Les différents designs de PACMs

Parmi les différents types de design rencontrés dans la littérature, il en existe deux catégories : les biopiles à un seul compartiment et les biopiles à deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons. Les PACMs peuvent fonctionner soit en batch (c’est-à-dire en milieu non renouvelé) soit en flux continu (des réactifs sont apportés en continu à un débit contrôlé). Les PACMs présentées dans cette partie mettent en jeu des microorganismes uniquement du côté anodique.

Une application pratique des PACMs requiert de développer un design qui va non seulement permettre d’obtenir une bonne puissance électrique mais aussi être économiquement intéressant pour un développement en masse à faible coût.

8.1. Piles à combustible microbiennes à deux compartiments

Les PACMs à deux compartiments sont composées d’un compartiment anodique et d’un compartiment cathodique. Ces deux parties sont séparées par une membrane échangeuse de protons : généralement une membrane Nafion^® (Dupont) ou Ultrex^® (Membrane International Inc.). Comme dans le cas des PAC, la membrane assure le transfert ionique entre les deux compartiments (passage des protons de l’anode à la cathode) et permet d’éviter le mélange des milieux de chaque compartiment. A la cathode, une solution de ferricyanure (Fe(CN)6^3-) est généralement utilisée car elle permet d’obtenir des puissance entre 1,5 et 1,8 fois supérieures à celles obtenues avec une cathode en platine qui réduit l’oxygène dissous [149].

Le premier type de PACMs à deux compartiments est composé de deux bouteilles reliées par un tube dans lequel une membrane est introduite (Figure 16.A). Cependant, ce système possède une résistance interne élevée en raison de la distance importante entre les deux électrodes et de la présence de la membrane. Plus la résistance interne d’un système est élevée, plus les performances diminuent : on parle de chute ohmique. Ce type de cellules bioélectrochimiques peut aussi avoir une géométrie rectangulaire (Figure 16.B).

La miniaturisation des biopiles microbiennes peut aussi permettre d’améliorer les performances du fait de la faible distance entre les deux électrodes. Ringeisen et al ont ainsi fabriqué une biopile microbienne miniature, dont le volume est de 1,2 mL avec une densité de puissance de 24 mW/m² (Figure 16.C) [64].

En marge des biopiles microbiennes en batch, il existe des biopiles avec une alimentation continue en substrat. Ce design de PACM est particulièrement intéressant dans le traitement

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des eaux usées. Un premier dispositif plaçait l’anode et la cathode de part et d’autre d’une membrane inclinée de 15° afin d’éviter l’accumulation de bulles (Figure 16.D) [81]. Néanmoins, les deux électrodes restent assez éloignées l’une de l’autre, créant ainsi une résistance interne non optimisée (84 Ω). Une amélioration de ce système a consisté à placer une cathode en U dans le compartiment anodique, diminuant ainsi la résistance interne du système puisque la cathode est entourée d’une membrane et l’ensemble est plongé dans le compartiment anodique. Dans ce cas, la résistance interne est de 4 W (Figure 16.E) [150]. Dans ces deux études, les électrodes sont constituées de lits granulaires de carbone, augmentant très largement la surface d’adhésion des microorganismes. L’inconvénient de ce type d’électrode est le colmatage.

Un autre type de PACM a été développé par l’équipe de B. Logan : la Flat Plate Microbial Fuel Cell (FPMFC) [151]. Avec ce design, les électrodes sont directement liées à la membrane suite à un pressage à chaud. Cette PACM fonctionne en alimentation continue aussi bien à l’anode qu’à la cathode. A l’anode, l’alimentation peut soit se faire en eaux usées, soit en milieu riche en matière organique biodégradable. Quant à la cathode, elle est constituée d’une cathode à air utilisant une phase gazeuse pour la réduction de l’oxygène (Figure 16.F).

Figure 16 : (A) Cellule de type "H" d'après Delaney et al [45]; (B) Cellule rectangulaire

d'après Allen et Benetto [25]; (C) Cellule miniature d'après Ringeisen et al [64]; (D) Cellule à lits granulaires d'après He et al [81];(E) Cellule à lits granulaires et cathode interne en U d'après He et al [150]; (F) Cellule plate à écoulement serpentin d’après Min et Logan [151].

Ces trois derniers dispositifs présentés sont bien adaptés pour le traitement des eaux usées en flux continu. Il est toutefois important de noter que les dépenses énergétiques liées à la circulation du fluide sont supérieures aux puissances obtenues, c’est pourquoi ces systèmes visent prioritairement le traitement des eaux plutôt que la production de courant.

8.2. Piles à combustible microbiennes à un compartiment

Les PACMs à compartiment unique sont constituées d’un compartiment anodique et d’une cathode à air, directement en contact avec l’air et avec l’électrolyte. Ce type de cathode permet l’apport d’O2 directement dans l’électrolyte et est généralement constituée de carbone poreux. Les cathodes à air ont dans un premier temps été développées pour les piles à combustibles [153]. Cependant, l’électrolyte utilisé est de nature alcaline [154], le pH est donc basique, ce qui peut présenter un inconvénient pour l’utilisation de microorganismes. Le principal enjeu se situe donc au niveau du pH de l’électrolyte. En effet, l’oxydation du combustible à l’anode produit des protons, ce qui provoque donc la diminution du pH au niveau de l’anode, tandis que la réduction de l’oxygène à la cathode induit une augmentation du pH à son voisinage. Gil et al ont démontré que l’utilisation d’une solution tamponnée de phosphate permettait de remédier à ce problème en maintenant le pH à 7,0, ce qui est préférable pour les microorganismes [155]. Ce type de design offre la possibilité de s’affranchir d’une membrane échangeuse de protons, même si dans ce cas, les performances sont plus faibles qu’avec l’utilisation d’une membrane. Toutefois, la membrane a un intérêt double : éviter d’avoir un déversement de l’anolyte au niveau de la cathode et réduire la diffusion de l’oxygène vers le côté anodique. En effet, Liu et al ont démontré qu’en présence d’une membrane échangeuse de protons, la diffusion de l’oxygène était de 0,05 mg/h, alors qu’en l’absence de cette membrane, la diffusion était de 0,187 mg/h [90]. La diffusion de l’oxygène vers l’anode reste un problème puisqu’elle favorise une compétition entre l’oxydation du substrat par le biofilm et la réduction de l’oxygène ce qui aura pour résultat de diminuer le rendement de la biopile. Plusieurs design ont été proposés afin d’optimiser les performances des PACMs à cathode à air.

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Figure 17 : Représentation schématique des différents designs de PACMs à cathode à air. (A)

PACM avec une couche de membrane échangeuse de protons recouvrant l’intérieur de la fenêtre sur laquelle la cathode est montée [80] ; (B) PACM cylindrique avec la cathode et

l’anode opposées [90]; (C) PACM tubulaire avec la cathode à l’extérieur et l’anode à l’intérieur [156] ; (D et E) PACM contenant 8 électrodes de graphite en tube comme anodes

et entourant une cathode unique (vue de profil et de face) [90]. Illustrations schématiques issues de Du et al [28].

Comme pour les PACMs à double compartiment, il est possible d’avoir une configuration en batch ou en alimentation continue.

En batch, deux configurations existent :

· soit la cathode est placée à l’extérieur du compartiment anodique, et est en contact direct avec la membrane, tandis que l’anode se situe au milieu du compartiment (Figure 17.A),

· soit l’anode et la cathode se font face de part et d’autre du compartiment (la cathode est aussi en contact direct avec la membrane) (Figure 17.B).

Dans une configuration en alimentation continue, il existe deux possibilités :

· La cathode est placée à l’extérieur et tout autour de l’anode (séparée par une membrane), ce qui offre une grande surface d’échange (Figure 17.D)

· La ou les anodes sont placées autour de la cathode (séparée(s) par une membrane) et le flux d’air passe au sein de la cathode (Figure 17.E).

Une autre voie pour augmenter les performances de biopiles microbiennes est l’empilement. Ainsi, plusieurs PACM sont placées en série ou en parallèle. Toutefois, l’inversion de polarité pour une ou plusieurs cellules constitutives d’un empilement en série peut se révéler être un problème puisqu’il peut endommager irréversiblement le biofilm et donc affecter les puissances délivrées [157]–[159].

Figure 18 : (A) Empilement de six cellules à lit granulaire [157], (B) empilement de deux

cellules [158] et (C) PACM en série [159].