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Die Erfindung betrifft ein als Blechklammer ausgebildetes elektrisches Kontaktierelement. Ferner betrifft die Erfindung eine Messanordnung zur Messung einer elektrischen Spannung in einem Brennstoffzellensystem, welches einen Stapel elektrochemischer Zellen, nämlich Brennstoffzellen, mit einer Vielzahl an Bipolarplatten umfasst.
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Die
EP 1 900 052 B1 offenbart eine Bipolarplatte, welche aus zwei Halbblechen, nämlich einer sogenannten halben kathodischen Bipolarplatte und einer halben anodischen Bipolarplatte, zusammengesetzt ist. Zusätzlich zu zahlreichen sonstigen dreidimensionalen Strukturierungen sind durch die Halbbleche hohle Aufnahmen gebildet, in welche elektrische Verbindungselemente zu Messzwecken einsteckbar sind.
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Ein weiterer Steckverbinder zum Messen einer Zellspannung einer Brennstoffzelle ist in der
DE 10 2018 110 870 A1 beschrieben. In diesem Fall ist ein Steckverbinder in eine diagonale Richtung relativ zur äußeren Form der Brennstoffzellen angebracht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Methoden der Kontaktierung elektrisch leitfähiger flächiger Bauteile, insbesondere in Form von Bipolarplatten elektrochemischer Zellen, anzugeben, wobei auch unter Bedingungen der Serienfertigung eine hohe Prozesssicherheit gegeben sein soll und Anwendungsmöglichkeiten unter anderem bei dicht gestapelten Platten, wie sie in Brennstoffzellenstapeln vorliegen können, angestrebt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Kontaktierelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Kontaktierelement ist verwendbar in einer nach Anspruch 9 gestalteten Messanordnung zur Spannungsmessung in einem Brennstoffzellensystem.
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Das Kontaktierelement liegt als Blechklammer mit gefalteter Grundform vor. Dies bedeutet, dass das Kontaktierelement im Querschnitt zumindest näherungsweise eine U-Form beschreibt. Zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete flächige Klammerteile, welche im Querschnitt die beiden U-Schenkel darstellen, werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Klammerunterteil und Klammeroberteil bezeichnet. In Draufsicht auf die genannten Klammerteile sind diese durch einen linienförmigen Verbindungsbereich einstückig miteinander verbunden. Sofern das Klammerunterteil und das Klammeroberteil eine nicht quadratische Grundform haben, kann sich der Verbindungsbereich insbesondere an einer Längsseite der aufeinanderliegenden Klammerteile befinden.
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Durch federelastische Eigenschaften der Blechklammer sind die flächigen Klammerteile gegeneinander angefedert. Das elektrische Kontaktierelement ist sowohl für automatisierte als auch für manuelle Montagevorgänge geeignet. In beiden Fällen erleichtert die nicht vollständige Überdeckung der beiden flächigen Klammerteile das Aufbiegen der Klammerteile bei der Montage. Wird die Blechklammer per Hand oder durch einen Manipulator, der Teil eines Montageroboters sein kann, am linienförmigen Verbindungsbereich gegriffen, so kann das Aufbiegen auf einfache Weise durch eine geringfügige Drehbewegung bewirkt werden, mit der das Klammerunterteil etwas nach unten und das Klammeroberteil etwas nach oben ausgelenkt wird. Die Richtungsangaben beziehen sich hierbei auf eine denkbare horizontale Anordnung der Blechklammer und implizieren keinerlei Aussage über die tatsächliche Einbausituation.
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Die beiden flächigen, plättchenartigen Klammerteile können identische Außenkonturen aufweisen, wobei das Klammerunterteil durch Spiegelung an einer orthogonal zum linienförmigen Verbindungsbereich verlaufenden Spiegelachse aus dem Klammeroberteil hervorgeht. Die partielle Abdeckung des einen Klammerteils durch das andere Klammerteil ist insbesondere derart gestaltet, dass bei Draufsicht auf eines der Klammerteile das andere Klammerteil zu weniger als einem Viertel sichtbar ist.
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In Draufsicht auf das Klammerunterteil oder das Klammeroberteil beschreibt die Blechklammer gemäß verschiedener, montagetechnisch günstiger Gestaltungen eine modifizierte Rechteckform. Hierbei können die Seitenlinien der Blechklammer, welche dem linienförmigen Verbindungsbereich gegenüberliegen, jeweils aus mehreren aneinandergrenzenden Abschnitten zusammengesetzt sein, wobei einer dieser Abschnitte zumindest näherungsweise parallel zum linienförmigen Verbindungsbereich ausgerichtet und ein hieran anschließender Abschnitt gegenüber dem linienförmigen Verbindungsbereich schräggestellt ist. Sowohl beim Klammerunterteil als auch beim Klammeroberteil kann der schräg gestellte Abschnitt länger als der erstgenannte Abschnitt sein.
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Insgesamt kann damit durch die flächigen Klammerteile ein V-förmiger Einschnitt an derjenigen Seite der Blechklammer ausgebildet sein, welche dem linienförmigen Verbindungsbereich gegenüberliegt. In ähnlicher Weise kann im Fall gekrümmter Konturen der Klammerteile eine abgerundete Aussparung an einer Seitenlinie beider Klammerteile gebildet sein.
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Der sogenannte linienförmige Verbindungsbereich kann derart gestaltet sein, dass durch diesen ein Abstand zwischen den beiden flächigen Klammerteilen hergestellt ist, wobei der Abstand in Normalrichtung der flächigen Klammerteile zu messen ist und typischerweise etwa der Wandstärke einer Platte, insbesondere Bipolarplatte, entspricht, an welcher das Kontaktierelement anzubringen ist.
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Im Querschnitt entspricht der in Draufsicht auf eines der flächigen Klammerteile linienförmig erscheinende Verbindungsbereich einer U-Basis, an welche die beiden U-Schenkel, das heißt flächigen Klammerteile, anschließen. Im montierten Zustand sind die beiden flächigen Klammerteile des Kontaktierelementes durch die zwischen diesen Klammerteilen liegende, elektrisch kontaktierte Platte voneinander beabstandet.
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Solange das Kontaktierelement noch nicht an die Platte, insbesondere Bipolarplatte, angesetzt ist, existiert eine beträchtliche Vorspannkraft zwischen den Klammerteilen, welche dazu führt, dass sich die Klammerteile an ihren den Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seitenlinien, nicht jedoch in der Nähe des linienförmigen Verbindungsbereichs, kontaktieren. Die Vorspannkraft kann derart eingestellt sein, dass im Umbiegebereich, das heißt im linienförmigen Verbindungsbereich, die Zugfestigkeit des Werkstoffs, das heißt wärmebehandelten Bleches, insbesondere Stahlbleches, zwischen 50 % und 99 % ausgenutzt ist. Die Blechklammer weist beispielsweise eine Materialstärke von 50 µm bis 200 µm auf. Damit ist die Blechklammer für die Verwendung bei Brennstoffzellenstapeln geeignet, welche einen Zellabstand von ca. 1,0 mm bis 1,2 mm aufweisen.
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Die nach Anspruch 9 ausgebildete Messanordnung zur Spannungsmessung in einem Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Bipolarplatte sowie ein an diese Platte angesetztes, nach Anspruch 1 ausgebildetes Kontaktierelement. Die Wandstärke des Kontaktierelementes liegt beispielsweise im Bereich von 25% bis 200% der Wandstärke der Bipolarplatte. Die Bipolarplatte kann in an sich bekannter Weise aus zwei Halbblechen aufgebaut sein. Durch die geringe Wandstärke des Kontaktierelementes benötigt dieses innerhalb eines Stapels aus Brennstoffzellen praktisch keinen zusätzlichen Bauraum.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung befindet sich an mindestens einem flächigen Klammerteil, das heißt am Klammerunterteil und/oder am Klammeroberteil, mindestens eine im Sinne eines Widerhakens wirksame Zunge, die unmittelbar an das betreffende Klammerteil angeformt ist. Die Zungen können sich im mittleren Bereich der flächigen Klammerteile befinden, das heißt von deren Rändern beabstandet sein.
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Der in Draufsicht auf die flächigen Klammerteile linienförmig erscheinende Verbindungsbereich kann einfach oder mehrfach unterbrochen, das heißt aus einzelnen, voneinander beabstandeten Verbindungsabschnitten gebildet sein. Hierbei kann sich an einem Abschnitt, welcher zwischen zwei Verbindungsabschnitten liegt, eine zur Verbindung mit einem Kabel vorgesehene Lasche befinden, die entweder an das Klammerunterteil oder an das Klammeroberteil angeformt ist. Im anderen Klammerteil kann sich an der entsprechenden Stelle eine Aussparung befinden, die durch Ausstanzen der Lasche entstanden ist. Hinsichtlich der federnden Eigenschaften der Blechklammer ist diese Aussparung ohne praktische Relevanz.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kontaktierelementes für eine Bipolarplatte in Draufsicht,
- 2 und 3 das Kontaktierelement nach 1 in Schnittdarstellungen,
- 4 eine modifizierte Variante eines Kontaktierelementes in einer Ansicht analog 1
- 5 ausschnittsweise eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mit montiertem Kontaktierelement.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnete Bipolarplatte ist zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen und weist verschiedene Ports 3, 4, 5 zur Einleitung von Medien auf. Ein Verteilerfeld der Bipolarplatte 2 ist mit 6, ein Aktivfeld mit 7 bezeichnet. Ports zur Medienausleitung sind nicht dargestellt. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Bipolarplatte 2 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Ein an die Bipolarplatte 2 angesetztes Kontaktierelement 1 ermöglicht die Messung der an der Bipolarplatte 2 anliegenden elektrischen Spannung. Das Kontaktierelement 1 hat die Grundform einer gefalteten Blechklammer, wobei ein flächiges Klammerunterteil mit 8 und ein ebenfalls flächiges Klammeroberteil mit 9 bezeichnet ist. Die Bezeichnungen „Unterteil“ sowie „Oberteil“ werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit verwendet. Tatsächlich befindet sich die Bipolarplatte 2 in zahlreichen Anwendungsfällen in vertikaler Ausrichtung in einem Brennstoffzellenstapel. Die Bipolarplatte 2 hat eine langgestreckte rechteckige Form, wobei das Kontaktierelement 1 beispielsweise, wie in 5 skizziert, auf eine der kürzeren Seiten der Bipolarplatte 2 aufgesteckt ist. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels sind gleichartige Bipolarplatten 2 und etwa 1,0 mm bis 1,2 mm voneinander beabstandet.
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Die beiden flächigen Klammerteile 8, 9 des Kontaktierelementes 1 sind durch einen vergleichsweise schmalen, in der Draufsicht (1, 4, 5) linienförmig erscheinenden Verbindungsbereich 10 miteinander verbunden. Im Querschnitt (2, 3) beschreibt der Verbindungsbereich 10 zusammen mit den hieran anschließenden Klammerteilen 8, 9 eine schmale U-Form, deren lichte Weite, zu messen am Verbindungsbereich 10, mit h bezeichnet ist und etwa der Wandstärke der Bipolarplatte 2 entspricht. Die Wandstärke des Kontaktierelementes 1 ist mit d bezeichnet und deutlich geringer als die Wandstärke der Bipolarplatte 2. In der Draufsicht hat das Kontaktierelement 1 eine modifizierte Rechteckform mit einer Länge L und einer Breite B. Der Verbindungsbereich 10 erstreckt sich insgesamt über die Länge L. Dem Verbindungsbereich 10 liegen nicht gerade Seitenlinien 11, 12 der Klammerteile 8, 9 gegenüber. Hierbei wird die Seitenlinie 11 auch als Vorderkante des Klammerunterteils 8 und die Seitenlinie 12 auch als Vorderkante des Klammeroberteils 9 bezeichnet. Jede Seitenlinie 11, 12 setzt sich zusammen aus einem ersten Abschnitt 14, welcher parallel zum Verbindungsbereich 10 angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt 15, welcher schräg zum linienförmigen Verbindungsbereich 10 gestellt ist. Der erste Abschnitt 14 ist jeweils kürzer als der zweite Abschnitt 15, sodass in der Draufsicht ein V-förmiger Einschnitt 13 an den Vorderkanten 11, 12 gebildet ist. Sowohl beim Klammerunterteil 8 als auch beim Klammeroberteil 9 geht der erste Abschnitt 14 in eine längere Schmalseite 16 und der zweite Abschnitt 15 in eine kürzere Schmalseite 17 des jeweiligen Klammerteils 8, 9 über.
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Jedes Klammerteil 8, 9 ist als Kombination aus einem Rechteck und einem Trapez darstellbar, wobei das Rechteck unter anderem durch die längere Schmalseite 16 und den Abschnitt 14 und das Trapez unter anderem durch die kürzere Schmalseite 17 und den Abschnitt 15 begrenzt ist. Die beiden Rechteck-Trapez-Kombinationen, welche durch die Klammerteile 8, 9 beschrieben werden, sind spiegelbildlich zueinander angeordnet, wobei eine Spiegelachse mittig zwischen die beiden Schmalseiten 16, 17 gelegt ist.
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Bei Draufsicht auf das Klammeroberteil 9, wie in den 1 und 4 dargestellt, ist auch eine Teilfläche des Klammerunterteils 8 sichtbar. Analoges gilt auch bei Blickrichtung auf das Klammerunterteil 8. Im nicht montierten Zustand (1 bis 4) berühren sich die Klammerteile 8, 9, wie aus den 2 und 3 hervorgeht, ausschließlich im Bereich der Vorderkanten 11, 12. Hierbei sind die flächigen Klammerteile 8, 9 mit Vorspannung aneinandergepresst. Die Vorspannung ist derart eingestellt, dass im Umbiegebereich, das heißt in den Übergangsbereichen zwischen dem Verbindungsbereich 10 und den Klammerteilen 8, 9, die Zugfestigkeit des Werkstoffs, das heißt Blechs, zu 50 % bis 99 % ausgenutzt wird. Das Aufbiegen des Kontaktierelementes 1 zu Montagezwecken erfolgt, indem das Klammeroberteil 9 etwas nach oben und das Klammerunterteil 8 etwas nach unten gebogen wird. Dies ist entweder manuell oder mit Hilfe eines Werkzeugs, welches an der Oberseite des Klammerunterteils 8 und zugleich an der Unterseite des Klammeroberteils 9 angreift und um die genannte Spiegelachse schwenkbar ist, bewerkstelligbar. Sobald das Kontaktierelement 1 auf die Bipolarplatte 2 aufgesetzt ist, wie in 5 dargestellt, ist lediglich eines der Klammerteile 8, 9 sichtbar.
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Um ein unbeabsichtigtes Abziehen des Kontaktierelementes 1 von der Bipolarplatte 2 zu verhindern, befindet sich in einem der flächigen Klammerteile 8, 9, in den Ausführungsbeispielen stets im sogenannten Klammeroberteil 9, eine Zunge 18, welche in der Art eines Widerhakens wirkt. Die Zunge 18 ist innerhalb einer mit 19 bezeichneten Aussparung, welche sich im Klammeroberteil 9 befindet, auslenkbar.
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Der in allen Ausführungsformen insgesamt jeweils linienförmige Verbindungsbereich 10 ist aus voneinander getrennten Verbindungsabschnitten 20, 21, 22 gebildet, wobei Zwischenbereiche, in welchen die Klammerteile 8, 9 nicht miteinander verbunden sind, mit 23, 24 bezeichnet sind. Die fehlende direkte Verbindung zwischen den Klammerteilen 8, 9 in den Zwischenbereichen 23, 24 ist nutzbar, um eine Lasche 25 zu formen, welche aus einem der Klammerteile 8, 9 ausgestanzt ist und im verwendungsfähigen, umgeformten Zustand des Kontaktierelementes 1 aus dem anderen Klammerteil 9, 8 herausragt, wie in den 4 und 5 erkennbar ist. Die Lasche 25 schließt mit einem schmalen Übergangsbereich 26, der orthogonal zum Verbindungsbereich 10 verläuft, an das flächige Klammerteil 8, 9 an. An den schmalen Übergangsbereich 26 schließt, um 90° abgeknickt, ein Kontaktierungsbereich 27 an, der den Anschluss eines Kabels zu Messzwecken ermöglicht. Der Kontaktierungsbereich 27 umfasst einen ersten Querriegel 28 und einen zweiten, vorderen Querriegel 29, wobei die Querriegel 28, 29 parallel zueinander sowie parallel zum schmalen Übergangsbereich 26 ausgerichtet sind und damit in der Draufsicht mit dem linienförmig erscheinenden Verbindungsbereich 10, das heißt mit der U-Basis des Kontaktierelementes 1, einen rechten Winkel einschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktierelement
- 2
- Bipolarplatte
- 3
- Port
- 4
- Port
- 5
- Port
- 6
- Verteilerfeld
- 7
- Aktivfeld
- 8
- Klammerunterteil
- 9
- Klammeroberteil
- 10
- Verbindungsbereich
- 11
- Seitenlinie, Vorderkante des Klammerunterteils
- 12
- Seitenlinie, Vorderkante des Klammeroberteils
- 13
- V-förmiger Einschnitt
- 14
- erster Abschnitt der Seitenlinie
- 15
- zweiter, schräg gestellter Abschnitt der Seitenlinie
- 16
- längere Schmalseite
- 17
- kürzere Schmalseite
- 18
- Zunge
- 19
- Aussparung
- 20
- Verbindungsabschnitt
- 21
- Verbindungsabschnitt
- 22
- Verbindungsabschnitt
- 23
- Zwischenbereich
- 24
- Zwischenbereich
- 25
- Lasche
- 26
- schmaler Übergangsbereich
- 27
- Kontaktierungsbereich
- 28
- erster Querriegel
- 29
- zweiter Querriegel
- B
- Breite
- d
- Wandstärke des Kontaktierelementes
- h
- Höhe, Wandstärke der Bipolarplatte
- L
- Länge
