DE102006006831A1 - Vorrichtung zum Kontaktieren von Brennstoffzellen-Stacks - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zum Kontaktieren von Stapeln - so genannten Stacks - von Elektroden, wie sie beispielsweise in Brennstoffzellen-Anordnungen anzutreffen sind, wird aus beweglich angeordneten und arretierbaren Streifen gebildet, die wiederum die eigentlichen Kontaktelemente tragen. Damit ist es möglich, elektrische Potentiale an Stacks verschiedener Geometrie mit baugleichen Kontaktierungsvorrichtungen abzugreifen.

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abgreifen von elektrischen Potentialen an Brennstoffzellen-Stacks und ähnlichen Anordnungen.
• STAND DER TECHNIK
• In der Entwicklungsphase von Brennstoffzellen-Systemen oder in Forschungsprojekten ist es sinnvoll und unverzichtbar, die Auswirkung der verschiedensten Entwicklungsparameter auf die Funktion möglichst umfassend messtechnisch zu erfassen, unter anderem auch die elektrische Spannung jeder einzelnen Zelle. Bei Arbeiten an Brennstoffzellen-Stacks, also Anordnungen von aufeinander gestapelten Einzel-Zellen, lassen sich die elektrischen Potentiale beispielsweise mit federnden Kontaktnadeln abgreifen und auf einen Steckverbinder führen.
• Es ist üblich, mehrere Kontaktnadeln – beispielsweise 10 – auf einer Einheit zu montieren, und mehrere dieser Einheiten auf dem Stack anzubringen. – Wenn ein Parameter, wie beispielsweise die Geometrie, insbesondere die Dicke der Elektroden, der Diffusionslayer, der Membranen, der Dichtungen oder auch die Flächenpressung verändert werden soll, dann müssen in der Regel neue Einheiten mit einer anderen Anordnung der Kontaktnadeln entwickelt werden, insbesondere mit anderen Abständen. Dies ist ein unbefriedigender Zustand, weil im Entwicklungsprozess ständig wieder Kosten entstehen – und weil Zeit verloren geht.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer einheitlichen Vorrichtung ein weites Spektrum an Stack-Geometrien abzudecken, damit insbesondere die folgenden Maßnahmen nicht dazu führen, dass neue Einheiten zum Kontaktieren konstruiert und angefertigt werden müssen: Veränderung der Elektroden-Dicke, beispielsweise als Folge von Änderungen im Flussfeld, Modifikationen an den Dichtungen, Veränderungen im Bereich der MEA, also im Bereich der Diffusionslayer und der Membran.
• LÖSUNG
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Kontaktierung von Stacks (8) unterschiedlicher Geometrie dadurch gelöst, dass anstelle von starren Leiterplatten-Anordnungen eine gelenkige Konstruktion mit Arretiereinrichtung eingesetzt wird. Die Träger der Kontaktnadeln werden vorzugsweise in Form schmaler Leiterplatten-Streifen realisiert, und diese werden durch mechanisch steife Koppelglieder in einer Weise geführt, dass die gesamte Anordnung sehr leicht und schnell an praktisch jede vorkommende Stack-Geometrie angepasst werden kann.
• Die erforderliche mechanische Stabilität wird durch eine Arretiervorrichtung erreicht, die außerdem als Führungsschiene dient und damit für eine präzise mechanische Führung sorgt. Diese Vorrichtung kann als Träger für einen oder mehrere Steckverbinder verwendet werden, womit sämtliche Funktionselemente zu einer mechanisch stabilen Einheit zusammengefasst sind.
• Die Teil-Aufgabe, die elektrischen Potentiale auf leicht handhabbare Steckverbinder zu führen, kann mit Hilfe flexibler Leiterplatten auf Folienbasis besonders elegant gelöst werden.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Bei der neuartigen Vorrichtung (1) sind im Gegensatz zu allen bekannten Ausführungen die Kontaktnadeln (7) auf beweglichen Schenkeln (1) befestigt, und diese werden vorzugsweise als Leiterplatten ausgeführt. Je nachdem, wie viele Nadeln auf jedem der Schenkel montiert sind, so viele parallel zueinander stehende Kontaktreihen (9) sind die Folge. Durch diesen Versatz der Nadelpositionen ist es möglich, auch Stacks mit extrem schmalen Elektroden sicher zu kontaktieren, ohne dass die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Kontaktnadeln besteht.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Kontaktierung von Stacks (8) – dies ist der Fachterminus für eine Schichtung von Einzelzellen, gelegentlich auch mit "Stapel" bezeichnet – unterschiedlicher Geometrie dadurch gelöst, dass nicht zehn oder mehr Kontaktnadeln (7) auf einer Einheit – vorzugsweise Leiterplatten (1) – zusammengefasst werden, sondern eine viel geringere Anzahl – beispielsweise zwei (2). Diese Leiterplatten werden – wie in 1 skizziert – über Gelenke (3) so miteinander verbunden, wie man es von Pantographen her kennt. Auf diese Weise entsteht eine Kette von parallel ausgerichteten Leiterplatten (1), die über jeweils zwei Gelenke mit Koppelgliedern (4) verbunden sind, die wiederum mit der nächsten Leiterplatte gelenkig verbunden sind. Die Gelenkstellen bilden Rhomben (5), die sich an den Spitzen (6) berühren. Wenn auf den Leiterplatten beispielsweise zwei Nadelkontakte in einem Abstand zueinander angebracht sind, der mit der Schenkellänge der Rhomben übereinstimmt und darüber hinaus der Abstand einer der Kontaktnadeln zu einem der Gelenke die Hälfte der Schenkellänge beträgt, dann bilden die Orte sämtlicher Kontaktnadeln ein Muster von zwei parallelen Nadelgruppen mit der besonderen Eigenschaft, dass die Abstandskomponente der Koordinate, die parallel zu den beiden Reihen (9) verläuft, über die gesamte Gruppe grundsätzlich konstant ist. Dies schließt nicht aus, dass auch Anordnungen sinnvoll sein können, bei denen die Abstandskomponenten nicht identisch sein dürfen oder der Versatz der Nadelpositionen unterschiedlich sein muss. Im Rahmen der Erfindung kommt man auch in solchen Fällen mit einem minimalen Repertoire von Leiterplatten (1) aus, um Stacks beliebiger Geometrie und Zellenzahl zu kontaktieren.
• Mit weiteren Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass die Durchbiegung auch bei einer großen Anzahl Kontaktnadeln nicht unzulässig groß wird. Insbesondere durch die Aneinanderreihung von einhundert oder mehr Kontaktnadeln, was durchaus den Realitäten entspricht, summieren sich die Kontaktkräfte und die lichte Weite – und in der Folge die Biegemomente ganz erheblich. Beispielsweise können die Koppelglieder (4) wie in 2 skizziert aus Blech gefertigt werden, indem an den Enden Führungslaschen (10) überstehen und die als Gelenkachse dienenden Überstände (16) etwas länger sind als der Leiterplattenstärke entspricht und diese mit einem Innengewinde versehen sind. Nach dem Einfädeln der Leiterplatten können auf diese Weise die Leiterplatten durch Schrauben gesichert werden. Alternativ sind auch Verbindungen nach dem "Druckknopf-Prinzip" vorteilhaft, wenn eine Montage und Demontage ohne Werkzeug bevorzugt wird. – Die Führungslaschen (10) laufen in Führungsschienen, die hier nicht bildlich dargestellt sind. Die Führungsschienen nehmen die Summe der Kontaktkräfte auf und verleihen dem System die erforderliche mechanische Stabilität. Zu diesem Zweck können durch Lösen von Spannschrauben die Führungsschienen das Justieren der Anordnung erlauben. Zum Fixieren werden die Spannschrauben angezogen.
• Die elektrische Verbindung zu einem oder zu mehreren Steckverbindern kann durch Drähte erfolgen. Besonders elegant ist die Verwendung von flexiblen Leiterplatten auf Folien-Basis (12), wie in 3 und 4 schematisch dargestellt. Auf diesen können problemlos Steckverbinder (11) montiert werden. Die Sammelschienen (13) tragen Kontaktzonen (14) – beispielsweise metallisierte Durchbrüche – zum Kontaktieren der Kontaktnadeln, was beispielsweise durch Löten, Stecken, Klemmen oder durch Schrauben geschehen kann. Über hier nicht dargestellte Leiterbahnen werden die elektrischen Potentiale der Kontaktnadeln (7) dem Steckverbinder (11) zugeführt. Weil beim Verstellen der Vorrichtung die Kontaktstellen (14) sowohl transversal als auch drehend bewegt werden, wird durch jeweils zwei Knicke (15) zwischen den Kontaktstellen (14) die notwendige Verformung der Folienstreifen (13) ermöglicht, wie in 3 und 4 angedeutet.
• Es werden Einheiten mit einheitlicher Anzahl an Kontaktnadeln je Leiterplatte vorgeschlagen – vorzugsweise zwei – aber auch demontierbare Kontaktnadeln, so dass der Anwender sich je nach Erfordernis rasch eine Einheit zusammenstellen kann. Schließlich wird vorgeschlagen, für die Kontaktierung der jeweils letzten Platten eine modifizierte Geometrie der betreffenden Leiterplatten bereitzuhalten und ggf. einzusetzen, weil dies möglicherweise wegen der geometrischen Auslegung der Stapelschichtung erforderlich ist. Bedingt durch die geometrischen Verhältnisse der Anordnung kann durch eine relativ große Ortsänderung der Nadelposition auf der Leiterplatte eine relativ geringe Ortsänderung der Nadelposition senkrecht zur Ebene der Elektroden innerhalb des Stacks abgedeckt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, auf einer Leiterplatte mehr als eine Position für eine Kontaktnadel vorzuhalten. Dies löst in Verbindung mit steckbar montierten Kontaktnadeln das Problem der Kontaktierung von Endzellen, bei denen in vielen realen Stack-Anordnungen die Symmetrie gebrochen ist.
• Der Begriff „Kontaktnadeln" wird hier wie in der gesamten Beschreibung synonym für eine beliebige Ausführung federnder Kontakte gebraucht.
• KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
• 1 zeigt ein angedeutetes Stack (8) sowie die Konstruktion, wobei die vorzugsweise eingesetzten Leiterplatten (1) sowie die Koppelglieder (4) zum leichteren Verständnis als Linien dargestellt sind, die Nadeln (7) als Kreise, Gelenkstellen (3) als Kreuze,
• 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Koppelgliedes (4) mit Führungslaschen (11) und Überständen (16) als Achsen mit Bohrung und Innengewinde,
• 3 zeigt schematisch eine Folien-Anordnung, mit der die elektrischen Potentiale der Kontaktnadeln auf Leiterbahnen über streifenförmige Sammelschienen (13) auf den Steckverbinder (11) geführt werden,
• 4 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt einer streifenförmigen Sammelschiene (13) mit flexibler Leiterplatte (1) und darauf befestigten Kontaktnadeln (7), Kontaktierungsstellen (14) und Knickstellen (15)

1

Träger der Kontaktnadeln, z.B. Leiterplatte

2

z.B. zwei Kontaktnadeln (Kreise)

3

Gelenkstelle (Kreuz)

4

Koppelglied, z.B. aus Blech

5

Rhombus bzw. Raute

6

jeweils zwei Rauten berühren sich an der seitlichen Spitze

7

Kontaktnadel (Kreis)

8

angedeutetes Stack

9

(z.B.) zwei parallel zueinander stehende Kontakt-Reihen

10

Führungsnasen bzw. -laschen

11

Steckverbinder

12

flexible Leiterplatte

13

Sammelschiene aus flexiblem Leiterplatten-Material

14

Kontaktstelle – z.B. Loch mit kontaktiertem Rand

15

Knickstellen

16

Achse – führt die Leiterplatten (1)

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Kontaktieren von Brennstoffzellen-Stacks und ähnlich gebauten Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels federnder Kontakte – beispielsweise Kontaktnadeln (7) – erfolgt, und diese auf beweglichen Plättchen (1) montiert sind – vorzugsweise Leiterplatten, indem mehrere dieser Plättchen als gegenüberliegende Schenkel von in der Ebene verformbaren Rauten (5) – bestehend aus Plättchen (1) und Koppelgliedern (4) – angeordnet sind, so dass sämtliche Plättchen unabhängig davon, wie weit die Rautenführung der gesamten Anordnung auseinandergezogen oder zusammengeschoben wird, parallel zueinander stehen und somit korrekt ausgerichtet sind, um Stapelanordnungen von Elektroden (8) zu kontaktieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Plättchen durch Koppelglieder geführt werden, die an ihren Enden (10) in Schienen verlaufen, in denen sie im entsperrten Zustand frei verschieblich und im arretierten Zustand fixiert sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) selbst Kontakte tragen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Führungsschiene Steckverbinder (11) montiert sind, die mit den federnden Kontakten elektrisch leitend verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Kontakten (7) und den Steckverbindern (11) über flexible Leiterplatten (12, 13) erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (7) nicht fest mit den Plättchen (1) verbunden sind, sondern steckbar.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontakte auf den Plättchen in einer Weise erfolgt, dass der Abstand zwischen Gelenkstelle (3) und nächstem Kontakt genau die Hälfte des Abstandes der Nadeln untereinander beträgt, womit äquidistante Elektrodenorte kontaktiert werden können.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontakte auf den Plättchen in einer Weise erfolgt, dass der Abstand zwischen Gelenkstelle (3) und nächstem Kontakt nicht genau die Hälfte des Abstandes der Nadeln untereinander beträgt, womit Elektrodenanordnungen kontaktiert werden können, bei denen sich die Elektrodenabstände periodisch verschoben wiederholen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontakte (7) auf den Plättchen (1) in einer Weise erfolgt, dass zwei alternative Positionen für die Montage des Kontaktes (7) vorgesehen sind, womit auch Kontaktstellen an den Endpositionen eines Stacks berücksichtigt werden können, die vom Muster innerhalb des Stacks abweichen, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass zwei alternative Kontaktkelche auf die Leiterplatten montiert werden, in die der federnde Kontakt wahlweise eingesteckt werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) über eine bewegliche Verschraubung mit den Plättchen (1) verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) über eine bewegliche Druckknopf-Mechanik mit den Plättchen (1) verbunden sind.