WO2017211508A1 - Verfahren zum kontaktieren von mehreren separatorplatten sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2017211508A1
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Stefan Haase
Marco Hausrath
Florian Kriesch
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a method for contacting a plurality of separator plates and a fuel cell system.
  • the technology disclosed here relates in particular to the electrical connection of the separator plates of a fuel cell system to a system for
  • CVM cell voltage monitoring system
  • the technology disclosed herein relates to a method of electrically contacting a plurality of separator plates of a fuel cell system.
  • the technology disclosed herein further relates to a fuel cell system having at least one fuel cell.
  • the fuel cell system is
  • a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat.
  • the fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator.
  • the anode has a supply for a fuel to the anode.
  • Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode has, for example, a supply of oxidizing agent. preferred
  • Oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • PEM proton exchange membrane
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is used.
  • Materials for such Membranes include: National®, Flemion® and Aciplex®.
  • Fuel cell system comprises at least one fuel cell and peripheral system components (BOP components), which can be used during operation of the at least one fuel cell.
  • BOP components peripheral system components
  • the fuel cells of the fuel cell system include i.d.R. two separator plates each.
  • the ion-selective separator of a fuel cell is in each case arranged between two separator plates.
  • the one separator plate forms the anode together with the ion-selective separator.
  • the immediately adjacent further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator forms the cathode together with the ion-selective separator.
  • the separator plates can be designed as monopolar plates and / or as bipolar plates. In other words, one
  • Separator plate expediently two sides, with one side
  • ion selective separators and the separator plates are i.d.R. still so-called gas diffusion layers or gas diffusion layers (GDL) provided.
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell system further includes a cell monitoring system.
  • the cell monitoring system (s): cell voltage monitoring system
  • CVM system may be formed, the state of at least one Monitor cell. It monitors the condition of a variety of fuel cells. Monitoring in this context means that the system can directly or indirectly determine the state of the monitored cells.
  • At least one measured variable can be detected directly or indirectly.
  • the measured variable may in particular be the electrical voltage of the monitored cell.
  • the single cell voltages of several or all cells and the total voltage are determined.
  • the current flowing through the fuel cell stack is further determined.
  • the cell monitoring system comprises at least one
  • the cell monitoring module may include an analog-to-digital converter that converts an analog signal of a fuel cell into a digital signal.
  • the voltage which is converted into a digital signal e.g. a 12-bit signal is converted.
  • the module may comprise at least one multiplexer.
  • the multiplexer may be configured to detect the measurement signals of the individual fuel cells of a cell group and then to send these analog signals to the analog-to-digital converter.
  • ADC module Analog Digital Converter Module
  • FCSC Fuel Cell Supervisory Circuit
  • the cell monitoring module may preferably have further analysis functionalities of the cell monitoring system, in particular by consideration of differential voltages of immediately adjacent separators.
  • the at least one cell monitoring module is usually connected via a data bus with at least one control unit.
  • the following data buses can be used here: Serial Peripheral Interface (SPI), but without Chip Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • CAN Controller Area Network
  • FlexRay MOST
  • LIN Local Interconnect Network
  • the system disclosed herein further includes at least one controller.
  • the control unit can i.a. be designed to regulate and / or control cell monitoring. It can be an engine control unit (ECU).
  • ECU engine control unit
  • the control unit for a fuel cell system may also be referred to as a Stack Management Unit (SMU).
  • SMU Stack Management Unit
  • the cell monitoring system can also be designed differently. For example, it is conceivable that no separate cell monitoring module is provided and that the cell monitoring system is connected directly to at least one (preferably all) separator plate (s) of the fuel cell system. It is also conceivable that the cell monitoring module and the control unit are integrated into one component.
  • Components include.
  • the method disclosed herein comprises the step of having multiple
  • Separator plates are stacked into a fuel cell stack or such a fuel cell stack is provided.
  • the method disclosed herein comprises the step of: laterally introducing at least one connecting element of the cell monitoring system between two immediately adjacent separator plates. Two directly adjacent separator plates together with the seal also arranged between the separator plates form the intermediate space Z.
  • the immediately adjacent separator plates are the separator plates, which are arranged directly next to one another in the fuel cell stack.
  • the at least one connecting element may be, for example, an electrical line or a pin mounted on a circuit board, a printed circuit board and / or a flex circuit board which comprises the mutually movable connection parts disclosed here.
  • the connecting element disclosed herein is configured to make electrical contact with the separator plate.
  • the connecting element is for this purpose directly or indirectly to the
  • the at least one connecting element is introduced between the edge regions B of two adjacent separator plates of the fuel cell stack. After inserting the at least one
  • Connecting element are two mutually movable connecting parts of the connecting element at least partially disposed between the immediately adjacent Separatorplatten.
  • the two mutually movable connecting parts form the insertable between the Separatorplatten part of the connecting element.
  • the method disclosed here further comprises the step of relatively moving the two mutually movable connecting parts so that at least one first connecting part of the connecting parts moves at least in sections to a separator plate of the directly adjacent separator plates. If the connecting element or the connecting parts can be inserted with sufficient clearance (that is, essentially contactless) into the intermediate spaces formed by the directly adjacent separator plates, the relative movement of the two leads to one another
  • the method disclosed here comprises the step: relative movement of the two mutually movable connecting parts, so that increases by the relative movement at least partially the contact pressure between at least one of the connecting parts and one of the immediately adjacent Separatorplatten. If the connecting element or the connecting parts already touches the directly adjacent separator plates during insertion into the interstices of the separator plates, the relative movement of the two mutually movable connecting parts causes at least an increase in the force with which the connecting element contacts at least one separator plate. In other words, therefore, causes the relative movement that increases the clamping force with which the connecting element is jammed or wedged in the space between the two immediately adjacent Separatorplatten.
  • the relative movement may comprise the step: wedging or spreading apart of the mutually movable connecting parts of the connecting element between the two immediately adjacent Separator.
  • the insertion is followed by the relative movement. It is also conceivable that the relative movement is already started before the insertion of the connecting element is completely completed.
  • the relative movement comprises the step: displacement of the two mutually movable connecting parts relative to each other.
  • this shifting takes place at a point in time at which the two connecting parts at least partially within the
  • the mutually movable connecting parts are moved parallel to the insertion direction E of the connecting element.
  • the separator plates are substantially flat.
  • the insertion direction E is expedient a direction perpendicular to the outer edge of
  • At least one connecting part may have at least one sliding surface which extends at an angle to the insertion direction E.
  • the relative movement may include the step of at least partially sliding along the sliding surface.
  • By sliding along the connecting parts are at least partially pressed apart.
  • at least one of the connection parts preferably both connection parts, may have a wedge-shaped section, along which a corresponding section of the other connection part slides. This sliding causes the connecting parts to move away from each other and to the
  • the connecting parts are designed in this way in that, as a result of the displacement of the connecting parts, they press against the walls of the adjacent separator plates at least in sections.
  • thereby higher clamping forces can be realized.
  • the susceptibility to vibration can be reduced and the contact resistance can be improved.
  • a plurality of connecting elements are each introduced between two directly adjacent separator plates, wherein the plurality of connecting elements each have two mutually movable connecting parts.
  • all connecting elements can be inserted between all separator plates, but this need not be the case.
  • the technology disclosed here relates in particular to a
  • the connecting element can be inserted in a first state of the connecting element between the two immediately adjacent separator plates.
  • the connecting element at least in some areas exerts a higher contact pressure on at least one of the adjacent separator plates than in the first state.
  • the connecting element can be set up such that it can be introduced in the first state with play or with a slight interference fit in the intermediate space formed by two directly adjacent separator plates. If the connecting element is introduced in the first state with play, the contact pressure is 0 bar. If that
  • Connecting element is pressed in the first state in the intermediate space, the contact pressure, which is located between the connecting element and at least one separator plate sets, greater than 0 bar.
  • Connecting element is convertible from the first state to the second state by two mutually movable connecting parts of the connecting element to move relative to each other.
  • the two mutually movable connecting parts can be designed to carry out the relative movement, which is explained in connection with the methods disclosed here.
  • the connecting parts may have contact surfaces which, in the second state, have the contact surfaces directly
  • Connecting parts are in a direction perpendicular to the insertion direction E in the second state further apart from each other as a first state.
  • connecting element that can be inserted into the intermediate space.
  • connection to the CVM system can, for.
  • a possible embodiment variant is shown below.
  • the line through a wedge between the line and the fuel cell
  • the CVM system can advantageously be electrically connected without contact part with the fuel cells.
  • FIGS. 1 to 3. Show it :
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system
  • FIG. 2 is a schematic representation of the separator plates 14, 14 ', 14 "and the connecting elements 1 5, 1 5', 1 5" in the first state;
  • Fig. 3 is a schematic representation of the separator plates 14, 14 ', 14 "and the connecting elements 1 5, 1 5', 1 5" in the second
  • Fig. 1 shows schematically a fuel cell stack of a
  • Fuel cell system 100 having a plurality of individual cells, of which the individual cells 1 0i, 1 02, I O3, 10 4 are exemplified here.
  • the individual cells are held and biased by two end plates 30. Adjacent to the end plates 30, current collectors 20 are provided.
  • the separator plates are here in the form of bipolar plates 14, 14 ', 14 "Each one half of two directly adjacent bipolar plates 14, 14', 14" together with a membrane arranged between them form electrode assemblies (MEA) 12, 12 ', 12 " Single cell 1 0i, 1 02, 1 03, 1 0 4.
  • the bipolar plates 14, 14 ', 14 "shown are connected to a cell monitoring system 400, which is designed to detect the state of the individual cells 10i, 10a, 13a, 1 0 4 to monitor.
  • Connecting elements 15, 15 ', 15 "ensure the electrical contact between the cell monitoring system and the separator plates.
  • connecting elements 15, 15 ', 15 are respectively clamped between two directly adjacent separator plates
  • the CVM system 400 Connecting elements 15, 15 ', 15 "are here directly connected to electronic components of the CVM system 400.
  • Connecting elements may be designed as contact pins or a circuit board or a flex circuit board, which directly contact a circuit board of the CVM system 400.
  • the connecting element 15, 15', 15 comprises two mutually movable connecting parts 151, 152; 151 ', 152'; 151 “, 152", which are here designed so as to be displaceable along the longitudinal axis of the connecting element 15, 15 ', 15 "and along the insertion direction E.
  • the displacement mechanism itself has been omitted here
  • the first connecting part 151, 151', 151" lies directly next to the second
  • the second connecting part 152, 152 ', 152 “comprises a here pointed tapering free end (not mandatory), which in the intermediate space Z is insertable.
  • the other end of the connecting element 15, 15 ', 15 can be directly or indirectly connected to the cell monitoring system 400 (not shown).)
  • a common area with the contact surface K2 follows behind the pointed free end Spreading portion of the second connecting part 152, 152 ', 152 "is opposite to the insertion direction E a recessed area, gradually tapers and in the first state of the connecting element, the first connecting part 151, 151', 151"
  • This gradually tapering transition region is the sliding surface G2, on which the first connection part 151, 151 ', 151 "can slide along the sliding surface G2 runs at an angle to the longitudinal axis of the connection element 15, 15', 15" or to the insertion direction E.
  • first connection part 151, 151 ', 151 “comprises a sliding surface G1, which is expediently designed corresponding to the sliding surface G2 of the second connection part 152, 152', 152".
  • the first connection part 151, 151 ', 151 "and the second connection part 152, 152', 152" are designed so that the first connection part 151, 151 ', 151 "at least partially, preferably completely, into the recess of the second connection part 152, 152 ', 152 "can be recorded.
  • Connecting element 15, 15 ', 15 " is in particular designed such that in the first state, the maximum thickness D of the insertable into the gap Z portion of the connecting element 15, 15', 15" is less than or equal to the minimum distance A between two adjacent Separatorplatten.
  • the connecting element 15, 15 ', 15 "in the first state can be introduced simply or more simply.
  • FIG. 3 shows the connecting element 15, 15 ', 15 "and the
  • Separator plates 14, 14 ', 14 in the second state of the connecting element 15, 15', 15".
  • the two connecting parts have been moved relative to each other parallel to (i.e., in and opposite to) the insertion direction E.
  • the sliding surfaces Gi, G2 act as a guide.
  • the contact surfaces K1, K2 have been removed by the relative displacement of the two connecting parts from each other and now press against the Separatorplatten. It will be achieved comparatively large contact pressures.
  • a feature of the technology disclosed herein is singularly described (e.g., the / a fuel cell, the / a connector, the /
  • a plurality e.g., the at least one fuel cell, the at least one connector, the at least one connector, the at least one separator plate, the at least one contact surface, the at least one recess, the at least one sliding surface, etc.).

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft Verfahren zum Kontaktieren von mehreren Separatorplatten (14, 14', 14") eines Brennstoffzellensystems (100). Es umfasst die Schritte: - Einführen von mindestens einem Verbindungselement (15, 15', 15") eines Zellüberwachungssystems (400) zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14"), so dass zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile (151, 152; 151', 152'; 151", 152") des Verbindungselementes (15, 15', 15") zumindest bereichsweise zwischen den unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") angeordnet sind; und - Relativbewegen der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile (151, 152; 151', 152'; 151", 152"), • so dass sich zumindest ein erstes Verbindungsteil (151; 151'; 151") der Verbindungsteile (151, 152; 151', 152'; 151", 152") zumindest abschnittsweise zu einer Separatorplatte der unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") hin bewegt; und/oder • so dass sich durch das Relativbewegen zumindest abschnittsweise der Anpressdruck zumindest zwischen einem der Verbindungsteile (151, 152; 151', 152'; 151", 152") und einer der unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") erhöht.

Description

Verfahren zum Kontaktieren von mehreren Separatorplatten sowie Brennstoffzellensystem
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren von mehreren Separatorplatten sowie ein Brennstoffzellensystem. Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere den elektrischen Anschluss der Separatorplatten eines Brennstoffzellensystems an ein System zur
Überwachung der Brennstoffzellen. Ein solches Zellüberwachungssystem (en. : cell voltage monitoring System bzw. CVM-System) überwacht i.d.R. eine Vielzahl an Brennstoffzellen. Die einzelnen Brennstoffzellen sind dazu i.d.R. jeweils durch eine elektrische Leitung mit dem CVM-System verbunden.
Auch ist ein Stecker aus der DE 10 2007 003506 B4 bekannt, der einzelne Separatorplatten der Brennstoffzellen kontaktiert. In jedem Stecker sind wiederum eine Vielzahl an Kontaktelementen vorgesehen, die jeweils einzeln mit elektrischen Leitern verkrimpt sind. Dies ist zeit- und kostenintensiv. Ferner können die Klemmen der Kontaktelemente nur eine begrenzte Klemmkraft aufbringen. Sofern Klemmen mit großer Klemmkraft vorgesehen würden, ließen sich diese Klemmen nicht mehr ohne weiteres auf die
Separatorplatten schieben. Eine Beschädigung der Separatorplatten ist dann nicht ausgeschlossen. Ebenso können die Steckkräfte zu hoch werden.. Aus niedrigen Klemmkräften können eine höhere Anfälligkeit für Vibrationen und erhöhte Kontaktwiderstände resultieren. Es besteht insbesondere ein
Bedürfnis, die vielen Brennstoffzellen möglichst kostengünstig, ausfallsicher, fehlersicher und/oder möglichst platzsparend an ein CVM-System
anzubinden. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen der Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen
Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte
Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren von mehreren Separatorplatten eines Brennstoffzellensystems.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist
beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine
Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte
Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®. Ein
Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. jeweils zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete unmittelbar benachbarte weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel
vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine
Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite
zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode. Zwischen den
ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Zellüberwachungssystem. Das Zellüberwachungssystem (en. : cell voltage monitoring System bzw.
CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. l.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein
Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete
Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.
Vorteilhaft kann mindestens eine Messgröße direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstack fließende Strom bestimmt.
Bevorzugt umfasst das Zellüberwachungssystem mindestens ein
Zellüberwachungsmodul (FCSC). Das Zellüberwachungsmodul kann beispielsweise einen Analog-Digital Wandler umfassen, der ein analoges Signal einer Brennstoffzelle in ein digitales Signal umwandelt. Z.B. kann als analoges Eingangssignal die Spannung erfasst werden, die in ein digitales Signal, z.B. ein 12-Bit Signal konvertiert wird. Vorteilhaft kann das Modul mindestens einen Multiplexer umfassen. Der Multiplexer kann ausgebildet sein, die Messsignale der einzelnen Brennstoffzellen einer Zellgruppe zu erfassen und diese analogen Signale dann dem Analog-Digital-Wandler zu senden. Eine solche Einheit kann beispielsweise als Analog Digital Converter Modul (ADC-Modul) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffzelle kann man auch von einem Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC) sprechen.
Bevorzugt kann das Zellüberwachungsmodul weitere Analysefunktionalitäten des Zellüberwachungssystems umfassen, insbesondere durch Betrachtung von Differenzspannungen unmittelbar benachbarter Separatoren.
Das mindestens eine Zellüberwachungsmodul ist in der Regel über einen Datenbus mit mindestens einem Steuergerät verbunden. Als Datenbus kann hier beispielsweise eingesetzt werden: Serial Peripheral Interface (SPI), aber ohne Chip-Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).
Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. ausgebildet, über den Datenbus mit dem mindestens einen Zellüberwachungsmodul (=Busteilnehmer) zu kommunizieren. Das Steuergerät kann u.a. ausgebildet sein, die Zellüberwachung zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um eine Engine Control Unit (ECU) handeln. Beispielsweise kann das Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem auch als Stack Management Unit (SMU) bezeichnet werden.
Das Zellüberwachungssystem kann aber auch anders ausgestaltet sein. Beispielsweise ist denkbar, dass kein separates Zellüberwachungsmodul vorgesehen ist und dass das Zellüberwachungssystem direkt mit mindestens einer (bevorzugt allen) Separatorplatte(n) des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Auch ist denkbar, dass das Zellüberwachungsmodul und das Steuergerät in eine Komponente integriert werden. Das
Zellüberwachungssystem könnte dann eine oder mehrere solcher
Komponenten umfassen. Das hier offenbarte Verfahren umfasst den Schritt, wonach mehreren
Separatorplatten zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt werden bzw. das ein solcher Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst den Schritt: laterales Einführen von mindestens einem Verbindungselement des Zellüberwachungssystems zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Separatorplatten bilden zusammen mit der ebenfalls zwischen den Separatorplatten angeordneten Dichtung den Zwischenraum Z aus.
Die unmittelbar benachbarten Separatorplatten sind die Separatorplatten, die im Brennstoffzellenstapel direkt nebeneinander angeordnet sind. Das mindestens eine Verbindungselement kann beispielsweise eine elektrische Leitung oder ein auf einer Platine befestigter Stift, eine Platine und/oder eine Flexleiter-Platine sein, die/der die hier offenbarten zueinander beweglichen Verbindungsteile umfasst. Das hier offenbarte Verbindungselement ist ausgebildet, einen elektrischen Kontakt mit der Separatorplatte herzustellen. Das Verbindungselement ist hierzu direkt oder indirekt an das
Zellüberwachungssystem angeschlossen bzw. anschließbar. Insbesondere wird das mindestens eine Verbindungselement zwischen den Randbereichen B zweier benachbarter Separatorplatten des Brennstoffzellenstapels eingeführt. Nach dem Einführen des mindestens einen
Verbindungselementes sind zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile des Verbindungselementes zumindest bereichsweise zwischen den unmittelbar benachbarten Separatorplatten angeordnet. Die zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile bilden den zwischen den Separatorplatten einführbaren Teil des Verbindungselementes aus. Das hier offenbarte Verfahren umfasst ferner den Schritt: Relativbewegen der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile, sodass sich zumindest ein erstes Verbindungsteil der Verbindungsteile zumindest abschnittsweise zu einer Separatorplatte der unmittelbar benachbarten Separatorplatten bewegt. Sofern das Verbindungselement bzw. die Verbindungsteile mit ausreichend Spiel (also im Wesentlichen kontaktlos) in die von den unmittelbar benachbarten Separatorplatten ausgebildeten Zwischenräume einführbar ist/sind, führt das Relativbewegen der zwei zueinander
beweglichen Verbindungsteile dazu, dass sich zumindest ein Verbindungsteil (bevorzugt beide Verbindungsteile) auf die zueinander benachbarten
Separatorplatten zu bewegt (bewegen).
Alternativ oder zusätzlich umfasst das hier offenbarte Verfahren den Schritt: Relativbewegen der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile, so dass sich durch das Relativbewegen zumindest abschnittsweise der Anpressdruck zumindest zwischen einem der Verbindungsteile und einer der unmittelbar benachbarten Separatorplatten erhöht. Sofern das Verbindungselement bzw. die Verbindungsteile bereits während des Einführens in die Zwischenräume der Separatorplatten die unmittelbar benachbarten Separatorplatten berührt/berühren, bewirkt das Relativbewegen der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile zumindest ein Anstieg der Kraft, mit der das Verbindungselement mindestens eine Separatorplatte kontaktiert. Mit anderen Worten bewirkt also die Relativbewegung, dass sich die Klemmkraft erhöht, mit der das Verbindungselement in den Zwischenraum der zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten verklemmt bzw. verkeilt ist.
Das Relativbewegen kann den Schritt umfassen: Verkeilen bzw. Aufspreizen der zueinander beweglichen Verbindungsteile des Verbindungselementes zwischen den beiden unmittelbar benachbarten Separatorplatten.
Zweckmäßig schließt sich an das Einführen das Relativbewegen an. Es ist ebenso denkbar, dass mit dem Relativbewegen bereits begonnen wird, bevor das Einführen des Verbindungselementes komplett abgeschlossen ist.
Besonders bevorzugt umfasst das Relativbewegen den Schritt: Verschieben der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile relativ zueinander.
Insbesondere erfolgt dieses Verschieben zu einem Zeitpunkt, zu dem die zwei Verbindungsteile zumindest bereichsweise innerhalb des
Zwischenraums der unmittelbar benachbarten Separatorplatten angeordnet sind. Vorteilhaft werden die zueinander beweglichen Verbindungsteile parallel zur Einführrichtung E des Verbindungselementes verschoben. Die Separatorplatten sind im Wesentlichen flach ausgebildet. Die Einführrichtung E ist zweckmäßig eine Richtung senkrecht zum äußeren Rand der
Separatorplatte und parallel zur Ebene, die die Separatorplatte aufspannt.
Zumindest ein Verbindungsteil kann mindestens eine Gleitfläche aufweisen, die sich in einem Winkel zur Einführrichtung E erstreckt. Das Relativbewegen kann den Schritt umfassen: zumindest abschnittsweises Entlanggleiten der Gleitfläche. Durch das Entlanggleiten werden die Verbindungsteile zumindest bereichsweise auseinander gedrückt. Mit anderen Worten kann zumindest eines der Verbindungsteile, bevorzugt beide Verbindungsteile, einen keilförmigen Abschnitt aufweisen, an dem ein korrespondierender Abschnitt des anderen Verbindungsteils entlang gleitet. Dieses Entlanggleiten bewirkt, dass sich die Verbindungsteile voneinander weg und zu den
Separatorplatten hin bewegen. Die Verbindungsteile sind dabei so gestaltet, dass durch die Verschiebung der Verbindungsteile diese zumindest abschnittsweise an die Wandungen der benachbarten Separatorplatten pressen. Vorteilhaft können dadurch höhere Klemmenkräfte realisiert werden. Die Anfälligkeit gegenüber Vibrationen kann verringert werden und der Kontaktwiderstand kann verbessert werden.
Bevorzugt werden mehrere Verbindungselemente jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten eingeführt, wobei die mehreren Verbindungselemente jeweils zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile aufweisen. Besonders bevorzugt können alle Verbindungselemente so zwischen alle Separatorplatten eingeführt sein, dies muss aber nicht so sein.
Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein
Brennstoffzellensystem mit mehreren Separatorplatten und mit mindestens ein Verbindungselement zum Anschluss der Separatorplatten an das hier offenbarte Zellüberwachungssystem. Das Verbindungselement ist in einem ersten Zustand des Verbindungselementes zwischen den zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten einführbar. Das Verbindungselement übt überdies in einem zweiten Zustand des Verbindungselementes zumindest bereichsweise einen höheren Anpressdruck auf zumindest einer der benachbarten Separatorplatten aus als im ersten Zustand. Insbesondere kann das Verbindungselement eingerichtet sein, dass es im ersten Zustand mit Spiel oder mit einer leichten Presspassung in den von zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten ausgebildeten Zwischenraum eingeführt werden kann. Sofern das Verbindungselement im ersten Zustand mit Spiel eingeführt wird, beträgt der Anpressdruck 0 bar. Sofern das
Verbindungselement im ersten Zustand in dem Zwischenraum gepresst wird, ist der Anpressdruck, der sich zwischen dem Verbindungselement und zumindest einer Separatorplatte einstellt, größer als 0 bar. Das
Verbindungselement ist von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand überführbar, indem zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile des Verbindungselementes sich relativ zueinander bewegen. Insbesondere können die zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile eingerichtet sein, die Relativbewegung auszuführen, die im Zusammenhang mit den hier offenbarten Verfahren erläutert wird.
Gemäß der hier offenbarten Technologie können die Verbindungsteile Kontaktflächen aufweisen, die im zweiten Zustand die unmittelbar
benachbarten Separatorplatten kontaktieren. Die Kontaktflächen der
Verbindungsteile sind in einer Richtung senkrecht zur Einführrichtung E im zweiten Zustand weiter voneinander beabstandet als ersten Zustand.
Bevorzugt ist eine der Kontaktflächen aus einem elektrisch leitenden Material wohingegen die anderer der Kontaktflächen aus einem elektrisch
isolierenden Material ausgebildet ist.
Bevorzugt kann eine Einführhilfe an dem freien Ende des
Verbindungselementes vorgesehen sein, dass in den Zwischenraum einführbar ist. Insbesondere kann ein spitz zulaufendes bzw. sich
verjüngendes Ende vorgesehen sein.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie eine CVM- Verbindung ohne Kontaktteil. Die Verbindung zum CVM-System kann z. B. eine Leitung, eine Platine, eine Flexleiter-Platine oder ein auf einer Platine aufgelöteter Stift sein, der direkt die Brennstoffzelle kontaktiert. Eine mögliche Ausführungsvariante ist nachfolgend dargestellt. Hierbei wird die Leitung durch einen Keil der zwischen Leitung und Brennstoffzelle
geschoben wird, an die Brennstoffzelle gepresst. Das CVM-System kann vorteilhaft ohne Kontaktteil mit den Brennstoffzellen elektrisch verbunden werden.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems
100;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Separatorplatten 14, 14', 14" und der Verbindungselementen 1 5, 1 5', 1 5" im ersten Zustand; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Separatorplatten 14, 14', 14" und der Verbindungselementen 1 5, 1 5', 1 5" im zweiten
Zustand.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenstapel eines
Brennstoffzellensystems 100 mit einer Vielzahl an Einzelzellen, von denen hier exemplarisch die Einzelzellen 1 0i , 1 02, I O3, 104 dargestellt sind. Die Einzelzellen werden durch zwei Endplatten 30 gehalten und vorgespannt. Benachbart zu den Endplatten 30 sind Stromabnehmer 20 vorgesehen. Die Separatorplatten sind hier als Bipolarplatten 14, 14', 14" ausgebildet. Jeweils eine Hälfte zweier unmittelbar benachbarter Bipolarplatten 14, 14', 14" bilden zusammen mit einem zwischen ihnen angeordneten Membrane Elektrode Assembly (MEA) 12, 12', 12" eine Einzelzelle 1 0i , 1 02, 1 03, 1 04 aus. Die gezeigten Bipolarplatten 14, 14', 14" sind an ein Zellüberwachungssystem 400 angeschlossen, dass ausgebildet ist, den Zustand der Einzelzellen 1 0i , I O2, I O3, 1 04 zu überwachen. Die Verbindungselemente 15, 15', 15" sind hier stark vereinfacht und lediglich schematisch dargestellt. Die
Verbindungselemente 15, 15', 15" stellen den elektrischen Kontakt zwischen dem Zellüberwachungssystem und den Separatorplatten sicher.
Insbesondere sind die Verbindungselemente 15, 15', 15" jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten verklemmt. Die
Verbindungselemente 15, 15', 15" sind hier direkt mit Elektronikkomponenten des CVM-Systems 400 verbunden. Beispielsweise könnten die
Verbindungselemente als Kontaktstifte oder eine Platine bzw eine Flexleiter- Platine ausgebildet sein, die direkt eine Platine des CVM-Systems 400 kontaktieren.
Die Figur 2 zeigt ein hier offenbartes Verbindungselement 15, 15', 15" im ersten Zustand. Das Verbindungselement 15, 15', 15" umfasst zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile 151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152", die hier entlang der Längsachse des Verbindungselementes 15, 15', 15" und entlang der Einführrichtung E verschiebbar ausgebildet sind. Vereinfachend ist hier der Verschiebemechanismus selbst weggelassen worden. Das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 " liegt unmittelbar neben dem zweiten
Verbindungsteil 152, 152', 152" des Verbindungselementes 15, 15', 15". Das zweite Verbindungsteil 152, 152', 152" umfasst ein hier spitz zulaufendes freies Ende (nicht zwingend erforderlich), welches in den Zwischenraum Z einführbar ist. Das andere Ende des Verbindungselements 15, 15', 15" kann direkt oder indirekt mit dem Zellüberwachungssystem 400 verbunden sein (nicht dargestellt). Entgegen der Einführrichtung E schließt sich hinter dem spitz zulaufenden freien Ende ein verbreiteter Bereich mit der Kontaktfläche K2 an. An diesem verbreiteten Bereich des zweiten Verbindungsteils 152, 152', 152" schließt sich entgegen der Einführrichtung E ein ausgesparter Bereich an, sich allmählich verjüngt und in dem im ersten Zustand des Verbindungselementes das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 "
aufgenommen ist. Dieser sich allmählich verjüngende Übergangsbereich ist die Gleitfläche G2, an der das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 " entlang gleiten kann. Die Gleitfläche G2 verläuft winkelig zur Längsachse des Verbindungselementes 15, 15', 15" bzw. zur Einführrichtung E.
Auch das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 " umfasst eine Gleitfläche G1 , die hier zweckmäßig korrespondierend zur Gleitfläche G2 des zweiten Verbindungsteils 152, 152', 152" ausgebildet ist. Das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 " und das zweite Verbindungsteil 152, 152', 152" sind so gestaltet, dass das erste Verbindungsteil 151 , 151 ', 151 " zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, in die Aussparung des zweiten Verbindungsteil 152, 152', 152" aufgenommen werden kann. Das
Verbindungselement 15, 15', 15" ist insbesondere derart ausgestaltet, dass im ersten Zustand die maximale Dicke D des in den Zwischenraum Z einführbaren Abschnitts des Verbindungselements 15, 15', 15" kleiner oder gleich ist dem minimalen Abstand A zweier benachbarter Separatorplatten. Somit lässt sich das Verbindungselement 15, 15', 15" im ersten Zustand einfach bzw. einfacher einführen. Die Gefahr von Fehlkontaktierungen kann zudem evtl. verringert werden. Die Figur 3 zeigt das Verbindungselement 15, 15', 15" und die
Separatorplatten 14, 14', 14" im zweiten Zustand des Verbindungselementes 15, 15', 15". Die beiden Verbindungsteile wurden relativ zueinander parallel zur (d.h. in bzw. entgegen der) Einführrichtung E verschoben. Dabei wirken die Gleitflächen Gi, G2 als Führung. Die Kontaktflächen K1, K2 haben sich durch die Relativverschiebung der beiden Verbindungsteile voneinander entfernt und pressen nun gegen die Separatorplatten. Es werden dabei vergleichsweise große Anpressdrücke erzielt.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck
„mindestens ein(e)" teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Brennstoffzelle, das/ein Verbindungselement, das/ein
Verbindungsteil, die/eine Separatorplatte, die/eine Kontaktfläche, die/eine Aussparung, die/eine Gleitfläche, etc.) so soll gleichzeitig auch deren
Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Brennstoffzelle, das mindestens eine Verbindungselement, das mindestens eine Verbindungsteil, die mindestens eine Separatorplatte, die mindestens eine Kontaktfläche, die mindestens eine Aussparung, die mindestens eine Gleitfläche, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer
Äquivalente zu verlassen. Bezugszeichenliste
Brennstoffzelle 10i, 102, 103, 104
MEA 12, 12', 12"
Separatorplatte 14, 14', 14"
Verbindungselement 15, 15', 15" erstes Verbindungsteil 151, 151', 151" zweites Verbindungsteil 152, 152', 152"
Dichtung 17
Stromabnehmer 20
Endplatten 30
Brennstoffzellensystem 100
Zellüberwachungssystem 400
Verbindungselement- Dicke D
Separatorplattenabstand A
Rand R
Kontaktfläche Ki, K2
Gleitfläche G1, G2

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Kontaktieren von mehreren Separatorplatten (14, 14', 14") eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend die Schritte:
Einführen von mindestens einem Verbindungselement (15, 15', 15") eines Zellüberwachungssystems (400) zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14"), so dass zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") des Verbindungselementes (15, 15', 15") zumindest bereichsweise zwischen den unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") angeordnet sind; und
- Relativbewegen der zwei zueinander beweglichen
Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152"),
• so dass sich zumindest ein erstes Verbindungsteil (151 ; 151 ';
151 ") der Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") zumindest abschnittsweise zu einer Separatorplatte der unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") hin bewegt; und/oder
• so dass sich durch das Relativbewegen zumindest abschnittsweise der Anpressdruck zumindest zwischen einem der Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") und einer der unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") erhöht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Relativbewegen den Schritt umfasst:
- Verschieben der zwei zueinander beweglichen Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") relativ zueinander.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zueinander beweglichen Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") parallel zur
Einführrichtung (E) des Verbindungselementes (15, 15', 15") verschoben werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Relativbewegen den Schritt umfasst: Verkeilen und/oder Aufspreizen der zueinander beweglichen Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") zwischen den beiden unmittelbar benachbarten
Separatorplatten (14, 14', 14").
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Verbindungsteil mindestens eine Gleitfläche (Gi , G2) aufweist, die sich in einem Winkel zur Einführrichtung (E) erstreckt, und wobei das Relativbewegen den Schritt umfasst: zumindest abschnittsweises Entlanggleiten der Gleitfläche (G1 , G2), wobei durch das
Entlanggleiten die Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") zumindest bereichsweise auseinander gedrückt werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mehrere
Verbindungselemente (15, 15', 15") jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") eingeführt werden, wobei die mehreren Verbindungselemente (15, 15', 15") jeweils zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") aufweisen.
7. Brennstoffzellensystem mit mehreren Separatorplatten (14, 14', 14") und mit mindestens einem Verbindungselement (15, 15', 15") zum Anschluss der Separatorplatten (14, 14', 14") an ein
Zellüberwachungssystem (400); - wobei das Verbindungselement (15, 15', 15") in einem ersten Zustand zwischen zwei unmittelbar benachbarte Separatorplatten (14, 14', 14") einführbar ist; und
- wobei das Verbindungselement (15, 15', 15") in einem zweiten
Zustand zumindest bereichsweise einen höheren Anpressdruck auf zumindest einer der benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") ausübt als im ersten Zustand; und
- wobei das Verbindungselement (15, 15', 15") von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand überführbar ist, indem zwei zueinander bewegliche Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") des Verbindungselementes (15, 15', 15") sich relativ zueinander bewegen.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Verbindungsteile (151 , 152; 151 ', 152'; 151 ", 152") Kontaktflächen (Ki, K2) aufweisen, die im zweiten Zustand die unmittelbar benachbarten Separatorplatten (14, 14', 14") kontaktieren, und wobei die Kontaktflächen (Ki , K2) im zweiten Zustand weiter voneinander beabstandet sind als im ersten Zustand.
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