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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ersten Inbetriebnahme einer
Akkuzelle, insbesondere einer Akkuflachzelle nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Akkuflachzellen
werden aus gestapelten Anoden- und Kathodenzuschnitten zusammengesetzt, zwischen
denen jeweils Separatorzuschnitte liegen. Ein derartiger Stapel
aus mehreren Lagen wird in eine Packfolie eingeschlagen, die das
Gehäuse
der Akkuzelle bildet. Die Packfolie wird an aufeinander liegenden
Rändern
verschweißt,
wozu die Folie auf ihren einander zugewandten Seiten eine entsprechende
Beschichtung aufweist.
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Bevor
das aus der verschweißten
Packfolie gebildete Gehäuse
vollständig
geschlossen werden kann, muss zur Initiierung der Akkuzelle ein
Elektrolyt eingefüllt
und eine erste Ladung vorgenommen werden. Die bei der ersten Ladung
entstehenden Ladungsgase müssen
abgeführt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
mit der auf einfache Weise sowohl eine Elektrolytbefüllung einer
Akkuzelle als auch deren Ladung durchgeführt werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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An
dem Nahtrand des aus Packfolie gebildeten Gehäuses ist zumindest eine Füll- und/oder
Entgasungsöffnung
ausgebildet, über
die ein mit flüssigem
Elektrolyt gefüllter
Tankraum sowie ein Ausgleichsraum angeschlossen sind, welche in
einem gemeinsamen Tankgehäuse
ausgebildet sind.
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Das
gemeinsame Tankgehäuse
erleichtert die Handhabung des Elektrolyts und das Anschließen an die
Akkuzelle, wobei vorteilhaft der Tankraum unter Überdruck steht, während im
Ausgleichsraum ein Unterdruck ansteht. Damit wird erreicht, dass
das Elektrolyt aus dem Tankraum unter Druck in die Akkuzelle gefördert wird,
während
gleichzeitig über
die Entgasungsöffnung
die verdrängte
Luft in den unter Unterdruck stehenden Ausgleichsraum abgesaugt wird.
Dadurch kann in kurzer Zeit eine vollständige, homogene Füllung der
Akkuzelle mit Elektrolyt erzielt werden.
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Vorteilhaft
sind die Füllöffnung und
die Entgasungsöffnung
getrennte Öffnungen,
die an einander gegenüberliegenden
Endabschnitten eines Längsrandes
des das Gehäuse
bildenden Folienhüllkörpers vorgesehen
sind. Eine rasche Befüllung
bei vollständiger
Absaugung der verdrängten
Luft ist so gewährleistet. Das
Tankgehäuse
greift mit Tankzapfen in die Füll-
und/oder Entgasungsöffnung
dichtend ein, so dass sowohl bei der Befüllung mit Elektrolyt als auch
bei der Erstladung der Zelle ein geschlossenes System gebildet ist.
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Damit
die beim Ladevorgang entstehenden Ladungsgase die Akkuzelle nicht
aufblähen,
ist diese in einem die Gehäuseform
stabilisierenden Werkstückträger aufgenommen.
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Vorteilhaft
werden die Ladungsgase in einen zusätzlichen Tanksammelraum abgesaugt,
der alternativ zum Tankraum und dem Ausgleichsraum an die Füll- und/oder
Entgasungsöffnung
anzuschließen
ist.
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Nach
Abschluss der Konditionierung wird die Füll- und/oder Entgasungsöffnung durch
eine Siegelnaht gas- und flüssigkeitsdicht
verschlossen, wobei im Zeitpunkt des Schweißvorgangs die Tankzapfen dichtend
in den Öffnungen
liegen.
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Zum
Verschließen
der Füll-
und/oder Entgasungsöffnung
sind im Werkzeugträger
vorteilhaft Schweißfenster
als Zugangsöffnungen
vorgesehen, so dass ohne öffnen
des Werkstückträgers ein
Verschließen
der Öffnungen
möglich
ist.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im Einzelnen
beschriebenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht auf eine Akkuflachzelle mit einem Gehäuse aus
randversiegelter Packfolie,
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2 in
vergrößerter Darstellung
eine Einzelheit I aus 1,
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3 in
schematischer Seitenansicht einen geöffneten Werkstückträger mit
einem diesem zugeordneten Tankgehäuse,
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4 in
schematischer Seitenansicht die Vorrichtung gemäß
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3 mit
eingelegter Akkuflachzelle und teilgeschlossenem Werkstückträger,
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5 eine
schematische Seitenansicht entsprechend 4 mit angedocktem
Tankgehäuse und
Teildarstellung des Werkstückträgers,
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6 eine
schematische Seitenansicht auf den Werkstückträger mit eingelegter Akkuflachzelle und
angedocktem Tankgehäuse
sowie teilweise eingefülltem
Elektrolyt,
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7 eine
schematische Darstellung entsprechend 6 mit vollständig in
der Akkuflachzelle eingefülltem
Elektrolyt,
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8 eine
schematische Darstellung gemäß 7 mit
Anschluss der Füll-
und Entgasungsöffnung
an einen Tanksammelraum,
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9 eine
schematische Darstellung entsprechend 8 mit abgesperrtem
Tanksammelraum und über
Siegelnähte
verschlossenen Füll- und/oder
Entgasungsöffnungen,
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10 in
schematischer Ansicht die im Werkstückträger gehaltene, fertig konditionierte
Akkuflachzelle mit abgedocktem Tankgehäuse.
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Die
in 1 dargestellte Akkuflachzelle 1 ist aus
flächig
aufeinander gestapelten Anoden- und Kathodenzuschnitten aufgebaut,
die abwechselnd unter Zwischenlage je eines Separatorzuschnittes
einen Stapel 2 bilden. Dieser Stapel 2 ist in
einer randversiegelten Packfolie eingeschlagen, wozu ein entsprechender
Folienzuschnitt um den Stapel 2 gefaltet sowie an den Längsrändern 3, 4 und 5 durch
eine Doppelnaht 6 gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt ist. An
dem einen Längsrand 4 ragen
metallische Anschlüsse 7 heraus,
die eine Anode 9 sowie eine Kathode 8 ausbilden.
Die Anode 9 ist mit allen Anodenzuschnitten des Stapels 2 verbunden;
entsprechend ist die Kathode 8 mit allen Kathodenzuschnitten
des Stapels 2 elektrisch verbunden.
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Der
das äußere Gehäuse 10 bildende
Zuschnitt der Packfolie ist um den Stapel 2 längs des unteren
Längsrandes 14 gefaltet,
so dass an dem einen, langen Längsrand 14 keine
Schweißnaht
ausgebildet werden muss. Die Doppelnaht 6 verläuft somit
im Wesentlichen U-förmig über die
kurzen Längsränder 3, 5 und
den langen Längsrand 4,
in dem die elektrischen Anschlüsse 7 liegen.
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Die
gezeigte Akkuflachzelle 1 ist in ihrer Seitenansicht im
Wesentlichen rechteckig, wobei in dem die Anschlüsse 7 aufweisenden
Längsrand 4 eine Füll- und/oder
Entgasungsöffnung 20, 22 ausgebildet ist.
Die Öffnungen 20, 22 sind
als Folientülle
gefertigt, die durch einen entsprechenden Überstand 11 des Zuschnittes
der Packfolie gebildet ist. Die Überstände 11 der
Unterseite und der Oberseite des Folienzuschnitts werden in ihrer
Längsausrichtung
durch eine einfache Schweißnaht 12 aufeinander
festgelegt, so dass sich ein schlauchartiger Anschlussabschnitt 13 ausbildet,
dessen Fußbereich
auf Höhe
der Doppelnaht 6 endet. Wie 1 zeigt,
ist die Doppelnaht 6 im Bereich der Mündung 15 des Anschlussabschnittes 13 offen
gelassen, so dass eine direkte Verbindung zum Inneren des aus der
Packfolie gebildeten Gehäuses 10 der
Akkuflachzelle 1 besteht.
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Der
Einzelheit in 1 ist zu entnehmen, dass durch
einen Schweißstempel 16 die
Mündung 15 durch
eine vorzugsweise doppelt ausgeführte Schließnaht 17 gas-
und flüssigkeitsdicht
verschlossen wird. Nach dem Konditionieren der Akkuflachzelle 1 ist
das aus der Packfolie gebildete Gehäuse 10 vollständig geschlossen,
da die Schließnähte 17 der Mündungen 15 die
fehlenden Abschnitte der U-förmig
umlaufenden Doppelnaht 6 schließen.
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Der
Rohling der Akkuflachzelle 1 ist vor einer ersten Inbetriebnahme
zu konditionieren, d. h., es muss ein Elektrolyt eingefüllt werden
und die Akkuzelle ein erstes Mal geladen werden.
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Hierzu
ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, die Akkuflachzelle 1 in einen Werkstückträger 30 einzulegen,
der aus zwei um eine Verschwenkachse 35 relativ zueinander
verschwenkbaren Halbschalen 33, 34 besteht (3).
Der Werkstückträger 30 hat
in seinen Halbschalen 33, 34 eine ausgebildete
Kontur 31 als Vertiefung, wobei die Kontur bei geschlossenem
Werkzeugträger 30 einen
Aufnahmeraum 32 definiert, der dem Konstruktionsvolumen
der Akkuflachzelle 1 gemäß 1 entspricht.
Die in einem geschlossenen Werkstückträger 30 liegende Akkuflachzelle 1 ist
im geschlossenen Werkstückträger 30 formgebend
geklemmt gehalten. Die Anschlussabschnitte 13 des Packfoliengehäuses 10 liegen
zwischen halbzylinderförmigen
Formmulden 18, so dass ein in den Anschlussabschnitt 13 eingeführter Tankzapfen 41 (2, 3)
eines Tankgehäuses 40 die innen
beschichtete Packfolie zwischen dem Zapfen 41 und den Formmulden 18 festklemmt.
Dabei erfolgt eine radiale gas- und flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen
dem Anschlussabschnitt 13 und dem in ihn eingeführten Tankzapfen 41.
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Wie
in 2 dargestellt, hat der Tankzapfen 41 eine
sich konisch erweiternde Form und die Formmulde 18 eine
sich in Längsrichtung
konisch verjüngende
Form, so dass beim axialen Einsetzen des Tankzapfens 41 in
Pfeilrichtung 42 eine funktionssichere Abdichtung zwischen
dem Tankzapfen 41 und dem Anschlussabschnitt 13 gebildet
ist.
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Die 3 und 4 zeigen,
wie die Formmulde 18 durch ein Schweißfenster 36 unterbrochen ist,
welches bei geschlossenem Werkstückträger 30 einen äußeren Zugang
zum Mündungsbereich 15des
Anschlussabschnittes 13 am Gehäuse 10 der Akkuflachzelle 1 erlaubt.
In 6 ist gezeigt, dass in dem Schweißfenster 36 sowohl
die verschweißte Doppelnaht 6 der
kurzen Längsränder 3 und 5 der Packfolie
einragen als auch die verschweißte
Doppelnaht 6 des langen Längsrandes 4. Zum druck-
und gasdichten Verschließen
des Foliengehäuses 10 werden
durch die Schweißfenster 36 Schweißstempel 16 eingefahren,
um eine Schließnaht 17 zu
fertigen, durch die der Anschlussabschnitt 13 dicht verschlossen
und die Doppelnaht 6 U-förmig umlaufend geschlossen
wird. Das Foliengehäuse 10 ist
gas- und flüssigkeitsdicht
verschweißt.
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Nach
Schließen
des Werkstückträgers 30 (4, 5, 6)
werden die Tankzapfen 41 des Tankgehäuses 40 in die mit
Abstand zueinander liegenden Öffnungen 20, 22 der
Anschlussabschnitte 13 so tief eingeführt, dass ein radiales Abdichten
der Tankzapfen 41 durch Verquetschen des Materials der Anschlussabschnitte 13 zwischen
dem Tankzapfen 41 und der Formmulde 18 im Werkstückträger 30 erzielt
ist. Dabei wird ausgenutzt, dass die Packfolie auf ihrer Innenseite
mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Verschweißen der
aufeinander liegenden Ränder
der Packfolie möglich
macht.
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Das
Tankgehäuse 40 besteht
zumindest aus einem Tankraum 43 mit einem Elektrolyt 19 und
einem Ausgleichsraum 44, die gemeinsam im Tankgehäuse 40 ausgebildet
sind. Dabei ist vorgesehen, dass der im Tankraum 43 verbleibende
Gasraum 21 unter einem Überdruck
steht, während
im Ausgleichsraum 44 ein Unterdruck ansteht.
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Der
Tankraum 43 ist über
ein Ventil 46 und den Tankzapfen 41 mit der Füllöffnung 20 verbunden (5),
während
der Ausgleichsraum 44 über
ein Ventil 45 und den Tankzapfen 41 mit der Entgasungsöffnung 22 verbunden
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Füllöffnung 20 getrennt
von der Entgasungsöffnung 22 ausgebildet,
wobei die Öffnungen 20, 22 an
den gegenüberliegenden
Enden des langen Längsrandes 4 der
Akkuflachzelle 1 liegen. Zwischen den Öffnungen 20 und 22 liegen
die Anode 9 und die Kathode 8 als elektrische
Anschlüsse 7 für die Akkuzelle 1.
Die Anschlussabschnitte 13 münden in den Ecken der kurzen
Längsränder 3, 5 und
dem langen Längsrand 4 mit
den elektrischen Anschlüssen 7 in
das Gehäuse 10 ein.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
weist das Tankgehäuse 40 einen
weiteren Tanksammelraum 47 auf, der zweckmäßig zwischen
dem Tankraum 43 und dem Ausgleichsraum 44 angeordnet
liegt. Im Ausführungsbeispiel
bilden der Tankraum 43, der Tanksammelraum 47 und
der Ausgleichsraum 44 das einteilig ausgebildete Tankgehäuse 40.
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Wie
die Figuren zeigen, sind die Zweiwegeventile 45 und 46 über einen
Verbindungszweig 48 mit dem mittig liegenden Tanksammelraum 47 verbunden.
Der Tanksammelraum 47 hat ferner ein Entlüftungsventil 49.
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Der
Tankraum 43 weist ferner ein Füllventil 23 und der
Ausgleichsraum 44 ein Ablassventil 24 auf.
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Zum
Konditionieren einer trockenen Akkuflachzelle 1 wird diese
in den offenen Werkstückträger 30 eingelegt
(3), der Werkstückträger 30 geschlossen
(4) und das Tankgehäuse 40 angedockt (5).
Dabei greifen die Tankzapfen 41 an den offenen Enden der
Formmulden 18 in die Anschlussabschnitte 13 des
Foliengehäuses 10 ein.
Die Tankzapfen 41 werden so tief in die Anschlussabschnitte 13 eingeführt, bis
eine radiale Abdichtung zwischen dem Außenumfang eines Tankzapfens 41 und
der beschichteten Innenseite des Anschlussabschnittes 13 erzielt
ist. Nunmehr werden die Zweiwegeventile 45 und 46 geöffnet, so
dass sowohl der Tankraum 43 mit dem unter Überdruck
stehenden Elektrolyt 19 an die Akkuzelle 1 angeschlossen
ist, wie auch der unter Unterdruck stehende Ausgleichsraum 44. Überdruck
und Unterdruck sind derart aufeinander abstimmt, dass das Elektrolyt 19 durch
das offene Ventil 46 in Pfeilrichtung 50 (6)
in die Akkuflachzelle 1 strömt und zugleich die verdrängte Luft aufgrund
der Druckverhältnisse
in Pfeilrichtung 51 in den Ausgleichsraum 44 abgesaugt
wird. Dadurch füllt
sich die Akkuflachzelle 1 zügig und vollständig mit
dem einzufüllenden
Elektrolyt 19 bis die dem Tankraum 43 zugewiesene
Menge vollständig
in der Akkuflachzelle 1 aufgenommen ist. Durch den absaugenden
Unterdruck im Ausgleichsraum 44 wird dieser Füllvorgang
beschleunigt und läuft
gleichmäßig ab.
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7 zeigt
die Akkuflachzelle 1 im Werkstückträger 30 nach einem
abgeschlossenen Füllvorgang.
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Nunmehr
werden die Zweiwegeventile 45, 46 in die zweite
Stellung geschaltet, in der die Öffnungen 20 und 22 über den
Verbindungszweig 48 mit dem Tanksammelraum 47 verbunden
sind; danach wird an die elektrischen Anschlüsse 7 eine Ladespannung
angelegt. Aufgrund der zwischen Anode 9 und Kathode 8 ablaufenden
chemischen Prozesse entwickeln sich Ladungsgase, die über die Öffnungen 20, 22 in
Pfeilrichtung 61 bzw. 62 in den Tanksammelraum 47 abströmen. Dabei
wird ein Aufblähen
des aus der Packfolie gebildeten Gehäuses 10 durch den
formgebenden Werkstückträger 30 unterbunden.
Vorteilhaft werden die Ladungsgase über ein geöffnetes Entlüftungsventil
des Tanksammelraums 47 in Pfeilrichtung 60 abgesaugt.
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Ist
der Ladeprozess abgeschlossen, fallen somit keine weiteren Ladegase
an, können
die Anschlussabschnitte 13 im Bereich ihrer Mündung 15 gas-
und flüssigkeitsdicht
verschlossen werden (8, 9). Dies
erfolgt durch aufeinander zufahrende Schweißstempel 16, die – bei noch
geschlossenem Werkstückträger 30 – in die
Schweißfenster 36 eingeführt werden
und auf die Packfolie wirken, um die Schließnaht 17 auszubilden.
Das Verschließen
der Anschlussabschnitte 13 erfolgt zweckmäßig bei
noch eingesteckten Tankzapfen 41, so dass eine Trennung
des Tankgehäuses 40 von
der Akkuflachzelle 1 und dem Werkstückträger 30 erst dann erfolgt, wenn
das Gehäuse 10 der
Akkuflachzelle 1 vollständig
druck- und flüssigkeitsdicht
versiegelt ist.
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Dann
wird – wie 10 zeigt – das Tankgehäuse 40 abgedockt,
der Werkstückträger 30 geöffnet und
die konditionierte Akkuflachzelle 1 entnommen.
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Die
Erfindung liegt somit nicht nur in der Ausbildung der Vorrichtung
an sich, sondern auch in den Verfahrensschritten zum Konditionieren
einer Akkuflachzelle.
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Eine
Akkuzelle 1 wird in einen Werkstückträger 30 eingelegt und
der Werkstückträger 30 geschlossen.
Die Tankzapfen 41 eines zugeordneten Tankgehäuses 40 werden
gas- und flüssigkeitsdicht in
zugeordnete Anschlussabschnitte des Gehäuses der Akkuzelle 1 eingeführt. Ein
unter Überdruck
stehendes Elektrolyt 19 wird durch den einen Anschlussabschnitt 13 in
das Gehäuse 10 der
Akkuzelle 1 gedrückt
und über
den anderen Anschlussabschnitt 13 die verdrängte Luft
in einen unter Unterdruck stehenden Ausgleichsraum 44 abgesaugt.
Nach Abschluss der Befüllung
mit dem Elektrolyt werden die Öffnungen 20, 22 von
dem Tankraum 40 und dem Ausgleichsraum 44 getrennt
und in Verbindung mit einem Tanksammelraum 47 geschaltet,
der zum Auffangen von Ladungsgasen dient. Zwischen der Anode 9 und
der Kathode 8 der Akkuzelle 1 wird eine Ladespannung
angelegt, und die während
dem Laden entstehenden Ladungsgase werden über die Öffnungen 20, 22 und
die Verbindungsleitung 48 dem Tanksammelraum zugeführt, vorteilhaft
aus dem Tanksammelraum 47 abgesaugt. Nach abgeschlossener Ladung
der Akkuzelle 1 werden die Anschlussabschnitte 13 gas-
und flüssigkeitsdicht
verschlossen, insbesondere durch eine Schweißnaht versiegelt. Nach Verschließen der Öffnungen
wird das Tankgehäuse 40 vom
Werkstückträger 30 getrennt,
der Werkstückträger 30 geöffnet und
die konditionierte Akkuzelle 1 entnommen.
