Brevet FR2620273A1 — publié le 19890310

i 2620273 La présente invention a pour objet un disposi- tif pour former et faire circuler un électrolyte liquide dans une pile alcaline sèche. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des piles électrochimiquesamor ables de type alcalin fournissant l'énergie électrique destinée à la propulsion d'engins maritimes. On connait des piles alcalines fonctionnant avec une cathode en oxyde d'argent (Ag-È) et une anode J qui est composée d'un métal soluble dans l'électrolyte, qui est une solution alcaline à base de soude ou de potas- se, l'anode pouvant être en aluminium, en lithium ou en un allrage de l'un de ces métaux ou en alliage mixte d'alu- minium et de lithium. On sait que le couple oxyde d'argent-aluminlum est un couple très réactif et Irréversible, qui fonction- ne en électrolyte alcalin à des températures comprises entre 55 C et 85 C. On utilise des piles électrochimiques alcalines O pour alimenter en courant continu les moteurs électriques des propulseurs d'engins immergés tels que des torpilles ou des engins mer-mer ou air-mer. Dans ce cas, les piles sont stockées sèches, c'est-à-dire que la soude ou la potase destinées à former !5 l'électrolyte sont à l'état anhydre et l'électrolyte liqui- de est formée au moment même o l'engl.n rentre dans l'eau par admission d'eau de mer dans le circuit. La formation et la circulation de l'électrolyte posent de nombreux problèmes liés au maintien de la tempé- rature de l'électrolyte entre 55 C et 850C, à l'évacuation des calories et des produits de réaction (hydrogène), au fonctionnement en équl. pression avec la mer pour les engins sous-marins, à la formation rapide de l'électrolyte à par- tir de l'eau de mer, à l'évacuation de l'électrolyte à la fin d'une utilisation'd'un engin d'exercioe afin de récu- pérer celui-ci et l'obJectif de l'invention est de procu- rer un dispositif de formation et de circulation d'un é- lectrolyte liquide dans une pile amorçable qui permette de 1 lit ic r1I,'r ces divers problémes. Un dispositif selon l'invention est embarqué sur un engin maritime et il Comporte, de façon connue - un bloc électrochimique composé d'un empilage de cathodes à l'oxyde d'argent et d'anodes en aluminium, lithium ou en alliage de ces métaux; - un réservoir contenant des produits alcalins qui sont à l'état anhydre pendant le stockage; - et un circuit qui comporte une pompe de cir- culation, un séparateur d'hydrogène et des moyens pour faire entrer l'eau de mer dans le circuit et ce circuit permet de recycler l'électrolyte alcalin liquide entre le réservoir et le bloc électrochimique. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d-'un dispositif dans lequel les moyens pour faire entrer l'eau de mer dans le circuit comportent un conduit qui communique librement avec la mer en permanence pen- dant la circulation de l'électrolyte liquide, de sorte que l'électrolyte est en équipression avec l'eau de mer. Selon un mode de réalisation préférentiel, le séparateur d'hydrogène est un séparateur gaz-liquide centrifuge dont le centre communique avec la mer à tra- vers un clapet de non retour et dont la périphérie est reliée à l'aspiration de la pompe de circulation par un conduit de liaison comportant un orifice calibré. Avantageusement, ce conduit de liaison comporte/ en outre, une vanne d'amorçage commandée par un actionneur et ledit conduit d'entrée d'eau de mer est connecté en dérivation sur ledit conduit de liaison à l'aval de ladite vanne d'amorçage. L'invention a pour résultat de nouveaux dispo- sitifs permettant de remplir une pile alcalinearrorçable équi- pant un engin immergé d'un électrolyte liquide qui est obtenu au moment o l'engin pénètre dans l'eau en dissol- vant un produit alcalin anhydre par de l'eau de mer qui pénètre dans l'engin, de telle sorte que pendant le sto- ckage, le poids de l'engin est plus réduit et la pile reste sèche. Grâce à la communication permanente du circuit dans lequel circule l'électrolyte liquide avec la mer, - le compartiment contenant un dispositif selon l'invention est en équipression avec la mer et n'a pas à résister à des différences de pression d'o une construction mécanique allégée. De plus, la communication permanente avec la mer permet des échanges entre le circuit et la mer, de sorte que la régulation du volume de liquide plus gaz dans le circuit en boucle se fait automatiquement. La présence d'une vanne d'amorçage motorisée permet d'organiser la circulation dans le circuit, de fa- çon à réaliser le remplissage en fluide et la purge des gaz initialement contenus dans le système. Elle permet d'abaisser la concentration de l'électrolyte en produits de dissolution de l'anode. Elle permet également de vidan- ger l'électrolyte et de rincer le circuit sur un engin d'exercice. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'inven- tion. La figure 1 est une coupe axiale partielle du compartiment d'un engin immergé contenant une pile alcali- ne et un dispositif selon l'invention pour former un é- lectrolyte alcalin à partir de l'eau de mer, lequel dis- positif est représenté à l'état sec. La figure 2 est une coupe axiale analogue à la figure 1 représentant le même dispositif pendant la cir- culation de l'électrolyte. La figure 3 est une vue-schématique, à plus grande échelle, d'une partie du dispositif selon la figu- re 2 pendant la circulation de l'électrolyte. La figure 1 est une coupe axiale partielle d'un engin maritime autopropulsé qui comporte une coque 1 cylindrique et qui peut être par exemple une torpille, un engin militaire air-mer ou mer-mer ou sol-mer ou un ro- bot d'exploration sous-marine. La coque est divisé en plu- sieurs compartiments par des cloisons transversales et la figure représente schématiquement un compartiment 2 qui est compris entre deux cloisons 2a, 2b et qui contient une pile électrochimique 3, destinée à fournir du courant continu à un moteur électrique, non représenté, qui en- traîne le propulseur de l'engin. La pile 3 fonctionne avec une électrolyte al- calin et les composés alcalins à base de soude ou de potas- se sont stockés à l'état de produits anhydres 4, dont tout ou partie se trouve sous forme pulvérulente à ltintérieur du réservoir 5 qui fait partie du compartiment 2 et qui est séparé du bloc électrochimique par une cloison 6. L'électrolyte liquide est formé, au moment même o l'engin arrive au contact de l'eau, par de l'eau de mer qui pénètre dans le réservoir 5, par un conduit 7, dont une extrémité est obturée par un bouchon largable 8 qui est éjecté ou brisé au moment o l'engin arrive dans l'eau, ou juste avant, de sorte que l'eau de mer peut pénétrer libre- ment dans le conduit 7. Le conduit 7 communique avec l'aspiration d'une pompe de circulation 9, qui est entrai- née par un moteur électrique 10, lequel est alimenté par une petite pile auxiliaire 11. Le refoulement 12 de la pompe débouche directement dans le compartiment 5. Le conduit 7 communique avec la périphérie d'un dégazeur 13 par l'intermédiaire d'une vanne d'amorçage 14 qui est une vanne motorisée entraînée par un actionneur 15. Le dégazeur 13 est un séparateur gaz-liquide de type centrifuge qui met le liquide en rotation à grande vitesse en créant un tourbillon, de sorte que le liquide d'accumule à la périphérie et le gaz au centre. L'extrémité supérieure du dégazeur 13 est con- nectée tangentiellement sur un conduit 16 qui traverse la cloison 6 et qui recueille l'électrolyte sortant du bloc électrochimique 3. Cet électrolyte est une dispersion d'hydrogène dans le liquide et le dégazeur 13 sépare la phase liquide de la phase gazeuse. L'hydrogène gazeux s'ac- cumule au centre et il est évacué à l'extérieur de la coque 1 par un conduit 17 qui est équipé d'un clapet anti- retour 18 et qui communique avec l'extérieur par un orifice qui est obturé au départ par un bouchon lar- gable 19. Pendant le stockage, le conduit 16 est obturé par un opercule déchirable 20. Le réservoir 5 communi- que directement avec le conduit 16 par un orifice 21 qui sert d'évent pour évacuer l'air contenu dans le réservoir lorsque l'électrolyte liquide commence à se former et à le remplir. La pression régnant dans le ré- servoir 5 étant supérieure à celle qui règne dans le D conduit 16, l'orifice 21 situé à la partie supérieure du réservoir 5 permet, en outre, d'évacuer l'hydrogène résiduel qui reste dans l'électrolyte après passage dans le dégazeur 13 et qui s'accumule dans le haut du ré- servo i r. L'orifice 21 est un petit orifice calibré dans le débit est limité, de telle sorte qu'il corres- ponde à un débit de fuite compris entre 2% et 5% du débit de la pompe 9. Le dispositif selon la figure 1 comporte un 0 deuxième conduit 22 qui traverse la cloison 6 et qui met en communication le réservoir 5 avec le bloc élec- trochimique 3. Le conduit 22 sert à amener l'électrolyte li- quide à l'entrée de l'empilage d'électrodes. Il est équl- pé d'un opercule déchirable 23, d'un filtre 24 et d'une vanne thermostatique à trois voies 25 ayant une voie de sortie qui communique avec le conduit 22, une voie d'entrée 26 qui communique directement avec le réser- voir 5 et une deuxième voie d'entrée qui communique 0 avec un conduit 27, qui reçoit de l'électrolyte qui a été refroidi en passant dans un échangeur refroidisseur 28 situé entre la coque 1 et le bloc électrochimique 3. Les repères 29a et 29b représentent les conducteurs par lesquels sort le courant continu produit par la pile. Le fonctionnement d'un dispositif selon l'in- vention est le suivant. La figure 1 représente l'état du dispositif pendant le stockage de l'engin. Les bou- chons 8 et 19 sont en place. Les produits alcalins 4 sont à l'état anhydre. Les opercules 20 et 23 sont en place. Le réservoir 5 contient des produits alcalins anhydres 4 et il est isolé de l'extérieur et du bloc électrochimique et l'engin peut subir un stockage de durée. Le fait que les produits alcalins sont à l'é- tat anhydre, permet un gain de poids important pour des engins de type air-mer. Au moment o l'engin est lancé ou au moment o il atteint l'eau, les bouchons 8 et 19 sont largés automatiquement. Le moteur 10 est alimenté par la pile au- xiliaire 11 et il entraîne la pompe 12 qui force l'eau de mer à pénétrer rapidement dans le réservoir 5 à tra- vers le conduit 7. Les produits alcalins anhydres 4 se dissol- vent et cette réaction qui est exothermique entraîne la montée en température de l'électrolyte qui atteint rapi- dement la température minima de 55 . La vanne d'amorçage 14 qui est fermée évite le recyclage de l'électrolyte. Le clapet anti-retour 19 é- vite l'entrée d'eau dans le dégazeur 13. L'évent 21 per- met d'évacuer le gaz contenu dans le réservoir 5. L'électrolyte liquide mis en pression par la pompe fait éclater d'abord l'opercule 23 qui a une ré- sistance à l'éclatement plus faible que celle de l'oper- cule 20. Le bloc électrochimique 3 se remplit d'élec- trolyte, provoquant l'apparition d'une tension électrique. L'opercule 20 éclate ensuite. L'électrolyte emplit le circuit et commence à s'échapper à la mer par l'orifice 19. Lorsque la tension fournie par la pile atteint un seuil déterminé, un relais bascule et la pile 3 prend le relais de la pile auxiliaire 11 pour alimenter le moteur 10. Après une temporisation déterminée, l'action- neur 15 entraîne l'ouverture de la vanne d'amorçage 14, de sorte que l'électrolyte peut circuler en circuit fer- mé en traversant le dégazeur 13. La circulation de l'électrolyte s'établit en suivant les trajets représentés par des flèches sur la figure 2. L'électrolyte s'échauffe et se charge d'hydro- gène lors du passage à travers le bloc électrochimique 3. Le dégazeur 13 sépare l'hydrogène du liquide et l'hydrogène est évacué à la mer à travers le clapet 18. La circulation de l'électrolyte se répartit en deux flux. Un premier flux est constitué par de l'électro- lyte refroidi qui pénètre dans la vanne thermostatique 25 par le conduit 27, après être passé dans l'échangeur 28. Un deuxième flux est constitué par de l'électrolyte plus chaud qui pénètre dans la vanne thermostatique 25 à travers l'orifice 26. La vanne thermostatique 25 règle les propor- tions respectives des deux flux pour obtenir une tempéra- ture de consigne déterminée au niveau de la sonde de température 30 qui l'équipe et qui est disposée dans le flux sortant de la vanne et entrant dans le bloc électrochimique. 0 A la fin dtune phase d'utilisation d'un engin d'exercice, l'actionneur 15- commande la fermeture de la vanne 14. Il en résulte que la pompe 12 aspire de l'eau de mer qui remplace progressivement l'électrolyte qui est châssé àl'extérieur à travers le clapet 18. La circulation forcée de l'électrolyte mis en mouvement par la pompe 12 permet d'extraire efficace- ment la chaleur produite au coeur de l'empilage électro- chimique et d'éviter une élévation de température exces- sive. Elle permet également d'éliminer rapidement de la 0 surface de l'électrode d'aluminium la couche passivante qui s'y forme grâce à la vitesse de circulation de l'é- lectrolyte. Le circuit dans lequel circule l'électrolyte est en communication permanente avec la mer par le conduit 7 et il est donc maintenu en équipression. Ce- ci permet d'alléger et de simplifier les organes destinés à l'évacuation des produits de réaction à la mer (chaleur, hydrogène, produits de dissolution de l'anode). Pour les engins qui peuvent être immergés en profondeur, cette disposition permet un allégement de la coque 1 qui n'a pas à résister à des différences de pression importantes. Par contre, les cloisons 2a, 2b doivent résister à la pression d'immersion. La circulation de l'électrolyte liquide dans un circuit en boucle qui communique en permanence avec la mer est une originalité d'un dispositif selon l'invention. Ce fonctionnement entraîne les difficultés suivantes. Le circuit en boucle a un volume constant dans lequel on fait circuler une quantité déterminée d'électrolyte. Cet électrolyte se charge en hydrogène qui est séparé et évacué par le dégazeur. Toutefois, une portion du circuit est remplie d'une émulsion d'hydrogène dans laquelle des variations du volume de la phase gazeuse se produisent. En effet, la pression dans le circuit étant é- gale à la pression externe, toute variation de la pro- fondeur d'immersion entraîne une variation de volume de la phase gazeuse. De plus, le bloc électrochimique a en général plusieurs régimes de décharge électrique auxquels cor- respondent des débits d'hydrogène différents qui modi- fient les caractéristiques physiques du mélange de phases gazeuse et liquide. Il est donc nécessaire d'ajuster la qualité de liquide contenue dans le circuit. Dans un dispositif selon l'invention, le réglage de la quantité de liquide dans le circuit en boucle se fait automatiquement grâce à la communication permanente de ce circuit avec la mer. La figure 3 représente, à plus grande échel- le, la combinaison d'éléments qui coucourrent pour pro- duire cet ajustement automatique. On retrouve sur cette figure le dégazeur 13 à tourbillon qui comporte, à son sommet, un conduit 17 équipé d'un clapet anti-retour 18 qui communique avec la mer. L'électrolyte liquide venant du bloc électro- chimique arrive tangentiellement dans le haut du dégazeur par le conduit 16 équipé d'un évent de purge 21. Il en ressort par un conduit 31 qui comporte un orifice cali- bré 32 et qui se dirige vers l'aspiration de la pompe 9. Le conduit 7, qui communique directement avec la mer, est branché en dérivation sur le conduit 31 en un point A situé en aval de l'orifice calibré 32. La vanne d'amorçage 14, qui est en position ouverte pendant le recyclage de l'électrolyte, est si- tuée sur le conduit 31 en amont du branchement du conduit 7. On a représenté en traits mixtes la limite approximative de séparation entre le gaz et le liquide dans le séparateur à tourbillon 13.Le gaz s'accumule au centre et il est évacué à la mer à travers le conduit 17 par la légère surpression qui règne dans le dégazeur. La phase liquide plus dense est repoussée par la force centrifuge contre les parois latérales et l'é- tat est caractérisé par l'épaisseur de la lame liquide qui définit une pression statique à l'intérieur du dégazeur due à la récupération partielle de l'énergie cinétique du fluide. En régine de recyclage permanent, il y a égali- té au point A entre le débit de liquide aspiré par la pompe et celui qui provient du dégazeur et il n'y a au- cun échange d'eau avec la mer qui donne seulement une référence de pression. L'orifice calibré 32 permet, grâce à la perte de charge qu'il crée, d'ajuster l'épaisseur de la lame liquide dans le dégazeur à une valeur compatible avec le bon fonctionnement de cet appareil. Le dispositif est auto-adaptatif pour corriger automatiquement toute perturbation entraTnant une varia- tion de volume de la phase gazeuse. Si une perturbation entraîne par exemple une diminution de volume de la phase gazeuse, le débit de li- quide traversant le dégazeur diminue d'o l'apparition d'une inégalité au point A entre le débit aspiré par la -10- pompe et celui qui provient du dégazeur, laquelle est compensée immédiatement par une entrée d'eau de mer par le conduit 7. A tout instant, le dégazeur 13 a un fonctionnement stable car l'épaisseur de la lame liquide s'adapte en fonction de la perte créée par l'orifice calibré qui varie avec le débit. En sens inverse, une perturbation entraînant une augmentation de volume de la phase gazeuse entraîne automatiquement une sortie de liquide vers la mer à tra- vers le conduit 7 qui corrige le volume. La vanne d'amorçage 14, qui est fermée pendant le remplissage du circuit en électrolyte liquide permet d'organiser le sens de remplissage du circuit et de pur- ger l'air. Dans le cas d'un engin d'exercice, à la fin des exercices, la fermeture de la vanne d'amorçage 14 alors que la pompe 9 est toujours en route permet de vidanger l'électrolyte à la mer et de rincer le circuit avec de l'eau de mer. La vanne 25 de régulation de température qui est commandée par une sonde thermostatique 30, p4acée à l'entrée du bloc électrochimique 3, permet de régler la température de la pile à une valeur de fonctionnement optimum. La position de la vanne 25 en amont du bloc électrochimique présente un autre avantage pour le démar- rage dans un environnement à température élevée. La quan- tité de chaleur fournie par la dissolution de l'électrolyte anhydre est déterminée pour chauffer suffisamment l'élec- lyte dans un environnement à basse température. Si le dispositif se trouve placé à la frontière haute de la plage de température d'environnement, la solu- tion d'électrolyte sera trop chaude. Dans ce cas, la vanne thermostatique 25 va fonctionner immédiatement et le bloc électrochimique sera alimenté avec un électrolyte re- froidl par passage dans l'échangeur de température 28. La régulation de la concentration dans l'électro- -'4 - lyte des produits de dissolution de l'anode est obtenue par l'actionnement de la vanne d'amorçage 14 en cours de fonctionnement de la pile. Si cette concentration dépasse un seuil déterminé, on ferme la vanne 14 pendant un temps donné, ce qui permet de vidanger à la mer une partie de l'électrolyte existant et de le remplacer par de l'eau de mer qui entre dans le circuit par le conduit 7 afin de ramener la concentration a une valeur acceptable. I. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif pour former et faire circuler un électrolyr.e liquide dans une pile alcaline amorçable embarquée sur un engin maritime (1), lequel dispositif est du type comportant: - un bloc électrochimique (3) composé d'un empila- ge de cathodes à l'oxyde d'argent et d'anodes en aluminium, lithium ou en alliages de ces métaux; - un réservoir contenant des produits alcalins (4) qui sont à l'état anhydre pendant le stockage; - et un circuit qui comporte une pompe de circula- tion (S1, un séparateur d'hydrogène (13), un échangeur de température (28) et des moyens pour faire entrer l'eau de mer dans ledit circuit, lequel circuit permet de recycler l'électrolyte alcalin liquide entre ledit, iréservoir et ledit bloc électrochimique, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire entrer l'eau de mer dans ledit circuit comportent un conduit (7) qui communique librement en perma- nence avec la mer pendant la circulation de l'électrolyte liquide, de sorte que ledit électrolyte est en équlpression avec la mer. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérl- sé en ce que ledit séparateur d'hydrogène (3) est un sépara- teur centrifuge gaz-liquide dont le centre communique avec la mer à travers un clapet de non retour (18) et dont la périphérie est reliée à l'aspiration de ladite pompe (9) par un conduit (31) de lialson comportant un orifice calibré (32). 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ledit conduit de liaison (31) comporte, en outre, une vanne d'amorçage (14) commandée par un action- neur (15) et ledit conduit (7) d'entrée d'eau de mer est connecté en dérivation sur ledit conduit de liaison (31) entre ladite vanne d'amorçage (14) et ladite pompe (9). 4. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit réservoir (5) et ledit bloc électrochimique (3) sont séparés par une cloison (6) et sont connectés entre eux par deux conduits -S (16, 22) qui traversent ladite cloison et qui comportent chacun une membrane déchirable (20, 23) qui isole ledit réservoir dudit bloc électrochimique pendant le stockage et qui se déchire lorsque l'électrolyte liquide commence à circuler. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le conduit de retour (16) de l'électrolyte liquide qui relie ledit bloc électrolytique (3) audit sé- parateur d'hydrogène (13) comporte un orifice d'évent 3 (21) qui débouche dans ledit réservoir (5). 6. Dispositif selon la revendication 4 compor- tant une vanne thermostatique à trois voies, cartactérisé en ce que ladite vanne est placée à l'entrée du conduit (22) d'entrée de l'électrolyte dans ledit bloc électro- chimique.