-
Die Erfindung betrifft eine Kontaktiervorrichtung für Platten innerhalb eines Stapels elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kontaktierung mindestens einer Platte eines Stapels elektrochemischer Zellen.
-
Die
WO 2020 / 200 338 A1 offenbart ein Batteriezellenmakromodulgehäuse zum Aufnehmen mehrerer Batteriezellen in einem Gehäuse. Das Gehäuse umfasst eine Gehäuseschale, in welcher sich eine Öffnung zur Aufnahme einer Platinenanschlussbuchse befindet. Die Anschlussbuchse ist an einem Außenbereich eines Platinenkörpers befestigt. Das Batteriezellenmakromodulgehäuse nach der
WO 2020 / 200 338 A1 soll insbesondere für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen geeignet sein.
-
Die
DE 89 02 967 U1 beschreibt eine mögliche Bauform eines elektrischen Steckkontakts mit einem Flachstecker. Der elektrische Steckkontakt ist als Blechstanzteil ausgebildet, wobei der Flachstecker durch einen Umschlag wenigstens eines Randstreifens des Blechstanzteils doppellagig ausgebildet ist. Eine Federarmbasis des elektrischen Steckkontakts nach der
DE 89 02 967 U1 ist durch einen Anbindungssteg mit dem Flachstecker verbunden. An der Federarmbasis ist ein Rastfederzungen-Basisteil gehalten, welches durch einen ebenen Streifen gebildet ist. Insgesamt soll der bekannte elektrische Steckkontakt derart gestaltbar sein, dass im Bereich der Federarmbasis die Dicke des Flachsteckers nicht überschritten wird.
KR 10 2005 004 8277 A schlägt eine Kontaktierung über Drähte unter einer Klebeschicht vor, die zu einem Steckkontakt außerhalb der Klebeschicht führen.
-
-
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.
-
US 2008 /0 102 332 A1 zeigt einen Steckverbinder zum Messen einer Zellspannung. 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.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Kontaktierung elektrochemischer Zellen gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten zu erzielen, wobei auch eine besonders gute Raumausnutzung angestrebt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Kontaktierung mindestens einer Platte innerhalb eines Stapels elektrochemischer Zellen vorgesehene Kontaktiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Kontaktierung einer Platte eines Stapels elektrochemischer Zellen gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Kontaktiervorrichtung erläuterte Ausgestaltung und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Kontaktierungsverfahren und umgekehrt.
-
Die Kontaktiervorrichtung umfasst einen flexiblen Kontaktierungsstreifen, welcher zum Andrücken an eine Stirnfläche einer leitfähigen Platte des Stapels elektrochemischer Zellen vorgesehen ist, wobei der Kontaktierungsstreifen in einer orthogonal zur Platte ausgerichteten Ebene liegt und sich an einem Anlagestreifen befindet, an welchem weiterhin mindestens ein Positionierkeil angebracht ist. Hierbei können Positionierkeile beiden Enden des Kontaktierungsstreifens benachbart sein. Ebenso sind Varianten möglich, bei welchen sich lediglich an einem einzigen Ende des Kontaktierungsstreifens ein Positionierkeil befindet. In jedem Fall ist der mindestens eine Positionierkeil zur Positionierung zwischen zwei zueinander parallelen Platten des Stapels elektrochemischer Zellen vorgesehen.
-
Durch die Flexibilität des Kontaktierungsstreifens werden Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen, sodass trotz des ausschließlich oder überwiegend stirnseitigen Kontakts zuverlässig eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Platte des Zellenstapels und der Kontaktiervorrichtung hergestellt wird. Bei den zu kontaktierenden Platten der elektrochemischen Zellen kann es sich insbesondere um Bipolarplatten handeln. Die zu kontaktierenden Stirnflächen können hierbei insbesondere in Form von Blechkanten vorliegen, die durch einen Schneidprozess erzeugt wurden und keine exakt definierte geometrische Form haben. Kurz kann hierbei von Kanten rauer Bipolarplatten gesprochen werden. Optional werden die Bipolarplatten an ihren Kanten umgebogen, um die Kontaktflächen zu vergrößern. Im Fall von Abkantungen können auch Winkelfehler eine Rolle spielen, welche mit Hilfe der Kontaktiervorrichtung ausglichen werden können.
-
In Relation zur gegebenen unebenen und rauen stirnseitigen Oberfläche schmiegt sich der flexible Kontaktierungsstreifen im Vergleich zu denkbaren, in sich vergleichbar steifen Kontaktierungselementen, auch in Form metallischer Kontaktierungsfedern, großflächig an die Kante der Bipolarplatte oder sonstigen elektrisch leitfähigen Platte an. Dadurch, dass kein flächiger Kontakt auf der Ober- und/oder Unterseite der Platte hergestellt werden muss, beansprucht die Kontaktiervorrichtung besonders wenig Raum.
-
Allgemein erfolgt die Kontaktierung der mindestens einen Platte innerhalb des Stapels elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellenstapels, folgendermaßen:
- - ein Stapel elektrochemischer Zellen, welcher eine Vielzahl zueinander paralleler Platten umfasst, wird bereitgestellt,
- - die anmeldungsgemäße Kontaktiervorrichtung wird mit Hilfe einer in sich starren Druckschiene an eine Stirnfläche mindestens einer Platte des Zellenstapels angepresst, wobei durch die Anpresskraft ein in der Plattenebene liegender Kraftvektor gegeben ist.
-
Bei dem Kontaktierungsstreifen kann es sich insbesondere um einen Streifen aus elektrisch leitfähigem Kunststoff handeln. Die Leitfähigkeit kann hierbei in an sich bekannter Weise durch zugesetztes elektrisch leitfähiges Material hergestellt sein. Was den Begriff der Kontaktierung an einer Stirnfläche, das heißt die stirnseitige Kontaktierung, welche durch den Kontaktierungsstreifen gegeben ist, betrifft, wird beispielhaft auf die
WO 02/096607 A1 hingewiesen, die die Behandlung von Stirnflächen von Platten betrifft, sich jedoch nicht mit elektrischen Eigenschaften auseinandersetzt.
-
Der Anlagestreifen, auf welchem sich der Kontaktierungsstreifen befindet, kann insbesondere als flexible Leiterbahn ausgebildet sein. Somit weist die gesamte Anordnung aus Kontaktierungsstreifen und Anlagestreifen eine Flexibilität auf, welche für die flächige Kontaktierung von wesentlicher Bedeutung ist. Der Kontaktierungsstreifen in Form des stromleitenden, elastischen Kunststoffs kann auf die als Zwischenprodukt bereitgestellte flexible Leiterbahn in an sich bekannter Weise aufgebracht werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich auf der dem Kontaktierungsstreifen abgewandten Seite des Anlagestreifens ein komprimierbares Band, beispielsweise aus Moosgummi. Die Stärke dieses Bandes, bezogen auf den nicht komprimierten Zustand, kann größer als die Wandstärke des Kontaktierungsstreifens sein. Mit Hilfe des komprimierbaren Bandes kann sich der zur elektrischen Kontaktierung vorgesehene Kontaktierungsstreifen besonders gut Formfehlern des Plattenstapels an den Kanten der Platten anpassen.
-
Was die Ausdehnung des insgesamt von der Kontaktiervorrichtung oder mehreren solcher Vorrichtungen kontaktierten Bereichs des Stapels elektrochemischer Zellen betrifft, sind zahlreiche Gestaltungsvarianten möglich, wobei bei jeder dieser Varianten davon ausgegangen wird, dass auf dem Anlagestreifen eine Mehrzahl zueinander paralleler Kontaktierungsstreifen angeordnet ist:
- Beispielsweise können durch die Kontaktierungsstreifen gegebene Folienkontakte über den gesamten Zellenstapel, welcher kurz auch als Stack bezeichnet wird, laufen. Dies kommt insbesondere bei engen Toleranzen des Stacks, das heißt bei einer hohen geometrischen Präzision, in Betracht.
-
Ebenso ist es möglich, Folienkontakte, welche mittels der Mehrzahl an Kontaktierungsstreifen gegeben sind, auf wenige Zellen des Stacks zu beschränken. Zu diesem Zweck sind stufige Aussparungen der Kontaktierungsstreifen von Vorteil. Dies bedeutet allgemein, dass die beiden an den Rändern des Anlagestreifens angeordneten Kontaktierungsstreifen in eine erste äußere beziehungsweise zweite äußere Kontur des Anlagestreifens eingefügt sind, wobei die genannten Konturen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip aufeinander abgestimmt sind, so dass mehrere gleichartige Anlagestreifen unter Einhaltung von Abständen aneinander gesetzt werden können. Ein Kontaktierungselement weist zum Beispiel drei bis acht parallel zueinander angeordnete flexible Kontaktierungsstreifen, insbesondere vier solcher Streifen, auf.
-
Die Anzahl der Kontakte kann in Abhängigkeit von der Fertigungstoleranz der Zellen festgelegt werden. Je präziser die Geometrie der Zellen und damit des gesamten Stacks festgelegt ist, desto mehr Platten des Stacks können durch ein einziges Band, auf welchem sich mehrere streifenförmige Kontaktierungsbereiche befinden, gleichzeitig kontaktiert werden. Im Extremfall können sämtliche Zellen eines Stacks, beispielsweise 400 Zellen, von einem einzigen, ununterbochenen flächigen flexiblen Objekt, das eine Vielzahl an Kontaktbändern ersetzt, kontaktiert werden.
-
Optional befindet sich auf dem Anlagestreifen einschließlich gruppierter Kontaktierungsstreifen oder auf einer mit dem Anlagestreifen verbundenen Komponente mindestens ein elektrisches Verbindungselement. Bei diesem Element kann es sich beispielsweise um einen Stecker oder um ein komplexeres Element eines elektronischen Netzwerks handeln. Das Verbindungselement, welches insbesondere in ein Bus-System eingebunden ist, kann hierbei auf einer festen Platine angeordnet sein.
-
Flexible Verbindungen zwischen einzelnen, typischerweise gleichartigen Kontaktiervorrichtungen können beispielsweise als in Schlaufen gelegte Folien ausgebildet sein, mit welchen Toleranzen in Normalrichtung der zueinander parallelen, zu kontaktierenden Platten ausgeglichen werden können. Sind die Platten horizontal ausgerichtet, sind auf diese Weise Toleranzen in vertikaler Richtung ausgleichbar.
-
Mit Hilfe der als Positionierkeile bezeichneten Elemente passen sich, ausgehend von der willkürlich als horizontal angenommenen Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, zu kontaktierenden Platten, insbesondere Bipolarplatten, die Höhen der einzelnen Kontaktierungsstreifen der Höhenlage der Platten an. Von Positionierkeilen wird auch dann gesprochen, wenn diese keine strenge Keilform, sondern beispielsweise eine abgerundete Querschnittsform oder eine Zahnform aufweisen, solange mit Hilfe der sogenannten Positionierkeile eine für die Kontaktierung ausreichende Justierung der Kontaktierungsstreifen in Relation zu den Platten möglich ist.
-
Sollen mehrere Kontaktiervorrichtungen gleichzeitig elektrisch an mehrere Platten oder alle Platten des Stapels angeschlossen werden, so ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Kontaktiervorrichtungen zunächst federnd auf Abstand zueinander gehalten werden. Hierbei können Federelemente beispielsweise zwischen Steckern, die jeweils einer Kontaktiervorrichtung zuzurechnen sind, gespannt sein. Die Federelemente sorgen dafür, dass zunächst gleiche Abstände zwischen den einzelnen Kontaktiervorrichtungen gegeben sind. Das Andrücken sämtlicher Kontaktiervorrichtungen an den gesamten Stapel elektrochemischer Zellen kann dann insbesondere mit einer am Zellenstapel befestigten, beispielsweise an den Stackenden gehaltenen Druckschiene erfolgen. Im Zuge der Anbringung der Kontaktiervorrichtungen wird beispielsweise zunächst die oberste und die unterste Kontaktierungsvorrichtung auf die vorgesehene Höhe gebracht. Die restlichen, dazwischen liegenden Kontaktierungsvorrichtungen richten sich mit Hilfe der genannten Federelemente und der Positionierkeile aus, so dass keine weiteren manuellen Justierungsarbeiten erforderlich sind.
-
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass auf einfache, raumsparende Weise eine Kontaktierung von Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels möglich ist, ohne Ausklinkungen, Vorsprünge oder ähnliche Konturen der elektrisch zu kontaktierenden Platten zu benötigen. Die Kontaktierungsvorrichtung ist insbesondere zum Messen der Zellspannung von Brennstoffzellen, das heißt zur Zellüberwachung, verwendbar.
-
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise grob vereinfacht:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung ausschnittsweise einen Stapel elektrochemischer Zellen sowie eine hieran angesetzte Kontaktiervorrichtung,
- 2 einen Abschnitt der Kontaktiervorrichtung nach 1 in Draufsicht,
- 3 die gesamte Kontaktiervorrichtung nach 2 in schematisierter Draufsicht,
- 4 die Anordnung nach 3 in einer schematisierten Schnittdarstellung,
- 5 eine alternative Ausgestaltung einer Kontaktiervorrichtung in einer Ansicht analog 3,
- 6 die Anordnung nach 5 in einer Ansicht analog 4.
-
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.
-
Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Stapel elektrochemischer Zellen handelt es sich in den Ausführungsbeispielen um einen Brennstoffzellenstapel. Elektrische Kontakte zu Bipolarplatten 3 des Brennstoffzellenstapels 1 werden mit Hilfe einer Kontaktiervorrichtung 2 hergestellt. Der Brennstoffzellenstapel 1 wird kurz auch als Stack bezeichnet. Alternativ zu den Ausführungsbeispielen könnte der Stack 1 beispielsweise Teil einer Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff oder Kernkomponente einer Redox-Flow-Batterie sein.
-
Die Platten 3, das heißt Bipolarplatten, sind jeweils aus zwei Halbblechen 4, 5 zusammengesetzt. Einzelne elektrochemische Zellen 6, das heißt Brennstoffzellen, umfassen in an sich bekanntem Aufbau zwei Halbzellen 7, 8, welche durch eine Protonen leitende Membran 9 voneinander getrennt sind.
-
In den in den Figuren skizzierten Anordnungen sind die Biopolarplatten 3 stets horizontal ausgerichtet. Eine Aussage über die tatsächliche Anordnung der Bipolarplatten 3 im Raum ist damit nicht verbunden. Dementsprechend beziehen sich Richtungsangaben wie „oben“, „unten“ oder „seitlich“ lediglich auf die in den Figuren erkennbaren Anordnungen und stellen kein Präjudiz für die tatsächliche Orientierung im Raum dar. Insbesondere ist eine vertikale Ausrichtung der Bipolarplatten 3 möglich.
-
Die Kontaktiervorrichtung 2 umfasst mindestens einen flexiblen Kontaktierungsstreifen 10, welcher zur Anlage an einer Stirnfläche 11 einer Bipolarplatte 3 vorgesehen ist. Der Kontaktierungsstreifen 10 ist aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt und befindet sich auf einem allgemein mit 12 bezeichneten Anlagestreifen, bei welchem es sich in den Ausführungsbeispielen um eine flexible Leiterbahn handelt. Am Anlagestreifen 12 sind weiterhin Positionierkeile 13 gehalten, die jeweils zwischen zwei benachbarte Bipolarplatten 3 oder mit den Bipolarplatten 3 fest verbundene Strukturen einzusetzen sind, sodass jeder Kontaktierungsstreifen 10 zur korrekten Anlage an der Stirnfläche 11 einer der Bipolarplatten 3 gelangt.
-
Auf der dem Kontaktierungsstreifen 10 abgewandten Seite des Anlagestreifens 12 befindet sich ein komprimierbares Band 14, welches Druckkräfte übertragen kann. Das komprimierbare Band 14 ragt seitlich über die Kontaktierungsstreifen 10 hinaus, sodass es nicht nur die Kontaktierungsstreifen 10, sondern auch die Positionierkeile 13 abdeckt, die sich an beiden Enden der Kontaktierungsstreifen 10 befinden. Das komprimierbare Band 14 ist in den vorliegenden Fällen aus Moosgummi gefertigt und deutlich dicker als der ebenfalls flexible Kontaktierungsstreifen 10. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils vier Kontaktierungsstreifen 10 übereinander auf dem Anlagestreifen 12 angeordnet.
-
Um die Kontaktiervorrichtung 2 seitlich an den Stack 1 anzudrücken, ist eine Druckschiene 15 vorgesehen, die am Stack 1 befestigbar ist. Mit der Druckschiene 15 kann eine Mehrzahl an Kontaktiervorrichtungen 2 gleichzeitig an den Stack 1 angedrückt werden. Im Extremfall können sämtliche Bipolarplatten 3 des Stacks 1 gleichzeitig durch mehrere Kontaktiervorrichtungen 2 elektrisch kontaktiert werden.
-
Wie aus den 3 und 5 hervorgeht, weist der Anlagestreifen 12 eine Vor- und Rücksprünge aufweisende obere Kontur 21 und eine in ähnlicher Weise gestaltete untere Kontur 22 auf. Die verschiedenen Konturen 21, 22 passen hierbei nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip zusammen, wobei Aussparungen jeder Kontur 21, 22 signifikant breiter als zugehörige Vorsprünge der korrespondierenden Kontur 22, 21 sind, so dass Spalte zwischen aneinander gesetzten Anlagestreifen 12 entstehen. Auch in horizontaler Richtung existieren Spalte zwischen benachbarten, an den Stack 1 angesetzten Anlagestreifen 12. Durch das Fehlen einer festen Verbindung zwischen den einzelnen Anlagestreifen 12 können geometrische Unvollkommenheiten des Stacks 1 ausgeglichen werden.
-
Damit können mehrere Kontaktiervorrichtungen 2 in geometrisch nicht exakt definierter Weise übereinandergesetzt werden, ohne Bipolarplatten 3 auszulassen. Auch in Fällen. In denen die Konturen 21, 22, gerade sind, ermöglichen geringe Abstände zwischen den einzelnen Kontaktiervorrichtungen 2 einen Ausgleich von geometrischen Toleranzen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1. Die einzelnen Kontaktiervorrichtungen 2 können über federnde Elemente, die Kräfte in vertikaler Richtung erzeugen, flexibel miteinander zusammenwirken.
-
In den 3 und 5 sind mehrere Leiter 16 auf dem Anlagestreifen 12 erkennbar, welche an die Kontaktierungsstreifen 10 angeschlossen sind. Sowohl in der Anordnung nach 3 als in der Anordnung nach 5 befindet sich ein elektrisch mit den Leitern 16 verbundener Stecker 17 auf einer festen Platine 18. Zusätzlich ist in der Ausgestaltung nach 5 ein Netzwerkelement 19 vorhanden, an welches ein Flachbandkabel 23 angeschlossen ist, mit dem die Verbindung zu einer weiteren, gleichartigen Kontaktiervorrichtung 2 hergestellt ist. Die Gesamtheit an Kontaktiervorrichtungen 2, welche sich am Brennstoffzellenstapel 1 befinden, ist über ein Kabel 20 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellenstapel, Stapel elektrochemischer Zellen
- 2
- Kontaktiervorrichtung
- 3
- Platte, Bipolarplatte
- 4
- Halbblech
- 5
- Halbblech
- 6
- elektrochemische Zelle
- 7
- Halbzelle
- 8
- Halbzelle
- 9
- Membran
- 10
- Kontaktierungsstreifen
- 11
- Stirnfläche
- 12
- Anlagestreifen, flexible Leiterbahn
- 13
- Positionierkeil
- 14
- komprimierbares Band
- 15
- Druckschiene
- 16
- Leiter
- 17
- Stecker
- 18
- feste Platine
- 19
- Netzwerkelement
- 20
- Kabel
- 21
- obere Kontur
- 22
- untere Kontur
- 23
- Flachbandkabel
