Catalyse électro-microbienne dans les piles à combustible

• Main Author: Dumas, Claire
• Format: Others
• Published: 2007
• Online Access: http://oatao.univ-toulouse.fr/7685/1/dumas1.pdf; http://oatao.univ-toulouse.fr/7685/2/dumas2.pdf

Les piles à combustible microbiennes (PACM) sont des systèmes qui assurent la conversion directe de matières organiques en énergie électrique en utilisant des biofilms bactériens comme catalyseur des réactions électrochimiques. Cette étude vise à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert électronique entre les bactéries adhérées et les électrodes, ainsi qu'à optimiser la production électrique des PACMs en explorant et caractérisant différents matériaux d'électrodes. Les expériences effectuées en réacteur d'électrolyse sur la souche Geobacter sulfurreducens portent sur la catalyse électro-microbienne de l'oxydation de l'acétate, d'une part et de la réduction du fumarate d'autre part. Du côté anodique, des différences de densités de courant apparaissent sur graphite, DSA® et acier inoxydable (8A/m², 5A/m² et 0,7A/m² respectivement). Ces écarts sont attribués aux différences de rugosité des matériaux plutôt qu'à leur nature. Une étude par spectroscopie d'impédance montre que le biofilm électroactif qui se développe sur l'acier inoxydable ne semble pas modifier les couches d'oxydes du matériau, seul le potentiel imposé reste déterminant. Du côté cathodique, l'acier inoxydable a permis d'obtenir des densités de courant plus de vingt fois supérieures à celles obtenues avec des électrodes de graphite. L'étude de l'adhésion de G.sulfurreducens sur les différents types de matériaux en cellule à écoulement cisaillé, suggère que les biofilms résistent bien aux contraintes hydrodynamiques et ne se détachent pas en-dessous d'une valeur seuil du taux de cisaillement. L'installation de deux prototypes de PACM, l'un en station marine et l'autre directement dans le port de Gênes (Italie) confirme certains résultats obtenus en laboratoire et s'avère prometteur pour l'extrapolation des PACMs à l'échelle pilote. ABSTACT : Microbial fuel cells (MFC) are devices that ensure the direct conversion of organic matter into electricity using bacterial biofilms as the catalysts of the electrochemical reactions. This study aims at improving the comprehension of the mechanisms involved in electron transfer pathways between the adhered bacteria and the electrodes. This optimization of the MFC power output could be done, for example, in exploring and characterizing various electrode materials. The electrolysis experiments carried out on Geobacter sulfurreducens deal with the microbial catalysis of the acetate oxidation, on the one hand, and the catalysis of the fumarate reduction on the other hand. On the anodic side, differences in current densities appeared on graphite, DSA® and stainless steel (8A/m², 5A/m² and 0.7A/m² respectively). These variations were explained more by materials roughness differences rather than their nature. Impedance spectroscopy study shows that the electroactive biofilm developed on stainless steel does not seem to modify the evolution of the stainless steel oxide layer, only the imposed potential remains determining. On the cathodic side, stainless steel sustained current densities more than twenty times higher than those obtained with graphite electrodes. The adhesion study of G.sulfurreducens on various materials in a flow cell, suggests that the biofilms resist to the hydrodynamic constraints and are not detached under a shear stress threshold value. The installation of two MFC prototypes, one in a sea station and the other directly in Genoa harbour (Italy) confirms some results obtained in laboratory and were promising for a MFC scale-up