CHAPITRE X
Les accumulateurs sont des appareils dont certains organes changent de composition chimique quand on les fait traverser par un courant continu dit courant de charge^ et qui restituent ultérieurement Ténergie qu'ils ont reçue, sous forme de courant de décharge, en reprenant leur composition primitive.
Ils accumulent donc l'énergie électrique, d'où leur nom.
Le plomb et ses oxydes forment la matière électrolysable des accumulateurs industriels. D'autres métaux ont été employés, mais leur usage ne s'est pas répandu.
Classification des accumulateurs au Plomb. — On les divise en deux catégories :
Accumulateurs genre Planté.
Accumulateurs à matière active.
Accumulateurs genre Planté, — Une série de lames de plomb sont disposées parallèlement sans se toucher dans un bac renfermant de l'eau additionnée d'un dixième d'acide sulfurique. Elles sont réunies deux à deux, de façon à former des groupes dont chaque lame est comprise entre celles des groupes voisins (fig. 110}.
Si Ton réunit les bornes d'une dynamo à deux groupes ainsi formés et que l'on fasse passer le courant, l'eau acidulée sera décomposée ; son oxygène se portera sur le groupe de plaques réuni à la borne H- de la dynamo
et recouvrira leur surface d'oxyde puce de plomb PbO', et l'hydrogène se dégagera le long des plaques reliées à la borne — .
Si l'on coupe le courant de la dynamo et que l'un nielte
Fig. liO. — Accumulatâur Plonlii.
en circuit l'accumulateur sur un galvanomèlr.^, ou observera la production d'un courant de décharge de sens controire s.\icouran{ de charge, en même temps que l'eau
252 L KCLAIRAGE ÉLEtn^RI^UE
acidult^ se décnnioos^Ta : Thydrozène naissant réduira Foxvde PbO- ea pn^loxyde de i.l3inb qui se translor* mera en sulfate, tandis que Toxy^rêne éleclrolyiique et l'acide sulfuriqu^ du bain donneront é^alemeut sur l'autre ^roupe de plaquês dn sulfate de plomb.
Lorsque tout Toxyde PbO* a été réduit, le courant de décharge •: .-sse.
Pendant la dtVharge, la différence de potentiel entre deux plaques, ou élhnenij est de 2 volts environ.
La dorée du courant de déchaîne étant d*autant plus lon^nie que la couche de d'oxyde PbO^ est plus épaisse, on cherche à donner à celle-ci la profondeur maximum en chargeant et en déchar*:eant un très grand nombre de fois Taccumulaleur. Au bout d'un certain nombre de char}jreset de dé :harges successives, Tépaisseurde la couche d'oxyde ne varie plus sensiblement. Ce traitement s'appelle formation.
Les accumulateurs genre Planté présentent deux inconvénients : leur /orma/ion exige plusieurs mois, et la somme d'énergie accumulée par kg de plaques est peu élevée.
Un accumulateur Planté renferme une énero-ie de :3 :iOO kilogram mètres par kilogramme de plaque.
Accumulateurs à matière active. — Créés par Faure ils diffèrent des précédents en ce que Foxvde PbO* ne prend plus naissance par l'attaque d'une lame de plomb, mais par la décomposition électrolytique d'un oxyde de plomb déposé mécaniquement sur la plaque avant la mise de Taccumulateur en formation.
Celte disposition a pour avantages d'abréger à quelques Jours la durée de la formation et'^de tripler environ Fcnergie renfermée dans 1 k de plaques • ce dernier point est la conséquence d'une transformation
ACCUMULATEURS 2o3
plus profonde de Toxyde de plomb ou matière active.
Fabrication d'un accumulateur à matière active, — Les plaques ne sont plus pleines et plates, elles sont soit percées d'une mullitude de trous qui leur donne l'aspect d'une toile métallique à larges mailles ; dans certains types elles sont striées sur une certaine profondeur (fig. 111 à 113).
La matière active sera déposée soit à l'intérieur des mailles du quadrillage, soit dans les creux des cannelures.
La carcasse de la lame est un alliage de plomb, d'eritimoine et de mercure. L'addition de 6 à 7 ^/o d'antimoine a pour effet de donner de la dureté au plomb, et celle de mercure, 1,3 Vo> de rendre l'alliage moins attaquable par l'acide sulfurique.
La matière active destinée aux plaques positives est faite d'un mélange de minium et d'acide sulfurique, celle de3 plaques négatives, de litharge et d'acide sulfurique.
On pétrit chacun de ces oxydes de plomb avec l'acide sulfurique et l'on bourre du mélange pâteux les mailles ou stries de leurs plaques respectives. Après quelques heures, le minium PbsO* s'est parliellement décomposé et la matière active se trouve formée d'un mélange de minium^ d'oxyde puce de plomb PbO^, de sulfate de plomb et d'eau.
Sur les plaques négatives, la lithargc PbO et l'acide sulfurique ont donné du sulfate de plomb.
La matière active représente environ 1/3 du poids
total de la plaque.
Quand ces deux réactions sont terminées on commence la formation.
Le courant de charge transforme sur les plaques posi-
2")4 l'kclairaoe klegtrique
tivcs le minium non décomposé et lo sulfate de plomb en oxyde puce PbO» ; son action sur le sulfate de plomb des plaques négatives produit du plomb métallique spongieux.
Pour transformer 1 kg de minium ou oxyde puce et 1 kg, de lithage en plomb il faut respec-
Fig. 111. — Plaques de l'accumulateur TuJor.
tivement 157 et 2il ampères heure, en théorie, et 25 % de plus en pratique.
La formation s'opère par charges et décharges successives.
Pendant la décharge, la matière active des deux plaques se transforme en sulfate de plomb, qu'un nouveau courant de charge ramènera en oxyde de plomb et plomb métalïudor. " Uque,
Composition de l'eau acidulée. — I-es plaques bai-
ACCUMULATEURS 2o5
gnent dans de l'eau additionnée de 1/10 d'acide sulfu- Tiqne pur, exempt d'acides chlorhydrique et nitrique : il faut exactement 1 partie d'acide pour 9 parties d'eau.
Force électromotrice des accumulateurs. — Pendant la période de charge, la force électromotrice de Taccumulateur atteint 2,5 volts par élément.
Si la décharge suit immédiatement la charge, pendant les premiers instants, la force électromotrice reste à 2,10 — 2,15 volts, puis elle tombe rapidement à 2 volts et conserve cette valeur pendant presque toute la durée de la décharge. Vers la fin elle baisse graduellement jusqu'à 1,85 volt: à ce moment l'accumulateur est déchargé, il faut le retirer du circuit.
r Disposition générale d'une batterie, — Une batterie est formée d'un récipient contenant un certain nombre à^ accumulateurs ou éléments plongés dans la solution d'acide sulfurique.
Un élément comprend deux plaques, une positive et une négative en principe, mais en pratique 3 plaques, une positive et deux négatives. La plaque positive travaille par ses deux faces et pour la mieux utiliser pn l'intercale entre les deux négatives.
Une batterie sera donc formée de 2n plaques positives et de 2n + 1 plaques, négatives : les deux pU(|uei| extrêmes sont négatives.
Les plaques positives sont reliées à une borne commune ; il en est de même pour les négatives.
Le mode de connexion des plaques entre elles varie suivant le type d'accumulateur.
Dans certains, chaque plaque est isolée : le long des bords de la cuve courent deux barres : à l'une on relie 160 négatives, à l'autre les positives.
2J0 LKCLAIItAGE ELECTRIQUE
Certains accumulateurs sont formés de plaques positives, et de négatives, doubles, c'est-à-dire de deux plaques
Fig. 113. — Plaques jumelles,
réunies par un pont. Une batterie comprend donc forcément deux récipients (lig. 113 et 114). On place successivement une paire de négatives plongées chacune dans un liac, puis une paire de positives, et ainsi de suite.
Fig. ni.
Le raccord des plaques aux barres se fait soit par sou-
dure, soit en pressant à l'aide d'une pince contre la barre une queue en plomb qui prolonge chaque plaque.
Récipients, — Plaques et eau acidulée sont contenues dans des bacs qui doivent être parfaitement étanchés en même temps que résistants.
Différentes matières ont été appliquées à leur construction ; nous allons les passer en revue en indiquant les qualités et les défauts de chacune.
Bois goudronné. — Ces récipients économiques donnent des mécomptes, Tacide décomposant le goudron et les résines en acides gras.
Grès, — On utilise souvent des cuves en grès enduites de bitume de Judée ou d'un vernis inattaquable aux acides. \
11 est très rare que ces bacs ne présentent pas de fuites.
Leur prix est relativement peu élevé.
Ebonite. — Si le bac est maintenu à température à peu près constante, tout ira bien ; mais un coup de soleil peut faire éclater les parois de la cuve.
L'ébonite bien préparée est d'un prix élevé.
Bois doublé de plomb. — D'un prix élevé ces récipients rendront de bon services si le bois employé à leur construction est bien sec : autrement il jouerait et crèverait la feuillure de plomb.
La cuve est garnie intérieurement de feuilles de plomb assemblées par soudure autogène.
Verre. — Ces récipients doivent être préférés aux autres si la dimension des plaques le permet et si l'on n'a pas à redouter leur fragilité.
D'un prix peu élevé, ils isolent très bien, sont étanchés et permettent de surveiller l'intérieur de la batterie.
2'38 l'kclaihaoe électrique
Séparateurs. — Los plaques sont maintenuCB à leur distance respective par des séparateurs en ébonîla, verre, ou porcelaine (fig. 113),
Ce sont des sortes de peignes en ces ditTérentes ma-
Fig. llô. — Plaques et séparateurs Tudoi-.
tières, h large base ; les plaques sont placées entre les dents.
La base du séparateur doit être assez haute pour que les plaques ne puissent venir en contact avec les débris qui tombent au fond de la cuve.
Dans certains types les cuves portent de chaque côté une série de rainures dans lesquelles on intercale les plaques dont le bas repose sur deux règles en matière isolant e.
Pour éviter que deux plaques ne viennent en contact en ie gondolant, on intercale entre elles une réglette de verre, d'ébonite. Dans les très petits accumulateurs on se contente parfois d'enrouler sur une plaque deux anneaux de caoutchouc qui forment tampon ; cette disposition est défectueuse par suite de Taltération du caoutchouci
On le prépare en versant Peau, dans une cuve de grès OU de bois doublé de plomb, puis Tacide peu à peu, et en remuant sans ces&e avec une tige de bois.
Il ne faut pas verser Teau sur Tacide.
Quand le liquide est refroidi on peut le mettre dans les accumulateurs.
Assemblage des plaquas. — Deux moyens sont utilisés. Le premier consiste à presser fortement, avec un écrou à deux tètes, la queue de chaque plaque sur la barre correspondante qui court le long du bac.
Chaque bac porte ainsi deux barres, faites d'un alliage de plomb et d'antimoine, perpendiculaires aux plaques. A Tune des barres on relie les plaques -\- et à l'autre les plaques — . A cet effet, les queues sont percées à leur extrémité et les barres le sont aussi, en face de chaque plaque (fig. 119).
On assemble ces deux pièces par un écrou à deux tètes et Ton recouvre Ja Jonction de parafQne pour éviter
200 l'hclairaoe klectriql'e
l'attaque de la surface de contact de la prise de i ranl.
Ce moyen est le meilleur parce qu'il permet d'enle
même pendant la marche, des plaques devenues dé tueuses {fig. M6),
Le second procédé consiste à souder ensemble plat et barres.
Montage des accumulateurs. — Les plaques et les cipienis arrivent emballés séparément, et doivent brossés etnettojés avec soin avant le montage.
La batterie doit être placée dans un local sec eti
aéré, pour éviter raccumulalion des gaz tonnants : si son importance le comporte, un ventilateur renouvellera l'atmosphère.
Il est de toute nécessité que l'isolement des accumulateurs soit aussi parfait que possible, et l'on n'obtiendra ce résultat que par des soins journaliers. Vers la fin de la charge, l'explosion des bulles de gaz à la surface du liquide lance une pluie fine d'eau acidulée dont une partie retombe sur les parois des bacs et coule au sol en formant autant de dérivations. On évitera ces perles, en grande partie du moins, en faisant reposer les pieds des bacs sur des isolateurs à garde d'huile.
Il est préférable que la batterie, et par suite, les isolateurs à garde d'huile ne reposent pas directement sur le sol : on dispose à terre des madriers enduits à chaud d'un mélange à parties égales de goudron et d'essence de térébenthine qui supporteront l'ensemble.
Quelquefois, la batterie doit être répartie en plusieurs étages superposés si le local est exigu. On établit alors en charpente solide, imprégnée du mélange de térébenthine et de goudron, une série de rayons superposés. Leur ensemble est supporté par un nombre convenable de pieds qui reposent aussi sur des isolateurs à garde
d'huile,
La hauteur entre deux rayons doit être suffisante pour permettre d'enlever et de remettre commodément les plaques.
DESCRIPTION DE QUELQUES ACCtJMULATEURS
Le montage des plaques dans leurs bacs respectifs, et leur jonction aux barres collectrices se fait à terre. L'ac-
202 l'kGLAIRAOE KfiECTUIQUE
cumulateur e^i ensuite mis en place soit sur madriers, soit sur le rayon du casier. On remplit les bacs du mé* lange d'eau et d'acide sulfurique de façon à couvrir complètement les plaques.
Généralement, les queues des plaques -+* et leurs barres collectrices sont peintes en rouge. Les parties correspondantes des plaques — sont peintes en noir.
Dans la plupart des cas, les éléments de chaque accu<» mulateur sont montés en tension.
Pour atténuer la déperdition du liquide par l'explosion dos bulles de gaz pendant la charge et la décharge, on recouvre la surface libre du liquide d'une couche d'huile lourde de pétrole. On peut aussi y couler de la paraffine chaude, et, quand celle-ci a fait prise, on perce plusieurs trous pour permettre l'évacuation des gaz, et Ton soutire un peu de Télectrolyte pour créer un espace libre entre le liquide et la paraffine.
Une bonne précaution consiste à enduire les rebords de la cuve d une couche de paraffine pour atténuer loi dérivations au sol.
On procède ensuite au couplage dos accumulateurs entre eux en vue du service, à moins que Ton ne réunisse chaque accumulateur ou groupe d'accumulateurs à un réducteur y appareil qui permet de modifier le couplage pendant la charge et la décharge.
L'emploi des réducteurs étant devenu général^ nous donnerons au Tome ii la description des principaux modèles de réducteurs.
La description d'une batterie de 3 200 ampères-heures de capacité complétera les renseignements ci-dessus; nous avons choisi l'accumulateur Tudor parce que c'est l'un des meilleurs que l'on construise (fig.H?^.
JRA^'E KLECTBIQl-E
lolat'furs compre'Dd 68 éléments du rués au iarif de la Société Tudor
mpreo-l 10 élwlrodes positives et es. Chaque électrode se compose :, assemblées, entre elles, à la sod-
lunne une vue de l'élément Tudor, ■e des électrodes. Celles-ci reposent , hors dn liquide, et un grand inrécipieul, permet le logement iaïnnent à tomber. Entre les plaques 4 ceatiméire!', mainteao au moyen
bois imprégné, revètn d'an épais
»mblé à la soudure autogène.
il de plomb pur et ont une très
itaire positive pèse 8^ ,800 ; une ve pèse 0 kg; la pâtre de plaqaes
aque unitaire est do cent ampères- L'charge 10 ampères; celte capacité
un régime croissant de décharge :
cité est de 72 ampères-heures. Ce ore considéré comme normal, et il âge quotidien sans qu'il en résulte aucune usure prématurée.
la plaque unitaire supporte sans ionnei de S2 ampères.
H constituée spécialement en vue se pour stations centrales. La sur-
face est très développée, et, sans qu'il y ait de matière superflue, rien n'a été ménagé pour en faire un électrode robuste.
En principe, la plaque Tudor est une plaque Planté dont la capacité est provisoirement complétée par Tadjonction d'oxydes de plomb. Ces derniers étant fatalement condamnés à se désagréger, à perdre toute action et à abandonner leur support, il résulterait de ce phénomène une diminution graduelle de la capacité jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'un squelette inerte, sans aucun effet utile. Mais dans le système Tudor, ce squelette ne sert pas seulement à supporter les oxydes de plomb, il joue lui-même un rôle actif en vertu de sa formation Planté ; en outre, celle-ci se complète graduellement par l'usage quotidien, de telle sorte que la capacité ne subit aucune réduction, pendant ou après la chute des oxydes.
Chaque partie de la plaque a une épaisseur telle que le fonctionnement régulier dans l'eau acidulée sulfurique pur ne peut sufQre à l'oxyder complètement, et qu'au bout de plusieurs années, il reste encore une âme métallique conservant à la plaque sa forme et ses fonctions primitives.
Le rendement de l'accumulateur Tudor est dû : 1*^ aux précautions prises dans le montage des électrodes pour qu'aucune dérivation ne puisse être établie par la chute des oxydes ; 2° au grand développement de la plaque, qui la met en contact intime avec toute, la matière active ; 3<* au soin apporté dans le choix des matières constituantes, plomb, oxydes, acide sulfurique, eau distillée.
La sécurité de marche des batteries Tudor tient au mode de connexion à la soudure autogène, entre les plaques d'un élément et entre les éléments voisins. Au-
2()0 1.'ki:LA1RAQE KI.ECTBiyUE
cune rupture du circuit, aucune résistance insolite ne pout réBulter tle l'attaque de l'acide ou du mauvais serrage d'un écrou.
GArAClTK ■ — RENDEMENT — COUPLAGE — ENTHBT1H:< AGCIDBNT4 REHÈDKB
Résistance intérieure d'un accumulateur. — Elle varie de 1 ohm à quelques centièmes d'ohin par éiément, suivant les dimensions des plaques, la distance qui lei sépare, la nature de leur surface et la composittou do l'eau acidulée.
La formule :
donne en ohmB, d'une façon empirique, la résistance inlorieupe d'un élément dont les deux plaques pèsent pkg.
Régime de sharge. — On désigne ainsi rinlenslté normale du courant de charge. Indiquée par le fabricant, et variable d'une marque d'accumulateur k une autre, elle est évaluée en ampères par kilogramme de plaque, ce dernier nombre représentant le yoirfs d'une plaque.
Elle varie de 0,5 à 2 ampères par kg.
«ègime de décharge. — L'inlensité normale du cou-
j.i„i.,gg ggj exprimée aussi en ampères par kg
dernier cbillre se rapportant t une aeule
uivant les types, de 2 à 3 ampères, indiqués ci-dessus comme régime» nor-
maux de charge et de décharge ne sont pas absolus ; on verra plus tard qu'il y a inconvénient à les prendre plus élevés, i
Capacité spécifique. — Elle représente, évalué en ampères-heures par kilogramme de plaque, le nombre de coulombs qu'une plaque du poids de 1 kg restituera.
Elle est de 10 à 22 ampères-heures par kg soit 5 à H ampères par kg formé de 0,5 kg de plaque + et de 0,5 de plaque — .
La capacité spécifique varie d'abord d'un type d'accu* mulateur à l'autre, puis, pour un même type, avec la construction de la plaque suivant l'usage auquel elle est destinée : plus l'intensité du courant de décharge est grande, plus la capacité spécifique baisse.
Énergie spécifique, — Ce facteur représente en watts* heure par kilogramme, l'énergie que l'accumulateur peut fournir eu marche normale.
Elle subit les mêmes causes de variation que la capa^cité spécifique et s'établit à 30 à 40 watts-heure par kil.
Rendement d'un accumulateur* — Les accumulateurs sont des transformateurs encore bien imparfaits, pour lesquels on doit considérer :
Le rendement en quantité.
Le rendement en énergie.
Le Rendement en quantité est le rapport du nombre de coulombs restitués à la décharge Q au nombre de coulombs Qi fourni par la charge. Il a pour expression :
idt
dt
ù T et I. P désigaent réciproquement Tintensité de la durée de la charge et de la décharge.
Le Rendement en énergie a pour expression :
r/»T eidt— j R?di
e'i'dt-f- / RT'di
où : €. é représentent la différence de potentiel aux bornes pendant la décharge et la charge, T. T' les durées de décharge et de charge et R. R' la résistance de la batterie pendant ces deux opérations.
C'est le rapport du nombre de watts restitués par la décharge ou nombre de watts fournis par la charge.
Mesure du rendement d'une batterie. — La méthode suivante est suffisamment précise et elle a l'avantage de pouvoir être employée dans toute installation qui possède un voltmètre et un ampèremètre.
On commence par charger la batterie à son régime normal, et à des intervalles de temps réguliers et aussi rapprochés que possible on mesure Tintensité du courant de charge et la différence de potentiel aux bornes. On se servira, si l'on en possède, d'un ampèremètre et d'un voltmètre enregistreurs.
En ne considérant que les indications de l'ampèremètre simple ou enregistreur, on trouvera le nombre de coulombs Çi fournis par la charge.
Les indications combinées de l'ampèremètre et du voltmètre donneront la valeur en watts de l'énergie envoyée dans la batterie.
11 faut ensuite décharger la batterie sur une résistance
convenable et lui faire débiter son courant normal; le plus simple pour réaliser cette résistance est de relier les bornes de k batterie à deux plaques de cuivre plongées dans un bac rempli d'une solution à 5 Vo d^ sulfate de cuivre. Oa éloigne ou rapproche les plaques l'une de l'autre de façon à maintenir l'intensité constante.
Au moyen des mêmes appareils que pour la charge, on mesure à des intervalles égaux et rapprochés l'intensité et la différence de potentiel aux bornes où l'on monte en circuit un ampèremètre et un voltmètre enregistreurs.
On obtient les valeurs de Qi et de e', et en même temps de R et de R'.
On a donc tous les éléments pour établir le rendement d'une batterie en quantité ou en énergie.
En pratique, on doit compter sur un rendement de 80 Vo en quantité et de 60 à 70 "/o en énergie.
A titre d'indication des résultats à obtenir d'une batterie suivant les conditions de charge et de décharge, voici le résumé des expériences faites au Laboratoire Central d'Electricité sur des accumulateurs Julien, type 1892, à matière active perforée.
Charge . . . .
Décharge . . .
Charge , . . .
Décharge . . .
Charge , . . .
Décharge . . .
Décharge su p p lém i
ISÎfi
nas
OHM
fa,:«
ï),fi
i,yv
