« Une découverte biomimétique change la donne pour l’hydrogène » : des plaques inspirées du lézard augmentent la densité de puissance des piles

Les piles à hydrogène représentent une promesse de puissance propre pour les transports lourds et les usages industriels. Cependant, une contrainte fondamentale persiste : la gestion de l’eau. Lorsqu’elles produisent de l’électricité, les piles à combustible génèrent également de l’eau. Cette eau peut inonder les couches poreuses qui délivrent l’oxygène aux sites de réaction, étouffant ainsi la pile et réduisant ses performances. Les chercheurs de l’Université de Toronto ont trouvé une solution innovante en s’inspirant des écailles de lézards et des nervures de feuilles. Ces structures naturelles canalisent l’eau dans une seule direction, un principe que l’équipe a adapté en sculptant des canaux de drainage auxiliaires dans les plaques de champ d’écoulement des piles à hydrogène.

Comment les piles à combustible s’inondent-elles

Au cœur d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) se trouve une fine électrolyte polymère entourée d’électrodes en nanoparticules de platine sur du carbone poreux. L’hydrogène se scinde à l’anode en protons et électrons. Tandis que les protons migrent à travers la membrane, les électrons circulent dans un circuit externe, générant un courant, avant de se recombiner avec l’oxygène à la cathode pour former de l’eau et de la chaleur.

Cependant, l’eau produite devient un problème. Les couches de diffusion de gaz (GDL) situées contre les électrodes sont censées transporter les gaz réactifs et évacuer l’eau produite. À mesure que le courant augmente, plus d’eau est générée, mais la capacité de drainage des GDL n’augmente pas. L’eau s’accumule sous les « terres » solides des conceptions conventionnelles des champs d’écoulement, bloquant ainsi l’oxygène d’atteindre les sites de réaction.

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Inspiration de la nature

Face aux limites des approches d’ingénierie traditionnelles, Chadwick et son équipe ont choisi de s’inspirer de la nature. Les lézards du désert ont évolué avec des écailles qui canalisent la condensation directement vers leur bouche. Certaines feuilles de plantes utilisent des structures de veines pour déplacer efficacement les gouttelettes vers leurs bords. Ces conceptions gèrent le flux directionnel de l’eau avec une énergie minimale.

Les conceptions traditionnelles de piles à combustible utilisent des canaux parallèles sculptés dans des plaques métalliques, semblables à un toit ondulé avec des crêtes (« terres ») et des rainures (« canaux »). Le gaz circule à travers les canaux tandis que les terres solides fournissent un soutien structurel et une connexion électrique. Le problème est que l’eau a tendance à s’accumuler sous ces terres solides, bloquant l’oxygène d’atteindre les sites de réaction.

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Les canaux biomimétiques en action

Au lieu de laisser les terres comme barrières solides, Chadwick et son équipe ont découpé au laser des canaux auxiliaires directement dans celles-ci. Ces minuscules chemins imitent le transport directionnel de l’eau observé dans les écailles de lézard et les nervures de feuilles, créant ainsi des voies d’évacuation dédiées pour l’eau tout en fournissant des chemins supplémentaires pour la livraison d’oxygène.

L’équipe a utilisé un laser à fibre pulsée de 100 watts pour créer les canaux biomimétiques dans des plaques de champ d’écoulement en graphite. Les canaux auxiliaires nécessitaient seulement cinq passages laser par rapport aux 66 passages pour les canaux principaux, mais leur impact sur les performances était considérable.

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La conception a atteint des densités de puissance de 639 milliwatts/cm², une augmentation de 29.1 % par rapport au design de référence.

Où se situe cette recherche

Cette recherche s’inscrit dans un effort plus large pour rendre les piles à hydrogène plus viables pour diverses applications. En 2024, des chercheurs chinois de l’Université de Tianjin ont rapporté une densité de puissance volumétrique 80 % plus élevée par rapport aux piles à combustible PEM de pointe en éliminant complètement les couches de diffusion de gaz. Une année plus tôt, des chercheurs avaient développé des conceptions d’électrodes rainurées atteignant jusqu’à 50 % de performances supérieures à celles des électrodes conventionnelles.

Bien que les comparaisons directes soient difficiles en raison des conditions de test différentes, des matériaux et des conceptions de base, ces études suggèrent que le domaine explore des approches architecturales fondamentalement différentes tout en optimisant les champs d’écoulement de manière incrémentale.

Les piles à hydrogène continueront-elles à se perfectionner grâce à ces innovations inspirées par la nature, et à quel rythme verrons-nous ces avancées s’intégrer dans nos systèmes énergétiques quotidiens ?