Brevet FR2683097A1 — publié le 19930430

BATTERIE A OXYDE METALLIQUE-HYDROGENE AYANT DES MODULES D'ELEMENTS SCELLES AVEC RETENUE DE L'ELECTROLYTE ET MISE A L'AIR LIBRE DE L'HYDROGENE 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 une batterie à oxyde de nickel-hydrogène typique, les éléments de batterie sont scellés dans un réceptacle extérieur sous 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 plaques 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 libération d'un électron pendant le processus de formation de chaque ion hydrogène De plus, les ions hydroxyles sont formés au niveau de l'électrode positive 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 le 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. L'hydroxyde de potassium est couramment utilisé comme électrolyte dans une telle batterie à oxyde métallique-hydrogène Du fait de la forte mouillabilité de l'hydroxyde de potassium, il faut prendre soin d'empêcher une migration capillaire de l'hydroxyde de potassium et un pontage entre des modules d'éléments qui pourrait provoquer un court- circuit. Si de l'oxygène produit pendant le fonctionnement des batteries à oxyde métallique- hydrogène s'échappe du module d'éléments, il peut se recombiner de manière non uniforme dans les différents modules d'éléments de la batterie Du fait que la formation d'oxygène a lieu en consommant de l'eau et que sa recombinaison avec l'hydrogène au niveau d'une électrode négative quelconque forme de l'eau, le résultat d'une recombinaison non uniforme peut conduire à un séchage de certains modules d'éléments, ce qui peut limiter les performances de la batterie et conduire finalement à sa défaillance. L'invention se rapporte à une batterie à oxyde métallique-hydrogène ayant des modules d'éléments scellés avec retenue de l'électrolyte liquide et une mise à l'air libre du gaz hydrogène Plus particulièrement, l'invention concerne une batterie à oxyde métallique-hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle sous pression, plusieurs modules d'éléments disposés dans le réceptacle sous pression, chaque module d'éléments comportant une électrode positive et une électrode négative, un électrolyte liquide contenu dans chaque module d'éléments, une enveloppe scellée constituée par une matière électriquement isolante renfermant chaque module d'éléments, ladite enveloppe étant imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, des moyens de mise à l'air libre disposés dans chaque enveloppe, les moyens de mise à l'air libre étant perméables à l'écoulement de gaz hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, et des moyens électriquement conducteurs s'étendant en relation étanche dans chaque enveloppe et reliant lesdites électrodes à un circuit extérieur. L'invention concerne également une batterie à oxyde métallique-hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle extérieur sous pression, plusieurs modules d'éléments disposés dans ledit réceptacle sous pression avec chaque module d'éléments comportant une électrode positive et une électrode négative, un électrolyte liquide disposé dans chaque module d'éléments, une paire d'enveloppes scellées disposées en relation superposée autour de chaque module d'éléments, chaque enveloppe étant constituée par une matière électriquement isolante et qui est imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, un orifice de mise à l'air libre disposé dans chaque enveloppe avec lesdits orifices de mise à l'air libre qui sont perméables à l'écoulement d'hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, et des moyens électriquement conducteurs s'étendant en relation étanche à travers lesdites enveloppes et en contact avec lesdites électrodes afin de relier lesdites électrodes à un circuit extérieur. L'invention concerne aussi une batterie à oxyde métallique-hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle extérieur sous pression, un module d'éléments disposé dans le réceptacle sous pression et comportant une électrode positive et une électrode négative, un électrolyte liquide imprégné dans ledit module d'éléments, une poche scellée souple constituée par une matière thermoplastique enfermant ledit module d'éléments, ladite matière thermoplastique étant imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, des moyens de mise à l'air libre disposés dans la poche et qui sont perméables à l'écoulement d'hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, lesdites électrodes négatives étant disposées de façon adjacente aux dits moyens de mise à l'air libre, et des moyens électriquement conducteurs s'étendant en relation étanche à travers ladite poche et en contact avec lesdites électrodes afin de relier lesdites électrodes à un circuit extérieur. Ainsi, la batterie comporte un réceptacle extérieur sous pression qui contient plusieurs modules d'éléments, chacun ayant une borne négative et une borne positive et contenant un électrolyte liquide, tel que de l'hydroxyde de potassium. Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, chaque module d'éléments est enfermé dans une enveloppe scellée souple, telle qu'une poche en matière plastique, qui est imperméable à l'écoulement de l'électrolyte liquide et peut être réalisée en film thermoplastique La poche est de préférence d'une structure multicouche, constituée par un film intérieur en polyamide connu commercialement sous le nom de Nylon enserré par des couches extérieures de film polyéthylène, les surfaces latérales de cette poche étant globalement parallèles. Afin de permettre l'écoulement de gaz hydrogène à travers la poche, chaque poche est pourvue d'un orifice de mise à l'air libre, et est de préférence réalisée en polytétrafluoréthylène fibreux (connu commercialement sous le nom de Gortex) qui est perméable à l'écoulement d'hydrogène mais imperméable à l'écoulement d'électrolyte liquide Une partie de chaque poche est espacée du module d'éléments contenu afin de procurer un canal ou collecteur pour l'écoulement de gaz à l'intérieur de la poche. Des fils électriques sont reliés aux bornes de chaque module d'éléments et s'étendent en relation étanche à travers la poche. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, chaque module d'éléments comporte une paire d'électrodes positives dos-à-dos et une paire d'électrodes négatives disposées de façon adjacente à la surface extérieure du module d'éléments à proximité de l'orifice de mise à l'air libre En positionnant l'électrode négative à proximité de l'orifice de mise à l'air libre, la recombinaison de l'oxygène qui est formé pendant la charge du module d'éléments est facilitée avant que l'oxygène puisse s'échapper par l'orifice de mise à l'air libre avec le courant de gaz hydrogène, minimisant ainsi la possibilité de séchage de modules d'éléments qui peut limiter les performances de la batterie. Dans une forme modifiée de l'invention, chaque module d'éléments est contenu dans une paire de poches scellées souples superposées et chaque poche est pourvue d'un orifice de mise à l'air libre Dans cet agencement, les orifices de mise à l'air libre dans les poches superposées ne sont pas en alignement direct de sorte que le gaz hydrogène doit suivre un passage tortueux en s'écoulant par les orifices de mise à l'air libre vers les modules d'éléments L'utilisation de l'agencement à poche double garantit en outre qu'il n'y a pas de fuite de l'électrolyte entre les modules d'éléments. L'invention procure une retenue positive de l'électrolyte liquide de façon à empêcher l'électrolyte de fuir entre les modules d'éléments et de former un pont électrique et la construction permet en outre le libre passage du gaz hydrogène entre les modules d'éléments et le réceptacle sous pression extérieur. En positionnant les électrodes négatives de façon adjacente à l'orifice de mise à l'air libre dans la poche, la recombinaison de l'oxygène est facilitée avant que l'oxygène puisse s'échapper par l'orifice de 6 2683097 mise à l'air libre avec le courant de gaz hydrogène, empêchant ainsi le séchage des modules d'éléments de la batterie. 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 en perspective d'une partie de la batterie à oxyde métallique-hydrogène incorporant l'invention; La figure 2 est une partie d'une coupe longitudinale de la batterie représentant une pile de modules d'éléments; La figure 3 est une coupe partielle agrandie d'un module d'éléments; et La figure 4 est une coupe partielle agrandie d'une forme modifiée d'un module d'éléments utilisant une paire de poches superposées. La figure 1 illustre une batterie à oxyde métallique-hydrogène rechargeable, telle qu'une batterie à oxyde de nickel-hydrogène La batterie se compose d'un réceptacle extérieur sous pression 1 qui renferme un groupe de modules d'éléments de forme générale cylindrique 2 qui sont en relation côte-à-côte et espacées par des plaques de séparation 3 Les plaques 3 comportent des rebords périphériques 3 a qui sont en engagement avec la paroi interne du réceptacle 1 Les plaques 3 servent d'éléments ou ailettes de transfert de chaleur destinés à transférer la chaleur des modules d'éléments vers le réceptacle extérieur et les plaques peuvent être construites comme cela est représenté dans la demande de brevet U S No 07/625 560 déposée le 11 décembre 1991 et devenue le brevet U S. 5 071 562. Chaque module d'éléments 2 peut être construit comme cela est décrit dans le brevet U S. 4.957 830 et se compose d'une manière générale d'une paire d'électrodes positives dos-à-dos 4 qui sont espacées par une couche absorbant l'électrolyte 5, ainsi que d'une paire d'électrodes négatives 6 Les électrodes négatives 6 sont séparées des électrodes positives adjacentes par des couches de séparation 7. De plus, une grille de diffusion de gaz 8 se trouve sur la surface extérieure de chaque électrode négative 6. Les électrodes positives 4 peuvent être 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 métalliques 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 liquide, tel qu'une solution d'hydroxyde de potassium, est imprégné dans les couches de séparation fibreuses 5 et 7 qui séparent les électrodes Les modules d'éléments 2 peuvent être reliés ensemble en série ou bien en parallèle afin d'obtenir la tension de sortie souhaitée. Le réceptacle sous pression 1 peut être construit comme cela est décrit dans le brevet U S. 4.923 763, comprenant une enveloppe cylindrique et des calottes en forme de dôme Le réceptacle 1 comporte un revêtement intérieur 9 réalisé en métal, tel que celui connu commercialement sous le nom d'Inconel ou de l'acier inoxydable, et une couche extérieure 10 de résine renforcée de fibres enroulée autour du revêtement métallique 9 par des techniques d'enroulement de filament conventionnelles. Chaque module d'éléments 2 est contenu dans une enveloppe scellée telle qu'une poche souple 11, réalisée de préférence en résine thermoplastique La 8 2683097 poche 11 peut être imperméable au passage de l'électrolyte liquide et empêche ainsi l'électrolyte d'un module d'éléments de migrer vers un module d'éléments adjacent et court-circuiter ainsi les modules La poche 11 est de préférence d'une structure multicouche constituée par une couche centrale de film en Nylon enserrée par des couches extérieures de polyéthylène Le film en Nylon apporte la résistance de la poche alors que les couches de polyéthylène aident à sceller à chaud la poche afin de procurer une structure scellée. Comme cela est illustré, la poche il peut être d'une structure à extrémité ouverte et le module d'éléments est inséré dans l'extrémité ouverte. L'extrémité ouverte de la poche est alors scellée à chaud, comme cela est indiqué par le joint 12, afin de procurer une fermeture totalement scellée pour le module d'éléments 2 Comme cela peut se voir sur la figure 3, les côtés et l'extrémité supérieure de la poche sont disposés en relation contig e aux côtés et extrémité correspondants du module d'éléments, alors que l'extrémité inférieure de la poche est espacée de l'extrémité inférieure du module d'éléments afin de procurer un espace ou canal 13 pour l'écoulement de gaz hydrogène. Afin de permettre l'écoulement du gaz hydrogène entre les modules d'éléments et l'intérieur du réceptacle sous pression 1, chaque poche est pourvue d'un ou de plusieurs orifices de mise à l'air libre 14. Les orifices de mise à l'air libre 14 sont perméables à l'écoulement de gaz hydrogène mais imperméables à l'écoulement d'électrolyte liquide, de sorte que l'électrolyte ne peut passer par les orifices de mise à l'air libre vers l'extérieur de la poche Les orifices de mise à l'air libre 14 sont de préférence réalisés dans le Gortex (composé de fibres du matériau connu commercialement sous le nom de Téflon et qui est du polytétrafluoréthylène). Les électrodes positives et négatives 4, 6 des modules d'éléments 2 peuvent être reliées de la manière souhaitée par un mécanisme conducteur 15 du type décrit dans la demande de brevet U S No 07/783 006 déposée le 28 octobre 1991 et qui s'étend en relation étanche à travers des ouvertures alignées dans chacune des poches 11 Un support de borne positive 16 est relié à une extrémité du mécanisme conducteur 15, alors qu'un support de borne négative, non représenté, peut être relié à l'extrémité opposée du mécanisme conducteur. La figure 4 représente une forme modifiée de l'invention dans laquelle chaque module d'éléments 2 est enfermé par une paire de poches superposées 17 et 18 Les poches 17 et 18 sont construites d'une façon similaire à la poche 11 de la première forme de réalisation et sont de préférence réalisées en matière thermoplastique qui est imperméable à l'écoulement de l'électrolyte liquide Comme cela est représenté sur la figure 4, les extrémités inférieures ouvertes des poches 17 et 18 sont amenées en relation contig e et reliées par une paire de joints scellés à chaud et espacés 19 et 20 L'utilisation d'une paire de joints scellés à chaud et espacés garantit en outre que les poches sont scellées et qu'il n'y a pas de fuite d'électrolyte à travers les zones scellées Comme dans le cas de la première forme de réalisation, l'extrémité inférieure de la poche intérieure 17 est espacée de l'extrémité correspondante du module d'éléments 2 afin de procurer un espace 21 qui sert de collecteur ou de canal pour l'écoulement du gaz hydrogène dans le module d'éléments. La poche intérieure 17 est réalisée avec un orifice de mise à l'air libre 22, de construction similaire à l'orifice de mise à l'air libre 14 de la première forme de réalisation La poche extérieure 18 est également réalisée avec un orifice de mise à l'air libre 23 de construction similaire Les orifices de mise à l'air libre 22 et 23 se trouvent de préférence sur des faces opposées du module d'éléments et ne sont pas en alignement direct, procurant ainsi un passage tortueux pour l'écoulement de tout électrolyte liquide qui pourrait éventuellement s'échapper par l'orifice de mise à l'air libre 22 dans la poche intérieure. Avec la construction de l'invention, l'électrolyte est totalement contenu dans chaque module d'éléments par l'enveloppe ou la poche scellée, empêchant ainsi l'électrolyte de passer d'un module d'éléments à l'autre en provoquant un court-circuit. Comme autre avantage, les orifices de mise à l'air libre 14, 22 et 23 sont disposés de façon adjacente aux électrodes négatives des modules d'éléments Cet emplacement de l'orifice de mise à l'air libre à proximité de l'électrode négative facilite la recombinaison de l'oxygène avec l'hydrogène au niveau de l'électrode négative, avec pour résultat une recombinaison plus uniforme et en empêchant le séchage des modules d'éléments dans la batterie. Bien que la description présente des modules d'éléments de forme générale cylindrique, on considère que les modules d'éléments peuvent avoir des configurations différentes, par exemple semi- cylindriques ou rectangulaires. il 2683097 REVENDICATIONS 1 Batterie à oxyde métallique- hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle sous pression ( 1), plusieurs modules d'éléments ( 2) disposés dans le réceptacle sous pression ( 1), chaque module d'éléments ( 2) comportant une électrode positive ( 4) et une électrode négative ( 6), un électrolyte liquide contenu dans chaque module d'éléments ( 2), une enveloppe scellée ( 11) constituée par une matière électriquement isolante renfermant chaque module d'éléments ( 2), ladite enveloppe ( 11) étant imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, des moyens de mise à l'air libre ( 14) disposés dans chaque enveloppe ( 11), les moyens de mise à l'air libre ( 14) étant perméables à l'écoulement de gaz hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, et des moyens électriquement conducteurs ( 15) s'étendant en relation étanche dans chaque enveloppe ( 11) et reliant lesdites électrodes ( 4, 6) à un circuit extérieur. 2 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque module d'éléments ( 2) comporte une paire d'électrodes positives ( 4) et une paire d'électrodes négatives ( 6), lesdites électrodes positives ( 4) étant disposées en relation isolée dos-à- dos et lesdites électrodes négatives ( 6) étant disposées de façon adjacente à la surface extérieure dudit module d'éléments ( 2), lesdits moyens de mise à l'air libre ( 14) étant disposés de façon adjacente à une électrode négative ( 6). 3 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que une partie de l'enveloppe ( 11) est hors de contact avec le module d'éléments ( 2) correspondant afin de procurer un espace ( 13) entre eux pour l'écoulement de gaz. 4 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enveloppe ( 11) est pourvue d'un joint ( 12), ledit joint ( 12) étant espacé dudit élément afin de procurer un espace ( 13) entre eux pour l'écoulement de gaz. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque module d'éléments ( 2) comporte une paire de faces opposées, ladite enveloppe ( 11) ayant une paire de surfaces latérales globalement parallèles disposées chacune en relation contig e à une face dudit module d'éléments ( 2). 6 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque module d'éléments ( 2) est de configuration générale semi- cylindrique et comprend une surface cylindrique courbe, une partie de ladite enveloppe ( 11) étant espacée de ladite surface périphérique afin de procurer une chambre pour l'écoulement de gaz. 7 Batterie à oxyde métallique- hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle extérieur sous pression ( 1), plusieurs modules d'éléments ( 2) disposés dans ledit réceptacle sous pression ( 1) avec chaque module d'éléments ( 2) comportant une électrode positive ( 4) et une électrode négative ( 6), un électrolyte liquide disposé dans chaque module d'éléments ( 2), une paire d'enveloppes scellées ( 17, 18) disposées en relation superposée autour de chaque module d'éléments ( 2), chaque enveloppe ( 17, 18) étant constituée par une matière électriquement isolante et qui est imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, un orifice de mise à l'air libre ( 22, 23) disposé dans chaque enveloppe ( 17, 18) avec lesdits orifices de mise à l'air libre ( 22, 23) qui sont perméables à l'écoulement d'hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, et des moyens électriquement 13 2683097 conducteurs ( 15) s'étendant en relation étanche à travers lesdites enveloppes ( 17, 18) et en contact avec lesdites électrodes ( 4, 6) afin de relier lesdites électrodes ( 4, 6) à un circuit extérieur. 8 Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits orifices de mise à l'air libre ( 22, 23) ne sont pas en alignement direct. 9 Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque enveloppe ( 17, 18) comporte une poche en matière plastique souple. Batterie selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque poche se compose d'un film en Nylon enserré par des films extérieurs de polyéthylène. 11 Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits orifices de mise à l'air libre ( 22, 23) sont disposés sur des surfaces opposées du module d'éléments ( 2) respectif. 12 Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque orifice de mise à l'air libre ( 22, 23) se compose de fibres de polytétrafluoréthylène. 13 Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que une partie de la poche intérieure ( 17) est espacée dudit module d'éléments ( 2) afin de créer une chambre ( 21) pour l'écoulement de gaz hydrogène. 14 Batterie à oxyde métallique- hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comprend un réceptacle extérieur sous pression ( 1), un module d'éléments ( 2) disposé dans le réceptacle sous pression ( 1) et comportant une électrode positive ( 4) et une électrode négative ( 6), un électrolyte liquide imprégné dans ledit module d'éléments ( 2), une poche scellée souple ( 17) constituée par une matière thermoplastique enfermant ledit module d'éléments ( 2), ladite matière 14 2683097 thermoplastique étant imperméable à l'écoulement dudit électrolyte liquide, des moyens de mise à l'air libre ( 22) disposés dans la poche ( 17) et qui sont perméables à l'écoulement d'hydrogène et imperméables à l'écoulement dudit électrolyte liquide, lesdites électrodes négatives ( 6) étant disposées de façon adjacente aux dits moyens de mise à l'air libre ( 22), et des moyens électriquement conducteurs ( 15) s'étendant en relation étanche à travers ladite poche ( 17) et en contact avec lesdites électrodes ( 4, 6) afin de relier lesdites électrodes ( 4, 6) à un circuit extérieur. Batterie selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comprend une deuxième poche scellée souple ( 18) disposée autour de ladite première poche ( 17), et des seconds moyens de mise à l'air libre ( 23), lesdits seconds moyens de mise à l'air libre ( 23) étant perméables à l'écoulement de gaz hydrogène et imperméables à l'écoulement de l'électrolyte liquide, lesdits seconds moyens de mise à l'air libre ( 23) n'étant pas en alignement direct avec lesdits premiers moyens de mise à l'air libre ( 22). 16 Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enveloppe est une poche en matière plastique souple.