Brevet FR2639478A1 — publié le 19900525

PILE ELECTROCHIMIQUE DU TYPE AMORCABIE AU COUP L'invention concerne une pile électrochimique du type dit "à réserve amorçable au coup", c'est-à-dire du type dans lequel l1électrolyte liquide est contenu dans un réservoir où il est sans contact avec les cellules ou éléments de la pile jusqu'à un instant où cet électrolyte est libéré du réservoir et se répand dans les cellules La pile est alors amorcée et produit une énergie électrique qui est appliquée à différents dispositifs prévus pour être alimentés par cette pile. En général ce type de pile est utilisé pour fournir une énergie électrique dans des engins balistiques, par exemple des obus, des missiles etc. Dans ce type de pile, le réservoir contenant ltélectrolyte liquide constitue un réservoir de stockage. L'électrolyte libéré sous l'effet de l'accélération longitudinale à l'instant du tir, se répartit dans les cellules électrochimiques, par exemple par la force centrifuge due à la rotation du projectile, ou par tout autre moyen. La pile est alors amorcée et l'énergie électrique est disponible. L'un des intérêts importants de ce type de pile réside dans sa possibffité de stockage, ce stockage devant pouvoir être très long, par exemple 12 ou 15 ans. Il est à noter que le réservoir de stockage doit être constitué de manière à répondre à de multiples exigences, qui notamment pour un projectile, doivent correspondre aux définitions de la norme américaine MIL STD 331 A. Ainsi par exemple - le réservoir de stockage doit permettre de préserver l'électrolyte de toute altération durant toute la période de stockage - le réservoir de stockage doit conserver une parfaite étanchéité durant toute la période de stockage, et ceci pour des températures pouvant varier de -540C à +710C - le réservoir de stockage doit être conçu pour ne pas laisser échapper l'électrolyte lors des manipulations et même lors de chutes accidentelles - cependant, une libération de l'électrolyte lors de l'accélération de départ du projectile doit s'effectuer de manière pratiquement instantanée. Bien entendu, une très grande fiabilité est nécessaire, et ce malgré des exigences techniques parfois contradictoires . Parmi les solutions déjà proposées, on peut citer - des dispositifs dans lesquels le réservoir de stockage est constitué par un vase en verre comme décrit dans le brevet français n0 70 39373 : le vase en verre est brisé lors du tir par un dispositif mécanique. L'un des principaux inconvénients de ce dispositif réside dans sa faible tenue aux chocs ou chutes accidentelles - un brevet US 3 507 707 décrit une autre solution, dans laquelle le réservoir de stockage est métallique : un système à couteaux réalise la perforation du réservoir de stockage et réalise par suite l'amorçage de la pile, quand l'obus (auquel est jointe la pile) est à la fois en accélération longitudinale et en rotation.Ce dispositif est relativement fiable, cependant il présente l'inconvénient d'exiger une mise en oeuvre complexe et d'être d'un coût élevé - on peut citer encore des dispositifs pour l'amorçage de piles électrochimiques, tels que décrits dans un article de W. E. CASSON publié dans la revue CHEMISTRY AND INDUSTRY du 17 Mars 1986, dans lesquels le réservoir de stockage est réalisé en matière plastique moulée : le réservoir en matière plastique comporte un rétreint, c'est-à-dire une zone de plus faible épaisseur destinée à être rompue au moment du tir d'autre part, le fond du réservoir est muni d'un poids additionnel ou lest qui, sous l'effet de l'accélération, permet d'obtenir la rupture du réservoir.Malgré l'avantage que présente l'utilisation d'un réservoir de stockage en matière plastique moulée, la nécessité de réaliser un rétreint lors du moulage constitue un inconvénient, du fait notamment qu'il est difficile de bien maîtriser les caractéristiques de ce rétreint ; cette solution comporte en outre comme inconvénient notamment, d'exiger un surmoulage du lest ou poids additionnel, et aussi de compliquer l'opération de remplissage du réservoir par l'électrolyte. La présente invention concerne une pile électrochimique du type dit "pile à réserve amorçable au coup #dont les moyens destinés à l'amorçage de la pile sont agencés d'une manière nouvelle, de sorte à obtenir une grande fiabilité sans présenter les inconvénients ci-dessus cités. Selon -l'invention, une pile électrochimique destinée à être soumise à une accélération par suite d'un déplacement longitudinal, comportant un réservoir de stockage en matière plastique, de l'électrolyte liquide contenu dans le réservoir de stockage, au moins une cellule produisant une énergie électrique quand elle est au moins partiellement remplie par l'électrolyte liquide, est caractérisée en ce qu'une extrémité du réservoir de stockage, située vers l'arrière de ce dernier par rapport au sens du déplacement, est fermée par un film constitué au moins en partie en matière plastique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 est une vue schématique de dessus, d'une pile selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe, de la pile montrée à la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique en coupe et agrandie d'une partie d'un réservoir de stockage montrée à la figure 2. La figure 1 montre schématiquement une pile électrochimique 1 à électrolyte liquide, du type "amorçabie au coup", c'est-à-dire amorçable sous l'effet d'une accélération qui peut être produite, par exemple, lors du tir d'un obus (non représenté) dont la pile 1 est solidaire. Cette accélération est dite "longitudinale", elle est engendrée par un déplacement de la pile 1 effectué selon une direction 2 qui, dans l'exemple non limitatif décrit, est parallèle à un axe longitudinal 3 de la pile i ; cette direction 2 et l'axe longitudinal 3 sont perpendiculaires au plan de la figure 1, aussi ils sont symbolisés chacun sur cette dernière par un point.En admettant que le déplacement s'effectue dans le sens par exemple du plan de la figure vers un plan moins profond que le plan de la figure, c'est par une partie avant (par rapport au sens de déplacement) qu'est montrée la pile 1 sur la figure 1. La représentation de la pile 1 est limitée aux éléments utiles à comprendre l'invention et constitue un exemple non limitatif qui permet d'illustrer un arrangement possible des éléments d'une pile conformes à l'invention, d'autres configurations étant possibles sans sortir du cadre de l'invention. La pile 1 est formée par une enveloppe 6 constituée en matière plastique, moulée par exemple. Dans l'exemple non limitatif de la description, l'enveloppe 6 a une forme générale circulaire et contient une pluralité de n cellules ou éléments E1, E2, ..., E9 (le nombre n de cellules dépend de la valeur de tension désirée, ce nombre n étant limité à 9 dans l'exemple), disposés radialement autour d'un support 5 de section circulaire également lui-même disposé autour d'un réservoir de stockage 4 (représenté en traits pointillés). Le réservoir de stockage 4 peut avoir par exemple également une section circulaire et la forme générale d'un cylindre dont la longueur s'étend perpendiculairement au plan de la figure et ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal 3. Chaque cellule El à En est constituée entre deux électrodes 8, 9 qui sont portées par des plaques Pi à P10, disposées radialement autour du réservoir de stockage 4. Dans l'exemple non limitatif décrit, la première électrode 8 est constituée par une couche de plomb Pb et la seconde électrode 9 est constituée par une couche de dioxyde de plomb (PbO2). Un électrolyte (non représenté) qui est stocké dans le réservoir de stockage 4, et qui est destiné à remplir l'espace entre les deux électrodes 8, 9 de chaque cellule El à E9, peut être dans ce cas de l'acide fluoborique HBF4, par exemple dilué avec une égale quantité d'eau. les cellules ou éléments El à En ainsi constitués sont en eux-mêmes classiques, tels qu'utilisés par exemple dans les montages décrits dans les documents précédemment cités.Bien entendu, des électrodes de natures différentes et un électrolyte d'une autre composition peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Il est à noter que les électrodes 8, 9 sont réalisées de manière en elles-roemes classiques, les plaques Pi à P10 constituant des plaques ou lames bipolaires en un matériau conducteur, dont une face est recouverte de plomb pour former la première électrode 8 et dont l'autre face est recouverte de dioxyde de plomb pour former la seconde électrode 9 : ainsi par exemple, la plaque P2 située entre la première cellule El et la seconde cellule E2 est recouverte d'une couche de plomb formant la première électrode 8 sur sa face orientée vers l'intérieur de la seconde cellule EZ et elle est recouverte d'une couche de dioxyde de plomb sur n face opposée, orientée vers l'intérieur de la première cellule El ; la plaque P3 située entre la seconde cellule E2 et la troisième cellule E3 étant couverte d'une couche de plomb sur sa face orientée vers l'intérieur de la troisième cellule E3, et recouverte d'une couche de dioxyde de plomb sur son tre face orientée vers l'intérieur de la seconde cellule E2, et ainsi de suite.Bien entendu, avec des plaques porte-électrodes du type des plaques Pi à P10, la première cellule El et ia neuvième ou dernière cellule E9 ne sont pas séparées par une telle plaque commune à ces deux électrodes ; dans l'eaDple non limitatif décrit, ces deux cellules El, E9 sont virées par une partie pleine 60 formée par exemple en un même matériau que l'enveloppe 6 et en même temps que cette dernière. Sur la figure 1, la partie visible du réservoir de stockage 4 constitue une partie avant 12 de ce dernier (par rapport au sens de déplacement), et, dans le principe de l'invention, c'est par un fond (non représenté sur la figure 1) opposé à cette partie avant 12, c'est-à-dire par une partie arrière du réservoir de stockage 4 que s'effectue la libération de l'électrolyte (contenu dans le réservoir de stockage 4), sous l'action de la force exercée par l'électrolyte sur cette partie arrière, cette force étant engendrée par l'accélération longitudinale.L'électrolyte ainsi libéré pénètre dans les cellules El à En dans lesquelles il est entraîné par la force centrifuge due à une rotation de la pile 1, dans le sens d'une flèche 15 par exemple, ce type de pile étant couramment Inclus dans une fusée de proximité (non représentée) placée en tête d'un projectile d'artillerie; l'électrolyte peut pénétrer dans les cellules El à E9 par exemple par des ouvertures ou orifices 35 (représentés en traits pointillés) réalisées dans le support 5. La figure 2 montre schématiquement la pile 1 par une vue de face selon une flèche 20 (représentée à la figure 1), d'une partie de la pile 1 après une coupe de cette dernière selon un axe X-X' représenté à la figure 1, de sorte que la partie représentée de la pile 1 comprenne notamment deux plaques P2, P8 situées respectivement entre la première et la seconde cellules El, E2 et entre la septième et la huitième cellules E7, E8. La seconde et la huitième plaques P2, P8 sont visibles respectivement par leur face formant la seconde électrode 9 et la première électrode 8. En supposant que la valeur désirée de la tension électrique soit obtenue avec six cellules, par exemple les cellules E2 à E7, la seconde et la huitième plaque P2, P8 peuvent comporter de manière classique un élément de connexion 25, qui sort de l'enveloppe 6 en passant au travers d'un couvercle 26 de cette dernière ; le couvercle 26 étant fixé à l'avant de l'enveloppe 6 par des moyens traditionnels (non représentés). Dans l'exemple non limitatif décrit, le support 5 est fixé à l'enveloppe 6, à une extrémité de cette dernière opposée au couvercle 26. Le support 5 peut ainsi porter de manière fiable les plaques Pi à P10 qui servent à constituer les électrodes 8, 9.Le support 5 porte en outre le réservoir de stockage 4, lequel réservoir de stockage comporte à cet effet, dans l'exemple non limitatif décrit, une collerette 27 par laquelle il est fixé en appui sur le support 5. Le réservoir de stockage 4 est réalisé en une matière plastique, de préférence par moulage mais pas nécessairement, en polyéthylène par exemple des parois latérales 28 et la partie avant 12 du réservoir de stockage 4 pouvant être réalisées d'une seule pièce. Selon une caractéristique de l'invention, le fond ou partie arrière 30 du réservoir de stockage 4 comporte un film 31, en matière plastique, qui ferme de manière étanche cette partie arrière 30. Il est à noter, ainsi qu'il a été mentionné précédemment, que la partie arrière 30 ou fond du réservoir de stockage est définie par le sens de déplacement, ce sens de déplacement étant sur la figure 2 représenté par une flèche 10 qui symbolise aussi la direction 2. Le réservoir de stockage 4 contient l'électrolyte 32, et sous l'effet de l'accélération longitudinale due au déplacement dans le sens de la flèche 2, l'électrolyte 32 exerce sur le film 31 une force qui dépasse très largement la résistance mécanique du film 31. Il en résulte au moins une déchirure importante (non représentée) du film 31, déchirure par laquelle s'échappe l'électrolyte 32 ; ce dernier se répand dans un espace 33 situé entre le fond 30 et l'enveloppe 6 et se repartit dans les cellules ou éléments El à En par les orifices 35 ménagés à cet effet dans les parois 28 qui forment le support 5. Le film 31 étant un film en matière plastique, il comporte une certaine souplesse ou flexibilité, ou élasticité, qui lui permet d'absorber, sans rompre, les chocs dus à des chutes accidentelles ; d'autre part, cette élasticité permet d'obtenir une rupture -plus brutale du film 31 sous l'effet de fortes accélérations, du fait notamment que c'est vers le centre de la surface que constitue le film que stexercent les forces les plus grandes durant l'accélération du coup de départ.Cette élasticité tend à distendre davantage le film 31 au voisinage de son centre (c'est-à-dire au voisinage de l'axe longitudinal 3 comme représenté sur la figure 2 qui montre, à titre d'exemple non limitatif, le film 31 lors d'une accélération longitudinale), d'où nous pensons qu'il résulte une plus grande différence entre les forces nécessaires à percer le film 31 dans le cas d'une chute que dans le cas de l'accélération, à l'instant du tir, et qu'il résulte d'autre part un déchirement plus net, plus rapide, dans le cas des accélérations de tirs. Cette élasticité du film 31 est illustrée sur la figure 2, où le film 31 n'est pas représenté avec une surface sensiblement plane (correspondant à l'état de repos), mais comme ayant un point bas 39 ; sur la figure 2, l'échelle des dimensions n'est pas respectée pour une meilleure clarté, le film 31 ayant par exemple une épaisseur el de l'ordre de 80 micromètres, alors qu'un diamètre intérieur D1 du réservoir de stockage 4 est de l'ordre de 15 mm ; l'épaisseur des parois 28 étant par exemple de l'ordre de 1 mm ; le volume de l'électrolyte 32 étant de l'ordre de 2,4 cm3 avec une densité de 1,4. Bien entendu ces valeurs sont données uniquement à titre d'exemple non limitatif, et peuvent être modifiées notamment en fonction du type d'électrolyte 32, de la quantité d'électrolyte, du diamètre intérieur D1, de l'épaisseur el du film 31 et de la nature du matériau plastique qui constitue ce film. Selon une autre caractéristique de l'invention, le film 31 est constitué en une matière plastique du type thermoplastique, comme par exemple le polypropylène ou encore le polyéthylène, pouvant avoir par exemple une épaisseur el du même ordre que dans le cas précédent, à savoir environ 80 micromètres. Il a été constaté qu'un film 31 en un tel matériau utilisé pour fermer le réservoir de stockage 4, permettait encore d'accroître la fiabilité de l'ensemble, c'est-à-dire d'augmenter encore de manière importante la résistance du film 31 vis-à-vis des chocs résultant de chutes, (notamment des chutes de plusieurs mètres), tout en conservant la faculté d'être percé ou déchiré de manière franche, nette et rapide par l'accélération longitudinale d'un tir. Il semble que cette amélioration des caractéristiques est due, pour une part importante, à une propriété des thermoplastiques, propriété qui prend une valeur particulière dans le cas de la présente application. En effet, si l'on étire mécaniquement un thermoplastique, on tend à provoquer une orientation ou alignement des macromolécules qui renforce la cohésion des molécules entre elles et peut conduire à des caractéristiques mécaniques plus élevées. Par suite, lors de chutes ou chocs accidentels, le film 31 peut supporter des étirements mécaniques plus importants sans rompre, mais pour autant, il ne résiste pas à la force considérable engendrée par l'accélération à l'instant du tir. Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, à Itextrémité arrière 30 du réservoir de stockage 4, les parois 28 de ce dernier et le film 31 de fermeture sont solidarisés par thermosoudure. Par le terme "thermosoudure nous entendons définir l'opération classique qui consiste à lier mécaniquement l'un à l'autre deux éléments en matière plastique, par un chauffage approprié, et ceci généralement sans apport de matière supplémentaire. Bien entendu cette opération exige une compatibilité entre les deux éléments en matière plastique, mais cette technique est en elle-même bien connue, et les spécialistes ont à leur disposition ou peuvent construire des machines adaptées au type de soudure à effectuer et à la nature des matériaux plastiques à souder. Il est à noter que le film 31 peut être fixé sur les parois 28 par d'autres méthodes, par collage par exemple ; mais la thermosoudure des plastiques présente l'avantage de permettre une meilleure automatisation. Il est à noter en effet quten plus des effets techniques avantageux que procure l'invention, cette dernière présente aussi l'avantage d'apporter une réduction considérable des coûts de fabrication, particulièrement dans le cas de séries importantes, du fait que la mise en oeuvre de l'invention peut s'accomplir dans le cadre d'une automatisation poussée, au niveau de chacune des opérations principales telles que par exemple - réalisation par moulage du corps du réservoir de stockage 4 - remplissage automatique du réservoir de stockage 4 par une quantité prédéterminée d'électrolyte (cette opération étant facilitée par la bonne accessibilité à l'intérieur du réservoir de stockage 4) - puis fermeture du réservoir de stockage 4 par le film 31, de manière étanche, notamment par la technique de thermosoudure ci-dessus mentionnée, à l'aide par exemple de machines spécialisées (non représentées) et dans le cadre d'une chaine de montage automatisée; le réservoir de stockage 4 pouvant ensuite être incorporé à la pile 1. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le film 31 servant à la fermeture du réservoir de stockage 4 a une structure dite "complexe", c'est-à-dire qu'il est formé par au moins deux couches, superposées, de natures différentes, dont au moins une est en matière plastique. La figure 3 illustre cette caractéristique de l'invention par une vue agrandie d'une partie limitée de l'arrière 30 du réservoir de stockage 4 contenue dans un encadré 40 montré à la figure 2. Dans l'exemple non limitatif représenté à la figure 3, le film 31 de fermeture est formé par la superposition de deux films en matière plastique ou couches 42, 43. La première couche 42 peut être du type thermoplastique (polyéthylène, polypropylène, etc...) et de préférence elle est choisie pour être thermosoudée avec les parois 28 du réservoir de stockage 4 (ce dernier pouvant être par exemple en polyéthylène). En conséquence, dans cette version de l'invention, le film 31 de fermeture en matière plastique, de type complexe, est disposé de sorte que la première couche 42 soit au contact des parois 28 en vue d'une part, de l'opération de thermosoudure, mais aussi en vue de préserver l'électrolyte de toute dégradation. La première couche 42 constitue ainsi une couche de base à laquelle est superposée la seconde couche 43 qui a particulièrement pour fonction de renforcer les caractéristiques mécaniques recherchées (cette version de l'invention s'appliquant particulièrement aux cas des accélérations les plus fortes), et d'assurer une meilleure protection du film 31 aux manipulations. La seconde couche 43 constitue une couche additionnelle et plusieurs couches additionnelles peuvent être superposées à la première couche ou couche de base 42. La seconde couche ou couche additionnelle 43 est en matière plastique, en polyester par exemple, ou encore en papier et cette couche additionnelle peut être chargée ou non d'un élément métallique par exemple, la couche additionnelle 43 pouvant également être métallique. Il est à noter à titre d'exemple que l'on trouve dans le commerce des films en matière plastique bicouche c1est-à-dire du type complexe, dont une couche est en polyéthylène, d'épaisseur el d'environ 80- micromètres, colaminée avec une couche de polyester d'épaisseur e3 d'environ 12 micromètres ces films bicouches pouvant avantageusement être utilisés dans le cas des exemples de dimension cités plus haut. De tels film. sont couramment utilisés dans le domaine de l'emballage et particulièrement du conditionnement de produits alimentaires. REVENDICATIONS 1 - Pile électrochimique destinée à être soumise à une accélération par suite d'un déplacement longitudinal (2), comportant un réservoir de stockage (4) en matière plastique, de l'électrolyte liquide (20) contenu dans le réservoir de stockage (4), au moins une cellule (El å En) produisant une énergie électrique quand elle est au moins partiellement remplie par lféiectrolyte liquide (20), caractérisée en ce qu'une extrémité (30) du réservoir de stockage (4) située à l'arrière de ce dernier par rapport au sens du déplacement (2), est fermée par un film (3I) constitué au moins en partie en matière plastique. 2 - Pile électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le film (31) comporte au moins une couche thermoplastique . 3 - Pile électrochimique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche thermoplastique est du polyéthylène. 4 - Pile électrochimique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche thermoplastique est du polypropylène. 5 - Pile électrochimique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film (31) est fixé à l'extrémité arrière (30) du réservoir de stockage (4) par thermosoudure. 6 - Pile électrochimique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film (31) est du type complexe et comporte au moins deux couches (42, 43) dont l'une est orientée vers l'intérieur du réservoir de stockage (4) et constitue une couche de base (42) en matière plastique, et dont l'autre est à l'opposé du réservoir de stockage (4) et constitue une couche additionnelle (42). 7 - Pile électrochimique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche de base (42) est fixée l'extrémité arrière (30) du réservoir de stockage (4) par thermosoudure. 8 - Pile électrochimique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la couche de base (42) est thermoplastique. 9 - Pile électrochimique selon l'une des revendications 6 ou 7 ou 8, caractérisée en ce que la couche additionnelle (43) est du polyester.