L'équipe de recherche du professeur Mohamed Mohamedi de l'INRS a conçu une pile à combustible verte sans membrane qui utilise l'oxygène de l'air. Les résultats de cette application microfluidique innovante, une première au Canada, ont été publiés dans Examens énergétiques renouvelables et durables.

Les piles à combustible conventionnelles sont omniprésentes. Ils alimentent des voitures électriques et alimentent les ordinateurs utilisés lors de l'alunissage d'Apollo en 1969. Ces piles à combustible perdent de la tension au fur et à mesure qu'elles sont utilisées et finissent par cesser de fonctionner. Cela se produit parce que les molécules d'alcool (méthanol ou éthanol) dans le compartiment anodique de la pile à combustible traversent la membrane qui les sépare du compartiment cathodique. Les molécules d'oxygène dans le compartiment cathodique réagissent avec l'alcool, provoquant une chute de tension.

Les scientifiques ont tenté en vain de développer une membrane qui empêche les molécules d'alcool de la traverser. Professeur Mohamed Mohamedi, un auteur principal de l'étude publiée le 8 septembre, a pris une autre voie :développer une pile à combustible sans membrane.

Sa nouvelle solution coûte moins cher et nécessite moins d'étapes de fabrication, mais il ne parvient pas à relever un défi clé. "Quand la membrane est retirée, le méthanol ou l'éthanol réagit avec l'oxygène, tout comme dans les piles à combustible conventionnelles. Pour éviter les chutes de tension, nous avons dû développer des électrodes sélectives dans le compartiment cathodique. Ces électrodes, conçu par le doctorant Juan Carlos Abrego-Martinez, restent inactifs en présence de molécules d'alcool, mais sont sensibles à l'oxygène qui génère de l'électricité, " explique le professeur Mohamedi. Il note une autre propriété unique de cette pile à combustible sans membrane :elle utilise l'oxygène de l'air qui l'entoure.

Du modèle au prototype

La première étape des chercheurs dans la construction d'un prototype fonctionnel a été d'exécuter des simulations numériques créées par Alonso Moreno Zuria, Stagiaire postdoctoral INRS et auteur principal de l'étude. Grâce à la modélisation informatique, l'équipe a testé différentes configurations d'électrodes sélectives dans la pile à combustible. « Les piles à combustible conventionnelles sont comme des sandwichs avec la membrane au milieu. Nous avons plutôt choisi de travailler sur une conception monocouche. Nous avons dû déterminer comment disposer et espacer les électrodes pour maximiser la consommation de carburant tout en gardant à l'esprit la concentration en oxygène de l'air ambiant, ", explique le professeur Mohamedi.

Une fois que les chercheurs ont défini une configuration, ils ont testé un prototype qui est devenu une preuve de concept. La pile à combustible sans membrane a alimenté une LED pendant quatre heures en utilisant seulement 234 microlitres de méthanol. Les chercheurs veulent optimiser la pile à combustible pour qu'elle puisse utiliser de l'éthanol, un carburant plus vert qui peut être produit à partir de la biomasse et des déchets agricoles. L'éthanol fournit également plus de puissance par unité de volume équivalente.

L'équipe s'attend à ce que la pile à combustible alimente les appareils électroniques portables tels que les téléphones portables et les microsystèmes tels que les capteurs de pollution atmosphérique. Contrairement aux batteries conventionnelles qui stockent l'électricité et doivent être rechargées, les piles à combustible continuent à produire de l'énergie tant que le combustible est disponible. « Ce mode d'approvisionnement en énergie est particulièrement efficace lorsque la recharge n'est pas possible. Imaginez être en plein désert, sans électricité. Vous pouvez recharger votre téléphone portable à l'aide d'une petite capsule d'éthanol que vous connectez à l'appareil, " dit le professeur Mohamedi.

Cette technologie pionnière a déjà attiré l'attention de l'industrie même si l'équipe de recherche n'en est qu'au stade du prototype.