DE1671809A1 - Elektrochemische Batterie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Elektrochemische Batterie und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Elektrochemische Batterie und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf verzögert aktivierbare elektrochemische Batterien,in deren Außengehäuse ein
Aktivatorteil und ein Batterieteil durch eine zum Zwecke der Aktivierung durchstoßbare Trennwand voneinander getrennt
untergebracht sind, im Aktivatorteil befindet
sich ein Behälter für die Aktivierungsflüssigkeit, beispielsweise flüssiges Ammonium, während der Batterieteil
mehrere Trockenzellen enthält. Die Trennwand zwischen den beiden Teilen kann einen als Membran ausgebildeten
Teil aufweisen, der mit Hilfe eines Stössels durchstochen wird, sobald die Batterie aktiviert werden soll. Die Aktivierungsflüssigkeit
fließt dann als Elektrolyt in den Batterieteil. In diesem können mehrere, beispielsweise
runde Zellen übereinander geschichtet sein. Die Aktivierungsflüssigkeit strömt beim Durchstechen der Membran in einen
im Zentrum der Zellen vorgesehenen Hohlraum und von dort
in die Einzelzellen,um diese zu füllen.
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Bei bekannten Batterien dieser Art haben sich bestimmte Mängel herausgestellt. Beispielsweise zeigte sich eine
unerwünschte Kommunikation zwischen den einzelnen Zellen, wodurch Kurzschlüsse zwischen den Zellen entstehen, so
daß Energie verschwendet wird und das elektrische Ausgangssignal mit Störungen behaftet ist. Außerdem ist
die Verteilung der Aktivierungsflüssigkeit auf die einzelnen
Zellen ungleichmäßig, so daß zwischen dem Durchstechen der Membran und dem Erreichen der vollen Batteilßspannung
eine vielfach nicht vorausbestimmbare Verzögerung eintritt. Da solche Batterien vielfach als Kurzzeit-Stromquellen
verwendet werden, ergibt sich auch eine unerwünschte Unsicherheit hinsichtlich ihrer Lebensdauer. Ferner
wurde gefunden, daß relativ hohe Drücke erforderlieh sind, um die Aktivierungsflüssigkeit im Batterieteil zu verteilen,
so daß auch das Gehäuse entsprechend dick und schwer auszubilden ist und seine Abdichtung Schwierigkeiten
bereitet.
Diesen Nachteilen wird bei einer verzögert aktivierbaren elektrochemischen Batterie der eingangs bezeichneten Art
gemäß der Erfindung dadurch abgeholfen, daß der Batterieteil aus einem Topf mit einem am Boden befestigten zentralen
Hohlschaft besteht, über den die einzelnen scheibenförmigen Zellen mit ihrer zentralen öffnung gestapelt
sind,und daß die einzelnen Zellen gegeneinander abgedichtet sind. Hierdurch werden Kurzschlüsse zwischen den Zellen
mit Sicherheit vermieden und gleichzeitig ist #tte eine
1 0 V ' w r ί ί 7
BAD
gleichförmige Verteilung der Aktivierungsflüssigkeit in
die einzelnen Zellen gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die Abdichtung zwischen der Anode jeder Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle, wobei jede Zelle aus
einer Kathoden-,einer Separator- und einer Anodenscheibe besteht. Eine weitere Abdichtung kann in jeder Zelle zwischen
dem Separator und der Anode vorgesehen sein. äk
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Kathodenoberfläche
der Zellen mit von der zentralen Öffnung aus sich im wesentlichen radial erstreckenden Nuten versehen,
um die Verteilung der Aktivierungsflüssigkeit zu erleichtern und zu beschleunigen.
Zur Herstellung des Batterieteils wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine vorgegebene Anzahl scheiben-
förmiger mit einer zentralen Öffnung versehener Trockenzellen
unter Einfügung von Abdichtungen zwischen den Zellen nacheinander in einen Topf eingeschichtet, an dessen Boden
ein durch die zentrale Öffnung der Zellen hindurchragender Hohlschaft befestigt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werderiim folgendem anhand der Zeichnungen
erläutert. Hierin zeigt
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7
- 4 -Figur 1 eine Seitenansicht der neuen Batterie,
Figur 2 einen vergrößerten Vertikalschnitt längs der Linie II - II in Figur 1,
Figur 3 einen Ausschnitt aus Figur 2 in vergrößertem Maßstab,
Figur 4 einen Teilquerschnitt längs der Linie IV IV in Figur 3,
Figur 5 in auseinander gezogener Darstellung einige der Teile der Batterie und
Figur 6 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie VI VI in Figur 2.
Wie besonders die Figuren 2 und 3 zeigen ,weist die Batterie
10 ein im wesentlichen zylindrisches Außengehäuse 12 auf, welches am einen Ende durch eine Anschlußplatte 14 und am
gegenüberliegenden Ende durch einen Deckel 16 verschlossen ist. Die Batterie 10 umfaßt einen Aktivatorteil 20 und
einen Batterieteil 22, die zu beiden Seiten einer sich quer zur Z ylinderachse erstreckenden Trennwand angeordnet
sind. Die Batterie 10 ist mit einer positiven Anschlußleitung 13 und einer negativen Anschlußleitung 15 versehen,
deren Anschlußenden durch Keramik- oder Glasstopfen 17 in der Anschlußplatte 14 gehalten werden und nach unten aus
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ίο/ ιουα
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der Ansehlußplatte herausragen. Die Bezeichnungen "unten"
und "oben" sind nur auf die zeichnerische Darstellung
bezogen. Die Batterie kann in jeder beliebigen Betriebslage eingesetzt werden.
Der Aktivatorteil 20 weist einen Stahltopf 26 auf, der mit seinem Rand an der Trennwand 24 befestigt ist und
somit einen abgedichteten Behälter für die Aktivierungsflüssigkeit, beispielsweise flüssiges Ammonium, oder a»
einen anderen Elektrolyten bildet. Die Deckfläche des umgestülpten Topfes 26 trägt im Inneren eine Bohrlanze
20, die einer dünnwandigen als Reißmembran 32 dienenden
Fläche der Trennwand 24 gegenübersteht. Bei einer Bewegung der Lanze 350 nach unten, durchsticht diese die Membran
und gibt somit den Weg für die Aktivierungsflüssigkeit in
den Batterieteil 22 frei. Für den Antrieb der Lanze 30 kann
ein {^chemischer Treibsatz oder ein Gaserzeuger verwendet werden, der durch eine Zündvorrichtung 34 im Deckel 16 der
Batterie 10 in (Jang gesetzt wird. Ein Beispiel für ein solche Zünd- oder Aktivlerungsvorrichtung 34 ist in der
USA Patentschrift 3 239 385 beschrieben. Sie besteht üblicherweise
aus einem elektrischen Zünder mit einer ersten Scheibe aus einem Material, welches durch einen elektrischen
Strom leicht entzündet werden kann, und einer zweiten Scheibe eines chemischen Antriebsmittels mittlerer Leistung, die an
der ersten Scheibe anliegt und bei deren Zündung einen Oasdruck erzeugt. Dieses Gas füllt den Innenraum oberhalb des
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Topfes 26 und drückt letzteren nach unten, so daß sieh
die Lanze 30 durch die Membran 32 bohrt. Auf diese Weise wird die Aktivierungsflüssigkeit im Topf 26 durch die
zerstörte Membran 32 in den, Batterieteil 22 gedrückt und aktiviert die Batterie. Die Bewegung des Topfbodens nach
unten hält so lange an, bis der Druck im Batterieteil genauso groß ist wie der oberhalb des Topfes 26. Auf
diese Weise wird eine gleichmäßige Aktivierung der Batterie unabhängig von deren Lage bzw. der Lage des die Batterie
enthaltenden Geräts, Fahrzeugs oder Flugkörpers gewährleistet.
Der Batterie teil 22 enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel fünf scheibenförmige geladene Zellen 36a bis
36e. Diese kreisförmigen Zellen 36 sind übereinander in
einen Topf 40 eingeschichtet, der beispielsweise aus Polypropylen bestehen kann und dessen Boden in geeigneter
Weise an der Anschlußplatte 14 befestigt ist. Der Topf 40 trägt auf der Innenseite seines Bodens 53 einen mit diesem
einstückig hergestellten zentralen Hohlschaft 42. Der Schaft 42 ist mit fünf Gruppen radialer Öffnungen 44 versehen, die
über die Länge des Schaftes derart verteilt angeordnet sind, da3 je eine Gruppe jeder der Zellen 36a bis 36e gegenübersteht.
Wie Figur 4 zeigt, umfaßt jede der vier Gruppen vier im rechten Winkel zueinander um den Schaft 42 herum angeordnete^
Öffnungen 44. Eine hohle Tragsäule 46 ist koaxial innerhalb des Schaftes 42 angebracht. Sie ist größtenteils
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zylindrisch, aber, wie die Figuren 3 und 4 zeigen, mit vergrößerten Endteilen 48 und 50, die dicht in die Bohrung
des Schaftes 42 passen und die Tragsäule in der gewünschten Lage sichern. Auf diese Weise wird zwischen der Tragsäule
46 und dem Hohlschaft 42 ein langgestreckter Verteiler 52
gebildet. Die Hohlsäule 46 ist ebenfalls mit mehreren radialen Öffnungen 51 versehen, durch die die Aktivierungsflüssigkeit
aus ihrem Inneren in den Verteiler 52 austreten kann. Wenn die Zündvorrichtung 54 ausgelöst wird und sich
die Lanze 30 nach unten bewegt und dabei die Membran 32
zerstört, fließt die Aktivierungsflüssigkeit unter dem Druck des Treibsatzes in das Innere der Hohlsäule 46, aus
deren Öffnungen 51 heraus' in den Verteiler 52 und von dort
über dessen Öffnungen 44 in die Zellen 36.
Wie am besten aus Figur 3 ersichtlich ist, enthält der Stapel übereinandergeschichtete Zellen 36 eine Kathodenanschlußscheibe
33, die auf dem Boden 53 des Topfes 40 aufliegt und an welcher das innere Ende der negativen Anschlußleitung
15, beispielsweise durch Löten, befestigt ist. Die fünf Trockenzellen 36a bis 36e liegen übereinander auf der Scheibe
33. Sie sind untereinander gleich aufgebaut, so daß nur eine beschrieben wird. Für die Einzelteile werden gleiche Bezugsziffern verwendet und die Zugehörigkeit zu den einzelnen Trockenzellen
durch unterschiedliche Nachbuchstaben gekennzeichnet. Die untere Zelle 36a enthält eine Kathode 37a, einen Separator
39a und eine Bimetallanode 4la, die beispielsweise aus Magnesium
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und Silber besteht. Die positive Anschlußleitung 13 ist von
einer Isolierhülse 38 umgeben und ragt durch den Zelenstapel
hindurch bis zur Oberfläche der Zelle 36e, wo sie beispielsweise durch Löten an der oberen Deckfläche (vgl. Fig. 6) der
Anode 4le befestigt ist. Zwei Kunststoffscheiben 47 und 49
sind mit dem Rand des Topfes 4o thermisch verschweißt und schließen den Batterieteil 22 ab.
Um beim Aktivieren der Batterie gegenseitige Einwirkungen zwischen den Zellen untereinander soweit wie möglich zu
vermeiden, sind mehrere Abdichtungen vorgesehen. Wie Figur 3 zeigt, ist ein erster Abdichtungsring A aus Gummilösung
oder einem anderen geeigneten. Materiell, jeweils am äußeren Rand der Separatorscheibe 39 zwischen diese und die zugehörige
Anodenscheibe 41 eingebracht. Ein entsprechender Dichtungsring C umgibt,zwischen den beiden genannten Scheiben
liegend, deren innere öffnung, durch welche der Schaft 42 hindurchragt. Ein dem Ring A ähnlicher Ring B ist zwischen
der Anode jeder Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle vorgesehen. Am inneren Umfang der Scheiben wird diese
Abdichtung von einem entsprechenden Ring D übernommen. Ferner zeigt Figur 6, daß auch an den Stellen der Scheiben,
durch welche die Isolierhülse 38 für die positive Anschlußleitung
13 hindurchragt, entsprechende Abdichtungen E und F vorgesehen sind.
Um eine möglichst vollständige Füllung und Sättigung der
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Zellen 36 mit Aktivierungsflüssigkeit zu gewährleisten,
ist jede der Kathoden 37 auf ihrer Oberseite mit vier radialen Nuten 43 (vgl. Figur 5) versehen, deren innere
Enden den Öffnungen 44 im mittleren Hohlschaft 42 (vgl. Figur 4) gegenüberstehen. Außerdem sind die oberen Flächen
jeder Kathode an mehreren Stellen durchstochen; beispielsweise sind in jedem Quadranten fünfzehn solcher
Löcher 45 vorgesehen, so daß eine poröse Struktur entsteht.
Wenn die Aktivierungsflüssigkeit in den Verteiler 52 und durch dessen öffnungen 44 in die einzelnen Zellen
fließt, wird somit die ganze Zelle gleichmäßig gesättigt.
Nunmehr soll der Zusammenbau des Zellenstapels beschrieben werden. Der Topf 40 wird an der Anschlußplatte 14 befestigt,
indem seine Unterfläche zunächst aufgerauht und dann auf diese und die Oberfläche der Platte 14 ein Spachtel oder
Binder aufgetragen wird. Nach der nötigen Trocknungszeit wird ein Kleber um jeden der Anschlußstopfen 17 für die
Leitungen I3 und 15 herum aufgetragen und die gesamte Fläche
der Platte 14 damit bestrichen. Die Isolierhülse 38 wird über die positive Leitung 13 geschoben und ihr unteres
äußeres Ende ebenfalls mit Klebstoff bedeckt. Sodann wird der Topf 40 gegenüber der Anschlußplatte 14 ausgerichtet
und beide Teile werden mittels einer Spannvorrichtung zusammengehalten, so daß der Binder trocknen kann.
Nunmehr wird der Zellenstapel im Topf 40 aufgeschichtet, indem zunächst die Kathodenanschlußplatte 35 gegenüber den
Anschlußleitungen I3 und 15 und gegenüber dem Mittelschaft
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42 ausgerichtet und mittels eines Werkzeuges leicht angedrückt wird. Die negative Anschlußleitung 14 wird sodann
auf etwa 4 1/2 mm Länge abgeschnitten und abgebogen, so daß sie auf der Oberfläche der Anschlufiplatte 33 aufliegt
und dort durch Löten festgelegt werden kann. Die Kathode
der -37a der ersten Zelle 36a wird dann mit/genuteten Seite
nach oben über die Plusleitung I3 und den Mittelschaft
42 gesteckt und angedrückt. Sodann wird der Hohlschaft #2
an vier den Nuten 43a gegenüberliegenden Stellen durchlöchert, um eine direkte Verbindung zum Verteiler 52 herzustellen.
Anschließend wird die Oberfläche der Kathode mit Löchern 45 versehen. Danach wird die Separatorscheibe
39a aufgesteckt und angedrückt. Die Dichtungsringe A, C und E aus Gummilösung oder dgl. werden auf die Oberfläche
der Separatorscheibe 39a aufgetragen, so daß sie deren äußeren und inneren Rand, sowie die Öffnung für die Leitung
13 umgeben. Alsdann wird die Anodenscheibe 4la mit der Hagnesiumflache
nach unten aufgesetzt und angedrückt. Nunmehr werden die Dichtungsringe B, D und P an den zuvor beschriebenen
Stellen der Silberoberfläche der Anode 4la aufgebracht.
Die übrigen vier Zellen 36b bis 36e werden in der gleichen
Weise zusammengesetzt. Nachdem die Anode 4le der oberen Zelle 36e angebracht ist, wird die Isolierhülse 38, welche beispielsweise
aus Polytetrafluoräthylen bestehen kann, etwa 1,6 mn oberhalb der Oberfläche der Anode 4le abgeschnitten und der
Draht 13 wird etwa 4,7 mm oberhalb dieser Fläche abgeschnitten.
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- ii -
Der Draht wird sodann umgebogen und an der Oberfläche der Anode 4le angelötet«, Schließlich wird die Lötverbindung
mit Gummilösung bedeckt. Der innere Deckel 47 wird über das offene Ende des Topfes 4ö gestülpt, so daß der Schlitz
70 über dem angelöteten Ende des Drahtes IJ liegt. Ein#r
kleiner Glimmerstreifen 72 wird über den Schlitz 70 gelegt.
Anschließend wird die äußere Deckplatte 49 aufgesetzt
und angepreßt. Die Endplatten 47 und 49 werden erhitzt,
so da3 beide mit dem Schaft 42 und dem Topf 40 dicht verbunden werden. Schließlich werden alle über die
Endplatte 49 herausragenden Teile des Topfes 40 abgeschnitten.
Nunmehr wird die Tragsäule 46 in den Schaft 42 ein-
daß
gepreßt, vorzugsweise derartj/ihre öffnungen den öffnungen
gepreßt, vorzugsweise derartj/ihre öffnungen den öffnungen
44 des Schaftes gegenüberstehen.
Bei» Zusanmenbau des Aktivatorteils 42 werden der Topf 26,
die Trennwand 24 und der Deckel 16 in der aus Figur 2 ersichtlichen
Lage in das zylindrische Gehäuse 12 eingesetzt. Der durch den Topf 26 und die Trennwand 24 gebildete Behälter
wird Bit einer Aktivierungsflüssigkeit, beispielsweise flüssigem Ammonium oder einem anderen Elektrolyten
gefüllt. Zu diesem Zweck ist eine öffnung 60 in der Trennwand 2*l· vorgesehen und im zusammengebauten Zustand mit
einem Kugelstopfen 62 verschlossen. Anschließend wird der Batterieteil In das untere Ende des Gehäuses 12 eingesetzt,
so daß er an der Unterseite der Trennwand 24 anliegt. Die Anschlußplatte 14 und die Unterkante des Gehäuses 12 werden
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Ib / f öUb
aneinander befestigt und abgedichtet, beispielsweise durch Andrücken. Die Anschlußplatte 14 ist mlfc einer zentralen
Entlüftungsöffnung 7^ versehen, die von einem Kugelstopfen
76 verschlossen ist. Hierdurch kann das innere der Batterie teilweise oder vollständig evakuiert werden. Eine entsprechende
abgedichtete Entlüftungsöffnung 78 ist in der Deckplatte 16 vorgesehen, damit auch der Raum zwischen der Platte 16
und dem Topf 26 evakuiert werden kann.
Durch die Abdichtungen A bis F und die zur gleichmäßigen und schnellen Verteilung der Aktivierungsflüssigkeit in
den Zellen dienenden Maßnahmen, ergibt sich eine Batterie mit besserer Isolation zwischen den Zellen und mit einer
gleichmäßigeren Aktivierungszeit für alle Zellen. Unter Aktivierungszeit soll hierbei die Zeit zwischen dem Durchstoß
der Membran und der Erzeugung der vollen Arbeitsspannung verstanden werden. Der Ausschuß an Batterien, d.h.
solchen die nicht voll aktiviert werden, wird verringert und die Ausgangsspannung läßt sich mit besserer Übereinstimmung
vorausbestimmen. Die Lebensdauer der Batterie wird vergrößert. Der für die vollständige Aktivierung benötigte
Druck ist kleiner, so daß das Gehäuse und die übrigen Teile leichter ausgeführt werden können. Selbstverständlich
können die Anzahl der Zellen pro Batterie, ihre Abmessungen und Werkstoffe anders gewählt werden als im
gezeigten Ausführungsbeispiel. Anstelle von flüssigem Ammonium als Elektrolyt und Silber-Magnesium-Anoden können
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auch andere Elektrolyte und Zellenmaterialien verwendet
werden.
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Claims (1)
- Patentansprüchefly Verzögert aktivierbare elektrochemische Batterie, in deren Außengehäuse ein Aktivatorteil und ein Batterieteil durch eine zum Zwecke der Aktivierung durchstoßbare Trennwand voneinander getrennt untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterieteil (22) aus einem Topf (40) mit einem am Boden (53) befestigten zentralen Hohlschaft (42) besteht, über den die einzelnen scheibenförmigen Zellen (36a bis 36e) mit ihrer zentralen Öffnung gestapelt sind, und daß die einzelnen Zellen gegeneinander abgedichtet sind.2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung (B, D) zwischen der Anode (4la) jeder Zelle (36a) und der Kathode (37b) der benachbarten Zelle (36b) erfolgt und jede Zelle (36) aus einer Kathode (37), einem Separator (39) und einer Anode (41) besteht.3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Abdichtung (A,C) in jeder Zelle (36) zwischen dem Separator (39) und der Anode (41) vorgesehen ist.109 841/η 3 3 74. Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungen (A bis D) ausgeschlossenen,sich längs des äußeren und inneren Randes der Zellen erstreckenden Ringen aus Dichtungsmaterial bestehen.5. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zellen (36) ein weiteres, ebenfalls von einer Abdichtung (E,P) umgebenes Durchgangsloch aufweisen.6. Batterie nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtungsmaterial ein Gummikleber oder Gummilösung dient.7. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (40), sein zentraler Hohlschaft (42), die Zellen (j56) und ihre zentrale Öffnung kreisförmigen Querschnitt haben.8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da d u r c h gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche der Zellen (36) mit von der zentralen Öffnung aus, sich im wesentlichen radial erstreckenden Nuten (43) versehen ist.1 0 9 H L 1 / η 3 3 79. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden der Nuten (4^) Löchern(44) im zentralen Hohlsohaft (42) gegenüberliegen.10. Batterie nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche (37) zwischen den Nuten (4j) mit Löchern (45) versehen ist.11. Verfahren zur Herstellung des Batterieteils einer Batterie nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Anzahl scheibenförmiger mit einer zentralen Öffnung versehener Trockenzellen unter Einfügung von Abdichtungen zwischen den Zellen nacheinander in einen Topf eingeschichtet wer8nan dessen Boden ein durch die zentrale Öffnung der Zellen hindurchragender Hohlschaft befestigt ist.12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Zelle getrennte Kathoden-, Separator- und Anodenscheiben übereinander<geschiehtet und dabei Abdichtungen zwischen der Anode der einen und der Kathode der benachbarten Zelle eingefügt werden.15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Abdichtungen zwischen der Separator- und Anodenscheibe Jeder Zelle eingefügt werden.10984 1 /n?3714. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Kathodenscheiben ihre Oberfläche mit Löchern versehen wird.15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Kathodenscheibe die den Enden der Nuten gegenüberliegenden Stellen des zentralen Hohlschafts mit Löchern versehen werden.109841/0337Leerseite
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