FR2871478A1 - Systeme d'intrusion et de collision cation-electrons dans un materiau non conducteur - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif d'intrusion des ions H+ et des électrons à l'intérieur d'un matériau non-conducteur afin de favoriser leurs collisions à basse énergie.La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte- au moins un générateur de champ électromagnétique pour l'extraction dudit ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène et le transfert dudit ion H+ vers ladite cathode- au moins un matériau non conducteur positionné entre au moins une partie dudit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode.ladite collision étant réalisée au sein dudit matériau non conducteur.

Description

SYSTEME D'INTRUSION ET DE COLLISION ANION-ELECTRONS
DANS UN MATÉRIAU NON-CONDUCTEUR La présente invention se rapporte au domaine de la manipulation des particules par des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques dans la matière.
La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'intrusion des ions H+ et des électrons à l'intérieur d'un matériau nonconducteur afin de favoriser leurs collisions à basse énergie.
L'art antérieur connaît déjà le principe de l'électrolyse pour permettre une création d'hydrogène. La figure 1 illustre le principe général de l'électrolyse. Une cathode est placée par exemple dans de l'eau acidifiée. Sous l'effet d'un courant électrique, les ions H+ contenus dans l'eau sont attirés vers la cathode. La cathode donne alors des électrons qui forment avec les ions H+ des atomes d'hydrogène puis des molécules d'hydrogène. La présence d'hydrogène est visible par l'émission de bulles dans le liquide. Une partie de cet hydrogène peut pénétrer par diffusion à l'intérieur de la cathode en fonction des caractéristiques physico-chimiques de ladite cathodes.
Dans le brevet US 4466820, l'électrolyse est utilisée pour extraire des ions d'une céramique. Les différents ions chargés sont alors attirés selon leur charge vers la cathode ou l'anode.
L'inconvénient de ces méthodes d'électrolyse pour la création d'hydrogène ou la migration des particules de l'art antérieur est que les atomes d'hydrogène ne peuvent pas être stockés après leur création, et s'échappent par exemple sous forme de micro bulles de gaz.
La présente invention entend entre autres applications remédier à cet inconvénient de l'art antérieur en utilisant le principe de l'électrolyse pour stocker de l'hydrogène hors des réservoirs classiques de gaz sous pression.
Des essais de stockage de l'hydrogène ont déjà été mis en oeuvre dans les hydrures métalliques par les laboratoires du CNRS (http://ulysse.qlvtcnrs. fr/lcmtr/hydrures.html). L'idée de base de ces essais est que beaucoup de métaux et composés intermétalliques ont la propriété d'absorber l'hydrogène de façon réversible dans des conditions proches de la pression et de la température ambiante. Ils forment alors des hydrures dont la capacité de stockage de l'hydrogène est d'au moins un atome d'hydrogène par atome métallique. Par comparaison, cette capacité est deux fois supérieure en volume à celle de l'hydrogène liquide. Les hydrures métalliques sont étudiés à la fois pour leurs propriétés fondamentales et pour leurs applications. Les composés intermétalliques sont obtenus par cofusion des éléments purs sous atmosphère contrôlée en four à induction haute fréquence, en four à arc ou par mécano synthèse. Les hydrures de ces composés sont synthétisés par réaction avec l'hydrogène gazeux dans des bancs volumétriques (méthode de Sievert). Ces dispositifs expérimentaux permettent de déterminer les propriétés thermodynamiques de la réaction d'hydruration (pression d'équilibre, capacité, enthalpie et entropie de formation). Les hydrures peuvent être aussi synthétisés en réaction électrochimique par dissociation de la molécule d'eau, processus largement utilisé dans les batteries alcalines de type Ni-MH. Les structures des composés intermétalliques et de leurs hydrures sont caractérisées par diffraction de rayons X et des neutrons. Leurs propriétés physiques sont étudiées par mesures magnétiques, spectroscopie Môssbauer, absorption X. De façon plus générale, l'art antérieur connaît également des procédés de transfert d'ions dans les matériaux poreux. La publication des chercheurs O.Amiri, A.Aït-Mokhtar, A. Seigneurin, A.Ammar-B, "Etude théorique et expérimentale de l'action d'un champ électrique sur la diffusion des chlorures dans les bétons", 15èmes Rencontres Universitaires de Génie Civil, Strasbourg, 9-10 mai, pp.259265, 1997 (Erreur! Signet non défini.) met par exemple en évidence les principaux mécanismes de transport ionique en interaction avec les couches d'adsorption électrocapillaire de l'électrolyte contenu dans une structure porale.
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser le stockage de l'hydrogène dans d'un matériau non conducteurs (par exemple des cristaux ou des céramiques) non plus par une réaction d'hydruration mais par insertion d'ions H+ au sein du matériau en présence d'une cathode et d'un champs électrique de transfert (figure 4).
La présente invention est particulièrement adaptée à la collision à basse énergie (de quelque électron-volts à quelques centaines d'électron-volts) d'au moins un ion H+ avec un électron qui dans les conditions déterminées de choix de champs électrique, magnétique et du matériau non-conducteur permet de créer un neutron afin d'obtenir par exemple une source à neutron de faible énergie La présente invention est également particulièrement adaptée à la collision à basse énergie d'un ion H+ et un électron qui dans les conditions déterminées de choix de champs électrique, magnétique et du matériau non-conducteur permet de créer un atome d'hydrogène au sein d'un matériau non-conducteur par exemple pour réaliser une unité de stockage d'hydrogène.
Pour ce faire, la présente invention est du type décrit ci-dessus et elle est remarquable, dans son acception la plus large, en ce qu'elle concerne un dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins un générateur de champ électromagnétique apte à réaliser l'extraction dudit ion H+ dudit composé 2871478 5 contenant de l'hydrogène et le transfert dudit ion H+ vers ladite cathode - au moins un matériau non conducteur positionné entre au moins une partie dudit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode, ladite collision étant réalisée au sein dudit matériau non conducteur.
De préférence ledit générateur de champ électromagnétique est constitué de deux plaques conductrices mises sous tension.
Selon un mode de réalisation, ladite cathode est confondue avec une desdites plaques conductrices.
Selon un mode de mise en oeuvre, ledit 20 composé contenant de l'hydrogène est une solution acide aqueuse électrolytique.
Selon les modes de réalisation, ledit composé contenant de l'hydrogène est un composé liquide 25 solide, gazeux ou un plasma.
Avantageusement, ledit matériau non conducteur est une céramique.
De préférence, ledit matériau non conducteur est constitué d'au moins une couche de céramique.
Avantageusement, ledit matériau non conducteur est constitué d'au moins une couche de cristal et d'au moins une couche de céramique.
Selon un mode de mise en oeuvre, ladite céramique comprend du nitrure de bore hexagonal (BNh).
Selon une variante, ledit matériau non conducteur recouvre au moins une partie de ladite cathode.
Selon une autre variante, ledit matériau non 15 conducteur recouvre la totalité de ladite cathode.
De préférence, ledit matériau non conducteur empêche tout contact entre ledit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode.
De préférence, le dispositif comprend en outre une anode.
Selon un mode de réalisation, l'énergie 25 dudit ion H+ au sein dudit matériau non conducteur est telle que ladite collision entraîne la fabrication d'un neutron.
Selon un autre mode de réalisation, 30 l'énergie dudit ion H+ au sein dudit matériau non conducteur est telle que ladite collision entraîne la fabrication d'un atome d'hydrogène.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'au moins un atome d'hydrogène à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: - positionner au moins un matériau non conducteur entre au moins une partie dudit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode.
- extraire au moins un ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène insérer ledit ion H+ au sein dudit matériau non conducteur, ledit ion H+ entrant en collision avec au moins un électron fourni par ladite cathode au sein dudit matériau non conducteur.
De préférence, l'étape d'extraction d'au moins un ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène est réalisée grâce à un champ électromagnétique.
Avantageusement, ladite étape d'insertion dudit proton au sein dudit matériau non conducteur est réalisée par transfert ionique.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de
la description, faite ci-après à titre purement
explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: La figure 1 illustre le principe de l'électrolyse et de la production d'hydrogène selon l'art antérieur; La figure 2 illustre un mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 illustre l'intrusion d'un atome d'hydrogène au sein d'une maille de cristal.
La figure 4 illustre le mécanisme de formation d'un atome d'hydrogène à l'intérieur du matériau non conducteur à l'approche de la plaque cathodique Selon un mode de réalisation illustré figure 2, le dispositif selon l'invention comprend un générateur de champ électrique 1 associé éventuellement à un générateur de champs magnétique, un élément 3 de type solide, liquide ou gazeux contenant en totalité ou en partie de l'hydrogène sous forme ionique, plasma, gazeuse, liquide ou solide, et une plaque cathodique 4 de telle sorte que le matériau non conducteur 2 est positionné entre la plaque cathodique 4 et l'élément 3 contenant l'hydrogène sous au moins l'une des formes cité ci-dessus. Eventuellement, la plaque cathodique 4 et les générateurs de champs électromagnétiques peuvent être confondus en un seul élément.
Le principe général du dispositif précédent est que le champ électromagnétique produit par le générateur 1 crée, accélère et oriente les ions H+ (proton ou isotopes se rapportant à l'hydrogène comme le deutéron ou le tritium) des différents états de l'hydrogène contenu dans l'élément 3. Le matériau non conducteur 2 est orienté de telle façon que, sous l'action de ces forces, les ions H+ (proton) pénètrent à l'intérieur du matériau avant d'être au contact de la cathode.
Le matériau 2 étant non conducteur, les électrons libérés par la cathode ne vont pas traverser le matériau et rejoindre le composé à base d'hydrogène, ce qui provoquerait une réaction d'électrolyse classique, par exemple dans l'eau. La présence de ce matériau sert donc à retenir les électrons pour qu'ils ne passent pas dans l'électrolyte et permettre ainsi d'obtenir un lieu de réaction favorable entre les ions H+ et les électrons.
A l'intérieur du matériau non conducteur, des électrons e- sont ainsi fournis aux ions H+ (protons) par le biais de la plaque cathodique 4. Les ions H+ (proton) captent alors ces électrons pour se transformer en hydrogène, réalisant ainsi une unité de stockage d'hydrogène au sein du matériau non conducteur 2.
Notons qu'expérimentalement, cette pénétration des électrons dans le matériau non conducteur est visible par l'apparition d'un courant au sein du système.
Par rapport aux systèmes d'électrolyse classiques, le matériau 2 étant non conducteur, les électrons ne peuvent pas rejoindre les ions H+ sous le seul effet d'un courant électrique. Le champ électrique produit par un générateur électrique permet alors à ces ions H+ d'aller vers la plaque cathodique via le matériau non conducteur 2.
Lorsque les ions H+ s'approchent de la plaque cathodique, des électrons se détachent de la plaque cathodique et se dirigent vers ces ions à travers le matériau non conducteur sous l'effet de la force électrostatique des ions. Les principes physiques d'un tel phénomène sont bien connus. Il s'agit de l'effet tunnel en mécanique quantique, des micro-claquages en électronique ou des émissions électrostatiques en théorie des champs.
Enfin, la plaque cathodique ne doit posséder aucune zone de contact avec le composé contenant de l'hydrogène afin de ne pas provoquer de réaction au sein du composé. Le dispositif est donc par exemple constitué d'un percement comme sur la figure 1 pour laisser passer les ions H+ mais interdire tout contact entre ceux-ci et la cathode.
Par ailleurs, afin d'isoler la cathode mise sous tension de tout environnement extérieur, celle-ci est recouverte en partie d'un isolant empêchant par exemple le transport ionique dans l'air et donc la perte des électrons pour la réaction de collision. Cet isolant peut par exemple être le matériau non conducteur 2 lui-même ou tout autre matériau isolant.
Le principe général précédent n'est bien sûr obtenu qu'en maîtrisant les différents paramètres des champs et des matériaux utilisés.
Nous allons maintenant décrire un mode spécifique de réalisation en fixant différents paramètres du dispositif précédent dans le cadre de stockage d'hydrogène dans un matériau non conducteur de type céramique ou cristal.
Il doit être entendu que l'invention ne dépend pas du type de matériau non conducteur utilisé. En particulier, le dispositif est adaptable à une succession de couches de céramiques du même type ou de type différent, ou à une succession de couches de cristal, ou même à une succession de couche de céramique et de cristal.
Pour une distance d entre deux plaques de 3mm et une source de haute tension variable de 1000 à 30000 Volts, le champ électrique obtenu est au maximum de E = AV/D= 10' V/m.
Illustré sur la figure 3, le matériau non conducteur 2 utilisé est par exemple du nitrure de bore hexagonal BNh présentant des caractéristiques chimicophysiques adaptées pour contenir l'hydrogène. En effet, la modélisation des mailles en tenant compte des rayons de Van der Waals des atomes en première approximation permet de calculer l'espace d'occupation réelle qui est disponible pour l'hydrogène. Cet espace est bien adapté au rayon de Van der Waals de l'hydrogène atomique ou moléculaire.
Il faut noter que les rayons de Van der Waals de l'état atomique et de l'état moléculaire de l'hydrogène étant égaux, il est possible de former des atomes d'hydrogène au sein du matériau non conducteur, mais aussi de l'hydrogène à l'état moléculaire.
La source d'hydrogène 3 est une solution acide aqueuse H3O+ permettant de disposer d'une quantité suffisante d'ions H+. Elle est par exemple obtenue à partir de l'acide sulfurique (H2SO4) par la réaction H2 SO4 + 2H2O -> 5042 + 2H3O+ 10 A l'aide d'une quantité d'énergie suffisante grâce à une intensité du champ adaptée, les ions H+ lié aux molécules d'eau par des forces électrique (liaison hydrogène) peuvent être arrachés. Quitte à augmenter la tension aux bornes des plaques du dispositif électrique, le champ électrique E permet, au moins statistiquement, d'arracher une partie des ions H+ (proton) de la solution aqueuse.
En effet, la force obtenue par le champ électrique du dispositif (10' V/m) est en théorie bien inférieure à la force de liaison H des protons dans l'eau. Cependant, les ions H+ étant mobiles entre les molécules ou les agrégats de molécules d'eau il est possible d'extraire une partie de ces ions, même avec une force issue du champ inférieure à la liaison H. Notons par ailleurs que préférablement, le dispositif contient également une anode permettant de neutraliser le milieu. En effet, lorsque les ions H+ sont extraits de l'acide sulfurique, la différence de charge créée par la prépondérance des ions chargés négativement SO42- a tendance à retenir les ions H+ par attraction électrostatique et à les empêcher de se diriger vers le matériau non conducteur. L'anode, en attirant les ions chargés négativement SO42- permet alors une neutralisation du milieu favorable à la migration des ions H+ pour la fabrication de l'hydrogène. Dans ce mode spécifique de réalisation le champ électromagnétique est généré par les plaques anode et cathode portées à haute tension.
Selon ce mode de réalisation, la plaque cathodique (4) peut être confondue avec la plaque haute tension (1) correspondant au sens de parcours des ions H+ sous l'action du champ électrique E. Le champ électrique généré par le dispositif attire alors les ions H+ à l'intérieur de la céramique par transfert ionique de type connu.
La céramique BNh étant un isolant électrique, l'ion H+ traverse la céramique pour s'approcher de la plaque cathodique. Arrivé à quelques nanomètres de la plaque cathodique, il se transforme alors en hydrogène en capturant un électron issu de la plaque cathodique comme illustré figure 3.
La céramique constitue alors une unité de stockage d'hydrogène pouvant par exemple être utilisé comme vecteur d'énergie, par exemple au sein d'une pile à combustible.
En particulier, à l'intérieur d'une pile à combustion, le matériau non conducteur utilisé dans l'invention devient un réservoir d'hydrogène rechargeable.
En effet, sous l'effet de la température, par exemple à 300 K, les atomes d'hydrogène possèdent une énergie cinétique qui leur permet de transiter de maille en maille au sein du matériau non conducteur où ils sont stockés. La céramique libère donc l'hydrogène qu'il contient peu à peu par diffusion et en se chauffant grâce au fonctionnement de la pile. Le temps de diffusion peut par ailleurs être maîtrisé selon la taille des mailles du matériau non conducteur. Plus la céramique sera dense, plus la diffusion de l'hydrogène sera longue.
Notons enfin que selon l'énergie apportée à l'ion H+ et donc la force du champ électromagnétique sur le composé contenant de l'hydrogène, la réaction au sein du matériau non conducteur à partir de l'ion H+ et d'un électron est une réaction nucléaire produisant un neutron.
Le matériau non conducteur devient alors une source de neutron suite à la collision entre des protons de basse énergie à des électrons émis par la cathode.
L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims (23)

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins un générateur de champ électromagnétique apte à réaliser l'extraction dudit ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène et le transfert dudit ion H+ vers ladite cathode au moins un matériau non conducteur positionné entre au moins une partie dudit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode, ladite collision étant réalisée au sein dudit matériau non conducteur.
2. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur est constitué de deux plaques conductrices mises sous tension.
3. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cathode est confondue avec une desdites plaques conductrices.
4. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composé contenant de l'hydrogène est une solution acide aqueuse électrolytique.
5. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composé contenant de l'hydrogène est un composé liquide.
6. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composé contenant de l'hydrogène est un composé solide.
7. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composé contenant de l'hydrogène est un composé gazeux.
8. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composé contenant de l'hydrogène est un plasma.
9. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur est une céramique.
10. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur est constitué d'au moins une couche de céramique.
11. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur est constitué d'au moins une couche de cristal et d'au moins une couche de céramique.
12. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite céramique comprend du nitrure de bore hexagonal (BNh).
13. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur recouvre au moins une partie de ladite cathode.
14. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur recouvre la totalité de ladite cathode.
15. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau non conducteur empêche tout contact entre ledit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode.
16. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la 2871478 18 revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une anode.
17. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie dudit ion H+ est telle au sein dudit matériau non conducteur que ladite collision entraîne la fabrication d'au moins un atome d'hydrogène.
18. Dispositif pour la collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie dudit ion H+ est telle au sein dudit matériau non conducteur que ladite collision entraîne la fabrication d'au moins un neutron.
19. Procédé de collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes.
- positionner au moins un matériau non conducteur entre au moins une partie dudit composé contenant de l'hydrogène et ladite cathode.
extraire ledit au moins un ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène insérer ledit au moins un ion H+ au sein dudit matériau non conducteur, ledit ion H+ entrant en collision avec au moins un électron fourni par ladite cathode au sein dudit matériau non conducteur. 30
20. Procédé de collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode selon la revendication 19 caractérisé en ce que l'étape d'extraction d'au moins un ion H+ dudit composé contenant de l'hydrogène est réalisée grâce à un champ électromagnétique.
21. Procédé de collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode selon la revendication 19 caractérisée en ce que ladite étape d'insertion dudit proton au sein dudit matériau non conducteur est réalisée par transfert ionique.
22. Procédé de collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode selon la revendication 19 caractérisée en ce que l'énergie dudit ions H+ au sein dudit matériau non conducteur est telle que ladite collision entraîne la fabrication d'un atome d'hydrogène.
23. Procédé de collision d'au moins un ion H+ et d'au moins un électron à partir d'un composé contenant de l'hydrogène et d'au moins une cathode selon la revendication 19 caractérisée en ce que l'énergie dudit ions H+ au sein dudit matériau non conducteur est telle que ladite collision entraîne la fabrication d'un neutron.
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