EP2529209A1 - Dispositif de detection d'eau autonome comprenant une source d'hydrogene - Google Patents

Dispositif de detection d'eau autonome comprenant une source d'hydrogene

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EP2529209A1
EP2529209A1 EP11701078A EP11701078A EP2529209A1 EP 2529209 A1 EP2529209 A1 EP 2529209A1 EP 11701078 A EP11701078 A EP 11701078A EP 11701078 A EP11701078 A EP 11701078A EP 2529209 A1 EP2529209 A1 EP 2529209A1
Authority
EP
European Patent Office
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water
detection device
water detection
electrode
porous silicon
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701078A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jessica Thery
Philippe Coronel
Vincent Faucheux
Jean-Yves Laurent
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2529209A1 publication Critical patent/EP2529209A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4162—Systems investigating the composition of gases, by the influence exerted on ionic conductivity in a liquid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Autonomous water detection device comprising a source of hydrogen
  • the field of the invention is that of energy-autonomous water-detection devices and more specifically relates to water detection devices capable of evaluating a quantity of water and not only operating in the binary mode: presence of water water or not as proposed in known water detectors.
  • the majority of water detection devices are not energy independent.
  • the energy supply is via a source internal to the device (batteries) or by the electrical network.
  • the existing devices are not miniaturizable and require connection means that are not compatible with places that are cramped or difficult to access.
  • the electrolyte is made of a porous material.
  • the porous layer is provided with a coating releasing ionic species.
  • This type of detector does not make it possible to evaluate the importance of the leak. There is no gradation of the signal: in the presence of water, there is a signal, while without water, there is no signal. The information is binary. In addition, once the zinc electrode consumed, the system no longer works.
  • the present invention relates to a solution consisting in using the presence of water to trigger a reaction which releases hydrogen which will itself feed a fuel cell which acts as a supplier of the electrical signal.
  • the advantage of such a device lies in providing a signal proportional to a quantity of water.
  • the subject of the present invention is a water detection device comprising at least one fuel cell comprising a first electrode, an electrolyte layer, a second electrode and an electrical measurement device, characterized in that the first electrode of the cell is in contact with a first face of a silicon substrate porous comprising Si-H bonds, so as to release a flow of hydrogen in the presence of water.
  • the device further comprises a catalyst inside the pores of the silicon substrate to promote the release of the hydrogen stream.
  • the catalyst comprises a material that can release hydroyxide ions, this material can be of the KOH type.
  • the water detection device comprises a first water-permeable housing comprising the porous silicon substrate.
  • the water detection device comprises a second housing comprising the fuel cell, said second housing being impermeable to water and permeable to oxygen.
  • the water detection device comprises a set of elementary cells, each elementary cell comprising at least one elementary fuel cell and a porous elemental silicon substrate.
  • the water detection device comprises a set of elementary cells comprising porous silicon substrates whose dimensions perpendicular to the plane of the electrodes are distributed in a gradient so as to be able to detect different elementary levels of silicon. water.
  • the water device comprises a common electrolyte layer, first electrodes and discontinuous second electrodes on either side of the electrolyte material layer and a common porous silicon substrate.
  • the common electrolyte layer comprises proton-impermeable insulating transverse zones so as to partition the latter inside the elementary cells.
  • the water detection device comprises a matrix arrangement of elementary cells for detecting water.
  • the invention also relates to a device for mapping aqueous zones comprising a water detection device according to the invention equipped with a device for electrical matrix measurements.
  • the invention further relates to a fingerprint recognition device characterized in that it comprises a device for mapping aqueous areas according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates the fuel cell principle used in the present invention
  • FIG. 2 illustrates a first variant of a water detection device according to the invention
  • FIG. 3 illustrates a second variant of a water detection device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a third variant of a water detection device according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a mode of improvement of the variant illustrated in FIG. 4
  • FIG. 6 illustrates a water detection device according to the invention comprising elementary detection cells
  • FIGS. 7a and 7b illustrate a device for mapping aqueous zones according to the invention that can advantageously be used in a fingerprint identification device.
  • FIG. 1 An anode electrode, permeable to hydrogen is the seat of the following reaction:
  • An electrolytic material ensures the transport of protons to a cathode seat of the following reaction by supply of oxygen present in the air and supply of electrons:
  • the detector In the presence of a given volume of water, the detector generates a volume of hydrogen proportional to the volume of water. The detector simultaneously generates a signal of intensity proportional to the volume of hydrogen.
  • FIG. 2 illustrates a first variant of a water detector according to the invention.
  • the detector comprises a substrate 1 made of porous silicon.
  • This porous silicon comprises Si-H type bonds.
  • the pores of the porous silicon are through.
  • the pores of the silicon may comprise a catalyst that is not represented and may consist of a coating that releases hydroxide ions in the presence of water, typically it may be potassium hydroxide.
  • the catalyst may also be contained in the aqueous solution to be detected.
  • the hydrogen migrates through the pores of the porous silicon to arrive at the electrode 2.
  • the electrode 2 corresponds to an active electrode, electronically conductive and active with respect to the reaction:
  • Layer 3 is a layer providing an electrolyte function, it is advantageously a proton-conducting membrane.
  • the electrode 4 is an electron conductive electrode and which catalyzes the reaction: l / 20 2 + 2e ⁇ + 2H + ⁇ H 2 0
  • the battery can then supply an electrical measurement device 5 that can advantageously integrate an alarm or action device.
  • the device 5 may comprise a controller, which makes it possible to set the operating voltage and an alarm (audible or visual) and / or an actuator.
  • a capacitive system or batteries so as to store the energy supplied by the battery, in order to supply the alarm or the actuator.
  • the controller can first charge the battery, or the capacity, and then analyze the variation of the intensity produced by the battery as a function of time. The intensity being correlated to the flow of hydrogen, it allows to go back to the flow of water.
  • FIG 3 illustrates a second variant of the invention in which the detector is integrated in a first housing 6 permeable to water.
  • the hydrogen is naturally directed towards the electrode 2 in the presence of water.
  • the hydrogen formed is discharged via the sealed housing.
  • the housing 8 may also be a porous hydrophobic coating.
  • the housing 6 and the porous silicon are integral. Once the porous silicon has been consumed, the system can be recharged by disconnecting the assembly 1 + 6 at the fasteners 14 provided for this purpose and by connecting a new assembly 1 + 6.
  • the housing 6 can also be a sealed housing provided with a check valve.
  • watertight return 7 as illustrated in a third variant shown in Figure 4, which allows the liquid water to pass, but does not let hydrogen out.
  • the non-return valve 7 can also be controlled by the actuator 5 in advance, via a connection 15.
  • the detection device comprises a plurality of elementary cells.
  • FIG. 6 is thus represented by way of example a set of three cells Ci, C 2 , C 3 comprising fuel cells produced via a common electrolyte layer. Discontinuous electrodes 2 ; 2 2 , 2 3 are provided for this purpose as well as discontinuous electrodes 4-i, 4 2 , 4 3 .
  • the detector can be used to evaluate, for example, a water level as shown in FIG. 6. If the water level is between a level a and a level b, there is the appearance of a difference of U potential across the terminals of the cell 1 and current generation I which generates an action 1 (or a signal 1).
  • the cell C 2 is activated and generates the signal 2 / action 2 in parallel with the cell Ci also activated.
  • the cell C 3 is activated and generates the signal 3 / action 3, in parallel of the cells Ci and C 2 also activated, ... etc .... up to n cells (no shown).
  • the system 10 thus makes it possible to follow the dynamics of evolution of the water level.
  • the detection system comprises a plurality of elementary cells including matrix-organized fuel cells. This system allows the detection of a "picture" of water: it can be used for example in the context of fingerprint detection.
  • FIG. 7a shows a top view of the device
  • Figure 7b showing a schematic view highlighting the matrix arrangement and the processing circuits.
  • FIG. 7a shows, at a line of the matrix arrangement, the common electrolyte layer 3 comprising ionic non-conductive zones 9 enabling the elementary cells to be sealed from one another.
  • a set of electrodes 2-n, .., 2 N and electrodes 4 ; ..., 4 ⁇ make it possible to make the fuel cells of the first line of elementary cells Cn, ..., Ci N of the detector.
  • the membrane may be discontinuous, or made non-ionic conductive at the zones 9.
  • the lateral dimension of a stack is between 10 nm and 10 cm.
  • the size of a stack is between 0.1 ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • the space between the cells is preferably between 0.1 and 50 ⁇ m.
  • the cells in contact with the (or aqueous) water zones are activated.
  • activated is meant that there is a potential difference U between 0 and 1 .1 V at the terminals of the cell, preferably between 0.5 and 1 .1 V, and generation of a current I.
  • the reading of the activated cells is done via a matrix addressing.
  • the circuit 1 2 allows the selection of the column electrode, the circuit 1 3 allows the selection of the line electrode.
  • the information U makes it possible to know if the cell is in contact with water and therefore to define the water mapping of the object in contact with the detector.
  • the information I makes it possible to go back to the quantity of water.
  • the electrodes consist of an electronically conductive and catalytic material. They consist of platinum Pt, or a platinum-based alloy, for example platinum / ruthenium, palladium or gold, carbon or an assembly of the aforementioned elements.
  • the components of the electrodes 2 may be different or identical to the components of the electrodes 4.
  • Electrolyte 3 is a proton conductive compound. This compound may be a fluorocarbon polymer functionalized with acid groups of -COOH, -SO 3 H or -PO (OH) 2 type . The compound may also be a carbon polymer functionalized with the aforementioned acid groups.
  • the electrolyte 3 is preferably Nafion® or another polymer derived from Nafion®. The most currently used material for the ion exchange membrane is indeed the Nafion manufactured by the company Dupont de Nemours.
  • the thickness of electrolyte separating the first and second electrodes is between 0.1 ⁇ and 100 ⁇ and more particularly between 1 nm to 1000 nm.
  • a hydrogenation can be advantageously carried out by electrochemical treatment with an acid of a doped silicon substrate.
  • the pore size is preferably between 1 nm and 100 nm.
  • the material releasing hydroxide ions in contact with water is integrated in the porous silicon 1. It can also be a coating releasing hydroxide ions, located in the housing 6.
  • the battery or fuel cells in the presence of water, is or are active (s): the voltage of the battery or batteries is between 0 and 1 .1 V.
  • the voltage is between 1 .1 and 0.4V.
  • a voltage of between 0 and 1 V is applied and preferably at a voltage of between 0 and 0.5 V.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection d'eau comprenant au moins une pile à combustible comportant une première électrode (2), une couche d'électrolyte (3), une seconde électrode (4) et un dispositif de mesure électrique (5) caractérisé en ce que la première électrode de la pile est en contact avec une première face d'un substrat en silicium poreux (1) comprenant des liaisons Si-H, de manière à libérer un flux d'hydrogène en présence d'eau. Avantageusement, le substrat de silicium poreux est intégré dans un premier boîtier (6) perméable à l'eau, la pile à combustible étant intégrée dans un second boîtier (8) ledit second boîtier étant imperméable à l'eau et perméable à l'oxygène.

Description

Dispositif de détection d'eau autonome comprenant une source d'hydrogène
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de détection d'eau autonomes en énergie et plus précisément concerne des dispositifs de détection d'eau capables d'évaluer une quantité d'eau et non de fonctionner uniquement en mode binaire : présence d'eau ou non comme proposé dans des détecteurs d'eau connus.
La majorité des dispositifs de détection d'eau ne sont pas autonomes en énergie. L'approvisionnement en énergie se fait via une source interne au dispositif (piles) ou bien par le réseau électrique. De ce fait, les dispositifs existants ne sont pas miniaturisables et nécessitent des moyens de connections non compatibles avec des lieux exigus ou difficiles d'accès.
Il a cependant déjà été décrit dans la demande de brevet FR 2 906 037, un détecteur d'eau autonome en énergie de type pile voltaïque. L'électrolyte est constitué d'un matériau poreux. La couche poreuse est munie d'un revêtement libérant des espèces ioniques. Lorsque l'électrolyte est en contact avec de l'eau, il y a conduction ionique via la libération d'ions au sein de l'électrolyte et génération d'énergie via les réactions :
Zn→ 2 e" + Zn2+
2 H20 + 2 e"→ 2 HO" + H2
Ce type de détecteur ne permet pas d'évaluer l'importance de la fuite. Il n'y a pas de gradation du signal : en présence d'eau, il y a un signal, alors que sans eau, il n'y a pas de signal. L'information est binaire. En outre, une fois l'électrode de zinc consommée, le système ne fonctionne plus.
Dans ce contexte, la présente invention a pour objet une solution consistant à utiliser la présence d'eau pour déclencher une réaction qui libère de l'hydrogène qui va lui-même alimenter une pile à combustible qui joue le rôle de fournisseur du signal électrique. L'intérêt d'un tel dispositif réside dans le fait de fournir un signal proportionnel à une quantité d'eau.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de détection d'eau comprenant au moins une pile à combustible comportant une première électrode, une couche d'électrolyte, une seconde électrode et un dispositif de mesure électrique caractérisé en ce que la première électrode de la pile est en contact avec une première face d'un substrat en silicium poreux comprenant des liaisons Si-H, de manière à libérer un flux d'hydrogène en présence d'eau.
Selon une variante de l'invention, le dispositif comprend en outre un catalyseur à l'intérieur des pores du substrat en silicium permettant de favoriser la libération du flux d'hydrogène.
Selon une variante de l'invention, le catalyseur comprend un matériau pouvant libérer des ions hydroyxydes, ce matériau pouvant être de type KOH.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection d'eau comprend un premier boîtier perméable à l'eau comportant le substrat poreux de silicium.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection d'eau comprend un second boîtier comportant la pile à combustible, ledit second boîtier étant imperméable à l'eau et perméable à l'oxygène.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection d'eau comprend un ensemble de cellules élémentaires, chaque cellule élémentaire comportant au moins une pile à combustible élémentaire et un substrat de silicium poreux élémentaire.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection d'eau comprend un ensemble de cellules élémentaires comportant des substrats poreux de silicium dont les dimensions perpendiculaires au plan des électrodes sont distribuées selon un gradient de manière à pouvoir détecter différents niveaux élémentaires d'eau.
Selon une variante de l'invention, le dispositif d'eau comprend une couche commune d'électrolyte, des premières électrodes et des secondes électrodes discontinues de part et d'autre de la couche de matériau électrolyte et un substrat commun de silicium poreux.
Selon une variante de l'invention, la couche commune d'électrolyte comporte des zones transversales isolantes imperméables aux protons de manière à cloisonner ces derniers à l'intérieur des cellules élémentaires.
Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection d'eau comporte un arrangement matriciel de cellules élémentaires de détection d'eau. L'invention a aussi pour objet un dispositif de cartographie de zones aqueuses comportant un dispositif de détection d'eau selon l'invention équipé d'un dispositif de mesures électriques matricielles.
L'invention a encore pour objet un dispositif de reconnaissance d'empreintes digitales caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de cartographie de zones aqueuses selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre le principe de pile à combustible utilisé dans la présente invention ;
- la figure 2 illustre une première variante de dispositif de détection d'eau selon l'invention ;
- la figure 3 illustre une deuxième variante de dispositif de détection d'eau selon l'invention ;
- la figure 4 illustre une troisième variante de dispositif de détection d'eau selon l'invention ;
- la figure 5 illustre un mode de perfectionnement de la variante illustrée en figure 4 ;
- la figure 6 illustre un dispositif de détection d'eau selon l'invention comprenant des cellules élémentaires de détection ;
- les figures 7a et 7b illustrent un dispositif de cartographie de zones aqueuses selon l'invention pouvant avantageusement être utilisé dans un dispositif d'identification d'empreintes digitales.
De manière générale, le principe de pile à combustible utilisé dans la présente invention est illustré en figure 1 . Une électrode anode, perméable à l'hydrogène est le siège de la réaction suivante :
H2→ 2H+ + 2e"
Un matériau électrolytique assure le transport des protons jusqu'à une cathode siège de la réaction suivante par apport d'oxygène présent dans l'air et apport d'électrons :
½ 02 + 2e" + 2H+→ H20 Le principe général de fonctionnement du détecteur d'eau de l'invention peut ainsi être illustré par le schéma bloc suivant :
En présence d'un volume d'eau donné, le détecteur génère un volume d'hydrogène proportionnel au volume d'eau. Le détecteur génère simultanément un signal d'intensité proportionnelle au volume d'hydrogène.
La figure 2 illustre une première variante de détecteur d'eau selon l'invention. Le détecteur comprend un substrat 1 en silicium poreux. Ce silicium poreux comporte des liaisons de type Si-H. Les pores du silicium poreux sont traversants. Avantageusement, les pores du silicium peuvent comprendre un catalyseur non représenté et pouvant être constitué par un revêtement libérant des ions hydroxydes en présence d'eau, typiquement il peut s'agir de potasse. Le catalyseur peut aussi être contenu dans la solution aqueuse à détecter.
En présence l'eau, il y a libération d'hydrogène via la réaction chimique suivante :
Si - Si - H + 4H20→ Si(OH)4 + 2H2 + Si - H
L'hydrogène migre à travers les pores du silicium poreux pour arriver à l'électrode 2. L'électrode 2 correspond à une électrode active, conductrice électronique et active vis-à-vis de la réaction :
H2→2H+ + 2e~
La couche 3 est une couche assurant une fonction d'électrolyte, il s'agit avantageusement d'une membrane conductrice de protons.
L'électrode 4 est une électrode conductrice électronique et qui catalyse la réaction : l/ 202 + 2e~ + 2H+→H20
En conséquence, en présence d'eau, il y a génération d'hydrogène et la pile à combustible passe dans un état actif. Il y a une tension U comprise entre 0V et 1 ,1 V entre les électrodes 2 et 4. La pile peut alimenter alors un dispositif 5 de mesure électrique pouvant avantageusement intégrer un dispositif d'alarme ou d'action. Le dispositif 5 peut comprendre un contrôleur, qui permet de fixer la tension de fonctionnement et une alarme (sonore ou visuelle) et/ou un actionneur.
II est aussi possible d'ajouter au sein du dispositif 5, un système capacitif ou des batteries de façon à stocker l'énergie fournie par la pile, afin d'alimenter l'alarme ou l'actionneur. Le contrôleur peut dans un premier temps, charger la batterie, ou la capacité, puis analyser la variation de l'intensité produite par la pile en fonction du temps. L'intensité étant corrélée au débit d'hydrogène, cela permet de remonter au débit d'eau.
La figure 3 illustre une seconde variante de l'invention dans laquelle, le détecteur est intégré dans un premier boîtier 6 perméable à l'eau. L'hydrogène est naturellement dirigé vers l'électrode 2 en présence d'eau. Lorsque le niveau d'eau diminue, l'hydrogène formé est évacué via le boîtier étanche. Côté cathode, la présence d'un second boîtier hydrophobe 8 imperméable à l'eau, mais qui laisse passer l'oxygène permet d'éviter de noyer l'électrode si le niveau d'eau dépasse le niveau Z=d. Le boîtier 8 peut aussi être un revêtement hydrophobe poreux. Le boîtier 6 et le silicium poreux sont solidaires. Une fois le silicium poreux consommé, on peut recharger le système en déconnectant l'ensemble 1 +6 au niveau d'attaches 14 prévues à cet effet et en y connectant un nouvel ensemble 1 +6.
Pour des raisons de sécurité, dans le cas de production d'hydrogène supérieure à un débit de 1 sccm (correspondant à une unité standard en cm3/minute), le boîtier 6 peut aussi être un boîtier étanche muni d'un clapet anti-retour étanche 7 comme illustré dans une troisième variante représentée en figure 4, qui laisse passer l'eau liquide, mais ne laisse pas sortir l'hydrogène.
Dans un mode de perfectionnement illustré en figure 5, le clapet antiretour 7 peut aussi être contrôlé par l'actionneur 5 de façon anticipée, via une connexion 15. Premier exemple de réalisation de détecteur d'eau selon l'invention :
Le dispositif de détection comprend plusieurs cellules élémentaires. Sur la figure 6 sont ainsi représentées à titre d'exemple un ensemble de trois cellules C-i , C2, C3 comportant des piles à combustible réalisées via une couche commune d'électrolyte. Des électrodes discontinues 2 ; 22, 23 sont prévues à cet effet ainsi que des électrodes discontinues 4-i ,42, 43. De cette façon, le détecteur peut servir à évaluer par exemple un niveau d'eau comme montré sur la figure 6. Si le niveau d'eau est compris entre un niveau a et un niveau b, il y a apparition d'une différence de potentiel U aux bornes de la cellule 1 et génération de courant I qui génère une action 1 (ou un signal 1 ).
Si le niveau d'eau est compris entre le niveau b et un niveau c, la cellule C2 est activée et génère le signal 2/action 2 en parallèle de la cellule Ci également activée.
Si le niveau est supérieur au niveau c, la cellule C3 est activée et génère le signal 3/action 3, en parallèle des cellules Ci et C2 également activées, ...etc.... jusqu'à n cellules (non représentées).
Le système 10 permet ainsi de suivre la dynamique d'évolution du niveau d'eau.
Deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de détection d'eau selon l'invention :
Le système de détection comprend plusieurs cellules élémentaires comprenant des piles à combustible, organisées de façon matricielle. Ce système permet la détection d'une « image » d'eau : il peut être utilisé par exemple, dans le cadre de la détection d'empreintes digitales.
Le système donne une image de la forme de l'empreinte digitale à partir des variations d'eau produites par les monts et les vallées d'un doigt. La figure 7a présente une vue de dessus du dispositif, la figure 7b illustrant une vue schématique mettant en évidence l'arrangement matriciel et les circuits de traitement.
La figure 7a met en évidence, au niveau d'une ligne de l'arrangement matriciel, la couche commune d'électrolyte 3 comportant des zones non conductrices ioniques 9 permettant de rendre les piles élémentaires étanches les unes des autres. Un ensemble d'électrodes 2-n ,.., 2 N et d'électrodes 4 ; ...,4 Ν permettent de réaliser les piles à combustibles de la première ligne de cellules élémentaires C-n , ..., CiN du détecteur.
Dans le cas présent d'un détecteur constitué d'un agencement de plusieurs piles, afin d'empêcher les perturbations liées à la proximité de deux piles, la membrane peut être discontinue, ou rendue non conductrice ionique au niveau des zones 9.
La dimension latérale d'une pile est comprise entre 10nm et 10cm. Préférentiellement, la taille d'une pile est comprise entre 0.1 μιτι et Ι ΟΟΟμιτι. L'espace entre les cellules est compris préférentiellement entre 0.1 et 50μιτι.
Lorsque le système à imager est mis en contact avec le détecteur pixellisé, les cellules en contact avec les zones d'eau (ou aqueuses) sont activées. Par « activé », on entend qu'il y a une différence de potentiel U comprise entre 0 et 1 .1 V aux bornes de la cellule, de préférence comprise entre 0.5 et 1 .1 V, et génération d'un courant I. La lecture des cellules activées se fait via un adressage matriciel. Le circuit 1 2 permet la sélection de l'électrode colonne, le circuit 1 3 permet la sélection de l'électrode ligne.
L'information U permet de savoir si la cellule est en contact avec de l'eau et donc de définir la cartographie d'eau de l'objet en contact avec le détecteur. L'information I permet de remonter à la quantité d'eau.
Les électrodes sont constituées d'un matériau conducteur électronique et catalytique. Elles sont constituées de platine Pt, ou d'un alliage à base de platine, par exemple de type platine/ruthénium, de palladium ou encore d'or, de carbone ou bien d'un assemblage des éléments pré-cités.
Les composants des électrodes 2 peuvent être différents ou identiques aux composants des électrodes 4.
L'électrolyte 3 est un composé conducteur de protons. Ce composé peut être un polymère de type fluorocarboné fonctionnalisé avec des groupements acides de type -COOH, -S03H ou -PO(OH)2. Le composé peut aussi être un polymère carboné fonctionnalisé avec les groupements acides précités. L'électrolyte 3 est de préférence du Nafion® ou autre polymère dérivé du Nafion®. Le matériau le plus utilisé actuellement pour la membrane échangeuse d'ions est en effet le Nafion fabriqué par la société Dupont de Nemours. C'est un co-polymère à structure perfluorée (de type Téflon) sur lequel sont greffés des groupements sulfonate S03 ". Son épaisseur est de l'ordre de 50 à 150 μιτι. Pour assurer la migration des protons, grâce à une bonne conductivité ionique, la membrane doit être hydratée.
De préférence, l'épaisseur d'électrolyte séparant les premières et secondes électrodes est comprise entre 0.1 μιτι et 100μιτι et plus particulièrement entre 1 nm à 1000nm.
Afin de réaliser un substrat en silicium poreux hydrogéné, on peut avantageusement opérer une hydrogénation par traitement électrochimique avec un acide d'un substrat en silicium dopé. La taille des pores est de préférence comprise entre 1 nm et 100nm.
Lors de l'emploi d'un catalyseur, la matière libérant des ions hydroxydes au contact de l'eau est intégrée dans le silicium poreux 1 . Il peut aussi s'agir d'un revêtement libérant des ions hydroxyde, localisé dans le boîtier 6.
Ainsi selon l'invention, en présence d'eau, la pile ou les piles à combustible est ou sont active(s) : la tension de la ou des piles est comprise entre 0 et 1 .1 V.
Préférentiellement, pour la charge de la batterie ou de la capacité, la tension est comprise entre 1 .1 et 0.4V. Pour l'étude de l'évolution de l'intensité en fonction du temps, on se place à une tension comprise entre 0 et 1 .1 V et préférentiellement à une tension comprise entre 0 et 0,5V.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de détection d'eau comprenant au moins une pile à combustible comportant une première électrode (2), une couche d'électrolyte (3), une seconde électrode (4) et un dispositif de mesure électrique (5) caractérisé en ce que la première électrode de la pile est en contact avec une première face d'un substrat en silicium poreux (1 ) comprenant des liaisons Si-H, de manière à libérer un flux d'hydrogène en présence d'eau.
2. Dispositif de détection d'eau selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre un catalyseur à l'intérieur des pores du substrat en silicium permettant de favoriser la libération du flux d'hydrogène.
3. Dispositif de détection d'eau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le catalyseur comprend un matériau pouvant libérer des ions hydroyxydes, pouvant être de type KOH.
4. Dispositif de détection d'eau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier boîtier (6) perméable à l'eau comportant le substrat poreux de silicium.
5. Dispositif de détection d'eau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un second boîtier (8) comportant la pile à combustible, ledit second boîtier étant imperméable à l'eau et perméable à l'oxygène.
6. Dispositif de détection d'eau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de cellules élémentaires (C-i , C2, C3) chaque cellule élémentaire comportant au moins une pile à combustible élémentaire et un substrat de silicium poreux élémentaire.
7. Dispositif de détection d'eau selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de cellules élémentaires comportant des substrats poreux de silicium dont les dimensions perpendiculaires au plan des électrodes sont distribuées selon un gradient de manière à pouvoir détecter différents niveaux élémentaires d'eau.
8. Dispositif de détection d'eau selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend une couche commune d'électrolyte, des premières électrodes (2 ; 2 N) et des secondes électrodes (4 , ...,4 N) discontinues de part et d'autre de la couche de matériau électrolyte et un substrat commun de silicium poreux.
9. Dispositif de détection d'eau selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche commune comporte des zones transversales isolantes imperméables (9) aux protons de manière à cloisonner ces derniers à l'intérieur des cellules élémentaires.
10. Dispositif de détection d'eau selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un arrangement matriciel de cellules élémentaires de détection d'eau.
1 1 . Dispositif de cartographie de zones aqueuses caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détection d'eau selon la revendication 10, équipé d'un dispositif de mesures électriques matricielles (12,13).
12. Dispositif d'identification d'empreinte digitale caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de cartographie de zones aqueuses selon la revendication 1 1 .
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