Brevet FR2115211A1 — publié le 19720707

• 2115211 La présente invention a trait aux accumulateurs et piles électrochimiques à action différée, connus également sous le nom de piles ou accumulateurs de réserve. Dans le cadre de la présente description, ces dénominations s'étendront à toute pile ou ac-5 cumulateur dans lesquels, préalablement à la mise en état de fonctionnement ou activation, un liquide d'activation (solvant ou solution électrolyte) est maintenu séparé de certains autres constituants de la pile ou de l'accumulateur, de sorte qu'aucun potentiel électrique ne soit engendré jusqu'à ce qu'on donne au liquide 10 accès aux autres constituants pour lui faire former avec eux un système électrocllimiquement actif. L'invention a trait d'une façon plus particulière aux accumulateurs ou piles à action différée du genre comportant un compartiment d'activation et un compartiment électrochimique séparés 15 par une paroi que l'on peut rompre ainsi qu'un dispositif permettant de "briser ou de perforer cette paroi pour établir un passage de fluide depuis le compartiment d'activation jusqu'au compartiment électrochimique, le compartiment d'activation étant divisé par une paroi mobile en deux chambres séparées dont la première 20 contient une certaine quantité de liquide d'activation en contact avec la paroi frangible et dont la seconde contient un gaz sous pression propre à forcer l'écoulement du liquide d'activation dans le compartiment électrocliimique lors de la rupture de la paroi perforable précitée, c'est-à-dire lors de 1'activation de l'accu-25 mulateur ou de la pile, de façon à assurer une distribution rapide et complète du liquide d'activation dans le compartiment élec-trochimigue. Bans les piles et accumulateurs de ce genre connus jusqu'à présent, la pression de vapeur dans la première chambre, qui va-50 rie en fonction de la température, agit comme une contre-pression par rapport à la pression gazeuse dans la seconde chambre, de sor->-te que l'efficacité de la pression gazeuse pour expulser le liquide de la première chambre diminue lorsque la température augmente. La présente invention permet de supprimer cet inconvénient, 35 et, selon l'invention, la seconde chambre contient en outre à cet effet une faible quantité du liquide d'activation, qui sert à maintenir dans la seconde chambre une pression de vapeur sensiblement égale à selle régnant dans la première chambre 0 Les caractéristiques et avantages de la présente invention ^0 ressortiront d'ailleurs de la description donnée ci-après à titre —Ç" H ! (2i IJ | 71 41123 2115211 d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels : Fig. 1 représente un premier mode de réalisation d'un accumulateur à action différée selon l'invention, en coupe transversale avant activation ; 5 Fig. 2 représente l'accumulateur de la figure 1 après acti vation ; Fig. 3 représente un second mode de réalisation d'un accumulateur à action différée selon l'invention, en coupe transversale avant activation ; et ^ î"ig. 4 représente un troisième mode de réalisation d'un ac- cumultateur à action différée selon l'invention, en coupe transversale avant activation» Sur toutes les figures, les organes ou éléments homologues sont désignés par des repères numériques identiques. 15 Ou se référera tout d'abord à la figure 1, qui représente un accumulateur à action différée comportant un "boîtier cylindrique 10 hermétiquement clos, qui est fermé à l'une de ses extrémités par un couvercle 11 et à l'extrémité opposée par une plaque terminale 12. Le couvercle 11 présente un orifice de remplissage ob-20 turé 11a, dont le "but apparaîtra plus loin. La plaque 12, constituée d'un matériau électriquement isolant, porte les bornes électriques de sortie positive et négative 43 et 44 de l'accumulateur. Une paroi étanche rigide 14 sépare le boîtier cylindrique 10 en deux compartiment^ à savoir un compartiment électrochimique 15 ou 25 compartiment d'accumulateur et un compartiment d'activation 16. La cloison étanche 14 présente un orifice central 17 permettant d'établir un passage entre le compartiment d'activation 16 et le compartiment électrochimique 15, Un diaphragme 18 est disposé à l'intérieur de l'orifice 17 de façon à fermer le passage jusqu'au 30 moment où l'on désire la mise en état de fonctionnement ou activation de l'accumulateur. Le diaphragme 18 est en verre et peut donc être brisé sous l'effet d'un choc. Une cuvette réservoir rétractable 20 contenant un électroly-te liquide est montée à l'intérieur du compartiment d'activation 35 16, et son extrémité ouverte est fermée de façon étanche par la cloison 14, de sorte que, lors de la compression de la cuvette 20, l*électrolyte liquide ne puisse s'écouler que par l'orifice 17 pour pénétrer dans le compartiment électrochimique 15, le diaphragme 18 ayant été préalablement rompu. 40 Le compartiment électrochimique 15 contient un certain #AD ORIGINAL 71 41123 2115211 nombre d'éléments d1 accumulateur 40. Les éléments sont disposés autour d'une colonne centrale, coaxiale au "boîtier cylindrique 10, et qui s'étend sur toute la hauteur du compartiment 15. La colonne centrale présente un alésage qui s'étend sur toute la lon-^ gueur du compartiment 15, depuis l'orifice 17 de la cloison étanche 14 jusqu'à la plaque terminale 12» Il est prévu une pluralité d'ouvertures 41 reliant la colonne centrale aux éléments individuels 40 de l'accumulateur, ce qui permet au liquide de s''écouler à partir de l'orifice 17 pour traverser l'alésage de la colonne 10 centrale ainsi que les ouvertures 41 pour pénétrer dans les éléments 40, qui sont montés électriquement en série et forment un empilement* La "borne 43 est reliée par un conducteur à l'extrémité supérieure de l'empilement d'éléments, tandis que la "borne 44 est reliée à l'extrémité inférieure de cet empilement. 15 La plaque terminale 12 présente en son centre un second alé sage 30 qui est aligné avec l'alésage de la colonne centrale et présente un diamètre légèrement plus faible que celui de l'alésage de la colonne centrale. "CJne "bille 31 en acier inoxydable est coincée dans l'alésage 30; son diamètre est très légèrement supé-2D rieur à celui de l'alésage 30, de sorte que son ajustement est très serré et qu'il faut une force importante pour la déloger de l'alésage 30. Le centre de la bille 31 est aligné avec le centre du diaphragme 18 le long de l'axe de la colonne centrale. La plaque terminale 12 est pourvue d'une cavité destinée à recevoir une 25 faible quantité de matière explosive 33 en arrière de la bille 31, c'est-à-dire du côté de la plaque 12 qui est opposé au diaphragme 18. La matière explosive 33 est maintenue dans la cavité par un capuchon 34 recouvrant cette dernière. La matière explosive 33 est du type détonant par percussion sous l'effet d'un choc 30 mécanique contre le capuchon 34. On pourrait cependant provoquer la détonation de la matière explosive par un autre procédé, à l'aide d'un détonateur électrique par exemple. Un électrolyte liquide est emmagasiné dans la cuvette 20. Le reste du compartiment d'activation 16, extérieurement à la cuvet-35 te 20, est occupé par un gaz 60 sous pression. Un tel gaz est de préférence un gaz inerte tel que l'argon, afin d'éviter d'éventuelles réactions entre le gaz et les constituants de l'accumulateur avec lesquels il pourrait entrer en contact. La pression du gaz est suffisamment élevée pour que, lors de la perforation 40 du diaphragme 18, la' cuvette 20 soit écrasée sous l'effet de la 71 41123 2115211 pression et que l'électrolyte qu'elle contient soit chassé à travers le passage 17 vers l'intérieur du compartiment électrocliimique 15« Une faible quantité de solvant électrolyte liquide 61 est également placée dans le compartiment d'activation 16 à l'exté-c; rieur de la cuvette 20. Le but de la présence de ce solvant électrolyte 61 est de compenser l'effet de la pression de vapeur d'électrolyte lors de la mise en état de fonctionnement ou activation de l'accumulateur. La pression de vapeur de l'électrolyte varie en fonction de la température et exerce une action antago-10 niste par rapport à celle de la pression de gaz requise pour comprimer la cuvette 20. La faible quantité de solvant électrolyte 61 placée dans le compartiment d'activation 16 à l'extérieur de la cuvette 20 fournit une pression de vapeur de compensation de l'effet de température, de sorte que les pressions d'activation 15 nécessaires peuvent être rendues plus basses, ce qui permet une activation plus rapide et une dépendance beaucoup plus faible du temps d'activation par rapport à la température. La figure 2 illustre l'accumulateur de la figure 1 après activation, c'est-à-dire après écrasement de la cuvette 20 et péné-20 tration de 1 ' électrolyte dans le compartiment électrocliimique ou compartiment d'accumulateur 15. Les figures 3 et 4 illustrent deux autres modes de réalisation de l'invention, dans lesquels la paroi mobile à l'intérieur du compartiment d'activation 16 est réalisée sous forme de souf-25 flet. Sur la figure 3, un soufflet 50 est monté d'une façon similaire à la cuvette 20 de la figure 1. Préalablement à 1'activation le soufflet est dans sa configuration dilatée, et son extrémité ouverte est montée de façon à faire face à la cloison étanche 14. L'activation s'effectue par perforation du diaphragme 18 et com-30 pression du soufflet 50. Le gaz sous pression 60 remplit la partie de l'espace intérieur du compartiment d'activation 16 qui est extérieure au soufflet 50» Une faible quantité de solvant électrolyte liquide 61 est placée dans le compartiment d'activation 16 à l'extérieur du soufflet 50 afin de procurer l'effet de compen-35 sation de pression en fonction de la température précédemment décrit en référence aux figures 1 et 2. Dans la figure 4, la position du soufflet 55 est inversée par rapport à celle du soufflet 50 de la figure 3* Au lieu d'être montée au droit de la cloison étanche 14, l'extrémité ouverte du 40 soufflet 55 est fixée au couvercle 11. L'électrolyte liquide 71 41123 * 5 2115211 d'activation est emmagasiné'dans le compartiment d'activation 16 à l'extérieur du soufflet 55. Le soufflet 55 renferme le gaz 60 • sous pression ainsi que la faible quantité de solvant électrolyte 61 destinée à produire l'effet de compensation de température. 5 On va maintenant décrire la mise en service ou activation et le fonctionnement de l'accumulateur de la figure 10 L'application d'ion coup sec, par exemple à l'aide d'un percuteur, sur la région centrale du capuchon 34 provoque la détonation de la matière explosive 33. L'explosion donne lieu à une surpression considérable 10 à l'arrière de la bille 31 j ce qui permet à cette dernière de vaincre la force de friction la maintenant dans l'alésage 30o La bille 31 en est par conséquent éjectée. Elle traverse la colonne -centrale du compartiment électrochimique 15 et frappe-le diaphragme 18 en provoquant àa rupture» La rupture du diaphragme 18 ouvre 15 le passage 17 entre le compartiment 16 et le compartiment 15, ce qui permet à l'électrolyte de pénétrer dans le compartiment électrochimique. La rupture du diaphragme 18 produit une brusque diminution de pression à l'intérieur de la cuvette compressible 20, et la pression du gaz 60 à l'extérieur de la cuvette 20, pression 20 qui devient alors supérieure à la contre-pression de l'électrolyte dans la cuvette 20, provoque la compression de cette dernière et l'expulsion de l'électrolyte vers l'intérieur du compartiment électrochimique 15. La partie de la contre-pression dans la cuvette 20 qui est due à la pression de vapeur de l'électrolyte est 23 neutralisée par la faible quantité de solvant électrolyte liquide 61 situé dans le compartiment 16 à l'extérieur de la cuvette 20, et il en résulte une forte réduction du temps d'activation de l'accumulateur ainsi que de la dépendance entre le temps d'activation et la températureo 30 Le fonctionnement de l'accumulateur illustré par la figure 3 est similaire à celui de l'accumulateur des ïigures 1 et 2, le soufflet 50 étant comprimé par le gaz 60 pour déplacer l'électrolyte vers l'intérieur du compartiment 15. Le fonctionnement de l'accumulateur de la figure 4 n'est dif-35 férent que par le fait que la pression s'exerçant sur l'électrolyte liquide du compartiment d'activation 16 est transmise par l'intermédiaire du soufflet dilatable 55* Le moyen employé de préférence pour briser le diaphragme 18 est, comme précédemment décrit, constitué par une bille métalli-40 que 31 chassée par une charge explosive. On pourrait cependant 71 41123 6 2115211 faire appel, à cet effet, à des moyens différents. Les avantages de l'invention sont particulièrement manifestes lorsqu'on utilise une solution électrolyte à tension de vapeur élevée telle que l'ammoniaque liquide. Par exemple, la tension de 5 vapeur de l'ammoniaque liquide est d'environ 36 kg/cm à + 74°G. Des pressions de vapeur aussi élevées affectaient jusqu'à présent de façon très néfaste le temps d'activation des piles et accumulateurs à action différée. On a relevé les performances d'un accumulateur conforme aux dispositions illustrées par la figure 3 10 et faisant appel à un électrolyte à ammoniaque liquide. L'accumulateur avait les caractéristiques suivantes : tension nominale: 28 Y courant : 200 mA à 24 V-MRV durée: 200 secondes 15 dimensions diamètre 5»1 cm, longueur 5j1 cm On a injecté une faible quantité d'ammoniaque liquide (de 2,5 à 3,0 cc dans le mode de réalisation de la figure 3) dans le compartiment d'activation 16 à l'extérieur du soufflet 50, suffisante pour maintenir la pression de vapeur de l'ammoniaque après 20 activation à 74°C. On a constaté que la pression de vapeur de l'ammoniaque liquide située dans l'espace extérieur au soufflet 50 "suivait" convenablement dans un domaine de température compris entre -54 et +74°G, et qu'une faible pression différentielle de gaz inerte (argon) était suffisante pour écraser le soufflet 50 25 après rupture du diaphragme 18, en permettant ainsi un fonctionnement correct dans le domaine de température indiqué sans nécessiter une pression interne de pré-activation excessive dans l'accumulateur. Les procédés balistiques de perforation du diaphragme associés à la technique de compensation de pression de vapeur ci-dessus décrite assurent une activation rapide ainsi qu'une faible variation du temps d'activation dans toute l'étendue du domaine de température. Des essais effectués sur sept échantillons identiques présentant les caractéristiques indiquées ci-dessus ont fourni les résultats suivants : 71 41123 7 2115211 échantillon température temps nécessaire à l'accumulateur n° C°G) pour atteindre 24 volts (ms) 1 +93 28 n £ 25 3 28 4 +93 28 ■5 -54 25 6 +93 25 7 -54 96 Les échantillons 1 à 6 ont été activés à vide, tandis que l'échantillon 7 a été activé sous une charge de 120 ohms, ce qui -explique le temps d'activation plus long de l'échantillon 7« les temps d'activation d'accumulateurs dépourvus des moyens de com-15 pensation de pression de vapeur selon l'invention variaient globalement entre 100 et 500 millisecondes. Gomme le font -apparaître les résultats ci-dessus, l'invention a donc permis de réduire le temps d'activation en luifaisant atteindre la très fai"ble_ valeur de 25 millisecondes. 71 41123 2115211 REVENDICATIONS 1. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée du genre comportant un compartiment d'activation et un compartiment électrochimique mutuellement séparés par une paroi que l'on peut 5 rompre ainsi que des moyens propres à briser cette paroi pour établir un passage de fluide depuis le compartiment d'activation jusqu'au compartiment électrochimique, le compartiment d'activation étant divisé par une paroi mobile en deux chambres séparées dont la première contient une certaine quantité de liquide d * activa- 10 tion en contact avec la paroi frangible et dont la seconde contient un gaz sous pression, caractérisé en ce que ladite seconde chambre contient, en outre, "une plus faible quantité de liquide d'activation destinée à maintenir dans la seconde chambre une pression de vapeur sensiblement égale à la pression de vapeur ré- 15 gnant dans la première chambre. 2. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi mobile est un soufflet ou une cuvette déformable fermé par ladite paroi frangiKLe et définissant avec cette dernière ladite premiè- 20 re chambre. 3. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi mobile est un soufflet ou une cuvette déformable fermé par une surface du compartiment d'activation différente de celle de ladite 25 paroi frangible, ladite surface définissant avec le soufflet ou cuvette ladite seconde chambre. 4. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que ledit liquide d'activation est de l'ammoniaque liquide. 30 5/ Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz sous pression est un gaz inerte. 6. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gaz inerte 35 est de l'argon. 7. Accumulateur ou pile électrochimique à action différée selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite paroi frangible est un diaphragme obturant une ouverture ménagée dans une cloison étanche séparant le compartiment 40 d'activation du compartiment électrochimique. 71 41123 2115211 8. Accumulateur ou pile électrocliimique à action différée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7» caractérisé en ce que lesdits moyens de perforation comprennent un projectile et une charge explosive destinée à propulser le projectile pour le faire pénétrer dans le compartiment d'activation en lui faisant traverser ladite paroi frangible»