Brevet FR2008107A1 — publié le 19700116

a présente invention concerne et a essentielleme-nt pour objet un accumulateur électrique ou analogue du type à électrolyte transvasé ou transféré par pompage pendant la charge et/ou pendant Ia décharge, et un procédé de mise en action ou d'exploita tion dudit accumulateur élec-trique, ainsi oue les diverses appli- cations et utilisation msultant de sa mise en oeuvre et les divers systèmes, ensembles, appareils, dispositlrfs, circuits, équipements et installation qui en sont pourvus. Il est connu d'améliorer le processus ou phénomène de décharge, dans des accumulateursjéle ctrique s àelectrolyte acide, par le fait qu'on déplace ou fait circuler l'électrolyte. En effet, comme de l'électrolyte est consommé pendant la décharge de l'accumulateur, la conséquence en est une diminution de la concentration. Cette diminution apparat en particulier directement sur les électrodes ou dans les pores des masses actives et agit donc d'une façon particulièrement défavorable. Outre le transfert ou transvasement par pompage de l'électrolyte acide, on a donc aussi, pendant la charge ou la décharge, diminué la concentration i l'acide par addition d'eau ou maintenu la concentration à une valeur constante par adjonction d'acide. De tels accumulateurs sont par exemple décrits dans le brevet fédéral allemand NO 1.163.413. Par ailleurs, un transvasement ou transfert par pompage de l'électrolyte a égalément été prévu pour des accumulateurs au zinc-argent, ici aussi dans le but d'absorber les variations de concentration de l'électrolyte. Dans un accumulateur à électrolyte alcalin invariable pendant la charge et la décharge, en particulier avec des accumulateurs à électrodes positives en nickel et à électrodes négatives en cadmium ou à masse de fer ou comportant une masse active résultant du mélange de ces deux métaux, le problème de la variation de concentration de l'électrolyte se.pose seulemént dans une mesure réduite, de sorte qu'on n'a pas utilisé jusqu'à présent un transvasement ou transfert par pompage de l'électrolyte dans ces systèmes. A l'application de charges extrêmement élevées pendant des temps relativement longss'opposait cependant, comme difficulté principale, l'échauffement intense des accumulateurs déterminé par des effets de polarisation, malgré la résistance interne très faible de ces types de cellules. Cet échauffement ne peut être évacué, dans le cas d'accumulateurs d'un type de construction usuel ou ordinaire, que par rayonnement et convexion. Un autre problème est constitué par -ce -que l'on appelle la charge rapide, qui est actuellement exécutée le plus souvent selon la courbe caractéristique de l'intensité I en fonction de la tension U . On fonctionne alors en général avec une limitation de courant électrique de 3,5 . I5 à 4 .-I-5 jusqu'à une tension de 1,5 V par-cellule ou élément et avec une- charge continuée ou poursuivie consécutive sous cette tension. -Une charge avec des courants électriques d'intensité constante-plus élevée suivant la courbe caractéristique en 1a n'a jusqu'à présent pas été possible en raison chaleurs élevées de résist-ance et de polarisation. On a essayé de surmonter ces difficultés par des dispositifs de refroidissement les plus divers. C'est ainsi qu'il est proposé par exemple dans le brevet américain N0 3.205.096 de fixer ou de rapporter des tales radiantes ou de rayonnement sur l'accumulateur. Une telle structure n'est cependant pas économique en raison du poids et de l'encombrement élevés. Par ailleurs, il a été proposé par exemple de pomper -un liquide de refroidissement non conducteur à travers un système de tubes ou de tuyauteries logé dans les parois des cellules ou éléments et ensuite à travers une échangeur de chaleur. Cette construction également est compliquée et il n'est pas possible, en particulier lors de la charge et de la décharge à des courants électriques de très haute -intensité, d'évacuer ou de dissiper suffisamment rapidement la chaleur dégagée. le but de la présente invention est donc d'éviter les inconvénients de cet agencement connu. Ce but est résolu conformément à l'invention,-danLs le cas d'un accumulateur électrique à électrolyte-transvasé ou transféré par pompage pendant la charge et/ou la décharge, par le fait que l'électrolyte - alcalin, déplacé ou transféré par pompage et refroidi pendant la charge et la décharge, est invariable dans sa concentration et en ce que plusieurs électrodes positives et négatives, de preférence à masse positîye d'hydroxy ou pîa-cée-s côte à côte da,s cet électrolyte, tandis que les espaces ou volumes d'électrolyte éntre les électrodes sont-relåés-eWnsemble par des -canaux et que l'espace d'électrolyte est agrandi ou augmenté du- côté de entrée de la cellule ou de l'élément d'accumulateur. Comme électrodes négatives conviennent aussi des électrodes à masses de fer ou des électrodes à masse active provenant de mélanges de fer et de cadmium. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'accumulateur consiste en un bloc, entièrement enrobé, scellé ou moulé dans de la matière synthétique, d'électrodes minces, de préférence d'électrodes frittées et des conduits ou canaux d'alimentation ou d'amenée et d'évacuation sont aménagés dans ce bloc. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de la structure d'un accumulateur conforme à l'invention et dans lesquels : - la figure 1 représente une vue de dessus- partiellement arrachée d'une cellule ou d'un élément d'accumulateur; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne A-S de la figure 1 à travers plusieurs cellules ou éléments; et - la figure 3 représente une coupe transversale à travers la cellule ou ltélément suivant la ligne C-D de la figure 1; - les figures 4, 5 et 6 représentent graphiquement le comportement d'un accumulateur conforme à l'invention suivant diverses courbes caractéristiques montrant la variation de la tension en fonction du temps pour diverses intensités constantes du courant électrique de décharge; et - la figure 7 est une représentationgaphique montrant les évolutionsrespectives de la capacité en fonction de l'intensité du courant de décharge. Chaque cellule ou élément du type représenté est constitué de la façon suivante Comme plaque de base ou socle sert une plaque poreuse en nickel 1 qui est fabriquée par exemple par le procédé de pressage ou de frittage. Sur cette plaque de base est posée ou appliquée une garniture d'étanchéité en alcool polyvinylique qui est pourvu de parties saillantes ou proéminentes sur sa bordure. Ces parties proéminentes forment, après coulée, scellement ou enrobage du bloc, les voies d'amenée ou d'alimentation d'électrolyte aux espaces d'électrolyte entre les plaques. Dans l'espace enclos par la garniture d'étanchéité est inséré ou posé ungrillage ou treillis de support ou un organe formant entretoise d'écartement ou analogue 12 en matière isolante. Cette entretoise d'écartement ou séparateur peut être constitué par exemple par un village en matière synthétique déployé et allongé ou étiré ou par une plaque de matière synthétique fortement poreuse à pores grossiers. Le séparateur ou l'entretoise d'écartement 12 a seulement pour onction dugmenter la stabilité des groupes de plaques et d'améliorer les conditions d'écoulement dans l'espace compris entre les plaques électrodes. Le montage est ensuite poursuivi avec une électrode négative 2, une garniture d'étanchéité, le grillage ou treillis d'appui 12, ltélectrode positive 3 et ainsi de suite. Au total, trois électrodes positives et trois électrodes négatives sont utilisées dans ce montage; une plaque poreuse en nickel constitue à nouveau la fermeture Ce paquet de cellules ou d'éléments préalablement monté est serré ou comprimé, de sorte que tous les interstices ou fentes entre les plaques électrodes et les garnitures d'étanchéité sont fermés ou obturés. Les bords des électrodes sont ensuite scellés avec de la résine synthétique; les pièces ou têtes de contact des plaques électrodes sont brasées ou soudées au pontetou à la barrette de connexion polaire 4 qui est reconnaissable sur la figure 3 et peut être constituée en cuivre et le bloc entier est ensuite moulé, coulé ou enrobé dans de la résine synthétique 5, de sorte que seuls les plots ou bornes polaires 6 dépassent encore en saillie de la masse coulée, Dans ce bloc sont percés les orifices pour l'alimentation en électrolyte de la cellule. Par assemblage ou montage de plusieurs telles cellules ensemble, on peut réaliser des unités d'accumulateurs de diverses tensions et capacités. Les canaux d'alimentation en électrolyte d'une cellule à l'autre sont alors fermés hermétiquement ou obturés d'une façon étanche vers l'extérieur par des garnitures d 'étanchéité. La garniture d'étanchéité, composée par exemple d'alcool polyvinylique, est lavée ou rincée à l'eau chaude; la cellule est nettoyée de façon à éliminer l'eau de lavage ou de rinçage et raccordée au système d'alimentation en électrolyte représenté, se composant d'un-réservoir delessive alcaline et d'une pompe. Comme électrodes conviennent particulièrement des électrodes en feuilles minces frittées. Il est cependant aussi possible d'utiliser des électrodes pressées ou moulées sous pression. L'écoulement d'électrolyte est représenté schématiquement sur la figure 2. L'électrolyte entre par le passage 7 dans la cellule, est refoulé dans l'espace d'électrolyte agrandi 8 du côté d'entrée de la cellule, pénètre dans le canal collecteur d'électrolyte inférieur 9, traverse les espaces d'électrolyte 10 entre les plaques d'électrodes et sort de la cellule par le canal d'évacuation électrolyte 11. Après arrêt ou mise hors circuit de l'installation de pompage, l'électrolyte s'évacue, en s'écoulant vers le bas, des deux canaux ou conduits supérieurs d'électrolyte 7 et 11 et les cellules ou éléments sont séparées les unes des autres relativement d ltélectrolyte. Cet abaissement d'électrolytè, dans le cas d'un dispositif de pompage ne fonctionnant pas, présente l'avantage que,pour des faibles intensités de courant électrique de charge ou de décharge, temps d'arrêt ou charges de conservation ou d'entretien, les courants parasites restent limités à un minimum et que de ce fait seule une faible autodécharge a lieu. Après lavage ou rinçage de la garniture d'étanchéité, les cellules finies sont formées ou activées de la manière connue, mais des plaques électrodes préformées ou pré activées peuvent aussi être montées. Dans un essai, un accumulateur a plaques minces ou feuilles frittées, constitué de la façon suivante, fut étudié0 i1 accumulateur à plaques minces ou feuilles frittées se composait de dix cellules ou éléments connectés en série avec une capacité nominale moyenne de E5 = 25 Ah. On utilisa respectivement cinq électrodes positives et négatives de 0w8 mm d'épaisseur avec une capacité moyenne de 3,09 Ah/dm2 pour la plaque mince ou feuille frittée positive ou avec une capacité moyenne de 3,99 Ah/dit pour la plaque mince ou feuille frittée négative. Les cellules furent connectées ensemble par l'intermédiaire de barres de cuivre; l'électrolyte étant au repos ou la pompe de circulation étant arrêtée, ltélectrolyte fut abaissé, c'est-à-dire que la lessive alcaline retourna en s' écoulant hors des canaux de -liaison ou de conmunication entre les cellules et les diverses cellules individuelles ne sont plus reliées électriquement entre elles par l'intermédiaire de l'électrolyte Les courantsparasitesentre les cellules sónt de ce fait fortement diminuées et une décharge spontanete élevée pendant les périodes d'arrêt est évitée. L'électrolyte fut pompé ici avec un débit de pompage d'environ 1,29 l/mn ou 77,5 l/h, La lessive alcaline pouvait être refroidie par l'intermédiaire d'un réfrigérant à eau. Des mesures des courants parasites entre les cellules donnèrent des valeurs qui sont pratiquement égales pour la charge, la décharge et le fonctionnement à vide ou à circuit ouvert. On put alors mesurer des intensités de courant pratiquement negli- geables de l'ordre de grandeur de 1;2 à 1,4 mA par cellule ou élément. Sur les figures 4, 5, 6 et 7 est représenté le comportement d'un accumulateur conforme à l'invention se traduisant par diverses courbes caractéristiques. La figure 4 représente l'état de tension moyen de dix cellules ouetéments lors de la charge par diverses intensités constantes de courant de charge variantde 10 x I5 à 25 x Ig Les figures 5 et 6 représentent l'état de tension moyen de dix cellules ou éléments lors de la décharge avec différentes intensités de courant de décharge; à savoir sur la figure 5 pour des intensités de courant de décharge de 20 x 15 à 35 x sur la figure 6 pour des intensités de courant de décharge de 40 x Ig à 60 . Ig . On chargea chaque fois avec une intensité de courant de 5* 55 = 24 A pendant 1 h 12 mn. La figure 7 représente,par la courbe 1,la capacité en fonction de l'intensité du courant de décharge lors d'une décharge jusqu'à une tension de 0,5 V par cellule ou élément. L'accumulateur fut chargé chaque fois avec une intensité de-courant de charge de 5 x I5 = 24 A . La courbe 2 mont-re la capacité prélevée lors d'une décharge à intensité constante avec une intensité de courant de 5 I = 24 A pour différentes intensités du courant de charge; la tension de décharge était chaque fois de 0,5 V par cellule ou élément. Pour des intensités aussi élevées des courants de charge ou de décharge, la dissipation ou l'évacuation possible de la chaleur par convexion et rayonnement ne suffirait pas dans le cas d'accumulateurs classiques pour faire sortir la chaleur dégagée de l'accum*1ateur. Par emploi d'un refroidissement à circulation d'électrolyte, ceci est cependant possible sans difficulté. En particulier, la fixation de b-ulles- -gazeuses dans les especes d'électrol-ytes perla cellule, fut également empêehëe par le pompage de ltélectrolyte. Même pour les intensités les plus élevées des courants de charge, le gaz formé pouvait être évacué ou sorti sans peine de l'accumulateur. Outre cela, une partie non négligeable de la chaleur dégagée, en particulier à la fin de la charge, est évacuée avec ce courant gazeux. En raison du fort dégagement de gaz à la fin de la charge apparaît une certaine décantation ou un certain lavage ou débourbage de la masse activeK Une perturbation du fonctionnement des accumulateurs par ce débourbage ou lavage ou c ette décantation nta pu cependant pas être observée, Le boue fut complètement éliminée de l'accumulateur par la circulation 4'électrolyte. les particules de masse active se déposèrent alors sur le fond du réservoir ou récipient d'emmagasinage d'électrolyte. Par montage d'un filtre approprié dans le circuit d'électrolyte, cette masse active débourbée pouvait facilement être éliminée. Par l'application du principe d'un refroidissement de î'électr.olyte par pompage lors de la charge et de la décharge, il devenu possible, dans le cas d'accumulateurs alcalins du type de construction moulé, enrobé ou coulé, qui possèdent des électrodes à plaques minces frittées, d'utiliser des intensités élevées et extrêmement élevées de courant de charge ou de décharge sans que la surchauffe, apparaissant dans les accumulateurs classiques et qui détruit l'accumulateur, ne se produise. On a pu fonctionner avec des intensité de courant de charge atteignant 25 . 15 , c'est-à-dire avec un courant d'une durée de 12 minutes et avec un courant de décharge d'une intensité atteignant 60 . c 'est-à-dire avec un -courant de décharge durant 5 minutes. lors de la charge à intensité de courant constante, on charge dans le temps le plus court approximativement 96 à 97 fo de la capacité nominale au régime de 5 heures, lors de l'emploi d'une intensité de courant d'environ 5 . 15 ou encore environ 83 à 84 Xo de la capacité nominale au régime de 5 heures lors de l'utilisation d'une intensité de courant de 25 . 15 . Le fort dégagement gazeux, se produisant à la fin de la charge, n'agit alors pas d'une façon perturbatrice sur le processus ou phénomène de charge, car les bulles gazeuses sont évacuées d'une façon continue par le pompage. Lors de charges à haute intensité de courant, on a pu prélever, à un accumulateur conforme l'invention, 65 I5 et 100 56 de la capacité au régime de 5 heures pour une intensité de courant de décharge de 5 . I5 . Ces valeurs sont valables pour des décharges jusqu(à une tension de- décharge de 0,5 V par cellule ou élément. Le débourbage de la masse active est seulement très faible et, comme cela a déjà été indiqué ci-dessus, la boue se laisse facilement éliminer, de sorte qu'un danger ou risque de court-circuit par accumulation ou rassemblement de la boue dans les cellules d'accumulateurs, est exclu. Même la formation de ponts de cadmium, qui est favorisée dans l'électrolyte au repos des accumulateurs usuels, est évitée par le pompage de l'électrolyte. Les courants parasites, apparaissant obligatoirement dans le type de construction décrit, ont pu être maintenus, en particulier par les mesuresde construction suivantes, à une valeur extrêmement faible. Dans ce but, chaque cellule fut précédée par une chambre d'électrolyte étroite, qui possède une résistance électrique élevée, mais une faible résistance à l'écoulement. Les canaux d'électrolyte et les évidements d'entrée aux diverses cellules individuelles furent limités à des sections transversales les plus faibles possible et la communication d'électrolyte d'une cellule à l'autre fut interrompue par abaissement du niveau ou de la surface libre de l'électrolyte lors de l'arrêt. Cette mesure est en particulier avantageuMe lorsque l'accumulateur reste un temps prolongé sans fonctionner en charge ou quand seulement des courants d'intensité très réduite lui sont prélevés. Par la suppression d'un espace gazeux libre au-dessus des plaques d'électrolyte, l'encombrement ou le poids supplémentaire, nécessité par le dispositif de pompage et le réservoir d'électrolyte,est largement surcompensé. On obtient une économie ou un gain de volume de 30 à 35 % et un gain de poids ou allègement d'environ 20 ffi par rapport aux accumulateurs classiques. Par ailleurs, la supression des intervalles d'air usuels entre les bacs d'éléments, tels qu'ils sont nécessaires dans là construction classique en raison de la dissipation de chaleur améliorée par convexion, conduit également à une diminution considérable du volume. Enfin, l'entretien d'un accumulateur à circulation d'électro- lyte à travers un réservoir d-'électrolyte central est très simplifié. L'électrolyte peut être facilement éliminé et le maintien de la quantité nécessaire d'électrolyte est facile à contraler. Bien entendu, ltinvention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens oonsti- tuant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de 1' invention0 REVENDICALONS 1o- accumulateur électrique du type à électrolyte transféré par pompage pendant la charge et/ou la décharge, caractérisé en ce que ltélectrolyte alcalin, transféré par pompage etzfroidi pendant la charge et la décharge, est invariable dans sa concentration et en ce que dans cet électrolyte, plusieurs électrodes positives et négatives, de préférence à masses positives d'hydroxyde de nickel et à masses négatives de cadmium, sont disposées côte à côte, en ce que les espaces d'électrolyte entre les électrodes sont reliés par des canaux ou analogues et en ce que l'espace d'électrolyte, sur le côté d'entrée de l'accumulateur, est agrandi. 2.- Accumulateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un bloc complètement coulé, moulé ou scellé dansdelamatière synthétique et se composant d'électrodes minces, de préférence dblectrodes en plaques minces ou feuilles frittées ou analogues, lequel bloc contient des canaux ou conduits d'amenée d'évacuation d'électrolyte 3.- Accumulateur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des entretoises d'écartement, séparateurs ou analogues en matière isolante sont disposés entre les plaques électrodes. 4.- Accumulateur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que,dans le bloc précité en matière synthétique, est aménagé un conduit traversant d'amenée d'électrolyte qui est en communication avec une préchambre de l'élément d'accumulateur et avec un canal collecteur d'électrolyte relié aux espaces d'électrolyte précités entre les plaques électrodes précitées et en ce que de préférence à l'opposé ou en face dudit canal collecteur d'électrolyte est disposé un canal d'évacuation d'électrolyte se trouvant également en communication avec lesdits espaces d'électrolyte entre lesdites plaques électrodes0 5.- Procédé de mise en oeuvre d'un accumulateur électrique selon l'une des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que, pendant les périodes d'arrêt ou lors de la charge de conservation ou d'entretien, l'électrolyte précité est abaissé en dessous du canal précité d'évacuation d'électrolyte.