Brevet FR2013890A1 — publié le 19700410

La présente invention se rapporte d'une manière générale aux cadres d'étanchéité et concerne plus particulièrement des cadres de séparation destinés à une batterie au plomb à cadres juxta- posés. On connatt les batteries au plomb à cadres Juxtaposés. Ces batteries comprennent des électrodes bipolaires en feuilles de plomb, Juxtaposées entre des cadres d'étanchéité en caoutchouc en forme de U. Ces batteries sont généralement ouvertes à leur partie supérieure et sont remplies d'un électrolyte Jusqu'à 90 de la hauteur des électrodes. L'avantage d'une batterie de cette sorte réside en ce qu'elle peut supporter un débit de puissance très élevé pendant quelques millisecondes; toutefois, elle présente l'inconvénient que 25% de la charge peuvent eAtre débités par la batterie en 1 espace de 20 millisecondes. Les récentes modifications apportées à la formation de la matière active de ces électrodes bipolaires en feuilles ont porté cette durée de décharge de quelques millisecondes à quelques secondes. A la suite de cette amélioration récente, apportée aux électrodes bipolaires au plomb, il est apparu que ces batteries peuvent être aisément adaptées en vue de leur emploi dans les équipements spéciaux qui exigent des impulsions de courant de grande intensité pendant de brèves périodes, par exemple les générateurs de sonar et d'arcs électriques. Ces batteries au plomb à cadres Juxtaposés doivent d'autre part Aetre maintenues à l'état chargé, afin d'éviter une perte d'activité par sulfatation, laquelle consiste en une croissance de grands cristaux inertes de sulfate de plomb. Etant donné que les systèmes de sonar absorbent de la puissance par intermittence- c'est-à-dire qu'on leur applique des impulsions plusieurs fois par minute, pendant une durée de- une à cinq secondes,- la batterie peut être maintenue à l'état chargé, en la chargeant dans l'intervalle des impulsions. Ainsi, une batterie d'accumulateurs au plomb à cadres Juxtaposés, ou un autre dispositif électrique d'accumulation comportant une batterie au plomb à cadres Juxtaposés constitue le système le plus favorable qui puisse être incorporé dans une source de puissance impulsionnelle. Toutefois, étant donné qu'un grand nombre d'éléments doivent être connectés en série pour produire la tension nécessaire dans la batterie bipolaire au plomb, l'ensemble de la batterie risque de devenir très volumineux. D'autre part, dans une batterie au plomb à cadres juxtapo sés, le gaz engendré par la réaction électrochimique qui se produit dans la batterie doit être évacué de l'élément, ce qui empeche d'obturer la batterie d'une manière hermétique. Il est évident que si l'on ne peut pas obturer la batterie, on se trouve en présence du problème des proJections de l'électrolyte corrosif hors des éléments, à moins que la batterie soit maintenue à peu près à niveau. De plus, étant donné que ces batteries contiennent généralement un certain nombre d'éléments connectés en série en vue de produire la tension de sorte désirée, ltélectrolyte de chaque élément doit Atre isolé de celui contenu dans les éléments voisins, afin d'empêcher le court-circuitage des éléments. Ceci augmente évidemment le volume des batteries. Dans ces batteries au plomb connues à cadres Juxtaposés, l'électrolyte recouvre environ 90% de la surface des plaques, étant donné la tendance de 1'électrolyte à produire des bulles et à touillirpendant la charge et la décharge de la batterie. Toutefois lorsque la batterie doit astre utilisée dans un sous-marin, où 1'é- conomie de l'espace est primordiale, la batterie doit être aussi peu encombrante et aussi efficace que possible. Ainsi, il est souhaitable que l'électrolyte recouvre toute la surface de plaque de I télectrode bipolaire. Le bouillonnement de l'électrolyte crée une présence de liquide et de gaz dans la partie supérieure de 1élément. Pour éviter une perte de rendement en quantité de la batterie, l'électroly te liquide doit pouvoir retourner à l'élément, alors que le gaz peut s'échapper hors de celui-ci. On a maintenant trouvé un cadre d'étanchéité perfectionné qui résout les problèmes auxquels se heurtait dans la technique antérieure l'établissement d'une batterie peu encombrante, efficace et ventilée et, dans une certaine mesure, exempte de proJections-. En résumé, l'invention comprend un cadre d'étanchéité des tiné à séparer et à contenir les plaques bipolaires individuelles deune batterie à cadres Juxtaposés, ce cadre comprenan-t un corps pratiquement plan qui présente : une zone intérieure-destinée à recevoir une électrode bipolaire, un électrolyte et-une plaque de séparation, une seconde zone intérieure pour la séparation-du gaz contenu dans l'électrolyte d'avec le liquide; et un réservoir à électrolyte relié par un canal à haute résistance à l'écoulement à la zone intérieure située entre l'électrode et les plaques de séparation. Lorsque les cadres sont Juxtaposés cotte à côte,- ils forment des joints pour les bords des électrodes et limitent d'autre part des chambres à électrolyte. La figure 1 est une vue perspective montrant une batterie à cadres juxtaposés qui contient un certain nombre d'éléments, des cadres d'étanchéité étant juxtaposés côte à côte, de manière à retenir les électrodes en forme de feuilles. La figure 2 est une vue en élévation antérieure montrant une forme de réalisation particulièrement favorable du cadre d'é- tanchéité suivant la présente invention. La figure 3 est une vue latérale en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2; et La figure 4 est une vue en élévation frontale d'une variante de réalisation de la garniture d'étanchéité suivant la présente invention. Dans la figure 1, à laquelle on se reportera ci-après, le chiffre de référence 10 désigne l'ensemble d'une batterie au plomb à éléments Juxtaposés, qui comprend un récipient ou bac i1 contenant une électrode au plomb positive 12 à une de ses extrémités et une électrode au plomb négative 13 à son extrémité opposée. Les électrodes terminales peuvent présenter une forme identique-à celle des électrodes bipolaires contenues dans la batterie, mais ne doivent porter de matière active que sur une de leurs faces. A titre de variante, les électrodes terminales peuvent être d'une structure plus robuste que les électrodes intérieures, pourvu que leurs faces intérieures soient conformées en vue de s'adapter aux faces de fermeture des cadres d'étanchéité. A l'électrode au plomb 12 est connecté un fil 14, tandis qu'un fil 15 est connecté à l'électrode au plomb 13. Ces deux fils conducteurs amènent de la puissance à un dispositif extérieur. Les cadres d'étanchéité suivant la présente invention sont situés entre l'électrode 12 et l'électrode 13 et sont désignés par le chiffre de référence 17. Dans les figures 2 et 3, auxquelles on se reportera ciaprès, le chiffre de référence 20 désigne l'ensemble du cadre d'étanchéité suivant l'invention, qui sert à contenir les éléments individuels de la batterie au plomb à cadres juxtaposés. Le cadre d'étanchéité est constitué, sous une forme rectangulaire en un matériau qui se présente sous une forme pratiquement plane, par exemple le terpolymère éthylène-propylène, mais n importe quel matériau suffisamment rigide , élastique et non conducteur, et qui résiste à l'électrolyte corrosif, pourrait Aetre employé. La forme rectangulaire du cadre d'étanchéité permet d'utiliser au maximum l'espace intérieur de la batterie, tout en déterminant une forme extérieure qui permet de loger la batterie avec un encombrement minimum parmi d'autres appareils. Le cadre d'étanchéité 20 comprend une cavité formant une chambre de libération ou de séparation 21, une cavité formant réservoir à électrolyte 22, un canal de remplissage 23 à haute résistance à l'écoulement-et une région intérieure 24 destinée à une plaque de séparation 31 et à une - électrode bipolaire 35 de la batterie au plomb à cadres Juxtaposés. Ni la cavité du réservoir 22 ni le canal de remplissage 23 ne traversent le cadre d'étanchéité de part en part, mais-sont constitués de manière à former des espaces pratiquement clos lorsqu'ils sont Juxtaposés à un cadre présentant une surface plane. Dans la région intérieure 24 du cadre est prévue une surface marginale 30 formée par un évidement pratiqué dans le cadre 20 et destinée à recevoir la plaque de séparation 31. La plaque de séparation 31 est constituée en un papier non conducteur imprégné de résine phénolique. Cependant, les plaques de séparation pourraient être constituées en d'autres matériaux, le papier imprégné de résine phénolique n'ayant été cité qu'à titre indicatif. Le Iong de la plaque de séparation 31 sont prévues longitudinalement une série de nervures 32, qui maintiennent la plaque de séparation 31 à l'écart de l'électrode 35, déterminant ainsi, entre la plaque de séparation 31 et l'élec- trode 35, une zone pour l'électrolyte. Les dimensions normales pour les-nervures sont de 0,45 mm sur 0,6 mm environ avec une distance de 12,7 mm de centre en centre. Il s'agit seulement de dimensions normales des nervures de la plaque -de séparation, dimensions citées uniquement à titre indicatif. Une seconde surface 36, qui est située extérieurement par rapport à -la surface marginale 30 et qui représente un évidement moins profond que cette dernière, supporte l'électrode bipolaire 35, La figure 1 représente un certain hombre -de--ces Cadres d'étanchéité juxtaposés et contenant des électrodes-et des séparateurs emboftés, de manière à constituer une batterie complète, Chaque cadre d'étanchéité forme un compartiment à éleetrolyte pour un élément et s'applique intimement contre les faces opposées d'éélectrodes voisines, pour empêcher les fuîtes d'électrolyte. Avant la mise en service de la batterie, un opérateur remplit la zone intérieure d'électrolyte, en versant ce dernier dans le réservoir à électrolyte 22, à travers un orifice 51. Cet électro lyte se dirige vers la région intérieure, en contournant ltélec- triode, à travers le canal 23. Pendant la charge et la décharge de la batterie, le liquide et le gaz s'élèvent à travers un premier canal 40 et un second canal 41, pour atteindre la chambre de libération 21. Le gaz contenu dans la chambre de libération 21 se sépare, et s'échappe à travers l'ouverture 42, en contournant la saillie 43, puis à travers un trou d'évent 44, tandis que le liquide s'écoule vers le réservoir à él-ectrolyte 22 à travers l'ou- verture 42, pour retourner dans la zone intérieure à travers le canal 40 et le canal 41. Le canal 40 et le canal 41 présentent une largeur de 1,5 mm environ. La raison pour laquelle on a prévu entre la zone intérieure et la chambre de libération 21 deux canaux plutôt qu'un seul canal large réside en ce que, lorsque les cadres d'étanchéité de la batterie sont assemblés en juxtaposition, on doit les soumettre à une pression, afin d'assurer un Joint étanche autour des bords de l'électrode logés dans le cadre. Par conséquent, si le canal était plus large, la matière constitutive de la garniture aurait une tendance à fléchir vers l'intérieur et à occuper partiellement le canal, réduisant ainsi la section effective pour le passage de 1"6lectrolyte vers la chambre de séparation 21 et hors de celle-ci. Bien qu'il soit préférable de prévoir deux canaux, il est évident qu'un seul canal assurerait également le fonctionnement, mais il devrait etre beaucoup plus large. Il est donc avantageux de prévoir deux canaux séparés, de façon que la-garniture ne subisse qu'une faible flexion et que le liqui- de puisse retourner à travers un canal, pendant que le gaz s'échappe par l'autre. Immédiatement en aval de la chambre de libération 21 se trouvent une saillie 43 et un trou d'évent 44. La saillie 43 dirige vers le bas, vers le réservoir 22-, l!4lectrolyte liquide qui déborde, en bouillonnant, de la chambre de libération 21. Simultanément, le gaz, indésirable, peut être évacué -à l'extérieur à travers le trou d'évent 44. Dans le cas où du gaz serait emprisonné dans le- réservoir à électrolyte 22, il pourrait s'échapper à travers le trou d'évent 52, prévu dans la garniture 20. L'électrolyte liquide contenu dans le réservoir à é-lectrolyte 22 s'écoule vers la zone intérieure à travers-le canal 23, lequel présente une portion 50 incurvée vers le haut. Le long canal 23 constitue un traJet à haute résistance à l'écoulement, de sorte que dans le cas où un certain nombre-d'éléments possèdent un réservoir à électro lyte commun, il n'y aurait qu'une faible perte de courant, étant donné la résistance élevée à l'écoulement qu'oppose le canal étroit 23. La portion 50 incurvée vers le haut emprisonne de l'électrolyte liquide et empêche le gaz de s'échapper à travers le canal 23, au lieu de passer par la chambre de libération 21. L'ouverture 51 donnant accès au réservoir à électrolyte 22 occupe une position médiane dans le cadre 20, car ceci permet d'incliner la batterie au maximum sans que l'électrolyte soit amené à s'écouler hors des éléments. D'autre part, l'ouverture 51 forme un évidement au-dessous de l'extrémité supérieure du cadre d'étanchéité, de sorte que lorsqu'un certain nombre de cadres sont Jux- taposés, ils présentent une auge de remplissage communermettant l'écoulement de l'électrolyte vers les ouvertures telles que 1 1ou verture 51-. Etant donné qu t un certain nombre de ces cadres d'étanchéité sont Juxtaposés pour former une batterie au plomb à cadres multiples Juxtaposés, on doit prévoir des moyens pour permettre l'enfi- chage mutuel précis des cadres, afin d'assurer un alignement correct. Ainsi, on prévoit à l'avant du cadre 20 une languette 55, une languette 56 et un bossage 57. Sur la face arrière du cadre 20 sont prévues, directement en regard des languettes 55 et 56 et du bossage 57, trois cavités, dans lesquelles les trois saillies 55, 56 et 57 s'aJustent intimement, assurant ainsi un alignement correct et empêchant fa la rotation et les mouvements des cadres les uns par rapport aux autres. Bien que le cadre d'étanchéité suivant l'invention ait été décrit à propos d'une batterie au plomb à cadres Juxtsposés, il est évident qu'il pourrait être utilisé avec des batteries autres que celles au plomb. D'autre part, le cadre d'étanchéité suivant l'invention peut être mis en oeuvre avec des batteries qui ne sont pas appelées à débiter du courant par impulsions. Dans la figure 4 > à laquelle on se reportera ci-après, le chiffre de référence 60 désigne une variante d'exécution d'un cadre d'étanchéité pour une batterie au plomb à cadres Juxtaposés. Le cadre 60 comprendsune zone intérieure 61 qui présente une surface marginale 62 formée par évidement et destinée à recevoir une plaque de séparation, ainsi qu'une surface 63, constituée par un évidement moins profond et destinée à recevoir une électrode d'une batterie au plomb à cadres Juxtaposés. Un premier canal 68 et un second canal 69 communiquent d'une part avec la zone intérieure 61 et d'autre part avec une chambre de libération 20. Ces canaux permettent à l'électrolyte liquide bouillonnant de pénétrer dans la chambre de libération 70 et permettent au liquide de retourner à ltélément. Le liquide expulsé à travers le trou d'évent à gaz 71 déborde vers un réservoir à électrolyte commun 73. Ce réservoir à électrolyte commun 73 ne constitue évidemment pas la solution la plus avantageuse pour une batterie à éléments multiples, par ce qu'il donne lieu à certaines pertes de courant d'élément à élément à travers l'électrolyte. Pour empêcher que les pertes de courant ne deviennent excessives, on prévoit un long canal de remplissage 74, qui constitue un trajet d'électrolyte à haute résistance à l'écoulement et relie le réservoir à électrolyte 60 à l'espace compris entre les plaques de séparation et l'électrode. Tout en n'étant pas aussi efficace que le cadre 20 et n1em pêchant pas les projections comme ce dernier, le cadre 60 comporte une chambre de libération de gaz, un réservoir à électrolyte et un canal à haute résistance à I'écoulement, de sorte que la batterie au plomb à cadres juxtaposés peut être établie en vue de certaines applications limitées. D'autre part, le cadre 60 présente un bossage 80, une languette 81 et un bossage 82, qui s'engagent dans des évidements prévus sur la face postérieure du cadre voisin. -REVENDICATIONS- 1. Cadre d'étancheité destiné à une batterie,caractérisé en ce qu'il comprend:un corps pratiquement plan présentant une zone intérieure pouvant recevoir une plaque de séparation,une électrode et un électrolyte;une première région creuse située dans ledit corps plan et destinée à recevoir l'excès d'électrolyte sous la forme d'un gaz et d'un tiquide;un premier canal situé dans ledit corps et en communic-ation avec ladite zone intérieure et ladite première zone creuse;une seconde zone creuse située dans ledit corps et destinée à recevoir et à maintenir l'électrolyte;et un second canal situé dans ledit corps et constituant un trajet à haute résistance à l'écoulement entre ladite seconde zone concave et la dite zone intérieure. 2. Cadre d'étanchéité suivant la revendication l,caractérisé en ce qu'un troisieme canal,situé dans ledit corps plan,a & sure une communication entre ladite première zone concave et ledit premier réservoir à électrolyte, de sorte que l'électrolyte liquide en excès s'écoule vers ledit réservoir. 3. Cadre d'étanchéité suivant la revendication 2,caractérisé en ce oue ledit corps comprend un trou d'évent pour l'évacuation du gaz engendré par la charge et la décharge de ladite batterie. 4.Cadre d'étanchéité suivant la revendication l,caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour apparier et aligner ledit cadre avec un cadre disposé de la même manière. 5.Cadre d'étanchéité suivant la revendication l,caractérisé en ce que ledit canal à haute résistance à l'écoulement longe le cadre et s'incurve vers le haut,pour aboutir à la zomeintérieu- re dudit eadre,de manière à empêcher le gaz de passer à travers ledit canal à haute résistance à l'écoulenent. 60Cadre d'étanchéi'é suivant la revendication l,c actérisé )en ce que ledit corps présente un canal pourvu d'une saillie et reliant ladite première zone concave à- ladite seconde zone concave,de telle iaamière que ledit électrolyte est forcé à s'écouler vers ledit réservoir. 7.Cadre d'étanchéité suivant la revendication l,caractérisé jen ce que ledit corps comprend un orifice pour l'alimentation du dit cadre en électrolyte. 80 Cadre d'étanchéité suivant la revendication 7,caractérisé en ce que ledit orifice occupe une cosition médiane par rapport audit cadreede manière à réduiSe au minimum les projections d'é- lectrolyte lorsque la batterie est basculée d'un c8té à l'autre.