DE102024106199A1

DE102024106199A1 - Connector for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell

Info

Publication number: DE102024106199A1
Application number: DE102024106199.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Kölmel; Wayne Dang; Jeferson Pertschi
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2024-03-04
Filing date: 2024-03-04
Publication date: 2025-09-04
Also published as: WO2025186137A1; WO2025186137A8

Abstract

Eine Steckverbindung für ein System zur Zellspannungsüberwachung einer Brennstoffzelle weist zumindest einen Stecker (3) und zumindest eine Buchse (1) auf, wobei die Buchse (1) in einem Randbereich einer Bipolarplatte (10) einer Brennstoffzelle ausgebildet und eingerichtet ist, mit dem Stecker (3) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zusammenzuwirken. Der Stecker (3) weist zumindest zwei Steckerelemente (4) und die Buchse (1) zumindest zwei Steckplätze (2) für jeweils eines der Steckerelemente (4) auf, wobei die zumindest zwei Steckerelemente (4) in dem Stecker (3) relativ zueinander an einer jeweiligen Steckerposition fest angeordnet sind. A plug connection for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell has at least one plug (3) and at least one socket (1), wherein the socket (1) is formed in an edge region of a bipolar plate (10) of a fuel cell and is designed to interact with the plug (3) to establish an electrical connection. The plug (3) has at least two plug elements (4) and the socket (1) has at least two plug locations (2) for each of the plug elements (4), wherein the at least two plug elements (4) are fixedly arranged in the plug (3) relative to one another at a respective plug position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steckverbindung für ein System zur Zellspannungsüberwachung einer Brennstoffzelle, eine entsprechende Brennstoffzelle, einen Brennstoffzellenstapel mit zumindest einer solchen Brennstoffzelle sowie ein System zur Zellspannungsüberwachung mit einer entsprechenden Steckverbindung.The present invention relates to a plug connection for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell, a corresponding fuel cell, a fuel cell stack with at least one such fuel cell and a system for cell voltage monitoring with a corresponding plug connection.

Es sind verschiedene Brennstoffzellentypen bekannt, beispielsweise Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen, welchen Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, einer Anode und einer Kathode, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet (MEA - membrane electrode assembly). Der Elektrolyt liegt bei einer PEM-Brennstoffzelle in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) vor, welche die beiden Elektroden stofflich und elektrisch voneinander trennt, aber eine spezielle Ionensorte, insbesondere Protonen, durchlässt. Die Protonen wandern durch die Membran von der Anode zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen, um elektrische Energie zu erzeugen. An der Kathode reagieren die Protonen, die Elektronen und der Sauerstoff aus der zugeführten Luft, um Wasser zu bilden.Various types of fuel cells are known, for example polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells, which use hydrogen as fuel and air as oxidant. A fuel cell consists of electrodes, an anode, and a cathode, between which is an electrolyte (MEA - membrane electrode assembly). In a PEM fuel cell, the electrolyte is in the form of a polymer electrolyte membrane (PEM), which separates the two electrodes materially and electrically from each other, but allows a specific type of ion, particularly protons, to pass through. The protons migrate through the membrane from the anode to the cathode, while the electrons pass through an external circuit to generate electrical energy. At the cathode, the protons, the electrons, and the oxygen from the supplied air react to form water.

Da die elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle begrenzt ist, werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel (auch „Stack“ oder einfach „Stapel“ genannt) in Reihe geschaltet, um eine entsprechend höhere Spannung zu erhalten. Die einzelnen MEA sind durch Bipolarplatten voneinander getrennt, wobei die Bipolarplatten dabei die Anoden und Kathoden aufeinanderfolgender MEA verbinden, um die Reihenschaltung zu bilden. Eine Bipolarplatte übernimmt dabei die Aufgaben der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff, die Abfuhr von Wasser und die Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Anodenseite (Wasserstoffseite) die aus dem Wasserstoff abgegebenen Elektronen auf und führt sie schließlich auf der Kathodenseite (Sauerstoffseite) wieder zu.Since the electrical voltage of a single fuel cell is limited, several fuel cells are connected in series in a fuel cell stack (also called a "stack" or simply a "stack") to achieve a correspondingly higher voltage. The individual MEAs are separated from each other by bipolar plates, with the bipolar plates connecting the anodes and cathodes of consecutive MEAs to form the series circuit. A bipolar plate is responsible for supplying hydrogen and oxygen, removing water, and cooling the fuel cell stack. In addition, the bipolar plate on the anode (hydrogen) side absorbs the electrons released from the hydrogen and then returns them to the cathode (oxygen) side.

Ein wichtiger Bestandteil des Betriebs von Brennstoffzellensystemen ist die sogenannte Zellspannungsüberwachung (CVM - Cell Voltage Monitoring). Sie ermöglicht die Überwachung der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels in Echtzeit und kann helfen, mögliche Probleme oder Ausfälle zu erkennen, die während des Betriebs auftreten können. Durch die kontinuierliche Messung der Spannung an jeder einzelnen Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel kann dieser Prozess wertvolle Informationen über den Gesamtzustand und die Leistung des Brennstoffzellensystems liefern. Da Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen bestehen, ist es wichtig, dass jede Brennstoffzelle effizient arbeitet, um die Gesamtleistung der Brennstoffzelle zu optimieren. Die Zellspannungsüberwachung erfolgt normalerweise durch Sensoren, die die Spannung einzelner Brennstoffzellen messen. Abweichungen in der Zellspannung können auf verschiedene Probleme hinweisen, wie zum Beispiel ungleichmäßige Verteilung des Brennstoffs oder der Luft in den Brennstoffzelle, verstopfte oder beschädigte Kanäle für den Gasfluss, elektrische Kurzschlüsse oder Unterbrechungen oder Alterung oder Degradation der Brennstoffzelle. Durch die rechtzeitige Erkennung solcher Probleme kann die Zellspannungsüberwachung dazu beitragen, Ausfälle zu vermeiden, die Effizienz der Brennstoffzelle zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern.A critical component of fuel cell system operation is cell voltage monitoring (CVM). This allows for real-time monitoring of the electrical performance of the fuel cell stack and can help detect potential problems or failures that may occur during operation. By continuously measuring the voltage at each individual fuel cell in the fuel cell stack, this process can provide valuable information about the overall health and performance of the fuel cell system. Since fuel cell stacks consist of numerous fuel cells, it is important that each fuel cell operates efficiently to optimize the overall fuel cell performance. Cell voltage monitoring is typically performed by sensors that measure the voltage of individual fuel cells. Deviations in cell voltage can indicate various problems, such as uneven distribution of fuel or air within the fuel cell, blocked or damaged gas flow channels, electrical short circuits or interruptions, or aging or degradation of the fuel cell. By detecting such problems early, cell voltage monitoring can help prevent failures, improve fuel cell efficiency, and extend its service life.

Die Montage eines Systems zur Zellspannungsüberwachung kann jedoch aufwändig sein, wenn eine Vielzahl von Steckverbindungen einzeln hergestellt werden muss. Hier können auch bereits Fehler auftreten, wenn beispielsweise Steckverbindungen nicht ordnungsgemäß verbunden werden. Bei der Spannungsmessung lässt sich jedoch schwer feststellen, ob ein Fehler im Betrieb einer Brennstoffzelle vorliegt oder ob die Steckverbindung selbst fehlerhaft ist. Die Zuverlässigkeit der Zellspannungsüberwachung kann daher beeinträchtigt sein. Außerdem können sich im Betrieb einzelne Steckverbindungen lösen, insbesondere wenn das System im Betrieb beispielsweise in einem Fahrzeug Erschütterungen ausgesetzt ist. Auch dadurch kann eine zuverlässige Zellspannungsmessung nicht immer gewährleistet werden.However, installing a cell voltage monitoring system can be complex if a large number of plug connections must be made individually. Errors can also occur here, for example, if plug connections are not connected properly. However, when measuring the voltage, it is difficult to determine whether there is a fault in the operation of a fuel cell or whether the plug connection itself is faulty. The reliability of the cell voltage monitoring system can therefore be compromised. Furthermore, individual plug connections can become loose during operation, particularly if the system is subjected to vibrations, for example, in a vehicle. This also means that reliable cell voltage measurement cannot always be guaranteed.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbindung für ein System zur Zellspannungsüberwachung einer Brennstoffzelle bereitzustellen, welche eine zuverlässigere Spannungsmessung erlaubt.The present invention is based on the object of providing a plug connection for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell, which allows a more reliable voltage measurement.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved according to the teaching of the independent claims. Various embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Steckverbindung für ein System zur Zellspannungsüberwachung einer Brennstoffzelle. Die Steckverbindung weist zumindest einen Stecker und zumindest eine Buchse auf. Die Buchse ist in einem Randbereich einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ausgebildet und eingerichtet, mit dem Stecker zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zusammenzuwirken. Der Stecker weist zumindest zwei Steckerelemente und die Buchse zumindest zwei Steckplätze für jeweils eines der Steckerelemente auf, wobei die zumindest zwei Steckerelemente in dem Stecker relativ zueinander an einer jeweiligen Steckerposition fest angeordnet sind.A first aspect of the invention relates to a plug connection for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell. The plug connection comprises at least one plug and at least one socket. The socket is formed in an edge region of a bipolar plate of a fuel cell and is designed to cooperate with the plug to establish an electrical connection. The plug has at least two plug elements and the socket has at least two slots for each of the plug elements, wherein the at least two plug elements elements in the plug are fixed relative to each other at a respective plug position.

Die Erfindung beruht folglich drauf, eine Steckverbindung zu schaffen, welche mittels eines Steckers und einer dazu passenden Buchse in einer Bipolarplatte zwei (elektrische) Verbindungen herstellt. Der Stecker weist dazu zumindest zwei, insbesondere genau zwei Steckerelemente auf, welche relativ zueinander im Stecker fest angeordnet, also fixiert oder unbeweglich sind. Der Stecker kann im Falle von zwei Steckerelementen somit auch als „Doppelstecker“ bezeichnet werden. Die Buchse in der Bipolarplatte weist entsprechend zumindest zwei, insbesondere genau zwei Steckplätze auf und kann somit einen „Doppelsteckplatz“ bereitstellen. Die beiden Steckerelemente (und damit die Steckplätze) sind insbesondere in räumlicher Nähe zueinander, d. h. benachbart angeordnet und können dadurch als mechanisch verknüpft bezeichnet werden. Die Steckplätze können insbesondere in einem gemeinsamen Abschnitt des Randbereichs der Bipolarplatte liegen, beispielsweise an einer gemeinsamen Kante und weisen daher in dieselbe Richtung. Auf diese Weise müssen die Steckerelemente nicht einzeln in die Steckplätze eingeführt werden, sondern es können die beiden Verbindungen gleichzeitig hergestellt werden.The invention is therefore based on creating a plug connection that establishes two (electrical) connections by means of a plug and a matching socket in a bipolar plate. The plug has at least two, in particular exactly two, plug elements that are fixedly arranged relative to one another in the plug, i.e., are fixed or immobile. In the case of two plug elements, the plug can thus also be referred to as a "double plug." The socket in the bipolar plate accordingly has at least two, in particular exactly two, sockets and can thus provide a "double socket." The two plug elements (and thus the sockets) are in particular spatially close to one another, i.e., adjacent, and can thus be referred to as mechanically linked. The sockets can, in particular, be located in a common section of the edge region of the bipolar plate, for example, on a common edge and therefore point in the same direction. In this way, the plug elements do not have to be inserted into the sockets individually; instead, the two connections can be established simultaneously.

Die „doppelte“ Steckverbindung bietet im Vergleich zu einer Steckverbindung mit nur einem Steckerelement und entsprechend einem Steckplatz eine erhöhte mechanische Stabilität. Dadurch kann insbesondere bei Anwendungen mit Erschütterungen, wie sie beispielsweise beim Einsatz eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug während der Fahrt auftreten, auch die Stabilität und Zuverlässigkeit der elektrischen Kontaktierung verbessert werden. Zudem kann durch das redundante Vorsehen der Steckerelemente die Zuverlässigkeit bei der Spannungsmessung verbessert werden. Beispielsweise kann die Plausibilität einer Spannungsmessung überprüft werden. Dazu können beispielsweise die jeweils an den Steckerelementen abgegriffenen Spannungswerte verglichen werden, beispielsweise mittels einer entsprechenden Logik. So kann z. B. schnell festgestellt werden, ob die Steckverbindung korrekt hergestellt wurde. Besteht beispielsweise ein signifikanter Unterschied in den Spannungswerten der beiden Steckerelemente, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Fehler in der Steckverbindung vor. Auch können die beiden Verbindungen, welche mittels der Steckverbindung hergestellt werden, unterschiedlich genutzt werden, beispielsweise zum einen zur Spannungsversorgung einer Auswerteelektronik und zum anderen für die eigentliche Spannungsmessung.The "double" plug connection offers increased mechanical stability compared to a plug connection with only one plug element and correspondingly one slot. This can also improve the stability and reliability of the electrical contact, particularly in applications subject to vibration, such as those that occur when a fuel cell system is used in a vehicle while driving. Furthermore, the redundant provision of the plug elements can improve the reliability of voltage measurements. For example, the plausibility of a voltage measurement can be checked. For this purpose, the voltage values tapped at the plug elements can be compared, for example using appropriate logic. This makes it possible to quickly determine whether the plug connection was made correctly. If, for example, there is a significant difference in the voltage values of the two plug elements, there is a high probability that there is a fault in the plug connection. The two connections established by the plug connection can also be used differently, for example, to supply power to evaluation electronics and for the actual voltage measurement.

Der hier verwendete Begriffe „Steckverbindung“ bezeichnet insbesondere eine Verbindung eines Steckers, dem „männlichen Teil“ und einer Buchse, dem „weiblichen Teil“. Die Steckverbindung wird insbesondere durch mechanisches Einstecken des Steckers in die Buchse hergestellt, wobei Stecker und Buchse jeweils elektrisch leitfähige Komponenten aufweisen, um eine elektrische Verbindung insbesondere zum Abgreifen einer Spannung bzw. eines Stroms herzustellen. Das Einstecken erfolgt dabei in einer „Steckrichtung“. Die Steckverbindung kann ohne Verriegelung erfolgen oder mit einer lösbaren oder unlösbaren Verriegelung. Beispielsweise kann die Steckverbindung mechanisch einschnappen oder einrasten. Der Stecker weist Steckerelemente auf, welche auch als „Pins“ bezeichnet werden können und welche den Teil des Steckers ausmachen, welcher die elektrische Verbindung herstellt. Der Stecker kann entsprechend ein Gehäuse aufweisen, welches die Steckerelemente hält, und mit einer Leitung, wie einem Kabel oder Draht verbunden sein. Die Buchse weist Steckplätze auf, welche entsprechend zur Aufnahme der Steckerelemente eingerichtet sind und auch als „Taschen“ bezeichnet werden können. Insbesondere die mechanische Form und Anordnung der Steckplätze einer Buchse ist passend (komplementär) zur Gestaltung des Steckers mit seinen Steckerelementen ausgebildet.The term "plug connection" used here refers in particular to a connection between a plug, the "male part," and a socket, the "female part." The plug connection is established in particular by mechanically inserting the plug into the socket, with the plug and socket each having electrically conductive components to establish an electrical connection, in particular for tapping a voltage or current. Insertion takes place in a "plug-in direction." The plug connection can be made without a lock or with a releasable or non-releasable lock. For example, the plug connection can mechanically snap or engage. The plug has plug elements, which can also be referred to as "pins," and which constitute the part of the plug that establishes the electrical connection. The plug can accordingly have a housing that holds the plug elements and be connected to a line, such as a cable or wire. The socket has slots that are configured to receive the plug elements and can also be referred to as "pockets." In particular, the mechanical shape and arrangement of the slots of a socket is designed to match (complement) the design of the plug with its plug elements.

Die hier gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.As used herein, the terms "comprises," "includes," "includes," "has," "has," "with," or any other variation thereof are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements not expressly listed or that are inherent in such a method or apparatus.

Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).Furthermore, unless explicitly stated to the contrary, "or" refers to an inclusive "or" and not an exclusive "or." For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).

Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.The terms "a" or "an" as used herein are defined as "one or more." The terms "another" and "another," and any other variations thereof, are defined as "at least one other."

Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.The term “plurality” as used here shall mean “two or more”.

Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“, eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.The term “configured” or “set up” to fulfil a specific function (and respective modifications thereof) is to be understood within the meaning of the invention that the corresponding device is already in a design or setting in which it can carry out the function or is at least adjustable - i.e. configurable - so that it can carry out the function after being set accordingly. The configuration can be carried out, for example, by appropriately setting parameters of a process sequence or of switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings. In particular, the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Steckverbindung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.Preferred embodiments of the plug connection are described below, which can be combined with each other as well as with the other aspects of the invention described, unless this is expressly excluded or is technically impossible.

Bei einigen Ausführungsformen weisen die Steckplätze einer Buchse einen Abstand entlang einer Kante der Bipolarplatte auf, der kleiner oder gleicher einer Breite eines Steckplatzes ist. Es versteht sich, dass dann auch die Steckerelemente eines Steckers einen entsprechenden Abstand aufweisen. Durch diesen kleinen Abstand weisen die Steckplätze eine räumliche Nähe auf, sodass über die Steckerelemente eines Steckers im Wesentlichen die gleiche Zellspannung abgegriffen wird. Wie unten noch beschrieben werden wird, kann im Gegensatz dazu die Zellspannung über eine Bipolarplatte hinweg variieren, sodass weiter voneinander entfernte Steckplätze gegebenenfalls unterschiedliche Spannungswerte liefern können, beispielsweise wenn diese an gegenüberliegenden Rändern einer Bipolarplatte liegen. Durch die räumliche Nähe wird außerdem erreicht, dass die Steckerelemente eines Steckers einfach in einem Arbeitsgang gleichzeitig eingesteckt werden können.In some embodiments, the slots of a socket have a distance along an edge of the bipolar plate that is less than or equal to the width of a slot. It is understood that the plug elements of a plug then also have a corresponding distance. This small distance puts the slots in close proximity, so that essentially the same cell voltage is tapped across the plug elements of a plug. In contrast, as will be described below, the cell voltage can vary across a bipolar plate, so that slots that are further apart from one another can potentially deliver different voltage values, for example if they are located on opposite edges of a bipolar plate. This spatial proximity also means that the plug elements of a plug can be easily plugged in simultaneously in one operation.

Bei einigen Ausführungsformen sind die Steckerelemente jeweils durch einen elektrisch leitfähigen Draht gebildet, welcher in einer Ebene gebogen und dadurch geformt und eingerichtet ist, zur Herstellung einer jeweiligen elektrischen Verbindung in den jeweiligen Steckplatz zu passen. Durch die Biegung(en) des Drahts kann ein elektrischer Kontakt bzw. ein mechanischer Halt in den jeweiligen Steckplätzen verbessert werden. Da der Draht in einer Ebene gebogen ist, ist ein Steckerelement dennoch flach und somit zur Kontaktierung einer Brennstoffzelle geeignet, welche eine sehr flache Komponente typischerweise innerhalb eines Brennstoffzellenstapels ist. Der Draht kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise rund, viereckig oder flach. Die Verbindung mit einer Leiterplatte (insbesondere auch dem Stecker) kann beispielsweise durch Löten oder Crimpen hergestellt werden. Es versteht sich, dass beliebige Kombinationen von Verbindungen und Querschnittsformen von Drähten auf Leiterplatten denkbar sind.In some embodiments, the plug elements are each formed by an electrically conductive wire which is bent in a plane and thereby shaped and configured to fit into the respective slot to establish a respective electrical connection. The bend(s) of the wire can improve electrical contact or mechanical hold in the respective slots. Since the wire is bent in a plane, a plug element is nevertheless flat and thus suitable for contacting a fuel cell, which is a very flat component typically within a fuel cell stack. The wire can have any cross-section, for example round, square, or flat. The connection to a circuit board (in particular also the plug) can be established, for example, by soldering or crimping. It is understood that any combination of connections and cross-sectional shapes of wires on circuit boards are conceivable.

Bei einigen zugehörigen Ausführungsformen weist der Draht zumindest eine erste Biegung auf, welche einen in einer Steckrichtung führenden Teil des Steckerelements bildet, wobei die erste Biegung einen Winkel im Bereich von etwa 90 bis etwa 180 Grad aufweist, beispielsweise im Bereich von etwa 120 bis etwa 150 Grad, wie etwa um 135 Grad. Diese Form bezieht sich dabei insbesondere auf den nicht eingesteckten Zustand. Durch die Biegung, bei der beispielsweise ein Endbereich an einem freien Ende des Drahts umgebogen sein kann, kann insbesondere im Vergleich zu einem einfachen (geraden) Draht die Handhabung bei der Montage verbessert werden. Insbesondere kann dadurch jedoch wie nachfolgend erläutert werden wird, der mechanische Halt eines Steckerelements in einem Steckplatz sowie auch der elektrische Kontakt verbessert werden.In some associated embodiments, the wire has at least a first bend, which forms a part of the plug element that leads in a plugging direction, wherein the first bend has an angle in the range of approximately 90 to approximately 180 degrees, for example in the range of approximately 120 to approximately 150 degrees, such as approximately 135 degrees. This shape relates in particular to the unplugged state. The bend, in which, for example, an end region at a free end of the wire can be bent over, can improve handling during assembly, particularly compared to a simple (straight) wire. In particular, however, as will be explained below, the mechanical hold of a plug element in a slot as well as the electrical contact can be improved.

Bei einigen Ausführungsformen weist ein sich von der ersten Biegung zu einem freien Ende des Drahts erstreckender Abschnitt des Drahts zumindest eine zweite Biegung auf, wobei die zweite Biegung quer zur Steckrichtung einen Vorsprung des Steckerelements bildet, welche eingerichtet ist, beim Herstellen der Steckverbindung mit einer Ausbuchtung in dem entsprechenden Steckplatz zusammenzuwirken, um dadurch die Steckverbindung einschnappen zu lassen, wobei der Draht eingerichtet ist, beim Einschnappen elastisch verformt zu werden. Während die erste Biegung das führende Ende beim Einstecken bildet, kann durch die seitliche zweite Biegung im Zusammenspiel mit einem entsprechend geformten Steckplatz, welche eine Ausbuchtung oder Nase aufweisen kann, eine einschnappende oder einrastende Steckverbindung bereitgestellt werden. Beim Einstecken biegen sich dazu die Abschnitte des Steckerelements, d. h. das freie Ende des Drahts und das mit dem Stecker verbundene Ende des Drahts gegeneinander. Durch die Gestalt des Steckplatzes erfolgt beim Einstecken gegen Ende durch die elastische Verformung des Drahts wieder ein Aufbiegen und dadurch ein Einschnappen.In some embodiments, a section of the wire extending from the first bend to a free end of the wire has at least one second bend, wherein the second bend forms a projection of the plug element transversely to the plugging direction, which projection is configured to interact with a bulge in the corresponding slot when the plug connection is established, thereby allowing the plug connection to snap into place, wherein the wire is configured to be elastically deformed upon snapping into place. While the first bend forms the leading end during plugging in, the lateral second bend, in interaction with a correspondingly shaped slot, which may have a bulge or nose, can provide a snapping or latching plug connection. During plugging in, the sections of the plug element, i.e., the free end of the wire and the end of the wire connected to the plug, bend towards one another. Due to the shape of the slot, the elastic deformation of the wire causes it to bend open again towards the end when plugged in, thereby snapping into place.

Bei einigen zugehörigen Ausführungsformen ist das freie Ende des Drahts eingerichtet, nach dem Einschnappen der Steckverbindung aus dem Steckplatz heraus und über die Kante der Bipolarplatte hinaus hervorzustehen, sodass durch elastisches Verformen des Drahts bei Einwirken auf das freie Ende die eingeschnappte Steckverbindung lösbar ist. Auf diese Weise kann eine einfache lösbare Verbindung geschaffen werden. Zum Lösen der eingeschnappten Verbindung können die Drahtabschnitte des Steckerelements durch Greifen des freien Endes zusammengedrückt werden, so dass beim Ziehen entgegen der Steckrichtung die Ausbuchtung in dem Steckplatz passiert werden kann.In some associated embodiments, the free end of the wire is configured to protrude from the slot and beyond the edge of the bipolar plate after the plug connection has been snapped in, so that by elastic By deforming the wire when applied to the free end, the snapped-in connector can be released. This allows for a simple detachable connection. To release the snapped-in connection, the wire sections of the connector element can be pressed together by grasping the free end, allowing the bulge in the connector to be passed when pulled against the plugging direction.

Bei einigen Ausführungsformen sind das Steckerelement und der Steckplatz derart ausgebildet, dass bei hergestellter Steckverbindung ein elektrischer Kontakt zwischen dem Steckerelement und dem Steckplatz an zumindest zwei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen besteht. Die Kontaktbereiche können dabei insbesondere entlang einer Kontur des Steckplatzes angeordnet sein. Es können zwei oder mehr, beispielsweise drei Kontaktbereiche vorgesehen sein, welche kontaktiert werden, wenn ein Steckerelement vollständig in einem Steckplatz aufgenommen ist. Durch mehrere Kontaktbereiche kann im Vergleich zu nur einem Kontaktbereich die Zuverlässigkeit der Steckverbindung verbessert werden, da durch einen fehlenden Kontakt bei einem der Kontaktbereiche dennoch die elektrische Verbindung hergestellt bzw. aufrecht erhalten werden kann. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Form der Steckerelemente, insbesondere in Draufsicht auf die Ebene, in welcher der Draht gebogen ist, und Steckplätze zwar aneinander angepasst, aber nicht komplett gleich sind. Dies erlaubt höhere Toleranzen zwischen Steckerelement und Steckplatz insbesondere im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen eine Identität der Formen beabsichtigt ist.In some embodiments, the plug element and the socket are designed such that, when the plug connection is established, there is electrical contact between the plug element and the socket at at least two contact areas spaced apart from one another. The contact areas can be arranged, in particular, along a contour of the socket. Two or more, for example three, contact areas can be provided, which are contacted when a plug element is fully received in a socket. The reliability of the plug connection can be improved by having multiple contact areas compared to just one contact area, since the electrical connection can still be established or maintained even if contact is missing in one of the contact areas. In particular, it can be provided that the shape of the plug elements, in particular in a plan view of the plane in which the wire is bent, and the sockets are adapted to one another but not completely identical. This allows higher tolerances between the plug element and the socket, particularly compared to embodiments in which identical shapes are intended.

Bei einigen Ausführungsformen sind die Steckplätze jeweils durch einen seitlichen Ausschnitt im Randbereich der Bipolarplatte gebildet, wobei der Ausschnitt zumindest einen sich über den Ausschnitt hinweg erstreckenden Steg aufweist, wobei die Steckerelemente eingerichtet sind, beim Herstellen der Steckverbindung den zumindest einen Steg elektrisch zu kontaktieren. Dies kann zur Verbesserung des elektrischen Kontakts der Steckverbindung beitragen. Insbesondere können so zusätzlich zu den Kontaktbereichen entlang der Kontur des Steckplatzes weitere Kontaktbereich oder Kontaktflächen geschaffen werden. Beispielsweise kann eine Rampe als „Quersteg“ am Ende (dem „tiefsten Punkt“) eines Steckplatzes vorgesehen sein, also in dem Bereich, in welchem das führende Ende des Steckerelements zur Anlage kommt. Auch kann zumindest ein Quersteg in einem mittleren Bereich des Steckplatzes vorgesehen sein, über welchen des Steckerelement beim Einstecken hinweggeschoben wird und auf dem es beim kompletten Einstecken dann anliegt (insbesondere in der Ebene, in welcher der Draht gebogen ist). Durch die Querstege kann gegebenenfalls auch eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Steckverbindung erreicht werden, da das Steckerelement zusätzlich geklemmt wird.In some embodiments, the plug-in locations are each formed by a lateral cutout in the edge region of the bipolar plate, wherein the cutout has at least one web extending across the cutout, wherein the plug elements are configured to electrically contact the at least one web when establishing the plug-in connection. This can contribute to improving the electrical contact of the plug-in connection. In particular, in addition to the contact areas along the contour of the plug-in location, further contact areas or contact surfaces can be created. For example, a ramp can be provided as a "crossbar" at the end (the "lowest point") of a plug-in location, i.e., in the area where the leading end of the plug element comes into contact. At least one crossbar can also be provided in a central area of the plug-in location, over which the plug element is pushed during insertion and on which it then rests upon complete insertion (particularly in the plane in which the wire is bent). The crossbars can also potentially improve the mechanical stability of the plug-in connection, since the plug element is additionally clamped.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte, welche zumindest eine Buchse für eine Steckverbindung nach dem ersten Aspekt aufweist.A second aspect of the invention relates to a fuel cell with a bipolar plate which has at least one socket for a plug connection according to the first aspect.

Bei einigen Ausführungsformen der Brennstoffzelle weist die Bipolarplatte zumindest zwei Buchsen auf, welche entlang des Umfangs der Bipolarplatte in voneinander beabstandeten Randbereichen der Bipolarplatte angeordnet sind. Insbesondere kann die Bipolarplatte vier oder auch sechs Buchsen aufweisen. Es versteht sich, dass jede der Buchsen dann entsprechend der oben beschriebenen Steckverbindung nach dem ersten Aspekt der Erfindung zumindest zwei, insbesondere genau zwei Steckplätze aufweist. Die Buchsen können entlang des Umfangs der Bipolarplatte verteilt sein, insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig. Die Buchsen können vorteilhaft auch an gegenüberliegenden Kanten der Bipolarplatte vorgesehen sein, beispielsweise eine oder zwei jeweils an einer kurzen Kante der Bipolarplatte. Zum Zellspannungsabgriff ist prinzipiell eine Buchse (und damit eine Steckverbindung) ausreichend, insbesondere wenn nur eine Buchse vorhanden ist. Wenn mehrere Buchsen vorhanden sind, müssen nicht notwendigerweise alle kontaktiert werden. Beispielsweise kann durch symmetrisch vorgesehene Buchsen die Montage erleichtert werden, wenn nur eine davon mit einem Stecker kontaktiert wird.In some embodiments of the fuel cell, the bipolar plate has at least two sockets arranged along the circumference of the bipolar plate in spaced-apart edge regions of the bipolar plate. In particular, the bipolar plate can have four or even six sockets. It is understood that each of the sockets then has at least two, in particular exactly two, plug-in locations, corresponding to the plug connection described above according to the first aspect of the invention. The sockets can be distributed along the circumference of the bipolar plate, in particular substantially uniformly. The sockets can advantageously also be provided on opposite edges of the bipolar plate, for example, one or two each on a short edge of the bipolar plate. In principle, one socket (and thus one plug-in connection) is sufficient for tapping the cell voltage, especially if only one socket is present. If several sockets are present, not all of them necessarily have to be contacted. For example, symmetrically provided sockets can facilitate assembly if only one of them is contacted by a plug.

Mehrere Buchsen und damit Steckverbindungen pro Brennstoffzelle können jedoch auch dazu genutzt werden, die Zellspannung an verschiedenen Punkten der Bipolarplatte abzugreifen, sodass eine „ortsaufgelöste“ Spannungserfassung (bzw. Strommessung) realisiert werden kann. Es können dann Spannungsunterschiede bzw. gegebenenfalls ein Spannungsgradient über die Platte hinweg erfasst werden, was auf verschiedene Fehlfunktionen hindeuten kann. Durch Steckverbindungen gemäß dem ersten Aspekt kann das sogenannte „Multipoint Cell Voltage Monitoring“ so auf besonders einfache Art und Weise wirtschaftlich verwirklicht werden kann. Beispielsweise kann es dann gegebenenfalls auch für den Feldbetrieb von in Serie produzierten (industrielle Massenproduktion) Brennstoffzellensystemen und nicht nur für einen Teststand-Betrieb vorgesehen werden.However, multiple sockets and thus plug connections per fuel cell can also be used to tap the cell voltage at different points on the bipolar plate, enabling "spatially resolved" voltage detection (or current measurement). Voltage differences or, if applicable, a voltage gradient across the plate can then be detected, which can indicate various malfunctions. Plug connections according to the first aspect allow so-called "multipoint cell voltage monitoring" to be implemented in a particularly simple and cost-effective manner. For example, it can then also be designed for field operation of series-produced (industrial mass production) fuel cell systems, rather than just for test bench operation.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit zumindest einer Brennstoffzelle nach dem zweiten Aspekt. In dem Brennstoffzellenstapel können insbesondere ausgewählte mehrere Brennstoffzellen vorgesehen sein, bei welchen ein Zellspannungsabgriff mittels zumindest einer Steckverbindung nach dem ersten Aspekt vorgesehen ist. Dies können beispielsweise Brennstoffzellen am Rand des Brennstoffzellenstapels, aber auch in der Mitte des Brennstoffzellenstapels sein. Beispielsweise können Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel mit bestimmten Abständen überwacht werden. In einem Testbetrieb können auch mehr Brennstoffzellen überwacht werden als dies im Feldbetrieb möglich oder notwendig ist. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch alle Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels derart überwacht werden könnten. Um die Montage zu erleichtern, kann es vorgesehen sein, dass ein oder mehrere „Sammelstecker“ vorgesehen sind, welche mehrere Stecker und damit Steckerelemente wie oben beschrieben aufweisen können, beispielsweise zehn Stecker bzw. 20 Steckerelemente. Der Sammelstecker kann so eine „Haltegeometrie“ bereitstellen, damit nicht alle Stecker in einem Brennstoffzellenstapel einzeln montiert werden müssen.A third aspect of the invention relates to a fuel cell stack with at least one fuel cell according to the second aspect. In particular, a selected number of fuel cells can be provided in the fuel cell stack, in which a cell voltage tap is provided by means of at least one plug connection according to the first aspect. This can be fuel cells at the edge of the fuel cell stack, for example, but also in the middle of the fuel cell stack. For example, fuel cells in the fuel cell stack can be monitored at specific intervals. In test operation, more fuel cells can be monitored than is possible or necessary in field operation. It goes without saying that, if necessary, all fuel cells of a fuel cell stack could also be monitored in this way. To facilitate assembly, one or more "collective plugs" can be provided, which can have several plugs and thus plug elements as described above, for example ten plugs or 20 plug elements. The collective plug can thus provide a "holding geometry" so that not all plugs in a fuel cell stack have to be installed individually.

Ein vierter Aspekt betrifft ein System zur Zellspannungsüberwachung einer Brennstoffzelle mit zumindest einer Steckverbindung nach dem ersten Aspekt und/oder zumindest einer Brennstoffzelle nach dem zweiten Aspekt und/oder einem Brennstoffzellenstapel nach dem dritten Aspekt, wobei das System eine Einrichtung zur Zellspannungserfassung aufweist, welche mittels zumindest einer Steckverbindung nach dem ersten Aspekt mit der Brennstoffzelle oder zumindest einer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verbunden oder verbindbar ist. Ferner kann eine Einrichtung zur Überwachung der erfassten Zellspannung vorgesehen sein. Durch entsprechende Auswertung der erfassten Zellspannung kann auf etwaige Fehlfunktionen einer Brennstoffzelle geschlossen werden.A fourth aspect relates to a system for monitoring the cell voltage of a fuel cell having at least one plug connection according to the first aspect and/or at least one fuel cell according to the second aspect and/or a fuel cell stack according to the third aspect, wherein the system comprises a device for detecting the cell voltage, which is connected or connectable to the fuel cell or at least one of the fuel cells of the fuel cell stack by means of at least one plug connection according to the first aspect. Furthermore, a device for monitoring the detected cell voltage can be provided. By appropriately evaluating the detected cell voltage, conclusions can be drawn about possible malfunctions of a fuel cell.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.The features and advantages explained with respect to the first aspect of the invention also apply accordingly to the further aspects of the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following detailed description in conjunction with the drawings.

Dabei zeigt:

1 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform sowie eine Detailansicht davon;
2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine perspektivische Ansicht einer Steckverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 eine perspektivische Ansicht einer Steckverbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 bis 7 Schritte zum Herstellen der Steckverbindung;
8 verschiedene Ansichten einer Buchse gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
9 verschiedene Ansichten einer Buchse gemäß einer weiteren Ausführungsform.

It shows:

1 a plan view of a bipolar plate according to a first embodiment and a detailed view thereof;
2 a plan view of a bipolar plate according to a second embodiment;
3 a perspective view of a plug connection according to a first embodiment;
4 a perspective view of a plug connection according to a second embodiment;
5 until 7 Steps to make the connection;
8 various views of a socket according to another embodiment; and
9 different views of a socket according to another embodiment.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet. Die Figuren sind schematisch und stellen daher die Realität nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dar.Throughout the figures, the same reference numerals are used for the same or corresponding elements of the invention. The figures are schematic and therefore do not necessarily represent the actual objects to scale.

1 zeigt eine Bipolarplatte 10 gemäß einer ersten Ausführungsform in Draufsicht zusammen mit einer Detailansicht einer Ecke davon. Die Bipolarplatte 10 weist Anschlüsse 11, 12, 13, 14, 15, 16 auf. Ein Kathodengas (Oxidationsmittel, insbesondere Luft) wird über den Einlass 12 der Bipolarplatte 10 zugeführt und strömt sodann über die Kathodenseite der Bipolarplatte 10. Entsprechende Reaktionsprodukte (insbesondere Wasser) verlassen die Bipolarplatte 10 über den Auslass 15. Ein Anodengas (Brennstoff, insbesondere Wasserstoff) wird in analoger Weise über den Einlass 11 zugeführt und strömt über die Anodenseite. Reste werden über den Auslass 14 abgeführt. Ein Kühlmittel wird über den Einlass 13 zugeführt, fließt durch Hohlkanäle im Inneren der Bipolarplatte 10 und verlässt schließlich die Bipolarplatte 10 am Auslass 16. In der Detailansicht ist der Beginn einer Kanalstruktur 19 angedeutet, über welche das Kühlmittel fließt. Entsprechende Kanalstrukturen sind auch für das Kathodengas und das Anodengas vorgesehen. Die jeweils genauen Strukturen sind für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Daher ist der mittlere Teil der Bipolarplatte 10 ausgeblendet. 1 shows a bipolar plate 10 according to a first embodiment in plan view, along with a detailed view of a corner thereof. The bipolar plate 10 has connections 11, 12, 13, 14, 15, 16. A cathode gas (oxidizing agent, in particular air) is supplied via the inlet 12 of the bipolar plate 10 and then flows over the cathode side of the bipolar plate 10. Corresponding reaction products (in particular water) leave the bipolar plate 10 via the outlet 15. An anode gas (fuel, in particular hydrogen) is supplied in a similar manner via the inlet 11 and flows over the anode side. Residues are discharged via the outlet 14. A coolant is supplied via inlet 13, flows through hollow channels inside the bipolar plate 10, and finally exits the bipolar plate 10 at outlet 16. The detailed view indicates the beginning of a channel structure 19 through which the coolant flows. Corresponding channel structures are also provided for the cathode gas and the anode gas. The exact structures are not relevant to the present invention. Therefore, the central part of the bipolar plate 10 is hidden.

Für einen Zellspannungsabgriff in einem System zur Zellspannungsüberwachung weist die Bipolarplatte 10 vier Buchsen 1 für Steckverbindungen auf, jeweils zwei an den Längskanten 17, 18. Die Buchsen 1 weisen jeweils zwei Steckplätze 2 auf. Diese sind jeweils zur Aufnahme eines entsprechenden Steckers 3 ausgebildet, welcher nachfolgend beschrieben wird. Es kann vorgesehen sein, nur für eine der Buchsen 1 eine Steckverbindung einzurichten, um die Zellspannung abzugreifen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, mehrere Steckverbindungen für mehrere oder alle Buchsen 1 herzustellen. Auf diese Weise kann eine ortsaufgelöste Spannungsmessung erfolgen. Durch Auswertungen der erfassten Spannungen an verschiedenen Punkten der Bipolarplatte 10 kann auf etwaige Fehlfunktionen rückgeschlossen werden. Für die Überwachung der Zellspannung ist es jedoch prinzipiell ausreichend, nur eine Steckverbindung über eine der Buchsen 1 herzustellen. Die symmetrische Anordnung der Buchsen erlaubt dann auch die Montage der Bipolarplatte um 180 Grad gedreht.For tapping the cell voltage in a cell voltage monitoring system, the bipolar plate 10 has four sockets 1 for plug connections, two each on the longitudinal edges 17, 18. The sockets 1 each have two slots 2. These are each designed to receive a corresponding plug 3, which is described below. It can be provided to set up a plug connection for only one of the sockets 1 in order to tap the cell voltage. However, it can also be provided to establish multiple plug connections for several or all sockets 1. In this way, a spatially resolved voltage measurement can be carried out. By evaluating the detected voltages at various points on the bipolar plate 10, conclusions can be drawn about possible malfunctions. For monitoring the cell voltage, however, it is generally sufficient to only one plug connection can be made via one of the sockets 1. The symmetrical arrangement of the sockets also allows the bipolar plate to be mounted rotated by 180 degrees.

Die Bipolarplatte 10 ist insbesondere Teil einer Brennstoffzelle (nicht dargestellt), welche wiederum Teil eines Brennstoffzellenstapels mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen sein kann (ebenfalls nicht dargestellt). In einem Brennstoffzellenstapel kann es vorgesehen sein, die Zellspannung mehrerer Brennstoffzellen zu überwachen, welche über den Brennstoffzellenstapel verteilt sein können. So kann die Funktion des gesamten Brennstoffzellenstapels überwacht werden.The bipolar plate 10 is, in particular, part of a fuel cell (not shown), which in turn may be part of a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells (also not shown). In a fuel cell stack, it may be provided to monitor the cell voltage of several fuel cells, which may be distributed throughout the fuel cell stack. This allows the function of the entire fuel cell stack to be monitored.

2 zeigt eine Bipolarplatte 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von der Bipolarplatte 10 aus 1 lediglich dadurch, dass anstatt vier Buchsen 1 nur zwei Buchsen 1 vorgesehen sind. Insofern wird auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen. Gemäß der Ausführungsform aus 2 ist an jeder Längskante 17, 18 der Bipolarplatte 10 nur eine Buchse 1 angeordnet. Diese sind dabei so diagonal versetzt, dass die Bipolarplatte 10 (vergleichbar mit der Bipolarplatte 10 aus 1) ein rotationssymmetrisches Design aufweist, sodass die Bipolarplatte 10 auch um 180 Grad um den Mittelpunkt gedreht montiert werden kann. 2 shows a bipolar plate 10 according to a second embodiment. This differs from the bipolar plate 10 of 1 only by the fact that instead of four sockets 1 only two sockets 1 are provided. In this respect, the above description applies 1 According to the embodiment shown in 2 Only one socket 1 is arranged on each longitudinal edge 17, 18 of the bipolar plate 10. These are offset diagonally so that the bipolar plate 10 (comparable to the bipolar plate 10 from 1 ) has a rotationally symmetrical design so that the bipolar plate 10 can also be mounted rotated 180 degrees around the center point.

3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Steckverbindung mit einem Stecker 3 und einer Buchse 1. Der Stecker 3 ist als Doppelstecker ausgebildet und weist zwei Steckerelemente 4 („Pins“) auf, welche in entsprechenden Steckplätzen 2 („Taschen“) der Buchse 1 in der Bipolarplatte 10 aufgenommen sind. Die Steckerelemente 4 sind mechanisch in dem Stecker 3 gekoppelt, wobei in 3 ein Steckergehäuse oder Teil einer Leiterplatte angedeutet ist. Die Steckverbindung ist durch das Vorsehen von zwei Steckerelementen 4 und entsprechend zwei Steckplätzen 2 redundant ausgeführt. Dadurch kann einerseits die mechanische Stabilität der Steckverbindung gegenüber einer Steckverbindung mit nur einem Pin verbessert werden. Andererseits kann durch Vergleich der zwei Spannungsmessungen an den zwei Steckerelementen 4 die Steckverbindung auf Plausibilität geprüft werden. Da bei korrekter Funktion beide Spannungswerte annähernd gleich sein sollten, kann ein Unterschied in den Spannungen darauf hindeuten, dass die Steckverbindung nicht ordnungsgemäß funktioniert oder hergestellt worden ist, beispielsweise dass der Stecker 3 nicht festsitzt. Wie nachfolgend mit Bezug auf 5, 6, und 7 noch genauer erläutert werden wird, ist die Steckverbindung „eingeschnappt“ (oder eingerastet), da die Steckerelemente 4 durch elastisch verformbare Drähte gebildet werden. Durch die gebogene Form des Drahts und die entsprechende Form der Steckplätze 2 hält die Steckverbindung sicher. 3 shows a first embodiment of a plug connection with a plug 3 and a socket 1. The plug 3 is designed as a double plug and has two plug elements 4 (“pins”), which are accommodated in corresponding slots 2 (“pockets”) of the socket 1 in the bipolar plate 10. The plug elements 4 are mechanically coupled in the plug 3, wherein 3 a connector housing or part of a printed circuit board is indicated. The connector is designed redundantly by providing two connector elements 4 and correspondingly two slots 2. This, on the one hand, improves the mechanical stability of the connector compared to a connector with only one pin. On the other hand, the connector connection can be checked for plausibility by comparing the two voltage measurements on the two connector elements 4. Since, when functioning correctly, both voltage values should be approximately the same, a difference in the voltages can indicate that the connector is not functioning or has not been established properly, for example, that the connector 3 is not firmly seated. As will be explained below with reference to 5 , 6 , and 7 As will be explained in more detail, the plug connection is "snapped" (or engaged) because the plug elements 4 are formed by elastically deformable wires. The bent shape of the wire and the corresponding shape of the sockets 2 ensure that the plug connection is secure.

4 zeigt eine andere Ausführungsform der Steckverbindung, welche der in 3 gezeigten Ausführungsform jedoch im Wesentlichen ähnlich ist. Lediglich die Form der Steckerelemente 4 und entsprechend der Steckplätze 2 weicht leicht ab. Insbesondere ist in der Ausführungsform aus 4 jedoch vorgesehen, dass der Draht eine zusätzliche Biegung kurz vor dem freien Ende 8 aufweist. Dies erlaubt es, das freie Ende 8 zu greifen, um dadurch das Steckerelement 4 zusammenzudrücken. So kann die Steckverbindung entriegelt und der Stecker 3 einfach aus der Buchse 1 gezogen werden. Die spiegelverkehrte Anordnung der beiden Steckerelemente 4 bzw. der Steckplätze 2 erleichtert dies, da beide Steckerelemente 4 durch Zusammendrücken von den Seiten gleichzeitig entriegelt werden können. 4 shows another embodiment of the connector, which is similar to 3 shown embodiment is essentially similar. Only the shape of the plug elements 4 and correspondingly the slots 2 differs slightly. In particular, in the embodiment of 4 However, the wire is provided with an additional bend just before the free end 8. This allows the free end 8 to be grasped and the plug element 4 to be compressed. This allows the plug connection to be unlocked and the plug 3 to be easily pulled out of the socket 1. The mirror-inverted arrangement of the two plug elements 4 or the sockets 2 facilitates this, since both plug elements 4 can be unlocked simultaneously by pressing them together from the sides.

In beiden Ausführungsformen kann vorgesehen sein, Maßnahmen zu treffen, die ein Eintreten von Feuchtigkeit oder Wasser in die Buchse 1 bzw. die Steckplätze 2 zu verhindern oder zu reduzieren. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da bei niedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt durch das sich ausdehnende Eis Beschädigungen an der Buchse 1 und damit letztendlich an der Brennstoffzelle entstehen können. Zum Schutz können die Steckplätze beispielsweise einer Hydrophobierung unterzogen werden, d. h., dass sie eine hydrophobe Beschichtung bzw. Behandlung erhalten. Durch die dadurch erzeugte hydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaft werden die Steckplätze 2 vor dem Eindringen von Wasser geschützt, ohne dass sie in der Form oder sonstiger Funktionalität verändert werden. Ebenso ist jedoch auch eine Füllung oder Abdeckung der Steckplätze 2 denkbar, welche Feuchtigkeit bzw. Wasser abhält, das Einführen der Steckerelemente 4 und damit das Herstellen der Steckverbindung jedoch zulässt.In both embodiments, measures can be provided to prevent or reduce the ingress of moisture or water into the socket 1 or the plug-in locations 2. This is particularly important because, at low temperatures below freezing, the expanding ice can cause damage to the socket 1 and thus ultimately to the fuel cell. For protection, the plug-in locations can, for example, be subjected to a hydrophobic treatment, i.e., they can be given a hydrophobic coating or treatment. The resulting hydrophobic (water-repellent) property protects the plug-in locations 2 from the ingress of water without changing their shape or other functionality. Likewise, however, a filling or covering of the plug-in locations 2 is also conceivable, which keeps out moisture or water but allows the insertion of the plug elements 4 and thus the establishment of the plug-in connection.

In 5, 6 und 7 sind verschiedene Phasen während des Herstellens der Steckverbindung dargestellt (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jeweils nur ein Steckerelement 4 und ein Steckplatz 2 dargestellt; es versteht sich, dass dies auch für die zweite Hälfte der Steckverbindung gilt).In 5 , 6 and 7 various phases during the establishment of the plug connection are shown (for reasons of clarity, only one plug element 4 and one slot 2 are shown; it is understood that this also applies to the second half of the plug connection).

5 zeigt das Steckerelement 4, bevor es in den Steckplatz 2 entlang der Steckrichtung 20 eingesteckt wird. Wie bereits erwähnt, ist das Steckerelement 4 aus einem elastisch verformbaren und elektrisch leitfähigen Draht gebildet. Dieser ist in einer Ebene gebogen, um eine zum Steckplatz 2 passende und gleichzeitig flache Form zu erhalten. Eine erste Biegung 5 um etwa 135 Grad bildet das in Steckrichtung 20 führende Ende des Steckerelements 4, welches aufgrund seiner abgerundeten und dennoch zugespitzten Form leicht in den Steckplatz 2 eingeführt werden kann. Für eine automatisierte Montage kann vorgesehen sein, den Steckplatz 2 (bzw. dessen Eingang an der Kante der Bipolarplatte 10) als optischen Marker zu nutzen, welcher mit einer Erfassungsvorrichtung (nicht dargestellt), wie einer Kamera erfasst wird, um den Stecker 3 korrekt zur Buchse 1 auszurichten. Eine weitere Biegung 6 (hier um etwa 90 Grad) ist vorgesehen, durch welche im Zusammenspiel mit einer Ausbuchtung 9 in dem Steckplatz 2 ein Einschnappen der Steckverbindung realisiert wird. Eine weitere Biegung 7 (hier ebenfalls um etwa 90 Grad) vor dem freien Ende 8 erleichtert das oben beschriebene Greifen des freien Endes 8, um die eingeschnappte (verriegelte) Steckverbindung zu lösen. 5 shows the plug element 4 before it is inserted into the slot 2 along the plugging direction 20. As already mentioned, the plug element 4 is formed from an elastically deformable and electrically conductive wire. This is bent in one plane in order to obtain a shape that fits the slot 2 and is at the same time flat. A first bend 5 of approximately 135 degrees forms the end of the plug element 4 leading in the plugging direction 20, which, due to its rounded and yet tapered shape can be easily inserted into the slot 2. For automated assembly, the slot 2 (or its entrance at the edge of the bipolar plate 10) can be used as an optical marker, which is detected by a detection device (not shown), such as a camera, in order to correctly align the plug 3 with the socket 1. A further bend 6 (here by approximately 90 degrees) is provided, which, in interaction with a bulge 9 in the slot 2, enables the plug connection to snap in. A further bend 7 (here also by approximately 90 degrees) in front of the free end 8 facilitates the above-described gripping of the free end 8 in order to release the snapped-in (locked) plug connection.

In 6 ist eine Phase während des Einsteckens gezeigt. Es ist deutlich die elastische Verformung des Steckerelements 4 erkennbar (vgl. Pfeil). Das Zusammendrücken wird insbesondere durch die Ausbuchtung 9 in dem Steckplatz 2 bewirkt. Da das Vorschieben des Steckerelements 4 in Steckrichtung 20 dadurch etwas Kraft erfordert, kann dies zum Überwachen der Montage genutzt werden. Insbesondere kann eine Kraft-Weg-Kurve gemessen und mit einer Kraft-Weg-Kurve verglichen werden, welche einer korrekten Montage zugeordnet ist. Treten beispielsweise zu hohe Kräfte auf, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass das Einstecken blockiert oder behindert ist. Auch eine zu geringe Kraft kann auf einen Fehler hindeuten, beispielsweise dass der Draht abgebrochen ist und dadurch nicht den eigentlich zu erwartenden Widerstand beim Einstecken bietet.In 6 a phase during insertion is shown. The elastic deformation of the plug element 4 is clearly visible (see arrow). The compression is caused in particular by the bulge 9 in the slot 2. Since pushing the plug element 4 forward in the plugging direction 20 requires some force, this can be used to monitor the assembly. In particular, a force-displacement curve can be measured and compared with a force-displacement curve associated with correct assembly. If, for example, excessive forces occur, this can be an indication that insertion is blocked or impeded. Insufficient force can also indicate an error, for example that the wire has broken off and therefore does not offer the expected resistance during insertion.

7 zeigt nun den vollständig montierten Zustand der Steckverbindung (vgl. auch 4). Insbesondere ist zu erkennen, dass sich das Steckerelement 4, nachdem die Biegung 6 die Ausbuchtung 9 passiert hat, durch eine elastische Verformung wieder aufgebogen hat (vgl. Pfeil). Hier jedoch nicht ganz in die ursprüngliche unbelastete Form (5), sodass das Steckerelement 4 mit einer gewissen Spannkraft in dem Steckplatz 2 sitzt. Die Biegung 6 greift hinter die Ausbuchtung 9 in dem Steckplatz 2, sodass die Steckverbindung eingeschnappt und dadurch das Risiko eines versehentlichen Lösens, beispielsweise bei Erschütterungen, reduziert ist. Das Steckerelement 4 steht nun in elektrischem Kontakt mit dem Steckplatz 2, sodass über die Steckverbindung eine Zellspannung der Brennstoffzelle abgegriffen werden kann. Der elektrische Kontakt entsteht an drei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen 21, 22, 23, da das Steckerelement 4 zwar eine zum Steckplatz 2 passende, jedoch nicht identische Form aufweist. Dies erlaubt größere Toleranzen bei der Montage. Es versteht sich, dass die Kontaktbereiche auch als Kontaktpunkte bezeichnet werden können, auch wenn sie nicht unbedingt punktförmig im eigentlichen Sinn sein müssen. 7 now shows the fully assembled state of the connector (see also 4 ). In particular, it can be seen that the plug element 4, after the bend 6 has passed the bulge 9, has bent up again due to elastic deformation (see arrow). However, here it has not completely returned to its original unloaded shape ( 5 ), so that the plug element 4 sits in the slot 2 with a certain tension. The bend 6 engages behind the bulge 9 in the slot 2 so that the plug connection snaps into place and the risk of accidental release, for example in the event of vibrations, is reduced. The plug element 4 is now in electrical contact with the slot 2 so that a cell voltage of the fuel cell can be tapped via the plug connection. The electrical contact is created at three spaced-apart contact areas 21, 22, 23, since the plug element 4 has a shape that matches that of the slot 2, but is not identical. This allows for greater tolerances during assembly. It goes without saying that the contact areas can also be referred to as contact points, even if they do not necessarily have to be point-shaped in the true sense of the word.

8 und 9 zeigen zwei Möglichkeiten, wie der Kontakt zwischen Steckerelement 4 und Steckplatz 2 gegebenenfalls verbessert werden kann. 8 zeigt einen Steckplatz 2 mit zwei querverlaufenden Stegen 24, welche das Steckerelement 2 zusätzlich zu den Kontaktbereichen 21, 22, 23 kontaktieren. Dies kann einerseits den elektrischen Kontakt verbessern. Andererseits kann durch die Stege 24 auch eine zusätzliche Klemmwirkung erzeugt werden. In 9 ist ein Steckplatz mit einer Rampe 25 am Ende dargestellt. Durch den dadurch erzeugten erhöhten Widerstand insbesondere zum Ende des Einsteckvorgangs hin, kann gegebenenfalls ebenfalls sowohl der elektrische Kontakt als auch der mechanische Halt eines Steckerelements 4 in dem Steckplatz 2 verbessert werden. 8 and 9 show two ways in which the contact between connector element 4 and slot 2 can be improved if necessary. 8 shows a slot 2 with two transverse webs 24, which contact the plug element 2 in addition to the contact areas 21, 22, 23. This can, on the one hand, improve the electrical contact. On the other hand, the webs 24 can also create an additional clamping effect. 9 A slot with a ramp 25 at the end is shown. The resulting increased resistance, particularly toward the end of the insertion process, can potentially also improve both the electrical contact and the mechanical hold of a plug element 4 in the slot 2.

Während vorhergehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be appreciated that a wide variety of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are merely non-limiting examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide a guide to implementing at least one exemplary embodiment; it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the subject matter as defined in the appended claims, as well as their legal equivalents.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

11: Buchsesocket
22: Steckplatzslot
33: SteckerPlug
44: SteckerelementPlug element
55: Biegungbend
66: Biegungbend
77: Biegungbend
88: freies Endefree end
99: Ausbuchtungbulge
1010: BipolarplatteBipolar plate
1111: AnschlussConnection
1212: AnschlussConnection
1313: AnschlussConnection
1414: AnschlussConnection
1515: AnschlussConnection
1616: AnschlussConnection
1717: LängskanteLongitudinal edge
1818: LängskanteLongitudinal edge
1919: KanäleChannels
2020: SteckrichtungPlug-in direction
2121: KontaktbereichContact area
2222: KontaktbereichContact area
2323: KontaktbereichContact area
2424: QuerstegeCrossbars
2525: Ramperamp

Claims

Plug connection for a system for cell voltage monitoring of a fuel cell, comprising at least one plug (3) and at least one socket (1), wherein the socket (1) is formed in an edge region of a bipolar plate (10) of a fuel cell and is designed to interact with the plug (3) to produce an electrical connection, wherein the plug (3) has at least two plug elements (4) and the socket (1) has at least two plug locations (2) for each of the plug elements (4), wherein the at least two plug elements (4) are arranged fixedly relative to one another in the plug (3) at a respective plug position.

Plug connection according to Claim 1 , wherein the slots (2) of a socket (1) have a distance along an edge (17, 18) of the bipolar plate (10) which is less than or equal to a width of a slot (2).

Plug connection according to Claim 1 or 2 , wherein the plug elements (4) are each formed by an electrically conductive wire which is bent in a plane and thereby shaped and arranged to fit into the respective plug-in location (2) to establish a respective electrical connection.

Plug connection according to Claim 3 , wherein the wire has at least a first bend (5) which forms a part of the plug element (4) leading in a plugging direction (20), wherein the first bend (5) has an angle in the range of 90 to 180 degrees.

Plug connection according to Claim 4 , wherein a section of the wire extending from the first bend (5) to a free end (8) of the wire has at least one second bend (6), wherein the second bend (6) forms a projection of the plug element (4) transversely to the plug-in direction (20), which projection is designed to cooperate with a bulge (9) in the corresponding plug-in location (2) when the plug-in connection is being established, in order to thereby snap the plug-in connection into place, wherein the wire is designed to be elastically deformed when snapping into place.

Plug connection according to Claim 5 , wherein the free end (8) of the wire is arranged to protrude from the slot (2) and beyond the edge (17, 18) of the bipolar plate (10) after the plug connection has snapped in, so that the snapped-in plug connection can be released by elastic deformation of the wire when the free end (8) is acted upon.

Plug connection according to one of the preceding claims, wherein the plug element (4) and the socket (2) are designed such that, when the plug connection is established, there is electrical contact between the plug element (4) and the socket (2) at at least two contact areas (21, 22, 23) spaced apart from one another.

Plug connection according to Claim 7 , wherein the contact areas (21, 22, 23) are arranged along a contour of the slot (2).

Plug connection according to one of the preceding claims, wherein the plug-in locations (2) are each formed by a lateral cutout in the edge region of the bipolar plate (10), wherein the cutout has at least one web (24, 25) extending beyond the cutout, wherein the plug elements (4) are designed to electrically contact the at least one web (24, 25) when establishing the plug connection.

Fuel cell with a bipolar plate (10) which has at least one socket (1) for a plug connection according to one of the preceding claims.

Fuel cell according to Claim 10 , wherein the bipolar plate (10) has at least two sockets (1) which are arranged along the circumference of the bipolar plate (10) in spaced-apart edge regions of the bipolar plate (10).

Fuel cell stack with at least one fuel cell according to Claim 11 .

System for monitoring the cell voltage of a fuel cell, comprising at least one fuel cell according to Claim 10 or 11 or a fuel cell stack Claim 12 , wherein the system comprises a device for cell voltage detection, which by means of at least one plug connection according to one of the Claims 1 until 9 is connected or connectable to the fuel cell or at least one of the fuel cells of the fuel cell stack.