Moins polluantes, plus autonomes, les piles à combustible (PAC) apparaissent comme une piste prometteuse dans la recherche de sources d'énergies propres. Dans l'alimentation de l'électronique nomade, telle que les téléphones et ordinateurs portables, les capteurs intelligents…, elles s'avèreraient précieuses pour pallier les inconvénients des batteries actuelles, qui ne présentent qu'une faible autonomie et dont le recyclage est coûteux. Ainsi, le développement de piles à combustible de petite taille constitue un axe de recherche motivant, et fait l'objet de travaux considérables tant au Japon qu'aux États-Unis. C'est dans ce contexte que la SAGEM, en 2001, a sollicité le LPMO − laboratoire de Physique et métrologie des oscillateurs, ex-UPR 3203 CNRS, devenu département de l'Institut FEMTO-ST le 1er janvier 2004 − pour concevoir de tels systèmes (Programme MICROPAC). Ce projet a reçu des financements du ministère de l'Industrie.
• Une PAC convertit directement de l'énergie chimique en électricité. Au contact d'un catalyseur, le carburant (hydrogène) est oxydé en protons en libérant des électrons utilisables par un circuit électrique externe. Une membrane conductrice de protons isole électriquement le compartiment anodique du compartiment cathodique où se produit la réduction de l'oxygène en eau.
La membrane échangeuse de protons est donc une des pièces maîtresses de ce système. Elle doit être étanche aux différents gaz présents et ne permettre que le passage des protons avec la meilleure conductivité possible.
Dans les micro-PAC traditionnelles, les membranes utilisées sont constituées de ionomères, des chaînes de polytétrafluoroéthylène (ou téflon) sur lesquelles sont greffées des chaînes hydrophiles utilisées pour attirer les protons. Elles se présentent donc sous la forme de films fins percés de canaux remplis d'eau. Ces membranes ont néanmoins plusieurs inconvénients. Leur coût très élevé reste un facteur prohibitif. Leur fonctionnement utilise l'eau produite à la cathode. Elles se gonflent donc au fur et à mesure de l'utilisation de la pile et se dégonflent par déshydratation pendant les périodes d'arrêt. Outre un démarrage lent, ces changements de volume induisent des contraintes mécaniques à l'interface membrane / électrode, ce qui peut être tolérable pour des PAC de taille classique mais se révèle catastrophique pour les micro-PAC.
• Le département LPMO, lui, a développé une toute nouvelle membrane inorganique à base de silicium poreux. Ce composant nanostructuré est caractérisé par la présence de trous de quelques nanomètres de diamètre qui le traversent de part en part. L'équipe a réussi à greffer des molécules conductrices de protons, chaînes carbonées de quelques atomes à la surface de ces tunnels, reproduisant ainsi la nanostructure d'un ionomère. Le silicium étant un matériau rigide, cette membrane est dimensionnellement stable. Mieux encore, elle est compatible avec toutes les technologies des circuits intégrés (lithographie, usinage chimique…). Enfin, la technologie de fabrication des membranes étant totalement maîtrisée, toute l'autonomie nécessaire à leur optimisation est disponible.
• Actuellement, cette PAC a démontré sa faisabilité : elle débite du courant de façon aussi efficace qu'une pile comportant un ionomère, son démarrage est plus rapide et la stabilité du courant meilleure. Reste à la caractériser de façon précise, ce qui nécessite des moyens technologiques importants (MEB à effet de champ à ultra haute résolution, minisims). Cette étape résolue, les améliorations et l'optimisation seront alors possibles. L'équipe espère pouvoir augmenter d'un facteur 100 les capacités de la pile actuelle.
Bernard Gauthier Manuel
FEMTO-ST (CNRS UMR 6174) – département LPMO
Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM
Tél. 03 81 85 39 90
gauthier@lpmo.edu
