DE102021129433A1

DE102021129433A1 - Zellkontaktierungseinheit

Info

Publication number: DE102021129433A1
Application number: DE102021129433.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Broghammer; Henryk Waleczek; Elmar Neugart
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-11
Also published as: WO2023083508A3; WO2023083508A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellkontaktierungseinheit (100) zur elektrischen Kontaktierung von einer ein Gehäuse (22) aufweisenden Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels (20) mit in einer oder mehreren Reihen und/oder Spalten angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen (21), wobei die Zellkontaktierungseinheit (100) an korrespondierenden Positionen Federkontaktelemente (11) aufweist, die sich in Steckrichtung (S) aus der Zellkontaktierungseinheit (100) weg erstrecken, wobei die Federkontaktelemente (11) an ihrem steckseitigen Ende eine nadelöhrförmige Drahtschlinge (12) ausbilden, welche beim Einstecken der Federkontaktelemente (11) in die Kontaktbuchsen (21) federelastisch zusammengedrückt werden, so dass zwei Drahtschlingenabschnitte der Drahtschlinge (12) der Federkontaktelemente (11) quer zur Steckrichtung (S) gegen die Kontaktbuchsen (21) federkraftbeaufschlagt gedrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellkontaktierungseinheit CVP auch Cell Voltage Pickup genannt.
Eine Zellkontaktierungseinheit CVP (Cell Voltage Pickup) ist ein multikanaliger Potenzialabgriff zur Erfassung von Zellspannungen an Batterie- oder Brennstoffzellenstapeln. Je nach verwendetem Stack kommen unterschiedliche Konstruktionsprinzipien zum Einsatz.
Aus dem Stand der Technik ist eine solche Vorrichtung zum Beispiel aus der JP 002002313398 A bekannt. Diese Einheit dient dem Messen einer Zellenspannung, die in der Lage ist, gleichzeitig und einfach die Spannungen aller Zellen eines Brennstoffzellenstapels zu messen. Hierzu umfasst diese eine Vielzahl von Sonden zur Spannungsmessung und nadelartige Spannungsmessanschlüsse mit einer aus der Einheit herausragenden Spitzenseite, sowie eine in der Einheit gelagerten Feder, die die nadelartigen Spannungsmessanschlüsse durch eine elastische Kraft gegen die Seitenflächen der Separatoren des Brennstoffzellenstapels vorspannt.
Nachteilig ist bei dieser Lösung der komplexe Aufbau, sowie das Problem, dass einerseits die Kontakte beim Zusammenstecken beschädigt werden können und eine hohe Steckkraft, insbesondere bei einer hohen Anzahl von Brennstoffzellenverbindungen gegeben ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Lösung für einen Brennstoffzellen-Stack zu entwickeln, um eine Vielzahl von parallel aufeinanderliegenden Bi-Polarplatten sicher und zuverlässig zu kontaktieren, um die Zellspannung abzugreifen, und diese dann an eine Mess-und Auswerteelektronik weiterzuleiten. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass der entsprechende Kontakt auch unbeschädigt in die richtige Kontaktöffnung in der Bipolarplatte trifft und dort eine gute Kontaktkraft erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein spezifisch geformtes, federndes Kontaktteil, welches die Form einer „Schlaufe“ hat, beim Einstecken in die korrespondierenden Kontakttaschen im Schlaufenabschnitt seitlich einfedert. Hierzu wird die Breite der Drahtschlaufe im Schlaufenabschnitt größer, als die Öffnungsbreite auf der Seite des Gegenkontaktes, um so eine sichere Kontaktierung zu erzielen. Aufgrund des Schlaufendesigns wird eine beidseitige Auslenkung erzielt. Optional kann die Drahtschlaufe vor Erreichen der Endlage durch eine Kulisse zusätzlich quer zur Einsteckrichtung elastisch ausgelenkt werden. Auf diese Weise kann insgesamt mit niedriger aber definierte Steckkraft die Verbindung hergestellt werden und im vollständig eingesteckten Zustand eine hohe Kontaktkraft erzeugt werden.
Optional kann zur besseren Fixierung über das Gehäuse, welches hierzu einen Führungsschenkel oder Führungsrippen bereitstellt, eine Vorzentrierung erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird daher eine Zellkontaktierungseinheit bereitgestellt und zwar zur elektrischen Kontaktierung von einer ein Gehäuse aufweisenden Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels mit in einer oder mehreren Reihen und/oder Spalten angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen, wobei die Zellkontaktierungseinheit an korrespondierenden Positionen Federkontaktelemente aufweist, die sich in Steckrichtung (S) aus der Zellkontaktierungseinheit weg erstrecken, wobei die Federkontaktelemente an ihrem steckseitigen Ende eine nadelöhrförmige Drahtschlinge ausbilden, welche beim Einstecken der Federkontaktelemente in die Kontaktbuchsen federelastisch zusammengedrückt wird, so dass zwei Drahtschlingenabschnitte der Drahtschlinge der Federkontaktelemente quer zur Steckrichtung (S) gegen die Kontaktbuchsen federkraftbeaufschlagt gedrückt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptkomponente der Federkraft, welche die Drahtschlinge der Federkontaktelemente im eingesteckten Zustand gegen eine Seitenwand der Kontaktbuchsen drückt, quer zur Steckrichtung wirkt.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Zellkontaktierungseinheit ausgebildet ist, dass beim Zusammenstecken der Federkontaktelemente der Zellkontaktierungseinheit mit den Kontaktbuchsen des Brennstoffzellenstapels die Drahtschlinge der Federkontaktelemente während dem Steckvorgang in zunehmendem Maß aufgrund der Form der Drahtschlinge zusammengedrückt werden. Hierdurch kann die Steckkraft über den Steckweg gezielt gesteuert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drahtschleife jeweils als geschlossene Drahtschleife aus zumindest zwei nebeneinander verlaufenden, gebogenen Drahtschleifenabschnitten und einem diese beiden Drahtschleifenabschnitte verbindenden, steckseitig am Ende ausgebildeten Umbiegeabschnitt geformt ist.
Weiter von Vorteil ist ein Design bei dem die Federkontaktelemente beim Zusammenstecken zunächst zumindest mit ihrem stirnseitigen Ende in die Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen, vorzugsweise etwa mittig in die Kontaktöffnungen eindringen bevor die beiden Drahtschleifenabschnitte beim weiteren Zusammenstecken auf Wandabschnitte der Kontaktbuchsen treffen.
Ebenfalls von Vorteil ist eine Konzeption bei der die Kontaktbuchsen eine Kontaktkavität aufweisen, die in Steckrichtung betrachtet zunächst einen Bereich mit geringerem Querschnitt und daran anschließend einen Bereich mit größerem Querschnitt besitzt, der die Drahtschliefe im vollständig eingesteckten Zustand klemmend aufnimmt.
So ist es auch als eine mögliche Variante denkbar, U-förmige Kontakte auszubilden, die jeweils zwei im Wesentlichen parallel verlaufende (paarweise angeordnete) Federkontaktelemente ausbilden, von denen jedes Federkontaktelement vorgesehen ist, in eine korrespondierende Steckbuchse an der Kontakteinrichtung des Brennstoffzellenstapels eingesteckt zu werden.
Als weitere Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Federkontaktelemente an oder nahe an ihrem steckseitigen Ende eine Rastgeometrie aufweisen, welche in eine, in oder an den Kontaktbuchsen ausgebildete Gegenrastgeometrie eingreift. Auf diese Weise kann ein sicheres Halten der Kontaktanordnung bewirkt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine solche Kontaktanordnung bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel mit Buchsenkontakten und einer wie zuvor beschriebenen Zellkontaktierungseinheit, die ausgebildet ist mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt zu werden.
Ein ebenfalls weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Steckeinrichtung ausgebildet mit Buchsenkontakten und einer wie zuvor beschriebenen Zellkontaktierungseinheit, die mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt oder zusammensteckbar ist.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinanderstehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Details einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit,
2 eine schematische Schnittansicht eines Details einer alternativen Ausgestaltung erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit und zwar in einer Steckposition und
3 eine perspektivische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit, welche eine Vielzahl an erfindungsgemäß geformten Kontakten zeigt.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
In der 3 ist eine perspektivische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit 100 gezeigt. Die Zellkontaktierungseinheit 100 ist ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung von in einem Gehäuse 22 eines Brennstoffzellenstapels 20 in mehreren Reihen bzw. Spalten angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen 21, wobei die Zellkontaktierungseinheit 100 hierzu an korrespondierenden Positionen die gezeigten Federkontaktelemente 11 aufweist. Die Federkontaktelemente 11 erstrecken sich in Steckrichtung S aus der Zellkontaktierungseinheit 100 (in der 3 nach unten) weg, wobei am Gehäuse 22 der Gegensteckeinrichtung des Brennstoffzellenstapels 20 in Steckrichtung S betrachtet, Führungsrippen 27 angeordnet sind, um eine Vorzentrierung vor dem eigentlichen Steckvorgang zu gewährleisten.
In den 1 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung und zwar in Form eines Teilausschnittes einer schematischen Schnittansicht einer Zellkontaktierungseinheit 100 gezeigt, die mit einer Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels 20 verbunden wird und zwar in einer Montageposition am Ende des Steckvorgangs im vollständig gesteckten Zustand.
Die schlingenartigen Federkontaktelemente 11 werden beim Zusammenstecken zunächst zumindest mit ihrem stirnseitigen Ende 11a (stirnseitiger Umbiegeabschnitt 11a der Drahtschleife 12) in die Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen 21 etwa mittig in die jeweilige Kontaktöffnung eingeführt. Danach trifft der jeweils untere Schlingenabschnitt der beiden Drahtschleifenabschnitte 12a, 12b der Federkontaktelemente 11 beim weiteren Zusammenstecken auf den Rand der Öffnungsbereiche der Kontaktkavitäten der Kontaktbuchsen 21.
In dem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist eine zum ersten Ausführungsbeispiel abweichende Lösung gezeigt, bei der die Kontaktkavität der Kontaktbuchse 21 einen unteren aufgeweiteten Kontaktaufnahmebereich zeigt, in dem sich die Drahtschlaufe zu einem bestimmten Anteil wieder federleastisch entspannen kann, indem die beiden Drahtschlaufenabschnitte (bzw. Schlingenabschnitte 12a, 12b) quer zur Steckrichtung S zur Wandung der Kontaktbuchsen 21 hin zurückfedern.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 002002313398 A [0003]

Claims

Zellkontaktierungseinheit (100) zur elektrischen Kontaktierung von einer ein Gehäuse (22) aufweisenden Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels (20) mit in einer oder mehreren Reihen und/oder Spalten angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen (21), wobei die Zellkontaktierungseinheit (100) an korrespondierenden Positionen Federkontaktelemente (11) aufweist, die sich in Steckrichtung (S) aus der Zellkontaktierungseinheit (100) weg erstrecken, wobei die Federkontaktelemente (11) an ihrem steckseitigen Ende eine nadelöhrförmige Drahtschlinge (12) ausbilden, welche beim Einstecken der Federkontaktelemente (11) in die Kontaktbuchsen (21) federelastisch zusammengedrückt werden, so dass zwei Drahtschlingenabschnitte (12a, 12b) der Drahtschlinge (12) der Federkontaktelemente (11) quer zur Steckrichtung (S) gegen die Kontaktbuchsen (21) federkraftbeaufschlagt gedrückt werden.
Zellkontaktierungseinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkomponente der Federkraft, welche die Drahtschlinge (12) der Federkontaktelemente (11) im eingesteckten Zustand gegen eine Seitenwand der Kontaktbuchsen (21) drückt, quer zur Steckrichtung (S) wirkt.
Zellkontaktierungseinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenstecken der Federkontaktelemente (11) der Zellkontaktierungseinheit mit den Kontaktbuchsen (21) des Brennstoffzellenstapels die Drahtschlinge (12) der Federkontaktelemente (11) während dem Steckvorgang in zunehmendem Maß durch die Form der Drahtschlinge (12) zusammengedrückt werden.
Zellkontaktierungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtschleife (12) jeweils als geschlossene Drahtschleife aus zumindest zwei nebeneinander verlaufenden, gebogenen Drahtschleifenabschnitten (12a, 12b) und einem diese verbindenden, steckseitig am Ende ausgebildeten Umbiegeabschnitt (11 a) geformt ist.
Zellkontaktierungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkontaktelemente (11) beim Zusammenstecken zunächst zumindest mit ihrem stirnseitigen Ende in die Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen (21), vorzugsweise etwa mittig in die Kontaktöffnungen eindringen bevor die beiden Drahtschleifenabschnitte (12a, 12b) beim weiteren Zusammenstecken auf Wandabschnitte der Kontaktbuchsen (21) treffen.
Zellkontaktierungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbuchsen (21) eine Kontaktkavität aufweisen, die sich in Steckrichtung betrachtet zunächst einen Bereich mit geringerem Querschnitt und sich daran anschließend einen Bereich mit größerem Querschnitt besitzt, der die Drahtschliefe im vollständig eingesteckten Zustand aufnimmt.
Kontaktanordnung bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel mit Buchsenkontakten (22) und einer Zellkontaktierungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgebildet ist mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt zu werden.
Brennstoffzelle umfassend einen Brennstoffzellenstapel ausgebildet mit Buchsenkontakten (22) und einer Zellkontaktierungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt oder zusammensteckbar ist.