CA3159086A1 - Dispositif de production et/ou stockage d'energie comprenant un reservoir - Google Patents
Dispositif de production et/ou stockage d'energie comprenant un reservoirInfo
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Abstract
Un dispositif de production et/ou de stockage d'énergie électrique (2) caractérisé en ce qu'il comprend : - une anode (4), - une cathode (6), - un séparateur (8) permettant le transfert d'au moins un composé apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique (8) disposé entre l'anode (4) et la cathode (6), et - au moins un réservoir cassable, perçable et/ou déformable (10) d'un composé apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique, ledit réservoir (10) ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8); lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8) étant notamment des moyens de transfert d'un liquide.
Description
Description DISPOSITIF DE PRODUCTION ET/OU STOCKAGE D'ENERGIE
COMPRENANT UN RESERVOIR
Domaine de l'invention L'invention porte sur un dispositif de production ou de stockage d'énergie électrique, permettant une activation contrôlée par l'utilisateur, ainsi que sa fabrication et son utilisation. Ce dispositif peut en particulier permettre l'activation et/ou le contrôle de piles à combustibles.
Description de l'art antérieur Les piles à combustible fonctionnent grâce au transport entre deux électrodes d'ions, généralement des protons. Pour que la pile fonctionne, un milieu disposé entre l'anode et la cathode doit pouvoir conduire les ions hydroxonium (H30+), noté
.. également dans une version simplifiée H+, mais non les électrons. Cet électrolyte dans les piles à combustible comprend une membrane d'échange de protons, tels que dans les Proton Exchange Membrane Fuel Cells ou Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) et un liquide aqueux permettant le déplacement ionique. Les avancées technologiques ont permis de développer des piles dihydrogène-dioxygène ou des .. piles enzymatiques, notamment des piles enzymatiques au glucose-dioxygène, respectueuses de l'environnement (cf. W02018/185417, au nom du CNRS). De telles piles sont compactes et peuvent travailler à basse température (moins de 80 C), avec éventuellement un électrolyte en polymère (PEMFC) ou un électrolyte aqueux (solutions aqueuses, fluides biologiques). Elles sont utilisables non seulement en mode stationnaire mais également en mode portatif. Ces piles peuvent donc convenir pour la génération de courants faibles et pour des usages domestiques et/ou individuels.
Cependant l'activation et/ou le contrôle, voire la désactivation, de tels dispositifs restent problématiques. A ce jour le contrôle est réalisé par l'interruption du circuit électrique.
Cependant le contact des éléments de la pile (anode, cathode, membrane) avec un liquide peut dégrader ces éléments, en particulier quand ils contiennent des matières biologiques (matières végétales, enzymes...). Aussi le liquide nécessaire au fonctionnement de la pile est avantageusement ajouté à la membrane au moment même de son premier fonctionnement. Ceci est généralement effectué par un ajout extérieur de liquide sur la membrane du dispositif, notamment par pipette, comme cela est décrit dans la demande de brevet US2011287328A1 au nom de Sony, ou par l'utilisation d'une bouteille comme cela est décrit dans la demande de brevet
COMPRENANT UN RESERVOIR
Domaine de l'invention L'invention porte sur un dispositif de production ou de stockage d'énergie électrique, permettant une activation contrôlée par l'utilisateur, ainsi que sa fabrication et son utilisation. Ce dispositif peut en particulier permettre l'activation et/ou le contrôle de piles à combustibles.
Description de l'art antérieur Les piles à combustible fonctionnent grâce au transport entre deux électrodes d'ions, généralement des protons. Pour que la pile fonctionne, un milieu disposé entre l'anode et la cathode doit pouvoir conduire les ions hydroxonium (H30+), noté
.. également dans une version simplifiée H+, mais non les électrons. Cet électrolyte dans les piles à combustible comprend une membrane d'échange de protons, tels que dans les Proton Exchange Membrane Fuel Cells ou Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) et un liquide aqueux permettant le déplacement ionique. Les avancées technologiques ont permis de développer des piles dihydrogène-dioxygène ou des .. piles enzymatiques, notamment des piles enzymatiques au glucose-dioxygène, respectueuses de l'environnement (cf. W02018/185417, au nom du CNRS). De telles piles sont compactes et peuvent travailler à basse température (moins de 80 C), avec éventuellement un électrolyte en polymère (PEMFC) ou un électrolyte aqueux (solutions aqueuses, fluides biologiques). Elles sont utilisables non seulement en mode stationnaire mais également en mode portatif. Ces piles peuvent donc convenir pour la génération de courants faibles et pour des usages domestiques et/ou individuels.
Cependant l'activation et/ou le contrôle, voire la désactivation, de tels dispositifs restent problématiques. A ce jour le contrôle est réalisé par l'interruption du circuit électrique.
Cependant le contact des éléments de la pile (anode, cathode, membrane) avec un liquide peut dégrader ces éléments, en particulier quand ils contiennent des matières biologiques (matières végétales, enzymes...). Aussi le liquide nécessaire au fonctionnement de la pile est avantageusement ajouté à la membrane au moment même de son premier fonctionnement. Ceci est généralement effectué par un ajout extérieur de liquide sur la membrane du dispositif, notamment par pipette, comme cela est décrit dans la demande de brevet US2011287328A1 au nom de Sony, ou par l'utilisation d'une bouteille comme cela est décrit dans la demande de brevet
2 US2010/0297477, au nom de POWER KNOWLEDGE LTD. Les problèmes associés à
de tels dispositifs sont eux aussi nombreux : Tout d'abord l'utilisateur doit avoir accès à
une source de liquide (aqueuse) ayant une pureté et une qualité suffisante pour l'usage requis et le bon fonctionnement de la pile. Il doit également pouvoir quantifier le volume à ajouter. Ceci requiert la mise à disposition d'un dispositif de mesure distinct tel qu'une pipette, ou dosette, jetable ce qui augmente les coûts et l'impact sur l'environnement du dispositif. De plus le dispositif doit comprendre un moyen d'introduction du liquide sur la membrane. Le fait que la membrane puisse être accessible de l'extérieur implique notamment des problèmes supplémentaires de contamination. Enfin, les piles de ce type sont difficiles à stocker car elles peuvent être sensibles au taux d'humidité de leur environnement.
Il existe donc un besoin pour des dispositifs permettant la production de courant électrique, et ne présentant pas les désavantages évoqués précédemment.
Description de l'invention Un objet de l'invention est donc un dispositif de production et/ou de stockage d'énergie électrique, en particulier électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une anode, - une cathode, - un séparateur, tel qu'une couche de diffusion, permettant le transfert d'au moins un composé apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage d'énergie électrique, disposé entre l'anode et la cathode, et - au moins un réservoir cassable, perçable et/ou deformable d'un composé
apte à
déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage d'énergie électrique, ledit réservoir ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur ; lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur étant notamment des moyens de transfert d'un fluide et en particulier d'un liquide Le réservoir (en anglais storage tank ), comme tout réservoir, défini un lieu distinct de celui de la production et/ou le stockage d'énergie où est utilisé
le contenu du réservoir. Il peut jouxter, voir chevaucher celui-ci mais ne définit pas un lieu strictement identique. En d'autres mots le réservoir et la cellule électrochimique sont des éléments distincts et de préférence séparés. Ce réservoir peut avantageusement permettre de séparer le contenu du réservoir de l'anode et de la cathode, en tout ou partie.
Le réservoir et son contenu participe donc à la transition d'un état inactif à
actif du dispositif. La déformation du réservoir et la libération de son contenu permet de créer une aptitude d'activation du dispositif. La déformation du réservoir peut donc permettre
de tels dispositifs sont eux aussi nombreux : Tout d'abord l'utilisateur doit avoir accès à
une source de liquide (aqueuse) ayant une pureté et une qualité suffisante pour l'usage requis et le bon fonctionnement de la pile. Il doit également pouvoir quantifier le volume à ajouter. Ceci requiert la mise à disposition d'un dispositif de mesure distinct tel qu'une pipette, ou dosette, jetable ce qui augmente les coûts et l'impact sur l'environnement du dispositif. De plus le dispositif doit comprendre un moyen d'introduction du liquide sur la membrane. Le fait que la membrane puisse être accessible de l'extérieur implique notamment des problèmes supplémentaires de contamination. Enfin, les piles de ce type sont difficiles à stocker car elles peuvent être sensibles au taux d'humidité de leur environnement.
Il existe donc un besoin pour des dispositifs permettant la production de courant électrique, et ne présentant pas les désavantages évoqués précédemment.
Description de l'invention Un objet de l'invention est donc un dispositif de production et/ou de stockage d'énergie électrique, en particulier électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une anode, - une cathode, - un séparateur, tel qu'une couche de diffusion, permettant le transfert d'au moins un composé apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage d'énergie électrique, disposé entre l'anode et la cathode, et - au moins un réservoir cassable, perçable et/ou deformable d'un composé
apte à
déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage d'énergie électrique, ledit réservoir ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur ; lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur étant notamment des moyens de transfert d'un fluide et en particulier d'un liquide Le réservoir (en anglais storage tank ), comme tout réservoir, défini un lieu distinct de celui de la production et/ou le stockage d'énergie où est utilisé
le contenu du réservoir. Il peut jouxter, voir chevaucher celui-ci mais ne définit pas un lieu strictement identique. En d'autres mots le réservoir et la cellule électrochimique sont des éléments distincts et de préférence séparés. Ce réservoir peut avantageusement permettre de séparer le contenu du réservoir de l'anode et de la cathode, en tout ou partie.
Le réservoir et son contenu participe donc à la transition d'un état inactif à
actif du dispositif. La déformation du réservoir et la libération de son contenu permet de créer une aptitude d'activation du dispositif. La déformation du réservoir peut donc permettre
3 PCT/EP2020/082150 soit de déclencher directement la production ou le stockage d'énergie, soit de créer un état d'activation intermédiaire du dispositif. En effet le dispositif peut comprendre, en outre, un ou plusieurs moyens d'activation, dont la configuration est choisie pour permettre soit l'activation, soit l'augmentation, soit la diminution, soit l'arrêt (ou la désactivation) de la production et/ou du stockage d'énergie. Par exemple, le dispositif peut également comprendre un interrupteur avantageusement manipulable par l'utilisateur. Un tel interrupteur peut comprendre par exemple un coupe-circuit tel qu'une languette amovible. Cet interrupteur peut alors être manipulé par l'utilisateur avant ou après la mise en contact du composé apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique et du séparateur. Ainsi l'activation peut être directe ou être réalisée en plusieurs étapes. L'activation peut être réalisée par exemple dans un premier temps par pression sur le réservoir (et éventuellement la libération de fluides au sein du réservoir) puis sur le retrait d'une languette coupe circuit par l'utilisateur. La mise en activation du dispositif par l'utilisateur, de manière notamment séquentiel en plusieurs étapes ou en une seule est également un objet de l'invention.
Avantageusement, dans le dispositif selon l'invention l'anode et/ou la cathode comprend une enzyme.
Le réservoir est cassable, perçable et/ou deformable en tout ou partie. Par exemple il peut comprendre une partie destructible sous l'action d'un utilisateur, il peut comprendre un container par exemple sous forme d'une coque (avantageusement deformable et/ou flexible) ayant une ouverture et des moyens de rétention obturant l'ouverture de la coque ou du container. Cette coque, par exemple un dôme éventuellement semi-sphérique, forme donc une cavité contenant le composé et comprend une ouverture. Le moyen de rétention est avantageusement une couche, ou film, de séparation obturant l'ouverture de la coque, ou du container, et formant avec celle-ci un réceptacle clos et de préférence imperméable. Ce type de réservoir est également connu sous sa dénomination anglaise de blister pack , ou blister . Il peut être caractérisé par le fait que la surface d'ouverture est proportionnellement grande, par exemple de 25 à 45 %, par rapport à la surface totale du réservoir.
Cependant l'invention n'est pas limitée par une telle caractéristique qui peut être plus élevée ou plus faible. Les moyens de rétention permettent de retenir le composé à
l'intérieur du réservoir et notamment de les séparer, au moins en partie de l'anode et de la cathode.
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque et la couche de séparation dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée à
accueillir un liquide, un semi-liquide, un gel ou des substances pouvant migrer, un
Avantageusement, dans le dispositif selon l'invention l'anode et/ou la cathode comprend une enzyme.
Le réservoir est cassable, perçable et/ou deformable en tout ou partie. Par exemple il peut comprendre une partie destructible sous l'action d'un utilisateur, il peut comprendre un container par exemple sous forme d'une coque (avantageusement deformable et/ou flexible) ayant une ouverture et des moyens de rétention obturant l'ouverture de la coque ou du container. Cette coque, par exemple un dôme éventuellement semi-sphérique, forme donc une cavité contenant le composé et comprend une ouverture. Le moyen de rétention est avantageusement une couche, ou film, de séparation obturant l'ouverture de la coque, ou du container, et formant avec celle-ci un réceptacle clos et de préférence imperméable. Ce type de réservoir est également connu sous sa dénomination anglaise de blister pack , ou blister . Il peut être caractérisé par le fait que la surface d'ouverture est proportionnellement grande, par exemple de 25 à 45 %, par rapport à la surface totale du réservoir.
Cependant l'invention n'est pas limitée par une telle caractéristique qui peut être plus élevée ou plus faible. Les moyens de rétention permettent de retenir le composé à
l'intérieur du réservoir et notamment de les séparer, au moins en partie de l'anode et de la cathode.
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque et la couche de séparation dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée à
accueillir un liquide, un semi-liquide, un gel ou des substances pouvant migrer, un
4 matériau stratifié comprenant une couche d'un matériau résistant est mise en place. Il est également possible de choisir des matériaux inertes [3] vis-à-vis de la matière stockée dans le réservoir ou des matériaux absorbant de la vapeur d'eau, de l'oxygène (ou les deux) pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur du réservoir et ainsi préserver le produit contenu (stabilité accrue dans le temps) [4]. On peut également choisir un ou des matériaux ayant l'impact environnemental le plus faible [2]. Le matériau est généralement un matériau thermoformé [1] et peut être choisi dans le groupe de matériaux constitué par:
- le polychlorure de vinyle (PVC), - le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) (et notamment l'ACLARTm), - le copolymère d'oléfine cyclique (COC), - le polyéthylène (PE), - l'orthophtalaldéhyde (OPA), - l'aluminium, - les laques de scellement à chaud ( Hot Sealing Lacquer , or HSL).
- les copolymères d'acétate de vinyle d'acide maléique et de chlorure de vinyle (VMCH), - le chlorure de polyvinylidène (PVDC), - le polyéthylène téréphtalate (PET), - le polyéthylène téréphtalate modifié au glycol (PETG), - les copolymères d'oléfines cycliques (COC), - les polypropylènes ; et - leurs mélanges.
Le réservoir peut également comprendre des laminés, et en particulier des feuilles laminées, de ces matériaux. Ces composants ont des caractéristiques de résistance chimique et/ou à l'humidité qui sont avantageuses. Par exemple, un PCTFE, un PVC
recouvert de PVDC ou un polypropylène est particulièrement approprié pour le réservoir, et en particulier la coque, du fait de sa capacité à faire barrière à l'air et à
l'humidité. De plus des matériaux associant une feuille laminée d'aluminium et de HSL ou, d'aluminium et de VMCH, sont également préférés, en particulier pour réaliser le moyen de rétention et/ou de séparation. Alternativement un matériau à base de fibres cellulosiques (comme du papier ou du carton) est une alternative avantageuse à
ces matériaux du point de vue environnemental et qui peut être considéré. Ce matériau peut être notamment associé à des films, tels que des films plastiques et en particulier un film dans un des matériaux thermoformés susdits.
La dimension du réservoir peut être déterminée par la quantité du composé (par exemple du liquide) à libérer. Le terme liquide comprend non seulement un composé
ou une composition mais s'étend à des semi-liquides (par exemple un composé ou une composition visqueuse) ainsi qu'à des gels.
Le composé apte à déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie électrique est contenu dans le réservoir peut être un liquide, un solide ou un gel, de
- le polychlorure de vinyle (PVC), - le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) (et notamment l'ACLARTm), - le copolymère d'oléfine cyclique (COC), - le polyéthylène (PE), - l'orthophtalaldéhyde (OPA), - l'aluminium, - les laques de scellement à chaud ( Hot Sealing Lacquer , or HSL).
- les copolymères d'acétate de vinyle d'acide maléique et de chlorure de vinyle (VMCH), - le chlorure de polyvinylidène (PVDC), - le polyéthylène téréphtalate (PET), - le polyéthylène téréphtalate modifié au glycol (PETG), - les copolymères d'oléfines cycliques (COC), - les polypropylènes ; et - leurs mélanges.
Le réservoir peut également comprendre des laminés, et en particulier des feuilles laminées, de ces matériaux. Ces composants ont des caractéristiques de résistance chimique et/ou à l'humidité qui sont avantageuses. Par exemple, un PCTFE, un PVC
recouvert de PVDC ou un polypropylène est particulièrement approprié pour le réservoir, et en particulier la coque, du fait de sa capacité à faire barrière à l'air et à
l'humidité. De plus des matériaux associant une feuille laminée d'aluminium et de HSL ou, d'aluminium et de VMCH, sont également préférés, en particulier pour réaliser le moyen de rétention et/ou de séparation. Alternativement un matériau à base de fibres cellulosiques (comme du papier ou du carton) est une alternative avantageuse à
ces matériaux du point de vue environnemental et qui peut être considéré. Ce matériau peut être notamment associé à des films, tels que des films plastiques et en particulier un film dans un des matériaux thermoformés susdits.
La dimension du réservoir peut être déterminée par la quantité du composé (par exemple du liquide) à libérer. Le terme liquide comprend non seulement un composé
ou une composition mais s'étend à des semi-liquides (par exemple un composé ou une composition visqueuse) ainsi qu'à des gels.
Le composé apte à déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie électrique est contenu dans le réservoir peut être un liquide, un solide ou un gel, de
5 préférence c'est un liquide aqueux, c'est-à-dire majoritairement à base d'eau, voire simplement de l'eau (qui peut être à différents degrés de pureté : eau distillée, eau pure, eau du robinet, etc...).
Le composé peut être une composition comprenant au moins un composé apte à
déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie électrique et comprendre ou être constituée par un électrolyte (tampon phosphaté contenant du sulfate de sodium ou d'ammonium, une enzyme (par exemple la glucose oxydase et/ou la FAD
déshydrogénase pour l'anode et la laccase et/ou la Bilirubine oxydase pour la cathode,), un médiateur de l'échange électronique (par exemple de l'ABTS, la 1,2 or 1,4 naphthoquinone, la phénanthrolinequinone ou le pyrène et un de ses dérivés), un cofacteur (par exemple une coenzyme de type NAD-VNADP+ ou flavine, comme la FAD
(Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine mononucléotide) , un promoteur (par exemple de protoporphyrine IX) d'un substrat (par exemple du glucose) et/ou une molécule d'orientation enzymatique, c'est-à-dire une enzyme ou un molécule capable d'agir sur une substance parasite ou toxique (par exemple la catalase pour décomposer le peroxyde d'hydrogène produit pas l'enzyme glucose oxydase).
Les moyens permettant de mettre en contact le composé (par exemple un liquide) et le séparateur peuvent comprendre le choix du matériau qui permet une rupture, de préférence une rupture ménagée à un point particulier ou une zone particulière du réservoir, due à l'application par l'utilisateur d'une pression suffisante sur une partie du réservoir. C'est le cas des blisters pour cachets médicamenteux où
l'application d'une pression sur la coque du blister, et sa déformation, provoque la rupture du film obturant le réceptacle, qui est moins résistant, et la mise à disposition du cachet [cf.5-9]. Cette disposition peut bien convenir au dispositif selon l'invention, les liquides étant incompressibles.
Selon une autre variante de l'invention, les moyens permettant de mettre en contact fluide le composé et la couche de diffusion peuvent comprendre des moyens de perçage, éventuellement comprenant au moins un élément ayant une extrémité
coupante ou pointue. Ainsi, ces moyens de perçages peuvent, par exemple, prendre la forme d'aiguilles, de lames, de protubérance ou de pointes. Ces moyens sont disposés en regard de la surface à percer mais peuvent être disposés à l'intérieur du réservoir ou à l'extérieur de celui-ci. Lorsque le réservoir est un blister, ou une coque, les
Le composé peut être une composition comprenant au moins un composé apte à
déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie électrique et comprendre ou être constituée par un électrolyte (tampon phosphaté contenant du sulfate de sodium ou d'ammonium, une enzyme (par exemple la glucose oxydase et/ou la FAD
déshydrogénase pour l'anode et la laccase et/ou la Bilirubine oxydase pour la cathode,), un médiateur de l'échange électronique (par exemple de l'ABTS, la 1,2 or 1,4 naphthoquinone, la phénanthrolinequinone ou le pyrène et un de ses dérivés), un cofacteur (par exemple une coenzyme de type NAD-VNADP+ ou flavine, comme la FAD
(Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine mononucléotide) , un promoteur (par exemple de protoporphyrine IX) d'un substrat (par exemple du glucose) et/ou une molécule d'orientation enzymatique, c'est-à-dire une enzyme ou un molécule capable d'agir sur une substance parasite ou toxique (par exemple la catalase pour décomposer le peroxyde d'hydrogène produit pas l'enzyme glucose oxydase).
Les moyens permettant de mettre en contact le composé (par exemple un liquide) et le séparateur peuvent comprendre le choix du matériau qui permet une rupture, de préférence une rupture ménagée à un point particulier ou une zone particulière du réservoir, due à l'application par l'utilisateur d'une pression suffisante sur une partie du réservoir. C'est le cas des blisters pour cachets médicamenteux où
l'application d'une pression sur la coque du blister, et sa déformation, provoque la rupture du film obturant le réceptacle, qui est moins résistant, et la mise à disposition du cachet [cf.5-9]. Cette disposition peut bien convenir au dispositif selon l'invention, les liquides étant incompressibles.
Selon une autre variante de l'invention, les moyens permettant de mettre en contact fluide le composé et la couche de diffusion peuvent comprendre des moyens de perçage, éventuellement comprenant au moins un élément ayant une extrémité
coupante ou pointue. Ainsi, ces moyens de perçages peuvent, par exemple, prendre la forme d'aiguilles, de lames, de protubérance ou de pointes. Ces moyens sont disposés en regard de la surface à percer mais peuvent être disposés à l'intérieur du réservoir ou à l'extérieur de celui-ci. Lorsque le réservoir est un blister, ou une coque, les
6 moyens de perçage sont avantageusement disposés de manière à être actionnés par une pression effectuée par l'utilisateur sur la surface extérieure de la coque.
Lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et la couche de diffusion comprennent favorablement un conduit vers, et/ou une projection du, séparateur, ladite projection, ou ledit conduit, étant de préférence configurée pour entrer en contact avec une partie du réservoir, et de préférence, lorsque le réservoir est sous forme de blister, directement en contact avec le moyen de rétention.
Ainsi le moyen de mise en contact du composé avec le séparateur peut être la simple juxtaposition et/ou mise en contact directe d'au moins une partie du séparateur avec le réservoir et plus particulièrement avec une zone de rupture de celui-ci, lorsqu'elle existe. Ainsi le séparateur est avantageusement configure pour comprendre une partie s'étendant au-delà des électrodes (c'est-à-dire de l'anode et de la cathode) et venant se positionner en regard de la zone de rupture (ménagée) du réservoir.
Le séparateur peut être une couche de diffusion ou de migration. Il peut être un simple espace entre l'anode et la cathode, espace destinée à être rempli par un composé apte à déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique.
Il peut également être intégré ou distinct de la surface d'une ou des électrodes. De manière avantageuse, le séparateur comprend, ou est essentiellement constitué par, un matériau adapté à une fonction de support d'électrolytes. Ce matériau comprend les fibres tissées ou non tissées (coton, nylon, polyesters, verre), la céramique et les substances naturelles (caoutchouc, amiante, bois). Il peut comprendre un matériau polymérique par exemple le polyéthylène, polypropylène, poly (tétrafluoroéthylène) et/ou le chlorure de polyvinyle, tel que l'ionomère NafionTM, un polymère perfluoré
fabriqué par Dupont. Il peut également être un gel, tel qu'un gel ionique et/ou un hydrogel, ou un élément permettant la création d'un gel.
Cependant pour un usage domestique ou à grande consommation il est également envisagé d'utiliser une membrane poreuse, plus particulièrement en fibre cellulosique, telle qu'une feuille de papier et en particulier du papier poreux de type buvard ou filtre.
Le grammage de ce papier peut être avantageusement choisie dans la gamme allant de 10 à 300 g.rn-2, de préférence de 50 à 150 g.rn-2.
L'épaisseur du séparateur est généralement faible mais elle doit être adaptée à
l'utilisation souhaitée. Ainsi une épaisseur de 2 mm à 10 pm, en particulier de 1mm à
10 pm, de préférence de 300 à 150 pm (par exemple 190 pm) peut être utilisée.
Ainsi, un papier de grammage 97 g.rn-2 qui constitue le séparateur, est placée en sandwich entre les deux électrodes. Le séparateur peut comprendre une seule ou plusieurs couches/feuilles de matériau.
Lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et la couche de diffusion comprennent favorablement un conduit vers, et/ou une projection du, séparateur, ladite projection, ou ledit conduit, étant de préférence configurée pour entrer en contact avec une partie du réservoir, et de préférence, lorsque le réservoir est sous forme de blister, directement en contact avec le moyen de rétention.
Ainsi le moyen de mise en contact du composé avec le séparateur peut être la simple juxtaposition et/ou mise en contact directe d'au moins une partie du séparateur avec le réservoir et plus particulièrement avec une zone de rupture de celui-ci, lorsqu'elle existe. Ainsi le séparateur est avantageusement configure pour comprendre une partie s'étendant au-delà des électrodes (c'est-à-dire de l'anode et de la cathode) et venant se positionner en regard de la zone de rupture (ménagée) du réservoir.
Le séparateur peut être une couche de diffusion ou de migration. Il peut être un simple espace entre l'anode et la cathode, espace destinée à être rempli par un composé apte à déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique.
Il peut également être intégré ou distinct de la surface d'une ou des électrodes. De manière avantageuse, le séparateur comprend, ou est essentiellement constitué par, un matériau adapté à une fonction de support d'électrolytes. Ce matériau comprend les fibres tissées ou non tissées (coton, nylon, polyesters, verre), la céramique et les substances naturelles (caoutchouc, amiante, bois). Il peut comprendre un matériau polymérique par exemple le polyéthylène, polypropylène, poly (tétrafluoroéthylène) et/ou le chlorure de polyvinyle, tel que l'ionomère NafionTM, un polymère perfluoré
fabriqué par Dupont. Il peut également être un gel, tel qu'un gel ionique et/ou un hydrogel, ou un élément permettant la création d'un gel.
Cependant pour un usage domestique ou à grande consommation il est également envisagé d'utiliser une membrane poreuse, plus particulièrement en fibre cellulosique, telle qu'une feuille de papier et en particulier du papier poreux de type buvard ou filtre.
Le grammage de ce papier peut être avantageusement choisie dans la gamme allant de 10 à 300 g.rn-2, de préférence de 50 à 150 g.rn-2.
L'épaisseur du séparateur est généralement faible mais elle doit être adaptée à
l'utilisation souhaitée. Ainsi une épaisseur de 2 mm à 10 pm, en particulier de 1mm à
10 pm, de préférence de 300 à 150 pm (par exemple 190 pm) peut être utilisée.
Ainsi, un papier de grammage 97 g.rn-2 qui constitue le séparateur, est placée en sandwich entre les deux électrodes. Le séparateur peut comprendre une seule ou plusieurs couches/feuilles de matériau.
7 Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le réservoir du dispositif peut comprendre un ou plusieurs compartiments. Ainsi qu'il sera décrit plus bas, ces compartiments peuvent comprendre des contenus identiques ou différents les uns des autres. Il est cependant particulièrement avantageux d'utiliser cette configuration pour permettre de libérer des doses individuelles de composés ou pour préparer une composition comprenant un mélange de composants instables dans le temps.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif comprend au moins un autre réservoir, cet autre réservoir comprenant ledit composé apte à
déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique ou un autre composé
.. apte, ou non, à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique. Ainsi qu'il sera décrit (cf. infra) ces réservoirs peuvent comprendre des contenus identiques ou différents et être de dimensions identiques ou différentes suivant le but recherché.
Lorsque le contenu est identique, cet autre réservoir peut être utilisé en tant que recharge du dispositif. Ces réservoirs peuvent être disposés à la suite l'un de l'autre, ou être positionnés de part et d'autre de l'anode et de la cathode.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif peut comprendre des moyens de désactivation (partielle, temporaire et/ou définitive) de la production et/ou stockage d'énergie électrique. De tels moyens peuvent avantageusement prendre la forme d'un autre réservoir de structure similaire à
celle décrite dans la présente demande. De tels moyens comprennent des moyens d'aspiration du composé apte à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique et permettent donc d'aspirer et de stocker celui-ci. Les moyens d'aspirations peuvent par exemple être la présence d'un vide partiel dans le réservoir associé à des moyens d'ouverture du réservoir permettant une aspiration à l'intérieur du réservoir.
Ces moyens peuvent également comprendre une substance absorbante permettant l'aspiration d'un liquide par capillarité. D'autres aspects de ce mode particulier de réalisation sont décrits ci-dessous.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif peut comprendre plus d'un réservoir, ou d'un compartiment, dont le contenu et la configuration sont choisis pour permettre soit l'activation, soit l'augmentation, soit la diminution, soit l'arrêt (ou la désactivation) de la production et/ou du stockage d'énergie électrique. De tels dispositifs sont décrits en détails ci-dessous. Ainsi un des objets de l'invention est un dispositif tel que décrit dans la présente demande comprenant des moyens d'augmentation, de diminution, de désactivation et/ou de réactivation de la production et/ou du stockage d'énergie électrique.
L'anode et la cathode du dispositif selon l'invention sont des électrodes adaptées à
une utilisation en tant que piles à combustibles. Bien entendu, le dispositif selon
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif comprend au moins un autre réservoir, cet autre réservoir comprenant ledit composé apte à
déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique ou un autre composé
.. apte, ou non, à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique. Ainsi qu'il sera décrit (cf. infra) ces réservoirs peuvent comprendre des contenus identiques ou différents et être de dimensions identiques ou différentes suivant le but recherché.
Lorsque le contenu est identique, cet autre réservoir peut être utilisé en tant que recharge du dispositif. Ces réservoirs peuvent être disposés à la suite l'un de l'autre, ou être positionnés de part et d'autre de l'anode et de la cathode.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif peut comprendre des moyens de désactivation (partielle, temporaire et/ou définitive) de la production et/ou stockage d'énergie électrique. De tels moyens peuvent avantageusement prendre la forme d'un autre réservoir de structure similaire à
celle décrite dans la présente demande. De tels moyens comprennent des moyens d'aspiration du composé apte à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique et permettent donc d'aspirer et de stocker celui-ci. Les moyens d'aspirations peuvent par exemple être la présence d'un vide partiel dans le réservoir associé à des moyens d'ouverture du réservoir permettant une aspiration à l'intérieur du réservoir.
Ces moyens peuvent également comprendre une substance absorbante permettant l'aspiration d'un liquide par capillarité. D'autres aspects de ce mode particulier de réalisation sont décrits ci-dessous.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif peut comprendre plus d'un réservoir, ou d'un compartiment, dont le contenu et la configuration sont choisis pour permettre soit l'activation, soit l'augmentation, soit la diminution, soit l'arrêt (ou la désactivation) de la production et/ou du stockage d'énergie électrique. De tels dispositifs sont décrits en détails ci-dessous. Ainsi un des objets de l'invention est un dispositif tel que décrit dans la présente demande comprenant des moyens d'augmentation, de diminution, de désactivation et/ou de réactivation de la production et/ou du stockage d'énergie électrique.
L'anode et la cathode du dispositif selon l'invention sont des électrodes adaptées à
une utilisation en tant que piles à combustibles. Bien entendu, le dispositif selon
8 l'invention peut également comprendre une série d'anodes et de cathodes en empilement ou "stack". L'anode et la cathode peuvent être en métal avec par exemple une cathode en argent et une anode en nickel plaquée de chrome. Il est cependant préférable que l'anode et la cathode soient d'un type convenant à des biopiles et/ou des piles enzymatiques. Ces bioélectrodes (anode ou cathode) peuvent comprendre un support constitué, ou à la surface duquel sont déposés, des nanotubes de carbone, un médiateur redox et une enzyme. Ces électrodes peuvent être multicouches et comprendre avantageusement :
- une couche carbonée ayant une surface active spécifique élevée, telle qu'une couche de nanotubes de carbone, de noir de carbone, de carbone black, ou de carbone sous forme d'agrégats ou de gel, les matériaux à base de carbone à
hautes surfaces spécifiques telle que les nanotubes de carbone ou les matrices mésoporeuses carbonées, en particulier celles obtenues à partir d'oxyde de magnésium MgO (cf. Inagaki et al. Templated mesoporous carbons: Synthesis and applications Carbon 107 (2016) 448-473) sont préférées.
- une couche de médiateur et/ou orienteur ; et/ou - une couche d'enzyme apte à catalyser les réactions d'oxydation ou de réduction du combustible.
Les couches peuvent être déposées successivement sur un matériau conducteur d'électricité, qui peut constituer le support de ces couches ou être lui-même déposé sur un support inerte.
Le matériau conducteur peut être du carbone vitreux, du graphite pyrolytique, en particulier du "Highly Ordered Pyrolytic Graphite" (HOPG) de l'or, du platine et/ou de l'oxyde d'indium et d'étain. De préférence le matériau est constitué de carbone vitreux ou de graphite pyrolytique. Ainsi qu'il est présenté dans les exemples, les bioélectrodes peuvent comprendre une feuille de nanotubes de carbone fonctionnalisés par une enzyme, et de préférence un médiateur.
La feuille de nanotube est avantageusement appliquée sur un matériau conducteur faisant partie d'une électrode microporeuse à diffusion de gaz comprenant une couche GDL (GDL =Gas Diffusion Layer), couche qui comprend généralement des fibres de carbone. Les feuilles de nanotubes adaptées à cette utilisation sont disponibles dans le commerce ou peuvent être fabriquées aisément en utilisant une suspension de nanotubes dans un solvant tel que le N, N-diméthylformamide (DMF), une sonication (par ex. 30 minutes) et une filtration (filtre PTFE de la société Millipore PTFE (JHWP, taille des pores 0.45 pm, 0 = 46 mm). Cette méthode est décrite en détails dans Gross et al (2017) A High Power Buckypaper Biofuel Cell: Exploiting 1,10-
- une couche carbonée ayant une surface active spécifique élevée, telle qu'une couche de nanotubes de carbone, de noir de carbone, de carbone black, ou de carbone sous forme d'agrégats ou de gel, les matériaux à base de carbone à
hautes surfaces spécifiques telle que les nanotubes de carbone ou les matrices mésoporeuses carbonées, en particulier celles obtenues à partir d'oxyde de magnésium MgO (cf. Inagaki et al. Templated mesoporous carbons: Synthesis and applications Carbon 107 (2016) 448-473) sont préférées.
- une couche de médiateur et/ou orienteur ; et/ou - une couche d'enzyme apte à catalyser les réactions d'oxydation ou de réduction du combustible.
Les couches peuvent être déposées successivement sur un matériau conducteur d'électricité, qui peut constituer le support de ces couches ou être lui-même déposé sur un support inerte.
Le matériau conducteur peut être du carbone vitreux, du graphite pyrolytique, en particulier du "Highly Ordered Pyrolytic Graphite" (HOPG) de l'or, du platine et/ou de l'oxyde d'indium et d'étain. De préférence le matériau est constitué de carbone vitreux ou de graphite pyrolytique. Ainsi qu'il est présenté dans les exemples, les bioélectrodes peuvent comprendre une feuille de nanotubes de carbone fonctionnalisés par une enzyme, et de préférence un médiateur.
La feuille de nanotube est avantageusement appliquée sur un matériau conducteur faisant partie d'une électrode microporeuse à diffusion de gaz comprenant une couche GDL (GDL =Gas Diffusion Layer), couche qui comprend généralement des fibres de carbone. Les feuilles de nanotubes adaptées à cette utilisation sont disponibles dans le commerce ou peuvent être fabriquées aisément en utilisant une suspension de nanotubes dans un solvant tel que le N, N-diméthylformamide (DMF), une sonication (par ex. 30 minutes) et une filtration (filtre PTFE de la société Millipore PTFE (JHWP, taille des pores 0.45 pm, 0 = 46 mm). Cette méthode est décrite en détails dans Gross et al (2017) A High Power Buckypaper Biofuel Cell: Exploiting 1,10-
9 Phenanthroline-5,6-dione with FAD-De pendent Dehydrogenase for Catalytically-Powerful Glucose Oxidation ACS Catal. 2017, 7, 4408-4416.
Lorsque le combustible de la biopile à combustible est le glucose, l'enzyme apte à
catalyser l'oxydation du glucose à l'anode est de préférence une Glucose DésHydrogénase (GDH) catalysant la réaction :
D-glucose + accepteur ¨> D-glucono-1,5-lactone + accepteur réduit.
L'accepteur, ou co-facteur, est généralement une coenzyme de type NAD+/NADP+
ou flavine, comme la FAD (Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine mononucléotide) qui est lié à la GDH. Une glucose déshydrogénase particulièrement préférée est la Flavine Adénine Dinucléotide ¨ Glucose Déshydrogénase (FAD-GDH) (EC 1.1.5.9). Le terme FAD-GDH s'étend aux protéines natives et à leurs dérivés, mutants et/ou équivalents fonctionnels. Ce terme s'étend en particulier aux protéines qui ne diffèrent pas de manière substantielle au niveau de la structure et/ou de l'activité
enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour l'anode, en association avec un cofacteur, une protéine enzymatique GDH présentant une séquence d'acides aminées possédant au moins 75%, de préférence 95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité
avec la ou les séquences GDH telles que répertoriées dans les banques de données (par exemple SWISS PROT). Une FAD-GDH d'aspergillus sp. est particulièrement préférée et efficace mais d'autres FAD-GDH provenant de Glomerella cingulata (GcGDH), ou une forme recombinante exprimée dans Pichia pastoris (rGcGDH), pourraient également être utilisées. Il est également possible d'utiliser une anode en utilisant une enzyme oxydo-réductase (EC 1.1.3.4) de type glucose oxydase (GOx, GOD) qui catalyse l'oxydation du glucose en peroxyde d'hydrogène et en D-glucono-5-lactone.
Cette enzyme est également liée à un co-facteur comme le FAD (Flavine Adénine Dinucléotide). Une glucose oxydase particulièrement préférée est la Flavine Adénine Dinucléotide ¨ Glucose oxydase (FAD-GOx). Ce terme s'étend aux protéines natives et à leurs dérivés, mutants et/ou équivalents fonctionnels. Le terme FAD-GOx s'étend en particulier aux protéines qui ne diffèrent pas de manière substantielle au niveau de la structure et/ou de l'activité enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour l'électrode selon l'invention, en association avec un co-facteur, une protéine enzymatique GOx présentant une séquence d'acides aminés possédant au moins 75%, de préférence 95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité avec la ou les séquences GOx telles que répertoriées dans les banques de données (par exemple SWISS PROT).
Une FAD-GOx extraite d'aspergillus niger est particulièrement préférée. La FAD-GDH
présente une activité plus élevée que la glucose oxydase et donc un courant catalytique plus élevé. Ceci est d'un grand intérêt afin d'augmenter les puissances générées dans les biopiles enzymatiques. Il est à noter que contrairement à la Glucose Oxydase, l'enzyme FAD-GDH ne produit pas de peroxyde d'hydrogène. Le peroxyde d'hydrogène en raison de ses propriétés oxydantes peut présenter des inconvénients pour la stabilité des biopiles (membrane, stabilité des enzymes à la cathode...).
Dans le cas particulier des biopiles à glucose, la réduction du dioxygène à
lieu à la 5 cathode. L'enzyme ou les enzymes qui peuvent être utilisées peuvent être choisies dans le groupe constitué de l'enzyme laccase, avantageusement associée au médiateur ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acide) ou un médiateur/ orienteur comme le pyrène, naphtalène, anthracène ou anthraquinone, ou encore de la Bilirubine oxydase associée au promoteur protoporphyrine IX ou
Lorsque le combustible de la biopile à combustible est le glucose, l'enzyme apte à
catalyser l'oxydation du glucose à l'anode est de préférence une Glucose DésHydrogénase (GDH) catalysant la réaction :
D-glucose + accepteur ¨> D-glucono-1,5-lactone + accepteur réduit.
L'accepteur, ou co-facteur, est généralement une coenzyme de type NAD+/NADP+
ou flavine, comme la FAD (Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine mononucléotide) qui est lié à la GDH. Une glucose déshydrogénase particulièrement préférée est la Flavine Adénine Dinucléotide ¨ Glucose Déshydrogénase (FAD-GDH) (EC 1.1.5.9). Le terme FAD-GDH s'étend aux protéines natives et à leurs dérivés, mutants et/ou équivalents fonctionnels. Ce terme s'étend en particulier aux protéines qui ne diffèrent pas de manière substantielle au niveau de la structure et/ou de l'activité
enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour l'anode, en association avec un cofacteur, une protéine enzymatique GDH présentant une séquence d'acides aminées possédant au moins 75%, de préférence 95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité
avec la ou les séquences GDH telles que répertoriées dans les banques de données (par exemple SWISS PROT). Une FAD-GDH d'aspergillus sp. est particulièrement préférée et efficace mais d'autres FAD-GDH provenant de Glomerella cingulata (GcGDH), ou une forme recombinante exprimée dans Pichia pastoris (rGcGDH), pourraient également être utilisées. Il est également possible d'utiliser une anode en utilisant une enzyme oxydo-réductase (EC 1.1.3.4) de type glucose oxydase (GOx, GOD) qui catalyse l'oxydation du glucose en peroxyde d'hydrogène et en D-glucono-5-lactone.
Cette enzyme est également liée à un co-facteur comme le FAD (Flavine Adénine Dinucléotide). Une glucose oxydase particulièrement préférée est la Flavine Adénine Dinucléotide ¨ Glucose oxydase (FAD-GOx). Ce terme s'étend aux protéines natives et à leurs dérivés, mutants et/ou équivalents fonctionnels. Le terme FAD-GOx s'étend en particulier aux protéines qui ne diffèrent pas de manière substantielle au niveau de la structure et/ou de l'activité enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour l'électrode selon l'invention, en association avec un co-facteur, une protéine enzymatique GOx présentant une séquence d'acides aminés possédant au moins 75%, de préférence 95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité avec la ou les séquences GOx telles que répertoriées dans les banques de données (par exemple SWISS PROT).
Une FAD-GOx extraite d'aspergillus niger est particulièrement préférée. La FAD-GDH
présente une activité plus élevée que la glucose oxydase et donc un courant catalytique plus élevé. Ceci est d'un grand intérêt afin d'augmenter les puissances générées dans les biopiles enzymatiques. Il est à noter que contrairement à la Glucose Oxydase, l'enzyme FAD-GDH ne produit pas de peroxyde d'hydrogène. Le peroxyde d'hydrogène en raison de ses propriétés oxydantes peut présenter des inconvénients pour la stabilité des biopiles (membrane, stabilité des enzymes à la cathode...).
Dans le cas particulier des biopiles à glucose, la réduction du dioxygène à
lieu à la 5 cathode. L'enzyme ou les enzymes qui peuvent être utilisées peuvent être choisies dans le groupe constitué de l'enzyme laccase, avantageusement associée au médiateur ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acide) ou un médiateur/ orienteur comme le pyrène, naphtalène, anthracène ou anthraquinone, ou encore de la Bilirubine oxydase associée au promoteur protoporphyrine IX ou
10 médiateur ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acide).
Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un élément, ou circuit électrique, relié à un consommateur électrique qui permet la circulation d'un courant électrique. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, ce circuit peut comprendre un interrupteur.
Bien que le dispositif selon l'invention soit particulièrement adapté à des biopiles et/ou aux électrodes associées, le dispositif n'est nullement limité à ce mode de réalisation.
Selon la préférence, le dispositif est portable et de préférence intégral. Un dispositif intégral est un dispositif qui se contient lui-même et qui, avantageusement, ne comprend pas de parties amovibles. Aussi le dispositif comprend avantageusement un boitier, ou un casing , qui peut protéger l'anode et la cathode tout en permettant à
l'utilisateur un accès à la partie deformable du réservoir.
Selon un aspect préféré de l'invention, le dispositif est un dispositif autonome, isolé
et/ou indépendant d'un apport extérieur autre que gazeux. En particulier, il ne nécessite pas un apport de liquide et/ou de combustible Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. Ce procédé comprend les étapes de connexions des éléments du dispositif tels que décrit de manière fonctionnelle. Notamment ce procédé comprend la disposition (i) d'au moins un composé apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique entre l'anode et la cathode, et (ii) un réservoir d'un liquide apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique, un moyen permettant l'ouverture du réservoir ; et un moyen de mise en contact du liquide avec le séparateur.
Un autre objet de l'invention est un dispositif incorporant le dispositif selon l'invention en tant que générateur de courant. A titre d'exemples on peut citer de manière non limitative un test médical (de mesure ou de diagnostique) effectués par un individu sur lui-même ou sur un patient sur le lieu de traitement ou à
proximité, c'est-à-
Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un élément, ou circuit électrique, relié à un consommateur électrique qui permet la circulation d'un courant électrique. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, ce circuit peut comprendre un interrupteur.
Bien que le dispositif selon l'invention soit particulièrement adapté à des biopiles et/ou aux électrodes associées, le dispositif n'est nullement limité à ce mode de réalisation.
Selon la préférence, le dispositif est portable et de préférence intégral. Un dispositif intégral est un dispositif qui se contient lui-même et qui, avantageusement, ne comprend pas de parties amovibles. Aussi le dispositif comprend avantageusement un boitier, ou un casing , qui peut protéger l'anode et la cathode tout en permettant à
l'utilisateur un accès à la partie deformable du réservoir.
Selon un aspect préféré de l'invention, le dispositif est un dispositif autonome, isolé
et/ou indépendant d'un apport extérieur autre que gazeux. En particulier, il ne nécessite pas un apport de liquide et/ou de combustible Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. Ce procédé comprend les étapes de connexions des éléments du dispositif tels que décrit de manière fonctionnelle. Notamment ce procédé comprend la disposition (i) d'au moins un composé apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique entre l'anode et la cathode, et (ii) un réservoir d'un liquide apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique, un moyen permettant l'ouverture du réservoir ; et un moyen de mise en contact du liquide avec le séparateur.
Un autre objet de l'invention est un dispositif incorporant le dispositif selon l'invention en tant que générateur de courant. A titre d'exemples on peut citer de manière non limitative un test médical (de mesure ou de diagnostique) effectués par un individu sur lui-même ou sur un patient sur le lieu de traitement ou à
proximité, c'est-à-
11 dire au moment et à l'endroit des soins (également connu en tant que Point-Of-Care Testing , or POCT). Par exemple un tel test peut être un test d'ovulation et/ou de grossesse. Le dispositif peut également être un test non médical et comprendre un dispositif ou emballage électronique pouvant intégrer un container du liquide dans sa conception pour activer la production d'énergie.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour la production d'énergie électrique et avantageusement dans la fabrication d'un dispositif électrique ou électronique tel que décrit dans le paragraphe précédent.
Un autre aspect de l'invention est un kit, ou kit-of-parts , pour la fabrication d'un dispositif de production d'énergie telle qu'une cellule électrochimique, par exemple une pile. Un tel kit comprend le dispositif selon l'invention avantageusement accompagné
d'une notice d'utilisation.
Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est un schéma des différentes étapes illustrant le principe de fonctionnement d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation, [Fig. 2a] la figure 2a est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une première variante, [Fig. 2b] la figure 2b est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une seconde variante, [Fig. 2c] la figure 2c est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une troisième variante, [Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs compartiments selon une première variante, [Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs compartiments selon une seconde variante, [Fig. 5] la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un second mode de réalisation de l'invention, [Fig. 6] la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, [Fig. 7] la figure 7 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour la production d'énergie électrique et avantageusement dans la fabrication d'un dispositif électrique ou électronique tel que décrit dans le paragraphe précédent.
Un autre aspect de l'invention est un kit, ou kit-of-parts , pour la fabrication d'un dispositif de production d'énergie telle qu'une cellule électrochimique, par exemple une pile. Un tel kit comprend le dispositif selon l'invention avantageusement accompagné
d'une notice d'utilisation.
Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est un schéma des différentes étapes illustrant le principe de fonctionnement d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation, [Fig. 2a] la figure 2a est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une première variante, [Fig. 2b] la figure 2b est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une seconde variante, [Fig. 2c] la figure 2c est une vue schématique en coupe d'un réservoir comprenant des moyens de libération de la solution selon une troisième variante, [Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs compartiments selon une première variante, [Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs compartiments selon une seconde variante, [Fig. 5] la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un second mode de réalisation de l'invention, [Fig. 6] la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, [Fig. 7] la figure 7 est une représentation schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
12 [Fig. 8a] la figure 8a est une représentation schématique d'une combinaison de deux réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention, [Fig. 8b] la figure 8b est une représentation schématique d'une combinaison de deux réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention, [Fig. 8c] la figure 8c est une représentation schématique d'une combinaison de trois réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention, [Fig. 9] le figure 9 est une première vue éclatée en perspective et vue de face et de dessous d'un dispositif de productif d'énergie électrique selon l'invention de l'exemple 1, [Fig. 10] la figure 10 est une seconde vue éclatée en perspective de la figure 9, vue cette fois de côté et légèrement de dessus du dispositif de production d'énergie électrique de l'exemple 1, [Fig. 11] la figure 11 est une courbe illustrant la production d'énergie du dispositif de production d'énergie électrique de l'exemple 1.
Description détaillée On se réfère désormais à la figure 1 illustrant de manière schématique un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention. Nous allons décrire, dans un premier temps, différentes variantes de ce dispositif avant de décrire le procédé de mise en uvre et de production d'énergie.
Anode et cathode Le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend une anode 4 et une cathode 6. Afin d'assurer la réaction d'oxydoréduction permettant la production d'énergie électrique, l'anode 4 et la cathode 6 sont formées de matériaux permettant l'échange ionique. L'anode et la cathode doivent avoir des propriétés spécifiques (épaisseur, conductivité, résistance de surface), choisies en fonction de l'application.
Ces éléments peuvent être imprégnés d'enzymes et de médiateurs.
Par exemple l'anode 4 et la cathode 6 comprennent des feuilles de nanotubes, et en particulier des feuilles composées de nanotubes de carbone multi- feuillets (MWNT) telles que décrites ci-dessus. Dans le cas de piles à glucose, la feuille de nanotubes
Description détaillée On se réfère désormais à la figure 1 illustrant de manière schématique un dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention. Nous allons décrire, dans un premier temps, différentes variantes de ce dispositif avant de décrire le procédé de mise en uvre et de production d'énergie.
Anode et cathode Le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend une anode 4 et une cathode 6. Afin d'assurer la réaction d'oxydoréduction permettant la production d'énergie électrique, l'anode 4 et la cathode 6 sont formées de matériaux permettant l'échange ionique. L'anode et la cathode doivent avoir des propriétés spécifiques (épaisseur, conductivité, résistance de surface), choisies en fonction de l'application.
Ces éléments peuvent être imprégnés d'enzymes et de médiateurs.
Par exemple l'anode 4 et la cathode 6 comprennent des feuilles de nanotubes, et en particulier des feuilles composées de nanotubes de carbone multi- feuillets (MWNT) telles que décrites ci-dessus. Dans le cas de piles à glucose, la feuille de nanotubes
13 est imprégnée de médiateurs et d'enzymes permettant l'oxydation du glucose à
l'anode et la réduction de l'oxygène de l'air en eau à l'anode. Par exemple, l'anode 4 peut comprendre l'enzyme glucose oxydase et/ou la FAD déshydrogénase pour l'oxydation de glucose ainsi que de la naphthoquinone et/ou de la phénathrolinequinone en tant que médiateur redox transférant les électrons à l'électrode.
La cathode peut quant à elle comprendre l'enzyme laccase, la bilirubine oxydase et l'ABTS en tant que médiateur.
Séparateur Une couche de diffusion 8, où séparateur, est disposée entre l'anode 4 et la cathode 6. Cette dernière permet la diffusion ou le transfert d'une solution déclenchant la production d'énergie électrique par oxydoréduction entre l'anode et la cathode.
Le transfert peut être effectué par ce que l'on nommera une couche de diffusion. La couche de diffusion 8 peut, par exemple, être un simple espace ou de manière plus avantageuse comprendre, ou être constituée d'un matériau de type papier dans lequel la solution déclenchant l'oxydoréduction peut se diffuser par capillarité. Un compromis doit être effectué entre son épaisseur et sa capacité alvéolaire (volume des vides).
Cette couche de diffusion 8 forme, une couche séparatrice entre l'anode et la cathode et peut également constituer, au moins en partie, le support de diffusion de l'électrolyte.
Réservoir Le dispositif de production d'énergie électrique de la figure 1 comprend également au moins un réservoir 10 de préférence deformable. Dans cette variante on entend par réservoir, un moyen de rétention d'au moins un liquide (y inclus un semi-liquide ou un gel), permettant une fois libéré, en imbibant la couche de diffusion 8, l'échange ionique entre l'anode 4 et la cathode 6 et la production d'électricité. La couche de diffusion 8 est positionnée entre l'anode et la cathode et peut comprendre une portion (par exemple une languette) se projetant vers l'extérieur. Tout ou partie est en contact avec le fluide, avec un moyen de rétention 14, qui peut être formé d'une couche de séparation, obturant le réservoir 10. Le contact fluide peut être direct ou non. Le réservoir 10 comprend une coque 12 formant une cavité dans laquelle le liquide est renfermé et d'une couche de séparation obturant l'ouverture de la coque 12. Ce dispositif est également connu sous sa dénomination anglaise de 'blister pack'.
l'anode et la réduction de l'oxygène de l'air en eau à l'anode. Par exemple, l'anode 4 peut comprendre l'enzyme glucose oxydase et/ou la FAD déshydrogénase pour l'oxydation de glucose ainsi que de la naphthoquinone et/ou de la phénathrolinequinone en tant que médiateur redox transférant les électrons à l'électrode.
La cathode peut quant à elle comprendre l'enzyme laccase, la bilirubine oxydase et l'ABTS en tant que médiateur.
Séparateur Une couche de diffusion 8, où séparateur, est disposée entre l'anode 4 et la cathode 6. Cette dernière permet la diffusion ou le transfert d'une solution déclenchant la production d'énergie électrique par oxydoréduction entre l'anode et la cathode.
Le transfert peut être effectué par ce que l'on nommera une couche de diffusion. La couche de diffusion 8 peut, par exemple, être un simple espace ou de manière plus avantageuse comprendre, ou être constituée d'un matériau de type papier dans lequel la solution déclenchant l'oxydoréduction peut se diffuser par capillarité. Un compromis doit être effectué entre son épaisseur et sa capacité alvéolaire (volume des vides).
Cette couche de diffusion 8 forme, une couche séparatrice entre l'anode et la cathode et peut également constituer, au moins en partie, le support de diffusion de l'électrolyte.
Réservoir Le dispositif de production d'énergie électrique de la figure 1 comprend également au moins un réservoir 10 de préférence deformable. Dans cette variante on entend par réservoir, un moyen de rétention d'au moins un liquide (y inclus un semi-liquide ou un gel), permettant une fois libéré, en imbibant la couche de diffusion 8, l'échange ionique entre l'anode 4 et la cathode 6 et la production d'électricité. La couche de diffusion 8 est positionnée entre l'anode et la cathode et peut comprendre une portion (par exemple une languette) se projetant vers l'extérieur. Tout ou partie est en contact avec le fluide, avec un moyen de rétention 14, qui peut être formé d'une couche de séparation, obturant le réservoir 10. Le contact fluide peut être direct ou non. Le réservoir 10 comprend une coque 12 formant une cavité dans laquelle le liquide est renfermé et d'une couche de séparation obturant l'ouverture de la coque 12. Ce dispositif est également connu sous sa dénomination anglaise de 'blister pack'.
14 La coque 12 est avantageusement déformable. Elle peut être réalisée dans un matériau choisi parmi le polychlorure de vinyle (PVC), un matériau formé par des résines fluorées-chlorées, les cyclo oléfines polymères (COP), les cyclo oléfines copolymères (COC), le polyéthylène (PE), les polyamides orientés (OPA), l'aluminium (AI), l'aluminium en combinaison avec de la laque thermoscellable ("Hot-Sealing Lacquer", HSL, en anglais) ou encore l'aluminium en combinaison avec un copolymère d'acétate de vinyle de chlorure de vinyle résine ("Vinyl Chloride Maleic Acid Vinyl Acetate Copolymer", VMCH, en anglais).
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque 12 peut dépendre de plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée à accueillir un liquide ou des substances pouvant migrer, une couche barrière est mise en place. Il est également possible de choisir des matériaux inertes vis-à-vis de la matière stockée dans le réservoir 10 ou des matériaux absorbants de la vapeur d'eau, de l'oxygène (ou les deux) pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur de l'ampoule 10 et ainsi préserver le produit contenu (stabilité accrue dans le temps). On peut également choisir un ou des matériaux ayant l'impact environnemental le plus faible.
Le liquide retenu à l'intérieur du réservoir 10 peut par exemple être une solution aqueuse de glucose interagissant avec les enzymes citées ci-dessus pour permettre l'échange de protons entre la cathode 6 et l'anode 4. L'avantage de ce dispositif est qu'aucun apport exogène à l'exception de l'oxygène n'est nécessaire pour faire fonctionner le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Tant que l'on ne souhaite pas produire un courant électrique, le liquide est renfermé
dans le réservoir 10. L'isolement du liquide évite des contaminations entre le dispositif de production d'énergie électrique 2 et l'environnement de ce dernier.
Le moyen de rétention 14 obturant l'ouverture de la coque 12 permet de maintenir le liquide dans l'ampoule. Il peut être réalisée dans un ou plusieurs des matériaux cités ci-dessus. Il peut par exemple s'agir d'un film composite composé d'une couche d'aluminium (potentiellement recouverte d'une couche protectrice de polytéréphtalate d'éthylène (PET)) et d'une couche de scellement (par exemple réalisée en polypropylène ou encore en polyéthylène). On privilégiera une solution basée sur des matériaux biodégradables, comme par exemple le papier ou un film de PVC
biodégradable du type ECOmplyTM vendu par la société Bilcare Research AG, Hochbergerstrasse 60B 4057 Basel Switzerland.
Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de libérer le contenu du réservoir 10. La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un dispositif de production d'énergie électrique 2.
Lors de l'étape 1A, ce dernier est à l'état inactif. Un liquide (ou un semi liquide ou un gel) 28 est confiné dans le réservoir 10. Lors de l'étape 1B, le liquide 28 est libéré du réservoir 10 par rupture du moyen de rétention 14. Le liquide 28 est alors libéré. Lors de l'étape 10, le liquide 28 se propage dans la couche de diffusion 8. Lors de l'étape 5 1D, le liquide 28 atteint la portion de la couche de diffusion positionnée entre l'anode 4 et la cathode 6. La présence de ce liquide permet alors l'échange ionique entre l'anode 4 et la cathode 6 ce qui induit la production d'électricité par une réaction d'oxydoréduction dont le type peut varier suivant le type de cellule électrochimique choisi.
Dispositifs de rupture de la couche de séparation Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de libérer le contenu du réservoir 10. Afin de pouvoir faire cela, plusieurs options peuvent être mises en uvre:
- Comme représenté à la figure 2a il est par exemple possible de faire en sorte, qu'un joint 16 assurant l'étanchéité entre la coque 12 et la couche de diffusion 8 se rompe sous l'exercice d'une pression sur la coque 12. Dans ce cas, c'est l'augmentation de pression à l'intérieur de l'ampoule qui permet la rupture du joint 16.
Ce dernier est choisi dans un matériau adapté et dimensionné pour se rompre dès que cette pression atteint une valeur seuil. Il est également possible de ménager des points de faiblesse dans le joint 16 pour faciliter cette rupture ;
- Il est additionnellement ou alternativement possible de prévoir des moyens de perçage 18 dans le moyen de rétention 14. Ces derniers, pouvant prendre la forme d'aiguilles ou de pointes, peuvent être disposés à l'intérieur du réservoir 10 ou à
l'extérieur de cette dernière. La figure 2c illustre un moyen de perçage 18 disposé à
l'intérieur de la chambre de l'ampoule 10 (le nombre peut également varier).
La figure 2b illustre le cas dans lequel trois moyens de perçage 18 (leur nombre peut varier) placés en regard ou dans le joint à l'extérieur de la chambre de l'ampoule 10.
Dans le cas de l'utilisation de moyens de perçage 18, il est préférable de prévoir un espace entre ces derniers et le moyen de rétention 14 afin d'éviter un perçage accidentel. On s'assure ainsi que ce perçage n'a lieu qu'en exerçant une pression suffisamment forte pour cela.
Une pression externe exercée sur la coque 12, permet la déformation de cette dernière afin de libérer le contenu du réservoir 10. Cette pression peut être exercée par un utilisateur ou par des moyens de pression automatisés, hydrauliques ou pneumatiques.
Réservoir multi-compartimenté
Le réservoir 10 du dispositif selon l'invention peut comprendre un seul ou plusieurs compartiments. En effet, il peut être intéressant de séparer les composants permettant de déclencher la production d'électricité. Par exemple, il est possible de séparer différents composés chimiques, nécessaires au fonctionnement de la pile.
Néanmoins, la combinaison dans un même réservoir, pour un temps plus ou moins long, pourrait provoquer des réactions non souhaitées, telles qu'une dégradation. Il est également possible de conserver dans un ou des compartiments des biomolécules dans un état particulier (sec, humide, en gel, en poudre etc.), la rupture des différents compartiments permettant d'obtenir le composé permettant la production d'énergie (par exemple, un élément conservé à l'état sec solubilisé par un solvant présent dans un autre compartiment). L'utilisation de plusieurs compartiments permet non seulement la préservation des différents éléments mais également d'obtenir une réaction optimale.
La figure 3 illustre schématiquement une première variante d'un réservoir 110 à deux compartiments 112 et 113 et la figure 4 une seconde variante d'un réservoir 210 à trois compartiments 212, 213 et 216. En fonction du fonctionnement du dispositif de production d'énergie électrique 2 mais également de la nature du contenu du réservoir 10, 110 ou 210 (état des différents composés, etc.), les différents compartiments peuvent comprendre notamment un solvant (par exemple de l'eau), des électrolytes, des enzymes, des médiateurs, des cofacteurs, un substrat (par exemple du glucose) ou des molécules d'orientation enzymatique. Le moyen de rétention 14 peut être, ou comprendre, un joint 16.
Il est également possible que le réservoir comprenne deux espaces distincts, chacun comprenant plusieurs compartiments.
Autres éléments formant le dispositif de production d'énergie électrique Le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut également comprendre les éléments usuels des cellules électrochimiques et en particulier des piles à
combustible.
Ainsi le dispositif peut comprendre des éléments conducteurs en contact avec une anode (en particulier sur la face opposée de la face de l'anode en contact avec la couche de diffusion). Lorsque le dispositif est alimenté par un gaz, des moyens de diffusion de ce gaz peuvent être disposés pour permettre l'apport de celui-ci.
Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique peut comprendre un support, de préférence assez rigide, et un élément d'habillage, par exemple une bande en fibres de verre, en plastique, ou en polystyrène, ou préférentiellement un matériau biosourcé, entourant l'ensemble des éléments décrits ci-dessus, à l'exception du réservoir 10, accessible pour pouvoir libérer son contenu. Cet élément a pour but de solidariser et de protéger le dispositif.
La figure 5 illustre une première variante du dispositif selon l'invention dans lequel deux réservoirs 10a et 10b sont utilisés. Là encore, il peut s'agir des types de réservoirs décrits ci-dessus. Ici le réservoir 10a comprend un joint 16 pouvant être rompu et du liquide 28. Le réservoir 10b est situé de l'autre côté de la pile et comprend des moyens de perçage situés en dehors de la chambre du réservoir 10b et permettant de percer le joint 16. Le réservoir 10b ne comprend pas de liquide 28. Le moyen de diffusion 8 s'étend d'un réservoir 10a au réservoir 10b et est en contact avec l'un et l'autre.
Selon ce mode de réalisation, il est possible d'activer puis de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Les étapes 5A à 5C correspondent aux étapes 1A à 1D décrites précédemment avec libération d'un liquide 28 dans la couche de diffusion 8 et production d'électricité
selon un régime ré-activable.
Il est possible de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 comme illustré aux étapes 5D et 5E. Lors de l'étape 5D, une pression est exercée sur le réservoir 10b ceci afin d'ouvrir ce réservoir 10b qui ne contient pas de liquide à libérer.
L'ouverture peut se faire du fait des moyens de perçage 18 entrant en contact avec le moyen de rétention 14. Comme le réservoir 10b est alors en communication fluide avec la couche de diffusion 8, le liquide 28 peut pénétrer dans le réservoir 10b. Des moyens pour forcer le liquide 28 à entrer au moins en partie dans le réservoir 10b sont utilisés, comme illustré à l'étape 5E. Ces moyens peuvent être par exemple la gravité, un courant de gaz tel que l'air (si le réservoir 10b contient un vide partiel). Une fois une absorption, ou un transfert, d'une quantité suffisante du liquide 28 dans le réservoir 10b pour qu'il n'y ait plus suffisamment de liquide 28 entre l'anode 4 et la cathode 6, le dispositif de production d'énergie électrique 2 est désactivé. Bien entendu la quantité
du liquide 28 doit être prédéterminée afin de permettre la désactivation.
Le moyen de désactivation qui comprend le réservoir 10b, peut être temporaire.
Il est possible de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 pour renvoyer le liquide 28 vers l'anode 4 et la cathode 6. Ceci peut être fait, par exemple, par gravité, en repositionnant le réservoir 10b, ou en appuyant de nouveau sur l'ampoule 10b pour réinjecter le liquide 28 vers l'anode et la cathode.
Alternativement, il est possible comme indiqué précédemment que le réservoir 10b comprenne un ou plusieurs composés permettant de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 en fonction du contenu de la solution 28.
Différentes stratégies de désactivation peuvent être mises en uvre. Il peut s'agir par exemple de la présence d'un composé absorbant le liquide 28, d'un changement de pH par introduction d'un acide ou d'une base, d'un changement de température, de rupture de structure secondaire/tertiaire par ajout d'un solvant organique, d'un ajout d'inhibiteur d'enzymes diminuant l'activité des enzymes par fixation à ces dernières ou encore l'ajout de sel afin de stopper l'hydratation des enzymes. D'autres stratégies sont envisageables, notamment en fonction de la nature du liquide 28 et de sa quantité
présente dans le réservoir 10a.
Aussi, la figure 6 illustre une seconde variante de réalisation de l'invention illustrant un dispositif de production d'énergie électrique 2 que l'on peut utiliser plusieurs fois, c'est-à-dire un dispositif multi-usages. Selon ce mode de réalisation, il est possible d'activer le dispositif de production d'énergie électrique 2 à plusieurs reprises en disposant plusieurs réservoirs qui peuvent libérer le liquide 28 activateur du dispositif à
tour de rôle.
Là encore, il peut s'agir de tous types de réservoir décrits ci-dessus. Ici les réservoirs 10a et 10b comprennent chacun un joint (16a et 16b) pouvant être rompu par simple pression. D'autres moyens pour rompre ces moyens de rétention, tels que par exemple des pointes telles que décrites ci-dessus, sont bien évidemment envisagés.
Selon ce mode de réalisation, les étapes 6A à 60 correspondent aux étapes 1A à
1D avec libération de la solution 28A dans la couche de diffusion 8 et production d'électricité selon un régime réactivable.
A l'étape 6D, le dispositif de production d'énergie électrique 2 est inactif du fait de l'évaporation du liquide ou de l'absence de combustible. Une inactivité du dispositif de production d'énergie électrique 2 peut être définie comme l'absence totale de production d'énergie ou alors lorsque la quantité d'énergie produite passe sous une valeur plancher prédéterminée.
Afin de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 (étape 6E
et 6F), on agit sur le réservoir 10b, rempli de liquide d'activation 28B qui peut être libéré
séquentiellement par action (par exemple application d'une pression) sur le réservoir 10b. Le principe de fonctionnement est le même que celui décrit précédemment.
La figure 7 illustre un troisième mode de réalisation d'un dispositif de production d'énergie électrique 2 pouvant être réactivé et/ou désactivé plus d'une fois.
Dans ce cas, le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut être activé par l'exercice d'une pression sur le réservoir 10A qui rompt un joint 16 (comme décrit précédemment auparavant).
Lorsque le dispositif de production d'énergie électrique 2 n'est plus actif (pas assez ou plus d'activité), il est possible de réactiver ce dernier en injectant de nouveau du liquide activateur entre l'anode 4 et la cathode 6, en régénérant la solution déjà
présente ou, au contraire en injectant un désactivateur. Cela peut être réalisé grâce aux réservoirs 10B et 10C dont le contenu, respectivement, 29 et 30, et la taille sont déterminés en fonction de la nature du liquide activateur 28 de l'ampoule 10A
ainsi que du but recherché, augmentation ou maintien, de l'activité ou, diminution ou arrêt, de la production d'énergie par le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Le contenu 29 et/ou 30 peut donc contenir une recharge de liquide 28 ou d'autres composés de biomolécules, électrolytes, médiateurs, enzymes ou encore substrat. Elle peut également contenir un moyen d'arrêt ou de diminution de l'activité électrique comme un vide partiel, un absorbant, etc...
Les figures 8a à 8c illustrent de manière schématique et partielle la disposition de réservoirs 10, 10A, 10B, et/ou 10C pouvant être inclus dans des dispositifs de production d'énergie électrique 2 selon l'invention tels que décrits dans la présente demande.
La variante partiellement illustrée à la figure 8a comprend deux réservoirs 10 et 10A
pouvant comprendre chacun une composition (de préférence un liquide) identique ou différente. Les deux réservoirs sont connectés en parallèle par un conduit 11, lui-même connecté à, ou comprenant, ou constitué d'une couche de diffusion. Les deux compositions peuvent être libérées par le perçage de moyens de séparations (non représentés) simultanément ou à des instants différents. Dans cette disposition, les réservoirs 10 et 10A sont séparés et distincts. Les compostions qu'elles contiennent ne peuvent interagir ensemble qu'a l'extérieur de leurs réservoirs respectifs.
La variante illustrée à la figure 8b comprend un réservoir 10 comprenant deux compartiments 10A et 10B contenant chacun une composition, de nature différente ou identique. Le compartiment 10B peut être intégralement contenu dans le compartiment 10B. Des moyens de perçage (non représentés) sont disposés permettant le perçage simultané ou séquentiel des compartiments 10A et 10B. Ils peuvent notamment permettre le mélange entre les deux compositions des compartiments 10A et 10B
dans le réservoir 10 avant la libération dans le conduit 11.
La variante illustrée à la figure 8c comprend quatre réservoirs 10, 10A, 10B
et 10C.
Son principe de fonctionnement est similaire à la variante de la figure 8a. Le schéma permet de comprendre comment en variant la nature des compositions contenues dans ces réservoirs, il est possible d'influencer la production énergétique :
soit en 5 l'augmentant, en la maintenant ou en la diminuant. Comme pour les réservoirs montrés dans la figure 8a, les compositions ne peuvent interagir qu'a l'extérieur de leurs ampoules respectives dans le conduit 11.
Exemple de mise en uvre de l'invention Un exemple du dispositif de production d'énergie électrique 2, a été réalisé.
Le dispositif est une pile à combustible. Plus particulièrement il s'agit d'une biopile à
glucose dont la structure est représentée aux figures 9 et 10. Les électrodes comprennent des feuilles de nanotubes MWNT (cf. supra). Ensuite, ces feuilles ont été
modifiées par dépôt (pipette) d'une solution du médiateur (phénanthrolinequinone, 10 mmol/L dans acétonitrile) dans une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et du promoteur (protoporphyrine IX, lOmmol/L dans l'eau) avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à la cathode 6. Après séchage des deux électrodes, les enzymes sont ajoutées sur ces feuilles par dépôt (pipette) d'une solution de 5 mg/L FAD GDH
avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et d'une solution de 5 mg/L
Bilirubine oxydase avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à la cathode 6. On a laissé
ensuite chaque feuille/ électrode 4 et 6 sécher une nuit entière à température ambiante.
A titre d'illustration, un réservoir 10 réalisé en réutilisant un emballage pour médicaments (blister en plastique et fermé par un feuille d'aluminium) a été
rempli par environ 250pL d'une solution de glucose à une concentration de 150 mM dans une solution tampon phosphate salin de concentration 0.1 M (Phosphate Buffered Saline, PBS, en anglais). Il a été ensuite recouvert d'un film en polyéthylène (Marque PARAFILM M) qui est un film plastique de paraffine sur papier produit par la société
Bemis North America, entreprise située à Neenah au Wisconsin (États-Unis). Il s'agit d'un matériau thermoplastique (il ne peut donc pas être utilisé en autoclave), ductile, malléable, étanche, sans odeur, cohésif et translucide. Le réservoir 10 est ensuite scellé avec une bande d'adhésif afin d'éviter toute fuite non désirée de la solution de glucose.
Après séchage des électrodes 4 et 6, le dispositif de production d'énergie électrique illustré sur les figures 1 et 2 est assemblé comme suit : Une feuille de papier buvard de type papier filtre Whatman et de dimensions selon la configuration de la biopile avec une épaisseur de 190 pm et un grammage de 97 g.rn-2 qui constitue la couche de diffusion 8, est placée en sandwich entre les deux électrodes 4 et 6. Cette couche de papier buvard comprend une projection 5. Une feuille de graphite de type GDL
(Gas Diffusion Layer) constituant une couche conductrice 20 est positionnée sur la face de l'anode 4 qui n'est pas celle en contact avec la couche de diffusion 8.
Une couche conductrice et de diffusion de gaz 22 également constituée d'une feuille de graphite est placée en contact avec la cathode 6 (sur la face opposée de la face de la cathode 6 en contact avec la couche de diffusion 8). Cette dernière permet l'apport d'oxygène à la cathode 6. Elle constitue également une couche conductrice. La diffusion du gaz est effectuée par un tracé en creux permettant le passage du gaz.
Comme cela est visible sur la figure 9, la couche de diffusion gazeuse 22 et la cathode 6 sont dimensionnées et agencées de manière à mettre en regard direct le moyen de rétention 14 du réservoir 10 et la couche de diffusion 8 afin de permettre la diffusion du contenu du réservoir 10 dans la couche de diffusion 8, lorsque le moyen de rétention 14 est percé.
Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend un support 24, de préférence assez rigide, en polyester ou en papier par exemple, et une couche d'habillage 26, constituée d'une bande en fibres de verre (ou autre matériau préférentiellement biosourcé), entourant l'ensemble des éléments décrits ci-dessus à
l'exception de:
- l'ampoule 10 accessible pour pouvoir libérer son contenu, - des ouvertures 27 placées en regard de la couche de diffusion gazeuse 22 et permettant l'arrivée d'oxygène à la pile ; et - des possibles ouvertures 31 permettant l'accès aux couches conductrices d'électricité 20 ou 22.
Lorsqu'une production d'électricité est nécessaire, une pression est exercée sur la coque 12 du réservoir 10, pression suffisante pour briser les moyens de rétention 14 et libérer la solution de glucose sur la projection 5 de la feuille de papier buvard ou couche de diffusion 8. Par capillarité, le liquide se propage dans la feuille et permet l'échange ionique de protons entre la cathode et l'anode et donc la production de courant.
La figure 11 est la mesure de l'énergie produite par le dispositif de production d'énergie électrique 2 décrit ci-dessus. La mesure est effectuée à l'aide d'un potentiostat dont les extrémités de la contre-électrode et l'électrode de référence sont court-circuitées ensemble et connectées à l'anode tandis que l'électrode de travail est connectée à la cathode par le biais de connecteurs tels des pinces crocodiles, non représentées. Le potentiel en circuit ouvert (ou OCP pour "Open Circuit Potential"en anglais) est alors mesuré.
A titre d'illustration, le moyen de rétention 14 du réservoir 10 est rompu à t = 50 secondes par compression manuelle de la coque 12 de cette dernière, ce qui permet à
son contenu de se propager dans la couche de diffusion 8. 10 secondes plus tard (t =
60 secondes) et 25 secondes plus tard (t = 75 secondes), le potentiostat enregistre un voltage ou tension respectivement égal à 0,458 V et 0,526 V. Comme illustré à
la figure 11, le dispositif de production d'énergie électrique 2 continue de produire de l'électricité
au cours du temps.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme de métier.
Il est notamment possible de prévoir l'utilisation de matériaux différents de ceux cités ci-dessus pour former les différents éléments formant le dispositif de production d'énergie électrique.
Les composés permettant de produire de l'énergie peuvent également être différents de ceux mentionnés plus haut.
Liste des références numériques et documentaires 2 : dispositif de production d'énergie électrique 4 : anode 5: projection de la couche de diffusion 8 6 : cathode 8: couche de diffusion ou séparateur 10, 110, 210, 10a, 10b, 10c, 10A, 10B et 10C : réservoir 12 : coque du réservoir 14 : moyens de rétention 16 :joint 18: moyens de perçage 20 : couche conductrice 22 : couche conductrice et de diffusion gazeuse 24 : support 26 : couche d'habillage 27 : ouverture permettant l'entrée d'oxygène 28, 29, 30 : liquide contenue dans le réservoir 31 : ouvertures pour accéder aux feuilles conductrices 20 et 22 112, 113, 212, 213, 216 : compartiments du réservoir (I) Lockhart, H.; Paine, F. A. Packaging of Pharmaceuticals and Healthcare Products;
Springer US: Boston, MA, 1996.
(2) Roggenhofer, A. The Magic Triangle of Blister Packaging. Pharmaceutical Processing. 2013, pp 34-36.
(3) Raina, H.; Jindal, A. Packaging of Non-Injectable Liquid Pharmaceuticals:
A
Review. J. Appl. Pharm. Sci. 2017, 7 (2), 248-257.
(4) Forcinio, H. Blister Packaging Moves Forward. Pharmaceutical Technology Europe.
2017, pp 16-19.
(5) Kelso, D. M.; Agarwal, A.; Sur, K. U520120107811A1: Burstable Liquid Packaging and Uses Thereof., 2012.
(6) Brettschneider, T.; Czurratis, D.; Grimm, A. GB2538846A: Storage Unit, Method for Manufacturing a Storage Unit and Method for Releasing Fluid Stored in a Storage Unit, 2016.
(7) Kurowski, D.; Paul, O. W02012062648A1: Blister Packaging for Liquid and Use Thereof and Method for Supplying Liquid to a Fluidic Assembly, 2012.
(8) Kurowski, D.; Paul, O. U520130327672A1: Blister Packaging for Liquid and Use Thereof and Method for Supplying a Liquid to a Fluidic Assembly., 2013.
(9) Stange, O.; HôhI, H.-W.; Diederich, R.; Drôder, K.; Herrmann, C.;
Dietrich, F.;
Blumenthal, P.; Stühm, K.; Bobka, P.; Schmidt, C.; et al. W02017032674:
Blister Packaging, 2015.
(10) Wright, D. W.; Aiello, D.; Kroehl, P.; Kayyem, J. F.; Gray, D. S.
U5959872262:
Cartridge for Performing Assays in a Closed Sample Preparation and Reaction System., 2017.
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque 12 peut dépendre de plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée à accueillir un liquide ou des substances pouvant migrer, une couche barrière est mise en place. Il est également possible de choisir des matériaux inertes vis-à-vis de la matière stockée dans le réservoir 10 ou des matériaux absorbants de la vapeur d'eau, de l'oxygène (ou les deux) pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur de l'ampoule 10 et ainsi préserver le produit contenu (stabilité accrue dans le temps). On peut également choisir un ou des matériaux ayant l'impact environnemental le plus faible.
Le liquide retenu à l'intérieur du réservoir 10 peut par exemple être une solution aqueuse de glucose interagissant avec les enzymes citées ci-dessus pour permettre l'échange de protons entre la cathode 6 et l'anode 4. L'avantage de ce dispositif est qu'aucun apport exogène à l'exception de l'oxygène n'est nécessaire pour faire fonctionner le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Tant que l'on ne souhaite pas produire un courant électrique, le liquide est renfermé
dans le réservoir 10. L'isolement du liquide évite des contaminations entre le dispositif de production d'énergie électrique 2 et l'environnement de ce dernier.
Le moyen de rétention 14 obturant l'ouverture de la coque 12 permet de maintenir le liquide dans l'ampoule. Il peut être réalisée dans un ou plusieurs des matériaux cités ci-dessus. Il peut par exemple s'agir d'un film composite composé d'une couche d'aluminium (potentiellement recouverte d'une couche protectrice de polytéréphtalate d'éthylène (PET)) et d'une couche de scellement (par exemple réalisée en polypropylène ou encore en polyéthylène). On privilégiera une solution basée sur des matériaux biodégradables, comme par exemple le papier ou un film de PVC
biodégradable du type ECOmplyTM vendu par la société Bilcare Research AG, Hochbergerstrasse 60B 4057 Basel Switzerland.
Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de libérer le contenu du réservoir 10. La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un dispositif de production d'énergie électrique 2.
Lors de l'étape 1A, ce dernier est à l'état inactif. Un liquide (ou un semi liquide ou un gel) 28 est confiné dans le réservoir 10. Lors de l'étape 1B, le liquide 28 est libéré du réservoir 10 par rupture du moyen de rétention 14. Le liquide 28 est alors libéré. Lors de l'étape 10, le liquide 28 se propage dans la couche de diffusion 8. Lors de l'étape 5 1D, le liquide 28 atteint la portion de la couche de diffusion positionnée entre l'anode 4 et la cathode 6. La présence de ce liquide permet alors l'échange ionique entre l'anode 4 et la cathode 6 ce qui induit la production d'électricité par une réaction d'oxydoréduction dont le type peut varier suivant le type de cellule électrochimique choisi.
Dispositifs de rupture de la couche de séparation Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de libérer le contenu du réservoir 10. Afin de pouvoir faire cela, plusieurs options peuvent être mises en uvre:
- Comme représenté à la figure 2a il est par exemple possible de faire en sorte, qu'un joint 16 assurant l'étanchéité entre la coque 12 et la couche de diffusion 8 se rompe sous l'exercice d'une pression sur la coque 12. Dans ce cas, c'est l'augmentation de pression à l'intérieur de l'ampoule qui permet la rupture du joint 16.
Ce dernier est choisi dans un matériau adapté et dimensionné pour se rompre dès que cette pression atteint une valeur seuil. Il est également possible de ménager des points de faiblesse dans le joint 16 pour faciliter cette rupture ;
- Il est additionnellement ou alternativement possible de prévoir des moyens de perçage 18 dans le moyen de rétention 14. Ces derniers, pouvant prendre la forme d'aiguilles ou de pointes, peuvent être disposés à l'intérieur du réservoir 10 ou à
l'extérieur de cette dernière. La figure 2c illustre un moyen de perçage 18 disposé à
l'intérieur de la chambre de l'ampoule 10 (le nombre peut également varier).
La figure 2b illustre le cas dans lequel trois moyens de perçage 18 (leur nombre peut varier) placés en regard ou dans le joint à l'extérieur de la chambre de l'ampoule 10.
Dans le cas de l'utilisation de moyens de perçage 18, il est préférable de prévoir un espace entre ces derniers et le moyen de rétention 14 afin d'éviter un perçage accidentel. On s'assure ainsi que ce perçage n'a lieu qu'en exerçant une pression suffisamment forte pour cela.
Une pression externe exercée sur la coque 12, permet la déformation de cette dernière afin de libérer le contenu du réservoir 10. Cette pression peut être exercée par un utilisateur ou par des moyens de pression automatisés, hydrauliques ou pneumatiques.
Réservoir multi-compartimenté
Le réservoir 10 du dispositif selon l'invention peut comprendre un seul ou plusieurs compartiments. En effet, il peut être intéressant de séparer les composants permettant de déclencher la production d'électricité. Par exemple, il est possible de séparer différents composés chimiques, nécessaires au fonctionnement de la pile.
Néanmoins, la combinaison dans un même réservoir, pour un temps plus ou moins long, pourrait provoquer des réactions non souhaitées, telles qu'une dégradation. Il est également possible de conserver dans un ou des compartiments des biomolécules dans un état particulier (sec, humide, en gel, en poudre etc.), la rupture des différents compartiments permettant d'obtenir le composé permettant la production d'énergie (par exemple, un élément conservé à l'état sec solubilisé par un solvant présent dans un autre compartiment). L'utilisation de plusieurs compartiments permet non seulement la préservation des différents éléments mais également d'obtenir une réaction optimale.
La figure 3 illustre schématiquement une première variante d'un réservoir 110 à deux compartiments 112 et 113 et la figure 4 une seconde variante d'un réservoir 210 à trois compartiments 212, 213 et 216. En fonction du fonctionnement du dispositif de production d'énergie électrique 2 mais également de la nature du contenu du réservoir 10, 110 ou 210 (état des différents composés, etc.), les différents compartiments peuvent comprendre notamment un solvant (par exemple de l'eau), des électrolytes, des enzymes, des médiateurs, des cofacteurs, un substrat (par exemple du glucose) ou des molécules d'orientation enzymatique. Le moyen de rétention 14 peut être, ou comprendre, un joint 16.
Il est également possible que le réservoir comprenne deux espaces distincts, chacun comprenant plusieurs compartiments.
Autres éléments formant le dispositif de production d'énergie électrique Le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut également comprendre les éléments usuels des cellules électrochimiques et en particulier des piles à
combustible.
Ainsi le dispositif peut comprendre des éléments conducteurs en contact avec une anode (en particulier sur la face opposée de la face de l'anode en contact avec la couche de diffusion). Lorsque le dispositif est alimenté par un gaz, des moyens de diffusion de ce gaz peuvent être disposés pour permettre l'apport de celui-ci.
Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique peut comprendre un support, de préférence assez rigide, et un élément d'habillage, par exemple une bande en fibres de verre, en plastique, ou en polystyrène, ou préférentiellement un matériau biosourcé, entourant l'ensemble des éléments décrits ci-dessus, à l'exception du réservoir 10, accessible pour pouvoir libérer son contenu. Cet élément a pour but de solidariser et de protéger le dispositif.
La figure 5 illustre une première variante du dispositif selon l'invention dans lequel deux réservoirs 10a et 10b sont utilisés. Là encore, il peut s'agir des types de réservoirs décrits ci-dessus. Ici le réservoir 10a comprend un joint 16 pouvant être rompu et du liquide 28. Le réservoir 10b est situé de l'autre côté de la pile et comprend des moyens de perçage situés en dehors de la chambre du réservoir 10b et permettant de percer le joint 16. Le réservoir 10b ne comprend pas de liquide 28. Le moyen de diffusion 8 s'étend d'un réservoir 10a au réservoir 10b et est en contact avec l'un et l'autre.
Selon ce mode de réalisation, il est possible d'activer puis de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Les étapes 5A à 5C correspondent aux étapes 1A à 1D décrites précédemment avec libération d'un liquide 28 dans la couche de diffusion 8 et production d'électricité
selon un régime ré-activable.
Il est possible de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 comme illustré aux étapes 5D et 5E. Lors de l'étape 5D, une pression est exercée sur le réservoir 10b ceci afin d'ouvrir ce réservoir 10b qui ne contient pas de liquide à libérer.
L'ouverture peut se faire du fait des moyens de perçage 18 entrant en contact avec le moyen de rétention 14. Comme le réservoir 10b est alors en communication fluide avec la couche de diffusion 8, le liquide 28 peut pénétrer dans le réservoir 10b. Des moyens pour forcer le liquide 28 à entrer au moins en partie dans le réservoir 10b sont utilisés, comme illustré à l'étape 5E. Ces moyens peuvent être par exemple la gravité, un courant de gaz tel que l'air (si le réservoir 10b contient un vide partiel). Une fois une absorption, ou un transfert, d'une quantité suffisante du liquide 28 dans le réservoir 10b pour qu'il n'y ait plus suffisamment de liquide 28 entre l'anode 4 et la cathode 6, le dispositif de production d'énergie électrique 2 est désactivé. Bien entendu la quantité
du liquide 28 doit être prédéterminée afin de permettre la désactivation.
Le moyen de désactivation qui comprend le réservoir 10b, peut être temporaire.
Il est possible de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 pour renvoyer le liquide 28 vers l'anode 4 et la cathode 6. Ceci peut être fait, par exemple, par gravité, en repositionnant le réservoir 10b, ou en appuyant de nouveau sur l'ampoule 10b pour réinjecter le liquide 28 vers l'anode et la cathode.
Alternativement, il est possible comme indiqué précédemment que le réservoir 10b comprenne un ou plusieurs composés permettant de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 en fonction du contenu de la solution 28.
Différentes stratégies de désactivation peuvent être mises en uvre. Il peut s'agir par exemple de la présence d'un composé absorbant le liquide 28, d'un changement de pH par introduction d'un acide ou d'une base, d'un changement de température, de rupture de structure secondaire/tertiaire par ajout d'un solvant organique, d'un ajout d'inhibiteur d'enzymes diminuant l'activité des enzymes par fixation à ces dernières ou encore l'ajout de sel afin de stopper l'hydratation des enzymes. D'autres stratégies sont envisageables, notamment en fonction de la nature du liquide 28 et de sa quantité
présente dans le réservoir 10a.
Aussi, la figure 6 illustre une seconde variante de réalisation de l'invention illustrant un dispositif de production d'énergie électrique 2 que l'on peut utiliser plusieurs fois, c'est-à-dire un dispositif multi-usages. Selon ce mode de réalisation, il est possible d'activer le dispositif de production d'énergie électrique 2 à plusieurs reprises en disposant plusieurs réservoirs qui peuvent libérer le liquide 28 activateur du dispositif à
tour de rôle.
Là encore, il peut s'agir de tous types de réservoir décrits ci-dessus. Ici les réservoirs 10a et 10b comprennent chacun un joint (16a et 16b) pouvant être rompu par simple pression. D'autres moyens pour rompre ces moyens de rétention, tels que par exemple des pointes telles que décrites ci-dessus, sont bien évidemment envisagés.
Selon ce mode de réalisation, les étapes 6A à 60 correspondent aux étapes 1A à
1D avec libération de la solution 28A dans la couche de diffusion 8 et production d'électricité selon un régime réactivable.
A l'étape 6D, le dispositif de production d'énergie électrique 2 est inactif du fait de l'évaporation du liquide ou de l'absence de combustible. Une inactivité du dispositif de production d'énergie électrique 2 peut être définie comme l'absence totale de production d'énergie ou alors lorsque la quantité d'énergie produite passe sous une valeur plancher prédéterminée.
Afin de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 (étape 6E
et 6F), on agit sur le réservoir 10b, rempli de liquide d'activation 28B qui peut être libéré
séquentiellement par action (par exemple application d'une pression) sur le réservoir 10b. Le principe de fonctionnement est le même que celui décrit précédemment.
La figure 7 illustre un troisième mode de réalisation d'un dispositif de production d'énergie électrique 2 pouvant être réactivé et/ou désactivé plus d'une fois.
Dans ce cas, le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut être activé par l'exercice d'une pression sur le réservoir 10A qui rompt un joint 16 (comme décrit précédemment auparavant).
Lorsque le dispositif de production d'énergie électrique 2 n'est plus actif (pas assez ou plus d'activité), il est possible de réactiver ce dernier en injectant de nouveau du liquide activateur entre l'anode 4 et la cathode 6, en régénérant la solution déjà
présente ou, au contraire en injectant un désactivateur. Cela peut être réalisé grâce aux réservoirs 10B et 10C dont le contenu, respectivement, 29 et 30, et la taille sont déterminés en fonction de la nature du liquide activateur 28 de l'ampoule 10A
ainsi que du but recherché, augmentation ou maintien, de l'activité ou, diminution ou arrêt, de la production d'énergie par le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Le contenu 29 et/ou 30 peut donc contenir une recharge de liquide 28 ou d'autres composés de biomolécules, électrolytes, médiateurs, enzymes ou encore substrat. Elle peut également contenir un moyen d'arrêt ou de diminution de l'activité électrique comme un vide partiel, un absorbant, etc...
Les figures 8a à 8c illustrent de manière schématique et partielle la disposition de réservoirs 10, 10A, 10B, et/ou 10C pouvant être inclus dans des dispositifs de production d'énergie électrique 2 selon l'invention tels que décrits dans la présente demande.
La variante partiellement illustrée à la figure 8a comprend deux réservoirs 10 et 10A
pouvant comprendre chacun une composition (de préférence un liquide) identique ou différente. Les deux réservoirs sont connectés en parallèle par un conduit 11, lui-même connecté à, ou comprenant, ou constitué d'une couche de diffusion. Les deux compositions peuvent être libérées par le perçage de moyens de séparations (non représentés) simultanément ou à des instants différents. Dans cette disposition, les réservoirs 10 et 10A sont séparés et distincts. Les compostions qu'elles contiennent ne peuvent interagir ensemble qu'a l'extérieur de leurs réservoirs respectifs.
La variante illustrée à la figure 8b comprend un réservoir 10 comprenant deux compartiments 10A et 10B contenant chacun une composition, de nature différente ou identique. Le compartiment 10B peut être intégralement contenu dans le compartiment 10B. Des moyens de perçage (non représentés) sont disposés permettant le perçage simultané ou séquentiel des compartiments 10A et 10B. Ils peuvent notamment permettre le mélange entre les deux compositions des compartiments 10A et 10B
dans le réservoir 10 avant la libération dans le conduit 11.
La variante illustrée à la figure 8c comprend quatre réservoirs 10, 10A, 10B
et 10C.
Son principe de fonctionnement est similaire à la variante de la figure 8a. Le schéma permet de comprendre comment en variant la nature des compositions contenues dans ces réservoirs, il est possible d'influencer la production énergétique :
soit en 5 l'augmentant, en la maintenant ou en la diminuant. Comme pour les réservoirs montrés dans la figure 8a, les compositions ne peuvent interagir qu'a l'extérieur de leurs ampoules respectives dans le conduit 11.
Exemple de mise en uvre de l'invention Un exemple du dispositif de production d'énergie électrique 2, a été réalisé.
Le dispositif est une pile à combustible. Plus particulièrement il s'agit d'une biopile à
glucose dont la structure est représentée aux figures 9 et 10. Les électrodes comprennent des feuilles de nanotubes MWNT (cf. supra). Ensuite, ces feuilles ont été
modifiées par dépôt (pipette) d'une solution du médiateur (phénanthrolinequinone, 10 mmol/L dans acétonitrile) dans une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et du promoteur (protoporphyrine IX, lOmmol/L dans l'eau) avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à la cathode 6. Après séchage des deux électrodes, les enzymes sont ajoutées sur ces feuilles par dépôt (pipette) d'une solution de 5 mg/L FAD GDH
avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et d'une solution de 5 mg/L
Bilirubine oxydase avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à la cathode 6. On a laissé
ensuite chaque feuille/ électrode 4 et 6 sécher une nuit entière à température ambiante.
A titre d'illustration, un réservoir 10 réalisé en réutilisant un emballage pour médicaments (blister en plastique et fermé par un feuille d'aluminium) a été
rempli par environ 250pL d'une solution de glucose à une concentration de 150 mM dans une solution tampon phosphate salin de concentration 0.1 M (Phosphate Buffered Saline, PBS, en anglais). Il a été ensuite recouvert d'un film en polyéthylène (Marque PARAFILM M) qui est un film plastique de paraffine sur papier produit par la société
Bemis North America, entreprise située à Neenah au Wisconsin (États-Unis). Il s'agit d'un matériau thermoplastique (il ne peut donc pas être utilisé en autoclave), ductile, malléable, étanche, sans odeur, cohésif et translucide. Le réservoir 10 est ensuite scellé avec une bande d'adhésif afin d'éviter toute fuite non désirée de la solution de glucose.
Après séchage des électrodes 4 et 6, le dispositif de production d'énergie électrique illustré sur les figures 1 et 2 est assemblé comme suit : Une feuille de papier buvard de type papier filtre Whatman et de dimensions selon la configuration de la biopile avec une épaisseur de 190 pm et un grammage de 97 g.rn-2 qui constitue la couche de diffusion 8, est placée en sandwich entre les deux électrodes 4 et 6. Cette couche de papier buvard comprend une projection 5. Une feuille de graphite de type GDL
(Gas Diffusion Layer) constituant une couche conductrice 20 est positionnée sur la face de l'anode 4 qui n'est pas celle en contact avec la couche de diffusion 8.
Une couche conductrice et de diffusion de gaz 22 également constituée d'une feuille de graphite est placée en contact avec la cathode 6 (sur la face opposée de la face de la cathode 6 en contact avec la couche de diffusion 8). Cette dernière permet l'apport d'oxygène à la cathode 6. Elle constitue également une couche conductrice. La diffusion du gaz est effectuée par un tracé en creux permettant le passage du gaz.
Comme cela est visible sur la figure 9, la couche de diffusion gazeuse 22 et la cathode 6 sont dimensionnées et agencées de manière à mettre en regard direct le moyen de rétention 14 du réservoir 10 et la couche de diffusion 8 afin de permettre la diffusion du contenu du réservoir 10 dans la couche de diffusion 8, lorsque le moyen de rétention 14 est percé.
Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend un support 24, de préférence assez rigide, en polyester ou en papier par exemple, et une couche d'habillage 26, constituée d'une bande en fibres de verre (ou autre matériau préférentiellement biosourcé), entourant l'ensemble des éléments décrits ci-dessus à
l'exception de:
- l'ampoule 10 accessible pour pouvoir libérer son contenu, - des ouvertures 27 placées en regard de la couche de diffusion gazeuse 22 et permettant l'arrivée d'oxygène à la pile ; et - des possibles ouvertures 31 permettant l'accès aux couches conductrices d'électricité 20 ou 22.
Lorsqu'une production d'électricité est nécessaire, une pression est exercée sur la coque 12 du réservoir 10, pression suffisante pour briser les moyens de rétention 14 et libérer la solution de glucose sur la projection 5 de la feuille de papier buvard ou couche de diffusion 8. Par capillarité, le liquide se propage dans la feuille et permet l'échange ionique de protons entre la cathode et l'anode et donc la production de courant.
La figure 11 est la mesure de l'énergie produite par le dispositif de production d'énergie électrique 2 décrit ci-dessus. La mesure est effectuée à l'aide d'un potentiostat dont les extrémités de la contre-électrode et l'électrode de référence sont court-circuitées ensemble et connectées à l'anode tandis que l'électrode de travail est connectée à la cathode par le biais de connecteurs tels des pinces crocodiles, non représentées. Le potentiel en circuit ouvert (ou OCP pour "Open Circuit Potential"en anglais) est alors mesuré.
A titre d'illustration, le moyen de rétention 14 du réservoir 10 est rompu à t = 50 secondes par compression manuelle de la coque 12 de cette dernière, ce qui permet à
son contenu de se propager dans la couche de diffusion 8. 10 secondes plus tard (t =
60 secondes) et 25 secondes plus tard (t = 75 secondes), le potentiostat enregistre un voltage ou tension respectivement égal à 0,458 V et 0,526 V. Comme illustré à
la figure 11, le dispositif de production d'énergie électrique 2 continue de produire de l'électricité
au cours du temps.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme de métier.
Il est notamment possible de prévoir l'utilisation de matériaux différents de ceux cités ci-dessus pour former les différents éléments formant le dispositif de production d'énergie électrique.
Les composés permettant de produire de l'énergie peuvent également être différents de ceux mentionnés plus haut.
Liste des références numériques et documentaires 2 : dispositif de production d'énergie électrique 4 : anode 5: projection de la couche de diffusion 8 6 : cathode 8: couche de diffusion ou séparateur 10, 110, 210, 10a, 10b, 10c, 10A, 10B et 10C : réservoir 12 : coque du réservoir 14 : moyens de rétention 16 :joint 18: moyens de perçage 20 : couche conductrice 22 : couche conductrice et de diffusion gazeuse 24 : support 26 : couche d'habillage 27 : ouverture permettant l'entrée d'oxygène 28, 29, 30 : liquide contenue dans le réservoir 31 : ouvertures pour accéder aux feuilles conductrices 20 et 22 112, 113, 212, 213, 216 : compartiments du réservoir (I) Lockhart, H.; Paine, F. A. Packaging of Pharmaceuticals and Healthcare Products;
Springer US: Boston, MA, 1996.
(2) Roggenhofer, A. The Magic Triangle of Blister Packaging. Pharmaceutical Processing. 2013, pp 34-36.
(3) Raina, H.; Jindal, A. Packaging of Non-Injectable Liquid Pharmaceuticals:
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Review. J. Appl. Pharm. Sci. 2017, 7 (2), 248-257.
(4) Forcinio, H. Blister Packaging Moves Forward. Pharmaceutical Technology Europe.
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(5) Kelso, D. M.; Agarwal, A.; Sur, K. U520120107811A1: Burstable Liquid Packaging and Uses Thereof., 2012.
(6) Brettschneider, T.; Czurratis, D.; Grimm, A. GB2538846A: Storage Unit, Method for Manufacturing a Storage Unit and Method for Releasing Fluid Stored in a Storage Unit, 2016.
(7) Kurowski, D.; Paul, O. W02012062648A1: Blister Packaging for Liquid and Use Thereof and Method for Supplying Liquid to a Fluidic Assembly, 2012.
(8) Kurowski, D.; Paul, O. U520130327672A1: Blister Packaging for Liquid and Use Thereof and Method for Supplying a Liquid to a Fluidic Assembly., 2013.
(9) Stange, O.; HôhI, H.-W.; Diederich, R.; Drôder, K.; Herrmann, C.;
Dietrich, F.;
Blumenthal, P.; Stühm, K.; Bobka, P.; Schmidt, C.; et al. W02017032674:
Blister Packaging, 2015.
(10) Wright, D. W.; Aiello, D.; Kroehl, P.; Kayyem, J. F.; Gray, D. S.
U5959872262:
Cartridge for Performing Assays in a Closed Sample Preparation and Reaction System., 2017.
Claims (13)
1. Un dispositif de production et/ou de stockage d'énergie électrique (2) caractérisé
en ce qu'il comprend :
- une anode (4), - une cathode (6), - un séparateur (8) permettant le transfert d'au moins un composé apte à
déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique (8) disposé entre l'anode (4) et la cathode (6), et - au moins un réservoir cassable, perçable et/ou deformable (10) d'un composé
apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique, ledit réservoir (10) ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8) ; lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8) étant notamment des moyens de transfert d'un liquide
en ce qu'il comprend :
- une anode (4), - une cathode (6), - un séparateur (8) permettant le transfert d'au moins un composé apte à
déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique (8) disposé entre l'anode (4) et la cathode (6), et - au moins un réservoir cassable, perçable et/ou deformable (10) d'un composé
apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou stockage d'énergie électrique, ledit réservoir (10) ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8) ; lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et ledit séparateur (8) étant notamment des moyens de transfert d'un liquide
2. Le dispositif (2) selon la revendication 1, où l'anode et/ou la cathode comprend une enzyme.
3. Le dispositif (2) selon la revendication 1 ou 2, où le réservoir comprend une coque (12) ayant une ouverture, et des moyens de rétention (14) obturant l'ouverture de la coque (12).
4. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, où les moyens permettant de mettre en contact le composé apte à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique et le séparateur (8) comprennent des moyens de perçage (18) ou d'ouverture, éventuellement comprenant au moins un élément ayant une extrémité coupante ou pointue.
5. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, où ledit réservoir 10 du dispositif comprend un seul ou plusieurs compartiments.
6. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant au moins un autre réservoir (29, 30), ledit au moins un autre réservoir comprenant ledit composé apte à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie électrique ou un autre composé.
7. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, où ledit composé apte à déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique est un liquide, un solide ou un gel, de préférence un liquide aqueux.
8. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, où
lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et le séparateur (8) comprennent un conduit (11) et/ou une projection (5) dudit séparateur (8), ladite projection (5), ou ledit conduit (11) étant de préférence configurée pour entrer en contact avec une partie du réservoir (10).
lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et le séparateur (8) comprennent un conduit (11) et/ou une projection (5) dudit séparateur (8), ladite projection (5), ou ledit conduit (11) étant de préférence configurée pour entrer en contact avec une partie du réservoir (10).
9. Le dispositif (2), selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant en outre des moyens (10b) d'augmentation (10b), de diminution (10c), de désactivation (10c) et/ou de réactivation (10b) de la production et/ou du stockage d'énergie électrique.
5 10. Le dispositif (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant en outre, un ou plusieurs moyens d'activation, de préférence un interrupteur tel qu'une languette amovible.
11. Utilisation d'un dispositif (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la production et/ou le stockage d'énergie électrique.
10 12. Un dispositif jetable caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif de production et/ou stockage d'énergie électrique (2) décrit à l'une quelconque des revendications 1 à 10.
13. Le dispositif jetable selon la revendication 12, ou ledit dispositif jetable est un test médical, tel qu'un test de grossesse.
15 14. Un kit pour la fabrication d'un dispositif de production et/ou stockage d'énergie telle qu'une cellule électrochimique, par exemple une pile, ledit kit comprenant le dispositif (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et une notice d'utilisation.
15 14. Un kit pour la fabrication d'un dispositif de production et/ou stockage d'énergie telle qu'une cellule électrochimique, par exemple une pile, ledit kit comprenant le dispositif (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et une notice d'utilisation.
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