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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft elektrische Verbinder und insbesondere eine flexible elektrische Stromschiene.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen wurden als eine alternative saubere und effiziente elektrische Leistungsquelle vorgeschlagen. Insbesondere können Brennstoffzellen verwendet werden, um Fahrzeuge mit Leistung zu versorgen, anstelle, dass herkömmliche Leistungserzeugungsverfahren, etwa Verbrennungsmotoren, verwendet werden. Eine einzige Brennstoffzelle kann allgemein keine wesentliche Leistungsmenge erzeugen. Brennstoffzellen werden in Stapeln angeordnet, um die für ein Fahrzeug benötigten Energieanforderungen zu liefern.
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Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist ein Brennstoffzellentyp, der aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran besteht. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Benachbart zu der Anode und der Kathode können Diffusionsschichten angeordnet sein, um Reaktanten, etwa Wasserstoffgas und Luft, zu verteilen. Eine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle erzeugt Wasser als ein Reaktionsprodukt. Im Betrieb wird das Wasser von der Elektrolytmembran in jeder Brennstoffzelle absorbiert, was bewirkt, dass die Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels bei einigen Stapelentwürfen variiert.
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Elektrische Verbindungen an beiden Enden eines Brennstoffzellenstapels müssen mit der variierenden Länge des Brennstoffzellenstapels zurechtkommen. Dies muss unter Einhaltung strenger Platzanforderungen, niedriger Kosten bei den Herstellern und der Beibehaltung der Fähigkeit zum Leiten hoher Ströme bewerkstelligt werden. Frühere Versuche zum Einhalten dieser Parameter wurden unter Verwendung von Schiebegelenken, flexiblen geflochtenen Verbindern und frei tragenden Stromschienen bewerkstelligt.
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Schiebegelenkverbinder, allgemein als Gabelstecker bekannt, verfügen über eine Auflageschiene und eine Gabel, welche einen kleinen Bewegungsbetrag zulassen, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen der Auflageschiene und der Gabel aufrechterhalten wird. Trotz einer ziemlich kompakten Größe haben sich die Schiebegelenkverbinder aufgrund hoher Kosten, eines hohen Raumbedarfs und eines eingeschränkten Bewegungsbereichs als eine restriktive Option für elektrische Verbindungen am Ende eines Brennstoffzellenstapels erwiesen. Folglich sind Schiebegelenkverbinder keine geeignete Wahl für Fahrzeughersteller.
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Flexible geflochtene Verbinder haben als praktisches Mittel bei der Erfüllung der Bedürfnisse von Fahrzeugherstellern ebenfalls versagt. Die geflochtenen Verbinder enthalten Luft in den Verflechtungen und halten die Raumnutzung eines Festverbinders nicht ein. Trotz ihrer Fähigkeit, genügend Bewegung eines Brennstoffzellenstapels zuzulassen, haben sich geflochtene Verbinder als zu teuer erwiesen, um machbar zu sein, während sie zudem die stringenten Raumanforderungen nicht erfüllen.
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Als eine dritte Option sind auch freitragende Stromschienen eine nicht angemessene Option. Die freitragenden Stromschienen halten einen elektrischen Kontakt durch eine Vorspannkraft in dem Verbinder aufrecht. Obwohl sie eine kosteneffektive Option sind, benötigen die freitragenden Stromschienen viel Raum, um mit der variierenden Länge eines Brennstoffzellenstapels zurechtzukommen, was deren Verwendung bei Fahrzeuganwendungen einschränkt.
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Es wäre wünschenswert, einen kosteneffektiven flexiblen elektrischen Verbinder bereitzustellen, der eine ausreichende Bewegung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen System ermöglicht, wobei er strenge Raumanforderungen einhält.
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Die Druckschrift
DE 19 20 027 A offenbart eine biegsame Verbindungsvorrichtung für Druckmittel- und/oder Stromleitungen, die in einer Ausführungsform ein Verbindungsteil zur Aufnahme von Stromleitungen aufweist, die zusammen mit Druckmittelleitungen in einer schraubenförmigen Spule angeordnet sind, wobei das Verbindungsteil an Enden der schraubenförmigen Spule fehlt, um die Druckmittelleitungen anschließen zu können.
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In der Druckschrift
US 7 344 423 B2 ist ein Brennstoffzellenstapel mit vorstehenden Spannungsmessanschlüssen offenbart, die mit elastischen Abschnitten versehen sind, um Unebenheiten an einzelnen Brennstoffzellen auszugleichen.
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Die Druckschrift
US 5 297 967 A offenbart einen elektrischen Verbinder mit einem vorstehenden, elastischen und spiralförmigen Kontaktabschnitt zum Verbinden zweier Schaltkreise, bei dem der Kontaktabschnitt zur Herstellung eines Kontakts gegen eine Kontaktfläche auf einem der Schaltkreise gedrückt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein kosteneffektiver flexibler elektrischer Verbinder, der eine ausreichende Bewegung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen System ermöglicht, während er strikte Raumanforderungen einhält, wurde überraschenderweise entdeckt und wird derzeit durch die Erfindung bereitgestellt.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der elektrische Verbinder ein Paar Leiter, die jeweils einen ersten Kontaktabschnitt, einen von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandeten zweiten Kontaktabschnitt, und einen elastischen Abschnitt mit spiralförmiger Gestalt aufweisen, der sich zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt erstreckt, wobei die elastischen Abschnitte so ausgelegt sind, dass sie eine Relativbewegung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt ermöglichen. Ein zwischen den Leitern angeordneter Isolator grenzt jeweils an die ersten Kontaktabschnitte, die zweiten Kontaktabschnitte und die elastischen Abschnitte mit spiralförmiger Gestalt der beiden Leiter an und isoliert sie voneinander.
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Die Erfindung stellt auch ein elektrisches System für einen Brennstoffzellenstapel bereit.
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Bei einer Ausführungsform umfasst das elektrische System für einen Brennstoffzellenstapel eine Schnittstelleneinheit, einen Brennstoffzellenstapel und einen mit der Schnittstelleneinheit und dem Brennstoffzellenstapel gekoppelten elektrischen Verbinder, der einen ersten Kontaktabschnitt, einen zweiten, von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandeten Kontaktabschnitt, und einen elastischen Abschnitt umfasst, der sich zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt erstreckt, wobei der elastische Abschnitt eine spiralförmige Gestalt aufweist und so ausgelegt ist, dass er eine Relativbewegung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt ermöglicht. Der elektrische Verbinder ist durch ein Paar Leiter ausgebildet, die jeweils einen ersten Kontaktabschnitt, einen zweiten Kontaktabschnitt, der von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandet ist, und einen elastischen Abschnitt aufweisen, der sich zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt erstreckt. Die ersten Kontaktabschnitte der Leiter bilden den ersten Kontaktabschnitt des elektrischen Verbinders, die zweiten Kontaktabschnitte der Leiter bilden den zweiten Kontaktabschnitt des elektrischen Verbinders, und die elastischen Abschnitte der Leiter bilden den elastischen Abschnitt des elektrischen Verbinders. Zwischen den Leitern ist ein Isolator angeordnet, der jeweils an die ersten Kontaktabschnitte, die zweiten Kontaktabschnitte und die elastischen Abschnitte mit spiralförmiger Gestalt der beiden Leiter angrenzt und sie voneinander isoliert.
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Der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte flexible elektrische Verbinder ist besonders vorteilhaft zum Bereitstellen einer kosteneffektiven Option bei kompaktem Platz für Fahrzeughersteller, die eine ausreichende Bewegung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen System ermöglicht.
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Figurenliste
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Die vorstehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich Fachleuten leicht aus der folgenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, wenn diese im Licht der beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden, bei welchen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines flexiblen elektrischen Verbinders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
- 2 eine Querschnittsansicht des in 1 veranschaulichten flexiblen elektrischen Verbinders entlang einer Linie 2-2 ist;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines flexiblen elektrischen Verbinders gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
- 4 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Systems für einen Brennstoffzellenstapel ist, welches den flexiblen elektrischen Verbinder von 1 umfasst; und
- 5 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Systems für einen Brennstoffzellenstapel ist, welches den flexiblen elektrischen Verbinder von 3 umfasst.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.
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Mit Bezug auf 1 ist ein elektrischer Verbinder 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der elektrische Verbinder 10 umfasst Kontaktabschnitte 12 und einen elastischen Abschnitt 14. Der elektrische Verbinder 10 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material geformt, wie etwa Kupfer oder Aluminium. Nach Wunsch können andere Materialien verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der elektrische Verbinder 10 geformt werden, indem ein Metallstück mit einer rechteckigen Querschnittsgestalt aus einem Rohling ausgestanzt wird und das Metallstück in die veranschaulichte Gestalt gebogen wird. Es versteht sich, dass der elektrische Verbinder 10 durch andere Verfahren geformt werden kann. Es versteht sich außerdem, dass der elektrische Verbinder 10 nach Wunsch andere Querschnittsgestalten aufweisen kann. Wie gezeigt erstreckt sich der elastische Abschnitt 14 zwischen den Kontaktabschnitten 12, wobei die Komponenten einen einheitlichen festen Querschnitt aufweisen können. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der elastische Abschnitt 14 eine im Wesentlichen spiralförmige Gestalt auf. Es können jedoch andere Gestalten verwendet werden, die eine axiale Flexibilität in der Länge bereitstellen, wie z.B. eine rechteckig abgestufte Gestalt. Der Querschnitt eines oder beider Kontaktabschnitte 12 und des elastischen Abschnitts 14 kann von rechteckiger Gestalt sein. Es versteht sich jedoch, dass die Kontaktabschnitte 12 und der elastische Abschnitt 14 auf Wunsch verschiedene Gestalten aufweisen können.
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Wie in 2 veranschaulicht ist, weist ein rechteckiger Querschnitt 16 des elektrischen Verbinders eine erste Länge L1 senkrecht zu einer Achse des elastischen Abschnitts 14 und eine zweite Länge L2 parallel zu der Achse des elastischen Abschnitts 14 auf. Vorzugsweise ist die erste Länge LI größer als die zweite Länge L2, was Flexibilität entlang der Längsachse des elastischen Abschnitts 14 gestattet. Wenn ein Verhältnis der ersten Länge L1 zu der zweiten Länge L2 zunimmt, nimmt der Betrag an axialer Flexibilität pro Windung des elastischen Abschnitts 14 zu. Als ein Beispiel ohne Einschränkung kann ein Verhältnis von Zwei eine axiale Flexibilität von drei Millimetern pro Windung erzeugen, wohingegen ein Verhältnis von Drei eine axiale Flexibilität von vier Millimetern pro Windung erzeugen kann. Zudem ist die Kenntnis weit verbreitet, dass die Querschnittsfläche eines Leiters in direktem Bezug zu einem Strombetrag steht, den ein Leiter führen kann. Diese sowie andere Eigenschaften können variiert werden, um einen elektrischen Verbinder 10 mit gewünschter Länge und Flexibilität zu erzeugen, um die speziell gewünschten Bedürfnisse zu erfüllen.
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In 1 sind die Kontaktabschnitte 12 des elektrischen Verbinders so gezeigt, dass sie zu der Längsachse des elastischen Abschnitts 14 im Wesentlichen parallel verlaufen. Dies ermöglicht die Verwendung verschiedener Verbindungsoptionen, indem der Raum, der die Kontaktabschnitte 12 umgibt, im Wesentlichen offen gelassen wird. Andere Anordnungen der Kontaktabschnitte 12 können verwendet werden, wie etwa, dass die Kontaktabschnitte 12 im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Achse des elastischen Abschnitts 14 verlaufen. Zudem können die Kontaktabschnitte 12 mit einem beliebigen Winkel zwischen den parallelen und senkrechten Anordnungen, der an einen speziellen Bedarf angepasst ist, positioniert sein. Die Kontaktabschnitte 12 können eine Öffnung 18 umfassen, die zur Aufnahme eines Befestigungselements 19 (in 4 gezeigt) zum Koppeln des Verbinders 10 mit einem elektrischen System angepasst ist. Andere Merkmale können in die Kontaktabschnitte 12 aufgenommen werden, etwa eine Zunge oder ein Vorsprung, um eine ausreichende elektrische Verbindung oder adäquate Kopplung des elektrischen Verbinders 10 zu ermöglichen.
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Der elastische Abschnitt 14 des elektrischen Verbinders 10 ist so gezeigt, dass er einem im Wesentlichen ringförmigen Pfad entlang einer Achse folgt, aber es können andere Gestalten mit dem gleichen Effekt verwendet werden. Beispielsweise kann ein elliptischer, rechteckiger oder polygonaler Pfad verwendet werden. Der elastische Abschnitt 14 kann auf Wunsch auch eine nichtlineare Achse verwenden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine gebogene Achse oder eine Achse mit mehreren linearen Abschnitten in Abhängigkeit von einer gewünschten Geometrie für den elektrischen Verbinder 10 verwendet werden. Wie gezeigt umfasst der elektrische Abschnitt 14 drei Windungen. Es versteht sich jedoch, dass eine beliebige Anzahl von Windungen einschließlich eines Bruchteils verwendet werden können, um den gewünschten elastischen Abschnitt 14 zu erzeugen.
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Bei einer Ausführungsform ist ein Verbindungsabschnitt 20 zwischen dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14 angeordnet. Wie gezeigt ist, ist der Verbindungsabschnitt gebogen, wodurch er einen sanften Übergang zwischen dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14 ermöglicht. Der Verbindungsabschnitt 20 verwendet eine einheitliche feste Querschnittsgestalt gemeinsam mit dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14. Der Verbindungsabschnitt 20 spricht gegen eine Scherbelastungskonzentration, die offensichtlich sein kann, wo der Übergang zwischen dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14 abrupt ist. Zudem kann eine Ermüdung des elektrischen Verbinders 10 minimiert werden, wenn der Verbindungsabschnitt 20 vorhanden ist, wodurch eine Lebensdauer des Verbinders 10 maximiert wird.
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Bei Verwendung wird der elektrische Verbinder 10 mit mindestens einer beweglichen Komponente eines elektrischen Systems verbunden. Wenn sich eine der Komponenten bewegt, kann sich der elektrische Verbinder 10 komprimieren, axial ausdehnen oder die Achse des elastischen Abschnitts 14 verbiegen. Wie angemerkt, kann der Verbinder 10 für Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, die einen Verbinder benötigen, der zum Führen hoher Ströme in einem kompakten Raum bei niedrigen Kosten in der Lage ist. Wenn der elektrische Verbinder 10 beispielsweise als ein Verbinder für einen Brennstoffzellenstapel verwendet wird, können Verbinder 10 zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einer festen Stapelschnittstelleneinheit, zwischen zwei separaten Stapeln, zwischen zwei separaten Batterien oder zwischen einem Batterieanschluss und einem Verteilungsblock vorhanden sein. Die gleichen Vorteile sind offensichtlich, wenn der Verbinder 10 bei Anwendungen, die keine Kraftfahrzeuge betreffen, verwendet wird.
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Die Kenntnis ist weit verbreitet, dass aus dem Anlegen eines Stroms an einen im Wesentlichen spiralförmigen Leiter eine induktive Kraft resultiert. Wenn an den elektrischen Verbinder 10 ein Strom angelegt wird, wird der elektrische Verbinder 10 eine Induktivität, die dem vollen Strom bei einer anfänglichen Anwendung widersteht und gegen eine plötzliche Beschränkung beim Strom spricht, wenn dieser gestoppt wird. Dort, wo die resultierende Induktivität, die durch den Verbinder 10 erzeugt wird, Schwierigkeiten verursachen kann, kann die Erfindung so angepasst werden, dass die Induktivität minimiert wird, indem eine im Wesentlichen gleiche und entgegengesetzte Induktivität erzeugt wird.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die der in 1 gezeigten ähnelt. Bezugszeichen für Strukturen, die in Bezug auf die Beschreibung von 1 ähnlich sind, sind in 3 mit einem Hochkomma-Symbol (') wiederholt.
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Zwei Leiter 22 bilden in 3 jeweils die Kontaktabschnitte 12', den elastischen Abschnitt 14' und den Verbindungsabschnitt 20'. Es versteht sich jedoch, dass eine beliebige Anzahl von Leitern 22 verwendet werden kann. Ein elastisches Isoliermaterial 24, wie etwa Kunststoff, ist zwischen den Leitern 22 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht, dass mehrere Ströme von dem Verbinder geführt werden können. Die Ströme können in entgegengesetzte Richtungen verlaufen und entgegengesetzte induktive Kräfte erzeugen. Wenn die entgegengesetzten Ströme im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen, werden die resultierenden induktiven Kräfte ebenfalls im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen. Dies führt dazu, dass eine Nettoinduktivkraft unbedeutend ist, was ermöglicht, dass der Verbinder 10' ohne Bedenken hinsichtlich von Schwierigkeiten bezüglich induktiver Kräfte, die erzeugt werden könnten, verwendet werden kann. Wie veranschaulicht ist, können Öffnungen 18' in den Kontaktabschnitten 12' jedes Leiters 22 enthalten sein.
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Durch die Erfindung werden elektrische Systeme bereitgestellt, die den elektrischen Verbinder enthalten. 4 veranschaulicht ein elektrisches System 26, das eine Schnittstelleneinheit 28, einen Brennstoffzellenstapel 30 und den elektrischen Verbinder 10 umfasst.
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Die Stapelschnittstelleneinheit 28 kann von einem allgemeinen oder einem speziellen Typ sein, der zur Aufnahme mindestens einer elektrischen Verbindung und zum Liefern eines Stroms ausgelegt ist. Wie gezeigt ist, ist die Stapelschnittstelleneinheit 28 mit dem elektrischen Verbinder 10 durch ein Befestigungselement 19 gekoppelt, das sich durch die Öffnung 18 in den elektrischen Kontaktabschnitten 12 erstreckt. Nach Wunsch können andere Mittel, etwa ein selbst in Eingriff tretender Vorsprung oder eine Verbindung vom Klemmentyp verwendet werden. Die Stapelschnittstelleneinheit 28 ist typischerweise an einem von dem Brennstoffzellenstapel 30 getrennten System angebracht. Beispielsweise kann die Stapelschnittstelleneinheit 28 z.B. an dem Fahrwerk eines Fahrzeugs oder einer anderen festen Komponente angebracht sein. Zudem kann die Stapelschnittstelleneinheit 28 an einer starren Struktur eines Leistungserzeugungssystems angebracht sein.
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Der Brennstoffzellenstapel 30 umfasst eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Leistung. Wenn sich zwischen den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 30 eingeschlossene Membrane während eines normalen Betriebs ausdehnen und zusammenziehen, wird eine Höhe des Stapels 30 variieren. Ein Ende des Brennstoffzellenstapels 30 kann mit dem elektrischen Verbinder 10 durch die Verwendung einer speziellen Scheibe oder eines spezialisierten Verbinders direkt gekoppelt sein. Der Brennstoffzellenstapel 30 ist an einem Ende an einem Fahrzeug oder einer starren Struktur befestigt, was das Ausdehnen und Zusammenziehen auf ein Ende des Brennstoffzellenstapels 30 beschränkt. Wenn der Stapel 30 an einem Ende befestigt ist, muss der elektrische Verbinder 10 mit dem entgegengesetzten Ende gekoppelt werden. Es können auch andere Anordnungen verwendet werden, etwa ein Befestigen des Brennstoffzellenstapels 30 an einem Zwischenpunkt, was ermöglicht, dass das Ausdehnen und Zusammenziehen an beiden Enden auftritt. Wie gezeigt ist, ist der Brennstoffzellenstapel 30 mit dem elektrischen Verbinder 10 durch ein Befestigungselement 19 gekoppelt, das sich durch die Öffnung 18 in dem elektrischen Verbinder 10 erstreckt. Andere Mittel, etwa ein selbst in Eingriff tretender Vorsprung oder eine Verbindung vom Klemmentyp können nach Wunsch verwendet werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die der in 4 gezeigten ähnelt. Bezugszeichen für ähnliche Strukturen bezüglich der Beschreibung von 4 werden in 5 mit einem Hochkommasymbol (') wiederholt.
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5 zeigt den elektrischen Verbinder 10' in ein elektrisches System 26' eingebaut, wobei der elektrische Verbinder 10' mehrere Leiter 22 umfasst, die einen dazwischen angeordneten Isolator 24 aufweisen. Die Stapelschnittstelleneinheit 28' und der Brennstoffzellenstapel 30' können zur Verwendung mit einem elektrischen Verbinder 10' ausgelegt sein, der mehrere Leiter aufweist.
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Aus der vorstehenden Beschreibung kann der Fachmann die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung leicht entnehmen und ohne den Geist und den Umfang derselben zu verlassen, verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung ausführen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen.