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Bio-Ingénierie pour les piles à combustible microbiennes – Bioelec

LA CATALYSE MICROBIENNE DANS LES PILES A COMBUSTIBLE : MYTHE OU REALITE ?

Des microorganismes sont capables de catalyser les réactions électrochimiques au sein de piles à combustible ; il est ainsi possible de produire de l’énergie électrique en oxydant des matières organiques peu couteuses et renouvelables. Va-t-on vers une nouvelle filière de production <br />d’électricité?

Développer une ingénierie dédiée aux piles à combustible microbiennes (PCM)

Les PCM assurent la transformation de l’énergie chimique contenue dans toute sorte de composés organiques directement en énergie électrique. A l’anode, l’oxydation électrochimique des matières organiques est catalysée par des micro-organismes qui s’auto-organisent en un biofilm <br />électro-catalytique. A la cathode, c’est généralement la réduction de l’oxygène qui mise en œuvre (cf. schéma). Malgré le foisonnement des recherches depuis le début des années 2000, les puissances délivrées plafonnent à quelques Watt par mètre carré de surface d’électrode et ne sont obtenues que dans des piles de laboratoire de petite taille. Les performances stagnent et la multiplication des dispositifs de laboratoire ne parvient pas à identifier des voies de progression. <br />Le projet a pour objectif de développer une ingénierie dédiée aux PCM afin d’identifier les verrous qui bloquent l’accroissement de leur puissance et trouver les solutions pour les lever. <br />La faible efficacité des cathodes constitue un verrou avéré. Un effort particulier sera donc consenti dans le projet pour améliorer les cathodes de réduction de l’oxygène, en explorant à la fois la voie abiotique et les catalyses microbiennes.

Le fonctionnement global d’une PCM a tout d’abord été analysé à la lumière des compétences multidisciplinaires du consortium. Un cahier des
charges a ainsi été dressé pour guider l’optimisation des éléments (anode, cathode et séparateur) et envisager différentes architectures de pile. Les anodes et cathodes ont été adaptées de façon séparée, avec des montages analytiques pour tendre vers les recommandations du cahier des charges. Un travail fondamental a été dédié à la compréhension des mécanismes des cathodes microbiennes qui sont des alternatives
prometteuses pour pallier la faible efficacité des catalyseurs abiotiques.
Les PCM fonctionnent avec des électrolytes de faible conductivité ionique, il a donc été pressenti que les transports ioniques auraient un rôle majeur. La modélisation théorique des PCM est par conséquent basée sur la distribution des potentiels électrostatiques au sein de l’électrolyte. La confrontation du modèle avec les tests de maquettes a permis de progresser dans la maîtrise des PCM. Enfin, le paysage mondial des acteurs académiques et industriels engagés dans le développement des PCM a été analysé afin de préparer la valorisation des résultats.

Une architecture de PCM originale a permis d’obtenir la densité de puissance la plus élevée à ce jour, égale à 6,4 Watt par mètre carré de surface d’électrode. De même, la maîtrise de certains mécanismes fondamentaux des cathodes microbiennes a permis de hisser leurs
performances au-delà de l’état de l’art. Toutefois, des verrous ont été mis en lumière qui condamnent les PCM à ne délivrer que de faibles puissances. Il apparait irréaliste d’envisager des procédés de production massive d’électricité basé sur la technologie PCM, à moins de réelle rupture conceptuelle.

Le projet donne des bases objectives pour restreindre les applications des PCM à l’alimentation de petits systèmes n’exigeant que peu d’énergie. Les recherches incrémentales pour développer des PCM de grande taille seraient vaines ; des ruptures conceptuelles sont nécessaires pour lever les verrous clairement identifiés dans le projet. Par contre, le projet a
mis en lumière des processus insoupçonnés dans l’auto-organisation des biofilms électroactifs qui ouvrent des voies innovantes pour appliquer les PCM à la récupération d’éléments métalliques et l’élaboration de nanoparticules.

En termes pratiques, le projet a conduit à la mise en place d’une ligne automatisée de fabrication de cathodes à air abiotiques chez le partenaire industriel PaxiTech. D’un point de vue académique, les résultats ont donné lieu à 8 articles scientifiques p

Les piles à combustible microbiennes (PCM) permettent de transformer directement en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans une grande variété de composés organiques. Une PCM utilise les micro-organismes qui adhèrent spontanément sur la surface de l’anode et forment un biofilm qui oxyde des composés organiques en transférant directement les électrons à l’électrode. Grâce à ce nouveau type d’électrocatalyse, découvert au début des années 2000, les PCM produisent de l’énergie électrique en oxydant toute sorte de composés organiques (acétate, acides gras volatils, alcools, (poly)saccharides…) contenus dans les environnements naturels ou qui peuvent être obtenus à partir de biomasses.

La majorité des PCM est constituée d’une bioanode microbienne associée à une cathode à air abiotique. Cette configuration produit de l’électricité en oxydant le plus souvent de l’acétate et en utilisant la réduction de l’oxygène de l’air à la cathode. Ces PCM ont vu leurs performances croître rapidement puis stagner à partir de 2008 à quelques Watt par mètre carré de surface d’électrode. Il semble que l’ingénieur se trouve maintenant dépourvu de piste sérieuse pour dépasser ce seuil de quelques W/m2. Pourtant quelques groupes, dont les partenaires réunis dans le projet antérieur AgriElec (ANR-08, BioE-001), ont conçu des anodes microbiennes qui produisent des densités de courant au-delà de 50 A/m2. A titre de comparaison, la densité de courant fournie par les panneaux photovoltaïques est de l’ordre de 100 à 200 A/m2. Les partenaires du projet antérieur Agrielec ont également produit des cathodes à air abiotiques et des biocathodes microbiennes au niveau de l’état de l’art, mais ils n’ont réussi qu’à hausser la limite actuelle en densité de puissance de quelques W/m2.

L’expérience acquise au cours du projet antérieur amène plusieurs constats : les bioanodes et les cathodes biotiques ou abiotiques conçues séparément de façon optimale ne fonctionnent pas en harmonie lorsqu’elles sont réunies au sein d’un module de PCM ; les analyses de types physico-chimique ou ingénierie des PCM sont rares et se cantonnent à l’un ou l’autre des éléments de la pile mais n’embrassent son fonctionnement global; enfin les cathodes représentent un verrou majeur, les cathodes à air abiotiques ont des performances limitées, les biocathodes microbiennes semblent prometteuses mais leur potentiel a été assez peu investigué.

Le projet Bioelec veut initier une démarche d’ingénierie « dans le bon sens ». Le fonctionnement des PCM sera d’abord analysé en termes de thermodynamique, transferts de matière et cinétiques électrochimiques pour en tirer les conditions opératoires optimales pour chacun des éléments. Ce sont ces conditions, extraites de l’analyse de l’ensemble, qui seront ensuite imposées à la conception des électrodes. Un premier prototype sera construit avec une cathode à air abiotique assemblée avec un séparateur (ou membrane) et une bioanode. Cet assemblage séparateur-électrodes devra assurer une puissance de 1 Watt. Un second prototype aura pour objectif de lever le verrou de la cathode en développant une biocathode microbienne à air. Il s’agit là de coupler les concepts de cathode à diffusion gazeuse et de cathode microbienne pour franchir l’obstacle de la faible solubilité de l’oxygène en solution. C’est un objectif exploratoire plus ambitieux.

Le consortium est composé de cinq par partenaires : une société industrielle qui fabrique des piles à combustible hydrogène-air, trois laboratoires qui apportent des expertises en ingénierie, microbiologie et physico-chimie des surfaces et une société d’accélération des transferts de technologie.

Coordinateur du projet

Monsieur Alain Bergel (Laboratoire de Génie Chimique) – Alain.Bergel@ensiacet.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LGC Laboratoire de Génie Chimique
PAXITECH
LEMiRE Laboratoire d'écologie microbienne de la rhizosphère et d'environnements extrêmes
LAMBE Laboratoire Analyse et Modélisation pour la Biologie et l’Environnement

Aide de l'ANR 850 696 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2014 - 42 Mois

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