Brevet FR2686738A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne un accumulateur à gaz sous pression, et elle concerne plus particulièrement un tel accumulateur ayant une structure qui permet d'obte- nir un rendement élevé et une bonne stabilité à long terme. Les batteries rechargeables ou accumulateurs sont des dispositifs électrochimiques qui sont destinés à emmagasiner et à conserver une charge électrique et à fournir ultérieurement cette charge pour produire de l'énergie utile L'accumulateur plomb-acide qui est utilisé dans les automobiles et l'accumulateur nickel- cadmium qui est utilisé dans divers dispositifs électro- niques portables constituent des exemples familiers d'accumulateur Un autre type d'accumulateur ayant une plus grande capacité de stockage pour sa masse est l'accumulateur oxyde de nickel/hydrogène sous pression, qui est un type d'accumulateur important que l'on appelle couramment accumulateur nickel-hydrogène et qui est utilisé dans des applications concernant des engins spatiaux Il est nécessaire de minimiser la masse de l'accumulateur d'un engin spatial tout en obtenant le niveau de performances exigé, à cause du coût de l'opéra- tion consistant à faire monter la masse jusqu'en orbite terrestre et au-delà. L'accumulateur nickel-hydrogène comprend une série de jeux de plaques actives qui emmagasinent une charge électrique par des moyens électrochimiques, et qui fournissent ensuite cette charge sous la forme d'un courant utile Les jeux de plaques actives sont logées à l'intérieur d'une enceinte sous pression qui contient les jeux de plaques et le gaz consistant en hydrogène qui est un composant actif essentiel de la cellule Chaque jeu de plaques comprend une électrode positive, une électrode négative et un séparateur entre les deux électrodes, tous étant imbibés d'un électrolyte Dans un accumulateur caractéristique, un certain nombre de jeux de plaques sont supportés sur un noyau sous une charge de compression, avec un écran laissant passer les gaz entre chaque jeu de plaques, et avec des conducteurs électriques de connexion dirigés vers chaque électrode de chaque jeu de plaques. L'écran laissant passer les gaz établit un canal pour les gaz de l'électrode à hydrogène vers l'espace de gaz à l'extérieur de l'empilement Un seul élément d'accumu- lateur nickel-hydrogène fournît du courant sous une ten- sion d'environ 1,3 volt, et on connecte habituellement un certain nombre d'éléments d'accumulateur en série pour produire du courant sous la tension exigée par les systè- mes de l'engin spatial. Bien que l'élément d'accumulateur nickel- hydrogène ait une énergie spécifique (capacité de stockage d'énergie électrique par unité de masse) théorique supé- rieure à celle de l'élément d'accumulateur nickel-cadmium, il est volumineux et il a une plus faible densité d'éner- gie (capacité de stockage d'énergie électrique par unité de volume) que l'élément d'accumulateur nickel-cadmium La forme cylindrique de l'enceinte sous pression de l'élément d'accumulateur nickel-hydrogène, en comparaison avec la forme rectiligne de l'élément d'accumulateur nickel- cadmium, ajoute à l'accumulateur un volume notable d'espace inutilisable On ne peut pas modifier notablement la conception de l'enceinte sous pression pour améliorer les propriétés de rendement en volume de l'accumulateur nickel-hydrogène, du fait que sa forme-est optimisée pour obtenir les meilleures propriétés de masse, tout en confi- nant la pression d'hydrogène qui peut s'élever jusqu'à 7 M Pa pendant le cycle de charge/décharge de l'accumula- teur. Il existe donc un besoin portant sur un accumu- lateur nickel-hydrogène perfectionné qui conserve ses bonnes propriétés de masse, mais qui procure de meilleures propriétés de volume L'accumulateur doit également conserver ses caractéristiques de fonctionnement pendant une longue durée, de façon caractéristique de l'ordre de ans pour un engin spatial tel qu'un satellite de télé- communications commercial Ainsi, on doit avoir une bonne certitude qu'une modification quelconque de l'accumulateur nickel-hydrogène n'entraînera pas un changement des performances de l'accumulateur au cours de sa durée de vie prévue Du fait qu'il n'est pas possible d'effectuer avant le lancement du satellite des tests de l'accumulateur portant sur la durée de vie complète de 15 ans, il est nécessaire de prévoir des mécanismes de défaillance possi- bles et de les éviter, dans la conception fondamentale de l'accumulateur. La présente invention satisfait ce besoin portant sur un accumulateur à gaz sous pression perfec- tionné ayant de bonnes propriétés de masse et de volume, et n'ayant pas de processus supplémentaires de défaillance à long terme. La présente invention procure un accumulateur perfectionné, ayant de bonnes propriétés de masse et de volume L'accumulateur permet d'obtenir ces perfectionne- ments tout en assurant la conservation des performances de stockage sur de longues périodes d'utilisation, en évitant des processus qui peuvent dégrader les performances sur de longues durées La structure de l'accumulateur évite la dégradation qui résulte de la migration de l'électrolyte entre des empilements de jeux de plaques qui sont connec- tés électriquement en série, comme dans une enceinte sous pression courante d'un accumulateur nickel-hydrogène. Conformément à l'invention, un accumulateur comprend une enceinte sous pression et une membrane imper- méable interne à l'intérieur de l'enceinte sous pression, qui divise cette dernière en deux compartiments qui sont fermés hermétiquement de façon à empêcher un transfert de masse entre les compartiments L'accumulateur comprend en outre des moyens de stockage pour le stockage d'énergie électrique, ces moyens de stockage comprenant au moins un jeu de plaques actives dans chacun des compartiments de l'enceinte sous pression Chaque jeu de plaques actives comprend une électrode positive, telle qu'une électrode au nickel, une électrode négative telle qu'une électrode i l'hydrogène,un séparateur entre l'électrode positive et l'électrode négative, et un électrolyte tel qu'une solu- tion aqueuse d'hydroxyde de potassium. L'enceinte sous pression est de préférence réalisée sous la forme d'une enveloppe cylindrique avec des extrémités bombées Avec une telle enceinte sous pression, la membrane imperméable est positionnée perpen- diculairement à l'axe du cylindre de l'enceinte sous pression, au milieu de cette dernière, de façon que l'enceinte sous pression soit divisée en deux comparti- ments ayant la même taille, la même forme et le même volume L'enceinte sous pression et la membrane imperméa- ble sont de préférence constituées par un matériau qui ne se dégrade pas ou ne devient pas cassant en présence d'hydrogène sous une pression élevée, comme l'alliage Inconel 718 La membrane imperméable peut être relative- ment mince, avec une épaisseur de l'ordre de 0,13-0,76 mm, du fait qu'avec cette structure, la différence de pression de part et d'autre de la membrane imperméable est faible ou nulle Chacun des deux compartiments contient avanta- geusement au moins deux jeux de plaques, avec les jeux de plaques dans chaque compartiment connectés en parallèle. Du fait que les jeux de plaques sont connectés en paral- lèle, ils fonctionnent aux mêmes tensions, et il n'y a aucune force d'entraînement pour provoquer une migration de l'électrolyte d'un jeu de plaques vers l'autre, même pendant une utilisation prolongée de l'accumulateur. D'autre part, les jeux de plaques dans les différents compartiments peuvent être connectés en série, si l'on désire que l'accumulateur fournisse des tensions élevées, du fait qu'il ne peut y avoir de migration de l'élec- trolyte d'un compartiment vers l'autre à travers la membrane imperméable. Le fait de placer de multiples jeux de plaques à l'intérieur de l'enceinte sous pression améliore les propriétés de volume de l'accumulateur Cependant, en l'absence des compartiments fermés hermétiquement, les divers jeux de plaques connectés en série, fonctionnant à des tensions différentes, pourraient entràlner une dégra- dation des performances sur des périodes prolongées, à cause de la migration de l'électrolyte entre les jeux de plaques L'utilisation de la membrane imperméable évite une telle migration de l'électrolyte. La présente invention procure un perfectionne- ment important dans le domaine des accumulateurs à gaz sous pression La densité d'énergie volumique est amélio- rée, sans l'introduction d'un processus de dégradation par migration de l'électrolyte D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description plus détaillée qui suit des modes de réalisation préférés, à lire en se référant conjointement aux dessins annexés, qui illustrent au moyen d'un exemple les principes de l'invention. La figure 1 est une coupe longitudinale d'un accumulateur nickel-hydrogène, avec des connexions élec- triques indiquées schématiquement; et la figure 2 est une représentation de détail agrandie de la région de jeu de plaques et d'empilement d'accumulateur de la figure 1, correspondant de façon générale à la partie désignée par " 2 ". La présente invention est mise en oeuvre de préférence dans un accumulateur nickel-hydrogène 10 du type à élément d'accumulateur métal-gaz sous pression Un tel accumulateur 10, représenté sur la figure 1, comprend au moins deux jeux de plaques actives individuels Un jeu de plaques 12 préféré est représenté sur la figure 2 et il est également représenté sur la figure 1, mais d'autres configurations et structures du jeu de plaques sont connues dans la technique On peut mettre en oeuvre la présente invention avec n'importe quelle configuration de jeu de plaques, et elle n'est pas limitée par la descrip- tion suivante du jeu de plaques préféré. En se référant à la figure 2, on note que le jeu de plaques 12 comprend une anode ou électrode positive 14 et une cathode ou électrode négative 16 Un séparateur 18 contenant un électrolyte sépare physiquement les électro- des 14 et 16, et il fournit également le milieu consistant en électrolyte à travers lequel un transfert d'ions et d'électrons a lieu La charge et la décharge du jeu de plaques 12 sont accomplies par l'intermédiaire de conduc- teurs électriques 20. On forme l'électrode positive 14 en imprégnant d'hydroxyde de nickel du nickel fritté poreux qui est supporté sur un substrat d'électrode consistant en un treillis de nickel, et qui mesure environ 0,76 mm d'épais- seur L'électrode négative 16 est enduite sur une face d'un mélange fritté denoirde platine déposé sur des parti- cules conductrices dans un liant consistant en polytétra- fluoroéthylène, et elle est enduite sur l'autre face d'une couche poreuse de polytétrafluoroéthylène 22 Ces couches sont appliquées sur un substrat en nickel se présentant sous la forme d'une feuille gravée ou d'un treillis tissé, pour former l'électrode négative 16. On peut utiliser de nombreux types différents de séparateurs 18, comprenant par exemple de 1 ' amiante, du Nylon et une toile d'oxyde de zirconium-oxyde d'yttrium. Le séparateur mesure de façon caractéristique environ 0,3 mm d'épaisseur Dans cet accumulateur d'un type prévu pour des applications spatiales,l'électrolyte imprègne le séparateur 18 L'électrolyte est de façon caractéristique une solution à 26-31 % de soluté d'hydroxyde de potassium dans de l'eau. Les jeux de plaques 12 individuels peuvent être assemblés ensemble pour former un réseau empilé, que l'on appelle l'empilement d'élément d'accumulateur 24 Dans la formation de l'empilement d'élément d'accumulateur 24, on place un écran en polypropylène 26 d'environ 0,4 mm d'épaisseur entre chaque jeu de plaques 12, de façon que le gaz consistant en hydrogène, qui est l'une des matières actives, puisse entrer et sortir librement de l'empile- ment, et de façon que l'oxygène qui est dégagé pendant une condition de surcharge à chaque électrode positive 14, puisse diffuser à partir de l'électrode 14 et se diriger vers l'électrode négative 16, pour se combiner avec l'hydrogène. La charge est accomplie en faisant passer du courant par les conducteurs 20 à travers chaque jeu de plaques 12, de façon que les électrons circulent de l'électrode 14 vers l'électrode 16 De l'énergie électri- que est ainsi emmagasinée dans chaque jeu de plaques, sous la forme d'énergie chimique, en vue d'une décharge ulté- rieure pour produire de l'énergie électrique utilisable. La décharge est accomplie par une circulation d'électrons en sens inverse et par une réaction électrochimique. Chaque jeu de plaques 12 peut être chargé et déchargé au cours de milliers de cycles sans endommagement physique apparent des composants, si la charge et la décharge sont correctement effectuées Un certain nombre d'empilements d'éléments d'accumulateur 24, de préférence deux, peuvent être combinés en série, pour produire un accumulateur ayant les caractéristiques de tension exigées, de la manière que l'on décrira ultérieurement. Les jeux de plaques actives 12, assemblés dans les empilements d'éléments d'accumulateur 24, sont enfer- més hermétiquement dans une enceinte sous pression 30, représentée sur la figure 1 L'enceinte sous pression 30 est fabriquée en un matériau tel qu'un alliage à base de nickel comme l'Inconel 718, qui peut supporter des pres- sions internes de l'ordre de 7 M Pa, sans endommagement consistant en une fragilisation par l'hydrogène ou en une corrosion par l'électrolyte L'enceinte sous pression 30 est construite de façon caractéristique sous la forme d'un tube cylindrique ayant des extrémités bombées A titre d'illustration, l'enceinte sous pression 30 a des dimen- sions externes d'environ 8,9 cm de diamètre et de plu- sieurs centimètres de longueur, la longueur réelle dépen- dant de la capacité de stockage désirée. L'intérieur de l'enceinte sous pression 30 est divisé par une membrane imperméable 36 en deux comparti- ments fermés hermétiquement, à savoir un premier comparti- ment 32 et un second compartiment 34 La membrane imper- méable 36 s'étend de préférence transversalement à un axe 38 du cylindre de l'enceinte sous pression 30, au milieu de l'enceinte sous pression 30 La membrane 36 divise ainsi l'enceinte sous pression 30 pour donner les deux compartiments 32 et 34 de même taille, de même forme et de même volume, avec un compartiment inversé par rapport à l'autre. Les empilements d'éléments d'accumulateur 24 sont placés dans les deux compartiments Pour la clarté de l'illustration, la figure 1 représente un seul empilement d'élément d'accumulateur dans chacun des compartiments 32 et 34, à savoir un premier empilement d'élément d'accumu- lateur 40 dans le compartiment 32 et un second empilement d'élément d'accumulateur 42 dans le compartiment 34 Les empilements d'éléments d'accumulateur 40 et 42 compren- dront le même nombre de jeux de plaques Deux plaques d'extrémités 43 sont placées aux extrémités opposées des empilements d'éléments d'accumulateur 40 et 42, et une force de compression est appliquée aux empilements d'élé- ments d'accumulateur 40 et 42 par l'intermédiaire d'un mécanisme de blocage (non représenté), d'un type bien connu dans la technique Une caractéristique de la struc- ture présente consiste en ce que deux plaques d'extrémités seulement sont nécessaires pour les deux empilements d'éléments d'accumulateur 40 et 42, au lieu de deux plaques d'extrémités pour chaque empilement d'élément d'accumulateur, ce qui permet une réduction de masse et une augmentation de l'énergie spécifique de l'accumula- teur On obtient une réduction de masse supplémentaire en raccourcissant l'empilement d'élément d'accumulateur grâce aux exigences réduites des composants, et à des conduc- teurs électriques 20 plus courts En outre, la structure de l'accumulateur présent utilise l'espace mort entre les cylindres des enceintes sous pression plus efficacement que le fait un accumulateur à deux éléments contenant deux éléments d'accumulateur à enceinte sous pression indivi- duelle, ce qui améliore la densité d'énergie volumique de l'accumulateur. Dans le premier empilement d'élément d'accumu- lateur 40 du premier compartiment 32, les divers jeux de plaques sont connectés en parallèle Une borne positive 44 est connectée à chaque électrode du même type, illustrée par l'électrode positive 14 Chaque électrode de l'autre type, illustrée par l'électrode négative 16, est connectée à une barre omnibus interne 46 qui peut facultativement être isolée de la membrane 36 par l'utilisation d'un joint d'étanchéité comprimé, par exemple en polytétrafluoro- éthylène. Dans le second compartiment 34, les jeux de plaques du second empilement d'élément d'accumulateur 42 sont également connectés en parallèle, mais d'une manière opposée à celle du premier empilement d'élément d'accu- mulateur Une borne négative 48 est connectée à chacune des électrodes négatives 16 Chacune des électrodes posi- tives 14 est connectée à la même barre omnibus interne 46, qui traverse la membrane imperméable 36, pour permettre la circulation du courant électrique, mais non le passage de masse à travers la membrane Ce mode de connexion des empilements d'éléments d'accumulateur 40 et 42 les place en série, ce qui fait que la sortie de l'accumulateur 10 correspond à une tension égale au double de celle de l'un ou l'autre des empilements d'éléments d'accumulateur 40 ou 42. De cette manière, tous les jeux plaques du premier empilement d'élément d'accumulateur 40 sont con- nectés les uns aux autres en parallèle, et tous les jeux de plaques du second empilement d'élément d'accumulateur 42 sont connectés les uns aux autres en parallèle Les empilements d'élémentsd'accumulateur 40 et 42 sont con- nectés en série En connectant les jeux de plaques de cette manière, il ne peut y avoir aucune migration d'élec- trolyte entre le premier empilement d'élément d'accumula- teur 40 et le second empilement d'élément d'accumulateur 42, à cause de la membrane imperméable 36 (Il serait également acceptable de connecter les deux empilements d'éléments d'accumulateur en parallèle, si on le désirait) La présente invention procure donc un accumula- teur qui produit une tension deux fois plus élevée que celle d'un jeu de plaques individuel, avec un courant qui est déterminé par le nombre de jeux de plaques dans l'empilement d'élément d'accumulateur de chaque comparti- ment Le fait de diviser les empilements d'éléments d'accumulateur contenus à l'intérieur de l'enceinte sous pression, en deux groupes séparés par une membrane imper- méable, et connectés de la manière qui est illustrée, contribue à l'obtention de la stabilité à long terme de l'accumulateur, en empêchant une migration interne il d'électrolyte. Bien que l'on ait décrit en détail un mode de réalisation particulier de l'invention, dans un but d'illustration, de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir de l'esprit et du cadre de l' inven- tion L'invention n'est donc limitée par les revendica- tions annexées. REVENDICATIONS 1 Accumulateur ( 10) caractérisé en ce qu'il comprend: une enceinte sous pression ( 30); une membrane imperméable interne ( 36) à l'intérieur de l'enceinte sous pression ( 30), divisant l'enceinte sous pression ( 30) en deux compartiments ( 32, 34) fermés hermétiquement de façon à empêcher un transfert de masse entre les compartiments ( 32, 34); des moyens de stockage ( 10) pour stocker de l'énergie électrique, les moyens de stockage ( 10) compre- nant au moins un jeu de plaques actives ( 12) dans chacun des compartiments ( 32, 34) de l'enceinte sous pression ( 30). 2 Accumulateur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque jeu de plaques ( 12) comprend une électrode positive ( 14), une électrode négative ( 16), un séparateur ( 18) entre l'électrode positive ( 14) et l'électrode négative ( 16), un écran permettant le passage des gaz ( 26) et un électrolyte. 3 Accumulateur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode positive ( 14) est une électrode au nickel et l'électrode négative ( 16) est une électrode à l'hydrogène. 4 Accumulateur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrolyte consiste en une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium. Accumulateur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane ( 36) divise l'enceinte sous pression ( 30) en deux compartiments ( 32, 34) de même taille, de même forme et de même volume. 6 Accumulateur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte sous pression ( 30) est réalisée sous la forme d'un réservoir cylindrique avec des extrémités bombées. 7 Accumulateur ( 10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane ( 36) s'étend transver- salement à l'axe ( 38) du cylindre du réservoir, et elle divise l'enceinte sous pression ( 30) en deux compartiments ( 32, 34) de même taille, de même forme et de même volume. 8 Accumulateur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a plus d'un jeu de plaques actives ( 12) dans chaque compartiment ( 32, 34) et les jeux de plaques actives ( 12) dans chaque compartiment ( 32, 34) sont connectés en parallèle. 9 Accumulateur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu de plaques actives ( 12) dans l'un des compartiments ( 32, 34) est connecté en série avec le jeu de plaques actives ( 12) dans l'autre compartiment. Accumulateur caractérisé en ce qu'il com- prend: une enceinte sous pression ( 30); une membrane imperméable interne ( 36) à l'intérieur de l'enceinte sous pression ( 30), divisant l'enceinte sous pression ( 30) en un premier compartiment ( 32) et un second compartiment ( 34) qui sont fermés hermétiquement de façon à empêcher un transfert de masse entre les compartiments ( 32, 34); et des moyens de stockage ( 10) pour stocker de l'énergie électrique, ces moyens de stockage ( 10) comprenant: au moins deux jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32), les jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32) étant connectés électrique- ment en parallèle, au moins deux jeux de plaques actives ( 12) dans le second compartiment ( 34), les jeux de plaques actives dans le second compartiment ( 34) étant connectés électriquement en parallèle, et les jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32) étant con- nectés électriquement en série avec les jeux de plaques actives ( 12) dans le second compartiment ( 34). 11 Accumulateur ( 10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque jeu de plaques ( 12) comprend une électrode positive ( 14), une électrode négative ( 16), un séparateur ( 18) entre l'électrode positive ( 14) et l'électrode négative ( 16), un écran permettant le passage des gaz ( 26) et un électrolyte. 12 Accumulateur ( 10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'électrode positive ( 14) est une électrode au nickel et l'électrode négative ( 16) est une électrode à l'hydrogène. 13 Accumulateur ( 10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'électrolyte consiste en une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium. 14 Accumulateur ( 10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la membrane ( 36) divise l'enceinte sous pression ( 30) en deux compartiments ( 32, 34) de même taille,de même forme et de même volume. Accumulateur ( 10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte sous pression ( 30) est réalisée sous la forme d'un réservoir cylindrique avec des extrémités bombées. 16 Accumulateur ( 10) selon la revendication 15, caractérisé en ce que la membrane ( 36) s'étend transver- salement à l'axe ( 38) du cylindre du réservoir, et elle divise l'enceinte sous pression ( 30) en deux compartiments ( 32, 34) de même taille, de même forme et de même volume. 17 Accumulateur ( 10) caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte sous pression cylindrique ( 30) ayant des extrémités bombées et un axe de cylindre; une membrane imperméable interne ( 36) s'étendant transversalement à l'axe ( 38) du cylindre de l'enceinte sous pression, la membrane ( 36) divisant l'enceinte sous pression en un premier compartiment ( 32) et un second compartiment ( 34) de même taille, de même forme et de même volume, la membrane ( 36) fermant hermétiquement les deux comparti- ments ( 32, 34) de façon à empêcher un transfert de masse entre les deux compartiments ( 32, 34); des moyens de stockage ( 10) pour stocker de l'énergie électrique, les moyens de stockage ( 10) comprenant un ensemble de jeux de plaques ( 12), chaque jeu de plaques ( 12) comprenant une électrode positive au nickel ( 14), une électrode négative à l'hydrogène ( 16), un séparateur entre l'électrode posi- tive et l'électrode négative, un écran laissant passer les gaz, et un électrolyte, les jeux de plaques actives ( 12) étant disposés avec au moins deux jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32),-les jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32) étant connectés électriquement en parallèle, au moins deux jeux de plaques actives ( 12) dans le second compartiment ( 34), les jeux de plaques actives ( 12) dans le second compartiment ( 34) étant connectés électriquement en paral- lèle, et les jeux de plaques actives ( 12) dans le premier compartiment ( 32) étant connectés électriquement en série avec les jeux de plaques actives ( 12) dans le second compartiment ( 34).