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Bacteria Energy Recovery System Using Natural Soil Bacteria in a Microbial Fuel Cells

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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Bacteria Energy Recovery System Using Natural Soil

Bacteria in a Microbial Fuel Cells

Mémoire

Nathaniel Brochu

Maîtrise en génie électrique - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

(2)
(3)

Résumé

Ce mémoire présente un système de stockage de la puissance électrique à partir de piles à bactéries basé sur une approche à deux cycles pour alimenter deux capteurs intégrés : un capteur pH portatif à ultra-basse consommation électrique et un capteur de son. Deux cycles chargent et déchargent entre 1 à 7 piles à bactéries pour charger une super capacité. Cela permet au système de produire une puissance constante de 0.14 mW à une charge et une fréquence de 100 kΩ et 10 Hz respectivement. Ce système ne demande aucune énergie externe pour être alimenté. Effectivement, un module de démarrage a été intégré afin de permettre au système entier de démarrer après que les biopiles chargent la super capacité pendant trois jours. Le capteur de pH conçu présente des erreurs de mesure inférieures à 5% à 25◦C et peut

fonctionner continuellement lorsqu’il est alimenté par le système de stockage de puissance électrique conçu. Nous avons également utilisé ce système pour alimenter un capteur de son.

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Abstract

This thesis presents a Bacteria Energy Recovery System (BERS) based on a two cycle approach to power two embedded sensors: an ultra-low electrical power consumption portable pH meter and a sound sensor. The two cycle charge and discharge between 1 to 7 Microbial Fuel Cell (MFC) to charge a super capacitor. This allows the BERS to provide a constant 0.14 mW at a load and frequency of 100 kΩ and 10 Hz respectively. The BERS system requieres no outside energy to be powered on. Indeed a start up module has been integrated allowing the whole system to turn on after the MFCs charges the super capacitor for three days. The powered pH sensor has an error below 5% at 25◦C and can function continously while being powered

(5)

Table des matières

Résumé iii

Abstract iv

Table des matières v

Liste des tableaux vii

Liste des figures viii

Remerciements x Avant-propos xi Introduction 1 0.1 Mise en contexte . . . 1 0.2 Objectifs et contraintes . . . 2 0.3 Organisation du mémoire . . . 2 1 Revue de littérature 3 1.1 Introduction. . . 3

1.2 Les sources d’énergies conventionnelles . . . 3

1.3 Sources de tensions ambiantes . . . 4

1.4 Les piles à bactéries . . . 9

1.5 Système de stockage de puissance de piles à bactéries . . . 15

1.6 Discussion . . . 21

2 Bacteria Energy Recovery System Using Natural Soil Bacteria in a Microbial Fuel Cells 23 2.1 Abstract . . . 23

2.2 Introduction. . . 24

2.3 Systems architecture . . . 25

2.4 Results and discussion . . . 29

2.5 Conclusion . . . 35

3 Ultra-low power pH sensor powered by microbial fueled cells 37 3.1 Abstract . . . 37

(6)

3.2 Introduction. . . 37

3.3 Theoretical Background . . . 38

3.4 System Architecture . . . 41

3.5 Results and discussions. . . 42

3.6 Conclusion . . . 43

Conclusion 46

(7)

Liste des tableaux

1.1 Tableau comparatif entre les différents type d’énergie ambiante. . . 10

1.2 Tableau comparatif entre les différents type d’énergie ambiante. . . 15

2.1 Current consumption of each components from manufacturer. ©2020 IEEE . . 29

2.2 Voltage and power of each MFC used in this paper. ©2020 IEEE . . . 30

(8)

Liste des figures

1.1 Système de stockage de puissance du vent. . . 5

1.2 Schéma d’un autre système de stockage de puissance RF. . . 7

1.3 Schéma d’un système de stockage de puissance RF. . . 8

1.4 Principe de fonctionnement d’une pile à bactérie. . . 11

1.5 Schéma d’une pile à bactéries sur papier. . . 14

1.6 Diagramme de bloc du système de contrôle de la puissance électrique. . . 16

1.7 Schéma du système de contrôle de la puissance électrique. . . 16

1.8 Tension du système de contrôle de puissance électrique fonctionnant à l’aide d’une pile à bactéries (vue d’ensemble). . . 17

1.9 Tension du système de contrôle de puissance électrique fonctionnant à l’aide d’une pile à bactéries (vue rapprochée). . . 18

1.10 Schéma des deux cycles de stockage de puissance. . . 19

1.11 Pourcentage d’énergie récupérée des piles à bactéries. . . 20

1.12 Pourcentage de l’efficacité de la conversation de l’énergie . . . 20

1.13 Effet de l’inversion de la tension sur un système à multiples piles à bactéries. . 21

2.1 (a) MFCs, (b) start-up unit and (c) control and measurement unit and energy-storing unit. ©2020 IEEE . . . 25

2.2 Switched capacitor unit. ©2020 IEEE . . . 25

2.3 (a) System bloc diagram and (b) capacitor bank modes ©2020 IEEE. . . 26

2.4 Detailed view of the pH sensor. ©2020 IEEE . . . 27

2.5 Full BERS system. ©2020 IEEE . . . 28

2.6 Full pH system. ©2020 IEEE . . . 28

2.7 MFC 1, 2, 3 and 4 being connected to the BERS one per one. ©2020 IEEE . . 30

2.8 Voltage curve of each MFC while powering the system. ©2020 IEEE . . . 31

2.9 BERS current output while connected to different external resistances. ©2020 IEEE . . . 31

2.10 Power curve of the BERS system using MFC 1 to 6. The total power was measured using a standard multimeter while the power calculated comes from adding all the individual MFC power outputs. ©2020 IEEE . . . 32

2.11 Power curve of the BERS system using MFC 1 to 4 for various frequency. ©2020 IEEE . . . 32

2.12 Time needed to activate the BERS. ©2020 IEEE . . . 33

2.13 Comparaison between the ultral-low power pH meter and a commercial one. ©2020 IEEE . . . 33

(9)

2.14 Voltage curve of the newly designed pH sensor. The linear fit results in a slope

of -56.33 mV/pH at 25◦C. ©2020 IEEE . . . . 34

2.15 Time needed to discharge the energy-storing unit to under 3V using the pH

meter. ©2020 IEEE . . . 34

2.16 Sensor circuit design with embedded two MFC unit to provide 2.4 V. ©2020

IEEE . . . 35

2.17 Frequency response of the designed sensor where the cutoff frequency was at

6.1 kHz. ©2020 IEEE . . . 36

3.1 Schematic of a of microbial fuel cell. . . 39

3.2 SEM picture of typical electroactive bacteria present at the anode of a MFC. [11] 39

3.3 Detailed view of a sensor pH. . . 40

3.4 Power curve of the soil MFC as acquired from the bacteria energy recovery

system. . . 41

3.5 Schematic view of the pH sensor. . . 42

3.6 Experimental setup. . . 42

3.7 Voltage versus pH obtained using the ultra-low power pH captor. The slope obtained using the linear fitting from the software OriginPro is -56.33 mV/pH

at 25 ◦C. . . . . 43

3.8 pH comparison between the newly designed pH sensor and a commercial pH

sensor. . . 44

3.9 pH value obtained over 4 tests. . . 44

(10)

Remerciements

Je remercie mon directeur de thèse le professeur Amine Miled de m’avoir inclus dans son équipe de recherche (Laboratoire de recherche en bio-ingénierie LABioTRON). Grâce à lui, je suis parvenu a acquérir de nombreuses compétences et connaissance en génie électrique, gestion de projet, solution de projet, programmation et impression 3D. Son aide m’a été indispensable tout au long de mon mémoire. Je remercie également le professeur Jesse Greener d’avoir fourni les piles à bactéries au laboratoire, sans quoi ce projet de maîtrise n’aurait pas existé. Je remercie ensuite le professeur Mario Leclerc de m’avoir aidé dans la conception du capteur pH. Aussi je remercie mes collègues Hamza Landari et Shimwe Dominique Niyonambaza de m’avoir aidé plus d’une fois au cours de cette maîtrise. Merci au CERMA, à l’université Laval et au fond Apogée, Sentinelle Nord pour leur soutien financier tout au long de ma maîtrise.

(11)

Avant-propos

Ce mémoire se base sur un article présenté dans les chapitre 2. L’article : "Bacteria Energy Recovery System Using Natural Soil Bacteria in a Microbial Fuel Cells". Il a été soumis le (à déterminer) au journal IEEE measurement and instrumentation. Cet article pré-sente le développement d’un système d’emmagasinement de puissance électrique spécifique aux piles à bactéries, son architecture, ses interfaces, sa fabrication et ses performances. L’ar-chitecture, les interfaces et la fabrication du système ont été réalisées pas le premier auteur alors que la conception des piles à bactéries a été faite par Jesse Greener, Lingling Gong et Mehran Abbaszadeh-amirdehi. Ce projet s’intègre dans une collaboration avec le département de chimie de l’Université Laval. Le professeur Mario Leclerc m’a donné de judicieux conseils lors du développement du capteur pH. Finalement, Dmytro Humeniuk a créé le premier pro-totype du système développé au cours de ce mémoire. L’article a été rédigé par le premier auteur et révisé et amélioré par les coauteurs.

D’autres articles ont été ajoutés à ce mémoire afin de présenter l’étendu du travail accompli. Dans l’article "Ultra-low power pH sensor powered by microbial fueled cells" Jesse Greener m’a encore aidé à la conception des piles à bactéries. Dans l’article "Simulation and experimental results of a microfluidic dipole intended for brain experiments" Hamza Landari m’a aidé dans le design de la sonde.

Finalement, Amine Miled m’a bien sûr conseillé et épaulé tout au long de ces projets.

La seule différence entre les articles envoyés aux journaux et ceux dans la thèse est la mise en page et l’ajout de copyrights.

(12)

Introduction

0.1

Mise en contexte

L’Internet of Things (IoT) est un phénomène de plus en plus important dans la vie cou-rante. Les voitures, les téléphones, les maisons et bien d’autres appareils sont désormais liés en tout temps entre-eux. Cela a pour conséquence de faciliter la vie des gens, mais également d’augmenter la dépendance aux sources d’électricité. Effectivement, le besoin en énergie est présentement omniprésent dans la société et il est coûteux de développer des infrastructures permettant le transport de l’énergie. Pour palier ce problème, les chercheurs explorent de nou-velles façons d’emmagasiner la puissance électrique, notamment en récoltant en permanence de l’énergie ambiante. Les courants d’air, les vibrations, la chaleur humaine, le sol et bien d’autres sources d’énergie ont été explorées.

Afin de participer à l’avancement de cette recherche, au cours de ma maîtrise, j’ai expéri-menté l’utilisation de piles à bactéries, également appelées Microbial fuel Cell (MFC). Afin d’atteindre les objectifs de ce projet, il a fallu baser le système sur deux cycles. Cela est né-cessaire, car il est impossible d’emmagasiner la puissance des piles à bactéries sur une longue durée en raison de l’inversion de tension. Ce phénomène survient lorsque les bactéries des cellules ne parviennent plus à se nourrir en raison du manque d’électrons présents dans le système. Ces deux cycles contrôlent la charge et la décharge de quatre condensateurs à l’aide de quatorze commutateurs par MFC et d’un microcontrôleur. Les condensateurs de chaque MFC déchargent leur puissance dans une supercapacité afin d’obtenir une tension pouvant aller jusqu’à 10V. L’architecture électronique a été entièrement designée sur PCB. Les MFCs ont été fabriquées en recouvrant de terre et de bactéries une laine d’acier dans un pot mas-son afin d’en former l’anode. Une autre laine d’acier à été posée au sommet du pot masmas-son en guise de cathode. Des fils de cuivre relient l’anode et la cathode au système électronique. Une version optimisée du système d’emmagasinement de puissance pourra fournir une source d’énergie verte. Il sera également possible de s’en servir lors d’expéditions en milieux hostiles où la quantité d’énergie est limitée, car il s’agit également d’une énergie renouvelable.

(13)

0.2

Objectifs et contraintes

L’objectif de ce projet de recherche est d’alimenter un capteur pH portatif à ultra-basse consommation électrique par un système de stockage de puissance électrique avec des piles à bactéries à base de sédiments. Le système doit satisfaire certains critères afin de s’assurer de son utilité pour les futurs utilisateurs. Les contraintes sont listées ci-dessous :

1. Le capteur pH doit avoir au moins 30 minutes d’autonomie fonctionnelle. 2. Le système de stockage de puissance électrique doit être intuitif à utiliser. 3. La vitesse des cycles de charge et décharge doit être variable.

4. Une interface d’utilisateur doit pouvoir mesurer en temps réel la tension des MFCs.

0.3

Organisation du mémoire

Il y a cinq chapitres dans ce mémoire qui sont séparés de cette façon :

1. Le premier chapitre consiste en une revue de littérature des différentes sources d’énergies ambiantes et des systèmes d’exploitations de puissance électrique des MFCs.

2. Le deuxième chapitre présente le système d’emmagasinement de puissance ainsi que les résultats obtenus sous forme d’article. Bacteria Energy Recovery System Using Natural Soil Bacteria in a Microbial Fuel Cells soumis au journal IEEE measu-rement and instrumentation le 5 mai 2020 .

3. Le troisième chapitre présente le capteur pH portatif ultra-basse consommation sous forme d’article. Ultra-low power pH sensor powered by microbial fueled cells publié au journal SPIE BiOS le 21 février 2020 .

(14)

Chapitre 1

Revue de littérature

1.1

Introduction

Les systèmes de stockage de puissance ambiante fonctionnent de façon quasi continue en absorbant l’énergie environnante. En général, ces systèmes n’absorbent que peu d’énergie et sont optimisés pour que leur besoin énergétique de fonctionnement soit au minimum. Ce chapitre présente et compare plusieurs sources d’énergies pour ensuite se concentrer sur les piles à bactéries

1.2

Les sources d’énergies conventionnelles

Les sources d’énergies conventionnelles sont les sources qui produisent de la puissance élec-trique en masse, comme l’hydroélectricité, le nucléaire, le charbon, etc. Ces sources sont in-dispensables au fonctionnement de la société en raison de leurs avantages :

1. Puissance électrique importante

2. Stabilité au niveau de la tension et du courant électrique 3. Technologie standard

En revanche, leur désavantages font de ces sources de mauvaises candidates pour alimenter des appareils IoT :

1. Physiquement fixe

2. Coût d’infrastructure élevé 3. Sécurité

(15)

Effectivement, les appareils IoT sont par nature personnalisés et portatifs. Il importe donc que chaque personne puisse utiliser ces appareils sans être obligée d’être connectée à une source d’énergie fixe.

1.3

Sources de tensions ambiantes

Cette section présente les principales sources de tensions ambiantes actuellement explorées à travers le monde, leur fonctionnement et leur efficacité.

1.3.1 Énergie élolienne

Plusieurs méthodes existent pour absorber l’énergie du vent ambiant. L’équipe de Hod Lip-son [23] a créé un système permettant d’absorber l’énergie du vent en utilisant différentes languettes de polymères piézoélectriques robustes et flexibles. Ces languettes sont droites ou tordues et elles sont positionnées dans le même axe que le vent pour maximiser les vibra-tions. Leur largeur varie entre 8 et 16 mm et leur longueur entre 41 et 72 mm. Toutes les expériences ont été faites avec une petite turbine de 25 x 25 cm2 produisant des vents entre

0 et 8 m/s. Finalement, la tension créée par les vibrations est mesurée à l’aide d’un oscillo-scope. La puissance maximale atteinte est de 615 µW , ce qui permet d’obtenir une densité de puissance de 24 mW/cm2. Ces résultats sont cohérants avec d’autres expériences similaires

comme celles faites par le groupe de Rohan Mahadik et le groupe de Jayant Sirohi [35][25]. Les membres du groupe de Mahadik ont installé leurs languettes perpendiculairement au sommet d’un support triangulaire. Le vent pour sa part arrive perpendiculaire à la face plane opposée aux languettes, de cette façon il est possible de maximiser les oscillations. D’autre part, les membres du groupe du professeur Jayant Sirohi ont collé deux languettes piézoélectriques de chaque côté d’une languette d’aluminium. Ces chercheurs ont obtenu une densité de puissance variant entre 1.3 mW et 4.4 mW/cm2 pour des vents variant entre 0.9 à 4.6 m/s.

Une autre méthode consiste à utiliser une turbine miniature afin de convertir la puissance du vent en énergie électriques. Effectivement, des chercheurs de l’Imperial College London [14] ont créé une turbine miniature afin d’obtenir une densité de puissance entre 6.366 et 199 µW/cm2 pour des vents variant entre 3 et 7 m/s. Le nombre des hélices varie entre 3 et 12 et leur angle en référence face au vent est compris entre 14.1 et 43.3 degrés. Le rayon de toutes les hélices est de 2 cm. Le générateur implémenté dans ce travail est triphasé comportant une bobine de stator fixe localisée entre deux anneaux rotatifs d’aimants permanents. La bobine du stator a été montée sur PCB alors que les deux anneaux d’aimants ont été faits en collant des aimants cylindriques à des cadres d’aluminium cylindriques. Un autre groupe de recherche a réussi à faire fonctionner une électrode sans fil à l’aide d’une mini-turbine, d’un système de stockage de puissance et d’une super capacité [36]. Le système est présenté à la figure

(16)

Figure 1.1 – Système de stockage de puissance du vent. ©2011 IEEE [36]

1.1. Finalement, un dernier groupe [31] de recherche a remplacé la bobine de stator fixe pour absorber la puissance du vent par un système de convertisseurs à base d’électrets. Un système de convertisseurs à base d’électrets fonctionne en ayant des hélices chargées électriquement et des stators conducteurs. Il est important d’avoir deux fois plus de stators que d’hélices. Si la distance entre le bout des hélices et les stators est suffisamment faible, il est possible d’induire une capacité entre ces deux éléments. Par la suite, il suffit qu’un stator sur deux soit connecté à la masse et que les autres soient reliés à une charge pour qu’un courant induit par les hélices se crée. La densité de puissance produite par ces systèmes varie entre 7.143 et 272 µW/cm2

pour des vents variant entre 1.5 et 10 m/s.

1.3.2 Énergie Thermique

L’énergie thermique peut être transformée en électricité par des transconducteurs thermoélec-triques dépendamment de la variation de température dans l’espace ou par des transconduc-teurs pyroélectriques dépendamment de la variation de température dans le temps.

Les chercheurs du groupe de Zhong Lin Wang [43] ont créé un nanogénarateur pyroélectrique en utilisant des nanocâbles de ZnO pour convertir la chaleur en énergie électrique. Les propriétés semiconductrices et pyroélectriques du ZnO créent une polarisation du champ électrique et une

(17)

séparation des charges électriques tout au long des nanocâbles dépendant de la température à travers le temps. Les nanocâbles ont été créés en plaçant 50 nm de ZnO sur une surface de 500 nM d’épaisseur d’ITO sur un substrat de vitre. Les câbles croissent sur la première couche de ZnO en utilisant la méthode hydrothermale. Pour créer le nanogénérateur, une fine couche d’argent est placée au-dessus des câbles de ZnO en guise d’anode. La surface totale du générateur est environ de 15 nm2. La puissance fournie lors d’une variation de 10 Celsius est

de 2.796 µW/cm2.

Une méthode plus commune pour absorber l’énergie thermique consiste à utiliser l’effet See-beck. C’est ce qu’utilise l’équipe de A.T. Papagiannakis [5] pour récolter l’énergie thermique des pavés d’asphalte. Ils ont créé une matrice de semiconducteurs alternativement dopés n et dopés p en reliant deux à deux les couples n et p d’une plaque de cuivre afin que le cou-rant puisse circuler entre les semiconducteurs lorsqu’une variation de température survient. La tension générée à l’aide d’un tel système est donnée par l’équation suivante :

V = N (0.0002 ∗ 1.004∆T) ∗ ∆T (1.1)

où N est le nombre total de couples thermoélectriques et ∆T est la variation de la température. En utilisant un prototype de dimension 64 x 64 mm ayant 574 couples thermoélectriques, une puissance permanente de 10 mW d’électricité a été générée entre 10 :00 am et 6 :00 pm au Texas avec un gradient de température effectif de 12.5 Celsius au courant de la journée. Cela équivaut à une puissance de 3.125 mW/cm2.

1.3.3 Énergie à partir des radio-fréquences ambiantes

Les radio-fréquences sont utilisées pratiquement partout et sont extrêmement nombreuses. Pour absorber leur énergie, il importe d’avoir une antenne et un correcteur de tension. Le groupe de S. Hemour [39] a designé le système présenté à la figure 1.3. Les radio-fréquences sont absorbées par l’antenne et sont ensuite filtrées par une matrice Butler. Finalement, les correcteurs assurent l’obtention d’une tension DC. L’antenne créée est composée de cinq ré-seaux d’antennes flexibles individuelles assemblés sur un poteau de 13 cm de diamètre afin d’obtenir un patron de radiation isotrope. Chaque réseau d’antennes est composé de quatre antennes de forme carrée de 40 mm de longueur qui matche l’impédance d’entrée de la ma-trice Butler à 50Ω. La mama-trice Butler et les correcteurs ont été pour leur part assemblés sur PCB. L’expérimentation de ce système a eu lieu dans une chambre anti écho avec une antenne émettrice à 2.42 GHz avec une intensité allant de -40 à -10 dBM. La puissance maximale absorbée par ce montage est de 1 µW/cm2.

(18)
(19)

Figure 1.3 – Schéma du système de stockage de puissance 2018 RF. ©IEEE [39]

Un autre type d’antennes a été développé par le groupe de Manos M. Tentzeris [21]. Leur expérience est présentée sur la figure 1.2. Ils utilisent un convertisseur RF-DC à charge de pompe afin de transformer l’énergie RF en énergie électrique. Quant à l’antenne, elle est imprimée sur du papier à l’aide d’une encre spécialisée [21]. Ce genre de système a également généré une puissance maximale de 1 µW/cm2.

1.3.4 Énergie solaire

Le soleil produit une quantité astronomique d’énergie à chaque instant. Il paraît donc naturel de transformer cette énergie en électricité. Pour ce faire, il est nécessaire d’utiliser des semi-conducteurs. Lorsque les photons pénètrent dans un semiconducteur, ils peuvent exciter les électrons des atomes le constituant si leur énergie est égale ou supérieur que celle d’excitation de l’électron. Par la suite, ces électrons peuvent être récupérés par le système enfin de pro-duire de l’électricité. Présentement, les panneaux solaires commerciaux les plus performant produisent environ 17.5 mW/cm2 avec une efficacité d’environ 21.5% [3].

(20)

1.3.5 Énergie organique

Les piles à bactéries ou Microbial Fuel Cell (MFC) fonctionnent en absorbant les électrons four-nis lors de réactions d’oxydoréductions causées par certaines bactéries lorsqu’elles absorbent des nutriments. Des chercheurs de l’Université de Rennes [38] ont pris avantage de ce phéno-mène afin de créer des MFCs à base de sédiments (S-MFC) fournissant jusqu’à 1 mW/cm2.

La (S-MFC) est construite en utilisant un tube cylindrique de 10 cm de diamètre pour obtenir un volume total de 0.8 L. L’anode est faite de granules de graphites formant une couche de 4 cm à la base du tube et d’une barre de graphite de 5 mm de diamètre. La cathode est faite de carbon felt disc d’une épaisseur de 2 mm et d’un diamètre de 10 cm. La solution électrolyte est faite en mélangeant du compost de jardin avec de l’acétate de sodium (20 mM), une solution tampon de phosphate(20 mM) et une solution de nutriments. La puissance maximale obtenue pour cette S-MFC est de 31.5µW/cm2. Des études similaires atteignent des puissances entre

17 µW/cm2 et 80 µW/cm2 et seront discutées plus en détails dans la prochaine section [15],

[44], [12].

1.3.6 Comparatif

Le tableau 1.2 présente de façon comparative les différents types d’énergies ambiantes qu’il est possible d’absorber, leur densité électrique de puissance, leurs avantages ainsi que leur inconvénients.

1.4

Les piles à bactéries

Les MFCs sont basées sur le principe des piles à combustible : une cathode est alimentée en oxygène (principalement par l’air) et l’anode est intégrée à une cellule contenant un film de bactéries et les nutriments de celles-ci (figure 1.4). Il existe de nombreux types d’organismes permettant de produire un courant électrique, les plus notables étant les Geobacters. Les microorganismes capables de transférer des électrons à travers leurs cellules se nomment des exoélectrogènes. Toutefois, contrairement aux piles à combustibles qui stockent les réactifs nécessaires à la production de puissance dans leurs cellules, les MFCs doivent être en nourries en permanence par une source externe. Par ailleurs, puisqu’elles n’ont aucune partie mobile, elles n’émettent aucun bruit ou vibration et par conséquent demandent moins de maintenances. Plus précisément, lorsque les exoélectrogènes consomment des nutriments tel que le sucre à l’air ambiant, ils produisent du dioxyde de carbone et de l’eau. Pour produire un courant électrique, il suffit d’éliminer l’oxygène de l’équation (en enfouissant ou submergeant les bactéries par exemple). De cette façon les microorganismes produisent du dioxyde de carbone, des ions H+

(21)

Type d’énergie Densité de puissance électrique rapportée Avantages Inconvéniants Vent

(piézo-électriques) 4.4 mW/cm2 Robuste, bonne produc-tion d’énergie Dépendance à la direc-tion du vent, production Vent (turbine) 272 µW/cm2 Robuste, simplicité

d’utilisation Coût, assemblement, production, dépendance à la direction du vent Thermique (pyroélec-trique) 2.796 µW/cm

2 Taille Faible puissance,

pro-duction Thermique (thermoélec-trique ) 3.125 mW/cm2

Pratique, Bonne

pro-duction de puissance Coût, dépendance à latempérature

RF 1 µW/cm2 Pratique en milieu

ur-bain, taille Faible puissance, néces-site la présence de RF Solaire 17.5 mW/cm2 Forte production depuissance, pratique,

production

Dépendance à la tempé-rature, coût

Bactéries 80 µW/cm2 Pratique, coût Production

Table 1.1 –Tableau comparatif entre les différents type d’énergie ambiante.

C12H22O11+ 13H2O > 12CO2+ 48H++ 48e− (1.2)

Il suffit donc de relier une électrode à un film de bactéries pour profiter du courant ainsi créé. Il est important de libérer les électrons de la cathode sans quoi elle devient chargée d’électrons et la différence de potentiel diminue avec le temps. Pour ce faire, la cathode est généralement en contact avec de l’oxygène pour produire de l’eau ou du dioxyde de dihydrogène selon les équations suivantes [42] :

4H++ 4e−+ O2 > 2H2O (1.3)

ou

4H++ 4e−+ 2O2 > 2H2O2 (1.4)

(22)

Figure 1.4 –Principe de fonctionnement d’une pile à bactérie.

1.4.1 "MFC" sans médiateur

Les premières MFCs créés nécessitaient l’usage de médiateurs afin de faciliter le transfert des électrons vers les électrodes. Ces médiateurs sont toxiques et coûteux ce qui a poussé des chercheurs comme le groupe de Byung Hong Kim à créer des MFCs sans médiateurs [18]. Pour ce faire ils ont utilisé une bactérie électrochimiquement active avec les métaux, Shwanella putrefaciens. De cette façon, les nutriments absorbés par les bactéries libèrent des électrons qui sont directement récupérés par l’anode. Les activités de recherche de ce groupe portent sur la possibilité de purifier des eaux usées et de produire de l’énergie en même temps, ce pourquoi l’anode a été placée au fond d’un réservoir d’eaux usées artificielles de 30 cm de profondeur. La cathode est identique à l’anode et les deux ont un diamètre de 10 cm. Au dessus du réservoir d’eaux usées se trouve une couche de laine de verre et de billes de verre. La hauteur entre la cathode et l’anode est de 10 cm et la hauteur du système complet est de 100 cm. Finalement, sous la cathode se trouve un compartiment pour évacuer l’eau et fournir de l’oxygène à la cathode. Avec ce montage une densité de puissance de 1.3 mW/m2 est obtenue.

(23)

D’autres chercheurs de Technical University of Denmark [16] ont obtenu une puissance de 130 mW/m2 avec une expérience similaire en ajoutant du xylose aux bactéries lors de leur

croissance.

1.4.2 Bioélectrodes

Une autre façon d’absorber les électrons libérés par les réactions d’oxydoréduction est d’utili-ser des électrodes qui sont biocompatibles avec les bactéries utilisées. L’équipe de Nanqi Ren a créé une pile à bactéries en trois compartiments utilisant des bioélectrodes [46]. Un cylindre d’un diamètre de 100 mm et d’une hauteur de 90 mm pour contenir l’anode et deux cubes de 80 x 80 x 50 mm pour contenir une cathode chaque. Une membrane semi-perméable ne laissant passer que les protons est placée entre les contenants de cathode et celui de l’anode. En guise d’électrodes, ils ont utilisé des brosses de graphites. Dans les contenants des cathodes, des granules de graphites ont été insérées afin de faciliter le transfert des électrons. Les com-partiments des cathodes sont finalement remplis de de fumier laitier pour convertir l’énergie des bactéries contenue dans les déchets laitiers en électricité. La puissance maximale obtenue pour un tel système est de 8.15 W/m3.

Une autre équipe de Chine a utilisé une méthode plus conventionnelle. Ils ont utilisé des anodes en carbon felt d’une surface projetée de 30 cm2[22]. Entre l’anode et la cathode une membrane

permettant l’échange d’ions est posée à 1 cm des électrodes. Les bioélectrodes ont été maturées électriquement en les nourrissant d’une solution de glucose dans un environnement contrôlé. Après trois mois de croissance, les bioélectrodes génèrent une densité de puissance de 38 W/m2.

1.4.3 "MFC" à base de sédiment

Il est également possible de stocker la puissance des bactéries venant du sol directement avec un minimum de traitement préalable. Effectivement, les chercheurs du groupe de In Seop Chang ont comparé les performances des piles à bactéries à base de sédiment en fonction de la profondeur à laquelle l’anode est enterrée dans le sol [1]. Pour ce faire, ils ont utilisé des plaques de graphites rigides et carrées (1mm d’épaisseur et 10 cm de longueur) en guise d’anode, une plaque de titanium en guise de membrane semi-perméable hydrophobe et du graphite felt d’une largeur de 2.54 cm en guise de cathode. Cinq anodes sont enterrées dans une couche de 15 cm de sédiments et d’eau à 2 cm d’intervalle sous la couche de sédiments afin de comparer leur efficacité. La tension mesurée sur chaque anode est de 0.20 V, 0.27 V, 0.32 V, 0.38V et 0.44 V en allant de l’anode la moins profonde à la plus profonde. La densité de puissance électrique maximale ainsi obtenue est de 15 mW/m2. D’autre chercheurs de Chine

ont réussi à augmenter considérablement la densité de puissance en ajoutant des oxyhydroxyde de fer dans les sédiments lors de la conception de la pile à bactéries [47]. Puisque les piles à

(24)

bactéries ont besoin d’oxygène afin de produire de l’électricité (eq. 3.2et3.3) il va de soi que leur densité de puissance augmente en conséquent. Grâce à cette méthode, ils ont augmenté la densité de puissance à un maximum de 101.52 mW/m2.

1.4.4 "MFC" avec plante

Une autre méthode pour augmenter l’efficacité des MFCs consiste à laisser une plante pousser par-dessus la cellule. Cela améliore la production d’électricité grâce à un procédé se nom-mant la rhizodéposition, c’est-à-dire la perte et le relâchement de composantes organiques et inorganiques par les racines des plantes. Ces composantes sont d’excellents engrais naturels pour nourrir les bactéries et ainsi les aider à croître. En prenant avantage de ce phénomène, les équipes de Cees Buisman et David P.B.T.B Strik ont réussi à obtenir des densités de puissance de 80 mW/m2 et 240 mW/m2 [37], [41]. L’équipe de Cees Buisman a utilisé une architecture

plus traditionnelle afin d’obtenir cette densité de puissance. Effectivement, ils ont utilisé des granules de graphites en guise d’anode à travers desquelles une couche de sédiments ainsi que la plante a été enracinée. Le groupe de David P.B.T.B. Strik a utilisé une architecture en trois compartiments. Un compartiment central dans lequel la plante est posée servant d’anode et deux compartiments de chaque côté afin de servir de cathodes. L’anode et les cathodes sont séparées d’une membrane semi-perméable permettant le transfert d’électrons et protons seulement. La plante, Spartina anglica a été plantée dans le compartiment de l’anode. L’anode elle-même est faite de trois couches de graphite felt séparées d’anneaux de plastiques afin de séparer l’anode par sections. Chaque section de l’anode et les deux cathodes sont connectées à l’aide d’un fil d’or en tant que collecteur de courant.

1.4.5 "MFC" sur papier

Finalement, il est possible de créer des MFC sur des couches de papier, faisant de ce type de piles un candidat parfait pour les connecter en série ou en parallèle et les empiler sur plusieurs étages en raison de leurs très petites tailles. Des chercheurs du groupe de recherche de Seokheun Choi ont créé une méthode afin de les créer efficacement [10]. Tout d’abord, les bactéries utilisées sont les Shwanella putrefaciens. Par la suite, le papier est traité en l’imprégnant de sulfonate de polystyrène sodique. Il s’agit d’un polyélectrolyte capable de conduire les ions. Par la suite des patrons de régions hydrophiles et hydrophobes sont créés en déposant des couches de carbone. Finalement, un papier adhésif conducteur est placé sur la couche du dessus en guise d’anode. Les tests ont été faits en enregistrant la tension entre l’anode et la cathode toutes les minutes en augmentant graduellement la valeur d’une résistance se trouvant connectée entre les deux. Ces MFCs à base de papier génèrent une densité de puissance maximale de 55 mW/m2 avec une tension maximale de 315 mV . La durée de vie efficace d’une telle MFC est d’environ 20 minutes.

(25)

Figure 1.5 – Schéma d’une pile à bactéries sur papier. ©2014 IEEE [9]

Une autre source a créé un système semblable, mais en multipliant le nombre d’anodes afin de stocker le maximum de puissance possible [9]. La figure1.5présente le montage créé à l’aide des mêmes techniques. La densité de puissance maximale stockée est de 284 mW/cm2.

(26)

1.4.6 Comparaison

Le tableau 1.2 présente de façon comparative les différentes MFCs, leur densité électrique de puissance, leur avantages ainsi que leurs inconvénients.

Type d’énergie Densité de puissance électrique rapportée Avantages Inconvénients Sans média-teur 1.3 mW/m2

Fonctionne avec n’im-porte quelle type d’élec-trode

Production, faible puis-sance électrique.

Bioélectrodes 38 mW/m2

Fonctionne avec n’im-porte quelle type de

bactéries Production, coût

À base de

sédi-ment 102 mW/m2 Facilité à créer

Puissance électrique dé-pendante de la qualité des sédiments

Avec plante 240 mW/m2

Pratique, Bonne pro-duction de puissance, élégant

Temps d’attente de la pousse de la plante

Sur papier 284 mW/m2

Pratique, Bonne pro-duction de puissance, Petites, Flexible, Biodé-gradable

Durée de vie

Table 1.2 –Tableau comparatif entre les différents type de piles à bactéries.

1.5

Système de stockage de puissance de piles à bactéries

1.5.1 MFC individuelle

Afin d’utiliser la puissance électrique générée par des piles à bactéries individuelles, les scienti-fiques ont dû surmonter de nombreux défis. Notamment, la faible tension de sortie des MFCs par rapport à la tension utilisée dans les circuits électroniques (en général 3.3V), le faible courant électrique généré ainsi que leur tension instable sont ceux que les chercheurs tendent le plus à corriger. Le groupe de Zbigniew Lewandowski a réussi a faire fonctionner un hydro-phone sous l’eau en n’utilisant que la puissance fournie d’une seule pile à bactéries [26]. La figure 1.6 présente le diagramme de bloc de leur système alors que la figure 1.7 présente le circuit détaillé. Tout d’abord, la MFC fournit de la puissance au convertisseur à pompe de charge. Ce genre de système permet de stocker une puissance infime (aussi bas qu’une centaine de µA à une tension de 0.3V ) et de la convertir en une tension de 1.8V afin de charger la

(27)

Figure 1.6 – Diagramme de bloc du système de contrôle de la puissance électrique. ©2011 IEEE [26]

Figure 1.7 – Schéma du système de contrôle de la puissance électrique.©2011 IEEE [26]

super capacité. Pour sa part, le hacheur parallèle (boost converter) augmente la tension de 1.8 V à 3.3 V . Il ne peut être directement connecté à la super capacité en raison de sa forte consommation de courant. Effectivement, ce type de composante consomme plus de courant que la MFC ne peut en fournir, il est donc nécessaire d’ajouter un système d’interrupteur entre les deux composantes. Les chercheurs ont utilisé deux transistors (figure 1.7) ayant ensemble une tension d’activation de 1.8 V et de désactivation de 1.5 V permettant au hacheur parallèle de fonctionner pendant la décharge de la super capacité entre 1.8 V et 1.5 V . La puissance déchargée sert ainsi à alimenter la charge électrique désirée.

(28)

Figure 1.8 – Tension du système de contrôle de puissance électrique fonctionnant à l’aide d’une pile à bactéries (vue d’ensemble).©2011 IEEE [26]

une puissance maximale de 1 mW les chercheurs ont pu obtenir les courbes présentées aux figures 1.8 et 1.9. Il faut une période d’environ 20 h afin de charger la super capacité de 2.2 F une première fois jusqu’à la tension d’activation du système. Ensuite, il faut attendre environ 9.3 h entre chaque cycle de fonctionnement. Puisque le convertisseur à charge de pompe n’utilisait que 290 µA afin de fonctionner, la tension de la pile à bactéries est restée constante tout au long de l’expérience. Finalement, le système permet de faire fonctionner un hydrophone consommant 29 mA pour fonctionner pendant une dizaine de secondes à chaque fin de cycle, largement suffisant pour prendre des données.

D’autres chercheurs de l’Université de Washington ont également eu du succès avec ce genre de système. Effectivement, à l’aide d’une pile à base de sédiments, ils ont utilisé un convertisseur à charge de pompe, un hacheur parallèle et un système d’interrupteur pour faire fonctionner un capteur de température fonctionnant à distance [7]. La pile à bactéries qu’ils ont utilisée avait une puissance maximale de 25 mW . De telle sorte, ils avaient suffisamment de puissance dans la pile à bactéries afin de faire fonctionner le capteur de température à distance de façon permanente.

Finalement, une étude du groupe de Yong Huang a comparé trois types de montage afin de stocker et d’utiliser le plus efficacement la puissance des piles à bactéries [45]. Le premier consistait en une super capacité directement reliée à un convertisseur DC/DC. Le second consiste en un convertisseur à charge de pompe, une super capacité et un hacher parallèle.

(29)

Figure 1.9 – Tension du système de contrôle de puissance électrique fonctionnant à l’aide d’une pile à bactéries (vue rapprochée). ©2011 IEEE [26]

Le troisième consiste en une MFC relié à un transformateur. Le transformateur est lui-même relié à un convertisseur DC/DC. Dans les tests de temps de charge, d’efficacité et de puissance convertie, c’est le second système qui performe le mieux.

1.5.2 Multiple MFCs

Une autre façon de pallier aux limitations des piles à bactéries est d’en utiliser plusieurs afin d’obtenir une tension et un courant d’entrée plus grand. Par contre, toutes les MFCs ont une faiblesse commune lorsque la puissance électrique de plusieurs MFCs est utilisée en même temps qui consiste en voltage l’inversion de tension. Une étude de l’équipe de B.E. Logan a démontré que lorsque les bactéries de deux piles n’ont plus de nutriments et que les piles sont connectées en série avec une charge pendant une longue durée, l’une inverse sa tension alors que l’autre la garde constante [29]. Effectivement, ils ont utilisé deux piles qui combinées ensemble produisaient une tension de 1.3 V en série. Toutefois, lorsque les MFCs sont devenues sans nutriments après 40h, l’une d’entre elles produisait 0.6 V alors que l’autre produisait -0.58 V pour une tension résultante de 0.02 V . Ils ont décrit la cause de ce phénomène par un manque de d’électrons provenant des nutriments pour créer l’activité bactérienne nécessaire à la création de puissance électrique. Il va de soi que cet effet doit être considéré dans la création d’un système de stockage de puissance de piles à bactéries et cette section traite de ceux-ci. Les chercheurs du groupe de Bruce E. Logan ont également développé un système fonctionnant sur deux cycles afin d’éviter les problèmes d’inversion de tension [13]. Effectivement, plutôt

(30)

Figure 1.10 – Schéma des deux cycles de stockage de puissance. a) Charge, b) Décharge. [13]

que de stoker en permanence l’énergie électrique des piles à bactéries, ils ont plutôt choisi de charger et de décharger une série de capacités alimentées par les piles à bactéries. La figure1.10

présente le concept simplifié. Dans un premier temps 1.10 a), toutes les MFCs sont reliées à plusieurs capacités, chargeant chacune d’entre elles en parallèle. Ensuite,1.10b) les capacités se déchargent toutes en même temps en séries, additionnant ainsi la tension de chaque capacité. À l’aide de ce système, les chercheurs ont obtenu les résultats montrés aux figures1.11et1.12. Les chercheurs ont conclu à l’aide de la figure 1.11que pour ce genre de circuit, il est toujours préférable d’avoir davantage de piles à bactéries que de condensateurs afin de favoriser au maximum la quantité d’énergie récupérée par le système. De plus, on remarque également que cela reste vrai lorsqu’il s’agit de l’efficacité de conversion d’énergie (1.12).

Par ailleurs, ces mêmes chercheurs ont publié un autre article avec ce système dans lequel ils ont testé le même circuit, avec et sans les capacités lorsque les bactéries étaient sous-nourris [40]. Les résultats sont présentés à la figure 1.13. Il est remarqué sur cette figure que lorsque la quantité de courant demandée est trop grande, la tension des MFCs chutent drastiquement et empêche la génération de puissance lorsque les piles à bactéries sont connectées en série. En

(31)

Figure 1.11 – Pourcentage d’énergie récupérée des piles à bactéries avec M, le nombre de MFC et C, le nombre de capacités..[13]

(32)

Figure 1.13 – Effet de l’inversion de la tension sur un système à multiples piles à bactéries. [13]

revanche, lorsque les capacités sont branchées aux MFCs, le phénomène d’inversion de tension ne se produit pas.

Finalement, une autre équipe de Indian Institute of Technology Kharagpur a créé un système de stockage de puissance à l’aide de piles à bactéries sur papier [20]. Ils ont connecté les piles à bactéries de façon parallèle, en série ou un mélange des deux et ils ont également utilisé le système de convertisseur à charge de pompe présenté à la section précédente. Grâce à ce système, ils ont été en mesure de récupérer 0.12 mW , 0.22 mW et 0.15 mW de puissance des piles à bactéries pour les configurations en série, parallèles et mélange des deux. De plus, sans surprise, lorsque les piles à bactéries sont placées en série, le phénomène d’inversion de tension se produit à haut courant, alors que lorsque les piles à bactéries sont connectées en parallèle avec la super capacité, le phénomène ne se produit pas.

1.6

Discussion

Dans ce chapitre, les principales sources d’énergie ambiantes ont été présentées ainsi qu’une analyse plus spécifique reliée aux piles à bactéries et à leur système de stockage de puissance.

(33)

Il est constaté que les piles à bactéries semblent être un bon compromis entre coût, versati-lité et production de puissance électrique. Effectivement, bien que d’autres sources d’énergie ambiantes soient plus efficaces, elles dépendent davantage des caprices de la nature et sont beaucoup plus dispendieuses. Le type de pile à bactérie que nous avons choisi est celui à base de sédiment en raison de leur efficacité et de leur facilité de production. Par ailleurs, il est également très facile d’ajouter une plante à ce genre de pile. Finalement, il faudra que le sys-tème puisse être flexible dans le nombre de piles à bactéries qui y est connecté. Il faut donc répondre à ces critères :

1. Flexibilité dans le nombre de piles à bactéries connecté au système de stockage de puis-sance électrique.

2. Système intuitif à utiliser.

3. Vitesse de charge et de décharge du système doit être variable afin de tester le rendement idéalement.

4. Autonomie complète du système.

5. Ultra-faible consommation d’énergie des différentes pièces électroniques.

La plupart des systèmes de stockage de puissance nécessitent une source d’énergie externe afin de les démarrer. Ce n’est pas le cas dans le système que nous proposons. Un module de démarrage a été développé afin d’assurer une initialisation complète du système de stockage de puissance. Par ailleurs, afin de limiter les pertes de puissance électriques, tout le système a été créé avec des composantes électroniques extrêmement faibles en consommation de puissance électrique. Finalement, le système est caractérisé à l’aide d’une interface graphique créée à l’aide du logiciel Matlab.

(34)

Chapitre 2

Bacteria Energy Recovery System

Using Natural Soil Bacteria in a

Microbial Fuel Cells

Nathaniel Brochu2, Benjamin Huot2, Dmytro Humeniuk2, Lingling Gong1, Mehran

Abbaszadeh-amirdehi1, Jesse Greener1, Amine Miled2

1 Chemistry department at Laval University, Faculty of Science and Engineering,

Alexandre-Vachon Build. 1045 Av. de la médecine, Québec (Qc), Canada

2 LABioTRON bioengineering research laboratory at electrical and computer engineering

de-partment at Laval University, Faculty of Science and Engineering, Adrien-Pouliot Build. 1065 Av. de la médecine, Québec (Qc), Canada

2.1

Abstract

This paper describes a two cycle Bacteria Energy Recovery System (BERS) to power two embedded sensors : an ultra-low portable pH sensor and a sound sensor. The designed unit can handle up to 7 Microbial Fuel Cell (MFC) to charge a super-capacitor. This allows the BERS to provide a constant 0.14 mW. The two cycles can be driven with a 100 kΩ load and a 10 Hz frequency. The BERS is also self-powered with an integrated start-up unit to be self-activated when the MFCs charge the energy-storing unit after three days. The BERS powered pH sensor has an error below 5% at 25 ◦C and is able to work continuously while

being activated for 4 hours. Both sensors (pH and sound) performances are a compromise between accuracy and power consumption.

(35)

2.2

Introduction

In the last decade there has been significant development of wireless power supplies in response to the need for portability and cost-efficiency. At the same time, standard batteries are ex-pensive, bulky and require maintenance. An alternative to this problem is to harvest ambient energy from wind [2], human motion [28], solar, radiation and thermal among others. In the present case, we are focused on microbial fuel cells (MFC) as a source of energy in northern remote areas of Canada and particularly in areas with hard access and intermitant weather conditions.

MFCs are two electrode bio-electrochemical systems that generate electric current using elec-troactive bacteria. There are currently many types of MFCs : unmediated, mediated, soil based, nanoporous membrane, among others. All these different MFCs are based on different processes to harvest the power of the bacteria such as adding chemicals (methylene blue and neutral red for example) that facilitate the electron transfer between the bacteria and the anode or using dirt as source of energy for the bacterias.

Several research groups have shown MFC as power sources for various electrochemical sensors [8] and wireless nodes [32]. Among the most important applications are MFCs for waste-water treatment [48]. Althought it has been known for over a century that organic compounds can be a source of power [33], recently a more significant interest rised with the stabilization of the production of hydrogen from bioelectrochemical systems related to MFCs called MECs [19]. Currently, most soil MFCs can only produce minimal current (around 0.35 µA at 0.7V) [27]. However, the development of ultra-low power electrical components opens the way for new applications of soil-based MFCs in particular for remote power applications. Several parame-ters impact the efficiency of MFCs. These include soil type [6], quantity of water [49] and salt concentration [27].

In this paper we propose a new MFC based power recovery/management system [12-14]. We used several soil MFCs connected together with a power harvesting module in order to obtain an open circuit voltage of 10 V. The latter sustain a 10V to 3.3V DC converter.

This paper is organised as follows. Section II describes the system architecture of the power harvesting module, sound sensor, pH sensor and the proposed circuit. Finally, Section III presents results and discussion.

(36)

Figure 2.1 – (a) MFCs, (b) start-up unit and (c) control and measurement unit and energy-storing unit. ©2020 IEEE

Figure 2.2 – Switched capacitor unit. ©2020 IEEE

2.3

Systems architecture

2.3.1 Power harvesting system

BERS is made of four units : (1) a switched capacitor unit, (2) a control and measurement unit, (3) an energy-storing unit and (4) a start-up unit (Figure 2.1).

(37)

BERS’s switched capacitor unit is based on a two cycle approach, in which capacitors are connected in parallel to one MFC during the charging cycle while the load is disconnected. Then the capacitors are reconfigured to be in serial to start a discharging cycle with the load connected. As such, the system provides continuous power, while it is recharging at the same time. Relays are used to activate or deactivate each bank of capacitors. Two capacitor banks are used to stabilize the voltage at the output stage.

Such a system was chosen, because it increases each MFC voltage to a higher voltage depending on the used number of capacitors used in each bank. In our design, we used two capacitors for each bank, which doubles the input voltage for each MFC. Each MFC is controlled by a single switched capacitor unit. All switched capacitor units are connected together in order to amplify the voltage like serial batteries.

The control and measurement unit provides a control signal for the switched capacitor units and records the output voltage of each MFC and energy-storing unit. Then, the data is trans-mitted to a data processing unit (computer) for user monitoring and data management. A DC/DC module converts the voltage in the energy-storage unit to a constant 3.3 V. The energy-storing unit stores the energy provided by the switched capacitor unit in a super-capacitor. To independently start up the system using only the MFCs, the start-up unit

(38)

Figure 2.4 – Detailed view of the pH sensor. ©2020 IEEE

connects all MFCs in series through normally closed switches and connects them to the energy-storing unit. Once 3.3 V is reached, the DC/DC converter is turned on to power the control and measurement unit. The latter immediately opens the normally closed switches in order to let the switched capacitor circuit take control of the MFCs.

An ultra-low power pH sensor was designed using one electrode amplifier, one operational amplifier, a microcontroller and a LCD screen as shown in Figure 3.3. The current sensed by a pH probe is in the range of pA. A second amplifier is implemented to provide a constant reference voltage. Sensed signal is then sent to a 12-bits analog to digital converter (ADC) embedded in the microcontroller. The microcontroller is also used to calibrate the sensor using three pH buffers with a linear regression, then it converts the voltage into pH. Finally it sends the pH value to a LCD screen through a SPI protocol.

Figures 2.1 and 2.2 show a detailed description of the complete system. Seven switches (TC7W66F, Toshiba, Japan) and two capacitors are embedded in each switched capacitor unit. The control signals are variable pulsed width modulation signals with 50% duty cycle and variable frequency. In order to avoid BERS dysfunction when the two banks are shorted together, the two control signals for each bank are non-overlapping signals. System clocks are generated by a STM32L100RC microcontroller (STMicroelectronic, France) in the control and measurement unit which also measures output voltages of each MFC through eight ADCs embedded in the STM microcontroller. The TC7W66F switches must have a control voltage equal to their power supply voltage in order to minimize power consumption based on their datasheet. Thus, the control signals from the microcontroller are amplified using a TLV2402 amplifier (Texas instrument, USA). Since the voltage produced by the switched capacitor unit

(39)

Figure 2.5 – Full BERS system. ©2020 IEEE

Figure 2.6 – Full pH system. ©2020 IEEE

is higher than the maximum voltage read by the ADC (3.3V), a voltage divider is connected to a buffer (LMC6001, Texas instrument) to divide the voltage by four. The divided voltage is then multiplied in the user interface by four to recover the original value. The voltage di-vider is made by two resistors : 1 MΩ and a 3 MΩ. A TPS62745 (Texas instrument) DC/DC converter is used to convert the voltage to 3.3 V. The energy-storing unit consists of one 9 V, 1 F super-capacitor. The start-up unit requires seven TS5A3159 (Texas instrument) switches. Table 3.1 shows the current consumption of each component. The control and measurement unit and the start-up unit consumes between 10.8 µA and 194.59 µA. Each switched capacitor unit consumes 0.725 µA. Finally, the pH sensor consumes between 313.14 µA and 586.54 µA. Images of the complete system is shown on Figure 2.5and 2.6.

Generated power by BERS is 140 µW. Then to avoid draining too much power when not needed, a mechanical relay disconnects the sensors from BERS.

(40)

Table 2.1 – Current consumption of each components from manufacturer. ©2020 IEEE Name Current consumption at operating voltage

TC7W66F 100-1000 nA

LMC6001 300 µA

STM32L100RC 8.6 - 186 µA

TSU101R 540 nA

Adafruit SHARP 4-100 µA

TPS62745 600 nA

TLV2402 900-990 nA

TS5A3159 100 nA

The duty cycle of the switched capacitor unit was calculated using equation 2.1.

T = 2 ∗ 5 · 47 · 10−6· R (2.1)

where R is an equivalent resistance of a MFC, C is the value of the capacitor in the capacitor bank, 2 is the number of capacitors per capacitor bank and 6 is the number of switched capacitor units in series. A typical R value is 1.5 kΩ. A Matlab (MathWorks Inc, MA, USA) user interface sets the charging and discharging frequency and duty cycles of MFCs.

Each soil MFC was installed in a 400 mL glass bottle with an inner diameter of 6 cm and a height of 10 cm. The anode and cathode were built using a stainless steel wire wool (Merlin, United Kingdom). The anode weight was 3.5 g with total calculated surface area (Anode) of 225 cm2 and the cathode weight was 8.5 g with total calculated surface area of 546 cm2. Soil

was collected from Laval university and used without any pre-treatment. Three holes were punched in the metal lid to allow electrically insulated wires from the anode and cathode to feed through to the exterior, where they were connected to an external resistor or other electrical measurement hardware.

2.4

Results and discussion

Table 2.2 shows the individual voltage and the maximum power of each used MFCs. Figure

2.7 shows the cumulative voltage of BERS after connecting MFCs one by one. Each MFC adds the double of it’s recorded value in table 2.2. Indeed, we can see that doubling each of the first four MFC provides a total voltage of 4.92 V while we measured a voltage of 4.80 V. While powering the BERS, the voltage of six MFCs has been measured individually on Figure

2.8 with various resistance values. Figure2.9 shows the BERS total current output measured with the same resistance values as in Figure 2.8. The generated electric power for each MFC and the complete system was measured before being converted to 3.3 V on Figure 2.10. We

(41)

Figure 2.7 – MFC 1, 2, 3 and 4 being connected to the BERS one per one. ©2020 IEEE

have observed that the power peak of 0.14 mW is reached at 100 kΩ and 10 Hz (Figure 2.11). Finally, it takes 3 days to power up the BERS using seven serial MFC connected as shown in Figure 2.12.

Table 2.2 – Voltage and power of each MFC used in this paper. ©2020 IEEE Microbial Fuel Cell Voltage (V) Maximum Power (µW )

1 0.56 17.4 2 0.50 15.8 3 0.72 18.6 4 0.68 18.4 5 0.57 17.3 6 0.62 17.9

Figure 2.13presents the performance of the custom pH sensor versus a commercial one at 25

C. The error margin is below 5%. Futhermore, Figure2.14shows that the voltage (E) versus

pH (-log[H+]) has a linear shape as expected from the Nernst equation :

E = E0+ 2.3RT nF log Sample[H+] Ref erence[H+] (2.2) which is equivalent to Y = αX + β (2.3)

(42)

Figure 2.8 – Voltage curve of each MFC while powering the system. ©2020 IEEE

Figure 2.9 – BERS current output while connected to different external resistances. ©2020 IEEE

where Y is the voltage, α is 2.3RT

nF , X is log [H+]

Sample

[H+]

Ref erence and β is the reference voltage. The

calculated coefficient α at room temperature was 57 mV/pH. α obtained using our pH sensor at room temperature was 56.33 mV/pH, which is coherent with the calculated one. The BERS can continuously power the pH sensor without discharging the energy-storing unit. If the pH sensor is used remotely, it can be used continuously for up to 4 hours (Figure 2.15).

(43)

Figure 2.10 – Power curve of the BERS system using MFC 1 to 6. The total power was measured using a standard multimeter while the power calculated comes from adding all the individual MFC power outputs. ©2020 IEEE

Figure 2.11 – Power curve of the BERS system using MFC 1 to 4 for various frequency. ©2020 IEEE

2.4.1 Microphone sensor

Next, a sound sensor powered by BERS has been implemented. A microphone is connected to a two stage amplifier for increased sensitivity. Each amplification stage has a gain of 10

(44)

Figure 2.12 – Time needed to activate the BERS. ©2020 IEEE

Figure 2.13 – Comparaison between the ultral-low power pH meter and a commercial one. ©2020 IEEE

which provides a total gain of 100 for the complete sensor. The amplification circuit is shown at Figure 2.16. Each amplification stage has one amplifier (MCP6142, Microchip, AZ, USA) which is a low power rail-to-rail operational amplifier with quiescent current of 600 nA, minimal operating voltage of 1.4 V, gain bandwidth of 100 kHz and 24 V/ms slew rate. Sound/air

(45)

Figure 2.14 – Voltage curve of the newly designed pH sensor. The linear fit results in a slope of -56.33 mV/pH at 25◦C. ©2020 IEEE

Figure 2.15 – Time needed to discharge the energy-storing unit to under 3V using the pH meter. ©2020 IEEE

vibration was detected using a passive dynamic microphone to reduce power consumption within a frequency range of 20 Hz to 20 kHz. The microphone output signal amplitude goes up to 4 mV, sound/vibration reaches 60 dB. The output signal was amplified up to 400

(46)

Figure 2.16 – Sensor circuit design with embedded two MFC unit to provide 2.4 V. ©2020 IEEE

mV. Experimental results show that the amplifier cutoff frequency was at 6.1 kHz (Figure

2.17), which is enough to record human voice at fundamental frequencies [? ]. Sensor current consumption when it is in active mode is less than 11 A. Then, when two banks of MFC were connected (i.e. super-capacitor charged to 2.4 V), the collected electric power reached 26.5 µW. The energy-storing unit powers the sensor only when it is in active mode. Otherwise, it keeps being charged by the MFCs.

We have designed a first prototype of a BERS. We have proven the functionality and reliability of BERS in practical cases to power sensor network in northern area of Canada where power electrical network is still not connected. The BERS system was designed to work with 7 MFC. But it can be extended to a larger network. The main problem which we can observe with BERS is its dependence to weather conditions which has an impact on bacteria behavior. However considering, the hard northern weather conditions and limited access to this area it is still a good compromise. Actual BERS is not designed for high power consumption electronics, its main usage is for extremely low power consumption applications.

2.5

Conclusion

We successfully designed a Bacteria Energy Recovery System based on a two cycle approach to power a pH sensor and a sound sensors. It takes three days to auto power the start-up unit using MFC. Then, the system is continuously operating, providing an average electrical power of 0.14 mW using six MFCs. The maximum power is acheived at 100 kΩ and with a duty cycle of 100 Hz. The ultra-low portable pH sensor has an error below 5%. Future improvement includes adding a wireless data transmission in order to test in isolated areas and adding temperature compensation to the pH sensor.

(47)

Figure 2.17 – Frequency response of the designed sensor where the cutoff frequency was at 6.1 kHz. ©2020 IEEE

(48)

Chapitre 3

Ultra-low power pH sensor powered

by microbial fueled cells

Nathaniel Brochu2, Jesse Greener1, Amine Miled2

1 Chemistry department at Laval University, Faculty of Science and Engineering,

Alexandre-Vachon Build. 1045 Av. de la médecine, Québec (Qc), Canada

2 LABioTRON bioengineering research laboratory at electrical and computer engineering

de-partment at Laval University, Faculty of Science and Engineering, Adrien-Pouliot Build. 1065 Av. de la médecine, Québec (Qc), Canada

3.1

Abstract

Wire-free power supplies provide portability, flexibility and cost efficiency as they reduce hard-ware complexity. Thus, in this paper we designed a portable pH sensor based on a microbial fuel cell (MFC) as a wire-free energy source. Our MFCs supplied 0.127 mW to power our ultra-low power portable pH sensor. The error of the newly designed pH sensor is less than 5% when pH is between 4 and 10. Also it provides, an autonomy of 4 hours when the pH sensor is continuously used.

3.2

Introduction

Wireless connected miniaturized sensors are widely used in today’s sensor network. However the wired energy sources are a clear limitation for their portability. Indeed, currently, most of these devices are powered by battery or wired energy sources. But, batteries have to be recharged, they are costly and hard to recycle with today’s technology. From the other side,

(49)

wired energy is not challenging in cities, as electric power source is omnipresent. However a different solution should be found for sensor operation in isolated areas.

To address this challenge, researchers explored the use of several green sources of energy, such as MFCs, which produces usable electrons after oxidizing small organic molecules as part of the Krebs cycle. Byung Hong Kim et al. created an MFC using electrochemical active bacteria, Shewanella bacteria [18]. Using a graphen anode and cathode, they produce 1.3 mW/m2. Furthermore, other studies showed that it is possible to create MFC using various methods such as bioelectrode, sediment based, with plants and on paper [10,46,37,1].

Our focus in this paper is to design an autonomous pH sensor to sense environmental change in northern Canada. Nowadays it is possible to find all optical nanoscale pH meter[34], glass electrode pH meter[4] and CMOS pH meter[30]. We selected a pH meter with a glass electrode as it is the most used tools by environmental scientists and biologists. It is connected to MFC which is harvesting the electric power from freely available organic molecules. Furthermore, these MFCs are portable and produces 190 mA per m2 which is sufficient to power various

IoT devices.

We selected a pH meter with a glass electrode powered by soil Microbial Fuel Cell (MFC) as it is the most use one by biologists. It is connected to the MFC which is harvesting the electric power from the soil while it contributes to clean water. Futhermore, these MFCs are portable and produces 190 mA per m2 which is sufficiant to power various IoT device.

In this work we propose a miniaturized ultra-low power pH sensor. We have shown that using a limited number of components it is possible to power a signal processing and control unit and analog signal processing chips to create a green energy powered portable pH sensor. This paper is organized as follows : a theory of the MFC and pH is presented in section 2. Then in section 3 the architecture of the pH sensor is presented. Finally, at section 4 results and discussion are reported.

3.3

Theoretical Background

Figure 3.1 shows principles of operation of a soil MFC. Two different reactions occur at the anode and cathode, an oxidation reaction and reduction reaction, respectively. For example, reaction 3.1shows the oxidation of a sucrose molecule, liberating 48 electrons.

C12H22O11+ 13H2O → 12CO2+ 48H++ 48e− (3.1)

(50)

Figure 3.1 – Schematic of a of microbial fuel cell.

Figure 3.2 – SEM picture of typical electroactive bacteria present at the anode of a MFC. [11]

electric current all the way to the cathode. The cathode, in contact with the air, is the site of an oxygen reduction reaction which produces water, as shown in reaction 3.2[17].

4H++ 4e−+ O2→ 2H2O (3.2)

or

4H++ 4e−+ 2O2 → 2H2O2 (3.3)

Thus, the electrical current remains constant over a long period of time, as long as nutriments are provided to bacteria.

Figure3.3shows pH probe principles. Two electrodes are placed in two identical KCl solutions. A voltage is applied on the reference electrode which is insulated from the system. The working electrode, is located in another compartment with a porous glass enclosure which is in contact with the sample to be analyzed. Porous glass enables only hydrogen ions pass through. Thus, the voltage of the working electrode changes according to hydrogen flow. Consequently, by

(51)

Figure 3.3 – Detailed view of a sensor pH.

measuring the difference of voltage compared to a sample at a known pH, we deduce the pH in the target sample using equations 3.4and 3.5.

E = E0+ 2.3RT nF log

Sample[H+]

Ref erence[H+] (3.4)

pH = −log[H+] (3.5)

where E is the potential difference, E0 is the reference potential, R the gas constant, T the

temperature, n the number of electrons, F the Faraday constant and [H+] the hydrogen

concentration [24].

Also, a newly designed soil MFC energy harvesting system continuously powered the pH sensor. Figure 3.4 shows the electric power provided by MFC. The power harvested from the MFC is stored in a supercapacitor (1F, 9V). The supercapacitor then powers the pH sensor with a constant 3.3 V. This power is continuously harvested from the MFC. The maximum of power is reached at 0.127 mW at 100 kΩ

(52)

Figure 3.4 – Power curve of the soil MFC as acquired from the bacteria energy recovery system.

3.4

System Architecture

The proposed pH sensor architecture is shown in figure 3.5. First, the voltage on the refe-rence electrode is provided by the MFC energy harvesting system through an electronic buffer TSU101R, (STMicroelectronics). The working electrode is connected to an electrode buffer with a high input impedance because the current of the working electrode is in the order of pA. The electrode buffer is connected to the STM32L100RC (STMicroelectronics) microcon-troller’s ADC. The microcontroller is permanently on sleep mode unless the user wakes it up using either calibration or measurement buttons. Once activated, the microcontroller acquires the ADC output and it converts the voltage to pH unit using the calibration data. The pH is displayed on the LCD screen Adafruit SHARP using SPI protocol. The experimental setup is present in figure 3.6and table3.1 shows the current consumption from each component used in this sensor.

Table 3.1 – Power consumption of electric circuit

Name Current consumption

STM32L100RC 28.38 - 613.8 µW

TSU101R 1.78 µW

(53)

Figure 3.5 – Schematic view of the pH sensor.

Figure 3.6 – Experimental setup.

3.5

Results and discussions

Figure 3.7 shows the voltage versus pH obtained using the designed pH sensor. Based on equation 3.4data is converted to a linear curve as shown in equation 3.6.

Y = αX + β (3.6)

where α is 2.3∗R∗T

nF and β the reference voltage. At 25

C, α is 57 mV/pH. This voltage is

then converted into pH using equation 3.5. Figure 3.8 is a comparison between our newly designed pH sensor and a commercial one. The pH was randomly generated by mixing pH

Figure

Figure 1.2 – Schéma d’un autre système de stockage de puissance RF. ©2014 IEEE [ 21 ]
Figure 1.3 – Schéma du système de stockage de puissance 2018 RF. ©IEEE [ 39 ]
Table 1.1 – Tableau comparatif entre les différents type d’énergie ambiante.
Figure 1.5 – Schéma d’une pile à bactéries sur papier. ©2014 IEEE [ 9 ]
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Références

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