Température opératoire

L’augmentation de la température des piles à combustible permet d’augmenter la vitesse des réactions. La densité du courant d’échange augmente avec la température et en conséquence la surtension d’activation est réduite.

L’équation de Nernst donne la relation entre la température et le potentiel d’électrode (Equation I.9). En plus, le potentiel à circuit ouvert de la pile diminue avec la température, par contre une pile qui débite aura de meilleures performances à hautes températures (500 – 1000°C) grâce à la réduction de la surtension tant ohmique que de concentration (Larminie & Dicks, 2003).

La gamme de températures auxquelles les PACMs opèrent est limitée par les contraintes microbiennes. Une pile à combustible haute température peut atteindre des températures de 1000°C, alors qu’une pile utilisant des microorganismes, même s’ils sont thermophiles, atteint seulement environ 60°C avant de voir ses performances diminuer (Choi et al. 2004).

L’élévation des températures augmente la vitesse des réactions enzymatiques. Généralement, les microorganismes croissent plus vite lorsque la température s’élève jusqu’à une valeur optimale à partir de laquelle la vitesse de croissance diminue considérablement. La vitesse spécifique de croissance suit l’équation d’Arrhenius

RT Ea Ae− =

µ

µ est la vitesse spécifique de croissance, h-1 A une constante

Ea l’énergie d’activation des réactions biochimiques dans la cellule microbienne, J/mol R la constant de gaz parfaits, 8,317 J/mol K

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L’allure d’une courbe de µ en fonction de la température n’est pas symétrique (Fig I.11)

Fig I.11 Effet de la température (T) sur la vitesse spécifique de croissance microbienne (µ ). Coordonnées semi-log en µ.

Le logarithme de µ est porté en fonction de l’inverse de la température absolue. Le graphique d’Arrhenius d’une vitesse réactionnelle donne habituellement une droite. Ici Log(µ) ne donne une droite que dans une zone limité de température. En dépassant une température limite la croissance est inhibée brusquement. L’effet de la température est beaucoup plus abrupt du côté de l’élévation de température que du refroidissement (Pelmont J. 1993).

Le calcul de l’énergie d’activation Ea d’un processus microbien donne une idée de l’étape qui limite la croissance : une valeur de Ea faible (41,86 kJ/mol) suggère que des problèmes de transfert de matière limitent la croissance microbienne. L’énergie d’activation varie de 40 – 75 kJ/mol pour des bactéries cultivées à température inférieure à la valeur optimale, i.e. du côté gauche de la courbe µ vs T; il semble que cette énergie augmente à basse température. Il est rapporté pour des bactéries provenant de sols gelés Ea = 110 kJ/mol (Price et al. 2004).

L’effet de la température sur les performances des piles microbiennes a été étudié par divers auteurs. Une approche qui n’a rien à voir avec le choix de la température de fonctionnement mérite toutefois d’être signalée ici pour son originalité, car elle utilise la température pour sélectionner certaines souches. Les sols utilisés comme source d’inoculum Niessen et al. (2006) sont soumis à un choc thermique de 110°C pendant 2h afin d’isoler des espèces productrices de l’hydrogène et de les utiliser ensuite comme inoculum.

Choi et al. (2004) ont utilisé une pile à deux compartiments pour tester deux microorganismes

Bacillus licheniformis et Bacillus thermoglucosidasius à différentes températures : 30, 40, 50,

1/T µ

1/T µ

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températures de 50-60°C, alors qu’à 70°C les performances diminuent rapidement. Ces résultats ont été expliqués comme l’augmentation de la vitesse de transfert des électrons du médiateur jusqu'à l’arrêt de l’activité des microorganismes.

Liu et al. (2005) ont évalué l’effet de la température dans une pile à un seul compartiment avec une cathode abiotique utilisant l’oxygène de l’air. Des effluents urbains ont constitué à la fois la source de biocatalyseur et sans doute aussi en partie de combustible, bien que de l’acétate ait été ajouté. Les températures testées, 20 et 32°C, ont montré une réduction de la puissance avec la réduction de température de 720 mW/m2 à 660 mW/m2. Ces résultats sont expliqués comme dus à la réduction du potentiel de la cathode, car la température n’a pas affecté le potentiel de l’anode. Etant donné la forte dépendance de l’activité microbienne avec la température, il est surprenant que les caractéristiques de l’anode microbienne n’aient pas varié. On peut suspecter que la pile était en fait sévèrement limitée par la cinétique de la cathode.

Plus tard, Jong et al. (2006) ont conçu une pile microbienne dite « thermophile ». Ils ont utilisé une pile à deux compartiments avec l’effluent d’un digesteur anaérobie comme source de biocatalyseur et de l’acétate comme combustible. Ils ont obtenu une puissance de 1030 mW/m2 avec un rendement faradique de 80% à 55°C, à ce jour la valeur la plus élevée rapportée pour des piles microbiennes.

Min et al. (2007) ont évalué la performance d’une pile à combustible à deux compartiments en utilisant des effluents domestiques comme source de biocatalyseur et de l’acétate comme combustible. La phase initiale de démarrage a été réduite de 60h à 30h avec l’augmentation de température de 22 à 30°C. Le rendement faradique a été augmenté de 8% à 43%. Les courbes de puissance ont indiqué des puissances maximales de 70, 46 et 2 mW/m2 pour des piles fonctionnant à 30, 22 et 15°C respectivement. Contrairement à la recherche menée par Liu et al. (2005), les auteurs ont observé que le potentiel de la cathode a conservé la même valeur dans la gamme de température considérée.

Mathis et al. 2008 utilisant des sédiments marins à 22 et 60°C ont obtenus respectivement des densités de courant de 10-22 mA/m² et 209-254 mA/m². L’ajout d’acétate a fait augmenter la

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Il est possible de conclure que l’augmentation de la température améliore les performances des piles microbiennes sans doute par l’augmentation de la vitesse des réactions électrochimiques mais surtout par l’augmentation des vitesses liées aux métabolismes. La comparaison des différents systèmes décrits dans la bibliographie est cependant difficile étant donné la diversité des biocatalyseurs et des combustibles utilisés.

Le Tableau I.5 résume les études concernant l’effet de la température sur les performances des piles microbiennes.

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Tableau I.5 Etudes portant sur l’effet de la température sur les performances des piles microbiennes

Biocatalyseur Combustible Design de PACM Température

(°C)