein im Wesentlichen dem Profil des Gleiters (erster Führungsabschnitt 16) entsprechendes Profil auf. Da sich die Schiene innen zum Halteabschnitt 22 hin verjüngt, wird die transversale Bewegung des Gehäuses 14 bei Verlagerung in der Längsrichtung L2 zunehmend transversal eingeschränkt, bis das Gehäuse 14 in seiner in 3 gezeigten zweiten Position transversal spielfrei in Eingriff mit dem Positionierungsteil 20 fixiert ist. In der Längsrichtung L2 ist das Gehäuse in seiner zweiten Position zwischen dem Halteabschnitt 22 und einem am Rastarm ausgebildeten Vorsprung 50 eingeklemmt.
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In dieser zweiten Position ragen die Steckerelemente 12 durch den Schlitzen 32 zugeordnete Öffnungen 52 bis in die Schlitze 32 im Halteabschnitt 22 hinein. Mit anderen Worten, jede Öffnung 52 verbindet jeweils einen der Schlitze 32 mit einer dem Gehäuse 14 zugewandten Oberfläche des Halteabschnitts 22, an der die Öffnungen 52 offen sind. Die Öffnungen 52 können also im Wesentlichen als Verlängerung der Durchgangsöffnungen 30 ausgebildet sein und insbesondere denselben Querschnitt aufweisen. Während die Steckerelemente 12 in der ersten Position von den mittels des Halteabschnitts 22 gehaltenen Kontaktierungsabschnitten 102 beabstandet sind, reichen sie in der zweiten Position bis zu den Kontaktierungsabschnitten 102, sodass jeweils ein Kontaktierungsabschnitt 102 zwischen den beiden Klemmschenkeln eines zugehörigen Steckerelements eingespannt ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der zugehörigen Bipolarplatte, dem Steckerelement und der zur Messeinrichtung führenden elektrischen Leitung herzustellen. Das Gehäuse 14 ist dabei zwischen dem Rastarm und einem sich parallel zum Rastarm vom Halteabschnitt 22 erstreckenden Basisabschnitt 38 des Positionierungsteils 20 gehalten.
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8 zeigt einen Teil eines mit dieser Vorrichtung 10 aus den 1 bis 7 auf vorstehend beschriebene Art und Weise kontaktierten Systems. Das System weist die Vorrichtung sowie die Brennstoffzellenanordnung den Bipolarplatten 101 auf. Wie dargestellt ist jeder der Kontaktierungsabschnitte 102 in seinem Randbereich mit einem Rücksprung versehen. Im Bereich dieses Rücksprungs ist der Kontaktierungsabschnitt der dargestellten Bipolarplatte 101 zwischen den Klemmenschenkeln eingespannt. Bei Gesamtbetrachtung der Brennstoffzellenanordnung ist die Vorrichtung somit in der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere in einer durch die Rückspringe benachbarter Bipolarplatten 101 definierten Aufnahme, eingesetzt. Eine Rastnase 34 der Vorrichtung greift dabei in eine entsprechende Nut 36 in den Kontaktierungsabschnitten 102 zueinander benachbarter Bipolarplatten ein.
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Es wurde gesagt, dass die Brennstoffzellenanordnung Teil eines Brennstoffzellenstapels sein kann. Dieser Stapel kann insbesondere mehrere dieser Brennstoffzellenanordnungen umfassen. Zur einfachen und kontrollierten Kontaktierung einer dieser Brennstoffzellenanordnungen nach der anderen ist die Vorrichtung in einer Vorder- oder Rückansicht entlang der Längsrichtung L1 oder L2 asymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist bei dieser Ansicht oder in einer Querschnittansicht ein an einer ersten Längsflanke 60 der Vorrichtung 10 ausgebildeter Vorsprung 61 im Wesentlichen kongruent zu einer an einer der ersten Längsflanke 60 entgegengesetzten zweiten Längsflanke 62 der Vorrichtung 10 ausgebildeten Vertiefung 63. Somit können die Vorrichtungen 10 passgenau nebeneinander auf die Kontaktierungsabschnitte 102 der Bipolarplatten 101 aufgesteckt werden. Die Längsflanken 60, 62 benachbarter Vorrichtungen 10 können einander dabei, insbesondere vollflächig physisch, kontaktieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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