Bio-Ingénierie pour les piles à combustible microbiennes – Bioelec

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 publiés, 2 soumis et 4 en préparation pour des journaux à comité de lecture, 1 chapitre de livre et ils ont fait l’objet d’un total de 21 communications dans des congrès et séminaires scientifiques, dont 7 communications orales dans des congrès internationaux.

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.