Brevet FR2222759A1 — publié le 19741018

La présente invention est relative à des éléments sodium-soufre, dans lesquels les réactifs électrochimiques sont le sodium liquide comme matériau actif négatif (anode) et le soufre liquide corme matériau actif positif (cathode) et dans lesquels les compartiments anode et cathode sont sépares par un électrolyte solide conducteur des ions sodium, tel que l'alumine Béta. Il est essentiel que les compartiments anode et cathode soient obturés de façon étanche. Normalement, cette obturation comprend des joints annulaires réalisés entre des surfaces en regard d'un matériau conducteur électrique tel que l'acier inoxydable et d'un matériau non-conducteur tel que l'alumine Alpha ou Béta. Cependant, il est des cas où les joints sont réalisés entre deux surfaces métalliques en regard. Un joint, pour être satisfaisant, doit a) être compatible avec les matériaux actifs, b) être susceptible de supporter la température de fonctionnement de l'élément, c) être étanche aux fuites. La présente invention a pour objet de proposer un joint qui répond à ces exigences. Suivant l'invention, un joint entre les surfaces en regard de deux éléments est constitué par un organe d'étanchéité en aluminium comprimé entre ces surfaces en regard. Par le terme "aluminium", on entend inclure non seulement l'aluminium pur du commerce mais également des alliages d'aluminium suffisamment tendres pour se déformer sous compression de façon satisfaisante. 11 organe d'étanchéité en aluminium peut être une garniture pleine, ou un anneau torique ou une garniture constituée par une enveloppe d'aluminium et un remplissage tendre. Au cours du travail expérimental qui a conduit à la présente invention, différents types de matériaux d'étanchéité ont été essayés dans le but de réaliser un joint de compression satisfaisant. Ces types de matériaux d'étanchéité essayés ainsi que les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau ci-dessous. EXIGENCES ::#TERIÂU D'ETANCHEITE Compatible avec Supportant Etanche aux le sodium, le 400 O C fuites d'air soufre et les à 250C polysulfures à 3500C VISON Non Non Gui GRAFOIL Non Oui Gui P.T.#.E. Non Non Oui AMIANTE Non Oui Non ASSS SLAGE DE FB RESD'AMIANTE Non Non Oui COMPRIMEES On a également essayé l'aluminium comme matériau d'étanchéité, mais on a été découragé dès le début de poursuivre cet emploi car, dans les conditions d'essais, qui se faisaient à la température ambiante et en l'absence des matériaux actifs, les joints se sont révélés ne pas être étanches à l'air, c'est-à-dire que sous les charges d'obturation les plus élevées acceptables, les différentes formes de garnitures d'aluminium ne supportaient pas 2 kg/cm2. Par la suite, on a cependant constaté que, dans les conditions de fonctionnement de l'élément, l'aluminium offrait réellement une étanchéité satisfaisante. La raison de ce phénomène n'est pas entièrement élucidée, mais on pense qu'il est dû à une réaction chimique décrite ci-après entre le matériau actif, les composants de l'élément et l'aluminium.On a constaté que même après plusieurs jours, aucune étanchéité satisfaisante n'était rea- lisée entre l'alumine et l'aluminium à 3500C si les matériaux actifs étaient absents. Le joint de la présente invention peut être utilisé daims la réalisation d'élément décrite dans le brevet français numéro 71 43082 pour assurer les étanchéités entre les électrodes de l'élément, qui sont constituées par des plaques d'extrémités flexibles de l'élément, et les organes annulaires de l'élément. Une autre réalisation d'élément dans laquelle ce joint peut etre utilisé va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, qui est une vue en coupe longitudinale de Cet élément. L'élément comprend des tubes interne et externe coaxiaux 1 et 2. Le tube interne 1 constitue l'électrolyte solide de l'élé- ment et est réalisé en alumine Béta. L'intérieur 21 du tube 1 cons- titue le compartiment anode de l'élément. Une plaque d'acier ino xydable 3 est introduite élastiquement dans le tube 1 de façon à y former un cylindre coaxial. L'élasticité de la plaque 3 la sollicite vers la paroi du tube 1, et des trous poinçonnés 31 ou des ondulations constituent des saillies qui espacent la plaque 3 de la paroi du tube 1. Cet espacement est choisi de manière à provoquer la répartition par capillarité, le long de la face interne du tube 1, du sodium qui se trouve dans le compartiment anode. Le tube externe 2 est en acier inoxydable. L'espace annulaire 4 compris entre les tubes 1 et 2 constitue le compartiment cathode de l'élément. Le tube interne 1 a une extrémité fermée 5 et le tube externe 2 porte une plaque d'extrémité 6 qui est soudée en place après réalisation d'un ensemble étanche de compression 7 à l'au- tre extrémité du tube 1 et chargement du compartiment cathode avec un matériau actif positif. Pour réaliser l'ensemble étanche de compression 7, le tube interne 1 est muni d'un collier 8 en alumine ~ Alpha qui bute, par l'intermédiaire d'une garniture d'étanchéité 10, contre une collerette 9 soudée sur le tube 2 de manière à le fermer. L'est trémité du tube interne 1 est fermée par un obturateur 11 qui possède une bride 12 repliée vers l'extérieur et butant contre le eol- lier 8 par l'intereédiaire d'une seconde garniture d'aluminium 13. l'ensemble est maintenu sous compression par un organe de serrage cylindrique 14 qui est soudé à la collerette 9 et porte une bride 15 repliée vers l'intérieur et butant contre la bride 12 de l'obturateur 11 par l'intermédiaire d'une garniture isolante 16. Un manchon d'amiante 16a recouvre l'intérieur de l'organe de serrage 14. Pour réaliser le joint de compression, l'organe de serrage 14 peut entre tout d'abord soudé à la collerette 9 mais réalisé sans sa bride 15. Après serrage de l'ensemble dans un gabarit, la bride 15 est soudée pour maintenir la compression, A titre de variante, l'organe de serrage 14 peut être réalisé dès l'origine avec sa bride 15 et, après serrage, être soudé sur la collerette 9. Le sodium est introduit dans le tube 1 à travers un orifice de l'obturateur 11, qui est ensuite fermé par un bouchon d'aluminium 17. Ce chargement s'effectue après réalisation de l'ensemble étanche de compression 7. Un fil d'aluminium 18 s'étend vers le bas dans le tube 1 à partir du bouchon 17 et constitue l'une des électrodes de l'élément, l'autre électrode étant cons tituéepar le tube 2. Les joints à travers les garnitures d'aluminiuni ne sont pas étanches au gaz lorsqu'elles sont essayées-sous une pression de 2 kg/cm2 exercée sur 11 ensemble à la température ambiante, en raison de certaines irrégularités des surfaces d'étanchéité. A des températures élevées, il se forme un joint satisfaisant, et 1'on pense que ce phénomène est dA aux raisons suivantes a) à température élevée, le soufre réagit avec l'aluminium pour former au sulfure d'aluminium ; ce sulfure, qui est insoluble dans les réactifs, remplit les vides et réalise ainsi un joint étanche aux fuites b) de mtme, à température élevée, le sodium réagit avec l'alumine Alpha ou l'alumine Béta et avec le film d'oxyde qui se trouve sur la garniture d'aluminium pour former duNa20A120-3-qui remplit les vides et lie les composants l'un à l'autre pour-~-àr-~ mer un joint étanche aux fuites. Avantageusement, une rondelle plastique peut entre disposée en-dessous de la bride 15 pour compenser la dilatation thermique différentielle des différentes parties de l'ensemble Etanche à mesure que l'élément s'échauffe de la température ambiante à sa température normale de fonctionnement, qui est de 3500C, de manière à maintenir le joint serré. REVENDICATIONS 1 - Elément de batterie électrique sodium-soufre présentant des compartiments anode et cathode séparés par un électrolyte solide conducteur des ions sodium et possédant un dispositif étanche de compression obturant au moins l'un des compartiments, caractérisé en ce que ledit dispositif étanche est constitué par un organe d'étanchéité en aluminium comprimé entre des surfaces en regard du dispositif étanche. 2 - Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité en aluminium est disposé entre les surfaces en regard d'éléments en alumine et en acier inoxydable.