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SYSTEME D'INTRUSION ET DE COLLISION CATION-ÉLECTRONS DANS UN
MATÉRIAU NON-CONDUCTEUR
La présente invention se rapporte au domaine de la
manipulation des particules par des champs électriques,
magnétiques et électromagnétiques dans la matière.
La présente invention se rapporte plus
particulièrement à un dispositif d'intrusion des ions H+ et
des électrons à l'intérieur d'un matériau non-conducteur
afin de favoriser leurs collisions à basse énergie.
L'art antérieur connaît déjà le principe de
l'électrolyse pour permettre une création d'hydrogène. La
figure 1 illustre le principe général de l'électrolyse. Une
cathode est placée par exemple dans de l'eau acidifiée. Sous
l'effet d'un courant électrique, les ions H+ contenus dans
l'eau sont attirés vers la cathode. La cathode donne alors
des électrons qui forment avec les ions H+ des atomes
d'hydrogène puis des molécules d'hydrogène. La présence
d'hydrogène est visible par l'émission de bulles dans le
liquide. Une partie de cet hydrogène peut pénétrer par
diffusion à l'intérieur de la cathode en fonction des
caractéristiques physico-chimiques de ladite cathodes.
Dans le brevet US 4466820, l'électrolyse est utilisée
pour extraire des ions d'une céramique. Les différents ions
chargés sont alors attirés selon leur charge vers la cathode
ou l'anode.
L'inconvénient de ces méthodes d'électrolyse pour la
création d'hydrogène ou la migration des particules de l'art
antérieur est que les atomes d'hydrogène ne peuvent pas être
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stockés après leur création, et s'échappent par exemple sous
forme de micro bulles de gaz.
La présente invention entend entre autres applications
remédier à cet inconvénient de l'art antérieur en utilisant
le principe de l'électrolyse pour stocker de l'hydrogène
hors des réservoirs classiques de gaz sous pression.
Des essais de stockage de l'hydrogène ont déjà été mis
en oeuvre dans les hydrures métalliques par les laboratoires
du CNRS (http://ulysse.glvt-cnrs.fr/lcmtr/hydrures.html).
L'idée de base de ces essais est que beaucoup de métaux et
composés intermétalliques ont la propriété d'absorber
l'hydrogène de façon réversible dans des conditions proches
de la pression et de la température ambiante. Ils forment
alors des hydrûres dont la capacité de stockage de
l'hydrogène est d'au moins un atome d'hydrogène par atome
métallique. Par comparaison, cette capacité est deux fois
supérieure en volume à celle de l'hydrogène liquide. Les
hydrures métalliques sont étudiés à la fois pour leurs
propriétés fondamentales et pour leurs applications. Les
composés intermétalliques sont obtenus par cofusion des
éléments purs sous atmosphère contrôlée en four à induction
haute fréquence, en four à arc ou par mécano synthèse. Les
hydrures de ces composés sont synthétisés par réaction avec
l'hydrogène gazeux dans des bancs volumétriques (méthode de
Sievert). Ces dispositifs expérimentaux permettent de
déterminer les propriétés thermodynamiques de la réaction
d'hydruration (pression d'équilibre, capacité, enthalpie et
entropie de formation). Les hydrures peuvent être aussi
synthétisés en réaction électrochimique par dissociation de
la molécule d'eau, processus largement utilisé dans les
batteries alcalines de type Ni-MH. Les structures des
composés intermétalliques et de leurs hydrures sont
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caractérisées par diffraction de rayons X et des neutrons.
Leurs propriétés physiques sont étudiées par mesures
magnétiques, spectroscopie Mdssbauer, absorption X.
De façon plus générale, l'art antérieur connaît
également des procédés de transfert d'ions dans les
matériaux poreux. La publication des chercheurs O.Amiri,
A.Aït-Mokhtar, A.Seigneurin, A.Ammar-B, "Etude théorique et
expérimentale de l'action d'un champ électrique sur la
diffusion des chlorures dans les bétons", 15èeS Rencontres
Universitaires de Génie Civil, Strasbourg, 9-10 mai, pp.259-
265, 1997 met par exemple en évidence les principaux
mécanismes de transport ionique en interaction avec les
couches d'adsorption électrocapillaire de l'électrolyte
contenu dans une structure porale.
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser le
stockage de l'hydrogène dans d'un matériau non conducteurs
(par exemple des cristaux ou des céramiques) non plus par
une réaction d'hydruration mais par insertion d'ions H+ au
sein du matériau en présence d'une cathode et d'un champs
électrique de transfert (figure 4).
La présente invention est particulièrement adaptée à
la collision à basse énergie (de quelque électron-volts à
quelques centaines d'électron-volts) d'au moins un ion H+
avec un électron qui dans les conditions déterminées de
choix de champs électrique, magnétique et du matériau non-
conducteur permet de créer un neutron afin d'obtenir par
exemple une source à neutron de faible énergie
La présente invention est également particulièrement
adaptée à la collision à basse énergie d'un ion H+ et un
électron qui dans les conditions déterminées de choix de
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champs électrique, magnétique et du matériau non-conducteur
permet de créer un atome d'hydrogène au sein d'un matériau
non-conducteur par exemple pour réaliser une unité de
stockage d'hydrogène.
Pour ce faire, la présente invention est du type
décrit ci-dessus et elle est remarquable, dans son acception
la plus large, en ce qu'elle concerne un dispositif pour la
collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à
partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins
une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte
- au moins un générateur de champ électromagnétique
apte à réaliser l'extraction dudit ion H+ dudit composé
contenant de l'hydrogène et le transfert dudit ion H+ vers
ladite cathode
- au moins un matériau non conducteur positionné
entre au moins une partie dudit composé contenant de
l'hydrogène et ladite cathode,
ladite collision étant réalisée au sein dudit matériau
non conducteur.
De préférence ledit générateur de champ
électromagnétique est constitué de deux plaques conductrices
mises sous tension.
Selon un mode de réalisation, ladite cathode est
confondue avec une desdites plaques conductrices.
Selon un mode de mise en aeuvre, ledit composé
contenant de l'hydrogène est une solution acide aqueuse
électrolytique.
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Selon les modes de réalisation, ledit composé
contenant de l'hydrogène est un composé liquide solide,
gazeux ou un plasma.
5 Avantageusement, ledit matériau non conducteur est une
céramique.
De préférence, ledit matériau non conducteur est
constitué d'au moins une couche de céramique.
Avantageusement, ledit matériau non conducteur est
constitué d'au moins une couche de cristal et d'au moins une
couche de céramique.
Selon un mode de mise en aeuvre, ladite céramique
comprend du nitrure de bore hexagonal (BNh).
Selon une variante, ledit matériau non conducteur
recouvre au moins une partie de ladite cathode.
Selon une autre variante, ledit matériau non
conducteur recouvre la totalité de ladite cathode.
De préférence, ledit matériau non conducteur empêche
tout contact entre ledit composé contenant de l'hydrogène et
ladite cathode.
De préférence, le dispositif comprend en outre une
anode.
Selon un mode de réalisation, l'énergie dudit ion H+
au sein dudit matériau non conducteur est telle que ladite
collision entraîne la fabrication d'un neutron.
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Selon un autre mode de réalisation, l'énergie dudit
ion H+ au sein dudit matériau non conducteur est telle que
ladite collision entraîne la fabrication d'un atome
d'hydrogène.
L'invention concerne également un procédé de
fabrication d'au moins un atome d'hydrogène à partir d'un
composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes
suivantes :
- positionner au moins un matériau non conducteur
entre au moins une partie dudit composé contenant de
l'hydrogène et ladite cathode.
- extraire au moins un ion H+ dudit composé
contenant de l'hydrogène
- insérer ledit ion H+ au sein dudit matériau non
conducteur, ledit ion H+ entrant en collision avec au moins
un électron fourni par ladite cathode au sein dudit matériau
non conducteur.
De préférence, l'étape d'extraction d'au moins un ion
H+ dudit composé contenant de l'hydrogène est réalisée grâce
à un champ électromagnétique.
Avantageusement, ladite étape d'insertion dudit proton
au sein dudit matériau non conducteur est réalisée par
transfert ionique.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la
description, faite ci-après à titre purement explicatif,
d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux
figures annexées où :
- la figure 1 illustre le principe de l'électrolyse et
de la production d'hydrogène selon l'art antérieur ;
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- la figure 2 illustre un mode de réalisation de
l'invention ;
- la figure 3 illustre l'intrusion d'un atome
d'hydrogène au sein d'une maille de cristal.
La figure 4 illustre le mécanisme de formation d'un
atome d'hydrogène à l'intérieur du matériau non conducteur à
l'approche de la plaque cathodique
Selon un mode de réalisation illustré figure 2, le
dispositif selon l'invention comprend un générateur de champ
électrique 1 associé éventuellement à un générateur de
champs magnétique, un élément 3 de type solide, liquide ou
gazeux contenant en totalité ou en partie de l'hydrogène
sous forme ionique, plasma, gazeuse, liquide ou solide, et
une plaque cathodique 4 de telle sorte que le matériau non
conducteur 2 est positionné entre la plaque cathodique 4 et
l'élément 3 contenant l'hydrogène sous au moins l'une des
formes cité ci-dessus. Eventuellement, la plaque cathodique
4 et les générateurs de champs électromagnétiques peuvent
être confondus en un seul élément.
Le principe général du dispositif précédent est que le
champ électromagnétique produit par le générateur 1 crée,
accélère et oriente les ions H+ (proton ou isotopes se
rapportant à l'hydrogène comme le deutéron ou le tritium)
des différents états de l'hydrogène contenu dans l'élément
3. Le matériau non conducteur 2 est orienté de telle façon
que, sous l'action de ces forces, les ions H+ (proton)
pénètrent à l'intérieur du matériau avant d'être au contact
de la cathode.
Le matériau 2 étant non conducteur, les électrons
libérés par la cathode ne vont pas traverser le matériau et
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rejoindre le composé à base d'hydrogène, ce qui provoquerait
une réaction d'électrolyse classique, par exemple dans
l'eau. La présence de ce matériau sert donc à retenir
les électrons pour qu'ils ne passent pas dans l'électrolyte
et permettre ainsi d'obtenir un lieu de réaction favorable
entre les ions H+ et les électrons.
A l'intérieur du matériau non conducteur, des
électrons e' sont ainsi fournis aux ions H+ (protons) par le
biais de la plaque cathodique 4. Les ions H+ (proton)
captent alors ces électrons pour se transformer en
hydrogène, réalisant ainsi une unité de stockage d'hydrogène
au sein du matériau non conducteur 2.
Notons qu'expérimentalement, cette pénétration des
électrons dans le matériau non conducteur est visible par
l'apparition d'un courant au sein du système.
Par rapport aux systèmes d'électrolyse classiques, le
matériau 2 étant non conducteur, les électrons ne peuvent
pas rejoindre les ions H+ sous le seul effet d'un courant
électrique. Le champ électrique produit par un générateur
électrique permet alors à ces ions H+ d'aller vers la plaque
cathodique via le matériau non conducteur 2.
Lorsque les ions H+ s'approchent de la plaque
cathodique, des électrons se détachent de la plaque
cathodique et se dirigent vers ces ions à travers le
matériau non conducteur sous l'effet de la force
électrostatique des ions. Les principes physiques d'un tel
phénomène sont bien connus. Il s'agit de l'effet tunnel en
mécanique quantique, des micro-claquages en électronique ou
des émissions électrostatiques en théorie des champs.
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Enfin, la plaque cathodique ne doit posséder aucune
zone de contact avec le composé contenant de l'hydrogène
afin de ne pas provoquer de réaction au sein du composé. Le
dispositif est donc par exemple constitué d'un percement
comme sur la figure 1 pour laisser passer les ions H+ mais
interdire tout contact entre ceux-ci et la cathode.
Par ailleurs, afin d'isoler la cathode mise sous
tension de tout environnement extérieur, celle-ci est
recouverte en partie d'un isolant empêchant par exemple le
transport ionique dans l'air et donc la perte des électrons
pour la réaction de collision. Cet isolant peut par exemple
être le matériau non conducteur 2 lui-même ou tout autre
matériau isolant.
Le principe général précédent n'est bien sûr obtenu
qu'en maîtrisant les différents paramètres des champs et des
matériaux utilisés.
Nous allons maintenant décrire un mode spécifique de
réalisation en fixant différents paramètres du dispositif
précédent dans le cadre de stockage d'hydrogène dans un
matériau non conducteur de type céramique ou cristal.
Il doit être entendu que l'invention ne dépend pas du
type de matériau non conducteur utilisé. En particulier, le
dispositif est adaptable à une succession de couches de
céramiques du même type ou de type différent, ou à une
succession de couches de cristal, ou même à une succession
de couche de céramique et de cristal.
Pour une distance d entre deux plaques de 3mm et une
source de haute tension variable de 1000 à 30000 Volts, le
champ électrique obtenu est au maximum de E = AV/D= 10' V/m.
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Illustré sur la figure 3, le matériau non conducteur 2
utilisé est par exemple du nitrure de bore hexagonal BNh
présentant des caractéristiques chimico-physiques adaptées
5 pour contenir l'hydrogène. En effet, la modélisation des
mailles en tenant compte des rayons de Van der Waals des
atomes en première approximation permet de calculer l'espace
d'occupation réelle qui est disponible pour l'hydrogène. Cet
espace est bien adapté au rayon de Van der Waals de
10 l'hydrogène atomique ou moléculaire.
Il faut noter que les rayons de Van der Waals de
l'état atomique et de l'état moléculaire de l'hydrogène
étant égaux, il est possible de former des atomes
d'hydrogène au sein du matériau non conducteur, mais aussi
de l'hydrogène à l'état moléculaire.
La source d'hydrogène 3 est une solution acide aqueuse
H3O + permettant de disposer d'une quantité suffisante d'ions
H+. Elle est par exemple obtenue à partir de l'acide
sulfurique ( HZSO4 ) par la réaction
H2 S04 + 2H20 -> SO42- + 2H30+
A l'aide d'une quantité d'énergie suffisante grâce à
une intensité du champ adaptée, les ions H+ lié aux
molécules d'eau par des forces électrique (liaison
hydrogène) peuvent être arrachés. Quitte à augmenter la
tension aux bornes des plaques du dispositif électrique, le
champ électrique E permet, au moins statistiquement,
d'arracher une partie des ions H+ (proton) de la solution
aqueuse.
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En effet, la force obtenue par le champ électrique du
dispositif (10' V/m) est en théorie bien inférieure à la
force de liaison H des protons dans l'eau. Cependant, les
ions H+ étant mobiles entre les molécules ou les agrégats de
molécules d'eau il est possible d'extraire une partie de ces
ions, même avec une force issue du champ inférieure à la
liaison H.
Notons par ailleurs que préférablement, le dispositif
contient également une anode permettant de neutraliser le
milieu. En effet, lorsque les ions H+ sont extraits de
l'acide sulfurique, la différence de charge créée par la
prépondérance des ions chargés négativement S042- a tendance
à retenir les ions H+ par attraction électrostatique et à
les empêcher de se diriger vers le matériau non conducteur.
L'anode, en attirant les ions chargés négativement S04Z-
permet alors une neutralisation du milieu favorable à la
migration des ions H+ pour la fabrication de l'hydrogène.
Dans ce mode spécifique de réalisation le champ
électromagnétique est généré par les plaques anode et
cathode portées à haute tension.
Selon ce mode de réalisation, la plaque cathodique (4)
peut être confondue avec la plaque haute tension (1)
correspondant au sens de parcours des ions H+ sous l'action
du champ électrique E.
Le champ électrique généré par le dispositif attire
alors les ions H+ à l'intérieur de la céramique par
transfert ionique de type connu.
La céramique BNh étant un isolant électrique, l'ion H+
traverse la céramique pour s'approcher de la plaque
cathodique. Arrivé à quelques nanomètres de la plaque
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cathodique, il se transforme alors en hydrogène en capturant
un électron issu de la plaque cathodique comme illustré
figure 3.
La céramique constitue alors une unité de stockage
d'hydrogène pouvant par exemple être utilisé comme vecteur
d'énergie, par exemple au sein d'une pile à combustible.
En particulier, à l'intérieur d'une pile à combustion,
le matériau non conducteur utilisé dans l'invention devient
un réservoir d'hydrogène rechargeable.
En effet, sous l'effet de la température, par exemple
à 300 K, les atomes d'hydrogène possèdent une énergie
cinétique qui leur permet de transiter de maille en maille
au sein du matériau non conducteur où ils sont stockés. La
céramique libère donc l'hydrogène qu'il contient peu à peu
par diffusion et en se chauffant grâce au fonctionnement de
la pile. Le temps de diffusion peut par ailleurs être
maîtrisé selon la taille des mailles du matériau non
conducteur. Plus la céramique sera dense, plus la diffusion
de l'hydrogène sera longue.
Notons enfin que selon l'énergie apportée à l'ion H+
et donc la force du champ électromagnétique sur le composé
contenant de l'hydrogène, la réaction au sein du matériau
non conducteur à partir de l'ion H+ et d'un électron est une
réaction nucléaire produisant un neutron.
Le matériau non conducteur devient alors une source de
neutron suite à la collision entre des protons de basse
énergie à des électrons émis par la cathode.
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L'invention est décrite dans ce qui précède à titre
d' exemple . Il est entendu que l'homme du métier est à même
de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour
autant sortir du cadre du brevet.
