DE102006006831B4

DE102006006831B4 - Vorrichtung zum Kontaktieren von Brennstoffzellen-Stacks

Info

Publication number: DE102006006831B4
Application number: DE102006006831A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hickmann; Wolfgang Langnickel
Original assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Current assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Priority date: 2006-02-11
Filing date: 2006-02-11
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-02-12
Also published as: DE102006006831A1

Abstract

Vorrichtung zum Kontaktieren von Elektroden von Brennstoffzellen-Stacks dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels federnder Kontakte erfolgt und diese auf beweglichen Trägem (1) montiert sind – vorzugsweise Leiterplatten, indem mehrere dieser Träger als gegenüberliegende Schenkel von in der Ebene verformbaren Rauten (5) – bestehend aus Trägem (1) und Koppelgliedern (4) – angeordnet sind, so dass sämtliche Träger unabhängig davon, wie weit die Rautenführung der gesamten Anordnung auseinandergezogen oder zusammengeschoben wird, parallel zueinander stehen, um Elektroden von Stacks (8) zu kontaktieren.

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.
Vorrichtungen zum Kontaktieren oder elektrischen Verbindungen von Brennstoffzellen-Stacks sind Bekannt aus DE 103 93 737 T5 , JP 2000 22 31 41 A und WO 2003/02 60 72 A2 .
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 Elektrodenplatten – im Fachjargon oft nicht immer korrekt als „Bipolarplatten" bezeichnet, 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 Elektrodenplatten in 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 Führungsschiene 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 Trägern (1) befestigt, und diese werden vorzugsweise als Leiterplatten ausgeführt. Je nachdem, wie viele Nadeln auf jedem der Träger montiert sind, so viele parallel zueinander stehende Kontaktreihen (9) sind die Folge. Durch den jeweiligen 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 geschichtete Anordnung von Einzelzellen, gelegentlich auch mit "Stapel" bezeichnet – unterschiedlicher Geometrie dadurch gelöst, dass nicht beispielsweise zehn Kontaktnadeln (7) auf einer Einheit – vorzugsweise Leiterplatten (1) – zusammengefasst werden, sondern eine viel geringere Anzahl – beispielsweise zwei (2) pro Träger. Diese Träger der Kontaktnadeln 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 Trägern von Kontaktnadeln (1), die über jeweils zwei Gelenke mit Koppelgliedern (4) verbunden sind, die wiederum mit dem nächsten Träger von Kontaktnadeln gelenkig verbunden sind. Die Gelenkstellen bilden Rhomben (5), die sich an den Spitzen (6) berühren. Wenn auf den Trägern der Kontaktnadeln 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 Trägern der Kontaktnadeln (1) aus, um Stacks beliebiger Geometrie und Zellenzahl zu kontaktieren.
Mit weiteren Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass die Durchbiegung der gesamten Anordnung 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 deren Enden Führungslaschen (10) überstehen, und die als Gelenkachse dienenden Überstände (16) etwas länger sind als der Dicke der Träger der Kontaktnadeln entspricht, und diese mit einem Innengewinde versehen sind. Nach dem Einfädeln der Träger der Kontaktnadeln können auf diese Weise die Träger der Kontaktnadeln 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 auf den Trägern befestigten 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 flexiblen Leiterplatte (13) ermöglicht, wie in 3 und 4 angedeutet.
Es werden Träger mit einheitlicher Anzahl an Kontaktnadeln je Träger (Leiterplatte) vorgeschlagen – vorzugsweise zwei – aber auch demontierbare Kontaktnadeln, so dass der Anwender sich je nach Erfordernis rasch einen Träger für Kontaktnadeln zusammenstellen kann. Schließlich wird vorgeschlagen, für die Kontaktierung der jeweils letzten Träger einer Anordnung eine modifizierte Geometrie der betreffenden Träger der Kontaktnadeln 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 dem Träger eine relativ geringe Ortsänderung der Nadelposition senkrecht zur Ebene der Elektroden innerhalb des Stacks abgedeckt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, auf einem Träger 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 einen angedeuteten Stack (8) sowie die Konstruktion, wobei die als Träger der Kontaktnadeln 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 als Gelenkachsen dienenden Überständen (16) mit Bohrung und Innengewinde,
3 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer flexiblen Leiterplatte, 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 damit kontaktierten Kontaktnadeln (7), Kontaktierungsstellen (14) und Knickstellen (15) – hierbei sind die Träger der Kontaktnadeln selbst nichtdargestellt.

1: Träger der Kontaktnadeln (z.B. Leiterplatte)
2: z.B. zwei Kontaktnadeln (Kreise)
3: Gelenkstelle (Kreuz)
4: Koppelglied (z.B. aus Blech)
5: 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: Führungslaschen
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 Träger der Kontaktnadeln)

Claims

Vorrichtung zum Kontaktieren von Elektroden von Brennstoffzellen-Stacks dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels federnder Kontakte erfolgt und diese auf beweglichen Trägem (1) montiert sind – vorzugsweise Leiterplatten, indem mehrere dieser Träger als gegenüberliegende Schenkel von in der Ebene verformbaren Rauten (5) – bestehend aus Trägem (1) und Koppelgliedern (4) – angeordnet sind, so dass sämtliche Träger unabhängig davon, wie weit die Rautenführung der gesamten Anordnung auseinandergezogen oder zusammengeschoben wird, parallel zueinander stehen, um Elektroden von Stacks (8) zu kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Träger der Kontaktnadeln durch Koppelglieder geführt werden, die mit an ihren Enden ausgeformten Führungslaschen (10) in Schienen verlaufen, in denen sie im entsperrten Zustand frei verschieblich und im arretierten Zustand fixiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) selbst Kontakte tragen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Führungsschiene Steckverbinder (11) montiert sind, die mit den Kontaktnadeln elektrisch leitend verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Kontaktnadeln (7) und den Steckverbindern (11) über flexible Leiterplatten (12, 13) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktnadeln (7) nicht fest mit den Trägern (1) verbunden sind, sondern steckbar.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontaktnadeln auf den Trägem in einer Weise erfolgt, dass der Abstand zwischen Gelenkstelle (3) und nächster Kontaktnadel genau die Hälfte des Abstandes der Nadeln untereinander beträgt, womit äquidistante Elektroden kontaktiert werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontaktnadeln auf den Trägern 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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kontaktnadeln (7) auf den Trägern (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, die vom Muster innerhalb des Stacks abweichen, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass die Kontaktnadeln nicht fest auf die Leiterplatte montiert werden, sondern stattdessen zwei alternative Positionen für steckbare kontaktnadeln vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) über eine bewegliche Verschraubung mit den Trägern der Kontaktnadeln (1) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelglieder (4) über eine bewegliche Druckknopf-Mechanik mit den Trägem der Kontaktnadeln (1) verbunden sind.