Projet ANR-13-BIME-0006 – Bioelec : Bio-Ingénierie pour les piles à combustible microbiennes
Programme : Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Alain BERGEL (Laboratoire de Génie Chimique)
Partenaires : Laboratoire Analyse et Modélisation pour la Biologie et l'Environnement; Laboratoire d'Économie et de Management Nantes Atlantique; Laboratoire de Génie Chimique; PAXITECH; Divers privé
Montant : 850696.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Des bactéries pour produire de l’énergie électriqueCertaines bactéries ont la capacité d’extraire des électrons de composés organiques en les injectant dans un matériau conducteur. Mises en œuvre dans des piles à combustible, ces bactéries permettent de transformer en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans des effluents et des déchets.
Concevoir un prototype de pile microbienne qui assure une puissance de un WattLe prototype de pile à combustible microbienne sera constitué d’une anode sur laquelle se développent les bactéries «électroactives » (bioanode) qui assure l’oxydation de la matière organique, associée à une cathode de réduction de l’oxygène. Des bioanodes performantes existent mais elles fonctionnent à des pH proches de la neutralité. Pour exploiter des déchets, les bioanodes sont exposées à des milieux complexes, hébergeant une grande diversité microbienne et riches sels et composés organiques. Au contraire, les cathodes de réduction de l’oxygène les plus efficaces fonctionnent à des pH acides et sont très sensibles à la pollution de leur surface par des dépôts biologiques ou organiques. Concevoir une pile microbienne suppose donc de faire converger les conditions de fonctionnement très différentes de la bioanode et de la cathode.Les piles microbiennes sont connues pour délivrer des tensions relativement basses, de l’ordre de quelques centaines de millivolts. La connexion de modules bioanode-cathode en série sera un défi supplémentaire pour atteindre une tension de l’ordre de 1,5 V. Enfin, les cathodes de réduction de l’oxygène sont connues pour limiter les performances globales de la pile. C’est un inconvénient majeur qui sera traité en tentant d’améliorer les cathodes abiotiques et, en parallèle, en concevant des cathodes microbiennes. 
Développer l’ingénierie des piles à combustible microbiennesDes bioanodes performantes existent, des cathodes à air abiotiques également, quelques exemples prometteurs de cathodes microbiennes ont été décrits dans la bibliographie. Chacun de ces éléments est efficace sous des conditions opératoires qui lui sont propres. Le projet Bioelec se propose d’établir les bases d’une ingénierie des piles microbiennes qui appréhende la pile dans son ensemble en confrontant les contraintes relatives à chacun des éléments. C’est une approche globale qui sera ainsi instaurée pour définir l’architecture et les conditions opératoires optimales du prototype. Dans cet objectif, la modélisation numérique des distributions de courant au sein de la pile sera un outil privilégié. En parallèle, on tentera également de hausser les performances de chacun des éléments. Les bioanodes seront améliorées par des modifications de surface destinées à favoriser l’adhésion et le développement des micro-organismes adéquats, les cathodes abiotiques en contrôlant leur structure multicouche, les cathodes microbiennes en identifiant les souches microbiennes les plus appropriées et en avançant dans la compréhension des mécanismes fondamentaux.
Résumé de la soumission : 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.
Résultats : Les progrès réalisés sur la procédure de formation des bioanodes permettent de raccourcir le temps nécessaire à leur formation (de plus d’une dizaine de jours à moins de cinq jours) et de les faire fonctionner dans des milieux relativement propres qui limitent la pollution de la surface des cathodes. La modification de la surface d’électrodes d’acier par des sulfures de fer est maîtrisée et les premiers tests sont prometteurs quant à la formation de bioanodes performantes. Le partenaire PaxiTech maîtrise la production en série de cathodes à air abiotiques et s’engage maintenant dans la conception d’assemblages électrodes-séparateurs. Des cathodes microbiennes de réduction de l’oxygène ont été conçues avec des souches microbiennes pures et des cultures mixtes, au niveau des plus performantes reportées à ce jour. 
Une abondante bibliographie décrit les séparateurs variés qui ont été mis en œuvre dans les piles microbiennes. La confrontation avec l’analyse théorique des transferts ioniques met en lumière plusieurs mauvaises pistes trop souvent proposées et donne maintenant une base solide pour concevoir le prototype.
Perspectives : Le prototype issu de ce projet permettra d’évaluer les performances optimales à attendre des piles microbiennes. L’expérience scientifique et technologique acquise par les partenaires sera précieuse pour identifier les applications possibles de la technologie. Réaliser une cartographie des brevets déposés sur les piles microbiennes est aussi l’une des missions du projet. L’identification des contraintes scientifiques croisée avec l’analyse de l’état de l’art technologique conduira à identifier les voies de développement les plus prometteuses à court terme. A ce jour il semble que les piles microbiennes puissent devenir des sources nomades pour l’alimentation de petits instruments électroniques, mais d’autres secteurs applicatifs ne sont pas à exclure. Le projet assurera également aux partenaires une visibilité internationale pour, le cas échéant, aller vers le dépôt de projets européens.
Publications et brevets : 1) Microbial fuel cell optimization based on potential distribution modelling (oral presentation), 6th international conference on fundamentals and development of fuel cells, Toulouse, 3-5 février 2015. M.Oliot, M.-L.Délia, B.Erable, L.Etcheverry, A.Bergel. 
2) Ionic transfer in microbial fuel cells. M.Oliot, S.Galier, H.Roux de Balmann, A.Bergel, in preparation. 
3) Un brevet sur l’architecture du prototype est envisageable.