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Ana Tavares et les piles à combustible

Des gadgets électroniques alimentés au méthanol
17 avril 2012 // par Anne-Marie Simard

L’Homo technologicus a un rituel : à tous les soirs, il branche son téléphone, intelligent ou non, pour en recharger la pile. Ce geste routinier ne serait plus nécessaire si l’appareil était alimenté par une pile à combustible. En effet, il lui suffirait d’introduire une petite cartouche de combustible dans son téléphone et hop!, ce dernier pourrait être utilisé immédiatement. Ana Tavares, professeure en électrochimie en Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, veut transformer ce phantasme technologique en réalité. Elle met au point de nouveaux électrolytes qui amélioreront les performances de piles à combustible fonctionnant avec du méthanol, un carburant peu coûteux.

 

Les piles à combustible ressemblent aux piles A, AA ou D qu’on achète au magasin du coin. Seule différence : elles ont besoin d’un apport constant en carburant pour fonctionner. Divers combustibles peuvent être utilisés : hydrogène, méthanol et éthanol, par exemple. « L’hydrogène est le carburant qui fournit le plus d’énergie au kilogramme, explique Ana Tavares, mais il vient avec un cortège de problèmes : il est cher à produire, difficile à stocker, en plus d’être très inflammable ».

 

Le méthanol est un carburant qui n’arrive pas loin derrière l’hydrogène en termes de ratio énergie stockée/volume élevé. Une pile au méthanol pourrait fournir, au besoin, une plus grande autonomie que les piles actuelles grâce à sa capacité de recharge instantanée. Autre avantage : le méthanol est un liquide qui se transporte aisément, sans trop de risque d’explosion. Finalement, « on peut le produire facilement à partir de gaz naturel ou de plantes », note la professeure.

 

Pour l'instant, les piles à combustible au méthanol n’offrent pas énormément de puissance, mais comme elles emmagasinent beaucoup d’énergie dans de très petits volumes, elles pourraient surtout servir à alimenter des ordinateurs portables, des caméras numériques ou des blocs d’alimentation. Entourée de son équipe, Ana Tavares tente de surmonter divers problèmes techniques pour faire des piles alimentées au méthanol un produit commercialisable au même titre que les piles courantes.

 

Comme une passoire

Mais comment fonctionne une pile à combustible? Rappelons d’abord qu’une pile est constituée de deux électrodes, l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte. Dans une pile à combustible, le carburant pénètre par l’anode. Là, les molécules de combustible se voient arracher des électrons. Les espèces restantes ― ou protons ― migrent dans l’électrolyte jusqu’à la cathode, où elles réagissent avec l’oxygène de l’air. À partir de ce déplacement de charges, on crée un courant électrique dans un fil pouvant alimenter un appareil quelconque.

 

Il existe déjà sur le marché des piles à combustible au méthanol. L’électrolyte y est constitué d’un polymère appelé Nafion®. « Ce polymère a la particularité de former des canaux à travers lesquels les protons vont voyager, explique Ana Tavares. Le problème, c’est qu’ils laissent aussi passer le combustible. » Si l’anode était pleinement efficace, tout le combustible y serait oxydé, ou « brûlé ». Or, ce n’est pas le cas : l’excès de carburant fait chuter la tension de la pile et réduit son efficacité. Ce problème, connu sous le nom de perméation (ou crossover en anglais), fait couler beaucoup d’encre dans la littérature scientifique.

 

Une des approches pour tenter de résoudre cet obstacle inhérent au Nafion® est d’y injecter des matériaux qui agissent comme « bouche-trous », et ce, dans le but de « créer des tortuosités dans les canaux pour empêcher le méthanol de passer. » Le hic, c’est que ces matériaux nuisent aussi au passage des protons.

Dans son laboratoire, Ana Tavares a développé un matériau dont la structure microscopique ressemble à une passoire… en trois dimensions! Ces oxydes naturels, cette fois beaucoup plus abondants, permettent la formation de pores dans le polymère. « Au lieu d’avoir des canaux, on a plein de petits trous dont on peut changer la dimension pour laisser passer l’eau et les protons, mais pas le méthanol », s’enthousiasme-t-elle. Actuellement, les protons s’y déplacent plus lentement que dans les canaux du Nafion®, et la conductivité est encore réduite, donnant une pile moins performante. L’équipe optimise maintenant les propriétés de ces matériaux pour rendre la pile plus conductrice. 

 

En plus d’être fascinante, la méthode de fabrication de ces membranes est écologique. Elle fait intervenir un appareil appelé extrudeur qui, en raison de la nature des travaux d’Ana Tavares, possède un revêtement spécial résistant aux matériaux très acides. Il faut d’abord mélanger le polymère et les oxydes, tous deux sous forme d’une poudre, puis on les introduit dans la machine. « Le polymère va y fondre, les poudres vont se mélanger et passer par un orifice, ce qui va former un fil », explique-t-elle. Le spaghetti qui en ressort est ensuite moulé pour former la membrane. Aucun solvant n’a été utilisé ― des substances souvent toxiques et employées en chimie pour faciliter les réactions.

 

À quand les piles au combustible pour alimenter les nombreux gadgets électroniques qui font partie de notre quotidien? Nul ne le sait encore avec certitude, mais Ana Tavares croit dur comme fer que les batteries traditionnelles devront un jour à se frotter à un concurrent féroce, les piles au méthanol. ♦

 

Photo du haut : À droite derrière Ana Tavares, l'extrudeur, pièce maîtresse de son laboratoire

Photo de gauche : Une membrane en polymère dont les pores microscopiques ne laissent pas passer le méthanol

Photo de droite : Un spaghetti produit par l'extrudeur

 


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« Ana Tavares et les piles à combustible : Des gadgets électroniques alimentés au méthanol » de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) est mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada. Les autorisations au-delà du champ de cette licence peuvent être obtenues en contactant la rédaction en chef. © Institut national de la recherche scientifique, 2012 / Tous droits réservés / Photos © Christian Fleury

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