PILES OU MICRO PILES A HYDROGENE AVEC UN GENERATEUR D ' HYDROGENE

La présente invention propose une solution efficace et innovante pour la production de l'énergie et d'électricité d'assistance à partir des ressources naturelles et abondantes à la disposition de l'homme. Il s'agit d'une technique de production basée sur l'hydrogène par un système d'hydrolyse super efficace qui apporte une solution aux problèmes associés à la technique d'hydrolyse à savoir le contrôle, l'alimentation, le rendement énergétique, etc. Ces nouvelles techniques de production permettent de réutiliser les gaz produits pour entretenir le cycle de l'hydrolyse au-delà du travail supplémentaire qui consiste à la production de l'électricité à l'aide des piles à combustible. Les domaines d'utilisation couvrent entre autres tous systèmes interactifs mobiles, portatifs ou de poche nécessitant plus d'énergie que les batteries existantes de même taille peuvent fournir ou encore tout milieu nécessitant de l'énergie pour fonctionner de façon stationnaire ou nomade. Le Domaines d'utilisation comprend entre autres, Téléphones cellulaires, PC portables, Caméra, Appareils photos numériques, Lecteurs CD et DVD portables, Lecteurs musicaux et radios portatifs, Jeux, Chargeurs de batteries en assistance, GPS, Appareils médicaux, Accessoire des chargeurs, etc.

La présente invention se rapporte donc à la réalisation de dispositifs pour générer de l'électricité nomade à l'aide piles à hydrogène. En particulier, la production de l'hydrogène peut être réalisée par une réaction d'hydrolyse d'un hydrure comme borohydrure. Sur la base du cycle Eau Gaz Eau, une membrane repousse-gaz, conduit l'hydrogène produit vers une pile à combustible et le catalyse de l'air génère de l'électricité. L'eau produite est recyclée et conduite dans le réservoir de départ.

Cette invention trouve notamment application en tant que générateur pour les piles à hydrogène de type PEMFC « Proton Exchange Membrane Fuel CeIIs ». Plus particulièrement, la présente invention concerne les piles à hydrogène destinées à l'alimentation électrique d'appareils et composants électriques ou électroniques portables, intégré ou encore miniature implanté dans des organes, c'est-à-dire d'appareils nécessitant une puissance électrique faible et/ou de longue durée. Cette invention peut cependant trouver application pour alimenter en hydrogène des piles à hydrogène de puissances supérieures ou encore en assistance dans les unités stationnaires par exemple. Cette application est une extension et une demande de brevet ultérieure avec revendication de la priorité interne d'une demande de brevet d'invention numéro 08 06821 déposé le, 5 Décembre 2008, elle-même une extension et une demande de brevet ultérieure avec revendication de la priorité interne d'une première demande de brevet d'invention numéro 08 06820 déposé le, 5 Décembre 2008 ; laquelle est une extension et une demande de brevet ultérieure avec revendication de la priorité interne d'une première demande de brevet d'invention numéro 08 04598, déposé le, 14 Août 2008 ; elle-même une extension et une demande de brevet ultérieure avec revendication de la priorité interne d'une première demande de brevet d'invention numéro 08 03019, déposé le, 2 Juin 2008 qui sont incorporées dans leur intégralité par référencement à la présente invention.

INTRODUCTION

Historiquement, Les fabricants des appareils portatifs cherchent à assurer une autonomie de plus en plus importante aux utilisateurs. Les systèmes de traitement nécessitent de plus en plus d'autonomie et sont de plus en plus énergétivore du fait de l'augmentation de leur puissance de calcul.

Le développement de techniques permettant la mise en oeuvre des nanoparticules est une des étapes fondamentale pour obtenir les performances attendues dans des dispositifs à haut rendement énergétiques. Électricité nomade et les batteries constituent un élément clé dans nos appareils d'usage quotidiens. Les batteries permettent de disposer de l'électricité pour une période plus longue dans des faibles dimensions. Les piles à hydrogène sont capables de délivrer davantage d'énergie dans des espaces équivalentes. Actuellement, les piles les plus avancées technologiquement possèdent une densité d'énergie d'une magnitude moins importante qu'un réservoir d'hydrogène de dimension comparable.

Cependant, les batteries classiques sont plus sample à fabriquer avec des tailles réduites comparées à des piles à hydrogène nécessitant des pompes et des composants de contrôle électronique. En effet ; il n'est pas facilement envisageable de réaliser des piles à hydrogène muni de pompe, de capteur de pression et d'électronique de contrôle dans des tailles aussi réduites.

L'invention met en œuvre une fine membrane qui sépare le réservoir de l'eau de la chambre qui contient l'Hydrure ou nano hydrure destiné à la production d'hydrogène.

En dessous de nano hydrure se trouve un ensemble d'électrode constituant la pile à hydrogène. Les petits trous dans la membrane permettent les molécules de l'eau de la traverser et d'atteindre la chambre adjacente contenant les hydrures sous forme d'une vapeur. Une fois dans la chambre des nanohydrure, la vapeur d'eau réagit avec l'hydrure pour générer l'hydrogène qui remplit la chambre, repoussant la membrane contre une paroi fixe qui bloque le flux de l'eau. Hydrogène est graduellement utilisé par la pile à hydrogène (dont les électrodes sont placées généralement sous le mélange poreux des nanohydrure) qui produit de l'électricité. Quand la pression du gaz (hydrogène) diminue, la membrane se lâche pour permettre l'eau de rentrer et de cette façon conserver la réaction qui génère l'hydrogène.

Un des principaux aspects innovants de cette application consiste donc à la mise en place d'un couple « Grille rigide - Membrane » avec des trous dont les axes de l'un sont décalés par rapport à l'autre. Une fois superposé, ce couple crée un passage (couloir crée entre deux axes) pour la vapeur d'eau à l'état initial. Le gap entre ces deux éléments est nulle (collé) quand la pression d'hydrogène pousse la membrane contre la grille rigide, bloquant ainsi le passage des molécules d'eau. Tous les principes de surproduction de gaz de l'étage tampon développés dans les brevets n° 08 03019, 08 04598 et 08 06821 sont donc applicables. Cette technique permet de gérer facilement une production de l'Hydrogène à la demande. Le surplus d'hydrogène avant le blocage des molécules de l'eau est dirigé vers l'étage tampon pour le prochain cycle d'arrivée de vapeur d'eau sur le sodium borohydrure à travers la membrane et qui gère ainsi les piques de puissance. C'est une technique efficace de production à la demande de l'hydrogène.

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ETAT ANTÉRIEUR DE L'ART

Le développement récent de nouvelles méthodes de la réalisation des piles à combustibles ou encore des micropiles à combustible (micro pac) ne repose pas sur la simple réduction de taille d'une pile à combustible classique, mais plutôt sur l'emploi des procédés de type couches minces qui est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but étant de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce tout en bénéficiant des propriétés massives du substrat.

Les micropiles à combustible actuelles sont d'environ 50 x 30-40 mm ² , et sont capable de maintenir le flux d'une retransmission vidéo sur un mobile pendant plus de 13 heures consécutives avec seulement 10 ml (milli litre) de méthanol. Ces dispositif cité utilisent généralement une batterie Li - polymère complémentaire pour prendre en charge les piques de puissance.

État actuel de l'art est par ailleurs basé sur l'exploitation simultanée des compétences en électrochimie et en micro technologie qui a permis de mettre au point cette technologie à partir de plaquettes de silicium sur lesquelles sont élaborés des « puces » de pile à combustible. Le dispositif de stockage d'énergie est une cartouche jetable capable d'émettre de l'hydrogène gazeux en fonction de la demande.

Les brevets WO/2002/30810 et US2001/045364 décrivent des générateurs d'hydrogène dans lesquels les réactions d'hydrolyse sont contrôlées de manière imprécise, car les réactifs sont mis en contact en de nombreux points, avec des réactions se déclenchent et se déroulent toutes à peu près simultanément au niveau d'une grande surface d'échange réactionnel. La mise en jeu des réactifs à l'état liquide et à l'état solide (réaction hétérogène) est difficile à contrôler, car elle nécessite des mécanismes de diffusion de l'eau vers les hydrures ou les nanoborohydrures. De plus, aucune des techniques développées dans les brevets d'inventions WO2007060369 ;

WO/2008/022346 ; WO/2008/106722 ; WO/2006/035210 ; WO/2006/091227 ; WO/2006/101214 ;

WO/2006/127657 ; WO/2007/008893 ; WO/2007/050447 ; WO/2007/050448 ; WO/2007/052607 ;

WO/2007/095514 ; WO/2008/017793 ; WO/2008/057921 ; Ne permettent pas d'envisager des miniaturisations des solutions à base de l'hydrogène pour une réalisation des batteries à petites dimensions ou encore une production miniaturisée de l'électricité avec une durée de fonctionnement, une puissance ou un rendement énergétique comparables à des batteries jetables ou rechargeables actuelles.

À ce jour la conversion de méthanol semble potentiellement aussi intéressante que l'utilisation des solutions à base d'hydrogène ou des batteries standard. Mais, cela est basé souvent sur la technologie antérieure sans tenir compte des nanotechnologies.

Dans le cas d'un DMFC (Direct Méthanol Fuel CeII), le combustible est oxydé par un catalyseur, qui forme le dioxyde de carbone, protons et électrons. Les protons et les électrons prennent chacun différent routes aux cotés opposes des électrodes pour se combiner et générer l'eau d'une part et, les électrons produisent la puissance électrique d'autre part. Dans le cas de méthanol, le CO ₂ , avec la vapeur d'eau et méthanol sont dirigés et collectés à l'intérieur de la pile, diminuant la concentration et donc la puissance en sortie. L'existence des pompes peut éliminer ses impuretés mais elle a besoin de l'espace.

État antérieur de l'art comme utilisé par des chercheurs de « National Tsing Hua University » fait appel à des techniques et des systèmes d'évacuation de ses déchets mais nécessite plus d'espace que les dimensions des (Direct Méthanol Fuel CeII micropiles) DMFCs micropiles. Ces systèmes actent comme un filtre qui reçoit des gaz et vapeur en quelques étapes simples.

Rappelons que les applications n° 0803019, n° 08 04598 et 08 06821 déposés respectivement le 2 juin, le 14 Août et le 05 Décembre 2008 font mention des points suivants : «

Sachant que l'Hydrogène peut être utilisé comme carburant pour faire avancer un véhicule. Le premier complément à l'application n° 08 03019 serait de disposer de l'énergie à volonté et donc de pouvoir disposer d'un moyen de stockage de l'hydrogène. En effet ; Le stockage de surplus de l'énergie sous forme d'hydrogène devient alors un complément qui apportera un confort plus important dans les applications automobiles. Il est donc envisageable de stocker tout ou partie du surplus d'hydrogène produite par l'invention n° 08 03019 dans un système de stockage. Nous envisageons ce stockage dans des unités cryogéniques, ou encore des nano hydrures car le rendement de stockage de l'énergie dans les hydrures et les nano hydrures a augmenté dans les dernières années. Les piles à hydrogène peuvent représenter une source d'énergie non polluante et alternative à la combustion d'hydrocarbures, aussi bien pour les automobiles que pour les appareils portatifs. Une pile à hydrogène est une pile dans laquelle l'électricité est générée par l'hydrogène sur une électrode, couplée à la réduction d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air, sur l'autre électrode.

L'accélération de la réaction d'oxydation de l'hydrogène est souvent réalisé au moyen d'un catalyseur qui contient généralement un élément nanotique du type NiFe. Nous avons démontré dans les brevets d'applications n° 0803019 et 08 06821, l'existence d'un lit fluidisé avec les nano particules augmente considérablement ce rendement énergétique lors de cette réaction. Cependant, dans les piles à hydrogènes jetables, les choix technologiques peuvent s'orientent vers des solutions liquides directement oxydées à l'anode de la pile ou vers des combustibles, liquides ou solides, susceptibles de générer de l'hydrogène « à la demande » comme décrit dans l'application 08 03019 et 08 06821. Cela se traduit pratiquement par le fait que la quantité d'hydrogène générée est équivaut à la quantité d'hydrogène consommée par la pile et (ou) nécessaire pour absorber les piques de puissances.

Dans les méthodes connues, nous pouvons citer un mode de production d'hydrogène qui consiste à hydrolyser des borohydrures/nanoborohydrures se présentant sous une forme solide (ou autres), comme le Sodium borohydrure ou encore borohydrure (abréviation pour tétrahydroborate de sodium NaBH ₄ ), une composée chimique qui contient une quantité importante d'Hydrogène et qui est très efficace en réaction destiné à la production d'hydrogène spécialement sous forme de nano particules.

En règle générale, quand NaBH ₄ est mis en contact à l'aide d'une matière catalytique à l'état solide avec une solution aqueuse sous forme vapeur, une réaction produit l'hydrogène, avec métaborate de sodium qui est recyclé pour redevenir borohydrure de sodium. La réaction chimique est suivant la formule : NaBH ₄ + 2H ₂ O -> 4H ₂ + NaBO ₂ + Chaleur

D'une manière générale, la réaction d'hydrolyse du borohydrure de sodium s'opère donc selon la formule :

M(BH ₄ ),, + 2nH ₂ O -> M[B(OH) ₄ J _n + 4nH ₂ où « M » est un élément alcalin ou encore alcalino terreux et « n » un nombre entier positif égal au nombre d'électrons de valence de l'élément « M ». Si « M » est du sodium (Na), alors le nombre « n » est égal à « 1 ». La formule de réaction est donc simplifiée dans ce cas à la forme :

NaBH ₄ + 2H ₂ O -^ NaB(OH) ₄ + 4H ₂ .

Notons que « M » peut être constitué par du potassium (K), du lithium (Li) ou un autre élément approprié.

En conclusion, II est évident que la réaction d'hydrolyse d'un élément borohydrure met en jeu des réactifs et des résidus inoffensifs, non toxiques et non polluants, contrairement aux réactions dans les piles de type DMFC ou FAFC (abréviation de « Formic Acid Fuel CeII »), qui utilisent respectivement du méthanol ou de l'acide formique comme combustible à la place d'hydrogène. Certains réacteurs de l'art existant mettent en œuvre des borohydrures sous forme solide, par exemple à l'état divisé, c'est-à-dire sous forme pulvérulente. Cette technique utilisée pour améliorer le rendement de la réaction d'hydrolyse est relativement difficile à mettre en œuvre.

Le problème majeur est de contrôler la réaction entre du borohydrure solide et une solution aqueuse et donc le débit d'hydrogène généré. Selon certaine réalisation particulière cité notamment dans le brevet d'invention WO/2007/060369 , le générateur d'hydrogène présente une pluralité d'enveloppes, de géométrie semblables permet davantage le contrôle de la réaction d'hydrolyse en multipliant les arrivées d'eau à débit contrôlé au sein du réacteur mais augmente la dimension et le poids du générateur. L'hydrure ou les nanohydrures sélectionnés peuvent être sous forme de pastille, de barre, de pilule ou de poudre et est souvent dans le groupe comprenant le tétrahydroborate de sodium (NaBH ₄ ), le tétrahydroborate de magnésium (Mg(BH ₄ ) ₂ ), borohydrure de lithium, hydrure de lithium - aluminium, l'hydrure de sodium et/ou de calcium et l'hydrure de lithium (LiH). Ces trois composés donnent des résidus de réactions non polluants. Ils présentent une forte capacité de génération d'hydrogène. Le tétrahydroborate de sodium NaBH ₄ est connu en outre pour être le plus avantageux, car facile à produire et peu coûteux (l'hydrure est également choisi parfois dans le groupe comprenant LiBH ₄ , Al(BH ₄ J ₃ , Be(BH ₄ ) ₂ , MgH ₂ , CaH ₂ , Ca(AIH ₄ J ₂ , Zr(BH ₄ J ₃ , Ca(BH ₄ J ₂ , NaAIH ₄ , KBH ₄ , LiAIH ₄ ). Le schéma de la réaction 2 Al + 6 OH -> AI ₂ O ₃ + 3 H ₂ permet de considérer également l'aluminium ou un alliage d'aluminium comme un matériau consommable de base car, la réaction présente l'avantage d'abaisser le pH en consommant des ions hydroxydes, lesquels ralentiraient la réaction principale d'hydrolyse de l'hydrure.

Généralement, Le matériau consommable choisi est constitué d'un élément métallique se corrodant ou d'un matériau organique se dégradant en présence d'une solution basique aqueuse. Ainsi, au cours de l'hydrolyse de l'hydrure, ce matériau est consommé du fait de la génération concomitante d'ions hydroxydes. D'où l'intérêt de pouvoir recycler les sous produits créés lors de l'hydrolyse.

Parmi les matériaux organiques choisis nous pouvons citer les polyamides, les polycarbonates, le PETT (polyéthylène téréphtalate), le PBT (polybutyle téréphtalate), les polyesters et le PVDF (polyfluorure de vinylidène).

Il est important de noter que l'introduction dans le réacteur, d'un catalyseur sous forme d'un sel (chlorure de sodium) dissous dans l'eau ou encore sous forme de nano particules solides réparties dans l'hydrure (du même groupe d'hydrure comprenant le tétrahydroborate) permet d'augmenter le rendement de réaction et que son ajout directement dans l'un des réactifs cité ci-dessus peut éviter son introduction spécifique dans le réacteur lors de son fonctionnement. Cela simplifie la mise en œuvre du générateur. Les quantités d'hydrure /nano hydrures et d'eau au sein du réacteur sont sélectionnées et dimensionnée de manière à produire un débit d'hydrogène déterminé en fonction de l'application.

Les solutions liquides provoquant la réaction peuvent être par exemple ; l'eau, acide, alcool, et/ou un mélange des solutions appropriées.

En outre ; L'élément constitutif du catalyseur pour cette réaction est souvent sélectionné dans le groupe comprenant l'or (Au), l'argent (Ag), le platine (Pt), le ruthénium (Ru), le cobalt (Co), le palladium (Pd), le nickel (Ni), le fer (Fe), le manganèse (Mn), le rhénium (Re), le rhodium (Rh), le vanadium (V), le cérium (Ce) ou le titane (Ti), Lorsqu'un ou plusieurs de ces métaux est/ sont utilisés pour former les particules de catalyseur,

Notons que l'état antérieur de l'art souvent, pour obtenir un débit régulier d'hydrogène, utilise des serpentins en hydrure allongés et de section orthogonale de superficie constante. Ces hydrures sont généralement montés sur une silicone poreuse. La forme de l'hydrure dans son enveloppe sert fréquemment de support au déplacement du siège de la réaction d'hydrolyse. Cette forme remplacée avantageusement par des microsillons en couche siliconée dans la présente invention permet de réaliser une hydrolyse progressive de l'hydrure et augmente la durée de vie du produit tout en diminuant de façon remarquable son encombrement et dimensions. AVANTAGES DE L'INVENTION

La présente invention vise à pallier les inconvénients des hydrolyseurs et les piles à hydrogène existants et a pour objectif de fournir une source d'énergie propre, apte à fournir de l'électricité ou de l'hydrogène pour les système mobiles.

Un des avantage de la présente invention est la mise en place d'une fine membrane qui sépare le réservoir de l'eau de la chambre qui contient l'Hydrure ou nano hydrure de métal. Un autre avantage de cette invention est le fait que pour des tailles très petites des batteries, 3x10x2 mm3, c'est la tension de surface (et non pas la gravité) qui contrôle le flux de l'eau à travers le système. Cela signifie que la pile pourra fonctionner en mouvements verticaux, horizontaux ou rotatifs. Cette caractéristique le rend idéal pour nos appareils portatifs.

Un autre avantage de la présente invention est son absence d'alimentation gourmande en électricité.

Un très grand avantage de cette invention est son habilité à être jetable ou rechargeable comme une source d'énergie non polluante et alternative à des piles actuelles sans besoin de recyclage. Un autre avantage de la présente invention est sa capacité d'être intégré à une puce électronique ou être monté individuellement sur les composants miniatures ou encore être implanté facilement avec des organes ou bio- organes l'intérieur des corps facilement inaccessible.

Un autre avantage de la présente invention est sa capacité de servir comme alimentation d'assistance pour le démarrage d'un système et de subvenir aux besoins lors des piques de courant dans des applications énergétivore ou encore les électrolyseurs nanotiques.

Il est un des avantages de cette invention d'utiliser une membrane en tant que de filtre de sortie pour les éléments indésirables à évacuer.

Ii est un autre avantage de cette invention est de contrôler la réaction entre du borohydrure (ou nano borohydrures) solide (ou autres) et la solution aqueuse ainsi que le débit d'hydrogène généré par déplacement simple de la membrane du couple « grille rigide - membrane » précité.

Un autre avantage de la présente invention est le fait que les sous-produits de réaction occasionnant fréquemment l'obstruction de la canalisation d'amenée d'eau (la membrane) dans la chambre réacteur contenant les nano- borohydrure solide et peut être évacué par un système simple de recyclage évitant l'ajout d'équipements lourds et onéreux solutionnant ce problème. Cela est primordial pour les piles rechargeables.

Un autre avantage de la présente invention est de remplacer le graphite utilisé dans les batteries comme un matériau de base sur l'électrode négative avec un nouveau, silicone poreuse en trios (3D), fabriqué de silice et de fluorite de l'hydrogène.

De plus ses applications ne tiennent pas compte des aspects de gravités lors de l'utilisation des ses piles en mouvement ni de recyclage des sous-produits de réaction occasionnant fréquemment l'obstruction de la canalisation d'amenée d'eau sur la membrane.

Constatons que le cycle Eau - gaz - Eau est un moyen efficace et est capable de proposer des perspectives de haute autonomie pour les ordinateurs portables et la téléphonie mobile. Ce cycle est également réalisable avec le gaz méthanol. Cette invention est donc aussi une utilisation très adéquate des piles à combustibles ou pile à hydrogène, comme elle ne nécessité pas de l'alimentation supplémentaire.

Les avantages de la présente invention sont entre autres de proposer un générateur d'hydrogène et une pile jetable ou rechargeable ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. DESCRIPTION DE L'INVENTION

L'invention concerne un générateur d'énergie en assistance ou seule avec un haut rendement en gaz ou en électricité à la demande et une production simultanée en énergie aux besoins. La présente invention a donc pour objet un dispositif pour générer de l'hydrogène par hydrolyse d'un hydrure permettant de mieux contrôler la production et le débit de l'hydrogène pour une production de l'énergie, plus particulièrement sous forme nomade.

La présente invention concerne ainsi un dispositif, générateur d'électricité à la demande comprenant le réacteur et la membrane de contrôle de débit d'hydrogène sans avoir recours de l'alimentation pour démarrage de la pile.

La compréhension de la présente application est simplifiée par les faits suivants :

Selon l'invention, la mise en place d'une fine membrane, superposée en dessous d'une grille rigide, qui sépare le réservoir de l'eau, de la chambre qui contient l'Hydrure ou nano hydrure de métaux.

En dessous de nano hydrure de métal se trouve un filtre d'absorption des résidus, un film de séchage. Une zone tampon de gaz, un film repoussant les gaz, une membrane de filtrage des sous- produits de réaction ainsi qu'un ensemble d'électrode - substrat constituant la pile à hydrogène.

Les petits trous dans la membrane permettent les molécules d'eau, passant par les trous de la grille rigide de la traverser et d'atteindre la chambre adjacente d'hydrolyse, comme une vapeur.

Une fois dans la chambre des nanohydrures, la vapeur d'eau réagit avec ce dernier pour générer l'hydrogène qui remplit la chambre, repoussant ainsi la membrane contre la paroi fixe de la grille rigide. Cela bloque le flux de l'eau dans l'espace inter-grille - membrane.

L'Hydrogène est graduellement utilisé par la pile à hydrogène (électrodes placés sous le mélange poreux des nanohydrure) qui produit de l'électricité.

Quand la pression du gaz hydrogène diminue, la membrane se lâche pour permettre l'eau de rentrer par et de cette façon conserver la réaction et la génération d'hydrogène.

Un autre aspect important de l'innovation consiste donc à une double paroi « Grille rigide - Membrane » avec de l'axes des trous décalés. Une fois superposé, ils créent entre eux, un passage pour la vapeur d'eau à l'état initial. Ce gap est nul quand la pression d'hydrogène pousse la membrane contre la grille rigide et qui bloque des molécules d'eau et les empêche d'atteindre le sodium métaborate.

Tous les principes de surproduction de gaz pour l'étage tampon, développés dans le brevet n° 08 06821 sont donc applicables dans cette nouvelle application. Cette technique permet de gérer facilement une production de l'Hydrogène à la demande. Le surplus d'hydrogène avant le blocage des molécules de l'eau est dirigé vers l'étage tampon, pour le prochain cycle d'arrivée de vapeur d'eau sur le sodium borohydrure à travers la membrane. C'est une technique efficace de production à la demande de l'hydrogène.

Une pile à combustible est placée en dessous de cet ensemble et est posé sur un substrat en silicone poreuse (le principe de pile à hydrogène est bien décrit dans brevet d'invention numéro 08 06821).

Dans cette invention une double paroi (chambre) capture des résidus pour les sous-produits de réaction qui occasionne fréquemment l'obstruction de la canalisation d'amenée d'eau dans la chambre réacteur (la membrane) modifiant ainsi la cinétique de la réaction et donc susceptible de fluctuer en fonction de l'importance de cette obstruction de l'arrivée d'eau. Pour réaliser cette objective, un Téflon ou une membrane traité avec une substance Repousse - Eau, muni des micros troue, permet le gaz d'évacuer la chambre. Au même moment où l'hydrogène et la vapeur d'eau se condensent sur la surface autour des trous. Ce condensé liquide flux passe à travers les trous de 5 millimètres vers un réservoir de collection.

Une surface traitée de Repousse Eau pousse avec ardeurs ses condenses vers le micro réservoir de départ à partir du point de sortie des goûtes d'eau. L'eau est alors recyclée pour recommencer un nouveau cycle. Les hydrures ou les nano hydrures sont placés avantageusement dans des microsillons en couche siliconée leur permettant une production homogène de l'hydrogène.

Pour faciliter la compréhension des aspects innovant de la présente application, nous allons décrire ci-après quelques expérimentations de base liées à l'invention :

En effet ; Pour la production de l'hydrogène, notre expérimentation a utilisé une réaction sur l'Hydrure de métal LiAIH et la vapeur d'eau traversant une membrane qui contrôle le flux de vapeur d'eau sur la base de la pression de l'hydrogène. L'hydrogène produit traverse un mur nanoporeuse de silicone pour atteindre un assemblage de membrane électrode d'une pile à hydrogène.

Il est à noter que chaque élément de ta table périodique (sauf pour les gaz nobles) forme au moins un hydrure. Ces matériaux peuvent être classés en trois catégories par leur nature de « bonding » ( « nature de fusion de surface »), c'est-à-dire ;

Saline hydrures, qui possèdent un caractère ionique très significatif,

Covalents hydrures, qui comprend des hydrocarbones et bien d'autres composées, et

Interstitiels hydrures sous forme poreuse ou nanotiques et qui peuvent être décrits comme possédant des attaches (bonding) métalliques. Les premières réalisations en laboratoire génèrent 0.7 volts avec un courant de 1 milliampère pendant une durée de 30 heures avant que l'eau ne finisse et cela pour une superficie de 9 mm 3.

Cependant les réalisations utilisant des nano technologies ont permis d'atteindre une densité de courant de 12.5 milliwatts / Cm ² , ce qui est 10 fois supérieur pour une pile à hydrogène classique.

La réalisation et la caractérisation de la pile haute performance ou Super Pile miniature a été comparée à des solutions réalisées par l'application directe du gaz avec des piles à combustibles

(microDMFC) fonctionnant à la température ambiante sous un flux régulé et forcé en entrée avec un taux de <10 μL min ^"1 , utilisant la technique de silicone microsystèmes.

La puissance en sortie mesurée à la température ambiante a été de 12.5 mW cm ^"2 avec un flux de 5.52 μL min ^"1 pour une pile à combustible d'une surface de 0.3 cm ² (Cela correspond à une efficacité de combustible utilisé de 14.1 % à 300 K). Avec un flux plus faible de 1.38 μL min ^"1 , l'efficacité de combustible utilisé augmente à 20.1 % tandis que la densité de puissance descend à 4.3 mW cm ^"2 .

L'étude montre que la densité de puissance optimal peut être atteint à un flux de <10 μL min ^"1 , par :

Une réduction de surface de pile à combustible et

Une réduction en épaisseur (cross-section) des micros sillons (ou microchannels). L'étude a permis de mettre en évidence également que l'on peut atteindre une efficacité de consommation de combustible à des flux faibles.

L'entrée de Combustible (méthanol) pour l'anode et un oxydant (air) pour la cathode s'est effectuée via un réseau de micro-fluidique (à l'échelle de micron) et micro-channels conçu pour gaz, en serpentin compact (par une utilisation de la technique de silicone microsystèmes).

Le remplacement de combustible par couple hydrure - vapeur d'eau avec un catalyseur du type lit fluidisé des nanohydrures produit un puissance de sortie mesurée à la température ambiante a été de 25 mW cm ^"2 avec un flux de 5.52 μL min ^"1 pour une pile à hydrogène ayant la même surface de 0.3 cm ² (Cela correspond à une efficacité de combustible utilisé de 30 % à 300 K). Avec le flux plus faible de 1.4 μL min ^"1 , l'efficacité de système utilisé augmente à 45.1 % tandis que la densité de puissance descend à 4.3 mW cm ^"2 .

Nous avons dû assurer la compatibilité de la pile à combustible avec les autres technologies à base de silicone lors de contact avec les parties microélectroniques et les systèmes micros et nanoelectromechanical (MEMS/NEMS).

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'ensemble des figures décrivant les différents points du système à travers les figures 1 à 4, et qui sont la représentation schématique et les détailles d'un système comprenant une pile à combustible destinée à alimenter un appareil électronique portable.

Figure 1-a, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane en position ouverte permettant de vaporisation des molécules de l'eau sur la couche nanohydrures . Le gaz hydrogène est alors en cours de production.

Figure 1-b, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane en position fermée bloquant la vaporisation des molécules de l'eau sur la couche nanohydrures . Le gaz hydrogène pousse la membrane et bloque l'arrivée des vapeurs d'eau tant que l'hydrogène produit n'est pas consommé.

Figure 1-c, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et la membrane de filtrage des sous-produits de réaction.

Figure 2-a, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une variante de la membrane de filtrage des sous-produits de réaction augmentant le rendement énergétique.

Figure 2-b, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une variante de la membrane de filtrage des sous-produits de réaction servant de catalyseur.

Figure 2-c, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une variante de la membrane de filtrage des sous-produits de réaction servant de catalyseur avec l'étage tampon pour le gaz sur l'électrode.

Figure 3-a, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une variante possible de la membrane de filtrage des sous- produits de réaction servant de catalyseur avec l'étage tampon pour le gaz sur l'ANODE de l'assemblage des électrode de la pile à combustible (ou la pile à hydrogène).

Figure 3-b, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une membrane de filtrage avec l'étage tampon d'hydrogène sur l'ANODE de la pile à hydrogène. Le trou 3-10 constitue l'arrivée de l'aire sur la cathode de la pile à combustible pour permettre à la pile de fonctionner. Figure 3-c, représente l'ensemble microréservoir d'eau et le couple écran - membrane, la chambre d'hydrolyse, la couche nanohydrures et une membrane de filtrage avec l'étage tampon d'hydrogène sur l'ANODE de la pile à hydrogène. L'arrivée de l'aire sur la cathode de la pile ainsi qu'une réduction de surface de pile à combustible et les sections (épaisseur) des micros sillons ou micro-channels. Figure 4, représente l'ensemble des éléments d'une pile jetable ou rechargeable munit de ses cosses de contact ainsi que les trous de chargement et arrivée d'air montrant la réduction considérable des dimensions de la pile de la présente invention.

DESCRIPTION DETAILLES DE L'INVENTION AVEC DES FIGURES

Pour une compréhension complète de la présente invention, nous allons détailler l'ensemble des figures décrivant les différents points du système. Selon l'invention, et comme indiqué à travers des Figures 1, la mise en place d'une fine membrane 1- 1 (Fig.lb), superposée en dessous d'une grille rigide 1-5 (Fig.la), qui sépare le réservoir de l'eau 1-3 (Fig.la), de la chambre qui contient l'Hydrure ou nano hydrure de métaux 1-10 (Fig.lc).

En dessous des hydrures ou nano hydrures de métal se trouve un filtre d'absorption des résidus 2-4 (Fig.2a), un film de séchage 2-1 (Fig.2b), Une zone tampon de gaz 2-2 (Fig.2b), un film mince repoussant les gaz 2-4 (Fig.2c), et une membrane de filtrage des sous-produits de réaction 2-3 (Fig.2c). L'ensemble d'électrode 3-1 (Fig.3a), et 3-2 (Fig.3a), constituant la pile à hydrogène 3-10 (Fig.3b). Notons que la pile 3-10 (Fig.3b), peut se composer d'autant de module de base qui est nécessaire pour l'obtention du voltage désiré.

Les petits trous dans la membrane 1-7 (Fig.la), permettent les molécules de l'eau, passant par les trous 1-2 (Fig.la) de la grille rigide 1-5 (Fig. la) de traverser la membrane 1-1 (Fig.lb), et d'atteindre la chambre adjacente d'hydrolyse 1-8 (Fig.lb), comme une vapeur. Une fois dans la chambre des hydrures, la vapeur d'eau réagit avec elle pour générer l'hydrogène qui, remplit la chambre, repoussant ainsi la membrane contre une paroi fixe de la grille rigide 1-5 (Fig.la). Cette action simple bloque le flux de l'eau dans l'espace du type couloir 1-6 (Fig.la). L'Hydrogène est graduellement utilisé par la pile à hydrogène 3-10 (Fig.3b). Pour une meilleure distribution des gaz, les hydrures et/ou les nanohydrures 1-10 (Fig.lc) générant cet hydrogène, sont placés dans des sillons prévue à cet effet sur une couche du type mince de silicone poreuse 1-4 (Fig.la).

L'augmentation de la réaction est réalisée par une augmentation de la surface de l'hydrolyse à l'aide des microsillons en couche siliconée et des catalyseurs dans un lit fluidisé (augmentation en 3D de l'effet des nanos particules). Cela remplace avantageusement la forme de l'hydrure dans son enveloppe qui sert fréquemment de support au déplacement du siège de la réaction d'hydrolyse.

Quand la pression du gaz hydrogène diminue, la membrane 1-1 (Fig.lb), se lâche pour permettre l'eau de rentrer par les trous 1-7 (Fig.la) libéré par le gap 1-6 (Fig.la) et de cette façon conserver la réaction et la génération d'hydrogène. Le tout est réalisé dans un conteneur 1-9 (Fig.lb) de forme variée et adapté pour une application donnée.

Un autre aspect important de l'innovation consiste donc à une double paroi « Grille rigide - Membrane » avec de l'axes des trous décalés l-7(Fig.la). Une fois superposé, ils créent entre eux, un passage pour la vapeur d'eau à l'état initial 1-6 (Fig.la). Ce gap est nul quand la pression d'hydrogène pousse la membrane contre la grille rigide et qui bloque des molécules d'eau, les empêchant d'atteindre le sodium métaborate 1-10 (Fig.lc).

Tous les principes de surproduction de gaz pour l'étage tampon 2-2 (Fig.2b), développés dans les brevets n° 0803019 et n° 08 06821 sont donc applicables dans cette nouvelle application. Ces techniques permettent de gérer facilement une production de l'Hydrogène à la demande. Le surplus d'hydrogène, avant le blocage des molécules de l'eau est dirigé vers l'étage tampon 2-2 (Fig.2b), pour le prochain cycle d'arrivée de vapeur d'eau sur les Hydrures ou nano hydrures à travers la membrane 1-1 (Fig.lb).

Cette technique est un moyen simple et efficace de production à la demande de gaz et est particulièrement avantageuse pour production d'hydrogène à la demande.

Notons que le principe des piles à hydrogène 3-10 (Fig.3b) est bien connu à ce stade. Il est décrit dans les brevets d'invention numéro 08 03019 et 08 06821 et s'intègre dans la présente application sous sa forme la plus élémentaire ; C'est-à-dire : comprenant un électrolyte, une anode et une cathode, dont l'oxydant est de l'oxygène (O ₂ ), et le réducteur de l'hydrogène (H ₂ ) produit par hydrolyse, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif tel que décrit dans cette application pour générer de l'hydrogène par hydrolyse d'un hydrure selon la description précédentes.

La pile 3-10 (Fig.3b) est généralement placée en dessous de l'ensemble hydrure, posé (ou enveloppée) sur un substrat en silicone poreuse.

La présente invention utilise une double paroi (ou chambre) de capture des résidus 2-5 (Fig.2b et 2c), pour les sous-produits de réaction occasionnés. Cette double paroi évite l'obstruction de la membrane 1-1 (Fig.lb), d'amené d'eau dans la chambre réacteur contenant les hydrures solides ou en poudre nanotique 1-10 (Fig.lc), et empêche ainsi la modification de la cinétique de la réaction.

La double membrane réagit alors comme un filtre qui reçoit des gaz et vapeur et élimine les sous- produits indésirables en quelques étapes simples :

Un film 2-5 (Fig.2b), du type Téflon traité permet le gaz d'évacuer la chambre alors qu'au même moment où l'hydrogène et la vapeur d'eau se condensent sur la surface autour des trous 2-5 (Fig.2c). Le condensé passe par les passages 2-6 (Fig.2c) en serpentin.

Une surface traitée 2-7 (Fig.2c), pousse avec ardeurs, ses condensés, vers le micro réservoir de départ 3-9 (Fig.3b) et ce le long du paroi (ou par le canal adjacent) de l'anode 3-8 (Fig.3b).

Une structure en serpentin 2-8 (Fig.2a) du substrat logeant les hydrures ou les nano hydrures peut être traité avec un catalyseur augmentant la réaction lors de la production de l'hydrogène. Les cosses de connexion de la pile sont reliées à la pile 3-10 (Fig.3b) par les conducteurs 3-3 (Fig.3b) et 3-4 (Fig.3c).

Le passage de l'air à travers l'orifice 3-11 (Fig.3b) sur la cathode 3-2 (Fig.3b) de la pile 3-10 (Fig.3b), produit de l'eau. Un Téflon traité 3-20 (Fig.3c) avec une substance « Repousse - Eau » munie d'environ 100 à 110X45 à 55 micron-diam trous, permet le gaz d'évacuer la chambre. L'air circule par la structure en serpentin 3-23(Fig.3c) et sort par la sortie d'air 3-24 (Fig.3c) .

Ce condensé liquide flux passe à travers les trous 4-41 (Fig.4) de 5 millimètres vers un réservoir de collection 4-42 (Fig.4).

Une surface traitée 4-43 (Fig.4) de « Repousse - Eau », pousse avec grande ardeurs, ces condensés, vers le micro réservoir de départ 1-3 (Fig.la) et ce, le long du paroi (ou par le canal) 4-46 (Fig.4) à partir du point de sortie des goûte d'eau 4-45 (Fig.4). L'eau est alors recyclée pour recommencer un nouveau cycle dans le micro réservoir 4-44 (Fig.4).

L'orifice 4-48 (Fig.4) sert à recharger la pile en solution liquides provoquant la réaction et pouvant être par exemple ; l'eau, acide, alcool, et/ou un mélange des solutions précitées pour des versions de piles rechargeables.

L'eau engendrée par la pile à hydrogène 3-10 (Fig.3) est récupérée et dirigée vers le réservoir 4-44 (Fig.4) par le canal 4-51 (Fig.4). De même, des capsules rechargeables ou jetables pour micro-piles (capsule pour l'alimenter en eau par l'injection d'une fraction de cette dernière) peuvent également être insérées dans des logements prédéterminés.

Le trou 4-47 (Fig.4) sert à recharger la pile en solution hydrure ou en poudre nano hydrure pour des versions de piles rechargeables et recyclables.

La pastille de contact 4-60 (Fig.4) constitue l'anode de la pile alors que la pastille de contact 4-49 (Fig.4) est la cathode de la pile. L'orifice 4-50 (Fig.4) sert à alimenter en air la pile. Le retour de gaz servant de tampon 4-20 (Fig.4) est en partie intégré dans le substrat.

Notons que le film de séparation 4-51 (Fig.4) sert à séparation des différents éléments constituant de la pile et que La cathode 4-52 (Fig.4) de la pile est reliée à la pastille de sortie à travers une supercapacité 4-53 (Fig.4) entre La cathode 4-52 (Fig.4) et l'anode 4-60, pour l'absorption des appels en courant. Une variante de la présente invention intègre des convertisseurs de tension à haut rendement du type DC/DC ou DC/ AC fournie une tension de sortie différente de celle de la pile à combustible, assurant ainsi l'ajustement de la tension désirée.

De par sa structure, le dispositif de génération d'énergie faisant partie de la présente invention, peut- être caractérisé selon une pluralité d'enveloppes, de forme présentant des géométries semblables ou non et réparties sur un support et/ou forme quelconques. De même, l'enveloppe extérieure et/ou aspect physique apparent peuvent être en forme de cylindre, pastille, cubique ou de cône, à base circulaire ou polygonale. Le cycle Eau/liquide- Gaz- eau/liquide est complet. Ce cycle est réalisable avec un gaz méthanol qui est extrait de l'étape précédente ou encore avec l'hydrogène. Les solutions liquides provoquant la réaction peuvent être aussi ; l'eau, acide, alcool, et/ou un mélange des solutions précitées.

Il est important de noter que la présente invention est plus clairement mise en évidence par la description des modes de réalisation particuliers telle que décrit. Néanmoins, l'objet de l'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation décrites car d'autres modes de réalisation de l'invention sont possibles et peuvent facilement être réalisés par extrapolation.