Les piles à hydrogène convertissent l’hydrogène et l’oxygène en électricité, en chaleur et en eau. Ce processus de conversion ne générant aucune émission de carbone, les piles à combustible sont considérées comme une source précieuse d’énergie verte qui pourrait jouer un rôle clé dans la lutte contre le changement climatique.
Toutefois, un obstacle s’oppose à leur utilisation dans des applications à grande échelle : alimenter des camions électriques pour le transport longue distance, par exemple, ou remplacer les générateurs diesel pour fournir de l’électricité aux communautés nordiques isolées. Les piles à combustible actuelles ont atteint un plafond dans la quantité d’électricité qu’elles peuvent produire parce que leur structure interne ne peut pas gérer correctement toute l’eau que les cellules créent comme sous-produit.
Des chercheurs du département de génie mécanique et industriel de l’université de Toronto se sont tournés vers une nouvelle source lorsqu’ils ont réfléchi à des idées pour améliorer la conception des canaux – appelés « champs d’écoulement » – qui dirigent l’eau à l’intérieur de la cellule. Eric Chadwick, étudiant en doctorat, explique qu’au lieu de partir de zéro, il s’est inspiré de la nature (« biomimétisme »). « Plutôt que d’essayer de concevoir un tout nouveau modèle, j’ai décidé de me tourner vers la nature, car il arrive souvent qu’un organisme ait déjà optimisé un processus au fil de l’évolution.
Dans ce cas, le processus consistait à faire circuler l’eau dans une seule direction. Il en a trouvé la preuve sur la peau des lézards et sur les feuilles de certaines plantes. « Les lézards vivant dans des climats secs et arides ont des écailles qui ont évolué pour piéger la condensation de l’air et l’acheminer vers leurs yeux et leur bouche », indique M. Chadwick. « De même, sur certains types de feuilles, les nervures captent l’eau et la déplacent vers les extrémités des feuilles pour qu’elle retombe et que les racines puissent l’absorber. Avec son équipe, il a intégré ces motifs naturels dans les canaux de sa nouvelle cellule, afin de faire passer plus efficacement l’eau de la couche poreuse à l’intérieur de la cellule vers l’extérieur. »
En utilisant le Centre canadien de rayonnement synchrotron de l’université de la Saskatchewan, Chadwick et ses collègues ont constaté que la conception inspirée de la nature permettait d’augmenter de 30 % la densité de puissance maximale qu’ils pouvaient atteindre dans la pile à combustible, par rapport aux conceptions existantes. La nouvelle conception de la pile a permis une distribution plus homogène de l’eau dans la pile, sans accumulation, ce qui signifie également une distribution plus homogène des réactifs (oxygène et hydrogène) – « la pile à combustible utilise donc le catalyseur (platine) de manière plus efficace ».
Les chercheurs ont également constaté que, comme la nouvelle conception éliminait l’excès d’eau liquide de la couche poreuse, les canaux servaient de voies d’accès supplémentaires pour que davantage de réactifs atteignent la couche catalytique.
Grâce aux rayons X à haute énergie du CLS, Chadwick et son équipe ont pu produire des images transversales richement détaillées de leur nouvelle pile à combustible pendant qu’elle fonctionnait. « Nous avons pu voir exactement où va l’eau, quelle quantité reste dans la cellule, avec les différentes conceptions que nous avons testées », ajoute M. Chadwick. Dans l’ancienne conception, nous avions une distribution hétérogène de l’eau. Maintenant, nous avons une couche d’eau beaucoup plus homogène, ce qui signifie que nous avons une distribution beaucoup plus homogène des réactifs et que nous utilisons le catalyseur dans la pile à combustible de manière beaucoup plus efficace et régulière. »
La prochaine étape, selon Chadwick, consistera à construire et à tester une cellule plus grande. Lui et son équipe utiliseront la modélisation informatique pour déterminer comment adapter leurs conceptions à un système de grande taille. Nous avons pris ces modèles dans la nature et nous les avons optimisés, mais il y a toujours de la place pour plus (d’amélioration). « Je pense que la modélisation pourrait vraiment aider ce travail et l’orienter sur le terrain. Ce que je trouve vraiment satisfaisant et intéressant, c’est que nous pouvons prendre ces modèles directement dans la nature et les utiliser pour, d’une certaine manière, nous aider à réduire notre impact sur la nature. »
Chadwick, Eric A., Pranay Shrestha, Harsharaj B. Parmar, Aimy Bazylak, and Volker P. Schulz. Biomimetic auxiliary channels enhance oxygen delivery and water removal in polymer electrolyte membrane fuel cells. » Applied Energy 389 (2025): 125760. 10.1016/j.apenergy.2025.125760
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