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Die
Erfindung betrifft eine Einzelzelle einer Batterie, mit einem ersten
und zweiten Gehäuseteil, die durch einen isolierenden Gehäuserahmen
voneinander getrennt und in welchem Elektrodenfolien gestapelt sind.
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Nach
dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien,
für Fahrzeuganwendungen bekannt, die insbesondere aus mehreren
elektrisch in Reihe und/oder parallel verschalteten Einzelzellen
aufgebaut sind.
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Eine
Einzelzelle, die als Rahmenflachzelle ausgebildet ist, für
eine solche Hochvolt-Batterie besteht nach dem Stand der Technik,
wie aus der
DE 27 42
869 A1 und
EP
0 952 622 P1 bekannt, aus zwei als planare ausgebildete
Gehäuseteile, die durch einen Gehäuserahmen, wie
zum Beispiel einen Kunststoffrahmen, elektrisch isoliert voneinander
getrennt sind.
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Die
mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten Elektrodenfolien
sind im Gehäuserahmen zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst,
wobei die einzelnen Elektrodenfolien durch einen Separator voneinander
getrennt sind. Die Gehäuseteile bestehen im Allgemeinen
aus Metall und leiten die durch Ladung und Entladung der Einzelzelle
entstehende Wärme an eine mit Wärmeleitmedium durchströmte
Wärmeleitplatte ab. Die Wärmeleitplatte besteht
ebenfalls aus Metall und ist durch ein Isolationsmedium vom Gehäuseteil
getrennt. Damit ein verbesserter Wärmeübergang
stattfinden kann, sind die Gehäuseteile im Bereich der
Wärmeleitplatte in einem Winkel von 90° abgekantet.
Die Enden der Elektrodenfolien sind als ein nach außen
geführter Randbereich in Form einer Stromableiterfahne
elektrisch leitend ausgeführt. Dabei sind die Stromableiterfahnen
der Elektrodenfolien, z. B. durch Schweißung, elektrisch
leitend zu einem Pol miteinander verbunden, wobei dieser mit dem
metallischen Gehäuseteil 3.1, 3.2 elektrisch
leitend verbunden ist.
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Nach
Zusammensetzen der Einzelzelle wird eine entsprechende Menge Elektrolyt
in die Einzelzelle eingefüllt. Dabei kann es zum Verlust
von Elektrolyt durch Diffusion der im Elektrolyt enthaltenen Ionen
durch den Gehäuserahmen kommen. Insbesondere betrifft dieses
Problem den Einsatz der Einzelzelle bei hohen Temperaturen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle einer Batterie
anzugeben, bei der die Lebensdauer bei hohen Temperaturen erhöht
und die mechanische Stabilität der Einzelzelle verbessert
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Einzelzelle für eine Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie,
umfasst ein erstes und ein zweites Gehäuseteil, die durch
einen isolierenden Gehäuserahmen räumlich und
elektrisch voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäß ist
mindestens ein Gehäuseteil derart schalenförmig
ausgeführt, dass alle Seiten des Gehäuseteils
nach innen abgewinkelt sind. Die abgewinkelten Seiten des Gehäuseteils
wirken dabei als Diffusionssperre und verhindern somit einen Verlust
von Elektrolyt. Darüber hinaus kann der zwischen den Gehäuseteilen
angeordnete Gehäuserahmen, insbesondere dessen Dicke, reduziert
werden, da die abgewinkelten Seiten stabilisierend wirken.
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Der
aus dieser Abwinkelung resultierende Rand ist dabei so dimensioniert,
dass nach Zusammensetzen der Einzelzelle das erste Gehäuseteil
den Gehäuserahmen bis auf einen vorgegebenen Abstand zum
zweiten Gehäuseteil überdeckt. Mit anderen Worten:
Die beiden Gehäuseteile umschließen das Zellinnere
und den das Zellinnere seitlich umgebenden Gehhäuserahmen
weitgehend vollständig bis auf den verbleibenden Abstand
in Form eines Spaltes. Hierdurch kann sowohl die Breite als auch die
Dicke des Gehäuserahmens verringert werden. Zudem wird
die mechanische Stabilität der Einzelzelle durch den zusätzlichen
Rand verbessert. Darüber hinaus kann der Herstellungsprozess
der Einzelzelle vereinfacht werden, indem der Gehäuserahmen
in das schalenförmige Gehäuseteil durch ein Gussverfahren,
vorzugsweise Spritzguss, eingebracht wird.
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In
einer möglichen Ausführungsform weisen die abgewinkelten
Seiten des Gehäuseteils einen Winkel von mindestens 90° auf.
Für einen effizienten Wärmeübergang ist
dabei zumindest die Seite, welche parallel zur Wärmeleitplatte
angeordnet ist, in einem Winkel von weitgehend genau 90° abgewinkelt.
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Darüber
hinaus sind die Gehäuseteile metallisch ausgebildet und
somit gut Wärme leitend ausgeführt. Ferner kann
ein solches metallisches Gehäuseteil einen Pol der Einzelzelle
bilden. Hierzu ist das Gehäuseteil mit den Elektrodenfolien
einer der Polaritäten elektrisch leitend verbunden.
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Zur
Vermeidung einer elektrischen Kontaktierung der beiden, insbesondere
Pole bildenden Gehäuseteile sind diese metallischen Gehäuseteile
sowohl zueinander über den Abstand räumlich und elektrisch
als auch von der gleichermaßen metallisch ausgebildeten
Wärmeleitplatte räumlich und elektrisch durch
ein Isolationsmedium, z. B. eine Wärmeleitfolie, getrennt.
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Im
Allgemeinen sind die Elektrodenfolien Kupfer- und Aluminiumfolien,
wobei diese einzeln durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie,
getrennt sind.
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In
einer sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung ist an jeder Elektrodenfolie
eine Stromableiterfahne elektrisch leitend ausgebildet. Die Stromableiterfahnen
sind als ein nach außen geführter Bereich der
jeweiligen Elektrodenfolie ausgebildet.
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Darüber
hinaus sind die Elektrodenfolien über deren Stromableiterfahnen
elektrisch leitend zu einem Pol, z. B. durch Schweißung,
zusammengeführt. Weiterhin werden diese als Pol zusammengeführten
Stromableiterfahnen einer Polarität mit den jeweiligen
metallischen Gehäuseteilen einer zugehörigen Polarität
elektrisch leitend verbunden.
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Am
Rand einer abgewinkelten Seite des schalenförmig ausgeführten
Gehäuseteils ist in einer Weiterbildung der Erfindung eine
Polfahne in Form einer fahnenartigen Verlängerung ausgebildet.
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An
eine solche Polfahne kann zusätzlich eine Zellspannungsmesseinheit
für eine Zellspannungsmessung und einen daraus resultierenden
Zellspannungsausgleich angeschlossen werden.
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Hinsichtlich
des Zellenverbundes für eine Batterie umfasst diese eine
Mehrzahl von elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen,
die über Druckbleche und Spannbänder miteinander
verpressbar sind.
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Dabei
sind die Druckbleche planparallel zu den Einzelzellen angeordnet.
Die Spannbänder umgeben randseitig jeweils eine Längsseite
des Zellenverbundes.
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Die
Batterie eignet sich insbesondere als Fahrzeugbatterie, insbesondere
als Hochvolt-Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb
oder für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Lebensdauer einer Batterie im Einsatz bei hohen Temperaturen
erhöht ist, da durch den schmaleren Gehäuserahmen und
die weitgehend vollständige Umschließung des Zellinneren
sowie weitgehend vollständige Überdeckung des
Gehäuserahmens durch die Gehäuseteile mit abgewinkelten
Rand der Gehäuseseiten ein Verlust des Elektrolyten durch
Diffusion der Moleküle durch den Gehäuserahmen
verhindert wird. Darüber hinaus wird eine verbesserte mechanische
Stabilität der Einzelzelle durch den durch die Abwinkelung
resultierenden Rand erreicht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 perspektivisch
eine Explosionsdarstellung einer als Rahmenflachzelle ausgebildeten
Einzelzelle,
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2 schematisch
eine perspektivische Ansicht eines schalenförmigen Gehäuseteils
mit integrierten Gehäuserahmen,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht
einer Rahmenflachzelle gemäß 1; 3A Ansicht
von hinten und 3B Ansicht von vorn,
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4 Schnittdarstellungen der in 3 gezeigten Rahmenflachzelle; (4A, 4B Querschnitt, 4C, 4D Längsschnitt),
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5 schematisch
eine perspektivische Ansicht eines Zellenverbundes von Rahmenflachzellen, und
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6 eine
Schnittdarstellung des in 6 gezeigten
Zellenverbundes (Längsschnitt).
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
perspektivisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 als
Rahmenflachzelle (im Weiteren Rahmenflachzelle 1 genannt)
dargestellt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Rahmenflachzelle 1 beschrieben.
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Die
Rahmenflachzelle 1 umfasst üblicherweise elektrochemisch
aktive Elektrodenfolien 6, die in Form eines Elektrodenstapels
zusammengefasst sind.
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Der
Elektrodenstapel ist in einem vollständig randseitig umgebenden
Gehäuserahmen 2 angeordnet. Ober- und unterseitig
ist der Elektrodenstapel von zwei Gehäuseteilen 3.1, 3.2 umgeben.
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Um
zusätzlich den Gehäuserahmen 2 zur Reduzierung
von Elektrolytverlusten zu umschließen oder zu überdecken,
sind bei mindestens einem der Gehäuseteile 3.1, 3.2 im
Ausführungsbeispiel beim Gehäuseteil 3.1 alle
Seiten des Gehäuseteils 3.1 in einem Winkel von
mindestens 90° abgewinkelt. Dieses Gehäuseteil 3.1 ist
somit in Art einer Schale ausgeführt (= schalenförmiges
Gehäuseteil). Das andere Gehäuseteil 3.2 ist
planar in einer Art Platte ausgeführt (= plattenförmiges
Gehäuseteil). Hierdurch ist der Gehäuserahmen 2 auch
umlaufend nach außen hin abgedeckt.
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Darüber
hinaus ist mindestens eine Polfahne 5 der Rahmenflachzelle 1 als
fahnenartige Verlängerung des Spannung führenden
ersten Gehäuseteils 3.1 ausgebildet. Auch können
beide Gehäuseteile 3.1, 3.2 bei unterschiedlicher
Polarität jeweils mit einer Polfahne 5 versehen
sein. In diesem Fall weisen dann die abgewinkelten Seiten des Gehäuseteils 3.1 eine
Länge auf, die kleiner als die Tiefe des Gehäuserahmens 2 ist,
so dass ein vorgegebener Abstand a der Seiten des Gehäuseteils 3.1 zum
Gehäuseteil 3.2 eingestellt ist.
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Die
Gehäuseteile 3.1, 3.2 sind Spannung geführt
und bilden jeweils einen Pol unterschiedlicher Polarität.
Bevorzugt sind die Gehäuseteile 3.1, 3.2 aus
Metall. Der Gehäuserahmen 2 ist zur elektrischen
Trennung bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material, z.
B. Kunststoff.
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2 zeigt
perspektivisch das schalenförmig ausgebildete Gehäuseteil 3.1 einer
Rahmenflachzelle 1 mit einem integrierten Gehäuserahmen 2.
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In
einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin
möglich, den Gehäuserahmen 2 in das Gehäuseteil 3.1 durch
ein Gussverfahren, z. B. Spritzguss, direkt einzubringen.
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In 3 ist die erfindungsgemäße
Rahmenflachzelle 1 gemäß 1 perspektivisch
in zusammengesetzter Form dargestellt.
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Dabei
zeigt 3A die Rahmenflachzelle 1 rückseitig.
Das Gehäuseteil 3.1 ist schalenförmig ausgeführt,
so dass die abgewinkelten Seiten erfindungsgemäß einen
Winkel von mindestens 90° aufweisen. Die Polfahne 5 der
Rahmenflachzelle 1 ist als fahnenartige Verlängerung
am oberen Rand der abgewinkelten Seite des Gehäuseteils 3.1 ausgebildet.
Das schalenförmige Gehäuseteil 3.1 und
das plattenförmige Gehäuseteil 3.2 umschließen
dabei den Gehäuserahmen 2 bis auf einen vorgegebenen Abstand
a weitgehend vollständig.
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In 3B wird
die erfindungsgemäße Rahmenflachzelle 1 in
Vorderansicht dargestellt.
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4 zeigt Schnittdarstellungen einer gemäß 1 gezeigten
Rahmenflachzelle 1.
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Dabei
wird in den 4A und 4B jeweils
als Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Rahmenflachzelle 1 ein
Querschnitt dargestellt.
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Im
Ausführungsbeispiel 4A und 4B umschließt das schalenförmige
Gehäuseteil 3.1 oberseitig und umlaufend den Gehäuserahmen 2 und
das plattenförmige Gehäuseteil 3.2 unterseitig
den Gehäuserahmen 2. Dabei sind die abgewinkelten
Seiten des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 derart
lang ausgebildet, dass diese bis auf einen vorgegebenen Abstand
a zum plattenförmigen Gehäuseteil 3.2 angeordnet
sind. Hierdurch sind diese elektrisch voneinander isoliert. Darüber
hinaus ist somit das Zellinnere und der Gehäuserahmen 2 weitgehend
vollständig von den Gehäuseteilen 3.1, 3.2 bis
auf den umlaufenden Abstand a in Art eines Spaltes umschlossen.
Hierdurch sind Elektrolytverluste gegenüber herkömmlichen
Einzelzellen deutlich reduziert.
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Im
Gehäuserahmen 2 sind die Elektrodenfolien 6 in
Form eines Elektrodenstapels angeordnet, die einzeln in nicht näher
dargestellter Weise durch einen Separator 7 voneinander
getrennt werden.
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In 4A weisen
die abgewinkelten Seiten des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 einen
Winkel von weitestgehend genau 90° auf und umschließen den
Gehäuserahmen 2 umlaufend.
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In 4B weist
die linke abgewinkelte Seite des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 einen
Winkel von mehr als 90° und die rechte Seite einen Winkel von
weitestgehend genau 90° auf. An der mit einem weitestgehend
genauen Winkel von 90° abgewinkelten Seite des schalenförmigen
Gehäuseteils 3.1 kann ein geeignetes Wärmeleitelement
angeordnet sein.
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In 4C und 4D ist
als Schnittdarstellung einer Rahmenflachzelle 1 parallel
jeweils ein Längsschnitt dargestellt.
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An
jeder Elektrodenfolie 6 sind über die Elektrodenfolien 6 nach
oben und nach unten hinausgehende Randbereiche abgewinkelt und jeweils
als Stromableiterfahne 4 ausgebildet. Die jeweilige Stromableiterfahne 4 ist
elektrisch leitend.
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Dazu
sind die Elektrodenfolien 6 einer Polarität über
deren Stromableiterfahnen 4 elektrisch leitend zu einem
Pol, z. B. durch Schweißung, zusammengeführt.
Dabei bilden die oberen Stromableiterfahnen 4 einen Pol
und die unteren Stromableiterfahnen 4 den anderen Pol der
Rahmenflachzelle 1.
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Darüber
hinaus ist der jeweilige Pol mit dem Gehäuseteil 3.1, 3.2 elektrisch
leitend verbunden. Dabei wird eine Polarität der Rahmenflachzelle 1 über
die betreffenden Stromableiterfahnen 4 am Rand einer abgewinkelten
Seite des Gehäuseteils 3.1 in Form einer fahnenartigen
Verlängerung einer Polfahne 5 nach außen
geführt. Die andere Polarität der Rahmenflachzelle 1 wird
durch Verbindung der Stromableiterfahnen 4 der anderen
Polarität mit dem plattenförmigen Gehäuseteil 3.2 auf
dieses Gehäuseteil 3.2 gelegt. Die Polfahne 5 dient
insbesondere zu Zellspannungsmessungen und zum Zellspannungsausgleich.
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In 4C weisen
die abgewinkelten Seiten des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 einen
Winkel von weitestgehend genau 90° auf. An mindestens einer
der mit einem weitestgehend genauen Winkel von 90° abgewinkelten
Seiten des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 ist
vorzugsweise eine in 5 dargestellte Wärmeleitplatte 11 oder
ein anderes geeignetes Wärmeleitelement angeordnet, wodurch
ein hinreichend guter Wärmeübergang ermöglicht
wird.
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Der
Gehäuserahmen 2 weist zwei elektrisch voneinander
isolierte und sich gegenüberliegend und voneinander beabstandete
Materialrücknahmen auf. In diesen Materialrücknahmen
sind die Stromableiterfahnen 4 jeweils einer Polarität
voneinander elektrisch isoliert angeordnet.
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In 4C weisen
die Seiten des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 einen
Winkel von weitestgehend 90° auf.
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In 4D weist
die linke Seite des schalenförmigen Gehäuseteils 3.1 einen
Winkel von mehr als 90° und die rechte Seite einen Winkel
von weitestgehend genau 90° auf.
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In 5 ist
perspektivisch ein Zellenverbund Z miteinander verschalteter, als
Rahmenflachzellen ausgeführter Einzelzellen 1 dargestellt.
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Dabei
sind die Rahmenflachzellen 1 planparallel nebeneinander
angeordnet, wobei die Gehäuseteile 3.1, 3.2 der
Rahmenflachzellen 1 mit gleicher Polarität aneinander
grenzen.
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Die
Rahmenflachzellen 1 sind dabei derart ausgerichtet, dass
deren Polfahnen 5 an einer Längsseite des Zellenverbundes
Z ausgerichtet sind.
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An
den Rahmenflachzellen 1 ist zur Temperierung des Zellenverbundes
Z unter- oder bodenseitig die Wärmeleitplatte 11 angeordnet,
welche von einem Wärmeleitmedium, beispielsweise einem
Kühlmittel, durchströmt wird. Zum Zu- und Abführen
des Wärmeleitmediums sind die Anschlussstellen 10 vorgesehen.
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In
einer nicht näher dargestellten Art und Weise befindet
sich zwischen der Wärmeleitplatte 11 und den Rahmenflachzellen 1 ein
Isolationsmedium 12, z. B. eine Wärmeleitfolie.
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Über
Druckbleche 9 und Spannbänder 8 werden
die elektrisch in Reihe geschalteten Rahmenflachzellen zusammengepresst.
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Die
Druckbleche 9 sind dabei planparallel zu den Rahmenflachzellen 1 an
Vorder- und Rückseite des Zellenverbundes Z angeordnet.
Die Spannbänder 8 umgeben randseitig jeweils eine
Längsseite des Zellenverbundes Z.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung des in 5 gezeigten
Zellenverbundes Z. Nur die äußere Rahmenflachzelle 1 auf
der rechten Seite des Zellenverbundes Z ist mit Elektrodenfolien 6 dargestellt,
die einzeln in nicht näher dargestellter Weise durch einen
Separator 7 voneinander getrennt werden.
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- 1
- Rahmenflachzelle
- 2
- Gehäuserahmen
- 3
- Gehäuseteile
- 3.1
- Gehäuseteil
schalenförmig
- 3.2
- Gehäuseteil
plattenförmig
- 4
- Stromableiterfahne
- 5
- Polfahne
- 6
- Elektrodenfolien
- 7
- Separator
- 8
- Spannbänder
- 9
- Druckblech
- 10
- Anschlussstelle
- 11
- Wärmeleitplatte
- 12
- Isolationsmedium
- a
- Abstand
- Z
- Zellenverbund
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2742869
A1 [0003]
- - EP 0952622 P1 [0003]