Brevet FR2700639A1 — publié le 19940722

La présente invention est relative à une batterie d'accumulateurs électriques et, plus particulièrement, à une telle batterie comprenant des moyens d'étanchement d'un empilage d'éléments d'accumulateur plats bipolaires, électriquement connectés en série, chaque élément de la pile étant délimité par deux feuilles métalliques parallèles maintenues écartées l'une de l'autre par un cadre de contour fermé suivant celui des feuilles de manière que deux cadres adjacents de la pile pincent une feuille métallique suivant ledit contour. On décrit une batterie de ce type dans la demande de brevet français No. 92 09232 déposée le 27 juillet 1992 par la demanderesse. Comme représenté schématiquement en demicoupe à la figure 1 du dessin annexé, une telle batterie comprend au moins une pile d'éléments d'accumulateur lî, 12, 13 etc... et des éléments de radiateur 21,22, etc... Les éléments d'accumulateur sont identiques et du type bipolaire basé sur le couple nickel-cadmium par exemple. Chaque élément comprend alors, comme l'élément 14, deux feuilles métalliques en nickel 4,5 garnies respectivement d'une couche 6 d'hydroxyde de nickel sur un support en mousse de nickel, imprégnée d'un électrolyte à base de potasse par exemple, et d'une couche 7 d'oxyde de cadmium sur un support en mousse de nickel, également imprégnée d'électrolyte, ces deux couches étant séparées par un feutre 8 imprégné lui aussi d'électrolyte. Les deux feuilles métalliques sont maintenues espacées l'une par rapport à l'autre par un cadre 9 en un matériau électriquement isolant, à contour carré ou rectangulaire de manière à délimiter, entre ces feuilles et à l'intérieur du cadre, un espace fermé recevant les couches 6,7 et 8 décrites cidessus. C'est ainsi que chaque feuille de la pile est pincée au voisinage de son contour par deux cadres adjacents.On pourra se référer à la demande de brevet français précitée pour plus de détail concernant la batterie décrite cidessus. Il est nécessaire que les liaisons entre chaque cadre et les feuilles métalliques adjacentes soient étanches et électriquement isolantes. Il faut en effet empêcher l'électrolyte liquide de s'échapper de chaque élément. En outre, lors de la charge d'une telle batterie, il y a génération de gaz et notamment d'oxygène gazeux résultant de la dissociation de l'électrolyte. Un espace de rétention 10 est ménagé entre les couches 6,7,8 d'une part et le cadre d'autre part, pour accueillir cet oxygène gazeux. Celui-ci doit impérativement rester dans la batterie d'accumulateurs car il est nécessaire à la reconstitution de l'électrolyte pendant la décharge de la batterie. Cette rétention est d'autant plus délicate que l'oxygène gazeux est responsable, pendant la charge, d'une augmentation de la pression interne dans les éléments de la batterie. On comprend donc que l'étanchement de la batterie est un impératif dû à la nécessité de retenir dans la batterie à la fois l'électrolyte liquide et l'oxygène gazeux. Une fuite de l'un ou l'autre aurait pour conséquence soit une diminution de la capacité de charge de la batterie soit une réduction du nombre de cycles de charge/décharge et, subsidiairement une éventuelle pollution de l'environnement. L'étanchement de la batterie aux liquides et gaz implique une parfaite liaison cadre/feuille dans l'empilement d'éléments constituant la batterie. La présente invention a donc pour but de réaliser une telle batterie qui soit équipée de moyens assurant sa parfaite étanchéité, y compris lors de sa montée en pression pendant les phases de charge de cette batterie. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec une batterie remarquable en ce qu'elle comprend a) des moyens pour serrer les uns contre les autres les éléments d'accumulateur de la pile au droit des cadres et b) des moyens pour assurer une concentration de contraintes de pression dues au serrage des éléments de la pile, entre chaque cadre et une feuille métallique adjacente, sur des surfaces en regard se développant sur un contour fermé sensiblement parallèle à celui de la feuille métallique, les contraintes étant telles qu'en tout point desdites surfaces il y ait écrasement de l'une sur l'autre avec formation d'un joint continu étanche vis-à-vis des produits contenus dans les éléments d'accumulateur. On constitue ainsi un joint empêchant toute fuite de liquide ou de gaz d'un élément d'accumulateur vers l'extérieur de la batterie. On assure alors la constance de la quantité d'électrolyte introduite dans chaque élément et donc le maintien de ses performances électriques (capacité, recyclabilité). On empêche également tout transfert d'électrolyte entre éléments adjacents au niveau des cadres ce qui prévient tout court-circuit électrique à ce niveau. Suivant un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'une desdites surfaces en regard de deux cadres adjacents est sensiblement plane alors que l'autre prend la forme d'au moins une nervure. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens pour assurer une concentration de contraintes entre deux cadres adjacents comprennent une nervure et une rainure formées en regard sur deux cadres adjacents suivant un contour fermé, la feuille métallique présentant, au niveau de cette nervure et de cette rainure, une déformation préalable établissant une pluralité de surfaces de pincement de ladite feuille entre la nervure et la rainure sous l'action des moyens de serrage de la pile d'éléments. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une demi-vue en coupe d'une batterie d'accumulateurs bipolaires décrite en préambule de la présente description et propre à être perfectionnée par la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3 est une vue agrandie d'un détail de la figure 2, et - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un autre mode de réalisation, préféré, de la présente invention. Sur les figures 2 à 4, des références numériques identiques à des références utilisées sur la figure 1 repèrent des éléments ou organes identiques ou analogues. C'est ainsi que sur la vue en coupe partielle d'un mode de réalisation de la batterie suivant l'invention représentée à la figure 2, on retrouve le cadre 9i d'un élément d'accumulateur li (i référant l'élément courant de la pile d'éléments contenus dans la batterie). De part et d'autre du cadre 9i on retrouve les deux feuilles métalliques 4 et 5 entre lesquelles sont disposées les couches 6,7 et 8 décrites en liaison avec la figure 1, pour constituer les deux électrodes (positive et négative) de l'élément.Des tirants repérés 31,32 sur cette dernière figure permettent de serrer les éléments de la pile les uns contre les autres, entre deux plaques d'extrémité telles que 11 présentant chacune une borne 11' pour la collecte du courant électrique fourni par la batterie. Chacune des feuilles métalliques 4,5 est sensiblement carrée et présente, parallèlement et au voisinage de son contour, une ligne de déformation représentée en plus de détail à la figure 3 qui est un agrandissement de la partie entourée d'un cercle C sur la figure 2. Cette ligne de déformation se développe ainsi sur un contour carré et présente, en coupe transversale, une section 5' en V ou en triangle. Elle est disposée sur la feuille 5, par exemple, de manière à se placer entre une rainure 12 à section rectangulaire se développant suivant le même contour sur une face du cadre 9i placée en regard d'une face du cadre adjacent 9i+1 sur laquelle se développe une nervure 13 de largeur et de contour sensiblement conformes à ceux de la rainure. Une batterie suivant la figure 3 est assemblée comme suit. Les feuilles métalliques, garnies des matériaux appropriés pour les constituer en électrodes négatives ou positives des éléments d'accumulateur de la batterie, sont empilées avec les cadres 9i intercalaires. Pendant cette opération, les lignes de déformation 5' des feuilles viennent en face des rainures 12 et nervures 13 des cadres adjacents. Le serrage des éléments de la pile qui est ensuite opéré force les cadres les uns contre les autres et ceux-ci viennent pincer les feuilles métalliques interposées entre deux cadres adjacents. Ceux-ci peuvent être constitués par un cadre en métal léger enrobé de matière plastique ou même entièrement en matière plastique, choisie de manière à présenter une dureté inférieure à celle de la feuille métallique (en nickel, par exemple) de manière que, sous l'effet des contraintes concentrées sur les arêtes de la rainure 12 et de la nervure 13 (voir figure 3), ces arêtes s'écrasent sur la feuille 5 en s'étalant sur celle-ci suivant des surfaces en méplat 14,14' constituant, de chaque côté de la feuille métallique, un double joint étanche s'opposant à tout passage d'électrolyte ou de gaz vers l'extérieur de la batterie. En variante du mode de réalisation des figures 2 et 3, on pourrait intervertir les duretés superficielles des cadres et des feuilles métalliques en choisissant convenablement les matériaux utilisés pour les constituer. C'est alors la feuille métallique qui subit des déformations, élastiques ou permanentes, au niveau de ses contacts avec les arêtes des nervures et rainures des cadres adjacents. On a représenté à la figure 4 un autre mode de réalisation de la batterie suivant l'invention, préféré car il se prête à une fabrication industrielle peu coûteuse. Les cadres 9i représentés sont munis, sur une face, de lignes de pions 15 régulièrement distribués sur leurs quatre côtés. Les feuilles 4,5 sont percées de lignes de trous complémentaires des pions qui passent dans ceux-ci pour maintenir avantageusement chaque feuille tendue sur son cadre. Les feuilles participent en outre à la tenue mécanique des cadres, qui pourraient autrement se déformer quand la pression interne dans la batterie s'accroît. On évite ainsi toute déformation en tonneau de la batterie ainsi que tout foisonnement de la pile d'éléments d'accumulateur. Des évidements 16 complémentaires des pions 15 sont creusés sur la face du cadre qui est en regard du cadre adjacent pour que ces pions puissent pénétrer dans ces évidements quand les cadres sont empilés et serrés les uns contre les autres, de manière à pincer les bords des feuilles métalliques. Suivant la présente invention, de la face du cadre qui est creusée d'évidements 16 débordent une ou plusieurs nervures continues, de section triangulaire par exemple, qui suivent un contour fermé parallèle à celui du cadre. Sur la figure 4, on a représenté deux telles nervures 18,19 sur le cadre 9i+1 de part et d'autre des rangées d'évidements 16. Il est clair cependant que le nombre, la forme et la position de ces lignes pourraient être choisis différemment par l'homme de métier, en tant que de besoin. Quand les cadres sont serrés les uns contre les autres, il y a concentration de contraintes sur les nervures 18,19. Celles-ci, formées d'une pièce avec le cadre en une matière plastique de dureté inférieure à celle de la feuille métallique contre laquelle elles sont pressées, s 'écrasent alors sur celle-ci comme on l'a expliqué précédemment en liaison avec la figure 3, pour constituer ainsi des joints étanches. La matière des nervures 18,19 peut même refluer dans le cadre comme représenté en 18',19' sur le cadre 9i. La déformation alors imprimée aux nervures peut être réversible (dans le domaine élastique) ou permanente (dans le domaine plastique). En variante, les cadres pourraient être constitués en un métal léger de bonne tenue mécanique pour résister au flambage, ces cadres étant enrobés de matière plastique. En variante encore, l'enrobage de matière plastique pourrait être remplacé par une feuille de matière plastique convenablement nervurée, doublant la surface du cadre là où s'opère l'écrasement. On peut aussi empiler les cadres de manière que deux cadres adjacents présentent des duretés différentes permettant à l'un de s'enfoncer dans l'autre lors du serrage des cadres, pour parfaire l'étanchéité des éléments. En variante encore du mode de réalisation de la figure 4, des nervures pourraient être formées sur la feuille métallique de manière à s'enfoncer dans le cadre lors du serrage des éléments de la batterie. De même, la feuille métallique pourrait être formée dans un métal plus mou que le cadre pour que les nervures 18,19 s'enfoncent alors dans cette feuille, sans la percer cependant. Comme représenté aussi sur la figure 4, l'étanchéité établie par l'écrasement des nervures 18,19 peut être renforcée par l'emboîtement d'une nervure 20 et d'une rainure 21 complémentaires disposées plus près du contour extérieur des cadres que les nervures 18,19, là où il reste de la place sur les surfaces en regard des cadres pour prévoir de tels moyens. Grâce à l'invention, on a pu ainsi assurer l'étanchéité d'une batterie constituée d'une pile d'éléments accumulateurs dans lesquels la pression varie couramment de O à 3 bars relatifs suivant l'état de charge de la batterie, l'étanchéité étant encore conservée à 3 bars et 80 C. A titre d'exemple de matériaux convenant pour réaliser les cadres, on peut citer l'ABS, le polypropylène, le polytétrafluoroéthylène, le polysulfone, le choix devant tenir compte des caractéristiques chimiques (compatibilité avec l'électrolyte et les matières actives) et électriques (isolement entre éléments au niveau des cadres) du matériau. La force de serrage des éléments les uns contre les autres est de préférence ajustée de manière à autoriser un desserrage de ceux-ci en cas de surpression, desserrage qui détruit l'étanchéité établie suivant ltinvention mais qui peut éviter une explosion de la batterie. On notera encore, à cet égard, que des perçages des feuilles métalliques peuvent être prévus, au niveau des espaces 10, pour assurer un équilibrage des pressions dans l'ensemble des éléments d'accumulateur ainsi mis en communication, de manière à prévenir l'apparition de tensions mécaniques différentielles dans la batterie, propres elles aussi à l'endommager. Les moyens d'étanchement suivant la présente invention présentent de nombreux avantages. Ils sont compatibles avec la faible épaisseur d'un élément d'accumulateur, typiquement de l'ordre de 2 à 3 mm. Ils s'adaptent parfaitement à une fabrication industrielle à faible coût d'une batterie constituée d'une pile de tels éléments tout en présentant de bonnes performances en matière d'étanchement, c'est-à-dire une constante de temps élevée. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, l'invention n'est pas limitée à une batterie formée d'éléments d'accumulateur du type nickelcadmium et s'étend à des batteries d'autres types tels que plomb-acide, sodium-soufre, etc ... REVENDICATIONS 1. Batterie d'accumulateurs électriques, comprenant un empilage d'éléments (li) d'accumulateur plats bipolaires électriquement connectés en série, chaque élément de la pile étant délimité par deux feuilles métalliques (4,5) parallèles maintenues écartées l'une de l'autre par un cadre en un matériau électriquement isolant (9i) de contour fermé suivant celui des feuilles de manière que deux cadres adjacents de la pile pincent une feuille métallique suivant ledit contour, caractérisée en ce qu'elle comprend a) des moyens (#1,#2) pour serrer les uns contre les autres les éléments de la pile au droit des cadres et b) des moyens (12,13;;18,19) pour assurer une concentration de contraintes de pression dues au serrage des éléments de la pile, entre chaque cadre et une feuille métallique adjacente, sur des surfaces en regard se développant sur un contour fermé sensiblement parallèle à celui de la feuille métallique, les contraintes étant telles qu'en tout point desdites surfaces il y ait écrasement de l'une sur l'autre avec formation d'un joint continu étanche vis-à-vis des produits contenus dans les éléments d'accumulateur. 2. Batterie conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'une desdites surfaces est sensiblement plane alors que l'autre prend la forme d'au moins une nervure (18,19). 3. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, au niveau desdites surfaces, les duretés superficielles des matériaux en regard sont différentes de manière que, lors du serrage des éléments de la pile, l'un des matériaux déforment l'autre. 4. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les cadres (9i) sont réalisés en matière plastique ou en un matériau métallique enrobé de matière plastique. 5. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les cadres (9i) sont réalisés en un matériau métallique et en ce qu'une feuille de matière plastique double chaque cadre au niveau de la surface ou s'opère l'écrasement. 6. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que deux cadres (9it9i+1) adjacents quelconques sont réalisés en des matières plastiques de duretés différentes. 7. Batterie conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour assurer une concentration de contraintes entre deux cadres adjacents comprennent une nervure (13) et une rainure (12) formées en regard sur deux cadres adjacents (9i,9i+1) suivant ledit contour fermé, la feuille métallique (4,5) présentant, au niveau de cette nervure (13) et de cette rainure (12), une déformation préalable (5') établissant une pluralité de surfaces de pincement (14,14') de ladite feuille entre la nervure et la rainure sous l'action des moyens de serrage de la pile d'éléments. 8. Batterie conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que la section transversale de ladite déformation est sensiblement en forme de "V". 9. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux cadres adjacents (9i,9i+1) présentent, suivant un deuxième contour fermé extérieur à celui où se développe la concentration de contraintes, une nervure (20) et une rainure (21) respectivement, de forme complémentaire autorisant leur emboîtement pour constituer un joint d'étanchéité supplémentaire, au-delà du contour de la feuille métallique pincée entre ces cadres. 10. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque cadre (9i) comprend des pions (15) distribués régulièrement sur toute la longueur de son contour pour passer dans autant de trous percés en regard dans une feuille métallique ainsi tendue sur le cadre et rigidifiant celui-ci. 11. Batterie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, à éléments bipolaires du type pris dans le groupe : Ni-Cd; Pb-acide; Na-S.