Bioelec — Bio-Ingénierie pour les piles à combustible microbiennes

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.