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Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallische Folie für ein Elektrodenensemble, ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenensembles, ein Elektrodenensemble, eine Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug. Bei der Batteriezelle handelt es sich vorzugsweise um eine wiederaufladbare Batteriezelle auf Lithium-Ionen-Basis.
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Stand der Technik
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Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung.
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Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcorder und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
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Batterien können aus einzelnen Batteriezellen bestehen oder mehrere Batteriezellen umfassen, die seriell und/oder parallel zu einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengeschaltet sein können. Umfasst die Batterie mehrere Module, können diese ihrerseits seriell und/oder parallel zur Bildung der Batterie zusammengeschaltet sein. Batteriezellen weisen dabei jeweils ein Elektrodenensemble in einer Elektrolytflüssigkeit auf, wobei das Elektrodenensemble und das Elektrolyt von einem Gehäusesystem umfasst sind.
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Das Elektrodenensemble ist so gestaltet, dass die Elektroden mittels Stromabnehmern aus Kupfer oder Aluminium kontaktierbar sind, um so die Elektroden des Elektrodenensembles mit Terminals der Batteriezelle elektrisch leitfähig zu verbinden.
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1 zeigt eine Explosionszeichnung einer beispielhaften Batteriezelle nach Stand der Technik.
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Auf dem Boden eines auch als Behälter bezeichneten prismatischen Gehäuses 18 befindet sich eine Behälterbodenisolierung 14. Im Behälter 18 ist ein auch als Wicklungselement bezeichnetes Elektrodenensemble 17 angeordnet. Das Wicklungselement 17 weist überstehende Folienstreifen 16 zur elektrischen Kontaktierung mittels Stromabnehmern 10 auf und kann mittels einer Isolierung 12 gegen Elektrolyt im Behälter 18 isoliert sein. Die Stromabnehmer 10 können mittels einer weiteren Isolierung 11 gegen das Elektrolyt isoliert sein und verbinden das Elektrodenensemble 17 elektrisch leitfähig mit auch als Anschlussbolzen bezeichneten Terminals 9, wobei Dichtungen 8 zusammen mit einem Dichtringisolator 7 ein Austreten von Elektrolyt an den Anschlussbolzen 9 verhindern. Das Gehäuse 18 ist mittels einer Deckplatte 6 druckfest verschlossen. Die Deckplatte weist mehrere Öffnungen auf. Zwei dienen zur Durchführung der Anschlussbolzen 9, eine weitere ist durch eine Berstscheibe 19 verschlossen, die bei Überschreitung eines Maximaldrucks im Innern der Batteriezelle birst, und eine andere weitere Öffnung ist mittels einer OSD-Membran 5 verschlossen. Schließlich weist die Deckplatte 6 zusätzlich eine auch als Elektrolyteinfüllöffnung bezeichnete Öffnung 20 auf, die nach Befüllen mit einer Metallkugel 21 verschlossen wird. Die Öffnung 20 kann eine Bohrung sein und wird daher auch manchmal als Befüllbohrung bezeichnet, selbst wenn sie gestanzt oder anderweitig hergestellt ist. Auf der Deckplatte 6 und um die Terminals 9 herum sind Abstandisolatoren 4 angeordnet, auf denen wiederum Verbindungsplatten 3 und Oberplatten 2 angeordnet sind. Eine Deckplattenisolierfolie 1 mit einer in Größe, Anordnung und Form der Berstöffnung entsprechenden Aussparung und zwei den Abstandsisolatoren 4 in Größe, Anordnung und Form entsprechenden Aussparungen ist auf der Deckplatte 6 angeordnet.
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Seitlich neben dem Wicklungselement können sogenannte Nail Penetration Safety Devices 15 (Vorrichtungen zur Sicherung gegen das Eindringen von Nägeln) angeordnet sein. Der Behälter 18 kann von einem Schrumpfschlauch 13 umhüllt sein, der durch Schrumpfen eng am Behälter anliegt.
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Bei der Herstellung einer Batteriezelle unter Verwendung eines solchen Gehäusesystems nach Stand der Technik wird zuerst das Elektrodenensemble 17 samt Stromabnehmern 10 in das Gehäuse 18 eingesetzt und dann das das Gehäusesystem durch Aufsetzen der Deckplatte 6 auf das Gehäuse 18 verschlossen. Schließlich wird im verschlossenen Gehäusesystem vorhandenes Gas abgesogen und das Gehäusesystem mit dem Elektrolyt befüllt. Nach dem Befüllen wird die Öffnung 20 mittels der Metallkugel 21 druckdicht verschlossen. Beispielsweise wird die Metallkugel 21 in die Öffnung eingepresst, gereinigt und dann verschweißt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine metallische Folie nach Anspruch 1 für ein Elektrodenensemble einer Batteriezelle vorgestellt. Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren nach Anspruch 3 zur Herstellung eines Elektrodenensembles einer Batteriezelle vorgeschlagen. Und es wird erfindungsgemäß ein Elektrodenensemble nach Anspruch 8 vorgeschlagen. Schließlich werden erfindungsgemäß eine Batteriezelle nach Anspruch 9 mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elektrodenensemble und ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle vorgeschlagen.
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Die erfindungsgemäße metallische Folie hat eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer größeren Hauptausdehnungsrichtung und einer kleineren, zur Hauptausdehnungsrichtung senkrechten Nebenausdehnungsrichtung. Die metallische Folie ist dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie auf zumindest einer zu der Haupausdehnungsrichtung parallelen Seite Aussparungen aufweist, die so zueinander beabstandet sind, dass nach Aufwicklung eines die metallische Folie umfassenden Folienstapels mit einer zwischen der metallischen Folie und einer weiteren metallischen Folie angeordneten nichtleitenden Folie die Aussparungen im Wesentlichen übereinanderliegen und so mindestens eine seitliche Aussparung im aufgewickelten Folienstapel bilden.
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Mit der vorgeschlagenen metallischen Folie lassen sich Elektrodenensembles für Batteriezellen herstellen, die sich besonders schnell mit Elektrolyt vollsaugen können, da die Aussparung das Vordringen von Elektrolyt in ein Batteriegehäuse beschleunigt und eine Eindringoberfläche des Elektrodenensembles, über die das Elektrolyt in das Elektrodenensemble eindringen kann, vergrößert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Aussparungen V-förmig, U-förmig oder rechteckig. Dann lassen sich die Aussparungen leicht herstellen und das Vordringen von und Vollsaugen mit Elektrolyt wird weiter beschleunigt.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren umfasst das Bilden eines Folienstapels durch Anordnen einer nichtleitenden Folie zwischen zwei metallischen Folien, die bezüglich einer zu einer größeren Hauptausdehnungsrichtung senkrechten, kleineren Nebenausdehnungsrichtung im Wesentlichen gleich breit sind, wobei der Folienstapel so gebildet wird, dass die metallischen Folien bezüglich der Hauptausdehnungsrichtung im Wesentlichen übereinanderliegend und bezüglich der Nebenausdehnungsrichtung eine Überlappung haben und so zueinander versetzt sind, dass jede der zwei metallischen Folien einen seitlichen Überstand aufweist, wobei eine Ausdehnung der nichtleitenden Folie in der Nebenausdehnungsrichtung der Überlappung entspricht. Weiterhin umfasst das Verfahren die Schritte Aufwickeln des Folienstapels und Flachpressen des aufgewickelten Folienstapels durch Pressen in einer zur Hauptausdehnungsrichtung und zur Nebenausdehnungsrichtung senkrechten dritten Richtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zwei metallischen Folien eine erfindungsgemäße metallische Folie ist, oder dass nach dem Aufwickeln Aussparungen in mindestens einem der seitlichen Überstände der metallischen Folien gebildet werden, sodass mindestens eine seitliche Aussparung im aufgewickelten Folienstapel entsteht.
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Das so hergestellte Elektrodenensemble saugt sich besonders schnell mit Elektrolyt voll, da die Aussparung Vordringen von Elektrolyt in ein Batteriegehäuse beschleunigt und eine Eindringoberfläche des Elektrodenensembles, über die Elektrolyt in das Elektrodenensemble eindringen kann, vergrößert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Aussparungen V-förmig, U-förmig oder rechteckig gebildet. Dann lassen sich die Aussparungen leicht herstellen und das Vordringen von und Vollsaugen mit Elektrolyt wird weiter beschleunigt.
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Die zwei metallischen Folien können beide erfindungsgemäße metallische Folien sein. Dann entspricht eine Tiefe der Aussparungen bezüglich der Nebenausdehnungsrichtung einer Überstandstiefe der zwei metallischen Folien im Folienstapel zueinander.
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In einer vorgeschlagenen Ausführungsform wird die mindestens eine Aussparung nach dem Flachpressen in einem Bereich gebildet, in dem der aufgewickelte Folienstapel eine besonders starke Krümmung aufweist.
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So können auch erfindungsgemäße Elektrodenensembles aus metallischen Folien nach Stand der Technik hergestellt werden.
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Wird in beiden seitlichen Überständen je mindestens eine Aussparung gebildet, so wird das Vordringen von und Vollsaugen mit Elektrolyt weiter beschleunigt.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Elektrodenensemble umfasst einen aufgewickelten Folienstapel mit einer zwischen zwei metallischen Folien angeordnete nichtleitenden Folie, wobei die metallischen Folien bezüglich einer zu einer größeren Hauptausdehnungsrichtung senkrechten, kleineren Nebenausdehnungsrichtung im Wesentlichen gleich breit sind, wobei der aufgewickelte Folienstapel so gebildet ist, dass die metallischen Folien bezüglich der Hauptausdehnungsrichtung im Wesentlichen übereinanderliegend. Bezüglich der Nebenausdehnungsrichtung haben die metallischen Folien eine Überlappung. Sie sind aber so zueinander versetzt, dass jede der zwei metallischen Folien einen seitlichen Überstand aufweist, wobei eine Ausdehnung der nichtleitenden Folie in der Nebenausdehnungsrichtung der Überlappung entspricht. Dabei ist mindestens eine der zwei metallischen Folien eine erfindungsgemäß metallische Folie, und der Folienstapel ist so aufgewickelt, dass die Aussparungen in einem Überstand und im Wesentlichen übereinanderliegend im Folienstapel angeordnet sind und mindestens eine seitliche Aussparung im aufgewickelten Folienstapel bilden.
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Das erfindungsgemäße Elektrodenensemble kann sich besonders schnell mit Elektrolyt vollsaugen, da die Aussparung das Vordringen von Elektrolyt in ein Batteriegehäuse beschleunigt und eine Eindringoberfläche des Elektrodenensembles, über die Elektrolyt in das Elektrodenensemble eindringen kann, vergrößert.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst ein erfindungsgemäßes Elektrodenensemble, ein Gehäuse, eine Deckelplatte, Stromabnehmer, die die seitlichen Überstände kontaktieren und weiterhin mit externen Terminals der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden sind, und ein Elektrolyt.
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Das erfindungsgemäße Elektrodenensemble in der erfindungsgemäßen Batteriezelle kann sich besonders schnell mit Elektrolyt vollsaugen, da die Aussparung das Vordringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse beschleunigt und eine Eindringoberfläche des Elektrodenensembles, über die das Elektrolyt in das Elektrodenensemble eindringen kann, vergrößert.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Explosionszeichnung einer beispielhaften Batteriezelle nach Stand der Technik;
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2 eine weitere beispielhafte Batteriezelle nach Stand der Technik,
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3 einen schematischen Elektrolytfluss in der weiteren beispielhaften Batteriezelle nach Stand der Technik,
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4 schematisch einen beispielhaften Folienstapel mit metallischen Folien gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 schematisch einen beispielhaften Folienstapel mit metallischen Folien gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 schematisch den Folienstapel aus 5 nach einem Aufwickeln zu einem Rundwickel,
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7 eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle, und
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8 einen schematischen Elektrolytfluss in der erfindungsgemäßen Batteriezelle aus 7.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Batteriezelle nach Stand der Technik. Ein Elektrodenensemble 17 mit einer Kupferfolie und einer Aluminiumfolie, die durch eine Kunststofffolie von der Kupferfolie separiert ist, befindet sich in einem Gehäuse 18, das mit einer Deckplatte 6 verschlossen ist. Das Elektrodenensemble 17 ist ein flach gepresster Wickel der Folien und weißt seitlich Kontaktfahnen 16 für Pluspol und Minuspol auf. In der Deckplatte 6 befindet sich eine Befüllbohrung 20, über die Elektrolyt in das Gehäuse 18 gefüllt werden kann. Aufgrund der Wicklung sind Eindringflächen, über die Elektrolyt in das Elektrodenensemble 17 eindringen kann, im Wesentlichen seitlich und damit parallel zur Schwerkraft angeordnet.
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3 zeigt einen schematischen Elektrolytfluss bei Befüllen der in 2 dargestellten weiteren beispielhaften Batteriezelle nach Stand der Technik.
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Elektrolyt wird über die Befüllbohrung 20 eingefüllt, fließt dann erst im Wesentlichen auf dem Elektrodenensemble 17 zur den Seiten, ehe es in seitlichen Freiräumen zwischen Gehäuse 18 und Elektrodenensemble 17 nach unten fließen kann und eine Eindringoberfläche erreicht, über die Elektrolyt in das Elektrodenensemble 17 eindringen kann und im Wesentlichen seitlich und damit parallel zur Schwerkraft angeordnet ist. Wegen dieser Form der Anordnung der Eindringoberfläche füllt sich zudem das Gehäuse schneller mit Elektrolyt, als dieses in das Elektrodenensemble vordringen kann. Ist das Gehäuse vorläufig mit Elektrolyt gefüllt, dringt Elektrolyt langsam in das Elektrodenensemble vor und der Füllstand sinkt wieder, was ein Nachfüllen von Elektrolyt erfordert. Daher erfordert das Befüllen von Batteriezellen mit Elektrolyt Zeit.
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Fließgeschwindigkeit begrenzend sind dabei insbesondere eine geringste Querschnittsfläche im durch Elektrodenensemble und Gehäuse zwischen Befüllbohrung und Eindringoberflächen gebildeten Kanal und die Größe der Eindringoberfläche.
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4 zeigt nun einen beispielhaften Folienstapel mit metallischen Folien gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im dargestellten Folienstapel 100 ist eine nichtleitfähige Folie 110 zwischen zwei zueinander versetzen metallischen Folien 120, 130 angeordnet. Die nichtleitfähige Folie 110 und die metallischen Folien 120, 130 haben eine gleiche Länge. Die metallischen Folien 120, 130 haben zudem eine gleiche Breite, die um eine Randbreite größer ist als eine Breite der nichtleitfähigen Folie 110. Im Folienstapel sind die metallischen Folien 120, 130 um die Randbreite zueinander seitlich versetzt angeordnet, sodass ein Randstreifen der metallischen Folie 120 links und ein Randstreifen der metallischen Folie 130 rechts übersteht. Die Randstreifen haben die Randbreite und weisen V-förmige bzw. dreieckige, schematische dargestellte Aussparungen 150 auf, die sich bei der metallischen Folie 120 von einem linken Seitenrand der Folie 120 aus in Richtung der Breitenausdehnung der Folie 120 erstrecken. Entsprechend erstrecken sich die Aussparungen in der metallischen Folie 130 von einem rechten Seitenrand der Folie 130 aus in Richtung der Breitenausdehnung der Folie 130. Die Aussparungen sind dabei so angeordnet, dass bei Wicklung des Folienstapels die Aussparungen auf der rechten Seite der Folie 130 übereinander zu liegen kommen. Entsprechend kommen bei Wicklung des Folienstapels die Aussparungen auf der linken Seite der Folie 120 übereinander zu liegen. Die im aufgewickelten Folienstapel übereinanderliegenden Aussparungen bilden damit eine seitliche Aussparung im Folienstapel.
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5 zeigt einen beispielhaften Folienstapel mit metallischen Folien gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Größenverhältnisse der Folien und Anordnung der Folien sind identisch zu Größenverhältnissen und Anordnung der Folien in 4 und nur schematisch dargestellt. Die metallischen Folien 120, 130 in 5 unterscheiden sich von den in 4 dargestellten durch U-förmige bzw. im Wesentlichen rechteckige Aussparungen 150. Auch in 5 sind die Aussparungen nur schematisch dargestellt.
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In 6 zeigt schematisch den Folienstapel 100 aus 5 nach einem Aufwickeln zu einem Rundwickel. Erkennbar liegen die Aussparungen 150 in den Randbereichen übereinander. Für prismatische Batteriezellengehäuse mit rechteckigem Querschnitt kann erst ein solcher Rundwickel durch Aufwickeln hergestellt und anschließend der Rundwickel zu einem Flachwickel flach gepresst werden. Dabei wird Druck so ausgeübt, dass Umlenkbereiche des Flachwickels im Bereich der Aussparungen 150 entstehen. Alternativ wird der Aufwickelprozess so ausgeführt, dass direkt ein Flachwickel mit Aussparungen in den Umlenkbereichen gebildet wird.
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7 zeigt einen beispielhaften Flachwickel 17 in einem Gehäuse 18. das mit einer Deckplatte 6 verschlossen ist. Das Elektrodenensemble 17 weist seitlich Kontaktfahnen 16 für Pluspol und Minuspol auf. In der Deckplatte 6 befindet sich eine Befüllbohrung 20, über die Elektrolyt in das Gehäuse 18 gefüllt werden kann. An oberen Ecken weist das Elektrodenensemble 17 Aussparungen 150 auf. Im Beispiel sind die Aussparungen 150 unterschiedlich geformt. Für die Praxis können an beiden oberen Ecken gleich geformte Aussparungen 150 sinnvoll sein. Die dargestellten Ausführungsbeispiele der Aussparungen 150 erweitern den Kanal für Elektrolytfluss an genau der Stelle, an der dieser Kanal nach Stand der Technik seine geringste Querschnittsfläche hat. Zudem vergrößern die Aussparungen die Eindringoberfläche um eine zur Schwerkraft waagerecht angeordneten Zusatzfläche und bewirken so, dass Elektrolyt in das Elektrodenensemble 17 eindringen kann, sobald es im Bereich der Aussparungen beginnt, nach unten zu fließen.
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Daher hat der in 8 gezeigte schematische Elektrolytfluss bei Befüllen der in 7 dargestellten Batteriezelle eine größere Fließgeschwindigkeit. Elektrolyt wird über die Befüllbohrung 20 eingefüllt, fließt dann erst im Wesentlichen auf dem Elektrodenensemble 17 zu den Seiten, ehe es in die Aussparungen 150 vordringt, von wo aus es in einen seitlichen Zwischenraum zwischen Gehäuse 18 und Elektrodenensemble 17 fließen und gleichzeitig in das Elektrodenensemble 17 eindringen kann.
