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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckausgleichsvorrichtung, insbesondere zum Ausgleich eines Überdrucks in einem elektrochemischen System.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektrochemisches System, umfassend eine oder mehrere erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckausgleichsvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher bei einem Überdruck, insbesondere in einem elektrochemischen System, ein Druckausgleich herbeiführbar ist und welches möglichst kostengünstig herstellbar ist.
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Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine Druckausgleichsvorrichtung, insbesondere zum Ausgleich eines Überdrucks in einem elektrochemischen System, gelöst, wobei die Druckausgleichsvorrichtung Folgendes umfasst:
- - ein Grundelement;
- - eine Dichtvorrichtung, welche in einem geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung einen Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung verschließt und welche längs einer Öffnungsrichtung hinter dem Grundelement angeordnet ist; und
- - eine Verbindungsvorrichtung zur Verbindung des Grundelements und der Dichtvorrichtung,
wobei die Dichtvorrichtung in einem verbundenen Zustand der Verbindungsvorrichtung abdichtend an dem Grundelement anliegt und mittels der Verbindungsvorrichtung relativ zu dem Grundelement fixiert ist und wobei die fixierende Verbindung zwischen dem Grundelement und der Dichtvorrichtung zum Freigeben einer Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung und einer Umgebung der Druckausgleichsvorrichtung lösbar ist.
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In elektrochemischen Systemen oder einzelnen elektrochemischen Einheiten eines elektrochemischen Systems besteht die Gefahr eines sogenannten „thermal runaway“, bei welchem es aufgrund von exothermen chemischen Reaktionen innerhalb von elektrochemischen Einheiten eines elektrochemischen Systems oder aufgrund eines Kurzschlusses zu einer sich selbst verstärkenden Wärmeentwicklung und zu einem Überhitzen von einer oder mehreren elektrochemischen Einheiten kommt. Häufig kommt es bei einem „thermal runaway“ zu einer dominoartigen Wärmepropagation von einer elektrochemischen Einheit auf eine andere elektrochemische Einheit innerhalb eines elektrochemischen Systems.
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Durch die Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung - und insbesondere einem damit in Fluidverbindung stehenden Innenraum eines elektrochemischen Systems - können Gase abgeleitet werden, wodurch eine thermische Kettenreaktion, sogenannte „thermal propagation“ bei einem thermal runaway, welche entsteht, wenn die Überhitzung auf benachbarte Systeme übergreift, vorzugsweise vermeidbar ist.
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Die elektrochemischen Einheiten umfassen vorzugsweise Lithiumionenbatterien.
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Die Verbindungsvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens ein Federelement, welches im verbundenen Zustand der Verbindungsvorrichtung in einer komprimierten Position zwischen dem Grundelement und der Dichtvorrichtung gehalten ist. Insbesondere ist das mindestens eine Federelement in einem gelösten Zustand der Verbindungsvorrichtung in einer entspannten Position gehalten.
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In der komprimierten Position ist das mindestens eine Federelement vorzugsweise vorgespannt und/oder zwischen der Dichtvorrichtung und dem Grundelement eingespannt.
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Vorzugsweise ist die Druckausgleichsvorrichtung bei Überschreiten eines maximalen Innendrucks in dem Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung und/oder einem damit in Fluidverbindung stehenden Innenraum der elektrochemischen Einheit oder des elektrochemischen Systems insgesamt in einen geöffneten Zustand bringbar, in welchem mindestens ein erstes Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung und mindestens ein zweites Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung nicht miteinander verbunden sind. Durch das Lösen der Verbindungsvorrichtung ist das mindestens eine Federelement vorzugsweise in die entspannte Position bringbar und/oder wird in die entspannte Position gebracht.
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Das mindestens eine Federelement expandiert vorzugsweise im Wesentlichen übergangslos von der komprimierten Position in die entspannte Position, bei welcher das mindestens eine Federelement in Öffnungsrichtung nicht komprimiert ist.
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Beim Expandieren bewegt und/oder verschiebt das mindestens eine Federelement vorzugsweise die Dichtvorrichtung längs der Öffnungsrichtung relativ zum Grundelement.
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Durch das im Wesentlichen übergangslose Expandieren des mindestens einen Federelements ist vorzugsweise eine vollständige Öffnung der Druckausgleichsvorrichtung in einem Schritt möglich. So ist der Öffnungsvorgang insbesondere unabhängig von einer Änderungsgeschwindigkeit eines Innendrucks innerhalb des elektrochemischen Systems.
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Das mindestens eine Federelement ist und/oder wird vorzugsweise im geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung durch die fixierende Verbindung von Grundelement und Dichtvorrichtung mittels der Verbindungsvorrichtung in der komprimierten Position gehalten.
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Insbesondere geht das mindestens eine Federelement von der komprimierten Position in eine vollständig entspannte Position über, wodurch die Dichtungsvorrichtung übergangslos in eine maximal von dem Grundelement beabstandete Position bringbar ist und/oder gebracht wird.
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Eine Spannkraft des mindestens einen Federelements verläuft vorzugsweise in einer Richtung, welche zumindest näherungsweise parallel zur Öffnungsrichtung angeordnet ist.
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Günstig kann es sein, wenn die Verbindungsvorrichtung eine Rastvorrichtung ist, welche mindestens ein erstes Rastelement und mindestens ein zweites Rastelement umfasst, wobei insbesondere das mindestens eine erste Rastelement an der Dichtvorrichtung angeordnet ist und/oder wobei das mindestens eine zweite Rastelement an dem Grundelement angeordnet ist.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Rastelement des mindestens einen ersten Rastelements einen Stützteller und einen sich daran anschließenden Zapfen umfasst. Insbesondere erstreckt sich der Zapfen entgegen der Öffnungsrichtung von dem Stützteller weg und ist im verbundenen Zustand der Verbindungsvorrichtung von mindestens einem zweiten Rastelement aufgenommen.
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Ein Querschnitt des ersten Rastelements ist vorzugsweise zumindest näherungsweise T-förmig. Der Querschnitt ist insbesondere längs einer Ebene genommen, welche durch die Mittelachse der Druckausgleichsvorrichtung verläuft.
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Günstig kann es sein, wenn ein Rastelement des mindestens einen zweiten Rastelements in Form von einem oder mehreren federnden Elementen ausgebildet ist, deren Spannkraft in einer Richtung verläuft, welche insbesondere quer zu einer Richtung der Spannkraft des mindestens einen Federelements angeordnet ist.
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Insbesondere nehmen das eine oder die mehreren federnden Elemente im geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung mindestens ein erstes Rastelement lösbar auf und/oder sind mit mindestens einem ersten Rastelement lösbar verrastet.
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Hierzu kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren federnden Elemente Anlageabschnitte in Form von Nocken oder anderen Materialverdickungen aufweisen, welche in eine oder mehrere Hinterschneidungen des Zapfens eingreifen und/oder in welchen der Zapfen im verbundenen Zustand der Verbindungsvorrichtung formschlüssig und/oder kraftschlüssig aufgenommen ist.
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Vorzugsweise ist der Zapfen zwischen mehreren federnden Elementen seitlich eingeklemmt.
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Günstig kann es sein, wenn das eine oder die mehreren federnden Elemente ein metallisches Material umfassen oder aus einem metallischen Material gebildet sind.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren federnden Elemente ein Polymermaterial umfassen oder aus einem Polymermaterial gebildet sind.
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Insbesondere sind das eine oder die mehreren federnden Elemente einstückig mit einem Zentralbereich des Grundelements ausgebildet, beispielsweise einstückig in einem Spritzgussverfahren hergestellt.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtvorrichtung eine, insbesondere porös ausgebildete, Membran, einen Membranaufnahmeteller und/oder einen, insbesondere zwischen mindestens einem ersten Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung und dem Membranaufnahmeteller angeordneten, Dichtring.
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Günstig kann es sein, wenn die Membran aus einem offenporösen Material gebildet ist. Die Membran ist insbesondere luftdurchlässig und/oder wasserundurchlässig. Beispielsweise umfasst die Membran Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Graphen oder ist aus einem, insbesondere offenporösen, PTFE-Material und/oder Graphenmaterial gebildet.
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Die luftdurchlässige Ausbildung der Membran bietet insbesondere den Vorteil, dass eine Beatmungsfunktion der Dichtvorrichtung realisiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Entfeuchtungseinrichtung in die Membran integriert ist oder die Membran eine Entfeuchtungseinrichtung bildet. Auf Entfeuchtungseinrichtungen wird später noch genauer eingegangen.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Druckausgleichsvorrichtung einen Schutzdeckel umfasst, welcher die übrigen Bestandteile der Druckausgleichsvorrichtung, insbesondere zu einer Umgebung hin, abdeckt und welcher insbesondere lösbar mit einem Adapterelement der Druckausgleichsvorrichtung verbunden ist.
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Der Schutzdeckel umfasst vorzugsweise ein Polymermaterial oder ist aus einem Polymermaterial gebildet. Günstig kann es sein, wenn der Schutzdeckel ein Spritzgussbauteil ist.
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Alternativ umfasst der Schutzdeckel metallische Materialien oder ist vollständig oder bereichsweise aus metallischen Materialien gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schutzdeckel mit dem Adapterelement der Druckausgleichsvorrichtung verrastet und/oder in Aufnahmevorspünge des Adapterelements eingeklipst.
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Vorzugsweise ist eine Position des Schutzdeckels relativ zum Grundelement im geschlossenen Zustand und im geöffneten Zustand der Druckausgleichsvorrichtung unverändert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Druckausgleichsvorrichtung eine Überwachungsvorrichtung umfasst, mittels welcher ein Öffnungsvorgang der Druckausgleichsvorrichtung detektierbar ist.
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Insbesondere ist mittels der Überwachungsvorrichtung überwachbar, ob die Druckausgleichsvorrichtung sich im geöffneten oder im geschlossenen Zustand befindet.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Überwachungsvorrichtung ein oder mehrere Sensorelemente, insbesondere mindestens ein Hall-Sensor, umfasst, mittels welchen ein Kontakt zwischen der Dichtvorrichtung und dem Grundelement detektierbar ist.
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Vorzugsweise umfasst die Überwachungsvorrichtung einen Magneten und einen Hall-Sensor, wobei der Hall-Sensor relativ zu einer Positionsänderung der Dichtvorrichtung fixiert ist.
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Insbesondere ist bei einer Bewegung der Dichtvorrichtung von der geschlossenen Position, in welcher die Dichtvorrichtung an dem Grundelement anliegt, in eine geöffnete Position, in welcher die Dichtvorrichtung von dem Grundelement beabstandet ist, eine Veränderung eines Magnetfelds des Magneten detektierbar.
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Beispielsweise ist der Magnet längs der Öffnungsrichtung zwischen der Membran der Dichtvorrichtung und dem mindestens einen ersten Verbindungselement der Verbindungsvorrichtung angeordnet.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Druckausgleichsvorrichtung ein EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Schutzelement umfasst, welches einer Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Druckausgleichsvorrichtung dient.
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Vorzugsweise können Berührschutzelemente in der Druckausgleichsvorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer isolierenden Abdeckung oder Umhüllung.
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Beispielsweise kann eine isolierende Beschichtung auf dem Schutzdeckel vorgesehen sein oder der Schutzdeckel aus einem isolierenden Material gefertigt sein, wodurch insbesondere - selbst bei Kurzschlüssen und/oder freigesetzten elektrischen Ladungen - eine gefahrfreie Berührung des Schutzdeckels möglich ist.
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Insbesondere umfasst die Druckausgleichsvorrichtung ein ringförmig ausgebildetes Adapterelement zur Festlegung der Druckausgleichsvorrichtung an und/oder in einer Gehäusewandung eines elektrochemischen Systems, wobei das Adapterelement längs der Öffnungsrichtung vor dem Grundelement angeordnet ist und wobei das Adapterelement ein Festlegungselement umfasst, welches als Teil einer der folgenden Festlegungsmechanismen ausgebildet ist:
- - Bajonettverschluss; und/oder
- - Verschraubung; und/oder
- - Klip-Verbindung.
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Es können auch Zwei-Komponenten-Festlegungsvarianten zwischen der Druckausgleichsvorrichtung und der Gehäusewandung des elektrochemischen Systems vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Bajonettverschluss in Kombination mit einer Kontermutter vorgesehen sein.
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Günstig kann es sein, wenn das Grundelement einen Zentralbereich zur Aufnahme mindestens eines Bestandteils der Verbindungsvorrichtung umfasst.
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Insbesondere umfasst das Grundelement einen den Zentralbereich umgebenden Außenring zur Abstützung des Grundkörpers an dem Adapterelement und/oder zur Anlage der Dichtvorrichtung an dem Grundelement.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn das Grundelement einen Zentralbereich und einen den Zentralbereich beabstandet umgebenden Außenring umfasst. Insbesondere sind der Zentralbereich und der Außenring mittels einer oder mehrerer Rippen des Grundelements miteinander verbunden.
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Günstig kann es sein, wenn das Grundelement ein Polymermaterial umfasst oder aus einem Polymermaterial gebildet ist. Insbesondere ist das Grundelement in einem Spritzgussverfahren hergestellt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Grundelement ein metallisches Material umfasst oder aus einem metallischen Material bereichsweise oder vollständig gebildet ist.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Druckausgleichsvorrichtung eine Entfeuchtungseinrichtung umfasst, welche insbesondere in einem Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung angeordnet ist und/oder ein hygroskopisches Material umfasst.
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Beispielsweise kann hygroskopisches Material in das Material der Membran eingebettet sein oder als Schicht damit verbunden sein. Insbesondere bildet die Membran eine Entfeuchtungseinrichtung oder einen Teil davon.
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Es kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Entfeuchtungseinrichtung mindestens ein austauschbares Wechselelement umfasst oder daraus gebildet ist. Das mindestens eine Wechselelement ist insbesondere hohlzylinderförmig ausgebildet.
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Günstig kann es sein, wenn das mindestens eine Wechselelement ein hygroskopisches Material, beispielsweise Silicagel, aufnimmt.
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Vorzugsweise ist innerhalb der Druckausgleichsvorrichtung, beispielsweise in dem ersten Rastelement, mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme des mindestens einen Wechselelements ausgebildet.
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Alternativ kann die Entfeuchtungseinrichtung auch außerhalb der Druckausgleichsvorrichtung, beispielsweise in einem Übergangsbereich zwischen dem Innenraum des elektrochemischen Systems und dem Innenraum der Druckausgleichsvorrichtung, angeordnet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass folgende Bauteile einstückig ausgebildet sind:
- - das Grundelement und das Adapterelement; und/oder
- - der Schutzdeckel und das Adapterelement und/oder
- - das Grundelement und der Schutzdeckel.
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Beispielsweise sind die genannten Bauteile jeweils miteinander verschweißt oder gemäß einem anderen Verfahren stoffschlüssig miteinander verbunden oder, beispielsweise in einem Spritzgussverfahren, einstückig hergestellt.
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Es kann alternativ zum Versschweißen oder zur einstückigen Herstellung aber auch vorgesehen sein, dass die genannten Bauteile mechanisch aneinander anliegend fixiert sind. Ein O-Ring kann hierbei eine Abdichtung bilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass folgende Bauteile ein Polymermaterial umfassen oder daraus gebildet sind:
- - das Grundelement; und/oder
- - das Adapterelement; und/oder
- - der Schutzdeckel; und/oder
- - die Dichtvorrichtung.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass folgende Bauteile ein metallisches Material umfassen oder daraus gebildet sind:
- - das Grundelement; und/oder
- - das Adapterelement; und/oder
- - der Schutzdeckel; und/oder
- - die Dichtvorrichtung oder sämtliche Elemente außer dem Dichtring.
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Die Erfindung betrifft ferner ein elektrochemisches System, umfassend eine oder mehrere erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtungen, wobei die eine oder mehreren Druckausgleichsvorrichtungen an und/oder in einer Gehäusewandung des elektrochemischen Systems, insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, festgelegt sind.
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Das erfindungsgemäße elektrochemische System weist vorzugsweise eines oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder einen oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung beschriebenen Vorteile auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der einen oder mehreren Druckausgleichsvorrichtungen wie folgt an und/oder in der Gehäusewandung des elektrochemischen Systems festgelegt ist:
- - mittels eines Bajonettverschlusses; und/oder
- - mittels Verschraubens; und/oder
- - mittels einer Klip-Verbindung.
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Ein Bajonettverschluss kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass die eine oder die mehreren Druckausgleichsvorrichtungen von außen nicht lösbar sind.
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Eine Festlegung der einen oder mehreren Druckausgleichsvorrichtungen kann aus Richtung einer Innenseite oder aus Richtung einer Außenseite der Gehäusewandung des elektrochemischen Systems erfolgen.
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Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen .
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrochemischen Systems, bei welcher sechzehn Druckausgleichsvorrichtungen vorgesehen sind, mittels welcher im Falle eines Überdrucks innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Systems ein Druckausgleich zwischen einem Innenraum des elektrochemischen Systems und einer Umgebung möglich ist;
- 2 eine schematische Draufsicht auf das elektrochemische System aus 1;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung des elektrochemischen Systems aus den 1 und 2 längs der in 2 eingezeichneten Ebene;
- 4 eine vergrößerte Darstellung des in 3 mit IV bezeichneten Bereichs;
- 5 eine vergrößerte Darstellung des in 3 mit V bezeichneten Bereichs;
- 6 eine schematische Seitendarstellung auf das elektrochemische System aus den vorherigen Figuren;
- 7 eine schematische Schnittdarstellung des elektrochemischen Systems aus den vorherigen Figuren längs einer in 6 eingezeichneten Ebene;
- 8 eine vergrößerte Darstellung des in 7 mit VIII bezeichneten Bereichs; und
- 9 eine vergrößerte Darstellung des in 7 mit IX bezeichneten Bereichs.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 9 ist eine Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten elektrochemischen Systems dargestellt.
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Das elektrochemische System 100 eignet sich insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen. Das elektrochemische System 100 umfasst vorzugsweise mehrere elektrochemische Einheiten, welche insbesondere Batterien, beispielsweise Lithiumionenbatterien, umfassen.
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Wie insbesondere in den 1, 2 und 6 zu sehen ist, umfasst das elektrochemische System 100 vorzugsweise mehrere, vorliegend sechzehn, Druckausgleichsvorrichtungen 102. Vorliegend sind acht Druckausgleichsvorrichtungen 102 in einander gegenüberliegenden als Schmalseiten ausgebildete Gehäusewandungen 104 des elektrochemischen Systems 100 eingelassen und/oder fluiddicht an diesen festgelegt.
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Die Dichtvorrichtungen 102 sind in sämtlichen Figuren in einem geschlossenen Zustand dargestellt.
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Das elektrochemische System 100 weist insgesamt ein zumindest näherungsweise quaderförmiges Gehäuse 106 auf.
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Die Druckausgleichsvorrichtungen 102 dienen vorzugsweise einem Druckausgleich zwischen einem Innenraum 108 des elektrochemischen Systems 100 und/oder einem Innenraum einzelner elektrochemischer Einheiten des elektrochemischen Systems 100 mit einer Umgebung 110 der Druckausgleichsvorrichtung 102.
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Wie insbesondere in den 4 und 5 sowie 8 und 9 zu sehen ist, umfasst die Druckausgleichsvorrichtung 102 vorzugsweise ein Adapterelement 112, ein Grundelement 114 und eine Dichtvorrichtung 116, welche längs einer Öffnungsrichtung 118 hintereinander angeordnet sind.
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Die Druckausgleichsvorrichtung 102 umfasst ferner einen Schutzdeckel 120, welcher die Dichtvorrichtung 116 und das Grundelement 114 abdeckt und insbesondere einem Schutz vor mechanischen Beschädigungen und/oder vor Verunreinigungen aus der Umgebung 110 dient.
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Der Schutzdeckel 120 ist vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Adapterelement 112 verbunden, wobei beispielsweise ein umlaufender Vorsprung 122 in einem dem Gehäuse 106 zugewandten Randbereich des Schutzdeckels 120 einen in dem Adapterelement 112 ausgebildeten ringförmig umlaufenden Rücksprung 124 eingreift und/oder in den Rücksprung 124 des Adapterelements 112 eingeklipst ist.
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Die Dichtvorrichtung 116 umfasst vorliegend einen Membranaufnahmeteller 126, welcher eine ringförmige Öffnung zur Aufnahme einer Membran 128 aufweist. Auf einer einem Innenraum 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102 zugewandten Seite des Membranaufnahmetellers 126 weist der Membranaufnahmeteller 126, vorliegend zwei, zumindest näherungsweise konzentrisch zueinander angeordnete Verdickungen und/oder Vorsprünge auf, welche ringförmig ausgebildet sind.
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Zwischen den zwei Verdickungen und/oder Vorsprüngen ist vorliegend eine ringförmig verlaufende Rille ausgebildet, welche einen Rücksprung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Aufnahme eines Befestigungsrands eines Dichtrings 132 der Dichtvorrichtung 116 bildet.
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Der Dichtring 132 dient insbesondere einer Abdichtung einer Verbindung zwischen der Dichtvorrichtung 116 und dem Grundelement 114 im geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung 102. Vorzugsweise schützt der Dichtring 132 den Innenraum 130 vor Wasser und/oder Staub.
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Die Membran 128 ist vorzugsweise luftdurchlässig und/oder wasserundurchlässig. Vorliegend ist die Membran 128 offenporös ausgebildet und/oder umfasst ein Polytetrafluorethylen (PTFE)-Material oder ist daraus gebildet. Die offenporöse Ausbildung der Membran 128 dient insbesondere einer Beatmungsfunktion der Druckausgleichsvorrichtung 102.
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Ergänzend oder alternativ zum PTFE-Material umfasst die Membran 128 insbesondere ein Graphenmaterial, beispielsweise Graphen, oder ist aus einem Graphenmaterial, beispielsweise Graphen, gebildet.
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Die Dichtvorrichtung 116 umfasst ferner ein als erstes Rastelement 134 ausgebildetes Verbindungselement 136, welches einer Verbindung mit dem Grundelement 114 dient. Das erste Rastelement 134 bildet vorliegend neben einem zweiten Rastelement 152 einen Teil einer Rastvorrichtung 138, auf welche nachfolgend näher eingegangen wird.
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Das erste Rastelement 134 umfasst vorzugsweise einen Stützteller 140 und einen sich entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung 118 von dem Stützteller 140 weg erstreckenden Zapfen 142. Das erste Rastelement 134 weist vorliegend in einem Querschnitt zumindest näherungsweise eine T-Form auf. Der Querschnitt ist längs einer Ebene genommen, in welcher eine Mittelachse 146 der Druckausgleichsvorrichtung 102 liegt.
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Das Grundelement 114 umfasst vorzugsweise einen Außenring 144 und einen bezüglich der Mittelachse 146 der Druckausgleichsvorrichtung 102 konzentrisch mit dem Außenring 144 angeordneten Zentralbereich 148.
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Der Außenring 144 dient insbesondere einer Auflage des Grundelements 114 auf dem Adapterelement 112, wobei ein innerer Ring des Adapterelements 112 an einer hierfür vorgesehenen ringförmig verlaufenden Führung des Außenrings 144 des Grundelements 114 anliegt.
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Ferner dient der Außenring 144 an einem der Dichtvorrichtung 116 zugewandten Rand insbesondere als Anlagering für die Dichtvorrichtung 116. Der Dichtring 132 liegt im geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung 102 an einem Randbereich des Außenrings 144 an und/oder bildet eine Abdichtung des Innenraums 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102.
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In radialer Richtung bezüglich der Mittelachse 146 sind der Außenring 144 und der Zentralbereich 148 mittels Rippen 150 miteinander verbunden. Die Rippen 150 dienen vorzugsweise zum einen einer Versteifung des Grundelements 114 in Öffnungsrichtung 118. Mit den Rippen 150 lässt sich zum anderen insbesondere ein im Vergleich zu einem Vollkörper gewichtsreduziertes Grundelement 114 ausbilden.
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Der Zentralbereich 148 dient vorzugsweise einer Aufnahme eines als zweites Rastelements 152 ausgebildeten zweiten Verbindungselements 154. Die ersten und zweiten Rastelemente 134, 152 sind - wie bereits erwähnt - insbesondere Bestandteile einer als Rastvorrichtung 138 ausgebildeten Verbindungsvorrichtung 160.
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Das zweite Rastelement 152 umfasst vorzugsweise mehrere federnde Elemente 162, welche durch eine Verengung im Zentralbereich 148 des Grundelements 114, insbesondere von unten, hindurchgeführt sind.
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Vorliegend umfasst das zweite Rastelement 152 zwei federnde Elemente 162, welche innerhalb der Verengung mit einem Polymermaterial umspritzt und/oder im Zentralbereich 148 gehalten sind.
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An einem dem Zentralbereich 148 abgewandten Ende weisen die federnden Elemente 162 jeweils einen Anlageabschnitt 164 auf. Die Anlageabschnitte 164 sind vorliegend jeweils als der Mittelachse 146 zugewandte Materialverdickungen ausgebildet, welche insbesondere einer Übertragung einer Spannkraft der federnden Elemente 162 auf den Zapfen 142 dienen.
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Die Anlageabschnitte 164 der federnden Elemente 162 greifen vorzugsweise jeweils in eine oder mehrere Hinterschneidungen 166 an einem dem Stützteller 140 zugewandten Ende des Zapfen 142 ein, wodurch insbesondere ein Formschluss zwischen den federnden Elementen 162 und dem Zapfen 142 gebildet ist.
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Der Zapfen 142 ist vorzugsweise zwischen den federnden Elementen 162 seitlich eingeklemmt.
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Vorliegend sind die federnden Elemente 162 aus einem metallischen Material hergestellt oder umfassen ein metallisches Material.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die federnden Elemente 162 ein Polymermaterial umfassen oder aus einem Polymermaterial gebildet sind. Hierbei können die federnden Elemente 162 mit dem Zentralbereich 148 des Grundelements 114 oder dem Grundelement 114 insgesamt in einem Spritzgussverfahren einstückig hergestellt sein.
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Zwischen den federnden Elementen 162 ist im verbundenen Zustand der Rastvorrichtung 138 der Zapfen 142 des ersten Rastelements 134 lösbar aufgenommen. Eine Spannkraft der federnden Elemente 162 wirkt dabei in einer Richtung, welche quer zur Öffnungsrichtung 118 verläuft.
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Die als Rastvorrichtung 138 ausgebildete Verbindungsvorrichtung 160 umfasst ferner vorzugsweise ein Federelement 170, beispielsweise eine Spiralfeder, welches zwischen der Dichtvorrichtung 116 und dem Zentralbereich 148 des Grundelements 114 eingespannt ist.
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Vorliegend ist das Federelement 170 in einem ringförmigen Übergangsbereich zwischen den Rippen 150 und dem Zentralbereich 148 geführt.
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Im verbundenen Zustand der Verbindungsvorrichtung 160 ist das Federelement 170 vorzugsweise zwischen dem Stützteller 140 und dem Grundelement 114 auf Spannung gehalten, was insbesondere einer komprimierten Position des Federelements 170 entspricht.
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Eine Längsmittelachse des Federelements 170 sowie eine Richtung einer Spannkraft des Federelements 170 sind vorzugsweise parallel zur Mittelachse 146 der Druckausgleichsvorrichtung 102 angeordnet.
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Die Druckausgleichsvorrichtung 102 umfasst vorzugsweise eine Überwachungsvorrichtung 172, welche einer Überwachung eines Öffnungsvorgangs der Druckausgleichsvorrichtung 102 dient. Hierzu umfasst die Überwachungsvorrichtung 172 vorliegend einen Magneten 174 und ein als Hall-Sensor 176 ausgebildetes Sensorelement.
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Günstig kann es sein, wenn der Magnet 174 in einer koaxial zur Mittelachse 146 der Druckausgleichsvorrichtung 102 ausgebildeten Ausnehmung zwischen dem Stützteller 140 und der Membran 128 angeordnet ist.
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Der Hall-Sensor 176 ist vorzugsweise an einer dem Innenraum 130 abgewandten Außenseite des Schutzdeckels 120 angeordnet.
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Alternativ kann der Hall-Sensor 176 auch außerhalb der Druckausgleichsvorrichtung 102 angeordnet sein, sofern er relativ zur Dichtvorrichtung 116 unbewegt fixiert ist - unabhängig davon, ob sich die Dichtvorrichtung 116 in der geöffneten oder der geschlossenen Position relativ zum Grundelement 114 befindet.
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Bei einem Öffnungsvorgang der Druckausgleichsvorrichtung 102 und einer währenddessen stattfindenden Bewegung der Dichtvorrichtung 116 detektiert der Hall-Sensor 176 vorzugsweise die Änderung des Magnetfelds des Magneten 174.
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Insbesondere ist aufgrund eines veränderten Magnetfelds des Magneten 174 vor und nach dem Öffnungsvorgang überwachbar, ob sich die Druckausgleichsvorrichtung 102 im geöffneten oder im geschlossenen Zustand befindet.
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Das Adapterelement 112 umfasst vorliegend ein O-Ring 178, welcher einer Abdichtung des Adapterelements 112 gegenüber der Gehäusewandung 104 dient.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Druckausgleichsvorrichtung 102 eine Entfeuchtungseinrichtung zur Entfeuchtung der Luft umfasst. Die Entfeuchtungseinrichtung ist beispielsweise vollständig oder zu einem Teil von der Membran 128 gebildet, in welche hygroskopisches Material eingebracht und/oder auf welche hygroskopisches Material aufgebracht ist.
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Ergänzend oder alternativ kann die Entfeuchtungseinrichtung auch vollständig oder zu einem Teil als Wechselelement ausgebildet sein. Das Wechselelement ist insbesondere als austauschbarer Wechselzylinder ausgebildet, in welchem ein hygroskopisches Material, beispielsweise Silicagel, eingefüllt enthalten ist.
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Günstig kann es sein, wenn das erste Rastelement 134 eine Ausnehmung zur Aufnahme des austauschbaren Wechselzylinders aufweist.
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Ergänzend oder alternativ zu einer Entfeuchtungseinrichtung können ein oder mehrere EMV-Schutzelemente vorgesehen sein.
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Für eine gefahrlose Handhabung der Druckausgleichsvorrichtung 102 kann es vorteilhaft sein, wenn der Schutzdeckel 120 ein elektrisch isolierendes Material umfasst, beispielsweise in Form einer Schutzschicht, oder aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. So umfasst der Schutzdeckel 120 ein Berührschutzelement oder bildet ein Berührschutzelement.
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Gemäß der insbesondere in den 4 und 8 dargestellten ersten Ausführungsform einer Druckausgleichsvorrichtung 102 ist vorgesehen, dass das Adapterelement 112 ein Festlegungselement 180 zur Herstellung eines Bajonettverschlusses aufweist, welches mit einem komplementär dazu ausgebildeten Festlegungselement 182 in der Gehäusewandung 104 des elektrochemischen Systems 100 zu einem Bajonettverschluss verbinden ist.
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Gemäß einer insbesondere in den 5 und 9 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Druckausgleichsvorrichtung 102 ist vorgesehen, dass das Adapterelement 112 mit der Gehäusewandung 104 des elektrochemischen Systems 100 verschraubt ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Druckausgleichsvorrichtung 102 mittels einer Klip-Verbindung oder einer Kombination aus Verschraubung und Bajonettverschluss mit der Gehäusewandung 104 verbunden ist.
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Im Übrigen stimmen die erste und die zweite Ausführungsform einer Druckausgleichsvorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, so dass die vorstehenden Ausführungen für beide Ausführungsformen gelten.
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Ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum 108 des elektrochemischen Systems und der Umgebung 110 durch Auslösen einer Druckausgleichsvorrichtung 102 funktioniert vorzugsweise wie folgt:
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In einem Normalbetrieb des elektrochemischen Systems 100 befindet sich die Druckausgleichsvorrichtung 102 in einem - zuvor ausführlich beschriebenen - geschlossenen Zustand, in welchem die Dichtvorrichtung 116 mittels der als Rastvorrichtung 138 ausgebildeten Verbindungsvorrichtung 160 an dem Grundelement 114 fixiert ist.
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Hierbei greifen an federnden Elementen 162 ausgebildete Anlageabschnitte 164 in eine ringförmige Ausnehmung 166 in dem Zapfen 142 ein, wodurch ein Formschluss und/oder Kraftschluss längs der Öffnungsrichtung 118 gebildet ist.
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Aufgrund des Formschlusses und/oder Kraftschlusses durch die Verbindung der ersten und zweiten Rastelemente 134, 152 - vorliegend Zapfen 142 und federnde Elemente 162 - ist ein Federelement 170 der Rastvorrichtung 138 in einer komprimierten Position gehalten.
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Da der Innenraum 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102 jederzeit - auch im geschlossenen Zustand der Druckausgleichsvorrichtung 102 - in Fluidverbindung mit dem Innenraum 108 des elektrochemischen Systems 100 steht, führt eine Druckerhöhung im Innenraum des elektrochemischen Systems 100 unweigerlich auch zu einer Druckerhöhung im Innenraum 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102.
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Übersteigt der Druck im Innenraum 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102 nun einen kritischen maximalen Druck, wird die Rastvorrichtung 138 gelöst und/oder der Formschluss zwischen dem Zapfen 142 und den federnden Elementen 162 wird gelöst.
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Hierbei wird der Gasdruck auf den Stützteller 140 des ersten Rastelements 134 verteilt, wodurch ein höherer Druckwiderstand gegeben ist.
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Durch Lösen von Zapfen 142 und federnden Elementen 162 ist keine Kraft mehr vorhanden, welche das Federelement 170 komprimiert und dieses expandiert übergangslos von der komprimierten in die entspannte Position, wodurch wiederum die Dichtvorrichtung 116 relativ zu dem Grundelement 114 längs der Öffnungsrichtung 118 weg bewegt wird.
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Die abdichtende Anlage von Dichtvorrichtung 116 und Außenring 144 des Grundkörpers 114 wird damit gelöst und es findet ein Fluidaustausch zwischen dem Innenraum 130 der Druckausgleichsvorrichtung 102 und der Umgebung 110 und damit auch zwischen dem Innenraum 108 des elektrochemischen Systems 100 und der Umgebung 110 statt.
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Ein Übergreifen von Hitzeentwicklung auf benachbarte elektrochemische Einheiten oder benachbarte elektrochemische Systeme 100 aufgrund eines zu hohen Drucks von korrosiven und leicht entzündlichen Gasen kann vermieden werden.
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So kann die Sicherheit eines Benutzers des elektrochemischen Systems 100, beispielsweise eines Führers eines Fahrzeugs, in welchem elektrochemische Systeme 100 mit den erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtungen 102 verwendet werden, erhöht werden.
