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La plus petite pile à combustible du monde

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Une boîte carrée de 3 millimètres de côté : c'est un volume suffisant pour une pile à combustible, capable de délivrer un courant électrique grâce à la réaction chimique entre oxygène et hydrogène. Sa capacité est extrêmement faible mais les chercheurs estiment avoir franchi une étape.

Une pile à combustible de 9 millimètres cubes, avec son réservoir d'hydrogène. © Saeed Moghaddam

A l'université d'Urbana-Champaign (Illinois, Etats-Unis), une équipe de chercheurs est parvenue à réaliser une pile à combustible miniaturisée au point de tenir sur le bout du doigt. L'exploit n'est pas mince, d'autant que cet objet de 3 millimètres de côté pour un millimètre d'épaisseur embarque aussi le carburant, en l'occurrence l'hydrogène.

Depuis des décennies de recherche, les piles à combustible, qui produisent de l'électricité grâce à l'oxygène de l'air et à l'hydrogène puisé dans un réservoir, n'en finissent pas d'évoluer dans des directions multiples. Elles diffèrent par l'électrolyte, le matériau séparant les deux électrodes, l'une assurant la réaction avec l'oxygène et l'autre celle avec l'hydrogène. La méthode de stockage de l'hydrogène varie également beaucoup. Il peut être pur, sous forme gazeuse et comprimée, ou liquide, à température très basse. On peut aussi utiliser des molécules riches en hydrogène, comme le méthanol ou des hydrures métalliques.

Les piles combustibles existant aujourd'hui ont des tailles extrêmement variables. Les plus lourdes sont des installations industrielles et pèsent des dizaines de tonnes. D'autres sont conçues pour se glisser - un jour - dans nos voitures voire nos avions devenus électriques et les plus petites ont le volume d'un briquet et pourraient alimenter un baladeur. Les modèles les plus petits utilisent le méthanol. En 2008, une équipe franco-japonaise a décrit une pile DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) de 0,3 centimètre carré et capable de produire 12,5 mW/cm2.

Le réservoir du haut contient de l'eau (water), celui du bas un hydrure métallique (hydride), c'est-à-dire un composé métallique dont les molécules comportent de l'hydrogène. Celui-ci réagit sur l'électrode (porous silicon, silicium poreux). La pression dans ce compartiment finit par baisser. Entre les deux réservoirs, une cloison formée de deux lames garnies d'orifices (water port) laisse alors passer l'eau (dessin a). Le liquide envahit le compartiment où se trouve l'hydrure métallique et réagit avec lui pour dégager de l'hydrogène. Lorsque la pression est suffisante, les lames sont poussées vers le haut et la cloison devient étanche (b). C'est la pression et la tension superficielle qui permettent ces mouvements et non la gravité. La pile fonctionne donc dans tous les sens... © Journal of Microelectromechanical Systems

Un courant très faible

Saeed Moghaddam, avec l'équipe de Mark Shannon, est descendu plus bas dans l'échelle en cherchant à réaliser une pile à combustible capable d'alimenter des dispositifs miniaturisés, dans le domaine des nanotechnologies et des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Leur travail vient d'être publié dans la revue Journal of Microelectromechanical Systems.

Leur dispositif est un récipient double, contenant d'un côté de l'eau et de l'autre un hydrure métallique (LiH, LiAlH4 ou CaH2). Ce dernier fait office de réservoir d'hydrogène. Entre les deux, une cloison s'ouvre par intermittence grâce à un procédé astucieux. L'eau pénètre dans le récipient contenant l'hydrure métallique et réagit avec lui. La conséquence est une production d'hydrogène gazeux qui pourra réagir sur l'une des électrodes. La vapeur augmentant la pression dans cette chambre, elle déforme la cloison jusqu'à obturer momentanément les orifices (voir le schéma).

Ce minuscule système génère un courant électrique très faible. Le premier prototype a fourni 0,1 milliampère sous 0,7 volt durant 30 heures. Saeed Moghaddam affirme avoir atteint ensuite 1 milliampère. Ces performances restent encore très loin de ce qui serait nécessaire à des applications concrètes. Mais, par rapport aux modèles à méthanol, celui-ci présente l'avantage de ne pas nécessiter de réservoir extérieur puisque l'hydrogène est inclus dans la pile. Ce principe est donc une nouvelle voie. Affaire à suivre...

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