EP2457276A1 - Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zum kühlen oder erwärmen eines elektrochemischen energiespeichers - Google Patents

Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zum kühlen oder erwärmen eines elektrochemischen energiespeichers

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EP2457276A1
EP2457276A1 EP10739300A EP10739300A EP2457276A1 EP 2457276 A1 EP2457276 A1 EP 2457276A1 EP 10739300 A EP10739300 A EP 10739300A EP 10739300 A EP10739300 A EP 10739300A EP 2457276 A1 EP2457276 A1 EP 2457276A1
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EP
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electrochemical energy
energy storage
region
heat transfer
liquid
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Withdrawn
Application number
EP10739300A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Andreas Gutsch
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Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy store and a method for cooling or heating an electrochemical
  • Energy storage in particular a lithium-ion battery.
  • Such electrochemical energy storage find application in motor vehicles, for example.
  • the invention can also be used in electrochemical
  • Accumulators are accelerated in addition to faster conversion of energy but also aging.
  • the accumulator over short Periods high electrical currents taken. These high electric currents occur, for example, when the delay of a car supported by electrical equipment and the energy gained the
  • electrochemical energy storage can be avoided.
  • electrochemical energy stores work only above a lower depending on their design and their mode of action
  • Energy storage unit with a deformable, thermally conductive cooling bellows, which adds to a serpentine arrangement and several
  • Cooling device for cooling the cells has.
  • the cooling device an air heat exchanger, a Liquid cooler and a three-way valve to switch between these two coolers as needed.
  • the present invention is therefore based on the object, the most effective method for cooling or for heating a
  • the electrochemical energy store according to the invention has at least two electrical current conductors for the electrical connection of the
  • electrochemical energy storage within an application environment.
  • These current conductors have a first region arranged within the electrochemical energy store and a second region arranged outside the electrochemical energy store.
  • the inventive electrochemical energy storage is characterized
  • At least one of these electrical current collectors is designed such that it can be flowed through in the second region by a liquid or gaseous heat transport medium.
  • At least one of the electrical current conductors of the energy store flows through a liquid or gaseous heat transport medium in the second area.
  • an electrochemical energy store is to be understood as meaning any type of energy store, from which electrical energy can be taken, wherein an electrochemical reaction takes place in the interior of the energy store.
  • the term includes in particular galvanic cells of all kinds, in particular primary cells, secondary cells and interconnections of such cells Batteries from such cells.
  • Such electrochemical energy storage devices usually have negative and positive electrodes, which by a
  • a current conductor is to be understood as meaning an electrically conductive design element of an electrochemical energy store, which belongs to the
  • Electrochemical energy stores usually have two types of current conductors, each connected to one of the two groups of electrodes - anodes or cathodes - inside the energy store.
  • heat transport medium a gaseous or liquid material which is suitable due to its physical properties, heat by heat conduction and / or heat transport via aerodynamic or hydrodynamic currents, in particular via convection currents to transport in the heat transport medium
  • heat transfer media commonly used in the art are, for example, air or water or other common coolants.
  • Liquids such as noble gases or liquefied noble gases or substances with high heat capacity and / or thermal conductivity.
  • noble gases such as noble gases or liquefied noble gases or substances with high heat capacity and / or thermal conductivity.
  • Device can be understood, which is electrically connected to the energy storage or can be connected and thus remove electrical energy from the energy storage or the energy storage electrical energy can supply.
  • Examples of such application environments are electrical consumers of all kinds or electrical power supplies or combinations of electrical consumers and utilities.
  • a preferred electrochemical energy store has at least one current conductor, which is designed such that it can also be flowed through in the first area by a liquid or gaseous heat transport medium.
  • the current conductor which is designed such that it can also be flowed through in the first area by a liquid or gaseous heat transport medium.
  • Heat transport medium causes and therefore with a suitable choice of a
  • Heat transport medium may be further improved.
  • a particularly preferred electrochemical energy storage device has at least one current conductor, which is designed such that it in the first and in the second region of the same liquid or gaseous
  • Heat transfer medium can be flowed through.
  • This embodiment is particularly easy to implement and, with a suitable choice of a
  • Heat transport medium may be associated with a particularly effective heat transfer.
  • a particularly preferred electrochemical energy storage device has at least one current collector which is designed such that it is in the first region of a first liquid or gaseous heat transport medium and in the second region of a second liquid or gaseous
  • Heat transfer medium can be flowed through.
  • This embodiment may, with a suitable choice of the heat transfer media and / or with a suitable design of the flow conditions possibly with a particular be associated with effective heat transfer. This is especially true if, according to a particularly preferred embodiment of the present invention, at least one current conductor is designed such that a
  • Heat transport medium can take place.
  • Another preferred electrochemical energy store has at least one current conductor, which is connected in a heat-conducting manner in the second area to a heat sink.
  • At least one heat sink is designed such that it can be at least partially circulated around it by a liquid or gaseous heat transport medium. Also, this additional measure of this embodiment should be associated in many cases with a further improvement of the heat transport.
  • At least one current conductor also flows through a liquid or gaseous heat transport medium in the first region.
  • the heat transfer is effected in the first region by an interaction of heat conduction and heat transfer by convection currents in the heat transport medium and therefore with a suitable choice of a
  • Heat transport medium may be further improved.
  • At least one current conductor in the first and in the second region flows through the same liquid or gaseous heat transport medium.
  • This embodiment is particularly easy to implement and can at suitable choice of a heat transfer medium may be associated with a particularly effective heat transfer.
  • Heat transfer medium and flows through in the second region of a second liquid or gaseous heat transfer medium.
  • This embodiment may possibly be associated with a particularly effective heat transfer with a suitable choice of the heat transfer media and / or with a suitable design of the flow conditions. This is especially true when, according to a particularly preferred embodiment of the present invention, at least one current conductor is designed so that a heat exchange between the first and the second
  • Heat transport medium can take place.
  • At least one current conductor in the second region is connected to a heat sink in a heat-conducting manner.
  • At least one heat sink is at least partially flowed around by a liquid or gaseous heat transport medium. Also this additional measure of this
  • Embodiment should be associated in many cases with a further improvement of the heat transfer.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy store according to a first embodiment of the present invention, in which two current conductors are traversed by a heat transport medium only in the area outside the energy storage.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy storage device in which two current conductors are traversed only in the area outside of the energy storage by a heat transfer medium, and in which both current conductors are in contact with a heat sink.
  • Fig. 3 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy storage device in which two current conductors are traversed in the region within the energy storage of a first heat transport medium and in the area outside the energy storage of a second heat transport medium.
  • Fig. 4 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy store in which two current conductors in the area within the energy storage of a first heat transport medium and in the range flowed through by the second heat transfer medium outside of the energy storage, and in which both current conductors are in contact with a heat sink.
  • Fig. 5 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy store according to a fifth embodiment of the present invention, in which two current conductors in the area inside and in the area outside the energy storage of the same
  • Heat transfer medium to be flowed through.
  • Fig. 6 is a schematic representation of an inventive
  • electrochemical energy store according to a sixth embodiment of the present invention, in which two current conductors in the area inside and in the area outside of the energy storage of the same
  • Heat transfer medium are flowed through, and in which both current conductors are in contact with a heat sink.
  • An inventive electrochemical energy store preferably has good heat-conducting current conductors. Such current conductors conduct the
  • Such current conductors are preferably metallic and therefore already often have a high electrical conductivity and a high thermal conductivity.
  • a first region 103, 104, 203, 204, 303, 304, 403, 404, 503, 504, 603, 604 of the current conductor is arranged within a galvanic cell and there with the electrochemically active components of the galvanic cell, ie with a through Separator 102, 202, 302, 402, 502, 602 separate electrodes of opposite polarity electrically connected.
  • a second region 105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406, 505, 506, 605, 606 of the current conductor extends therefrom
  • an electrochemical energy store has at least two electrical ones
  • At least one of these electrical current conductors is designed such that it is in the second region of a liquid or gaseous heat transport medium 107, 108, 207, 208, 307, 308, 407, 408, 507, 508, 607, 608 can be flowed through.
  • Flow channels 107, 108, 207, 208, 307, 308, 407, 408, 507, 508, 607, 608, through which the liquid or gaseous heat transport medium can flow, are preferably provided in the current conductor according to the invention for this purpose.
  • the current conductor is not cooled exclusively in this outer region via the mechanism of heat conduction, but there is also a heat transfer using the liquid or gaseous heat transfer medium instead.
  • the flow of the heat transport medium can be operated by so-called. Convection, in which a forming in the current conductor
  • Heat transport medium causes. This convection current ensures that the heat transfer medium is constantly supplied to the outer region of the current collector at low temperature, and that at the same time the heat transfer medium is removed at a higher temperature from this current collector. If you choose the material properties of the heat transfer medium in a suitable manner, then can be by a flowing
  • Heat transport medium to achieve more effective cooling, as if the cooling would be done solely by heat conduction in a metallic current collector for example.
  • Heat transport medium to drive through the flow channels from the outside can be selected to be greater than if a pure thermal convection would take place.
  • the externally impressed flow rate can be chosen so that the achieved heat transfer is adapted to the current requirements of the application or the operating state of the energy storage.
  • the device shown in Fig. 1 can serve both for cooling and for heating the electrochemical energy storage. If, for example, the electrochemical energy store is below its optimum operating temperature, then the current conductor can be achieved by feeding a suitably heated heat transport medium into the flow channels in such a way that the current conductors are heated in their outer region.
  • a temperature gradient forms in the current collector, which by a onset in the direction of the inner region heat flow through
  • the heat transport can be further improved, for example in the case of cooling, by mounting in the outer regions 205, 206 the current collector heat sink 209, 210 which is in good heat-conducting contact with the current conductors stand.
  • the heat sink which preferably have a large surface area and thus can significantly increase the heat transfer between the current collector and the environment, the cooling of an electrochemical energy storage device in the operating state can be significantly improved. This is even more the case when the heat sinks 209, 210 are additionally flowed around by a heat transport medium 211, 212.
  • This may be a gaseous heat transport medium
  • a liquid heat transport medium for example, water
  • the choice of a suitable heat transfer medium is influenced by various factors. On the one hand, the aspect of the most efficient heat transfer is of great importance in the selection of materials.
  • the energy storage technology used can also be the choice affect a heat transfer medium.
  • the chosen heat transport medium behaves chemically inert (less reactive) to the materials with which it comes in contact during normal operation or with which it might come in contact in the event of a malfunction.
  • the heat transfer between the interior of the electrochemical energy store and the outer regions 305, 306 of the current collector can be further improved if the inner regions of the current collector
  • Regions 303, 304 of the current collector by closed flow channels 313, 314.
  • the arrangement shown here of the flow channels in the inner regions of the current collector therefore contributes mainly to the degradation of
  • the flow channels 308 and 313 or 307 and 314 to be arranged so that an intense heat exchange between these flow channels can be done. This may preferably be u.a. be achieved in that the current conductor in the transition region between the inner region of
  • the heat transport can be further improved, for example in the case of cooling, by the current collector heatsink in the outer regions 405, 406 409, 410 are placed, which are in good thermal contact with the current conductors.
  • the current collector heatsink which preferably have a large surface area and thus the heat transfer between the
  • heat sinks 409, 410 are additionally flowed around by a heat transport medium 411, 412. This may be a gaseous heat transport medium,
  • a liquid heat transport medium for example, water
  • Fig. 5 shows schematically a further embodiment of the invention, in which the heat transport medium flowing in the outer regions 505, 506 of the current collector also flows in the inner regions 503, 504 of this current collector.
  • Heat transfer be particularly high in this embodiment.
  • Energy storage - be associated with difficulties to flow in the inner and outer regions of the current collector the same heat transport medium, for example, when a very effective in the outer region heat transfer medium in case of failure with the inside of the
  • the heat transport medium 611, 612 used for cooling the heat sinks 609, 610 is preferably an electrical insulator with otherwise good heat transfer properties. In many cases, air or a chemically inert gas such as nitrogen or carbon dioxide will appear suitable for this purpose.
  • the flow of gaseous heat transfer medium can be
  • fans are suitable for the generation and maintenance of a flow of liquid heat transport means.
  • the performance of such fans or pumps may preferably be dependent on measured temperatures in the region of the current conductors, so that, for example, the power of these fans or pumps is increased if the temperature deviates too much from the desired operating temperature.
  • the power of these fans or pumps is increased if the temperature deviates too much from the desired operating temperature.
  • the heat transfer media used are suitably tempered. This can preferably be done via an electric heater or via an electrically operated cooling unit.

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Abstract

Ein elektrochemischer Energiespeicher 101 weist mindestens zwei elektrische Stromableiter 105, 106 zum elektrischen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers innerhalb einer Anwendungsumgebung auf. Diese Stromableiter weisen einen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Bereich 103, 104 und einen außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Bereich 105, 106 auf. Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer dieser elektrischen Stromableiter so ausgestaltet ist, dass er in dem zweiten Bereich 105, 106 von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt 107, 108 werden kann.

Description

Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Kühlen oder Erwärmen eines elektrochemischen Energiespeichers
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher und ein Verfahren zum Kühlen oder Erwärmen eines elektrochemischen
Energiespeichers, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Solche elektrochemischen Energiespeicher finden beispielsweise in Kraftfahrzeugen Anwendung. Die Erfindung kann aber auch bei elektrochemischen
Energiespeichern ohne Lithium und auch unabhängig von Kraftfahrzeugen Anwendung finden. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Bauformen von elektrochemischen Energiespeichern mit galvanischen Zellen zur Speicherung elektrischer Energie bekannt. Dabei wird die einem solchen Energiespeicher zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und gespeichert. Diese Wandlung ist verlustbehaftet, weil während dieser Wandlung unumkehrbare (irreversible) chemische Reaktionen auftreten, welche eine Alterung des Akkumulators bewirken. Die dabei auftretenden Energieverluste werden in Form von Wärme freigesetzt, was mit einer Temperaturerhöhung der galvanischen Zelle verbunden sein kann.
Mit steigender Temperatur innerhalb einer galvanischen Zelle eines
Akkumulators sind neben schnellerer Wandlung der Energie aber auch die Alterung beschleunigt. Insbesondere während der Beschleunigung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs werden dem Akkumulator über kurze Zeiträume hohe elektrische Ströme entnommen. Diese hohen elektrischen Ströme treten beispielsweise auch auf, wenn die Verzögerung eines KFZ von elektrischen Einrichtungen unterstützt und die gewonnene Energie dem
Akkumulator zugeführt wird. Steigt die Temperatur in der galvanischen Zelle zu sehr an, besteht die Gefahr einer Zerstörung des Energiespeichers, wobei dieser unter bestimmten
Voraussetzungen brennen oder explodieren kann. Solche unerwünschten Phänomene können durch eine möglichst wirksame Kühlung des
elektrochemischen Energiespeichers vermieden werden. Andererseits arbeiten viele elektrochemische Energiespeicher erst oberhalb einer von ihrer Bauart und ihrem Wirkprinzip abhängigen unteren
Betriebstemperatur effizient oder zuverlässig. Deshalb kann es, je nach dem Einsatzzweck oder der Anwendung eines elektrochemischen Energiespeichers wünschenswert sein, dessen Temperatur durch Wärmezufuhr zu erhöhen.
Die DE 602 134 74 T2 beschreibt eine elektrochemische
Energiespeichereinheit mit einem verformbaren, wärmeleitfähigen Kühlbalg, der sich zu einer schlangenförmigen Anordnung fügt und mehrere
Strömungsabteile aufweist, durch welche ein Wärmeübertragungsmedium strömt.
Die DE 699 01 973 T2 beschreibt eine Batterie aus mehreren Zellen mit einem Gehäuse, einem Belüftungssystem und einer metallischen
Wärmesenke und einem Fluid-Leitmittel, das die Luft zu den Zellen leitet. Die DE 10 2007 012 893 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für Batterien mit Speicherzellen, die in einem Batteriekasten untergebracht sind und eine
Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen aufweist. Zur bedarfsgerechten Kühlung wird vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung einen Luftwärmetauscher, einen Flüssigkeitskühler und eine Drei-Wege-Ventil zum bedarfsweisen Umschalten zwischen diesen beiden Kühlern umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst wirkungsvolles Verfahren zum Kühlen oder zum Erwärmen eines
elektrochemischen Energiespeichers und einen entsprechenden
elektrochemischen Energiespeicher anzugeben. Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher weist mindestens zwei elektrische Stromableiter zum elektrischen Anschluss des
elektrochemischen Energiespeichers innerhalb einer Anwendungsumgebung auf. Diese Stromableiter weisen einen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Bereich und einen außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Bereich auf. Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher ist dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens einer dieser elektrischen Stromableiter so ausgestaltet ist, dass er in dem zweiten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung oder Erwärmung eines solchen elektrochemischen Energiespeichers wird wenigstens einer der elektrischen Stromableiter des Energiespeichers in dem zweiten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter einem elektrochemischen Energiespeicher jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei eine elektrochemische Reaktion im Innern des Energiespeichers abläuft. Der Begriff umfasst insbesondere galvanische Zellen aller Art, insbesondere Primärzellen, Sekundärzellen und Zusammenschaltungen solcher Zellen zu Batterien aus solchen Zellen. Solche elektrochemischen Energiespeicher weisen üblicherweise negative und positive Elektroden auf, die durch einen
sogenannten Separator getrennt sind. Zwischen den Elektroden findet ein lonentransport durch einen Elektrolyten statt. Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter einem Stromableiter ein elektrisch leitendes Konstruktionselement eines elektrochemischen Energiespeichers verstanden werden, welches zum
Transport elektrischer Energie in den Energiespeicher oder aus dem
Energiespeicher dient. Elektrochemische Energiespeicher weisen gewöhnlich zwei Arten von Stromableitern auf, die jeweils mit einer der beiden Gruppen von Elektroden - Anoden bzw. Kathoden - im Innern des Energiespeichers verbunden sind.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter einem Wärmetransportmedium ein gasförmiges oder flüssiges Material verstanden werden, das aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften geeignet ist, Wärme durch Wärmeleitung und/oder Wärmetransport über aerodynamische oder hydrodynamische Ströme, insbesondere auch über Konvektionsströme, im Wärmetransportmedium zu transportieren. Wichtige Beispiele für allgemein in der Technik verwendete Wärmetransportmedien sind beispielsweise Luft oder Wasser oder andere gebräuchliche Kühlmittel. Je nach dem
Anwendungszusammenhang sind auch andere Gase oder Flüssigkeiten gebräuchlich, etwa chemisch inerte (wenig reaktionsfähige) Gase oder
Flüssigkeiten, wie beispielsweise Edelgase oder verflüssigte Edelgase oder Stoffe mit hoher Wärmekapazität und / oder Wärmeleitfähigkeit. Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter einer Anwendungsumgebung eines Energiespeichers jede technische
Einrichtung verstanden werden, die elektrisch mit dem Energiespeicher verbunden ist oder verbunden werden kann und somit elektrische Energie aus dem Energiespeicher entnehmen oder dem Energiespeicher elektrische Energie zuführen kann. Beispiele für solche Anwendungsumgebungen sind elektrische Verbraucher aller Art oder elektrische Energieversorgungseinrichtungen oder Kombinationen aus elektrischen Verbrauchern und Versorgern.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein bevorzugter elektrochemischer Energiespeicher weist mindestens einen Stromableiter auf, der so ausgestaltet ist, dass er auch in dem ersten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt werden kann. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der
Wärmetransport auch im ersten Bereich durch ein Zusammenwirken von Wärmeleitung und Wärmetransport durch Konvektionsströme in dem
Wärmetransportmedium bewirkt und deshalb bei geeigneter Wahl eines
Wärmetransportmediums möglicherweise weiter verbessert.
Ein besonders bevorzugter elektrochemischer Energiespeicher weist mindestens einen Stromableiter auf, der so ausgestaltet ist, dass er in dem ersten und in dem zweiten Bereich von dem selben flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium durchströmt werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders einfach zu realisieren und kann bei geeigneter Wahl eines
Wärmetransportmediums möglicherweise mit einem besonders wirkungsvollen Wärmetransport verbunden sein.
Ein besonders bevorzugter elektrochemischer Energiespeicher weist mindestens einen Stromableiter auf, der so ausgestaltet ist, dass er in dem ersten Bereich von einem ersten flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium und in dem zweiten Bereich von einem zweiten flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium durchströmt werden kann. Diese Ausführungsform kann bei geeigneter Wahl der Wärmetransportmedien und /oder bei geeigneter Gestaltung der Strömungsverhältnisse möglicherweise mit einem besonders wirkungsvollen Wärmetransport verbunden sein. Dies gilt besonders dann, wenn, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mindestens ein Stromableiter so ausgestaltet ist, dass ein
Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten
Wärmetransportmedium stattfinden kann.
Ein weiterer bevorzugter elektrochemischer Energiespeicher weist mindestens einen Stromableiter auf, der im zweiten Bereich mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist. Durch das Anbringen eines Kühlkörpers auf dem von einem Wärmetransportmedium durchströmten Stromableiter kann der Wärmetransport weiter verbessert werden.
Bei einem weiteren bevorzugten elektrochemischen Energiespeicher ist mindestens ein Kühlkörper so ausgestaltet, dass er von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium wenigstens teilweise umströmt werden kann. Auch diese zusätzliche Maßnahme dieses Ausführungsbeispiels dürfte in vielen Fällen mit einer weiteren Verbesserung des Wärmetransports verbunden sein.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Stromableiter auch in dem ersten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Wärmetransport auch im ersten Bereich durch ein Zusammenwirken von Wärmeleitung und Wärmetransport durch Konvektionsströme in dem Wärmetransportmedium bewirkt und deshalb bei geeigneter Wahl eines
Wärmetransportmediums möglicherweise weiter verbessert.
Bei einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Stromableiter in dem ersten und in dem zweiten Bereich von dem selben flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt. Diese Ausführungsform ist besonders einfach zu realisieren und kann bei geeigneter Wahl eines Wärmetransportmediums möglicherweise mit einem besonders wirkungsvollen Wärmetransport verbunden sein.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren wird mindestens ein Stromableiter in dem ersten Bereich von einem ersten flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium und in dem zweiten Bereich von einem zweiten flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt. Diese Ausführungsform kann bei geeigneter Wahl der Wärmetransportmedien und / oder bei geeigneter Gestaltung der Strömungsverhältnisse möglicherweise mit einem besonders wirkungsvollen Wärmetransport verbunden sein. Dies gilt besonders dann, wenn, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mindestens ein Stromableiter so ausgestaltet ist, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten
Wärmetransportmedium stattfinden kann.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist mindestens ein Stromableiter im zweiten Bereich mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden. Durch das Anbringen eines Kühlkörpers auf dem von einem Wärmetransportmedium durchströmten Stromableiter kann der Wärmetransport weiter verbessert werden.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren wird mindestens ein Kühlkörper von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium wenigstens teilweise umströmt. Auch diese zusätzliche Maßnahme dieses
Ausführungsbeispiels dürfte in vielen Fällen mit einer weiteren Verbesserung des Wärmetransports verbunden sein.
Einige der beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Fachmann anhand seines Fachwissens in vorteilhafter Weise zu
kombinieren wissen; andere vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die hier nicht abschließend beschrieben werden können, wird der Fachmann mit Hilfe seines Fachwissens anhand der vorliegenden Beschreibung leicht auffinden können. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe der Figuren näher beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter nur im Bereich außerhalb des Energiespeichers von einem Wärmetransportmedium durchströmt werden.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter nur im Bereich außerhalb des Energiespeichers von einem Wärmetransportmedium durchströmt werden, und bei der beide Stromableiter in Kontakt mit einem Kühlkörper stehen.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter im Bereich innerhalb des Energiespeichers von einem ersten Wärmetransportmedium und im Bereich außerhalb des Energiespeichers von einem zweiten Wärmetransportmedium durchströmt werden.
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter im Bereich innerhalb des Energiespeichers von einem ersten Wärmetransportmedium und im Bereich außerhalb des Energiespeichers von einem zweiten Wärmetransportmedium durchströmt werden, und bei der beide Stromableiter in Kontakt mit einem Kühlkörper stehen.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter im Bereich innerhalb und im Bereich außerhalb des Energiespeichers von dem selben
Wärmetransportmedium durchströmt werden.
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Stromableiter im Bereich innerhalb und im Bereich außerhalb des Energiespeichers von dem selben
Wärmetransportmedium durchströmt werden, und bei der beide Stromableiter in Kontakt mit einem Kühlkörper stehen. Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher weist vorzugsweise gut wärmeleitende Stromableiter auf. Solche Stromableiter leiten den
elektrischen Strom aus dieser galvanischen Zelle heraus bzw. in sie hinein.
Solche Stromableiter sind bevorzugt metallisch und weisen schon deshalb neben einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit häufig auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Diese hohe Wärmeleitfähigkeit bewirkt, dass innerhalb eines Stromableiters nur geringe Temperaturgradienten auftreten und hohe Wärmeströme in oder aus der galvanischen Zelle geleitet werden können. Ein erster Bereich 103, 104, 203, 204, 303, 304, 403, 404, 503, 504, 603, 604 des Stromableiters ist innerhalb einer galvanischen Zelle angeordnet und dort mit den elektrochemisch aktiven Komponenten der galvanischen Zelle, also mit den durch einen Separator 102, 202, 302, 402, 502, 602 getrennten Elektroden ungleichnamiger Polarität elektrisch verbunden. Ein zweiter Bereich 105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406, 505, 506, 605, 606 des Stromableiters erstreckt sich aus dieser
galvanischen Zelle und dient dazu, den Energiespeicher elektrisch mit der Anwendungsumgebung zu verbinden. Wie in Fig. 1 anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt, weist ein elektrochemischer Energiespeicher mindestens zwei elektrische
Stromableiter auf, die zum elektrischen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers innerhalb einer Anwendungsumgebung dienen. Diese
Stromableiter weisen einen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Bereich und einen außerhalb des elektrochemischen
Energiespeichers angeordneten zweiten Bereich auf. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass wenigstens einer dieser elektrischen Stromableiter so ausgestaltet ist, dass er in dem zweiten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium 107, 108, 207, 208, 307, 308, 407, 408, 507, 508, 607, 608 durchströmt werden kann.
Vorzugsweise sind in dem erfindungsgemäßen Stromableiter zu diesem Zweck Strömungskanäle 107, 108, 207, 208, 307, 308, 407, 408, 507, 508, 607, 608 vorgesehen, durch die das flüssige oder gasförmige Wärmetransportmedium strömen kann. Auf diese Weise wird der Stromableiter in diesem äußeren Bereich nicht ausschließlich über den Mechanismus der Wärmeleitung gekühlt, sondern es findet zusätzlich ein Wärmetransport mit Hilfe des flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmediums statt.
Die Strömung des Wärmetransportmediums kann dabei durch sog. Konvektion betrieben werden, bei der ein sich im Stromableiter ausbildender
Temperaturgradient von sich aus einen Konvektionsstrom in dem
Wärmetransportmedium hervorruft. Dieser Konvektionsstrom sorgt dafür, dass dem äußeren Bereich des Stromableiters ständig das Wärmetransportmedium bei niedriger Temperatur zugeführt wird, und dass aus diesem Stromableiter gleichzeitig das Wärmetransportmedium bei höherer Temperatur abgeführt wird. Wählt man die Materialeigenschaften des Wärmetransportmediums in geeigneter Weise, dann lässt sich durch ein strömendes
Wärmetransportmedium eine wirksamere Kühlung erzielen, als wenn die Kühlung allein durch Wärmeleitung in einem beispielsweise metallischen Stromableiter erfolgen würde.
Anstatt den Wärmetransport im Wärmetransportmedium allein durch thermische Konvektion hervorzurufen, ist es auch möglich, den Strom des
Wärmetransportmediums durch die Strömungskanäle von außen anzutreiben. Hierbei kann die Strömungsgeschwindigkeit größer gewählt werden als wenn eine reine thermische Konvektion erfolgen würde. Die von außen aufgeprägte Strömungsgeschwindigkeit kann dabei so gewählt werden, dass der erzielte Wärmetransport den momentanen Erfordernissen der Anwendung bzw. des Betriebszustandes des Energiespeichers angepasst wird.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann dabei sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen des elektrochemischen Energiespeichers dienen. Befindet sich beispielsweise der elektrochemische Energiespeicher unterhalb seiner optimalen Betriebstemperatur, dann kann durch Einspeisung eines geeignet erwärmten Wärmetransportmediums in die Strömungskanäle der Stromableiter erreicht werden, dass die Stromableiter in ihrem äußeren Bereich erwärmt werden.
Dabei bildet sich ein Temperaturgradient im Stromableiter aus, der durch einen in Richtung auf den inneren Bereich einsetzenden Wärmestrom durch
Wärmeleitung abgebaut wird. Im Ergebnis erfolgt also ein Wärmestrom von dem Wärmetransportmedium in den äußeren Bereich des Stromableiters und innerhalb des Stromableiters durch Wärmeleitung vom äußeren Bereich in seinen inneren Bereich, wobei der innere Bereich der Stromableiter 103, 104 erwärmt wird, was insgesamt zu einer Erwärmung der Zelle und damit zu einer Anhebung der Temperatur des Energiespeichers auf seine Betriebstemperatur führen kann. Erfolgt hingegen im Betrieb des elektrischen Energiespeichers durch den Ablauf irreversibler chemischer Reaktionen eine Erwärmung innerhalb des
Energiespeichers, dann muss dieser häufig gekühlt werden, um zu verhindern, dass sich der Energiespeicher über seine maximale Betriebstemperatur hinaus erwärmt. In diesem Fall wird ein kühlendes Wärmetransportmedium bei niedriger Temperatur in die Strömungskanäle 107, 108 der äußeren Bereiche 105, 106 der Stromableiter eingespeist. Dies führt zu einer Abkühlung der äußeren Bereiche 105, 106 der Stromableiter, wodurch ein Temperaturgradient zwischen den inneren Bereichen 103, 104 und den äußeren Bereichen 105, 106 entsteht. Dieser Temperaturgradient wird durch die einsetzende Wärmeleitung von den inneren Bereichen 103, 104 in die äußeren Bereiche 105, 106 der Stromableiter abgebaut, wodurch im Ergebnis ein Wärmestrom von innen nach außen entsteht wodurch die Zelle und damit der Energiespeicher gekühlt wird.
Wie in Fig. 2 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt, kann der Wärmetransport, beispielsweise im Fall der Kühlung, weiter verbessert werden, indem in den äußeren Bereichen 205, 206 der Stromableiter Kühlkörper 209, 210 angebracht werden, die in gutem Wärmeleitungskontakt mit den Stromableitern stehen. Durch solche Kühlkörper, die vorzugsweise eine große Oberfläche aufweisen und somit den Wärmeübergang zwischen dem Stromableiter und der Umgebung bedeutend erhöhen können, lässt sich die Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers im Betriebszustand bedeutend verbessern. Dies gilt umso mehr, wenn die Kühlkörper 209, 210 zusätzlich von einem Wärmetransportmedium 211 , 212 umströmt werden.
Hierbei kann es sich um ein gasförmiges Wärmetransportmedium,
beispielsweise um Luft, oder auch um ein flüssiges Wärmetransportmedium, beispielsweise um Wasser, handeln.
Die Wahl eines geeigneten Wärmetransportmediums wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Einerseits ist bei der Materialauswahl der Gesichtspunkt eines möglichst wirkungsvollen Wärmeübergangs von großer Bedeutung.
Andererseits kann die verwendete Energiespeichertechnologie auch die Wahl eines Wärmetransportmediums beeinflussen. So wird es im Allgemeinen vorteilhaft sein, wenn das gewählte Wärmetransportmedium sich chemisch inert (wenig reaktionsfähig) gegenüber den Materialien verhält, mit denen es im Normalbetrieb in Kontakt kommt, oder mit denen es im Störfall in Kontakt kommen könnte.
Wie in Fig. 3 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung schematisch dargestellt, kann der Wärmeübergang zwischen dem Inneren des elektrochemischen Energiespeichers und den äußeren Bereichen 305, 306 der Stromableiter weiter verbessert werden, wenn die inneren Bereiche der
Stromableiter 303, 304 ebenfalls von einem Wärmetransportmedium
durchströmt werden. In dem in Fig. 3 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel strömt das Wärmetransportmedium in den inneren
Bereichen 303, 304 der Stromableiter durch geschlossene Strömungskanäle 313, 314. Die hier gezeigte Anordnung der Strömungskanäle in den inneren Bereichen der Stromableiter trägt daher hauptsächlich zum Abbau von
Temperaturgradienten innerhalb der inneren Bereiche 303, 304 der
Stromableiter bei. Diese Anordnung der Strömungskanäle in den inneren Bereichen führt nicht zu einem Wärmetransport durch Strömung eines
Wärmetransportmittels von den inneren Bereichen in die äußeren Bereiche 305, 306 der Stromableiter. Aus diesem Grund ist es bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, die Strömungskanäle 308 und 313 bzw. 307 und 314 so anzuordnen, dass ein intensiver Wärmeaustausch zwischen diesen Strömungskanälen erfolgen kann. Dies kann vorzugsweise u.a. dadurch erreicht werden, dass der Stromableiter im Übergangsbereich zwischen dem inneren Bereich der
Stromableiter 303, 304 und dem äußeren Bereich 305, 306 der Stromableiter besonders gut wärmeleitend ausgeführt wird.
Wie in Fig. 4 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt, kann auch im Fall des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der Wärmetransport, beispielsweise im Fall der Kühlung, weiter verbessert werden, indem in den äußeren Bereichen 405, 406 der Stromableiter Kühlkörper 409, 410 angebracht werden, die in gutem Wärmeleitungskontakt mit den Stromableitern stehen. Durch solche Kühlkörper, die vorzugsweise eine große Oberfläche aufweisen und somit den Wärmeübergang zwischen dem
Stromableiter und der Umgebung bedeutend erhöhen können, lässt sich die Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers im Betriebszustand bedeutend verbessern. Dies gilt umso mehr, wenn die Kühlkörper 409, 410 zusätzlich von einem Wärmetransportmedium 411 , 412 umströmt werden. Hierbei kann es sich um ein gasförmiges Wärmetransportmedium,
beispielsweise um Luft oder auch um ein flüssiges Wärmetransportmedium, beispielsweise um Wasser handeln.
Fig. 5 zeigt in schematischer Weise ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das in den äußeren Bereichen 505, 506 der Stromableiter strömende Wärmetransportmedium auch in den inneren Bereichen 503, 504 dieser Stromableiter fließt. Bei geeigneter Wahl der Materialeigenschaften des Wärmetransportmediums und bei geeigneter Auslegung der Strömungskanäle wird der durch den Strom des Wärmetransportmediums bediente
Wärmetransport bei dieser Ausführungsform besonders hoch sein.
Im Hinblick auf die Betriebssicherheit der gesamten Vorrichtung könnte es jedoch - je nach verwendeter Technologie des elektrochemischen
Energiespeichers - mit Schwierigkeiten verbunden sein, im inneren und im äußeren Bereich des Stromableiters das gleiche Wärmetransportmedium strömen zu lassen, beispielsweise dann, wenn ein im äußeren Bereich sehr wirksames Wärmetransportmedium im Störfall mit den im Innern des
Energiespeichers verwendeten Materialien in unerwünschter Weise chemisch reagieren könnte.
Wie in den Figuren 4 und 6 in schematischer Weise anhand weiterer
Ausführungsbeispiele gezeigt wird, kann der Wärmetransport durch die
Stromableiter weiter verbessert werden, wenn im äußeren Bereich der
Stromableiter geeignet ausgestaltete Kühlkörper in wärmeleitendem Kontakt mit den Stromableitern angeordnet werden, die den Wärmeübergang zwischen den Stromableitern und der Umgebung erhöhen. Dieser Effekt kann weiter verbessert werden, wenn diese Kühlkörper von einem Wärmetransportmedium umströmt werden. Das zur Kühlung der Kühlkörper 609, 610 verwendete Wärmetransportmedium 611 , 612 ist bevorzugt ein elektrischer Isolator mit ansonsten möglichst guten Wärmetransporteigenschaften. In vielen Fällen wird hierfür Luft oder ein chemisch inertes Gas wie beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet erscheinen. Die Strömung gasförmiger Wärmetransportmittel kann
vorzugsweise durch eine geeignete Anordnung von Ventilatoren betrieben werden. Für die Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Strömung von flüssigen Wärmetransportmitteln sind vorzugsweise Pumpen geeignet. Die Leistung solcher Ventilatoren oder Pumpen kann vorzugsweise in Abhängigkeit von gemessenen Temperaturen im Bereich der Stromableiter erfolgen, so dass beispielsweise die Leistung dieser Ventilatoren oder Pumpen erhöht wird, wenn die Temperatur von der gewünschten Betriebstemperatur zu sehr abweicht. Je nachdem, ob eine Kühlung oder eine Erwärmung des Inneren des
elektrochemischen Energiespeichers erforderlich oder erwünscht ist, sind die verwendeten Wärmetransportmedien in geeigneter weise zu temperieren. Dies kann vorzugsweise über eine elektrische Heizung oder über ein elektrisch betriebenes Kühlaggregat geschehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Elektrochemischer Energiespeicher (101 , 201 , 301 , 401 , 501 , 601 ) mit mindestens zwei elektrischen Stromableitern (105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406, 505, 506, 605, 606) zum elektrischen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers innerhalb einer
Anwendungsumgebung, wobei diese Stromableiter einen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Bereich (103, 104, 203, 204, 303, 304, 403, 404, 503, 504) und einen außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Bereich (105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406, 505, 506, 605, 606) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer dieser elektrischen Stromableiter so ausgestaltet ist, dass er in dem zweiten Bereich (105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406, 505, 506, 605, 606) von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt (107, 108, 207, 208, 307, 308, 407, 408, 507, 508, 607, 608) werden kann.
2. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 1 , mit mindestens einem Stromableiter, der so ausgestaltet ist, dass er auch in dem ersten Bereich (303, 304, 403, 404, 503, 504, 603, 604) von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt (313, 314, 413, 414, 507, 508, 607, 608) werden kann.
3. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 2, mit mindestens einem Stromableiter, der so ausgestaltet ist, dass er in dem ersten und in dem zweiten Bereich (303, 304, 403, 404, 503, 504, 603, 604) von dem selben flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium (507, 508, 607, 608, 313, 314, 413, 414) durchströmt werden kann.
4. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 2, mit mindestens einem Stromableiter, der so ausgestaltet ist, dass er in dem ersten Bereich (403, 404, 503, 504) von einem ersten flüssigen oder
gasförmigen Wärmetransportmedium (413, 414, 513, 514) und in dem zweiten Bereich (405, 406, 505, 506) von einem zweiten flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium (407, 408, 507, 508) durchströmt werden kann.
5. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 4, mit mindestens einem Stromableiter der so ausgestaltet ist, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetransportmedium stattfinden kann.
6. Elektrochemischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Stromableiter der im zweiten Bereich (205, 206, 405, 406, 605, 606) mit einem Kühlkörper (209, 210, 409, 410, 609, 610) wärmeleitend verbunden ist.
7. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 6, bei dem
mindestens ein Kühlkörper (209, 210, 409, 410, 609, 610) so ausgestaltet ist, dass er von einem flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium wenigstens teilweise umströmt (211 , 212, 411 , 412, 611 , 612) werden kann.
8. Verfahren zur Kühlung oder Erwärmung eines elektrochemischen
Energiespeichers mit mindestens zwei elektrischen Stromableitern zum elektrischen Anschluss des elektrochemischen Energiespeichers innerhalb einer Anwendungsumgebung, wobei diese Stromableiter einen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten
Bereich und einen außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Bereich aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer dieser elektrischen Stromableiter in dem zweiten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem mindestens ein Stromableiter auch in dem ersten Bereich von einem flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium durchströmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem mindestens ein Stromableiter in dem ersten und in dem zweiten Bereich von dem selben flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, mindestens ein Stromableiter in dem ersten Bereich von einem ersten flüssigen oder gasförmigen
Wärmetransportmedium und in dem zweiten Bereich von einem zweiten flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium durchströmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetransportmedium stattfindet.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
mindestens ein Stromableiter im zweiten Bereich mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem mindestens ein Kühlkörper von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmetransportmedium wenigstens teilweise umströmt wird.
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