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Die Erfindung betrifft eine Zellkontaktierungseinheit CVP auch Cell Voltage Pickup genannt.
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Eine Zellkontaktierungseinheit CVP (Cell Voltage Pickup) ist ein multikanaliger Potenzialabgriff zur Erfassung von Zellspannungen an Batterie- oder Brennstoffzellenstapeln. Je nach verwendetem Stack kommen unterschiedliche Kostruktionsprinzipien zum Einsatz.
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Aus dem Stand der Technik ist eine solche Vorrichtung zum Beispiel aus der
JP 002002313398 A bekannt. Diese Einheit dient dem Messen einer Zellenspannung, die in der Lage ist, gleichzeitig und einfach die Spannungen aller Zellen eines Brennstoffzellenstapels zu messen. Hierzu umfasst diese eine Vielzahl von Sonden zur Spannungsmessung und nadelartige Spannungsmessanschlüsse mit einer aus der Einheit herausragenden Spitzenseite, sowie eine in der Einheit gelagerten Feder, die die nadelartigen Spannungsmessanschlüsse durch eine elastische Kraft gegen die Seitenflächen der Separatoren des Brennstoffzellenstapels vorspannt.
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Nachteilig ist bei dieser Lösung der komplexe Aufbau, sowie das Problem, dass einerseits die Kontakte beim Zusammenstecken beschädigt werden können und eine hohe Steckkraft, insbesondere bei einer hohen Anzahl von Brennstoffzellenverbindungen gegeben ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Lösung für einen Brennstoffzellen-Stack zu entwickeln, um eine Vielzahl von parallel aufeinanderliegenden Bi-Polarplatten sicher und zuverlässig zu kontaktieren, um die Zellspannung abzugreifen, und diese dann an eine Mess-und Auswerteelektronik weiterzuleiten. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass der entsprechende Kontakt auch unbeschädigt in die richtige Kontaktöffnung in der Bipolarplatte trifft und dort eine gute Kontaktkraft erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass federnde Kontaktteile, (z.B. ausgebildet als Stanzteil, aus Draht, als Drehteil oder dergleichen), welches in einem Gehäuse gelagert sind, erst beim Zusammenstecken mit der Gegensteckeinheit des Brennstoffzellenstapels, vorzugsweise etwa mittig, in die korrespondierenden Kontakttaschen eingeführt werden, und erst kurz vor Erreichen der vollständigen Einsteckposition, gesteuert durch eine Steuerkulisse die Kontaktteile radial elastisch ausgelenkt werden und dann vorgespannt an den Kontakttaschen kontaktierend anliegen.
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Auf diese Weise kann mit niedriger Steckkraft die Verbindung hergestellt werden, im Eingesteckten Zustand aber dennoch eine hohe Kontaktkraft erzeugt werden.
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Optional kann zur besseren Fixierung über das Gehäuse, welches hierzu einen Führungsschenkel oder Führungsrippen bereitstellt, eine Vorzentrierung erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Zellkontaktierungseinheit zur elektrischen Kontaktierung von in einem Gehäuse oder eine Steckeinheit eines Brennstoffzellenstapels (vorzugsweise in einer oder mehreren Reihen und/oder Spalten) angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen bereitgestellt, wobei die Zellkontaktierungseinheit an zu den Kontaktbuchsen korrespondierenden Positionen Federkontaktelemente aufweist, die sich in Steckrichtung (S) aus der Zellkontaktierungseinheit weg erstrecken, wobei am Gehäuse in Steckrichtung, vorgelagert zu den Kontaktbuchsen betrachtet, Steuerkulissen vorgesehen sind, welche beim Einstecken der Federkontaktelemente in die Kontaktbuchsen eine federelastischen Auslenkung der Federkontaktelemente quer zur Steckrichtung bewirken, sodass die Federkontaktelemente im eingesteckten Zustand Federkraftbeaufschlagt gegen die Kontaktbuchsen gedrückt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptkomponente der Federkraft, die aufgrund der Querverformung an den Kulissen erzeugt wird und welche die Federkontaktelemente im eingesteckten Zustand gegen eine Seitenwand der Kontaktbuchsen drückt, quer zur Steckrichtung wirkt.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Zellkontaktierungseinheit ausgebildet ist, dass beim Zusammenstecken der Federkontaktelemente der Zellkontaktierungseinheit mit den Kontaktbuchsen des Brennstoffzellenstapels die Federkontaktelemente während dem Steckvorgang in zunehmendem Maß durch die Steuerkulissen quer zu ihrer Ausgangslage ausgelenkt werden. Hierdurch kann die Kontaktkraft über den Steckweg gezielt gesteuert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerkulissen als schräge Rampen so an dem Gehäuse vorgesehen sind, dass sich diese zumindest teilweise in denjenigen Bauraum vor den Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen hinein erstrecken, durch den die Federkontaktelemente während dem Steckvorgang hindurchgeführt werden bzw. so dass die Federkontaktelemente somit beim Zusammenstecken auf die Kulissen auflaufen und durch die Form der Kulissen als schräge Rampen seitlich ausgelenkt werden.
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Ebenfalls von Vorteil ist eine Konzeption bei der die Federkontaktelemente beim Zusammenstecken zunächst zumindest mit ihrem stirnseitigen bzw. steckseitigen Ende in die Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen, vorzugsweise etwa mittig in die Kontaktöffnungen eindringen bevor ein Steuerabschnitt der Federkontaktelemente beim weiteren Zusammenstecken auf einen Kulissenabschnitt der Steuerkulissen trifft. Hierzu sind die Kulissen so auszubilden, dass das steckseitige Ende der Kontaktelemente zunächst beim Zusammenstecken an den Kulissen vorbeigeführt wird und dann beim weiteren Einstecken erst der Steuerabschnitt der Federkontaktelemente auf die Kulissen aufläuft.
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Weiter hat sich als Vorteil gezeigt, wenn der Steuerabschnitt an den Federkontaktelementen schräg zur Steckrichtung verläuft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federkontaktelemente im Wesentlichen den folgenden Verlauf in Steckrichtung betrachtet aufweisen: einen zur Steckrichtung etwa parallel verlaufenden gerader Abschnitt, ein sich daran anschließender schräger Steuerabschnitt und ein sich an den Steuerabschnitt anschließender steckseitiger Einführabschnitt, der ebenfalls parallel zur Steckrichtung (S) verläuft und vorzugsweise an dessen steckseitigem Ende einen umgebogenen Kontaktabschnitt mit einer Kontaktzone (K), die quer zur Steckrichtung orientiert ist. So ist es auch als eine mögliche Variante denkbar, U-förmige Kontakte auszubilden, die jeweils zwei im Wesentlichen parallel verlaufende (paarweise angeordnete) Federkontaktelemente ausbilden, von denen jedes Federkontaktelement vorgesehen ist, in eine korrespondierende Steckbuchse an der Kontakteinrichtung des Brennstoffzellenstapels eingesteckt zu werden.
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Weiter bevorzugt ist eine alternative Lösung bei der die Federkontaktelemente im Wesentlichen einen geradlinigen Verlauf in Steckrichtung aufweisen und beim Einstecken in die Kontaktbuchsen eine erste Verformung an den Steuerkulissen quer zur Steckrichtung erfahren und eine zweite Verformung entgegengesetzt zur Richtung der ersten Verformung an der Seitenwand der Buchsenkontakte bewirkt wird.
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Als weitere Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Federkontaktelemente an oder nahe an ihrem steckseitigen Ende eine Rastgeometrie aufweisen, welche in eine, in oder an den Kontaktbuchsen ausgebildete Gegenrastgeometrie eingreift. Auf diese Weise kann ein sicheres Halten der Kontaktanordnung bewirkt werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine solche Kontaktanordnung bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel mit Buchsenkontakten und einer wie zuvor beschriebenen Zellkontaktierungseinheit, die ausgebildet ist mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt zu werden.
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Ein ebenfalls weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Steckeinrichtung ausgebildet mit Buchsenkontakten und einer wie zuvor beschriebenen Zellkontaktierungseinheit, die mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierend zusammengesteckt oder zusammensteckbar ist.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinanderstehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit, die mit einer Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels verbunden wird und zwar in einer ersten Montageposition;
- 2 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit und zwar in einer der ersten Montageposition aus 1 nachfolgenden Steckposition;
- 3 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit aus 1 und zwar in einer der zweiten Montageposition aus 2 nachfolgenden vollständig eingesteckten Endposition;
- 4 eine perspektivische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit, welche eine Vielzahl an Kontakten zeigt;
- 5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit in einer alternativen Ausführungsform, die mit einer Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels verbunden wird und zwar in einer ersten Montageposition;
- 6 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit aus 5 und zwar in einer der ersten Montageposition aus 5 nachfolgenden Steckposition;
- 7 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit aus 5 und zwar in einer der zweiten Montageposition aus 6 nachfolgenden vollständig eingesteckten Endposition.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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In der 4 ist eine perspektivische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zellkontaktierungseinheit 100 gezeigt. Die Zellkontaktierungseinheit 100 ist ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung von in einem Gehäuse 22 eines Brennstoffzellenstapels 20 in mehreren Reihen bzw. Spalten angeordneten elektrischen Kontaktbuchsen 21, wobei die Zellkontaktierungseinheit 100 hierzu an korrespondierenden Positionen die gezeigten Federkontaktelemente 11 aufweist. Die Zellkontaktierungseinheit 100 besitzt ein Gehäuse 15 in dem die Federkontaktelemente 11 gelagert sind. Die Federkontaktelemente 11 erstrecken sich in Steckrichtung S aus der Zellkontaktierungseinheit 100 (in der 4 nach unten) bzw. aus dem Gehäuse 15 weg, wobei am Gehäuse 22 der Gegensteckeinrichtung des Brennstoffzellenstapels 20 in Steckrichtung S betrachtet, Führungsrippen 27 angeordnet sind, um eine Vorzentrierung vor dem eigentlichen Steckvorgang zu gewährleisten.
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und zwar in Form eines Teilausschnittes einer schematischen Schnittansicht einer Zellkontaktierungseinheit 100 gezeigt, die mit einer Kontakteinrichtung eines Brennstoffzellenstapels 20 verbunden wird und zwar in einer ersten Montageposition vor bzw. beim Beginn des Steckvorgangs.
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Gut zu erkennen ist, dass am Gehäuse 22 der Kontakteinrichtung an der Brennstoffzellenseite in Steckrichtung S, vorgelagert zu den Kontaktbuchsen 21 betrachtet, jeweils Steuerkulissen 30 für die Federkontaktelemente 11 vorgesehen sind. Die Steuerkulissen 30 bewirken beim Einstecken der Federkontaktelemente 11 in die Kontaktbuchsen 21 eine wie in den 2 und 3 gezeigte federelastischen Auslenkung der Federkontaktelemente 11 quer zur Steckrichtung S, sodass die Federkontaktelemente 11 im vollständig eingesteckten Zustand Federkraftbeaufschlagt gegen die Kontaktbuchsen 21 gedrückt werden.
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Die Steuerkulissen 30 sind als schräge Rampen so an dem Gehäuse 22 vorgesehen, dass sich diese in denjenigen Bauraum vor den Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen 21 hinein erstrecken, durch den die Federkontaktelemente 11 während dem Steckvorgang hindurchgeführt werden. Die Federkontaktelemente 11 werden dann beim Zusammenstecken zunächst zumindest mit ihrem stirnseitigen Ende 11a in die Kontaktöffnungen der Kontaktbuchsen 21 und zwar etwa mittig in die Kontaktöffnungen eingeführt. Danach trifft in der 2 der jeweils schräge Steuerabschnitt 11b der Federkontaktelemente 11 beim weiteren Zusammenstecken auf den schrägen Kulissenabschnitt der Steuerkulissen 30. In der 1 ist dazwischen noch ein Spalt vorhanden.
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Die Steuerkulissen 30 verlaufen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel trichterförmig zusammen, so dass sich der Öffnungsdurchmesser in diesem Bereich verringert.
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In dem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß den 5 bis 7 ist eine zum ersten Ausführungsbeispiel abweichende Lösung gezeigt, bei der die Figuren ebenfalls die Abfolge des Steckvorgangs bis zum vollständig eingesteckten Zustand darstellen.
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Dieses Design ist wie folgt gewählt. Die Federkontaktelemente 11 besitzen im Wesentlichen einen geradlinigen Verlauf in Steckrichtung S und erfahren beim Einstecken in die Kontaktbuchsen 22 eine erste Verformung V1 an den Steuerkulissen 30 quer zur Steckrichtung S und eine zweite Verformung V2 entgegengesetzt zur Richtung der ersten Verformung V1 an der Seitenwand der Buchsenkontakte 21.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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