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Die Erfindung betrifft eine Batterie, welche zumindest einen aus einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gebildeten Zellblock umfasst, wobei die Einzelzellen zumindest ein Gehäuse und eine in diesem angeordnete Elektrodenfolienanordnung aufweisen.
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Eine Batterie, insbesondere für Fahrzeuganwendungen oder Stationäranwendungen, besteht aus einer Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, die mit einer zugehörigen Elektronik und gegebenenfalls einer Temperiervorrichtung in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Die Einzelzellen sind zu Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine vorgegebene Anzahl von Einzelzellen, deren mechanische Fixierung, Kontaktierung und gegebenenfalls Einrichtungen zum Temperieren umfassen. Die Einzelzellen sind bei axialer Verpressung des Zellblockes mittels Halteelementen kraftschlüssig fixiert, wobei die Verpressung des Zellblockes mittels Spannelementen, wie z. B. Zuganker, Gewindestangen und/oder Spannbändern, erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie umfasst zumindest einen aus einer vorgegebenen Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gebildeten Zellblock, wobei die Einzelzellen zumindest ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete Elektrodenfolienanordnung aufweisen. Erfindungsgemäß ist innenseitig oder außenseitig an zumindest einer Gehäuseseite eine Membran angeordnet, wobei zwischen der zumindest einen Gehäuseseite und der Membran ein Hohlraum gebildet ist, wobei die Membran mit der zumindest einen Gehäuseseite ein Federelement bildet und eine von dem Federelement erzeugte Federkraft im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Elektrodenfolienanordnung wirkt.
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Mittels des durch die Membran und die zumindest eine Gehäuseseite gebildeten Hohlraumes als Federelement ist ein flächiger Druck auf die Einzelzelle ausübbar, so dass ein erforderlicher Abstand von Lagen der Elektrodenfolienanordnung eingestellt ist. Zudem ist durch die Druckausübung mittels des Federelementes das Risiko der Bildung von Gasblasen zumindest verringert, wobei eventuell entstehende Gasblasen durch die Federkraft aus der Elektrodenfolienanordnung herauspressbar sind. Dadurch kann die Lebensdauer der Einzelzelle erhöht werden.
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Weiterhin dient die flächig in die Elektrodenfolienanordnung eingeleitete Druckkraft einer kraftschlüssigen Fixierung der Elektrodenfolienanordnung im Gehäuse der Einzelzelle, wobei die kraftschlüssige Fixierung mittels des Federelementes zumindest unterstützt ist.
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Darüber hinaus gleicht das Federelement die aufgrund eines Lade- und/oder Alterungszustandes der Einzelzelle entstehenden Dickenunterschiede innerhalb des Zellblockes aus.
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In einer möglichen Ausbildung ist der Hohlraum fluiddicht ausgebildet und mit einer vorgegebenen Menge eines Fluids befüllt, so dass das Federelement eine vorgegebene flächige Federkraft auf die Einzelzelle ausübt. Mittels der vorgegebenen Menge des Fluids, insbesondere eines Gases, sind eine Federrate sowie eine Dicke des durch den Hohlraum gebildeten Federelementes im Wesentlichen exakt einstellbar.
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Dabei ist der Hohlraum bevorzugt mit einer vorgegebenen Menge Gas als Fluid befüllt, wodurch ein Gewicht der Einzelzelle und somit auch der Batterie nicht wesentlich erhöht ist.
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In einer weiteren möglichen Ausbildung entsprechen Abmessungen einer von der zumindest einen Gehäuseseite beabstandete Fläche der Membran zumindest den Abmessungen einer Fläche der Flachseite der Elektrodenfolienanordnung. Dadurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Druckkraft vollflächig auf die Fläche der Flachseite der Elektrodenfolienanordnung auszuüben.
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In einer Weiterbildung weist bei innenseitig an zumindest einer Gehäuseseite angeordneter Membran die zumindest eine Gehäuseseite eine Öffnung auf. Dabei dient die Öffnung einerseits zum Befüllen des Hohlraumes mit der vorgegebenen Menge an Fluid und andererseits kann die Öffnung vorgesehen sein, um einen im Inneren der Einzelzelle vorherrschenden Druck auszugleichen.
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In einer Ausführungsform ist bei innenseitig angeordneter Membran ein Raum zwischen zumindest einer gegenüberliegenden Gehäuseseite und der Membran, in dem die Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, zumindest teilweise evakuiert, so dass ein im Zellinneren vorherrschender Druck kleiner ist als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle. Dabei kann die zumindest eine Gehäuseseite eine Öffnung aufweisen, so dass der Umgebungsdruck zur Verpressung der Elektrodenfolienanordnung eine Kraft auf die Membran ausübt. Diese Kraft ist unabhängig von einem Weg, d. h. die Membran weist eine horizontale Federkennlinie auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist bei außenseitig angeordneter Membran, die Gehäuseseite, mittels welcher gemeinsam mit der Membran der Hohlraum gebildet ist, zumindest abschnittsweise mechanisch flexibel ausgebildet. Dadurch ist eine auf die Membran wirkende Druckkraft einer unmittelbar benachbarten Einzelzelle an die Gehäuseseite übertragbar, so dass die Elektrodenfolienanordnung verpressbar ist.
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In einer möglichen Ausführungsform, insbesondere wenn die Membran innenseitig angeordnet ist, ist die Membran aus einem elektrolytbeständigen Material gebildet. Dadurch kann eine mittels des aus der Membran und der zumindest einen Gehäuseseite gebildetes Federelement auf die Elektrodenfolienanordnung wirkende flächige Druckkraft über die Lebensdauer der Einzelzelle im Wesentlichen sichergestellt werden. Insbesondere kann die elektrolytbeständige Membran in Bezug auf das Gehäuse innenseitig oder außenseitig angeordnet sein.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein schalenförmiges Isolationselement der Einzelzelle die Membran zur Bildung des Federelementes bildet, wobei dazu in vorteilhafter Weise kein zusätzliches Bauteil erforderlich ist.
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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 eine Schnittdarstellung einer Prinzipdarstellung einer Einzelzelle mit einer innenseitig angeordneten Membran,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung der Prinzipdarstellung der Einzelzelle mit einer innenseitig angeordneten Membran und einer Öffnung in einer Gehäuseseite,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung der Prinzipdarstellung der Einzelzelle mit einer innenseitig an gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordneten Membran,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung der Prinzipdarstellung einer Einzelzelle mit einer außenseitig angeordneten Membran,
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5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblockes mit Einzelzellen in der Prinzipdarstellung,
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6 schematisch eine Schnittdarstellung der Prinzipdarstellung der Einzelzelle mit einer außenseitig an gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordneten Membran,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle mit innenseitig angeordneter Membran,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle gemäß 7 im zusammengesetzten Zustand,
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9 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform mit innenseitig angeordneter Membran vor einem Verschluss der Einzelzelle,
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10 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausschnittsvergrößerung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform mit innenseitig angeordneter Membran vor dem Verschluss,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform nach dem Verschluss,
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12 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausschnittsvergrößerung der Einzelzelle in der ersten Ausführungsform nach dem Verschluss,
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13 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer Einzelzelle in einer zweiten Ausführungsform mit einem die Membran bildenden Isolationselement,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform im zusammengesetzten Zustand,
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15 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
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16 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
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17 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform,
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18 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit alternativer Befestigung des die Membran bildenden Isolationselementes,
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19 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle in der zweiten Ausführungsform mit einer alternativen Ausführungsform des Isolationselementes und
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20 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle gemäß 19.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Prinzipdarstellung einer Einzelzelle 1 für eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
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Die Einzelzelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches aus Kunststoff oder Metall gebildet ist und in dem eine Elektrodenfolienanordnung 3, die als Stapel oder Wickel ausgebildet ist, angeordnet ist. insbesondere umfasst die Elektrodenfolienanordnung 3 Anodenfolien und Kathodenfolien als Elektrodenfolien, zwischen denen jeweils ein Separator zur räumlichen Trennung und elektrischen Isolation angeordnet ist.
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Um eine optimale Lebensdauer der Einzelzelle 1 zu erreichen, ist es erforderlich, die Elektrodenfolien senkrecht zu den Lagen mit einer vorgegebenen Druckkraft zu verpressen, um einen erforderlichen Abstand der einzelnen Lagen, d. h. zwischen den Anodenfolien, den Kathodenfolien und den Separatoren, einzustellen. Diese Einstellung des Abstandes dient u. a. dazu, eventuell über die Lebensdauer der Einzelzelle 1 entstehende Gasblasen aus der Elektrodenfolienanordnung 3 herauszudrücken. Weiterhin kann die flächig in die Elektrodenfolienanordnung 3 eingeleitete Druckkraft zur kraftschlüssigen Fixierung der Elektrodenfolienanordnung 3 in dem Gehäuse 2 oder zumindest zur Unterstützung der kraftschlüssigen Fixierung genutzt werden.
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In Abhängigkeit vom Ladezustand und/oder vom Alterungszustand der Einzelzelle 1 sowie in Abhängigkeit von vorherrschenden Temperaturen ändert sich eine Dicke der Elektrodenfolienanordnung 3, so dass es erforderlich ist, auftretende Dickenunterschiede auszugleichen.
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Hierzu ist, wie in 1 gezeigt ist, vorgesehen, mittels des Gehäuses 2 der Einzelzelle 1 und einer Membran 4 ein Federelement 5 auszubilden, mittels dessen eine flächige Druckkraft auf die Elektrodenfolienanordnung 3 ausübbar ist.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 4 innerhalb des Gehäuses 2 an einer ersten Gehäuseseite 2.1 angeordnet, so dass zwischen der ersten Gehäuseseite 2.1 und der Membran 4 ein Hohlraum H gebildet ist.
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Die Membran 4 ist in ihrem Randbereich 4.1 vollständig umlaufend an der ersten Gehäuseseite 2.1 befestigt, wobei Abmessungen einer von der ersten Gehäuseseite 2.1 beabstandeten Fläche der Membran 4 zumindest den Abmessungen einer Fläche einer Flachseite der Elektrodenfolienanordnung 3 entsprechen. Mit anderen Worten heißt das, dass sich der Hohlraum H im Wesentlichen über die Abmessungen der Flachseite der Elektrodenfolienanordnung 3, d. h. der der ersten Gehäusewand 2.1 zugewandten Fläche, erstreckt.
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Eine Verbindung zwischen dem Randbereich 4.1 der Membran 4 und der ersten Gehäuseseite 2.1 ist fluiddicht ausgebildet, so dass der Hohlraum H gegenüber seiner Umgebung hermetisch abgeschlossen ist.
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In den Hohlraum H ist eine vorgegebene Menge eines nicht näher dargestellten Fluids, insbesondere eines Gases, beispielsweise Luft, getrocknete Luft und/oder einem inerten Gas, wie z. B. Stickstoff und/oder Argon, eingefüllt, wobei mittels der vorgegebenen Menge eine Federrate des Federelementes 5 sowie eine Dicke desselben einstellbar ist.
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Die Membran 4 ist flexibel und besteht aus einem dünnen Metallblech und/oder einer Kunststofffolie, wobei die Membran 4 bei einer in Bezug auf das Gehäuse 2 innenseitigen Anordnung elektrolytbeständig ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Membran 4 hierzu aus Aluminium, Edelstahl, Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat gebildet.
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Ist die Membran 4 aus zumindest einer Kunststofffolie gebildet, kann diese mit einer Diffusionssperre, beispielsweise mittels einer ein- oder auflaminierten Aluminiumfolie, versehen sein. Mittels der Diffusionssperre ist das Risiko eines Eintrages von Wasser- und/oder Elektrolytdampf in den Hohlraum H zumindest verringert.
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Die im Randbereich 4.1 der Membran 4 umlaufend fluiddichte Fixierung der Membran 4 an der ersten Gehäusewand 2.1 erfolgt bei metallischem Gehäuse 2 und/oder metallischer Membran 4, z. B. durch Schmelzschweißen, wie Laserschweißen im Überlappverfahren und/oder Rollnahtschweißen, und/oder Klebung.
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Ist die Membran 4 und/oder die erste Gehäuseseite 2.1 aus Kunststoff gebildet, kann die randseitige Befestigung der Membran 4 an der ersten Gehäuseseite 2.1 mittels eines Folienschweißverfahrens, beispielsweise Heißsiegelung, und/oder mittels Klebung erfolgen.
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In dem Hohlraum H herrscht ein größerer Druck als in einem mittels der Membran 4 und einer zweiten Gehäuseseite 2.2 gebildeten Raum, in dem sich die Elektrodenfolienanordnung 3 befindet. D. h., dass der Raum, in dem die Elektrodenfolienanordnung 3 angeordnet ist, zumindest teilweise evakuiert ist.
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2 zeigt eine alternative erste Ausführungsform des mittels der ersten Gehäuseseite 2.1 und der Membran 4 gebildeten Federelementes 5.
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Bei dieser Ausführungsform ist in die erste Gehäuseseite 2.1 eine Öffnung 2.1.1 eingebracht, so dass der zwischen der ersten Gehäuseseite 2.1 und der Membran 4 gebildete Hohlraum H strömungstechnisch mit einer Umgebung der Einzelzelle 1 verbunden ist.
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Der in dem Raum der Elektrodenfolienanordnung 3 vorherrschende Druck ist gegenüber dem Umgebungsdruck der Einzelzelle 1 kleiner, so dass der Umgebungsdruck über die Membran 4 eine Kraft auf die Elektrodenfolienanordnung 3 ausübt, wobei diese Kraft unabhängig von einem Weg ist und die Membran 4, d. h. das Federelement 5, eine horizontale Federkennlinie aufweist.
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In einer in 3 dargestellten alternativen zweiten Ausführungsform ist die Membran 4 an gegenüberliegenden dritten Gehäuseseiten 2.3 randseitig fluiddicht befestigt, wobei der Hohlraum H zumindest in seiner Länge größere Abmessungen aufweist als die Elektrodenfolienanordnung 3.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung der Prinzipdarstellung einer Einzelzelle 1 für eine Batterie, wobei die Membran 4 zur Bildung des Federelementes 5 außenseitig an dem Gehäuse 2 angeordnet ist, wobei sich die Membran 4 im Wesentlichen parallel zur Flachseite der Elektrodenfolienanordnung 3 erstreckt.
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Das Federelement 5 ist mittels der außenseitig an der ersten Gehäuseseite 2.1 angeordneten Membran 4 gebildet, die über ihren Randbereich 4.1 stoffschlüssig an der ersten Gehäuseseite 2.1 befestigt ist.
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Da die Membran 4 außenseitig an der ersten Gehäusewand 2.1 angeordnet ist, sind die Abmessungen des Hohlraumes H, insbesondere in Bezug auf seine Länge, größer als eine Höhe der Flachseite, d. h. der Elektrodenfolienanordnung 3.
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Der zwischen der ersten Gehäuseseite 2.1 und der Membran 4 gebildete Hohlraum H ist mit einer vorgegebenen Menge eines Fluids, insbesondere eines gasförmigen Fluids, befüllt, wodurch eine Federrate und eine Dicke des Federelementes 5 eingestellt sind.
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Zur Druckausübung auf die Elektrodenfolienanordnung 3, beispielsweise zum Ausgleich von Dickenunterschieden, ist die erste Gehäuseseite 2.1 nachgiebig, d. h. mechanisch flexibel ausgebildet, so dass die Elektrodenfolien über die flexible erste Gehäuseseite 2.1 bei entsprechend vorherrschendem Druck verpressbar sind.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Prinzipdarstellung eines aus drei Einzelzellen 1 mit außenseitig angeordneter Membran 4 gebildeten Zellblockes 6. Der Zellblock 6 ist mittels jeweils einer endseitig an dem Zellblock 6 angeordneten Druckplatte 7 axial verpresst.
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Dabei wirkt eine mittels der Druckplatten 7 auf den Zellblock 6 ausgeübte Druckkraft der mittels der Federelemente 5 auf die Gehäuse 2 der Einzelzellen 1 wirkende Druckkraft entgegen.
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Eine alternative Ausführungsform zur außenseitigen Anordnung der Membran 4 an der Einzelzelle 1 ist in einer Schnittdarstellung in 6 gezeigt.
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Die erste Gehäuseseite 2.1 ist, wie oben beschrieben, flexibel ausgebildet, wobei die Membran 4 randseitig umlaufend an den dritten Gehäuseseiten 2.3 stoffschlüssig befestigt ist. Der Hohlraum H ist fluiddicht ausgebildet und zur Einstellung der Dicke des Federelementes 5 und zur Einstellung der Federrate mit einer vorgegebenen Menge eines Fluids befüllt.
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In 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt und 8 zeigt die Einzelzelle 1 im zusammengesetzten Zustand.
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In der ersten Ausführungsform ist die Einzelzelle 1 als sogenannte Pouchzelle oder Coffeebagzelle ausgebildet, wobei die Elektrodenfolienanordnung 3 von einem aus einer folienartigen Verpackung gebildeten Gehäuse 2 umhüllt ist.
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Dabei ist das Gehäuse 2 aus einem Oberteil als erste Gehäuseseite 2.1 und einem Unterteil als zweite Gehäuseseite 2.2 gebildet, wobei an der Elektrodenfolienanordnung 3 befestigte Ableiter 8 als elektrische Pole der Einzelzelle 1 zwischen der ersten Gehäuseseite 2.1 und der zweiten Gehäuseseite 2.2 elektrisch isoliert herausgeführt sind.
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Das Oberteil und das Unterteil als die Gehäuseseiten 2.1, 2.2 bestehen jeweils aus einer Aluminiumfolie als Diffusionssperre, die beidseitig mit einem Kunststoff, d. h. mit einem Thermoplast, versehen sind. Mittels der Diffusionssperre ist das Risiko eines Eindringens von Wasser in die Einzelzelle 1 und ein Nachaußendringen eines Elektrolyts zumindest verringert. Eine Innenseite der Aluminiumfolie ist z. B. mit Polypropylen versehen, so dass der die erste Gehäuseseite 2.1 bildende Folienabschnitt und der die zweite Gehäuseseite 2.2 bildende Folienabschnitt zum Verschluss der Einzelzelle 1 mittels eines Heißpressvorgang aneinander befestigbar, insbesondere dass die Folienabschnitte miteinander verschweißbar sind. Eine Außenseite der Aluminiumfolie ist mit Polyethylenterephthalat beschichtet und schützt die Aluminiumfolie vor mechanischer Beanspruchung und somit vor Beschädigungen.
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Zur Bildung des Federelementes 5 ist zwischen der Elektrodenfolienanordnung 3 und dem Oberteil als erste Gehäuseseite 2.1 eine Membran 4 aus einer tiefgezogenen Kunststofffolie, insbesondere einer Polypropylenfolie, angeordnet.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 mit zwischen erster Gehäuseseite 2.1 und Elektrodenfolienanordnung 3 angeordneter Membran 4 vor einem Zusammenbau, wobei in 10 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1 vor dem Zusammenbau dargestellt ist.
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Dabei ist gezeigt, dass sowohl die Membran 4 als auch die erste Gehäuseseite 2.1 und die zweite Gehäuseseite 2.2 ausgeformt sind.
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Die 11 und 12 zeigen die Einzelzelle 1 im zusammengesetzten Zustand, wobei in 11 eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 und in 12 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1 dargestellt ist.
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Der umlaufende Randbereich 4.1 der Membran 4 ist zwischen den stegförmigen Abwinklungen der ersten Gehäuseseite 2.1 und der zweiten Gehäuseseite 2.2 angeordnet. Der umlaufende Randbereich 4.1 der Membran 4 ist beidseitig mit einer Kunststofffolie 9, beispielsweise aus Polypropylen, versehen, insbesondere angesiegelt. Diese Kunststofffolien 9 sowie die Beschichtung der Innenseite der Aluminiumfolie der ersten Gehäuseseite 2.1 und der zweiten Gehäuseseite 2.2 sind partiell aufschmelzbar, so dass die erste Gehäuseseite 2.1, die zweite Gehäuseseite 2.2 und die Membran 4 stoffschlüssig aneinander befestigbar sind. Dabei erfolgt die Verbindung mittels Heißsiegelung, so dass eine Siegelnaht S und dadurch eine fluiddichte Verbindung zwischen erster Gehäuseseite 2.1, Membran 4 und zweiter Gehäuseseite 2.2 herstellbar ist, wie insbesondere in 12 gezeigt ist.
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Zur Bildung des Federelementes 5 ist zwischen der Membran 4 und der ersten Gehäuseseite 2.1 des Gehäuses 2 der Hohlraum H gebildet, der mit der vorgegebenen Menge eines Fluids zur Einstellung der Federrate und zur Einstellung der Dicke des Federelementes 5 befüllt ist.
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Mittels der beschriebenen Lösung ist ein Federelement 5 zur Verpressung der Elektrodenfolienanordnung 3 mit geeigneter Federkennlinie, geringem Bauraumbedarf und ohne zusätzlichen Montageaufwand gebildet.
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Die 13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer zweiten Ausführungsform.
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In der zweiten Ausführungsform ist die Einzelzelle 1 als eine bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet, die zwei metallische schalenförmige Gehäuseseiten 2.1, 2.2 aufweist, von denen die Elektrodenfolienanordnung 3 vollständig eingefasst ist. Zwischen der jeweiligen Gehäuseseite 2.1, 2.2 und der Elektrodenfolienanordnung 3 ist ein elektrisches Isolationselement 10 angeordnet, so dass die die elektrischen Pole der Einzelzelle 1 bildenden Gehäuseseiten 2.1, 2.2 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Von der Elektrodenfolienanordnung 3 ragen an gegenüberliegenden Seiten unbeschichtete Elektrodenfolien heraus, wobei an einer Seite unbeschichtete Anodenfolien und an der gegenüberliegenden Seite unbeschichtete Kathodenfolien herausragen, die miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Elektrodenfolien einer Polarität sind mit der Innenseite der ersten Gehäuseseite 2.1 und die Elektrodenfolien der andere Polarität sind mit der Innenseite der zweiten Gehäuseseite 2.2 stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißung, verbunden. Dadurch ist eine Stromeinleitung in die Einzelzelle 1 und eine Stromausleitung aus der Einzelzelle 1 möglich. Dabei sind die Elektrodenfolien der entsprechenden Polarität durch eine Aussparung in dem jeweiligen Isolationselement 10 geführt und mit der entsprechenden Innenseite einer der Gehäuseseiten 2.1, 2.2 verbunden.
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Eine beim Laden und Entladen der Einzelzelle 1 entstehende Verlustwärme wird über die entsprechend aufgedickten Gehäuseseiten 2.1, 2.2 an eine Schmalseite geleitet und an eine nicht näher dargestellte Temperiervorrichtung, insbesondere an eine Wärmeleitplatte, abgeführt. Die Temperiervorrichtung weist eine Kanalstruktur auf, die von einem Temperiermedium, beispielsweise einem Klimakühlmittel oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmbar ist.
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Zur Erhöhung eines Wärmeübertrages von den Einzelzellen 1 zu der Temperiervorrichtung sind Ränder der Gehäuseseiten 2.1, 2.2 im Bereich der Temperiervorrichtung parallel zu dieser im Wesentlichen um 90° abgewinkelt.
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Eine serielle elektrische Verschaltung der Einzelzellen 1 erfolgt durch Verpressung und/oder Verschweißung der an den Gehäuseseiten 2.1, 2.2 ausgebildeten und abgewinkelten Abschnitte A.
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Ein Verschluss der als bipolare Rahmenflachzelle ausgeführten Einzelzelle 1 erfolgt mittels eines Heißsiegelverfahrens, wobei ein Kunststoff der Isolationselemente 10 zumindest partiell aufschmelzbar ist, so dass die beiden Gehäuseseiten 2.1, 2.2 stoffschlüssig aneinander befestigbar sind. Vorzugsweise ist das Isolationselement 10 zumindest im Bereich der partiellen Aufschmelzung mit niedriger Schmelztemperatur aus säuremodifiziertem Polypropylen mit einlaminierten Vlies und/oder einlaminierter Folie höherer Schmelztemperatur, wie z. B. Polyethylen, zur Sicherstellung eines Mindestabstandes der Gehäuseseiten 2.1, 2.2 zur elektrischen Isolation gebildet.
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Die beiden Gehäuseseiten 2.1, 2.2 verbinden sich beim Erkalten des Kunststoffes und unter Pressdruck stoffschlüssig miteinander. Die Einzelzelle 1 in der zweiten Ausführungsform ist im zusammengesetzten Zustand in einer perspektivischen Ansicht in 14 gezeigt.
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15 zeigt eine Schnittdarstellung der Einzelzelle 1 in der zweiten Ausführungsform.
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Zur Bildung des Federelementes 5, mittels dessen ein flächiger Druck auf die Elektrodenfolienanordnung 3 ausübbar ist, ist ein Boden eines Isolationselementes 10 als Membran 4 ausgebildet, wobei zwischen der ersten Gehäusehälfte 2.1 und der Membran 4 ein Hohlraum H gebildet ist.
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Das Isolationselement 10 ist in einem den Hohlraum H umlaufenden Randabschnitt stoffschlüssig und fluiddicht an der ersten Gehäuseseite 2.1 befestigt.
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Bei der Herstellung des Federelementes 5 ist zunächst der zwischen Membran 4, d. h. dem Isolationselement 10 und der ersten Gehäuseseite 2.1 ausgebildete Hohlraum H mit dem Fluid befüllbar, wobei das Isolationselement 10 anschließend an der ersten Gehäuseseite 2.1 befestigbar ist, wie in einer Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1 in 16 dargestellt ist.
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Die Gehäuseseiten 2.1, 2.2 sind aus Metall, beispielsweise Aluminium, gebildet, so dass das Isolationselement 10 den Hohlraum H umlaufend mit der ersten Gehäuseseite 2.1 versiegelt und/oder verschweißt wird, wodurch eine Siegelnaht S gebildet ist. Hierzu kann ein beheizter Siegelstempel in Brillen- oder Ringform eingesetzt werden.
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Zur Verbesserung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der ersten Gehäuseseite 2.1 und dem Isolationselement 10 kann die erste Gehäuseseite 2.1 mit einer Oberflächenaktivierung versehen sein. Ist die erste Gehäusehälfte 2.1 in diesem Bereich aus Aluminium gebildet, kann dieser Bereich chromatisiert und/oder eloxiert sein. Kupfer kann vernickelt werden.
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Zum Aufbau einer Gegenkraft in Bezug auf das Federelement 5 ist der Raum der Einzelzelle 1, in dem die Elektrodenfolienanordnung 3 angeordnet ist, zumindest teilweise evakuiert, so dass der Druck im Bereich der Elektrodenfolienanordnung 3 kleiner ist als ein Umgebungsdruck der Einzelzelle 1.
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Zur teilweisen Evakuierung des Raumes zwischen dem die Membran 4 bildenden Isolationselement 10 und dem gegenüberliegenden Isolationselement 10 wird die Einzelzelle 1 bei wirkendem Unterdruck verschlossen. Alternativ dazu wird die sich in dem Bereich der Elektrodenfolienanordnung 3 befindende Luft nach der Aneinanderbefestigung der beiden Gehäuseseiten 2.1, 2.2 über einen nicht näher dargestellte Aussparung in der zweiten Gehäuseseite 2.2 abgesaugt, wobei die Aussparung anschließend verschlossen wird.
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In 17 ist eine alternative Ausführungsform zur innenseitigen Befestigung des Isolationselementes 10 an der ersten Gehäuseseite 2.1 zur Bildung des Federelementes 5 dargestellt.
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Dabei ist das Isolationselement 10 an Stirnseiten der ersten Gehäusehälfte 2.1 befestigt, so dass sich der Hohlraum H über die Abmessungen einer der Elektrodenfolienanordnung 3 zugewandten Fläche der ersten Gehäuseseite 2.1 erstreckt.
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18 zeigt eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des an den Stirnseiten der ersten Gehäuseseite 2.1 befestigten Isolationselementes 10, wodurch sich die Siegelnaht S an der Stirnseite befindet.
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In 19 ist eine Schnittdarstellung der in der zweiten Ausführungsform ausgebildeten Einzelzelle 1 mit Federelement 5 dargestellt, wobei das Isolationselement 10, welches die Membran 4 umfasst, an der ersten Gehäuseseite 2.1 stoffschlüssig befestigt ist.
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20 zeigt eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der Einzelzelle 1 gemäß 19.
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Bei dieser Alternative ist der Hohlraum H über eine Öffnung 2.1.1 in der ersten Gehäuseseite 2.1 strömungstechnisch mit der Umgebung der Einzelzelle 1 verbunden. Die mittels des Isolationselementes 10 gebildete Membran 4 ist über einen Umgebungsdruck der Einzelzelle 1 belastbar. Der Raum zwischen der Membran 4 und dem der zweiten Gehäuseseite 2.2 zugeordneten Isolationselement 10 ist zumindest teilweise evakuiert, so dass der im Bereich der Elektrodenfolienanordnung 3 vorherrschende Druck kleiner ist als der Umgebungsdruck. Dadurch ist mittels der Membran 4 ein flächiger Druck auf die Elektrodenfolienanordnung 3 ausübbar. Dabei ist eine ausgeübte Druckkraft unabhängig von der Dicke der Elektrodenfolienanordnung 3.
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Das Federelement 5 mit einer geeigneten horizontalen Federkennlinie zur flächigen Verpressung der Elektrodenfolienanordnung 3 ist ohne Anordnung zusätzlicher Bauteile gebildet und erfordert einen vergleichsweise kleinen Bauraum, wobei ein Montageaufwand nicht zusätzlich erhöht ist. Das Federelement 5 ist in Bezug auf die Einzelzelle 1 innenseitig ausgebildet, so dass dieses vor mechanischen Einflüssen geschützt angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- erste Gehäuseseite
- 2.1.1
- Öffnung
- 2.2
- zweite Gehäuseseite
- 2.3
- dritte Gehäuseseite
- 3
- Elektrodenfolienanordnung
- 4
- Membran
- 4.1
- Randbereich
- 5
- Federelement
- 6
- Zellblock
- 7
- Druckplatte
- 8
- Ableiter
- 9
- Kunststofffolie
- 10
- Isolationselement
- A
- Abschnitt
- H
- Hohlraum
- S
- Siegelnaht
