Brevet FR2682535A1 — publié le 19930416

RECEPTACLE SOUDE SOUS PRESSION POUR BATTERIE A OXYDE METALLIQUE-HYDROGENE UTILISANT UNE BAGUE DE SOUDURE FLEXIBLE Les batteries à oxyde métallique-hydrogène, telles que les batteries à oxyde de nickel-hydrogène, ont trouvé une utilisation comme batteries de démarrage d'avion et dans des applications aérospatiales, du fait qu'elles sont rechargeables, ont une durée de vie extrêmement longue et fournissent une sortie uniforme pendant la totalité du cycle de décharge. Dans la batterie à oxyde métallique-hydrogène typique, les éléments de batterie sont scellés dans un réceptacle métallique extérieur résistant à la pression qui contient du gaz hydrogène sous pression Lors de la décharge de la batterie, le gaz hydrogène diffuse à travers l'électrolyte entourant les surfaces de catalyseur des électrodes négatives et devient dissocié sous la forme monoatomique L'hydrogène monoatomique est ionisé et se combine avec des ions hydroxyles afin de former de l'eau, avec un électron qui est libéré pendant le processus de formation de chaque ion hydrogène De plus, les ions hydroxyles sont formés au niveau de l'électrode négative par la réaction de l'eau avec l'oxygène disponible de l'oxyde de nickel Comme résultat des ces réactions, un courant d'électrons est produit dans un circuit extérieur. Lors de la recharge, la réaction est inversée, la recharge étant caractérisée par la régénération de l'hydrogène au niveau de l'électrode négative et la réoxydation de l'hydroxyde de nickel au niveau de l'électrode positive. Lors de la fabrication d'une batterie à oxyde de nickel-hydrogène, les modules d'éléments sont placés à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique du réceptacle sous pression et des calottes en forme de dôme sont alors soudées à chaque extrémité ouverte de l'enveloppe Afin de faciliter le soudage, une bague de soudage métallique du même métal ou alliage que le réceptacle, de préférence celui connu commercialement sous le nom d"'Inconel", est placée au niveau du joint entre chaque extrémité de l'enveloppe et la calotte respective La bague de soudage typique a une section générale en forme de T, comprenant une partie de base, qui se trouve en contact avec les surfaces intérieures de l'enveloppe et de la calotte, et une aile radiale qui s'étend vers l'extérieur entre les extrémités opposées ou en butée de l'enveloppe et de la calotte. Un soudage par faisceau laser ou d'électrons est couramment utilisé afin de relier la bague de soudage aux extrémités de l'enveloppe et de la calotte. La bague de soudage procure plusieurs fonctions La bague de soudage empêche le soufflage du métal fondu pendant le soudage et empêche le métal fondu de venir en contact avec les éléments de batterie, ce qui aurait un effet néfaste sur les performances de la batterie De plus, la bague de soudage sert à procurer du métal d'apport afin de remplacer le métal fondu évaporé pendant le soudage, et procure une résistance à la zone affectée par la chaleur de la soudure Comme autre fonction, la bague de soudage peut procurer un cadre de montage pour les modules d'éléments afin de positionner les modules d'éléments à l'intérieur du réceptacle et empêcher le déplacement des modules d'éléments. Afin de procurer ces fonctions, les bagues de soudage, telles qu'utilisées par le passé, sont de structure rigide lourde ayant une section annulaire extérieure relativement épaisse, ainsi que des bras ou des rayons qui s'étendent dans la partie centrale de la bague. Lors de l'utilisation, une batterie à l'oxyde métallique-hydrogène peut être soumise à des milliers de cycles de charge et de décharge, dans lesquels la pression d'hydrogène interne varie d'une pression minimum d'environ 3,45 105 Pa à une pression maximum d'environ 62,1 105 Pa Pour des applications aérospatiales ou de satellites, il est nécessaire de soumettre la batterie à oxyde métallique-hydrogène à une procédure d'essai rigoureux, dans laquelle la batterie est soumise à approximativement 40000 cycles à une pression élevée d'environ 2,5 fois de la pression maximum rencontrée en service, ou environ 151,7 105 Pa. Dans cette procédure de test, il a été noté que des fissures peuvent apparaître à la jonction entre l'enveloppe et la soudure Pendant le cycle de mise en pression, l'enveloppe se dilate radialement à une valeur supérieure à celle de la calotte en forme de dôme, soumettant ainsi une partie de la soudure adjacente à l'enveloppe à des contraintes, ce qui peut entraîner des fissures et une panne. Le joint soudé dans la batterie à oxyde métallique-hydrogène ne peut être traité thermiquement du fait que la batterie est contenue dans le réceptacle et que le traitement thermique détruirait la batterie. Bien qu'il soit possible de surmonter le problème de fissuration au niveau du joint soudé en augmentant l'épaisseur de paroi du réceptacle sous pression, cette solution n'est pas satisfaisante car elle augmente le poids de la batterie, ce qui est un point important dans une application aérospatiale ou de satellite. A cet effet, l'invention concerne une batterie à oxyde métallique- hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle métallique extérieur résistant à la pression et comprenant une enveloppe de forme générale cylindrique ayant une extrémité ouverte et une calotte en forme de dôme fermant l'extrémité de ladite enveloppe, une bague de soudage disposée entre les extrémités opposées de ladite enveloppe et de ladite calotte, ladite bague de soudage ayant une section générale en forme de T comprenant une aile radiale disposée entre les extrémités opposées de ladite enveloppe et de ladite calotte et une partie de base qui s'étend longitudinalement vers des côtés opposés de ladite aile et est disposée en engagement avec les surfaces internes de ladite enveloppe et de ladite calotte, une soudure reliant ladite bague aux extrémités de l'enveloppe et de la calotte, ladite bague étant exempte de rayons et l'épaisseur radiale de ladite partie de base étant dans la plage de 1:1 à 6:1 par rapport à l'épaisseur de paroi dudit réceptacle. L'invention concerne également une batterie à oxyde métallique- hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle métallique extérieur résistant à la pression et comprenant une enveloppe de forme générale cylindrique ayant une extrémité ouverte et une calotte en forme de dôme fermant l'extrémité de ladite enveloppe, l'extrémité de ladite enveloppe étant disposée en relation opposée à une extrémité de ladite calotte, plusieurs modules d'éléments disposés dans ledit réceptacle, une bague de soudage disposée entre lesdites extrémités opposées, ladite bague de soudage ayant une partie de base comprenant une surface annulaire interne et une paire de surfaces annulaires externes séparées par une aile radiale qui s'étend vers l'extérieur, les dites surfaces annulaires externes étant disposées en contact avec les surfaces internes de l'enveloppe et de la calotte respectivement et ladite aile étant disposée entre lesdites extrémités opposées, ladite bague de soudage ayant une ouverture centrale exempte d'obstacles, une soudure reliant la bague aux dites extrémités opposées, la profondeur radiale de ladite partie de base étant dans le rapport de 1:1 à 6:1 par rapport à l'épaisseur de paroi dudit réceptacle. L'invention se rapporte donc à une batterie à oxyde métallique-hydrogène, telle qu'une batterie à oxyde de nickel- hydrogène, et comprend une bague de soudage flexible, qui minimise la contrainte au niveau du joint de soudure entre l'enveloppe et la calotte, lorsque la batterie est soumise à un cycle de décharge et de charge. Les caractéristiques revendiquées procurent un certain nombre de facilités et d'avantages: La bague de soudage est réalisée dans le même métal que le réceptacle sous pression, de préférence de l'Inconel, et est pourvue d'une section de base qui porte contre les surfaces internes de la calotte et de l'enveloppe Une aile radiale s'étend circonférentiellement autour de la bague de soudage complète et se trouve entre les extrémités opposées ou en butée de l'enveloppe et de la calotte. Une soudure, de préférence une soudure au laser, relie la bague de soudage aux extrémités opposées de l'enveloppe et de la calotte. Afin de pourvoir la bague de soudage d'une certaine flexibilité dans une direction radiale, la section de base de la bague est réalisée avec une épaisseur radiale dans la plage de 1:1 à 6:1 par rapport à l'épaisseur de paroi du réceptacle, et de préférence un rapport d'épaisseur de 3:1 De plus, la bague est réalisée sans rayons, branches, ou bras internes. Avec cette construction, la bague tend à se dilater radialement avec la dilatation thermique de l'enveloppe pendant le cycle de charge, minimisant ainsi les concentrations de contraintes à la jonction entre la paroi et l'extrémité de l'enveloppe, comme cela se produisait par le passé L'invention adopte une approche différente de celle de la pratique passée, car on pensait nécessaire par le passé d'utiliser une bague de soudage rigide lourde afin de d'empêcher la dilatation et la contraction au niveau du joint de soudure. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description suivante. Les dessins illustrent ce qui est considéré comme le meilleur mode de réalisation de l'invention. Sur les dessins: La figure 1 est une vue de côté d'une batterie à oxyde métallique-hydrogène typique avec des parties arrachées en coupe et incorporant l'invention; La figure 2 est une coupe le long de la ligne 2-2 de la figure 1; La figure 3 est une coupe longitudinale partielle agrandie représentant la bague de soudage positionnée entre les extrémités opposées de la calotte et de l'enveloppe; La figure 4 est une vue similaire à la figure 3 représentant la soudure entre la calotte et l'enveloppe; et La figure 5 est une vue de face d'une bague de soudage de l'état de la technique. Les figures 1 à 4 illustrent une batterie à oxyde métallique-hydrogène rechargeable, telle qu'une batterie à oxyde de nickel-hydrogène La batterie est composée d'un réceptacle sous pression métallique extérieur 1 qui renferme un groupe de modules d'éléments 2 Les modules d'éléments sont d'un type conventionnel et, en général, peuvent être composés d'une paire d'électrodes positives dos-à- dos espacées par une couche de séparation le long d'une électrode négative, chacune disposée de façon adjacente et séparée d'une électrode positive Les électrodes positives sont généralement sous la forme de plaques de métal fritté poreuses planes imprégnées d'hydroxyde de nickel, alors que les électrodes négatives sont sous la forme de grilles de nickel à maille fine ayant un catalyseur, tel que du noir de platine, lié à une surface de la grille par l'intermédiaire d'une matière polymère hydrophobe Un électrolyte, tel qu'une solution d'hydroxyde de potassium, est imprégné dans les couches de séparation fibreuses qui séparent les électrodes Les modules d'éléments peuvent être reliés ensemble en série ou bien en parallèle afin d'obtenir la tension de sortie souhaitée. Le réceptacle 1 comprend une enveloppe cylindrique 3 dont les extrémités sont fermées par des calottes en forme de dôme 4 Des fils électriques 5 sont reliés aux électrodes des modules d'éléments et s'étendent en relation étanche à travers des raccords 6 qui peuvent se trouver dans l'une des calottes 4 du circuit. L'enveloppe 3 et les calottes 4 du réceptacle 1 sont réalisées dans un métal ou un alliage à résistance élevée et à la corrosion, tel que de l'Inconel ou de l'acier inoxydable, et ont une épaisseur de paroi dans la plage générale de 0,0762 cm à 0,1524 cm. Les extrémités de l'enveloppe 3 sont soudées aux calottes respectives 4 en utilisant une bague de soudage 7 réalisée dans le même métal que le réceptacle 1 La bague de soudage 7 comprend une section de base 8 qui, comme cela est représenté sur la figure 3, est en contact avec la surface interne de l'enveloppe 3 et la calotte 4, et une aile s'étendant radialement 9 qui s'étend vers l'extérieur depuis la partie centrale de la section de base 8 entre les extrémités opposées de l'enveloppe 3 et la calotte 4 L'aile 9 a une dimension radiale légèrement supérieure à l'épaisseur de paroi de l'enveloppe 3 et de la calotte 4, comme cela est représenté sur la figure 3 Les éléments sont soudés ensemble, de préférence par soudage par faisceau d'électrons ou laser, afin de procurer une soudure 10 comme cela est représenté sur la figure 4. La bague de soudage 7 procure plusieurs fonctions Comme la section de base 8 s'étend de chaque côté du joint, elle empêche le soufflage de métal fondu pendant le processus de soudage, empêchant ainsi le métal fondu de venir en contact avec les modules d'éléments de batterie 2 et d'endommager éventuellement les modules d'éléments En outre, la partie extérieure de l'aile 9 est consommée pendant l'opération de soudage et sert de métal d'apport afin de remplacer le métal fondu évaporé pendant le soudage. La bague de soudage 7 sert également d'ancrage pour les modules d'éléments 2 De ce point de vue, la partie interne de la bague 7 est pourvue de plusieurs zones agrandies 11 ayant des trous qui reçoivent des tirants 12 qui s'étendent à travers les modules d'éléments Les extrémités extérieures des tirants 12 sont filetées et reçoivent des écrous 13. Les tirants relient les modules d'éléments 2 aux bagues de soudage 7, positionnant ainsi les modules d'éléments et empêchant le déplacement des modules d'éléments à l'intérieur du réceptacle 1. Pendant le fonctionnement cyclique de la batterie, la pression d'hydrogène lors de la décharge peut descendre jusqu'à une valeur d'environ 3,45 105 Pa, alors que pendant la charge, une pression maximum dans la plage de 62,1 105 Pa peut être rencontrée En service, la batterie peut être soumise à des milliers de cycles de charge et de décharge Du fait de la nature à paroi mince de l'enveloppe 3, l'enveloppe se dilate radialement pendant le cycle de charge et le point milieu de la longueur de l'enveloppe peut se dilater jusqu'à 0,0127 cm La configuration en forme de dôme des calottes 4 tend à résister à la dilatation pendant le cycle de charge, avec pour résultat que des concentrations de contraintes sont rencontrées dans le joint de soudure, en particulier dans la zone indiquée par A sur la figure 4, o la soudure rejoint le bord interne de l'enveloppe. Par le passé, des bagues de soudage à rayons, telle que la bague 14 représentée sur la figure 5, étaient utilisées, la théorie étant que la bague de soudage devait être lourde et rigide afin de supporter les concentrations de contraintes apparaissant pendant le fonctionnement cyclique Toutefois, il a été découvert que la contrainte au niveau du joint de soudure est plus facilement encaissée, non pas en utilisant une bague de soudage plus rigide et plus lourde comme par le passé, mais en utilisant une bague légère flexible Afin de procurer la flexibilité de la bague de soudage 7, la bague doit être sans rayons, ce qui veut dire qu'elle ne doit pas avoir de rayons, de bras, ou tout autre type d'éléments de liaison qui relient des parties espacées de la bague De plus, l'épaisseur radiale ou la profondeur de la base 8 de la bague de soudage 7 doit être dans la plage de 1:1 jusqu'à un maximum de 6:1, par rapport à l'épaisseur de paroi du réceptacle 1 En utilisant une bague de soudage sans rayon avec une épaisseur dans la plage mentionnée ci-dessus, on peut obtenir comme effet que la bague de soudage fléchit pendant la durée de vie du réceptacle de façon à minimiser les concentrations de contraintes dans la zone soudée. Le tableau suivant représente la contrainte au niveau du joint soudé en fonction de l'épaisseur de bague de soudage: Epaisseur Déplacement Déplacement Contrainte bague soudage radial enveloppe radial bague maximum 0,47 0,0123 0,0044 8480,5 105 0,32 0,0123 0,0054 7653,1 105 0,15 0,0123 0,0074 6234,2 105 Les données d'essai ci-dessus sont obtenues en utilisant un réceptacle sous pression en Inconel de diamètre de 12,7 cm avec une épaisseur de paroi de 0,0762 cm Une bague de soudage sans rayons en Inconel est utilisée La dilatation de l'enveloppe est mesurée à une pression de 51, 7 105 Pa et le déplacement radial d'enveloppe est mesuré à un emplacement à 2,54 cm du joint de soudure. D'après le tableau ci-dessus, on peut voir que, en réduisant l'épaisseur de la section de base de la bague de soudage sans rayons, la dilatation radiale de la bague de soudage augmente et, de façon inattendue, la contrainte maximum au niveau du joint de soudure est réduite de manière substantielle Plus spécialement, lorsque l'épaisseur radiale de la bague de soudage est réduite de 0,47 cm à 0,15 cm, la contrainte maximum au niveau du joint de soudure est réduite de 8480,5 105 à 6234,2 105 L'invention adopte ainsi une approche différente de l'état de la technique qui utilisait une bague de soudage rigide lourde qui était virtuellement incapable de dilatation au niveau du joint de soudure. 1 l REVENDICATIONS 1 Batterie à oxyde métallique-hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle métallique extérieur ( 1) résistant à la pression et comprenant une enveloppe de forme générale cylindrique ( 3) ayant une extrémité ouverte et une calotte en forme de dôme ( 4) fermant l'extrémité de ladite enveloppe ( 3), une bague de soudage ( 7) disposée entre les extrémités opposées de ladite enveloppe ( 3) et de ladite calotte ( 4), ladite bague de soudage ( 7) ayant une section générale en forme de T comprenant une aile radiale ( 9) disposée entre les extrémités opposées de ladite enveloppe ( 3) et de ladite calotte ( 4) et une partie de base ( 8) qui s'étend longitudinalement vers des côtés opposés de ladite aile ( 9) et est disposée en engagement avec les surfaces internes de ladite enveloppe ( 3) et de ladite calotte ( 4), une soudure ( 10) reliant ladite bague ( 7) aux extrémités de l'enveloppe ( 3) et de la calotte ( 4), ladite bague ( 7) étant exempte de rayons et l'épaisseur radiale de ladite partie de base ( 8) étant dans la plage de 1:1 à 6:1 par rapport à l'épaisseur de paroi dudit réceptacle ( 1) 2 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur radiale de ladite partie de base ( 8) est dans le rapport de 3:1 par rapport à l'épaisseur de paroi du réceptacle ( 1). 3 Batterie à -oxyde métallique-hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle métallique extérieur ( 1) résistant à la pression et comprenant une enveloppe de forme générale cylindrique ( 3) ayant une extrémité ouverte et une calotte en forme de dôme ( 4) fermant l'extrémité de ladite enveloppe ( 3), l'extrémité de ladite enveloppe ( 3) étant disposée en relation opposée à une extrémité de ladite calotte ( 4), plusieurs modules d'éléments ( 2) disposés dans ledit réceptacle ( 1), une bague de soudage ( 7) disposée entre lesdites extrémités opposées, ladite bague de soudage ( 7) ayant une partie de base ( 8) comprenant une surface annulaire interne et une paire de surfaces annulaires externes séparées par une aile radiale ( 9) qui s'étend vers l'extérieur, les dites surfaces annulaires externes étant disposées en contact avec les surfaces internes de l'enveloppe ( 3) et de la calotte ( 4) respectivement et ladite aile ( 9) étant disposée entre lesdites extrémités opposées, ladite bague de soudage ( 7) ayant une ouverture centrale exempte d'obstacles, une soudure ( 10) reliant la bague ( 7) aux dites extrémités opposées, la profondeur radiale de ladite partie de base ( 8) étant dans le rapport de 1:1 à 6:1 par rapport à l'épaisseur de paroi dudit réceptacle ( 1). 4 Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface extérieure dudit réceptacle ( 1) est exposée. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de liaison ( 12) destinés à relier ladite bague ( 7) aux dits modules d'éléments ( 2). 6 Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réceptacle ( 1) a une épaisseur de paroi dans la plage de 0,0762 cm à 0,1524 cm. 7 Batterie selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface annulaire interne de ladite partie de base ( 8) est pourvue de plusieurs extensions espacées s'étendant vers l'intérieur ( 11), chacune desdites extensions ( 11) ayant un trou, lesdits moyens de liaison comportant plusieurs tirants ( 12) qui s'étendent à travers lesdits modules d'éléments ( 2) et sont reçus dans lesdits trous.