Brevet FR2294552A1 — publié le 19760709

L'invention concerne les cellules électrolytiques et notaient les générateurs électrochimiques, comprenant deux électrodes de polarités opposées formées de plaques parallèles empilées alternativement et séparées les unes des autres par un séparateur poreux imprégné d'électrolyte. Dans une telle cellule, le séparateur a pour fonction d'assurer un isolement des plaques adjacentes de façon à éviter un court-circuit entre les polarités opposées. Il a également pour fonction, lorsque la quantité' d'électrolyte dans la cellule est ou peut devenir insuffisante pour noyer l'enseoble des électrodes, d'assurer par capillarité, dans ltespacexcoopris entre les plaques, la présence de la quantité d'électrolyte nécessaire aux échanges électrochimiques entre elles. Il est connu de réaliser le séparateur d'une telle cellule sous for e d'une bande unique pliée en accordéon, de façon à passer dans chacun des espaces entre plaques. Un tel séparateur donne de boas résultats, nais implique un montage délicat, surtout si les plaques sont foireuses et de grandes dimensions, ou de forme non rectangulaire. On connatt également des cellules dans lesquelles chaque plaque est insérée dans un sachet formé de deux feuilles rectangulaires de séparateur liées l'une à l'autre par au moins trois cotés par soudure, collage ou couture, ou par une feuille pliée en U de part et d'autre de la plaque et fermée sur au moins deux côtés par un des moyens précités. Si la réalisation de l'empilement est alors aisee, la préparation des sachets de séparateur exige une manipulation longue et minutieuse. Dans une autre réalisation connue, plus simple, le séparateur est sous forme de feuilles séparées dont chacune est insérée entre deux plaques adjacentes. tel séparateur donne satisfaction à condition que toutes les feuilles et toutes les plaques soient i ergées au oins partiellement dans l'electrolyte ou quelles soient disposées verticalement. Au contraire, lorsque les plaques et les feuilles sont disposées horizontalement, au moins certaines d'entre elles étant complètement émergées, on constate qu'au cours du fonctionnement de la cellule l'électrolyte tend à se déplacer vers le bas de l'empilement, ce qui se traduit par une répartition hétérogène de l'électrolyte entre les différentes feuilles et par une répartition inégale du courant entre les plaques, défavorable au fonctionnement de la cellule. L'invention a pour but d'éviter cet inconvénient. Elle a pour objet une cellule' électrolytique comprenant deux électrodes de polarités opposées formées de plaques parallèles disposées en un empilement oìì alternent les plaques de polarités opposées et constitue de deux plaques terminales et d'au moins deux plaques intermédiaires, et un séparateur poreux imprégné d'electrolyte formé de plusieurs feuilles séparant lesdites électrodes, caracte riséé par le fait qu'à chacune desdites plaques intermédiaires est associée une feuille de séparateur pliée en deux volets liés l'un à l'autre par le seul pli de la feuille et disposés respectivement entre ladite plaque et les deux plaques 'de l'empilement qui lui sont adjacentes, de telle sorte que deux plaques intermédiaires adjacentes soient toujours séparées l'une de l'autre par deux volets appartenant respectivement aux deux feuilles de séparateur qui leur sont associées, lesdits deux volets étant en outre en contact l'un avec l'autre par une surface au moins égale à la surface d'échanges électrochimiques desdites plaques. L'empilement selon l'invention est particulièrement simple à réaliser du fait que le séparateur est formé de feuilles separees simplement pliées en deux. Malgré cette simplicité, la continuité du séparateur est obtenue entre deux intervalles entre plaques par le pli de la feuille, et entre deux feuilles par leur surface de contact. De meme, à l'une au moins des plaques terminales peut être associée une feuille de séparateur pliée en deux volets dont l'un est disposé entre ladite plaque terminale et la plaque intermédiaire qui lui est adjacente et l'autre est disposé à l'extérieur de l'empilement, de telle sorte que ladite plaque terminale et ladite plaque intermédiaire adjacente soient séparées l'une de l'autre par deux volets appartenant respectivement aux deux feuilles de séparateur qui leur sont associées, lesdits deux volets étant en outre en contact l'un avec par une surface au moins égale à la surface d'échanges électrochimiques desdites plaques. Chaque feuille de séparateur peut être formée d'une seule couche ou de plusieurs, de nature identique ou différente. Elle peut comporter par exemple, outre une couche absorbante dont le rôle a déjà été évoqué, une membrane semiperméable destinée à empêcher le passage d'une électrode à l'autre de certaines molécules (oxygène) ou de certains ions (zincate), selon la nature des réactions intervenant dans la cellule. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre donnée à titre indicatif et non limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel La figure 1 représente schématiquement la disposition relative des plaques et du séparateur dans une cellule électrolytique selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement une autre disposition des mêmes éléments dans une autre cellule selon l'invention. La figure 3 représente schématiquement les électrodes et le séparateur d'un accumula#teur nickel-hydrogène selon l'invention. La figure 4 est un graphique montrant la répartition de l'électrolyte entre les plaques et les feuilles de séparateur de l'accumulateur de la figure 3 et d'un accumulateur selon la technique antérieure, après cyclage. La cellule de la figure I comporte une électrode négative formée de trois plaques parallèles 12, 32 et 52 et une électrode positive formée de deux plaques 21 et 41 parallèles aux plaques négatives et intercalées entre elles pour former un empilement. A chacune des plaques intermédiaires 21, 32 et 41 de l'empilement est associée une feuille de séparateur respectivement 23, 33 et 43. La feuille 23 est pliée en deux volets 23a et 23b. Le volet 23a est disposé entre la plaque 21 et la plaque terminale 12, et le volet 23b entre la plaque 21 et la plaque inter mediaire 32.De zeme, la feuille 33 est pliée en deux volets 33a et 33b, disposés entre la plaque 32 et respectivement les plaques 21 et 41 qui lui sont adjacentes. il en résulte que les deux plaques intermédiaires adjacentes 21 et 32 sont séparées l'une de l'autre par les volets 23b et 33a appartenant respectivement aux feuilles 23 et 33 associées à ces plaques. Ie volet 23b recouvre toute la surface acti e de la face supérieure de la plaque 32, tandis que le volet 33a recouvre toute la surface active de la face inférieure de la plaque 21. L'empilement étant serré, contrairement à ce qui apparaît sur la figure par souci de clarté, la face supé- rieure (interne) du volet 23b et la face inférieure (interne) du volet 33a sont donc en contact par une surface au moins égale à la surface active des plaques. Cette surface de contact permet un échange d'électrolyte entre les deux feuilles 23 et 33. Par ailleurs, il va de soi que l'électrolyte s'échange librenent entre les volets 23a et 23b par l'intermédiaire du pli de la feuille 23, et entre les volets 33a et 33b par l'intermédiaire du pli de la feuille 33. Cette possibilité d'échange d'une part entre deux volets adjacents, d'autre part entre deux volets appartenant à la meme feuille, assure de proche en proche une répartition homogène de l'électrolyte d'un bout à l'autre de l'empilement, quelle que soit son oriel tation, au cours du fonctionnement électrochimique de la cellule.Pour assurer un écartement constant entre plaques, deux feuilles simples de séparateur 14 et 54 sont insérées respectivement entre le volet 23a et la plaque 21, et entre la plaque 41 et le volet 43b. L'empilement de la figure 2 comporte deux plaques positives 71 et 91 et deux plaques négatives 6i et 82. A chacune de ces plaques, y compris les plaques terminales, est associée une feuille de séparateur pliée en deux volets (63, 73, 83, 93). Ici, chacune des plaques est en contact avec les faces internes des deux volets de la feuille qui lui est associée, et les volets de deux feuilles adjacentes sont donc en contact par leurs faces externes. L'effet est le meme que dans la disposition de la figure 1, en ce qui concerne la répartition de ltelec- trolyte. La figure 3 représente l'empilement d'électrodes et de séparateur d'un accumulateur nickel-hydrogène selon l'invention. Cet empilement comprend six plaques positives affectées de repères à trois chiffres dont le troisième est I et les deux premiers forment un nombre pair de 12 à 22, et sept plaques négatives affectées de repères à trois chiffres dont le troisième est 2 et les deux premiers forment un nombre impair de il à 23. Chacune des plaques positives est formée de deux éléments accolés, constitués chacun d'un support de nickel fritté imprégné d'hydroxyde de nickel. Chacune des cinq plaques négatives intermédiaires 132 à 212 est formée de deux éléments d'oxydation d'hydrogène 2 disposés de part et d'autre d'une grille de polyamide 5 permettant l'accès de l'hydrogène.Chacun des éléments 2 est lui-même constitué d'un support de charbon actif imprégné de platine et recouvert du côté de la grille 5 d'une feuille de polytétrafluoréthylène poreux. Les plaques extrêmes 112 et 232 sont formées d'un seul élément 2 et d'une grille 5 placée du côté extérieur. A chacune des plaques intermédiaires positives et négatives est associée une feuille de séparateur en feutre de polyamide, dont le repère s'obtient en remplaçant par 3 le dernier chiffre du repère de la plaque correspondante, et qui est pliée en deux volets de part et d'autre de cette plaque. Entre la feuille 123 et la plaque terminale 112 est disposée une feuille de séparateur 114 à un seul volet, et entre la feuille 223 et la plaque terminale 232, une feuille semblable 234. Les éléments de plaques positives et négatives ont une surface de 0,42 dm2 et les feuilles de séparateurs (sauf 114 et 234) une surface de 0,86 dm2, soit 0,43 dm2 par volet. L'épaisseur et la porosité sont respectivement 0,95 mm et 30 Z pour les éléments positifs, 0,45 mm et 32 % pour les éléments négatifs, 0,12 mn et 65 Z pour les feuilles de séparateurs. On a soumis au même cyclage électrique un accumulateur nickel-hydrogène B comportant l'empilement qui vient d'être décrit, et un accumulateur A différant de celui-ci par le remplacement de chacune des feuilles 123 à 223 par deux feuilles séparées de 0,43 dm2 chacune, les pores des deux empilements étant entièrement remplis d'une solution d'hydroxyde de potassium à 411 g/l, et les plaques étant disposées horizontalement dans l'ordre de la figure 3. On a ensuite démonté les deux accumulateurs et déterminé les quantités d'électrolyte contenues dans chacune des plaques et des feuilles 123 à 223 de l'accumulateur selon ltinvention, ainsi que des composants homologues de l'accumulateur selon la technique antérieure. Les résultats sont donnés dans la figure 4. Les trois courbes B1, B2 et B3 figurent respectivement la variation de la quantité d'électrolyte (e en grammes) dans les plaques positives, les plaques négatives et les feuilles de séparateur B en fonction de la position P de ces composants dans l'empilement, représentée en abscisse par les deux premiers chiffres du repère des composants. Les valeurs relatives aux plaques extrêmes 112 et 232 ont été multipliées par deux pour les rendre comparables aux autres. Les courbes homologues pour l'accumulateur A sont désignées respectivement AI, A2 et A3. On constate que dans ltélectrode positive de l'accumulateur A, la quantité d'électrolyte varie de 3,5 g pour la première plaque (abscisse 12) à 4,0 g pour la quatrième (abscisse 18) et reste ensuite constant pour la cinquième et la sixième (20 et 22), alors que dans l'accumulateur B, cette quantité est 3,9 g pour toutes les plaques. Dans ltelectrode négative, on assiste a une variation continue de 1,0 g pour la première plaque à J-,9 g pour la dernière en ce qui concerne l'accumulateur A, au lieu d'une valeur constante de 1,9 g pour l'accumulateur B. Dans le séparateur de l'accumulateur A, on observe également une variation continue de O g pour la première paire de feuilles à 1,0 g pour la dernière. En revanche, toutes les feuilles 123 à 223 de l'accumulateur B contiennent 0,9 g d'électrolyte. Ces résultats montrent tout l'intérêt de la disposition du séparateur selon l'invention. Bien que la mise en oeuvre de l'invention ait été décrite plus particulière- ment dans un accumulateur nickel-hydrog;ne, il va de soi qu'elle est independante de la nature des électrodes. L'invention peut trouver application tout aussi bien dans un accumulateur nickel-cadwiur, nickel-zinc, argent-cadmimi, argent-zinc, plotbwacide ou autre, une pile à corbustibles ou un générateur primaire ou un autre type de cellule, par exemple une cellule détectrice de gaz, une cellule d'electrolyse ou un condensateur électrolytique. Par ailleurs, on voit aux figures 1 à 3 que les plis des différentes feuilles de séparateur peuvent se situer sensiblement dans un meme plan perpendiculaire aux plaques et aux volets (figure 3) ou alternativement dans deux plans (figures J et 2) parallèles entre eux, entre lesquels se trouve l'empilement. Ils pourraient également, si cela s'avérait nécessaire, et sans sortir de l'invention, se situer dans deux plans perpendiculaires aux plaques et non parallèles entre eux, par exemple perpendiculaires, ou dans plus de deux plans perpendiculaires aux plaques. REVENDICATIONS 1/ Cellule électrolytique comprenant deux électrodes de polarités opposées formées de plaques parallèles disposées en un empilement où alternent les plaques de polarités opposées et constitué de deux plaques terminales et d'au moins deux plaques intermédiaires, et un séparateur poreux imprégné d'électrolyte formé de plusieurs feuilles séparant lesdites électrodes, caractérisée par le fait qu'à chacune desdites plaques intermédiaires est associée une feuille de séparateur pliée en deux volets liés l'un à l'autre par le seul pli de la feuille et disposés respectivement entre ladite plaque et les deux plaques de ltempilement qui lui sont adjacentes, de telle sorte que deux plaques intermédiaires adjacentes soient toujours séparées l'une de l'autre par deux volets appartenant respectivement aux deux feuilles de séparateur qui leur sont associées, lesdits deux volets étant en outre en contact l'un avec l'autre par une surface au moins égale à la surface d'échanges électrochimiques desdites plaques. 2/ Cellule électrolytique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'à l'une aumoins des plaques terminales est associée une feuille de séparateur pliée en deux volets dont l'un est disposé entre ladite plaque terminale et la plaque intermédiaire qui lui est adjacente et l'autre est disposé à l'extérieur de 17empilement, de telle sorte que ladite plaque terminale et ladite plaque intermédiaire adjacente soient séparées l'une de l'autre par deux volets appartenant respectivement aux deux feuilles de séparateur qui leur sont associées, lesdits deux volets étant en outre en contact l'un avec l'autre par une surface au moins égale à la surface d'échanges électrochimiques desdites plaques. 3/ Cellule électrolytique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que chaque volet appartenant à une feuille de séparateur, disposé entre la plaque à laquelle ladite feuille est associée et une plaque adjacente, est en contact avec ladite plaque à laquelle la feuille est associée et séparée de ladite plaque adjacente par un volet de la feuille associée à cette dernière. 4/ Cellule électrolytique selon l'une des revendications I et 2, caractérisée par le fait que chaque volet appartenant à une feuille de séparateur, disposé entre la plaque à laquelle ladite feuille est associée et une plaque adjacente, est en contact avec cette dernière et séparée de la plaque à laquelle la feuille est associée par un volet de la feuille associée à ladite plaque adjacente.