ES2606172T3 - Desacoplamiento térmico de células de batería en caso de fallo - Google Patents

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Abstract

Módulo de batería (1), que presenta una pluralidad de células de batería (2, 3) dispuestas unas adyacentes a otras y conectadas eléctricamente entre sí y un dispositivo (6, 9) de monitorización de al menos un parámetro operativo de las células de batería (2, 3) y/o del módulo de batería (1), presentando el módulo de batería (1) un dispositivo (4, 8) de aumento de la resistencia térmica entre células de batería (2, 3) adyacentes, estando conectado el dispositivo (4, 8) con el dispositivo (6, 9) de monitorización de al menos un parámetro operativo de las células de batería (2, 3) y/o del módulo de batería (1) de tal manera que, en caso de superarse un valor umbral del parámetro operativo monitorizado, se dispara el dispositivo (4, 8) de aumento de la resistencia térmica, caracterizado porque está previsto un dispositivo de corte de la conexión eléctrica entre las células de batería individuales, que está conectado con el dispositivo (6, 9) de monitorización del al menos un parámetro operativo de tal manera que, en caso de superarse la temperatura de valor umbral, se produce un corte eléctrico de las células de batería (2, 3) unas con respecto a otras, estando previstas entre las células de batería aletas de refrigeración (5) que forman canales de refrigeración (8).

Description

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DESCRIPCION
Desacoplamiento termico de celulas de baterla en caso de fallo
La presente invention se refiere a un modulo de baterla con una pluralidad de celulas de baterla dispuestas unas adyacentes a otras y conectadas electricamente entre si, entre las cuales puede elevarse, en caso de fallo del modulo de baterla y/o de celulas de baterla individuales, la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes, a fin de evitar un sobrecalentamiento de celulas adyacentes. La invencion se refiere ademas a un procedimiento para el desacoplamiento termico de celulas de baterla en caso de fallo.
Estado de la tecnica
Los acumuladores de energla para vehlculos y para aplicaciones en la industria energetica, como por ejemplo acumuladores de energla estacionarios, deberan presentar en el futuro un potencial de acumulacion esencialmente superior y una mayor fiabilidad, una vida util esencialmente superior y, sobre todo, un nivel de seguridad esencialmente superior. La tecnologla iones de Li/metal litio tiene un rendimiento inequlvoco y ventajas de peso frente a otros acumuladores de energla, pero no dispone todavla a dla de hoy de la seguridad necesaria.
La seguridad de las baterlas de iones de litio es un factor nada despreciable para su uso en, por ejemplo, aviones. En comparacion con aplicaciones en la electronica movil, la masa qulmicamente activa de una baterla de traction es esencialmente superior y por tanto el potencial de peligro es notablemente mayor. Puesto que los electrodos solamente estan protegidos mediante una pellcula superficial de pasivacion frente a una reaction subita con el electrolito organico, facilmente inflamable, ha de evitarse un estado operativo que favorezca una subita rotura de la pellcula, como por ejemplo altas temperaturas, sobrecarga o sobredescarga. Una fuga termica de las celulas por sobrecalentamiento local tambien puede desencadenarse por cortocircuitos internos, por ejemplo por contamination en la production.
En general es valido que la seguridad depende de manera decisiva de la combination de los materiales realmente elegidos para electrodos y electrolito as! como de la calidad de la fabrication de las celulas. Normalmente, las baterlas de traccion se componen de cientos e incluso miles de celulas individuales, para poner a disposition la autonomla (capacidad de la baterla) y potencia requeridas. En la realization practica, las celulas individuales se montan formando un modulo espacialmente compacto. Las celulas en un modulo estan normalmente tan estrechamente empacadas que, en caso de fuga termica de una unica celula, tambien pueden “inflamarse” celulas vecinas. A este respecto, existe el riesgo de que pueda producirse, por una reaccion en cadena, una descomposicion o destruction de todo el modulo de baterla. En un caso extremo, tambien puede producirse un incendio del modulo de baterla, debiendo tenerse en cuenta, en particular, que muchos tipos de modulo de baterla, como por ejemplo pilas de iones de litio, no deben entrar en contacto con agua para evitar la reaccion tlpica de los metales alcalinos con agua con la formation de hidrogeno. En este sentido, deben utilizarse medios de extincion sin agua en caso de incendio.
La solicitud de patente coreana KR 2006086120 desvela un modulo de baterla con disipacion de calor mejorada de las celulas de baterla mediante una disposicion modificada de las celulas de baterla y la prevision de canales de refrigeration en las celulas de baterla.
El documento de publication de solicitud estadounidense US 5456994 A describe un modulo de baterla con una monitorizacion de temperatura y una carcasa cerrada para su uso en vehlculos electricos. Los modulos de baterla aqul descritos presentan una carcasa dotada de una entrada de aire en el lado delantero y una salida de aire en el lado trasero. La carcasa esta dividida por medio de separaciones en camaras individuales en las que pueden introducirse celulas de baterla individuales.
La solicitud de patente internacional WO 2008027343 desvela un modulo de baterla para vehlculos, en el que celulas de baterla estan agrupadas en grupos distanciados unos de otros. Una pluralidad de celulas de baterla estan dispuestas dentro de una carcasa en dos grupos, que estan separados entre si por una zona intermedia. La carcasa esta disenada de tal manera que pueda llegar aire de refrigeracion desde la zona intermedia a las celulas. A este respecto, cada grupo de celulas esta dispuesto en dos capas distanciadas una con respecto a otra.
En los modulos de baterla conocidos por el estado de la tecnica, debido a la proximidad de las celulas de baterla individuales entre si puede existir el riesgo de que, en caso de sobrecarga termica de una celula individual, se vean afectadas celulas adyacentes y se sobrecarguen del mismo modo termicamente. En el caso extremo, una fuga de una celula puede provocar a este respecto la fuga de otras celulas en una reaccion en cadena. Por otro lado se desea una densidad de energla lo mas elevada posible de los modulos de baterla, para lo cual la mayor cantidad posible de celulas de baterla deben distanciarse estrechamente entre si.
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El documento EP 0 964 470 A1 desvela un modulo de baterla, que presenta una pluralidad de celulas de baterla dispuestas unas adyacentes a otras y conectadas electricamente entre si y un dispositivo de monitorizacion de al menos un parametro operativo de las celulas de baterla y/o del modulo de baterla, presentando el modulo de baterla un dispositivo de aumento de la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes, estando conectado el dispositivo con el dispositivo de monitorizacion de al menos un parametro operativo de las celulas de baterla y/o del modulo de baterla de tal manera que, en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado, se dispara el dispositivo de aumento de la resistencia termica.
El documento EP 2 216 843 A1 desvela por ejemplo un dispositivo de seguridad para un automovil. A este respecto, el automovil funciona mediante un dispositivo de baterla, presentando el dispositivo de baterla una carcasa, estando equipada la carcasa de tal manera que la distancia y/o la conexion electrica entre unidades de baterla individuales del dispositivo de baterla puede aumentarse o cortarse.
Description de la invention
Por tanto, el objetivo de la presente invencion es indicar un modulo de baterla as! como un procedimiento, en y con el cual se evite una fuga termica de celulas de baterla adyacentes.
Este objetivo se resuelve mediante un modulo de baterla de acuerdo con la reivindicacion 1 as! como un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8. Configuraciones y formas de realization preferidas adicionales se encuentran en las reivindicaciones dependientes y en la descripcion que sigue as! como en los dibujos.
Se indica por tanto un modulo de baterla, que presenta una pluralidad de celulas de baterla dispuestas unas adyacentes a otras y conectadas electricamente entre si y un dispositivo de monitorizacion de al menos un parametro operativo de las celulas de baterla y/o del modulo de baterla, que esta caracterizado porque el modulo de baterla presenta un dispositivo de aumento de la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes, estando conectado el dispositivo con el dispositivo de monitorizacion del al menos un parametro operativo de las celulas de baterla y/o del modulo de baterla de tal manera que, en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado de celulas individuales y/o del modulo de baterla, se dispara el dispositivo de aumento de la resistencia termica, estando previsto un dispositivo de corte de la conexion electrica entre las celulas de baterla individuales, que esta conectado con el dispositivo de monitorizacion del al menos un parametro operativo de tal manera que, en caso de superarse la temperatura de valor umbral, se produce un corte electrico de las celulas de baterla entre si, estando previstas entre las celulas de baterla aletas de refrigeration que forman canales de refrigeration.
En un estado operativo normal, un modulo de baterla de acuerdo con la invencion puede presentar por tanto un empacado lo mas compacto posible de celulas de baterla electricamente acopladas, mediante lo cual puede conseguirse una densidad de energla lo mas elevada posible en relation con la necesidad de espacio del modulo de baterla. Asimismo, las celulas de baterla en el modulo de baterla pueden acoplarse tambien termicamente, lo que conduce, en el caso de celulas de baterla del mismo tipo en un modulo de baterla, a una potencia de salida de las celulas de baterla lo mas homogenea posible.
Para el caso de un funcionamiento defectuoso o una sobrecarga de una celula de baterla, que pueden conducir a una fuga de la celula de baterla, esta previsto, de acuerdo con la invencion, elevar la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes. De este modo puede evitarse la transferencia de calor de una celula de baterla con funcionamiento defectuoso o sobrecarga a celulas de baterla adyacentes y, en particular, evitarse un dano de celulas de baterla adyacentes. En particular puede evitarse una rotura de un modulo de baterla entero por una reaction termica en cadena de celulas adyacentes unas a otras.
Parametros operativos pueden ser, de acuerdo con la invencion, la tension, la intensidad de corriente, la corriente de carga, la temperatura u otro parametro que permita determinar el funcionamiento y/o el estado operativo de una celula de baterla o del modulo de baterla. Preferentemente se monitoriza al menos la temperatura de las celulas de baterla individuales, de un grupo de celulas de baterla y/o del modulo de baterla entero. En otra configuration preferida de la invencion se monitorizan al menos dos parametros operativos de las celulas de baterla individuales, de un grupo de celulas de baterla y/o del modulo de baterla entero y se toman en consideration como valor umbral para disparar el aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla adyacentes.
En una configuracion preferida de la invencion, esta presenta un dispositivo de corte de la conexion electrica entre las celulas de baterla individuales, que esta conectado con el dispositivo de monitorizacion del al menos un parametro operativo de tal manera que, en caso de superarse el valor umbral del parametro operativo monitorizado, se produce un corte electrico de las celulas de baterla entre si.
Tal dispositivo de corte electrico puede estar formado, por ejemplo, por reles de corte, diodos o similares. En una configuracion de la invencion, puede producirse un corte electrico de las celulas de baterla tambien mediante puntos de rotura teorica en las conexiones electricas, que se separan como consecuencia del aumento de la distancia entre
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las celulas de baterla y conducen as! a un corte electrico. Tales untos de rotura teorica pueden estar realizados, por ejemplo, en forma de conexiones de enchufe. De este modo pueden evitarse cortocircuitos electricos en el modulo de baterla en caso de superarse un estado operativo crltico.
En una forma de realization preferida de la invention, la elevation de la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes se produce mediante un aumento de la distancia de las celulas adyacentes unas con respecto a otras, tan pronto como se supera un valor umbral del parametro operativo monitorizado por una celula individual y/o por el modulo de baterla entero.
En una configuration preferida de la invencion, el dispositivo de aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla adyacentes es un dispositivo para el aumento mecanico de la distancia entre las celulas individuales, como por ejemplo un elemento de resorte, que esta tensado en un estado operativo normal del modulo de baterla y se distiende, en caso de superarse la temperatura de valor umbral, estando dispuesto el elemento de resorte en el modulo de baterla de tal manera que una distension del elemento de resorte conduce a un aumento de la distancia entre al menos dos celulas de baterla adyacentes. A este respecto, el aumento de distancia puede producirse en la direction tanto horizontal como vertical. Puede estar previsto por tanto que el elemento de resorte presione celulas de baterla dispuestas unas adyacentes a otras separandolas, a fin de aumentar as! la distancia entre las celulas de baterla, con lo cual se aumenta la resistencia termica entre las celulas. Puede estar previsto igualmente de acuerdo con la invencion que un elemento de resorte empuje una celula de baterla, en caso de superarse una temperatura de valor umbral, ortogonalmente a la direccion de disposition de las celulas de baterla, con lo cual aumenta igualmente la distancia entre las celulas de baterla adyacentes.
En otra configuracion de la invencion, el dispositivo de aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla es un dispositivo pirotecnico, que es disparado por el dispositivo de monitorizacion del al menos un parametro operativo en caso de superarse el valor umbral del parametro operativo monitorizado y conduciendo la reaction pirotecnica a un aumento mecanico de la distancia entre al menos dos celulas de baterla adyacentes. Tal dispositivo pirotecnico puede estar realizado, por ejemplo, a modo de airbag, en el que die los gases liberado por una reaccion pirotecnica fluye hacia una bolsa de aire plegada y as! hacen que se expanda. La bolsa de aire expandida puede provocar entonces el aumento deseado de la resistencia termica a la manera del elemento de resorte anteriormente descrito.
En otra configuracion de la invencion, el dispositivo de aumento de la resistencia termica entre celulas de baterla adyacentes esta formado por un dispositivo que, al ser disparado por el dispositivo de monitorizacion del al menos un parametro operativo en caso de superarse el valor umbral del parametro operativo monitorizado, introduce una espuma aislante en un espacio intermedio entre dos celulas de baterla adyacentes.
Como espuma aislante adecuada puede utilizarse a este respecto, por ejemplo, una espuma a base de un poliuretano, preferentemente un poliuretano no inflamable. Son especialmente adecuadas las espumas que se utilizan, por ejemplo, como espuma de protection contra incendios en pasamuros. La espuma aislante introducida puede cumplir a este respecto la funcion de un mamparo cortafuegos entre dos celulas de baterla adyacentes.
El dispositivo para la introduction de la espuma aislantes entre celulas de baterla adyacentes puede comprender, por ejemplo, un cartucho de reserva que contiene los dos componentes reactivos de una espuma bicomponente, as! como dispositivos apropiados, tales como valvulas y conductos, por medio de los cuales se mezclan los componentes reactivos y se introducen como mezcla reactiva en el espacio intermedio entre dos celulas de baterla adyacentes. Preferentemente, una mezcla de los dos componentes reactivos no se produce, tanto espacial como temporalmente, hasta poco antes de la introduccion en el espacio intermedio entre dos celulas de baterla.
La carcasa, que aloja las celulas de baterla necesarias para formar un modulo de baterla, esta configurada de acuerdo con la invencion, preferentemente, de modo que para el caso de superarse el valor umbral del al menos un parametro operativo monitorizado presenta un espacio suficiente para el aumento de la distancia entre dos celulas de baterla adyacentes. Esto puede producirse por que la carcasa presenta un espacio vaclo que puede aprovecharse para el aumento de la distancia de dos celulas de baterla adyacentes. Puede estar previsto igualmente que la carcasa presente puntos de rotura teorica que se rompen en el caso del aumento necesario de la resistencia termica y hacen posible as! un aumento de la distancia entre dos celulas de baterla adyacentes. Tambien puede estar previsto de acuerdo con la invencion que la carcasa este configurada a modo de acordeon, de modo que es posible un estirado o comprimido de la carcasa, por ejemplo mediante un elemento de resorte tal como el descrito anteriormente posible o un dispositivo pirotecnico.
Con la invencion se indica ademas un procedimiento para el desacoplamiento termico de celulas de baterla dispuestas unas adyacentes a otras en un modulo de baterla, en el que se monitoriza al menos un parametro operativo de las celulas de baterla individuales y/o del modulo de baterla y, en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado de una celula de baterla y/o del modulo de baterla, se eleva la resistencia termica entre dos celulas dispuestas una adyacente a la otra.
En una forma de realizacion preferida del procedimiento de acuerdo con la invencion, la resistencia termica entre dos celulas de batena adyacentes se eleva mediante el aumento de la distancia entre las dos celulas de bateria adyacentes. Esto puede producirse, por ejemplo, por medio de los dispositivos anteriormente descritos usando un elemento de resorte y/o un dispositivo pirotecnico.
5 En una configuracion preferida del procedimiento de acuerdo con la invencion, antes de un aumento de la distancia entre dos celulas de bateria adyacentes, se produce un corte electrico de las celulas de bateria individuales, por ejemplo por medio de un rele de corte. De este modo pueden evitarse cortocircuitos electricos o arcos voltaicos en caso de aumento de la distancia entre las celulas de bateria.
En otra configuracion del procedimiento de acuerdo con la invencion, para el aumento de la resistencia termica se 10 introduce una espuma aislante en un espacio intermedio entre dos celulas de bateria adyacentes.
Preferentemente se introduce en este caso una espuma reactiva no inflamable, formada por al menos dos componentes reactivos procedentes de un cartucho de reserva, por medio de dispositivos adecuados en el espacio intermedio entre dos celulas de bateria adyacentes.
Otras formas de realizacion de la invencion se encuentran en las reivindicaciones dependientes, en los ejemplos que 15 siguen, en las figuras y en las descripciones de las figuras. En este caso muestra
la figura 1 muestra esquematicamente el modo de funcionamiento de un modulo de bateria de acuerdo con la invencion;
la figura 2 muestra esquematicamente el modo de funcionamiento de un modulo de bateria de acuerdo con la invencion con el uso de una espuma aislantes.
20 La figura 1 muestra esquematicamente el modo de funcionamiento de un modulo de bateria 1 de acuerdo con la invencion. La representacion B muestra el estado operativo normal del modulo de bateria 1, en el que las celulas de bateria 2, 3 dispuestas en una carcasa de bateria 7 estan dispuestas a una distancia estrecha unas con respecto a otras. Entre las celulas de bateria 2, 3 estan dispuestos elementos de resorte 4, que en el estado operativo normal del modulo de bateria se encuentran en estado tensado. Los modulos de bateria 2, 3 se mantienen juntos en contra 25 de la fuerza de pinzas de sujecion 6 cerradas que actua a traves de los elementos de resorte. Las pinzas de sujecion 6 cerradas estan equipadas con un termoelemento, que las abre en caso de superarse una temperatura de valor umbral. Las almas identificadas con la referencia 5 sirven como aletas de refrigeracion de las celulas de bateria 2, 3 y forman, en el estado operativo normal mostrado del modulo de bateria 1, canales de refrigeracion a traves de los cuales puede fluir aire de refrigeracion. La representacion A muestra un modulo de bateria 1 de acuerdo con la 30 invencion, en el que tras superarse una temperatura de valor umbral por sobrecalentamiento de la celula de bateria 3 se han soltado todas las pinzas de sujecion y las celulas de bateria 2, 3 dispuestas en la carcasa de beteria 7 se han separado para el aumento de la resistencia termica entre las celulas de bateria 2, 3 por la fuerza elastica de los elementos de resorte 4. En la representacion C, por el sobrecalentamiento de la celula de bateria 3 solamente se ha soltado la pinza de sujecion que sujeta la celula de bateria 3, con lo cual la celula de bateria 3 sobrecalentada se ha 35 separado espacialmente de las celulas de bateria 2 todavia dispuestas respectivamente por parejas.
La figura 2 muestra una configuracion de un modulo de bateria 1 de acuerdo con la invencion, en la que el aumento de la resistencia termica entre dos celulas de bateria 2, 3 dispuestas una adyacente a la otra en caso de fallo lo provoca una espuma aislante. A traves de un sensor termico 9 se abre, en caso de superarse una temperatura de valor umbral, una valvula 12 a traves de la cual fluye, desde un cartucho de reserva 13, una espuma de poliuretano 40 bicomponente no inflamable a traves de un conducto colector 10 y conductos de distribucion 11 hacia los canales de
refrigeracion 8 formados por las aletas de refrigeracion 5 y alli se endurece espontaneamente formando una capa aislante termica.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Modulo de baterla (1), que presenta una pluralidad de celulas de baterla (2, 3) dispuestas unas adyacentes a otras y conectadas electricamente entre si y un dispositivo (6, 9) de monitorizacion de al menos un parametro operativo de las celulas de baterla (2, 3) y/o del modulo de baterla (1), presentando el modulo de baterla (1) un dispositivo (4, 8) de aumento de la resistencia termica entre celulas de baterla (2, 3) adyacentes, estando conectado el dispositivo (4, 8) con el dispositivo (6, 9) de monitorizacion de al menos un parametro operativo de las celulas de baterla (2, 3) y/o del modulo de baterla (1) de tal manera que, en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado, se dispara el dispositivo (4, 8) de aumento de la resistencia termica, caracterizado porque esta previsto un dispositivo de corte de la conexion electrica entre las celulas de baterla individuales, que esta conectado con el dispositivo (6, 9) de monitorizacion del al menos un parametro operativo de tal manera que, en caso de superarse la temperatura de valor umbral, se produce un corte electrico de las celulas de baterla (2, 3) unas con respecto a otras, estando previstas entre las celulas de baterla aletas de refrigeracion (5) que forman canales de refrigeracion (8).
  2. 2. Modulo de baterla (1) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el dispositivo (4) de aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla (2, 3) es un dispositivo para el aumento mecanico de la distancia entre las celulas de baterla individuales (2, 3).
  3. 3. Modulo de baterla (1) de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el dispositivo (4) de aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla lo forma al menos un elemento de resorte, que esta tensado en un estado operativo normal del modulo de baterla (1) y se distiende en caso de superarse el valor umbral del parametro operativo monitorizado, estando dispuesto el elemento de resorte en el modulo de baterla (1) de tal manera que una distension del elemento de resorte conduce a un aumento de la distancia entre al menos dos celulas de baterla (2, 3) adyacentes.
  4. 4. Modulo de baterla (1) de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el dispositivo (4) de aumento de la resistencia termica entre las celulas de baterla (2, 3) es un dispositivo pirotecnico, que es disparado por el dispositivo (6, 9) de monitorizacion del al menos un parametro operativo en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado y en el que la reaccion pirotecnica conduce a un aumento mecanico de la distancia entre al menos dos celulas de baterla (2, 3) adyacentes.
  5. 5. Modulo de baterla (1) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el dispositivo (8) de aumento de la resistencia termica entre celulas de baterla (2, 3) adyacentes esta formado por un dispositivo que, al ser disparado por el dispositivo (9) de monitorizacion del al menos un parametro operativo en caso de superarse el valor umbral del parametro operativo monitorizado, introduce una espuma aislante en un espacio intermedio entre dos celulas de baterla (2, 3) adyacentes.
  6. 6. Modulo de baterla (1) de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que la espuma aislante es una espuma aislante no inflamable a base de poliuretano.
  7. 7. Procedimiento para el desacoplamiento termico de celulas de baterla (2, 3) dispuestas unas adyacentes a otras en un modulo de baterla (1), en el que se monitoriza al menos un parametro operativo de las celulas de baterla (2, 3) individuales y/o del modulo de baterla (1) y, en caso de superarse un valor umbral del parametro operativo monitorizado de una celula de baterla (2, 3) y/o del modulo de baterla (1), se eleva la resistencia termica entre dos celulas de baterla (2, 3) dispuestas una adyacente a la otra, caracterizado porque esta previsto un dispositivo de corte de la conexion electrica entre las celulas de baterla individuales, que esta conectado con el dispositivo (6, 9) de monitorizacion del al menos un parametro operativo de tal manera que, en caso de superarse la temperatura de valor umbral, se produce un corte electrico de las celulas de baterla (2, 3) entre si, estando previstas entre las celulas de baterla aletas de refrigeracion (5) que forman canales de refrigeracion (8).
  8. 8. Procedimiento de acuerdo con reivindicacion la 7, en el que la resistencia termica se eleva mediante el aumento de la distancia entre dos celulas de baterla (2, 3) adyacentes.
  9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 7 u 8, en el que para el aumento de la resistencia termica se introduce una espuma aislante en un espacio intermedio entre dos celulas de baterla (2, 3) adyacentes.
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