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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, welche eine zwischen zwei schalenförmigen Gehäusehälften angeordnete Elektrodenfolienanordnung umfasst, deren Elektrodenfolien einer elektrischen Polarität abschnittsweise mit einer ersten Gehäusehälfte verbunden sind, wobei Elektrodenfolien der anderen elektrischen Polarität mit einer zweiten Gehäusehälfte verbunden sind. Zudem betrifft die Erfindung einen Zellblock mit einer Anzahl solcher elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen und eine Batterie mit zumindest einem solchen Zellblock.
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Eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, für Fahrzeuganwendungen weist eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen auf, die mit einer zugehörigen Elektronik und Temperierungsvorrichtung in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Eine als bipolare Rahmenflachzelle ausgeführte Einzelzelle weist zwei Gehäusehälften auf, die mittels eines elektrisch isolierenden Rahmenelementes voneinander beabstandet sind, wobei die jeweilige Gehäusehälfte einen elektrischen Pol der Einzelzelle bildet. Die beiden Gehäusehälften sind in einem Randbereich stoffschlüssig aneinander befestigt. Im Inneren der Einzelzelle ist eine Elektrodenfolienanordnung angeordnet, wobei jeweils Elektrodenfolien einer Polarität an einem Randbereich unbeschichtet herausgeführt und miteinander verbunden sind. Diese miteinander verbundenen Elektrodenfolienabschnitte sind als Stromableiterfahnen mit einer Innenseite einer Gehäusehälfte verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle, einen verbesserten Zellblock und eine verbesserte Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1, hinsichtlich des Zellblockes durch die in Anspruch 7 und hinsichtlich der Batterie durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Einzelzelle für eine Batterie umfasst eine zwischen zwei schalenförmigen Gehäusehälften angeordnete Elektrodenfolienanordnung, deren Anodenfolien abschnittsweise mit einer ersten Gehäusehälfte verbunden sind, wobei Kathodenfolien mit einer zweiten Gehäusehälfte verbunden sind, wobei die Gehäusehälften in einem die jeweilige Gehäusehälfte umlaufenden stegförmigen Verbindungsbereich miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß verläuft der stegförmige Verbindungsbereich einer Längsseite der jeweiligen Gehäusehälfte von im Wesentlichen einem oberen Ende zu einem unteren Ende und der stegförmige Verbindungsbereich einer gegenüberliegenden Längsseite verläuft im Wesentlichen von einem unteren Ende zu einem oberen Ende, wobei der Verbindungsbereich an einer jeweiligen Querseite im Wesentlichen in einem oberen Bereich oder in einem unteren Bereich angeordnet ist, wobei Flachseiten der Gehäusehälften im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Dadurch, dass der Verbindungsbereich an den Gehäusehälften derart ausgebildet und angeordnet ist, ist eine Fläche einer Querseite einer Gehäusehälfte vergrößert, ohne dass ein erforderlicher Bauraumbedarf der Einzelzelle erhöht ist. Da die Fläche dieser entsprechenden Querseite vergrößert ist, ist eine Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung von Elektrodenfolien der entsprechenden Polarität, d. h. den Anodenfolien und Kathodenfolien, und der jeweiligen Gehäusehälfte vergrößert. Somit steht in vorteilhafter Weise ein größerer Bauraum, insbesondere zur stoffschlüssigen Verbindung der Elektrodenfolien mit der Fläche dieser Querseite zur Verfügung. Dadurch wiederum ist eine Zu- und Abführung von Strom in die Elektrodenfolienanordnung verbessert, wobei beispielsweise durch einen größeren Schweißquerschnitt ein Übergangswiderstand verringert ist und eine Temperierung der Einzelzelle ebenfalls verbessert ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine Querschnittsfläche der Elektrodenfolienanordnung im Wesentlichen einer Fläche einer ersten Querseite der jeweiligen Gehäusehälfte, so dass es möglich ist, die Elektrodenfolien der jeweiligen Polarität auf Stoß, ohne dass aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraumes ein Abwinkeln erforderlich ist, mit der ersten Querseite der entsprechenden Gehäusehälfte zu verbinden.
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Bevorzugt ist in die erste Querseite einer Gehäusehälfte eine verschließbare Einfüllöffnung für einen Elektrolyten eingebracht. Das Einbringen der Einfüllöffnung in die erste Querseite ist vorteilhaft möglich, da die Fläche der ersten Querseite der jeweiligen Gehäusehälfte durch deren derartige Ausbildung vergrößert ist, ohne einen erforderlichen Bauraumbedarf der Einzelzelle selbst zu erhöhen. Mittels einer solchen Einfüllöffnung ist es vorteilhaft möglich, einen Elektrolyt in die Einzelzelle einzufüllen, nachdem diese verschlossen ist.
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Vorzugsweise ist an dem stegförmigen Verbindungsbereich zumindest einer Gehäusehälfte ein senkrecht zur Längsrichtung der Gehäusehälfte abragendes Kontaktelement zur Verschweißung der Gehäusehälfte mit einem Kontaktelement einer unmittelbar benachbarten Einzelzelle zur Bildung eines Zellblockes ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Innenfläche der jeweiligen Gehäusehälfte, ausgenommen der Fläche der ersten Querseite, mit einem elektrischen Isolationselement versehen, so dass ein Kurzschluss innerhalb der Einzelzelle vermieden und dadurch das Risiko eines thermischen Durchgehens dieser zumindest verringert ist.
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In einer Ausführungsform ist zumindest eine der jeweiligen anderen Gehäusehälfte zugewandte Fläche des Verbindungsbereiches umlaufend mit einem thermoplastischen Kunststoff versehen, wodurch die beiden Gehäusehälften zum Verschluss der Einzelzelle stoffschlüssig aneinander befestigbar sind. Mittels der stoffschlüssigen Befestigung ist in vorteilhafter Weise eine Anordnung separater Befestigungselemente nicht erforderlich.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Zellblock mit einer Anzahl von solchen elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Batterie mit zumindest einem solchen Zellblock.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Längsschnitt aneinander angeordneter Gehäusehälften nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch einen Längsschnitt zweier aneinander angeordneter Gehäusehälften,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer Einzelzelle,
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle im zusammengesetzten Zustand,
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5 schematisch einen Längsschnitt der Einzelzelle,
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6 schematisch eine Draufsicht der Einzelzelle,
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7 schematisch einen Querschnitt der Einzelzelle,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle vor einem Verschluss,
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9 schematisch einen Längsschnitt der Einzelzelle nach einem Verschluss,
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10 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle vor einem Verschluss,
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11 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle nach einem Verschluss,
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12 schematisch eine halbtransparente Ansicht der Einzelzelle bei einem Zusammenbau,
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13 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellblockes mit einer zu diesem beabstandeten Einzelzelle,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblockes im zusammengesetzten Zustand, und
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15 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellblockes im zusammengesetzten Zustand.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Längsschnitt zwei aneinander angeordneter schalenförmiger Gehäusehälften 1, 2 einer als bipolare Rahmenflachzelle ausgeführten, u. a. in 3 näher dargestellten Einzelzelle 3 nach dem Stand der Technik.
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Die Gehäusehälften 1, 2 sind metallisch ausgeführt und bilden jeweils einen elektrischen Pol der Einzelzelle 3. Die Gehäusehälften 1, 2 sind randseitig umlaufend abgewinkelt, wodurch ein umlaufender stegförmiger Verbindungsbereich 1.1, 2.1 gebildet ist, der zum Verschluss der Einzelzelle 3 dient.
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Eine im Inneren der Einzelzelle 3 angeordnete, in 2 dargestellte stapelförmige Elektrodenfolienanordnung 4 besteht aus Anodenfolien 4.1, Kathodenfolien 4.2 und zumindest einer Separatorfolie, mittels welcher die Anodenfolien 4.1 und die Kathodenfolien 4.2 gegeneinander elektrisch isoliert sind.
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An einer Stirnseite der Elektrodenfolienanordnung 4 sind die Anodenfolien 4.1 und an einer gegenüberliegenden Stirnseite der Elektrodenfolienanordnung 4 sind die Kathodenfolien 4.2 unbeschichtet aus der Elektrodenfolienanordnung 4 herausgeführt und als Stromableiterfahnen aneinander befestigt. Die Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 der jeweiligen Polarität sind abgewinkelt und mit einer Innenseite einer stirnseitigen Querseite 1.2, 2.2 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Dabei sind die Anodenfolien 4.1 mit einer stirnseitigen ersten Querseite 1.2 einer ersten Gehäusehälfte 1 und die Kathodenfolien 4.2 mit einer stirnseitigen ersten Querseite 2.2 einer zweiten Gehäusehälfte 2 verbunden. Die erste Gehäusehälfte 1 bildet somit einen Minuspol und die zweite Gehäusehälfte 2 einen Pluspol der Einzelzelle 3.
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Die jeweilige Gehäusehälfte 1, 2 ist im Stand der Technik derart schalenförmig ausgebildet, dass die jeweilige Gehäusehälfte 1, 2 stets die gleiche Tiefe aufweist, die ersten Querseiten 1.2, 2.2, zweite Querseiten 1.3, 2.3 und die Längsseiten 1.4, 1.5, 2.4, 2.5 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 also alle die gleiche Höhe h aufweisen. Dabei entsprechen die Abmessungen aller Seiten 1.2 bis 1.5 und 2.2 bis 2.5 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 im Wesentlichen einer Hälfte der Dicke der Elektrodenfolienanordnung 4 abzüglich der Übergangsbereiche zwischen einem Schalenboden und aller Seiten 1.2 bis 1.5 und 2.2 bis 2.5 und der Übergangsbereiche zwischen den Seiten 1.2 bis 1.5 und 2.2 bis 2.5 und dem jeweiligen Verbindungsbereich 1.1, 2.1.
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Aufgrund eines vorgegebenen Bauraumes für die jeweilige Einzelzelle 3 und einer derartigen Ausbildung der Gehäusehälften 1, 2 ist eine Fläche der Innenseite der ersten Querseiten 1.2, 2.2 zur Kontaktierung und stoffschlüssigen Verbindung mit den Anodenfolien 4.1 oder Kathodenfolien 4.2 der jeweiligen Polarität vergleichsweise gering.
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Um diese Fläche der Innenseite der ersten Querseiten 1.2, 2.2 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 zur Kontaktierung mit den Anodenfolien 4.1 oder den Kathodenfolien 4.2 zu erhöhen, ist vorgesehen, die Gehäusehälften 1, 2 derart auszubilden, dass die Verbindungsbereiche 1.1, 1.2 an den Längsseiten 1.4, 1.5, 2.4, 2.5 schräg verlaufen, wie anhand eines Längsschnittes der aneinander angeordneten Gehäusehälften 1, 2 in 2 gezeigt ist.
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So verläuft der Verbindungsbereich 1.1 an der ersten Längsseite 1.4 der ersten Gehäusehälfte 1 im Wesentlichen von einem unteren Ende zu einem oberen Ende, wobei der Verbindungsbereich 2.1 an der ersten Längsseite 2.4 der zweiten Gehäusehälfte 2 von einem oberen Ende zu einem unteren Ende verläuft, so dass die Verbindungsbereiche 1.1, 2.1 nicht senkrecht sondern schräg verlaufend ausgebildet sind. Dabei sind die Flachseiten der Gehäusehälften 1, 2 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
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Durch den somit gebildeten schrägen Verlauf der Verbindungsbereiche 1.1, 2.1 vergrößert sich die Fläche der ersten Querseiten 1.2, 2.2 der Gehäusehälften 1, 2. Insbesondere vergrößert sich die Fläche der ersten Querseiten 1.2, 2.2 derart, dass eine Höhe h dieser ersten Querseiten 1.2, 2.2 weitestgehend der Dicke der Elektrodenfolienanordnung 4 entspricht, wie beispielsweise in 5 näher dargestellt ist. Dabei ändert sich ein erforderlicher Bauraum zur Anordnung der Einzelzelle 3 im Vergleich zu der Ausbildung der Gehäusehälften 1, 2 im Stand der Technik nicht.
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Die ersten Querseiten 1.2, 2.2 der Gehäusehälften 1, 2 liegen sich gegenüber, wobei durch die Vergrößerung deren Fläche als Kontaktbereich zur Kontaktierung der Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 mit der entsprechenden ersten Querseite 1.2, 2.2 ebenfalls vergrößert ist. Somit steht mehr Bauraum für eine Schweißverbindung der Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 mit der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 zur Verfügung. Dadurch verbessert sich auch eine Zu- und Ableitung von Strom in die Elektrodenfolienanordnung 4 beim Laden und Entladen der Einzelzelle 3, da aufgrund eines vergrößerten Schweißquerschnittes ein elektrischer Übergangswiderstand verringert ist.
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Des Weiteren resultiert aus der derartigen Ausbildung der Gehäusehälften 1, 2 und dem dadurch bedingten vergrößerten Schweißquerschnitt eine verbesserte Temperierung der Einzelzelle 3.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der Einzelzelle 3.
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Zur elektrischen Isolierung zwischen der Elektrodenfolienanordnung 4 und der Gehäuseteile 1, 2 ist eine erste und eine zweite Kunststoffschale 5, 6 vorgesehen, deren jeweilige Form mit der Form einer Gehäusehälfte 1, 2 korrespondiert, so dass die jeweilige Kunststoffschale 5, 6 in einer Gehäusehälfte 1, 2 anordbar ist.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Anodenfolien 4.1 mit der ersten Querseite 1.2 der ersten Gehäusehälfte 1 ist in eine erste Kunststoffschale 5 eine rechteckförmige Aussparung 5.1 eingebracht. Durch diese rechteckförmige Aussparung 5.1 sind die Anodenfolien 4.1 hindurchführbar und mit der ersten Querseite 1.2 der ersten Gehäusehälfte verschweißbar.
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Eine zweite Kunststoffschale 6 weist ebenfalls eine der ersten Querseite 2.2 zugewandte rechteckförmige Aussparung 6.1 auf, die zumindest in 10 näher gezeigt ist und durch die die miteinander verbundenen Kathodenfolien 4.2 zur elektrischen Kontaktierung mit der zweiten Gehäusehälfte 2 hindurchführbar sind.
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Die beiden Kunststoffschalen 5, 6 weisen einen stegförmigen abragenden Randbereich 5.2, 6.2 auf, der im zusammengesetzten Zustand der Einzelzelle 3, wie in 4 gezeigt ist, zwischen den Verbindungsbereichen 1.1, 2.1 der beiden Gehäusehälften 1, 2 angeordnet ist. Zum Verschluss der Einzelzelle 3 ist diese in einer Heißpressvorrichtung anordbar, so dass ein Kunststoff der Kunststoffschalen 5, 6 zumindest partiell aufschmelzbar ist. Mittels des Kunststoffes sind die beiden Gehäusehälften 1, 2 beim Erkalten unter Druck stoffschlüssig aneinander befestigbar, wobei die Einzelzelle 3 gegenüber der Umwelt abgedichtet ist.
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An dem Verbindungsbereich 1.1, 2.1 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 sind zwei senkrecht von dem jeweiligen Verbindungsbereich 1.1, 2.1 abragende Kontaktelemente 1.6, 2.6 zur Verschweißung der Gehäusehälften 1, 2 mit einem Kontaktelement 1.6, 2.6 einer unmittelbar benachbarten Einzelzelle 3 zur Bildung eines in den 13 bis 15 dargestellten Zellblockes 7 angeordnet oder ausgebildet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle 3 im zusammengesetzten Zustand.
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Die 5 bis 7 zeigen jeweils eine andere Ansicht der Einzelzelle 3, wobei in 5 ein Längsschnitt, in 6 eine Draufsicht und in 7 ein Querschnitt der Einzelzelle 3 dargestellt ist.
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Die 8 und 9 zeigen einen Längsschnitt der Einzelzelle 3, wobei die Gehäusehälften 1, 2 in 8 zueinander beabstandet sind.
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In 10 ist eine perspektivische Ansicht der Bestandteile der Einzelzelle 3 vor einem Zusammenbau dargestellt.
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Die Kunststoffschalen 5, 6 sind in die Gehäuseteile 1, 2 eingelegt, wobei die Anodenfolien 4.1 und die Kathodenfolien 4.2 nicht abgewinkelt von der Elektrodenfolienanordnung 4 abragen und nicht mit der ersten Querseite 1.2, 2.2 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 verbunden sind.
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11 zeigt die Anordnung gemäß 10, wobei die Anodenfolien 4.1 und die Kathodenfolien 4.2 zum Verschweißen an der jeweiligen ersten Querseite 1.2, 2.2 der entsprechenden Gehäusehälfte 1, 2 angeordnet sind.
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In 12 ist eine Schnittdarstellung der beiden Gehäusehälften 1, 2 mit den an die jeweilige erste Querseite 1.2, 2.2 geschweißten Anodenfolien 4.1 bzw. Kathodenfolien 4.2 vor einem Verschließen der Einzelzelle 3 gezeigt. Zum Verschließen der Einzelzelle 3 sind die beiden Gehäusehälften 1, 2 aufeinander zu schwenkbar, wobei die Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 durch die Schwenkbewegung gebogen werden.
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Das Anschweißen erfolgt bei gerade aus der Elektrodenfolienanordnung 4 herausgeführten Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2, um einen beidseitigen Zugang für Schweißwerkzeug einer Schweißvorrichtung, beispielsweise die Elektroden bei einer Widerstands-Pressschweißung, Amboss und Sonotrode einer Ultraschall-Schweißvorrichtung, den Niederhalter bei einer Laserschweißung, sicherstellen zu können.
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Denkbar ist auch, die Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 auf Stoß, d. h. im gerade aus der Elektrodenfolienanordnung 4 herausgeführten Zustand mit der jeweiligen ersten Querseite 1.2, 2.2 zu verbinden, so dass ein Abwinkeln nicht erforderlich ist.
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Insbesondere eignet sich die Lösung für eine gewickelte Elektrodenfolienanordnung 4, bei welcher sich die unbeschichteten Abschnitte der Anodenfolien 4.1 und Kathodenfolien 4.2 vollständig über eine Seite der Elektrodenfolienanordnung 4 erstrecken.
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Durch die flächenmäßig vergrößerten ersten Querseiten 1.2, 2.2 der jeweiligen Gehäusehälfte 1, 2 ist es möglich, in zumindest eine der ersten Querseiten 1.2, 2.2 eine verschließbare Einfüllöffnung für ein Elektrolyten einzubringen. Die Einfüllöffnung ist beispielsweise mittels eines Blindenietes und/oder einer Schraube als Verschlusselement verschließbar.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Ventingmembran der Einzelzelle 3 in zumindest eine erste Querseite 1.2, 2.2 einer Gehäusehälfte 1, 2 eingebracht sein. Eine solche Ventingmembran, die einen Bereich mit einer gezielten Schwächung darstellt, ist zum Abbau eines unzulässig hohen Innendruckes der Einzelzelle 3 vorgesehen.
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Da eine Kontur beider Gehäusehälften 1, 2 gleich ist, ist für eine Herstellung der beiden Gehäusehälften 1, 2, bei denen es sich insbesondere um Tiefzieh- und/oder Kaltfließpressteile handelt, nur ein Umformwerkzeug erforderlich.
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In 13 ist ein aus neun Einzelzellen 3 gebildeter Zellblock 7 dargestellt, wobei eine Einzelzelle 3 von dem Zellblock 7 beabstandet ist. Eine elektrisch serielle Verschaltung der Einzelzellen 3 des Zellblockes 7 erfolgt durch Verschweißen der Kontaktelemente 1.6 die sich im Zellblock 7 überlappen.
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In 14 ist ein Zellblock 7 über die Kontaktelemente 1.6 elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen 3 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt und in 15 ist eine Seitensicht des Zellblockes 7 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Gehäusehälfte
- 1.1
- Verbindungsbereich
- 1.2
- erste Querseite
- 1.3
- zweite Querseite
- 1.4
- erste Längsseite
- 1.5
- zweite Längsseite
- 1.6
- Kontaktelement
- 2
- zweite Gehäusehälfte
- 2.1
- Verbindungsbereich
- 2.2
- erste Querseite
- 2.3
- zweite Querseite
- 2.4
- erste Längsseite
- 2.5
- zweite Längsseite
- 2.6
- Kontaktelement
- 3
- Einzelzelle
- 4
- Elektrodenfolienanordnung
- 4.1
- Anodenfolie
- 4.2
- Kathodenfolie
- 5
- erste Kunststoffschale
- 5.1
- Aussparung
- 5.2
- Randbereich
- 6
- zweite Kunststoffschale
- 6.1
- Aussparung
- 6.2
- Randbereich
- 7
- Zellblock
- h
- Höhe
