Dissertations / Theses: 'Piles à combustible microbiennes'

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Degrenne, Nicolas. "Gestion de l'Energie des Piles à Combustible Microbiennes." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00757996.

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Abstract:

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme.

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Oliot, Manon. "Bio-ingénierie pour les piles à combustible microbiennes." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/18425/1/OLIOT_Manon.pdf.

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Abstract:

Une Pile à Combustible Microbienne (PCM) convertit l’énergie chimique issue de l’oxydation de la matière organique directement en énergie électrique. L’oxydation du combustible est assurée par un biofilm dit « électroactif » se développant à la surface de l’anode et jouant le rôle de catalyseur microbien. L’anode microbienne formée à partir d’un consortium bactérien, issu dans cette étude de terreau de jardin, est associée à une cathode à air abiotique à la surface de laquelle se produit la réduction de l’oxygène. L’assemblage d’une anode microbienne et d’une cathode à air abiotique pour construire une PCM est un réel challenge tant les conditions optimales de chacune sont différentes. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif d'anticiper le fonctionnement global de la PCM pour concevoir une anode microbienne et une cathode abiotique capables de fonctionner ensemble de façon optimale. Une partie expérimentale conséquente vise à concevoir une PCM optimale en menant des essais sur différents designs de réacteur. Un modèle numérique, basé sur l’expérimentation et calculant les distributions secondaires de courant et de potentiel au sein de la PCM, vient compléter l’étude expérimentale afin d’optimiser l’architecture de la PCM et maximiser les performances délivrées. La configuration « Assemblage Séparateur-Electrodes » consiste à intercaler le séparateur entre la bioanode et la cathode à air dans le but de diminuer la résistance interne du système. Ce design a permis de concevoir des PCMs délivrant d’excellentes performances jusqu’à 6.42 W.m-2. In fine, le prototype « Bioelec », utilisé comme modèle de démonstration, est réalisé à l’échelle du laboratoire avec un assemblage en série et en parallèle de plusieurs PCMs élaborées avec cette configuration « ASE ».

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Degrenne, Nicolas. "Gestion de l'énergie des piles à combustible microbiennes." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2012. http://www.theses.fr/2012ECDL0032/document.

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Abstract:

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en œuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l’énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement de l’eau autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d’énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l’énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l’énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l’énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs peuvent être testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L construites de façon similaire. Bien que d’autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d’améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d’énergie de point de puissance maximal et testé les PCMs avec des conditions de récupération d’énergie réalistes. Récupérer un maximum d’énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. C’est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l’énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L’oscillateur d’Armstrong, composé d’inductances couplées à fort rapport d’enroulement et d’un interrupteur normalement-fermé permet d’élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continue comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d’électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l’énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en œuvre une commande qui recherche le point de puissance maximale du générateur. Une seconde application d’intérêt concerne le cas où de l’énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L’association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d’équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit “complete disconnection” déconnecte une cellule défectueuse de l’association pour s’assurer qu’elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit “switched-capacitor” transfère de l’énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l’association. Le circuit “switched-MFCs” connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en œuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la “switchedcapacitor”qui permet de récupérer plus de 85% de la puissance maximum idéale d’une association très largement non uniforme
Microbial fuel cells (MFCs) harness the metabolism of micro-organisms and utilize organic matter to generate electrical energy. They are interesting because they accept a wide range of organic matter as a fuel. Potential applications include autonomous wastewater treatment, bio-batteries, and ambient energy scavenging. MFCs are low-voltage, low-power devices that are influenced by the rate at which electrical energy is harvested at their output. In this thesis, we study methods to harvest electrical energy efficiently. The voltage at which energy is harvested from MFCs influences their operation and electrical performance. The output power is maximum for a certain voltage value (approx. 1/3rd the open-circuit voltage). This noteworthy operating point is favorable in some applications where MFCs are used as a power supply. MFCs can be tested at this point using an automatic load adjuster which includes a maximum power point tracking algorithm. Such a tool was used to evaluate the maximum power, the fuel consumption rate, the Coulombic efficiency and the energy conversion efficiency of ten similarly built 1.3 L single-chamber MFCs. Although structural and operating condition choices will lead to improved performance, these results investigate for the first time the performance of MFCs in continuous maximum power point condition and characterize MFCs in realistic energy harvesting conditions. Harvesting energy at maximum power point is the main thread of the manuscript. This is made possible with dedicated energy processing circuits embedding control feedback to regulate the MFC voltage to a fraction of its open-circuit voltage. Two typical scenarios are developed as outlined below. One critical application concerns autonomous low-power energy scavenging, to supply remote low-power electronic devices (e.g. wireless sensors). In this case, the low-power and low-voltage constraints imposed by MFCs require dedicated self start-up features. The Armstrong oscillator, composed of high turn-ratio coupled inductors and of a normally-on switch, permits to autonomously step-up voltages from a low DC source like MFCs. Although the circuit requires few components, its operation is not trivial because it partly relies on the parasitic elements of the inductors and the switch. Proper sizing of the inductors enables an optimized operation. This circuit can be associated with power electronic AC/DCand DC/DC converters to realize a voltage-lifter and a fly back-based self-starting Power Management Unit (PMU) respectively. The former is suitable for powering levels below 1mW, while the latter can be scaled for power levels of a few units of mW and facilitates implementation of maximum power point control. A second application of interest concerns the case where energy is harvested from several MFCs.Serial association can be used to step-up voltage but may lead to detrimental consequences in terms of performances because of hydraulic couplings between MFCs sharing the same electrolyte (e.g. if the MFCs are running in continuous flow) or because of electrical non-uniformities between cells. Whereas the former issue can be addressed with galvanically insulated PMUs, the latter can be solved with voltagebalancing circuits. Three of these latter circuits were analyzed and evaluated. The “complete disconnection” circuit isolates a faulty cell from the configuration to ensure it does not impede the overall efficiency. The “switched-capacitor” circuit transfers energy from the strong to the weak MFCs to equilibrate the voltages of the individual cells in the stack. The “switched-MFC” circuit alternatively connects MFCs in parallel and in series. Each of the three methods can be implemented at low-cost and at high efficiency, the most efficient one being the “switched-capacitor”, that permits to harvest more that 85% of the ideal maximum energy of a strongly-non-uniform MFC association

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Khaled, Firas. "Contribution à la valorisation electrique des piles à combustible microbiennes." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI003/document.

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Abstract:

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) produisent de l’électricité à partir de la dégradation de matières organiques par des bactéries. Les PCMs sont considérées comme des micro- génératrices à faible tension et faible puissance. Dans le but de récupérer l’énergie électrique produite afin de pouvoir alimenter des capteurs autonomes, des architectures mettant en œuvre plusieurs piles seront préférées. L'association d'un grand nombre de PCMs individuelles offre des perspectives très intéressantes notamment au niveau de la production d'énergie électrique. Cela permet d’atteindre des niveaux de tension acceptables en sortie et permet de mutualiser les puissances électriques de chaque cellule. L’association série d’un grand nombre de PCMs est un défi en soi à cause des couplages hydrauliques (lorsque les PCMs partagent le même substrat) et à cause des non-uniformités entre générateurs qui mènent à une association non-efficace. Les circuits d'équilibrage de tension peuvent être une solution pour compenser ces inhomogénéités. Ils peuvent améliorer l’efficacité de l’association et prévenir le phénomène d'inversion de tension. L’association hydraulique des biopiles permet d’éviter la chute de puissance liée au manque de carburant. Une fuite de charge entre les PCMs va diminuer le rendement global de l’association. Le débit du flux doit être contrôlé pour éliminer ce problème. Un flux de la cathode vers l’anode provoque des pertes supplémentaires dues à la fuite d’oxygène. La récupération d’énergie à partir de PCMs nécessite une unité de gestion d’énergie qui adapte la tension et contrôle le fonctionnement de la PCM. Un convertisseur flyback à faible tension d’entrée, autonome et auto-démarrant a été conçu et optimisé pour la récupération d’énergie à partir des PCMs. La récupération d’énergie à partir des PCMs peut être présentée comme une source alternative pour éliminer les batteries dans les applications de faible puissance (capteur autonome)
Microbial Fuel Cells (MFCs) are bioreactors that convert chemical energy in organic compounds to electrical energy through the metabolism of microorganisms. Organic matters are widely available in the environment that contains a huge amount of energy. This energy could be harvested, converted, by the technology of MFCs, to be used in certain applications. Energy production of a MFC is limited in low voltage value and low-power values what limits the potential applications. To step-up the voltage of MFCs to be suitable for real applications, an efficient power management unit (PMU) is required with a specific design to deal with their characteristics. A flyback converter under discontinuous conduction mode (DCM) is the most adapted to such low-power source like MFCs, offers a simple implementation, and low losses conversion system. The flyback converter has a good efficiency that can reach 75% with one MFC and about 80% when it is supplied by a serial stack of MFCs. Associations of MFCs are very interesting to increase the output power and expand the domain of application. Parallel association is a method to increase the output current but it imposes limitations in conversion efficiency due to the low output voltage of the stack. Contrarily, the serial association steps-up the voltage what leads to better performance of the converter. However the non-uniformities between cells in a serial stack affect negatively the performance of the stack. Voltage balancing circuits are considered as the solution to compensate this phenomenon. In the switched-capacitor method, an external capacitor is used to transfer the energy from the strongest MFC(s) to the weakest one(s). The losses in the switched-capacitor circuit are less than the losses of the switched-MFCs. The switched-capacitor offers an efficient, simple, low consumption method to optimize the performance and prevent the voltage reversal of the weak cells. Integration of this circuit can optimize the efficiency. Continuous operation mode by hydraulically connection between MFCs can continuously refresh the substrate to give an autonomous energy harvesting system. On the other hand, in some applications, e.g. a wastewater treatment plant, MFCs could not be hydraulically isolated. In this configuration, a leakage charge between the associated MFCs will decrease the global efficiency. The flow rate has to be controlled to eliminate this problem. A flow from cathodes to anodes causes additional losses due to the oxygen leakage. A temperature sensor is continuously supplied by alternatively connecting two MFCs. Each MFC supplies the sensor for two days. The flyback converter is able to continuously supply the sensor from the energy harvested from one continuously-fed MFC. This could be a good example, in a wastewater treatment plant (WWTP), to supply monitoring systems or also to supply low power applications of a building from a local WWTP

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Capitaine, Armande. "Récupération d’énergie à partir de piles à combustible microbiennes benthiques." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI125/document.

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Abstract:

La récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des nœuds de capteurs. La pile microbienne benthique (BMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100 µW) et de tension (0,6 V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. La première partie de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Une seconde partie s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique des BMFCs dans le domaine statique puis dynamique, en vue de concevoir le circuit de récupération de manière appropriée. A l’aide du modèle électrique statique, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum de puissance et maximiser le rendement de conversion. Le choix se porte sur le convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l’aide d’un modèle prédisant les pertes du flyback validé expérimentalement, une étude portée sur la fréquence de découpage, le rapport cyclique et le choix des inductances couplées a permis d’atteindre un rendement de 82% et 64% pour une BMFC délivrant respectivement 90 µW et 30 µW. Une dernière partie s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC. Notamment, l’intérêt du suivi du MPP est discuté et l’influence du comportement commuté du flyback sur les pertes dynamiques supplémentaires au sein de la BMFC est analysée grâce au modèle électrique dynamique de la BMFC déduit au second chapitre
Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter

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Pocaznoi, Diana. "Optimisation d'anodes microbiennes à partir de lixiviat de sol pour la conception de piles à combustible microbiennes." Thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://www.theses.fr/2012INPT0053/document.

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Abstract:

Les piles à combustible microbienne (PACMs) sont des piles capables de convertir l'énergie chimique de combustibles organiques directement en énergie électrique. Dans ces piles, l'oxydation du combustible est assurée par des micro-organismes dits "électro-actifs" qui forment des biofilms à la surface de l'anode et jouent le rôle de catalyseur des réactions électrochimiques. Les travaux qui font l'objet de ce manuscrit ont eu pour objectif d'optimiser des anodes microbiennes formées à partir de la flore bactérienne contenue dans des terreaux de jardin. Les expériences effectuées en chronoampérométrie avec un système à trois électrodes ont conduit à la première démonstration expérimentale que des densités de courant de 66 A/m2 pouvaient être obtenues en formant les anodes microbiennes sur des ultra-microélectrodes. Sur des électrodes de taille normale, la mise au point d'une nouvelle technique (polarisation retardée) pour la formation de biofilms microbiens a permis d'obtenir des densités de courant de 9,4 A/m2 après seulement 3 jours de polarisation tandis que le protocole conventionnel demandait quelques semaines pour obtenir 6 à 8 A/m2. L'étude de différents matériaux d'électrode a indiqué que l'acier inoxydable qui permit d'atteindre des densités de courant de 21 A/m2 présente un grand intérêt pour la formation de biofilms électro-actifs. En effet, les électrodes en tissu de carbone ont assuré jusqu'à 34,3 A/m2, voire 50 A/m2 en anaérobiose, mais elles bénéficiaient d'une structure tridimensionnelle. La mise en oeuvre des anodes microbiennes optimisées dans les PACMs a assuré la production de 6,0 W/m2. L'élaboration d'un nouveau prototype intégrant un système de cathode amovible a permis d'allonger la durée de vie initiale de la pile de 2 semaines à plus de 2 mois
Microbial fuel cells (MFC) are devices capable to convert chemical energy from organic fuels directly into electrical energy. In these cells, the fuel oxidation is provided by micro-organisms known as "electro-active"; these microorganism form biofilms on the surface of the anode and act as a catalyst for electrochemical reactions. The aim of this work was the optimisation of microbial anodes formed from bacterial flora contained in garden soils. The chronoamperometric experiments performed in a three-electrode system showed for the very first time in these systems that current densities of 66 A/m2 could be obtained by forming microbial anodes on ultra-microelectrodes. On electrode of normal size, the development of a new technique (delayed polarisation) for designing microbial biofilms produced current densities of 9.4 A/m2 after 3 days of polarisation, while the conventional protocol asked a few weeks for obtaining 6 to 8 A/m2. The study of different electrode materials indicated that stainless steel allowed reaching current densities up to 21 A/m2, which makes it a suitable candidate for designing electro-active biofilms. Indeed, the carbon electrodes provided up to 34.4 A/m2, even 50 A/m2 in anaerobic conditions, but the electrodes benefited of a three-dimensional structure contrasting the stainless steel electrode. The use of optimised microbial anodes in MFCs insured the production of 6 W/m2. In addition, the development of a new prototype containing a removable cathode allowed extending the lifetime of the initial MFC from 2 weeks to over 2 months

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Papillon, Justine. "Fabrication, caractérisation et intégration de matériaux innovants pour électrodes de piles à combustible microbiennes." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEI080/document.

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Abstract:

Les Piles À Combustible Microbiennes (PACMs) permettent de convertir directement en électricité une partie de l'énergie contenue dans des substrats biodégradables et ce, grâce à la formation d'un biofilm électroactif à la surface de leur anode. Solutions de grapillage énergétique d'avenir, ces systèmes bioélectrochimiques pourraient ainsi, à titre d'exemple, servir à l'alimentation autonome de capteurs en zone isolée ou être plus généralement implantés au sein de stations d'épuration. Néanmoins, après maintenant une vingtaine d'années de développement, les performances des PACMs ont tendance à stagner. La solution fréquemment retenue pour améliorer leurs résultats est de développer de nouveaux matériaux d'anode en optimisant leur structure ou leur surface mais très souvent en négligeant les critères de longévité, de prix et de transposabilité à une échelle industrielle, essentiels pour cette application. L'objectif de cette étude est de proposer des anodes performantes, avec un procédé de fabrication simple, bon marché et stables dans le temps. Constituées de monofilaments d'acier inoxydable 304L enchevêtrés, les anodes que nous développons ont été dans un premier temps caractérisées mécaniquement (par compression œdométrique) et d'un point de vue microstructural (par tomographie à rayons X). Puis, leur intégration au sein de prototypes de PACMs inoculés avec des boues activées a permis de mesurer l'influence de divers paramètres architecturaux de la pile (distance inter-électrodes, surface d’électrodes, ...) et de l'anode (taille de pores, diamètre de fil, ...) sur les performances électriques, avec comme objectif principal de maximiser leur surface spécifique tout en limitant leur colmatage. Des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique ont également été réalisées afin d'étudier plus en détail les différents phénomènes électrochimiques entrant en jeu. Ces anodes 3D inédites s'avèrent prometteuses car elles ont permis d'obtenir des densités de puissance de l'ordre de 200 mW/m² avec un coût d'électrode, comparativement à la littérature, considérablement diminué
Microbial Fuel Cells (MFCs) allow a portion of the energy contained in biodegradable substrates to be converted directly into electricity through the formation of an electroactive biofilm on the surface of their anode. Future energy harvesting solutions, these bioelectrochemical systems could thus, for example, be used for the autonomous power supply of sensors in isolated zone or be more generally located within wastewater treatment plants. Nevertheless, after about twenty years of development, the performances of PACMs tend to stagnate. The solution frequently used to improve their results is to develop new anode materials by optimizing their structure or their surface but very often neglecting the criteria of longevity, price and transferability on an industrial scale, essential for this application. The objective of this study is to propose efficient anodes, with a simple manufacturing process, cheap and stable over time. Consisting of entangled 304L stainless steel monofilaments, the anodes we develop were initially characterized mechanically (by odometric compression) and from a microstructural point of view (by X-ray tomography). Then, their integration into prototypes of MFCs inoculated with activated sludge made it possible to measure the influence of various architectural parameters of the fuel cell (distance between electrodes, electrode surface, ...) and of the anode ( pore size, wire diameter, ...) on electrical performance, with the main objective of maximizing their specific surface area while limiting their clogging. Electrochemical impedance spectroscopy measurements were also carried out in order to study in more detail the different electrochemical phenomena involved. These innovative 3D anodes are promising because they have made it possible to obtain power densities of the order of 200 mW / m² with an electrode cost, compared to the literature, considerably reduced

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Dumas, Claire Bergel Alain. "Catalyse électro-microbienne dans les piles à combustible." Toulouse : INP Toulouse, 2008. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000617.

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Hourizadeh, Nicolas. "Valorisation du traitement d'eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes benthiques." Thesis, Antilles, 2015. http://www.theses.fr/2015ANTI0142/document.

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Abstract:

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées
The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater

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Ketep, Francoise. "Piles à combustible microbiennes pour la production d'électricité couplée au traitement des eaux de l'industrie papetière." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00872058.

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Abstract:

L'objectif de la thèse est d'évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d'électricité couplée au traitement d'effluents de l'industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l'anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu'à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents.

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Ketep, Françoise. "Piles à combustible microbiennes pour la production d'électricité couplée au traitement des eaux de l'industrie papetière." Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2012GRENI066/document.

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Abstract:

L’objectif de la thèse est d’évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d’électricité couplée au traitement d’effluents de l’industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l’anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu’à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents
The objective of this thesis was to assess the feasibility of the microbial fuel cell technology for the production of electrical energy coupled with the treatment of pulp and paper effluents. The first part of work showed that various pulp and paper effluents are suitable to form efficient anodic biofilms. When the effluent was supplemented with acetate and the anode polarized between at -0.3 V/SCE, current densities of 12 A/m² and Coulombic efficiencies up to 90% were obtained. When effluents were provided as the sole substrate, current densities reached 6 A/m² and Coulombic efficiencies 30%, with COD removal around 50%. The optimal anodic biofilms were associated with associated with abiotic air cathodes to design complete microbial fuel cells. Power densities from 294 mW/m² to 596 mW/m² were obtained with two different effluents

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Paitier, Agathe. "Etude de la mise à l'échelle des piles à combustible microbiennes : collecteurs de courant et hydrodynamique." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI107/document.

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Abstract:

Répondre aux besoins énergétiques croissants de nos sociétés et limiter leur impact sur l’environnement est un enjeu actuel majeur. De nouvelles technologies alternatives comptent tirer profit de sources d’énergie négligées. Le potentiel énergétique des eaux usées peut être exploité par de nouvelles technologies telles que les piles à combustible microbiennes (PACM). Ces piles, pouvant produire de l’énergie électrique à partir d’eaux usées, montrent une diminution de leur rendement énergétique lorsque leur taille augmente, ce qui ne permet pas encore leur application industrielle. Ces travaux de thèse visent à identifier certains verrous de ce changement d’échelle et à proposer de nouvelles directions pour leur optimisation. Une première partie s’est intéressée à l’influence des collecteurs de courant anodiques sur les performances électriques et sur le développement du biofilm électro-actif. Nous avons émis l’hypothèse qu’à grande échelle, les collecteurs de courant peuvent être un élément limitant à la production d’électricité. Pour vérifier cette hypothèse, quatre PACM avec une anode de 490 cm² connectée de différentes manières ont été étudiées. L’augmentation du nombre de collecteurs a permis une hausse de la puissance produite par les PACM. La disposition des collecteurs affecte la répartition du potentiel sur la surface d’anode et peut engendrer dans certains cas, des gradients de potentiel qui influencent la structure microbiologique du biofilm, en particulier Geobacter. Par ailleurs, des mesures d’impédance ont montré que multiplier les collecteurs augmente la capacité de double couche de l’anode et engendre un courant capacitif dont l’importance pour les performances de fonctionnement en cycles de charge/décharge est non négligeable. La suite du travail s’est attachée à prendre en compte différents aspects physiques, notamment l’aspect hydrodynamique, afin de modéliser leur fonctionnement. Pour cela, trois PACM de volumes différents ont été mises en œuvre et testées à différents débits. Les données de configuration, d’opération et de performances de ces piles ont permis de construire des modèles statistiques de régression linéaire multiple prédisant la valeur de puissance maximale. Ces deux modèles ont montré que la puissance maximale produite était principalement corrélée à la vitesse de l’électrolyte circulant dans la pile et à la contrainte de cisaillement appliquée à l’anode par le mouvement du fluide. Ces deux parties ont également montré que l’abondance dans le biofilm de Geobacter, une bactérie électro-active très répandue dans les PACM, n’était pas corrélée avec la puissance maximale. Tout en étant très abondante, son seul nombre n’explique donc pas entièrement les performances électriques d’une PACM
Facing increasing energy needs and limiting their impact on the environment are current and major issues for society. Renewable energy development is needed and new alternative technologies could benefit from exploiting neglected energy sources, such as microbial fuel cells (MFC), for energy production. MFCs can be operated with wastewater and produce a reasonable quantity of energy at the small laboratory-scale. Unfortunately, when their size is increased, their efficiency dramatically decreases, which prevents their industrial use. This thesis aims at identifying some obstacles to scale-up of MFC and proposing new directions for its optimization. The first part of the study was focused on the influence of anodic current collectors on electrical performance and on electroactive biofilm development. Our hypothesis was that they could be a limiting factor for electricity production at large scales. To test this hypothesis, four MFCs were operated with a 490 cm² anode connected to the external circuit in a different ways. Increasing the number of collectors improved the power. Collector’s layout influenced electrical potential on the anode surface and created an electrical potential gradient on the anode and this gradient shaped the microbiological structure of the biofilm. This effect especially concerns Geobacter, whose clade G. metallireducens is favored at strongly negative potentials. In addition, impedance measurements showed that multiplying collectors increased the double layer capacitance and, thus, generated a capacitive current that was important for MFC functioning in cycles of charge/discharge and that would improve its performance. Then, MFCs were considered as bioreactors and their different aspects, notably hydrodynamics, were taken into account to model their power output. Three MFCs of different volumes were operated under continuous-flow conditions and tested at four different flow rates. Configuration, operation and performance data were used to build two multiple linear regression statistical models: the first with variables selection through LASSO, the second with dimensionless numbers created with the Vaschy-Buckingham theorem. These two data-driven models showed that the maximal power was mostly correlated to electrolyte transfer rates inside MFC chamber and to shear stress at the anode generated by fluid movement. These two major experimental projects also showed that the abundance of Geobacter, an electroactive bacteria, inside the biofilm was widespread in MFCs, but it was not correlated to maximal power. Despite its large abundance, its quantity alone does not entirely explain the performance of a MFC. In order to succeed at MFC scale-up, fundamental research on electroactive biofilms, process engineering and modeling need to be associated and generalized as empirical results and their explanation

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Salvin, Paule. "Etude des biofilms électroactifs issus des milieux humides de la Guyane Française : application aux piles à combustible microbiennes." Thesis, Antilles-Guyane, 2012. http://www.theses.fr/2012AGUY0560/document.

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Abstract:

Les biofilms électroactifs (EA) sont des consortia bactériens mono ou pluri-espèces, qui ont la faculté d’échanger des électrons provenant de leur métabolisme avec les surfaces solides conductrices des électrodes. Cette découverte est à l’origine d’un nouveau dispositif énergétique : la pile à combustible microbienne (PACM). Depuis les années 2000, la littérature scientifique sur les biofilms EA et sur les PACM explose, notamment grâce à la découverte de bactéries capables de transférer par voie directe – par des pili ou protéines transmembranaires – des électrons vers les électrodes. Plusieurs sources de bactéries EA ont été à ce jour découvertes, allant de cultures pures à des communautés bactériennes plus complexes. Ces dernières sont issues de milieux aqueux naturels (milieux marins ou d’eau douce), industriels ou urbains (effluents d’industrie, eaux usées domestiques). La plupart de ces sources bactériennes proviennent d’environnements de climat tempéré. Dans ce travail de thèse, plusieurs sols de milieux humides de la Guyane ont été identifiés comme étant de sources de bactéries EA. Les expériences menées sous potentiel d’électrode imposé et constant ont permis d’étudier l’adhésion à la surface d’électrode des biofilms EA issus de la flore endogène des milieux sélectionnés. La formation de bioanodes et de biocathodes a été possible en présence respectivement d’acétate et d’oxygène dans les milieux. Une étude par voltammétrie cyclique a mis en évidence les pics d’oxydo-réduction en lien avec les échanges électroniques du biofilm EA et de l’électrode. En optimisant la procédure de formation des biofilms EA par chronoampérométrie (surface d’électrode plus importante, apport en continu et progressif du substrat), une densité de courant maximale de 12 A/m2 et un rendement faradique de 24 % ont été obtenus. Une autre méthode pour former des biofilms EA à partir d’un milieu choisi, la mangrove, a consisté à utiliser deux prototypes de PACM : une pile à compartiment unique et à cathode à air, et une pile benthique. Dans les deux cas, les biofilms EA ont pu être formés et étudiés, complétant certaines observations faites sous potentiel imposé. La PACM benthique s’est avérée être la plus proche d’une application à grande échelle puisqu’elle a été complètement autonome : anode et cathode utilisant uniquement le milieu pour fonctionner. Elle a pu être étudiée en laboratoire comme sur le terrain
Electroactive biofilms (EA) are mono or multi-species bacterial consortia, which have the ability to exchange electrons from their metabolism with solid surfaces of conductive electrodes. This discovery is the basis for a device of energy production: microbial fuel cell (MFC). Since the 2000s, the scientific literature on EA biofilms and MFC explodes, thanks to the discovery of bacteria that are able to transfer directly – by pili or trans-membrane proteins – electrons to electrodes. Several sources of EA bacteria were discovered to date, ranging from pure cultures to more complex bacterial communities. Those last are from natural (marine and freshwater), industrial or urban (industrial effluents, domestic wastewater) aqueous environments. However, the vast majority of these are from temperate environments.In this thesis, several wetland soils of French Guiana have been identified as sources of EA bacteria. Experiments under poised and constant electrode potential were used to examine adherence to the electrode surface of EA biofilms from the endogenous flora of selected environments. Formation of bioanodes and biocathodes was possible in the presence respectively of acetate and oxygen in the media. A study by cyclic voltammetry showed the redox peaks related to electronic exchanges between EA biofilm and electrode. By optimizing the process of EA biofilm formation by chronoamperometry (larger electrode surface, providing continuous and progressive substrate), a maximum current density of 12 A/m2 and a coulombic efficiency of 24% were obtained.Another method to form EA biofilms from a chosen medium (mangrove) was to use two MFC prototypes: a single compartment and air cathode one, and a benthic one. In both cases, the EA biofilms have been trained and studied supplementing certain observations made under poised polarization. MFC benthic proved to be the closest to a wide application since it was completely autonomous, anode and cathode only using the medium to function. It has been studied in the laboratory and in the field

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Jeanne, Thomas. "Caractérisation et optimisation des paramètres microbiens dans une pile bio-électrochimique fonctionnant au lisier de porc." Master's thesis, Université Laval, 2013. http://hdl.handle.net/20.500.11794/25230.

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Abstract:

Dans un contexte de croissance de la productivité agricole, de réduction du coût des intrants, de valorisation des ressources et de cohabitation harmonieuse en milieu agri-urbain par une réduction des odeurs et des sources de pollution agroenvironnementales, il est primordial de développer des technologies agroenvironnementales de valorisation énergétique et de réduction de l'impact environnemental de l'industrie agricole. Les recherches sur les piles bio-électrochimiques connaissent un développement important ces dernières années. Les piles bio-électrochimiques produisent directement de l'électricité tout en traitant un effluent pour en réduire les nuisances environnementales contribuant ainsi à amener des solutions intéressantes à ces enjeux. Il reste cependant à accroître leurs performances afin de rendre cette technologie utilisable à grande échelle. Dans cette étude, nous avons pu identifier les populations microbiennes intervenant dans le processus électrique et ainsi pu définir des paramètres de fonctionnement permettant d'accroître notablement les performances électriques lorsque le lisier de porc est le substrat utilisé dans la pile. Ce succès, rencontré dans l'application du traitement et de la valorisation énergétique du lisier de porc, permet d'être grandement optimiste en vue d'une mise à l'échelle industrielle non seulement pour cette application, mais également pour d'autres effluents organiques.

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Bouabdalaoui, Laila. "Etude de matériaux d'anodes à base de graphite modifié par des composés fer-soufre : applications aux piles à combustible microbiennes." Thesis, Evry-Val d'Essonne, 2013. http://www.theses.fr/2013EVRY0011/document.

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Abstract:

Une pile à combustible microbiennes (PCM) est un dispositif capable de produire de l’énergie électrique à partir d’énergie chimique grâce à l’activité catalytique des bactéries en présence de combustibles organiques. Ces travaux de thèse ont eu pour objectif la synthèse des nouveaux matériaux d’anode et de cathode qui pourraient constituer des alternatives aux matériaux à base de platine. Coté anode, nous avons synthétisé des matériaux par précipitation chimique sur du graphite en poudre à partir de mélanges contenant des ions ferreux et sulfures. Les caractérisations physicochimiques ont montré la formation de composés soufrés (mackinawite, polysulfures et soufre élémentaire) qui se transforment en produits soufrés plus oxydés en présence d’air. La formation de vivianite a été confirmée dans le cas d’un excès d’ions ferreux par rapport aux ions sulfures. Les analyses électrochimiques montrent que ces matériaux ont un comportement réversible avec des densités de courant d’oxydation élevées à bas potentiel. Coté cathode, nous avons choisi la synthèse par voie électrochimique d’un film de MnOx sur substrat d’acier inoxydable. Les caractérisations physicochimiques ont démontré la formation de la birnessite. Les analyses électrochimiques montrent que la réduction de ce matériau conduit à des courants cathodiques significatifs mais avec une réversibilité limitée, même en présence d’air. La réalisation de prototypes de PCM dans lesquels l’anode à base de composés soufrés est immergée dans une solution de terreau et la cathode à base de MnOx est au contact de l’air, a permis d’obtenir des puissances instantanées maximales de l’ordre de 12 W.m-3 et 1,8 W.m-2, et des densités de courant de l’ordre de 25 A.m-3 et 3,8 A.m-2. Un travail d’optimisation du fonctionnement de PCM a été réalisé. Ainsi, l’augmentation de la conductivité de la solution anodique et la diminution de quantité de sédiment dans la solution de terreau a permis d’améliorer la réponse électrochimique du matériau anodique et d’obtenir des puissances instantanées maximales de l’ordre de 17,5 W.m-3 et 2,7 W.m-2, et des densités de courant de l’ordre de 60 A.m-3 et 9,2 A.m-2. Le facteur limitant reste toujours le comportement électrochimique du film de MnOx
A microbial fuel cell (MFC) is a device allowing the production of electric power from chemical energy thanks to the catalytic activity of bacteria in presence of organic fuel. These works aimed the synthesis of new anode and cathode materials which could be an alternative to platinum materials. On the anode side, we synthesized the materials by chemical precipitation on powder graphite from mixtures containing ferrous and sulfide ions. Physicochemical characterizations showed the formation of sulfur compounds (mackinawite, polysulfide and elementary sulfur) which transform into sulfur products more oxidized in presence of air. Formation of vivianite was confirmed in the case of an excess of ferrous ions in relation to sulfide ions. Electrochemical analysis shows that these materials have a reversible behavior with high current densities at low voltage. On the cathode side, we chose electrochemical synthesis of an MnOx film on stainless steel substrate. Physicochemical characterizations showed birnessite formation. Electrochemical analysis show that the reduction of this material Leeds to significative cathodic currents but with a limited reversibility, even in presence of air. The realization of MFC prototypes in which the sulfur compounds-based anode is submerged in compost solution and the MnOx-based cathode is in contact with air, allowed the getting of maximum instantaneous powers on the order of 12 W.m-3 and 1,8 W.m-2, and current densities on the order of 25 A.m-3 et 3,8 A.m-2. An optimization work of the MFC functioning has been done. So, the conductivity increase of the anodic solution and the decrease of sediment quantity in the compost solution allowed the improvement of the electrochemical response of the anodic material and to obtain maximal instantaneous powers on the order of 17,5 W.m-3 and 2,7 W.m-2, and current densities on the order of 60 A.m-3 et 9,2 A.m-2. The limiting factor remains the electrochemical behavior of the MnOx film

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Picot, Matthieu. "Pile à combustible microbienne à plantes : contribution à l'optimisation des éléments anodique, membranaire et cathodique." Rennes 1, 2012. http://www.theses.fr/2012REN1S176.

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Abstract:

Les piles à combustibles microbiennes (PCM) sont des dispositifs bio-électrochimiques qui utilisent des biofilms bactériens pour catalyser des réactions anodique et/ou cathodique. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet européen « Plant Power » dont l'objectif est l'étude et l'optimisation d’une classe de PCM particulière : les PCMs à plantes. Ce type de PCM intègre une plante à l'anode ce qui permet l'alimentation in situ du bioñlm anodique par la libération de molécules organiques par les racines. Une PCM est constituée de trois parties principales : le compartiment anodique, la membrane et le compartiment cathodique. Cette étude vise à apporter des éléments pour optimiser chacune de ces trois parties. A l'anode, nous nous sommes intéressés à l'influence de la modification de surface (par réduction de sels d'aryle diazonium) sur les performances de la bioanode microbienne. En ce qui concerne la membrane, nous présentons l'application de la modification de surface à un matériau membranaire modèle : la polyéthersulfone. A la cathode, nous avons considéré différentes stratégies afin d'optimiser la réaction de réduction de l'oxygène moléculaire. Trois approches ont été étudiées : une approche moléculaire (en utilisant des métalloporphrines), une approche enzymatique (utilisation de la laccase de Trametes versicolor et un médiateur redox et une approche microbienne (utilisation de biofilms bactériens)
A Microbial Fuel Cell (MÇFC) is based on the use of electroactive biofilms to catalyze electrochemical reactions at the anode or at the cathode. This work has been done in the context of the Plant Power european proj ect which aims to study and to optimize Plant-MFCS. This kind of MFC integrates a plant in the anolyte which is exuding organic molecules and thus allows the in situ fueling of the anodic biofilm. A MFC can be divided into three parts: the anodic oompartment, the membrane and the cathodic compartrnent. Tbis work is presenting approaches to optimize each cf these three parts. A1; the anode, we discuss the use of surface modification (by the reduction of aryl diazonium salts) to improve the performances of a bioanode. Regarding the membrane we report the modification of a model ultrafiltration membrane made of polyethersulfone. At the cathode, we present ways to optimize the oxygen reduction reaction. In that context, three different approaches are considered: a molecular approach (by using metalloporphyrins), an enzymatic approach (by using laccase fiom Trametes versicolor and a redox mediator) and a microbial approach (by using a catalytic biofilm)

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Godain, Alexiane. "Étude de l'activité électrocatalytique des biofilms microbiens en fonction des forces d'adhésion pour l'optimisation des performances des biopiles microbiennes." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSE1064/document.

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Abstract:

Les piles à combustible microbiennes, en tant que biotechnologie potentiellement durable, peuvent assurer la conversion directe de la matière organique en électricité en utilisant des biofilms bactériens comme biocatalyseurs. Dans un context politique où les législations françaises et européennes favorisent et imposent la revalorisation des déchets organiques provenant des industries ou des collectivités territoriales, les biopiles microbiennes semblent un moyen peu couteux et prometteur pour répondre à ce besoin. Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances sur la formation des biofilms électroactifs à la surface de l'anode, et de comprendre les mécanismes impliqués dans la compétition entre les bactéries électroactives et les autres communautés bactériennes dans le but d'améliorer la sélection des bactéries électroactives dans le biofilm anodique. Une attention particulière sera portée sur les forces de cisaillement comme un outil de control de la formation des biofilms anodiques. Ces recherches ont pour but à long terme d'améliorer la production d’électricité produite par les biopiles microbiennes, et plus particulièrement d’améliorer les performances du compartiment anodique, en vue d’appliquer cette technologie dans les stations d’épurations pour la réduction du coût énergétique du traitement des eaux usées. A travers cette thèse, différents points sur la dynamique des communautés bactériennes lors de la formation du biofilm ont été mis en évidence. La formation du biofilm est divisée en deux étapes. Dans un premier temps, les bactéries électroactives (EAB) non spécifiques se développent dans toutes les biopiles, produisant ou non de l'électricité et dans le milieu liquide comme sur l’anode. Les EAB spécifiques deviennent ensuite plus compétitives et prédominantes mais seulement dans les biopiles produisant de l'électricité et seulement dans le biofilm anodique. Cette deuxième étape correspond à une augmentation exponentielle de la production d'électricité. A partir de ces résultats, nous émettons l'hypothèse qu'une inhibition de la première étape devrait diminuer la compétition entre les EAB non spécifiques et spécifiques au cours de la colonisation anodique, et favoriser la croissance des EAB spécifiques dans le biofilm. Nous proposons d'utiliser la contrainte de cisaillement pour sélectionner les EAB spécifiques pendant l'étape d'adhésion en détachant les EAB non spécifiques. Dans un premier temps, pour cette étude, des biopiles avec une configuration de chambre à écoulement de cisaillement ont été conçues, construites et mises en place. Les résultats démontrent que sous une contrainte de cisaillement élevée, l'abondance des EAB spécifiques telle que Geobacter était très élevée, jusqu'à 30,14% en opposition à une contrainte de cisaillement faible où l'abondance relative était inférieure à 1%. En outre, la contrainte de cisaillement diminue le pourcentage de couverture de la surface anodique, ce qui montre que la sélection des EAB spécifiques se produit en détachant d'autres bactéries. Ainsi, la contrainte de cisaillement pourrait être utilisée pour sélectionner les EAB spécifiques durant les premières étapes d’adhésion. Enfin, l'effet de la contrainte de cisaillement sur la sélection microbienne au cours de la croissance du biofilm a été étudié. Ces résultats confirment les conclusions précédentes: les EAB spécifiques sont sélectionnées lorsque les contraintes de cisaillement sont plus élevées. Ce travail démontre le rôle majeur des contraintes de cisaillement dans la formation du biofilm L'utilisation de contraintes de cisaillement pourrait être un moyen de contrôler la sélection des EAB et la quantité de matières mortes dans les biofilms anodiques. C’est un facteur qui devrait être pris en compte dans l’architecture et la mise en place des réacteurs
Microbial fuel cells (MFCs), as a potentially sustainable biotechnology, can directly convert organic matter into electricity by using bacterial biofilms as biocatalysts. In a political context where European legislation favors and imposes the revalorization of organic waste from industries, MFC seems an inexpensive and promising technology to meet this need. The aim of this thesis is to improve knowledge of the formation of electroactive biofilms on the anodic surface, and to understand the mechanisms involved in the competition between electroactive bacteria (EAB) and other bacteria. Special attention will be paid to shear force as a tool to control the formation of anodic biofilms. First, bacterial successions have been studied under stationary conditions and in standard laboratory configurations. The results show that the formation of the biofilm is divided in two stages. At first, non-specific EAB grow in all MFCs, producing or not electricity. Then, specific EAB become predominant only in MFCs producing electricity and is associated to an exponential increase of electricity. From these results, we hypothesize that inhibition of the first step should decrease the competition between nonspecific and specific EAB. We propose to use the shear stress to select specific EAB during the adhesion. First, MFCs with a shear stress flow chamber configuration were designed, constructed and set up. The results show that the proportion of specific EAB such as Geobacter was higher, up to 30.14% as opposed to a lower shear stress (less than 1%). Then, the effect of shear stress on microbial selection during biofilm growth was studied. These results confirm the previous conclusions: specific EAB are selected when shear stress is higher. This work demonstrates the major role of shear stress in biofilm formation and could be a way to control the selection of EAB. This factor should be taken into account in the architecture and implementation of the reactors

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Schaetzle, Olivier. "Développement et étude d’une pile à combustible microbienne en vue d’une application dans le traitement des eaux." Rennes 1, 2010. http://www.theses.fr/2010REN1S222.

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Almeida, Cournet Amandine de. "Etude de la catalyse microbienne de la réduction électrochimique du dioxygène." Toulouse 3, 2010. http://thesesups.ups-tlse.fr/958/.

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Abstract:

Les bactéries électroactives sont capables d'échanger directement des électrons avec une électrode et ainsi de générer du courant. Cette propriété mise en évidence au début des années 2000 est très intéressante pour la mise au point de piles à combustible microbiennes. De nombreuses études se consacrent au transfert d'électrons de la bactérie vers l'électrode (réaction anodique), mais très peu analysent le phénomène inverse (réaction cathodique). Les objectifs de ce travail ont été de rechercher cette capacité à catalyser une réaction cathodique, en l'occurrence la réduction du dioxygène, chez un grand nombre de bactéries, Gram - et Gram +, et d'étudier les mécanismes impliqués dans ce transfert d'électrons chez Pseudomonas aeruginosa. Nos résultats démontrent l'ubiquité du phénomène et suggèrent l'implication d'enzymes membranaires porphyriniques. La propriété mise en évidence dans ce travail pourrait être utilisée pour mettre en place un outil de détection d'adhésion de bactéries
Electroactive bacteria are able to directly exchange electrons with electrodes and thus produce current. This property was discovered in the early 2000s and is very interesting for microbial fuel cells applications. Many studies have been devoted to the analysis of electronic transfer from bacteria to electrodes (anodic reaction) but very few to the reverse phenomenon (cathodic reaction). The objectives of the present work were first to search for the capacity of catalyzing a cathodic reaction (oxygen reduction) among a wide range of bacteria including Gram - and Gram + and second to analyse the mechanisms involved in such a transfer of electrons using Pseudomonas aeruginosa. Our results show that this property is widespread among bacteria and suggest that membrane-bound enzymes with porphyrin active sites may be involved. Finally, this phenomenon could be used to design an interesting tool in the field of bacterial adhesion detection

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Champigneux, Pierre. "Comprendre et optimiser les anodes microbiennes grâce aux technologies microsystèmes." Thesis, Toulouse, INPT, 2018. http://www.theses.fr/2018INPT0051/document.

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Abstract:

De multiples micro-organismes ont la capacité de catalyser l’oxydation électrochimique de matières organiques en s’organisant en biofilm à la surface d’anodes. Ce processus est à la base de procédés électro-microbiens très innovants tels que les piles à combustible microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. L’interface biofilm/électrode a été l’objet de nombreuses étudesdont les conclusions restent difficiles à démêler en partie du fait de la diversité des paramètres interfaciaux mis en jeu. L’objet de ce travail de thèse est d’exploiter les technologies microsystèmes pour focaliser l’impact de la topographie de surface des électrodes sur le développement du biofilm et sur ses performances électro-catalytiques. La formation de biofilmsélectroactifs de Geobacter sulfurreducens a été étudiée sur des électrodes d’or présentant des topographies bien contrôlées, sous la forme de rugosité, porosité, réseau de piliers, à des échellesallant du nanomètre à quelques centaines de micromètres. La présence de microrugosité a permis d’accroitre les densités de courant d’un facteur 8 par rapport à une surface lisse et son effet a étéquantifié à l’aide du paramètre Sa. Nous avons tenté de distinguer les effets des différentes échelles de rugosité sur le développement du biofilm et la vitesse des transferts électroniques.L’intérêt de la microporosité a été discuté. L’accroissement de surface active par la présence de micro-piliers s’est avéré très efficace et une approche théorique a donné des clés de compréhension et d’optimisation. Les connaissances acquises dans les conditions de culture pure ont finalement été confrontées avec la mise en oeuvre de biofilms multi-espèces issus d’un inoculum complexe provenant de sédiments marins
Many microorganisms have the ability to catalyze the electrochemical oxidation of organic matterby self-organizing into biofilm on the surface of anodes. This process is the basis of highlyinnovative electro-microbial processes such as microbial fuel cells or microbial electrolysis cells.The biofilm/electrode interface has been the subject of numerous studies whose conclusionsremain difficult to disentangle partly because of the diversity of the interfacial parameters involved.The purpose of this thesis work is to exploit microsystem technologies to focus the impact ofelectrode surface topography on biofilm development and electro-catalytic performance. Theformation of electroactive biofilms of Geobacter sulfurreducens was studied on gold electrodespresenting well-controlled topographies, in the form of roughness, porosity, pillar networks, atscales ranging from nanometer to a few hundred micrometers. The presence of micro-roughnessincreased the current densities by a factor of 8 compared to a smooth surface and its effect wasquantified using the Sa parameter. We have tried to distinguish the effects of different roughnessscales on biofilm development and electron transfer rates. The suitability of micro-porosity wasdiscussed. The increase of active surface area by the presence of micro-pillars has proved veryeffective and a theoretical approach has given keys to understanding and optimization. Theknowledge acquired under pure culture conditions was finally confronted with the use of multispeciesbiofilms formed from a complex inoculum coming from marine sediments

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Pietrelli, Andrea. "Electrical valorization of MFC : application to monitoring." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSEC001/document.

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Dans les dernières années, l'utilisation intensive des combustibles fossiles a déclenché une crise mondiale due à la forte production de polluants et à la réduction des stocks, en raison de sa nature de source d'énergie non renouvelable. Parce que l'utilisation généralisée des combustibles fossiles a entraîné la production de grandes quantités de CO2, ce qui est un facteur aggravant du réchauffement de la planète. Les piles à combustible microbiennes (MFC) représentent une technique de récupération d'énergie qui convertit l'énergie chimique des composés organiques en énergie électrique par le biais de réactions catalytiques de micro-organismes. La MFC peut être considérée comme un archétypique de système microbien bioélectrochimique (BES), qui exploite l’activité bio-électrocatalytique de micro-organismes vivants pour la génération de courant électrique. Durant la dernière décennie, l’évolution de l’électronique de faible consommation a rendu la technologie des MFC plus attrayante, car elle commence à pouvoir fournir une énergie comparable à celle consommée par des périphériques dit à faible consommation, comme un nœud de réseau de capteurs sans fil (WSN). En plus, les MFC ont gagné en intérêt car elles peuvent générer de l'énergie électrique tout en traitant des déchets. Contrairement aux autres piles à combustible, les MFC peuvent générer en permanence une énergie propre à une température ambiante, à la pression atmosphérique et à un pH neutre, sans entretien supplémentaire. Les seuls sous-produits sont le CO2 et H2O, qui ne nécessitent aucune manipulation supplémentaire, car le CO2 produit est biogénique, ce qui est inclus dans le cycle du carbone biogéochimique, évitant l'émission nette de carbone dans l'atmosphère. Ce manuscrit examine certains aspects liés à la technologie des piles à combustible microbiennes, depuis les réactions chimiques jusqu’aux systèmes de gestion de l'énergie requis pour exploiter la puissance fournie par les MFC. Une campagne expérimentale a été menée sur les MFCs concernant la caractérisation électrique, la connexion multiple des MFCs et l’influence des principaux paramètres qui affectent les performances de conversion de l’énergie. Le contexte de la pile à biocarburant est introduit et les principes de base de fonctionnement et les applications principales sont expliqués. L'enquête comprend une évaluation de l'impact des différents matériaux d'électrode, du substrat utilisé et des bactéries impliquées dans le processus chimique. Une perspective consiste à ajuster les paramètres afin de maximiser la production d'électricité. La conception spécifique de nos MFC de laboratoire est également présentée. Les essais expérimentaux ont été effectués sur deux types de réacteurs : la pile à combustible microbienne terrestre et la pile à combustible microbienne à eau usée. Un système de mesure approprié est présenté, il est spécialement conçu pour les tests sur les MFC. Il est capable d'assurer une mesure précise de toutes les valeurs et paramètres électriques nécessaires à la caractérisation électrique des réacteurs dans une configuration unique ou dans une connexion multiple. Les solutions utilisées pour alimenter les WWMFC étaient différentes et dans certains cas, on utilisait de vraies eaux usées, alors que dans d'autres, des solutions synthétisées appropriées étaient conçues à cet effet. Les méthodes de synthèse des solutions sont décrites. L'influence des principaux paramètres tels que le pH et la température a été analysée pour les deux types de cellules. La campagne expérimentale comprend des mesures de réacteurs en configuration unique ou disposées dans des connexions en série ou en parallèle. Les résultats confirment l'augmentation de la tension dans le cas de connexions en série et l'augmentation de la puissance dans le cas de connexions en parallèle. [...]
In recent years, the extensive use of fossil fuels has triggered into a global crisis due to high pollution and stock reduction, because of its nature of non-renewable source of energy. Because the wide use of fossil fuels has led to the production of high amounts of CO2, as a result is a trigger of the global warming issue. Microbial fuel cells (MFCs) is an energy harvesting technique that converts chemical energy from organic compounds to electrical energy through catalytic actions of microorganisms. MFC can be considered as archetypical microbial Bioelectrochemical Systems (BESs), that exploit the bio-electrocatalytic activity of living microorganisms for the generation of electric current. In the past decade, the evolution of low power electronics has made MFCs technology more attractive, because it has begun to be able to power low-power devices forming complete systems, such as the nodes of a wireless sensor network (WSN). Moreover, MFCs gained more interest because they can generate electric power while treating wastes. Unlike other fuel cells, MFCs can continuously generate clean energy at normal temperature, atmospheric pressure, and neutral pH value without any supplementary maintenance. The only by-products are CO2 and H2O, which do not require additional handling. The production of CO2 is part of a short duration carbon cycle. The CO2 produced is biogenic, which is included in the biogeochemical carbon cycle, avoiding net carbon emission into atmosphere. This manuscript examines many aspects related to microbial fuel cell technology from chemical reactions inside the cells to the energy management systems required to exploit energy delivered from MFCs for practical usage in autonomous sensors. Experimental campaign was performed on MFCs regarding electrical characterization, multiple connections of MFCs and influence of main parameters that affect energy conversion performances. The experimental tests were performed on two different lab-scale reactor typologies: terrestrial microbial fuel cell and waste water microbial fuel cell. A survey is presented about different proposed energy management systems and other devices able to build a node of a WSN powered by MFCs

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Smida, Hassiba. "Modulation de l'interface entre biofilms microbiens électroactifs et surface d'électrode : modifications de surface et effets de milieux." Thesis, Rennes 1, 2017. http://www.theses.fr/2017REN1S135/document.

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Abstract:

Les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont des dispositifs bio-électrochimiques qui utilisent des biofilms bactériens électroactifs afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction anodique et/ou cathodique pour générer de l'énergie électrique. Afin de promouvoir le développement et la connexion des biofilms, points clé dans les performances des PCM, la surface de l'anode de graphite est fonctionnalisée par des unités pyridine. Celles-ci sont greffées de façon covalente via la réduction électrochimique de cations diazopyridinium, formés in situ à partir de précurseurs amine, en s'inspirant de la méthode d'électrogreffage des sels d'aryle diazonium. Cela permet d'obtenir une interface très robuste. En comparant la réactivité de différents dérivés aminopyridine et les propriétés des couches greffées résultantes, la réduction des cations para-diazopyridinium conduit à des films fins et compacts, bien adaptés pour favoriser l'adhésion bactérienne et le transfert d'électrons entre la surface de l'anode et les bactéries électroactives. La présence d'unités pyridine immobilisées en surface de l'anode permet un développement plus rapide du biofilm et des performances accrues de la PCM pour des biofilms jeunes. Par comparaison, une anode modifiée par des multicouches de polyphénylène puis colonisée par un biofilm bactérien se révèle moins efficace pour la catalyse de l'oxydation de l'acétate. La nature et les propriétés physicochimiques de l'électrolyte sont également un paramètre important dans le développement du biofilm bactérien. Les liquides ioniques à température ambiante présentent des propriétés uniques, notamment en termes de solvatation, et leur utilisation dans des applications biotechnologiques a récemment émergé. Toutefois, leurs effets sur les biofilms bactériens restent encore peu connus. L'ajout d'une sélection de liquides ioniques hydrophiles et hydrophobes à base de cations imidazolium ou pyridinium dans l'anolyte, même en très faible quantité, ou immobilisés à la surface de l'anode inhibe le développement du biofilm
Microbial Fuel Cells (MFCs) are bio-electrochemical devices based on electroactive bacterial biofilms which catalyze the electron transfer both at the anode and cathode to generate electrical power. To enhance the biofilms development and to improve the biofilm-electrode connection, being both key features in the performance of the MFC, the graphite anode was functionalized by pyridine units. In order to ensure a robust interface, pyridine units are grafted covalently through the electrochemical reduction of diazopyridinium cations in situ formed from aminopyridine precursors, following the well-known electrografting method for aryl diazonium salts. By comparing the reactivity of various aminopyridine derivatives and the resulting grafted layers properties, the para-diazopyridinium cations reduction results in a thin and compact layer, which is the best suited for promoting bacterial adhesion and favorable electron transfer between the anode surface and electroactive bacteria. The presence of pyridine units immobilized on the anode surface leads to a faster biofilm development together with increased MFC performances for young biofilms. In contrast, anode modified with polyphenylene multilayers and then colonized by a bacterial biofilm has been proved to be less effective for the catalysis of acetate oxidation. On the other hand, the nature of the electrolyte and the physicochemical properties are also important parameters for the bacterial biofilm development. Room temperature ionic liquids have unique properties, particularly in terms of solvation, and their use in biotechnological applications has recently emerged. However, their effects on bacterial biofilms remain little known. The addition of a selection of hydrophilic and hydrophobic ionic liquids based on imidazolium or pyridinium cations in the anolyte, even in very small quantities, or immobilized at the anode surface inhibited the biofilm development

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Lepage, Guillaume. "Caractérisation et optimisation d'une pile à combustible microbienne." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00836765.

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Abstract:

Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques.

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Nicolas, Degrenne. "Power Management for Microbial Fuel Cells." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01064521.

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Abstract:

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme

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Cercado, Quezada Bibiana. "Traitement de déchets issus de l'industrie agro-alimentaire par pile à combustible microbienne." Thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://www.theses.fr/2009INPT025G/document.

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Abstract:

Les piles à combustible microbiennes (PACM) permettent la production directe d'électricité par l'oxydation de matière organique ; à l'anode les combustibles organiques sont oxydés grâce à des microorganismes adhérés qui jouent le rôle d'électro-catalyseurs. Utiliser comme combustible la matière organique issue d'effluents ou de déchets des industries agro-alimentaires présente un double bénéfice : la réduction de l'impact environnemental et la génération d'énergie. Le travail réalisé dans le cadre de la thèse comporte trois volets : tout d'abord l'évaluation des combustibles et des sources d'inoculum en termes de capacités électro-catalytiques, ensuite la recherche de conditions opératoires favorisant la génération de courant simultanément à la biodépollution. Ces deux objectifs ont été abordés en conditions électrochimiques bien contrôlées (montages à trois électrodes, contrôle potentiostatique). Le troisième volet a porté sur la validation de ces conditions en configuration de PACM. Trois résidus issus d'industries agro-alimentaires ont été testés comme combustible : des jus de pomme fermentés, des lies du vin et des déchets de laiterie, et deux environnements comme source de micro-organismes électro-actifs : des boues anaérobies et des lixiviats de terreau de jardin. Les études en cellule électrochimique ont révélé les lixiviats de terreau comme la meilleure source de biocatalyseur et les résidus de laiterie comme le meilleur combustible. En conséquence l'amélioration du procédé a été effectuée principalement sur le couple lixiviats de terreau - résidus laitiers. Une acclimatation préliminaire de la microflore des lixiviats de terreau aux déchets de laiterie s'est révélée inutile. Des concentrations élevées des déchets de laiterie ont eu un effet négatif sur la génération de courant, bien qu'une réduction de 90% en demande chimique en oxygène (DCO) ait été atteinte. Le prétraitement de la surface de l'anode par l'adsorption du substrat a permis une augmentation du courant d'un facteur 10 par rapport à une anode non prétraitée. Les tests de températures comprises entre 10°C et 60°C suggèrent l'existence d'une large diversité de microorganismes électro-actifs. Une densité de courant de 1655 mA/m² a été atteinte à 40°C à un potentiel imposé de +0,1V/ECS sur une anode en feutre de graphite prétraitée. Différentes combinaisons « source de biocatalyseur - combustible » ont été évaluées en utilisant une PACM composée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons et équipée d'une anode en feutre de graphite. Les meilleures performances ont été obtenues avec le lixiviat de terreau comme source de micro-organismes électro-actifs et les déchets laitiers comme combustible (92 mW/m2, 636 mA/m2). Ces résultats confirment les résultats obtenus en cellule électrochimique et se situent parmi les meilleurs dans le cadre du développement émergent des PACM pour l'exploitation de déchets bruts
In the microbial fuel cells (MFC) electricity is produced by the oxidation of organic matter. At the anode the fuel is oxidized by the microorganisms attached to it, they act as catalyst. The use of food and agricultural industry wastes carry out to a double benefit: waste treatment and energy generation. In the present work three aspects are presented: Initially fuels and inoculum sources are evaluated in terms of their electro catalytic activity, thereafter operational parameters are studied to enhance electricity production and waste treatment. These studies are achieved in three electrodes electrochemical cells under potentiostatic control. In the last part, the materials and operational conditions selected are tested in MFC. Three wastes were tested as fuel to MFC: fermented apple juice, wine lees and dairy wastes, with two electroactive inocula: anaerobic sludge and garden compost leachate. The results in electrochemical cells indicated compost leachate and dairy wastes as the best inoculum and fuel respectively. Consequently, most of subsequent experiments were achieved with these materials. Preliminary acclimation procedure of compost leachate microbial flora to dairy wastes fuel proved not to be useful. High concentration of dairy wastes was detrimental to current generation; however the COD removal was 90%. Pre-treatment of electrode by pre-adsorbing dairy waste led to a 10-fold increase in the current density. Results from temperature test (10°C to 60°C) suggest a large diversity of electrochemically active microorganisms coming from compost. A current density of 1655 mA/m² was reached at 40°C with a pre-treated graphite felt anode under polarization at +0,1V vs. ECS. Different mixtures composed by “biocatalyst-combustible” were evaluated in a two chamber membrane microbial fuel cell, with graphite felt anode. The best performance was obtained with compost leachate as biocatalyst and dairy wastes as fuel (92 mW/m² at 636 mA/m² by polarization curve). These results confirmed those obtained in electrochemical cells and they are in the high range of performances reached with this new technology using raw materials

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Narducci, Riccardo. "Membranes conductrices ioniques pour piles à combustible." Thesis, Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM4764.

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Abstract:

Dans cette thèse, les membranes perfluorosulfoniques (PFSA) et les polymères aromatiques sulfonés (SAP) sont étudiés en vue d'une meilleure compréhension de leurs propriétés thermodynamiques, d'hydratation, mècaniques et électriques.Concernant les PFSA: 1) Préparation de membranes Nafion ayant diverses morphologies et structures (amorphe, semi-cristalline, stratifiée) et relation avec les propriétés, comme la transition vitreuse, la fusion, la conductivité protonique. 2) Divers traitements de recuit ont été appliqués et analysés par une nouvelle méthode quantitative appelé INCA (Ionomère nc analyse), utilisant aussi des agents de recuit spéciaux. Concernant les SAP: 1) Synthèse in situ de polymères réticulés et clarification du mécanisme. 2) Optimisation du degré de reticulation en vue de la meilleure conductivité protonique. 3) Obtention d'ionomères conducteurs cationiques par échange de cations du SPEEK et détermination des propriétés de ces nouveaux ionomères
In this thesis, perfluorosulfonic acid membranes (PFSA) and sulfonated aromatic polymers (SAP) are studied to better understandtheir thermodynamic, hydration, mechanical and electrical properties. The following main points were addressed:Regarding PFSA:1) Nafion membranes with various morphology and microstructure (amorphous, semi-crystalline, layered) were prepared and the relation to the properties, such as glass and melting transitions, and proton conductivity, was established.2) Various annealing treatments were performed and analyzed by the quantitative INCA (Ionomer nc Analysis) method using also special annealing agents. Regarding SAP:1) The in situ synthesis of cross-linked polymers was studied and the mechanism was clarified. 2) The degree of cross-linking was optimized for best proton conductivity.3) Cation-conducting ionomers were obtained by cation exchange of SPEEK and the properties of these new ionomers were determined

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Génevé, Thomas. "Méthodes de diagnostic des piles à combustible." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2016. http://oatao.univ-toulouse.fr/15589/1/TGENEVE.pdf.

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Abstract:

La problématique développée dans cette thèse est le diagnostic des piles à combustible (PAC) de type « Proton Exchange Membrane » (PEM). Nous avons choisi d’axer ces travaux sur différentes méthodes de diagnostic, séparées en deux grandes thématiques, relativement différentes et donc indépendantes, qui forment les deux parties de cette thèse. Dans la première partie, intitulée « Méthodes de diagnostic des fuites internes », nous nous focaliserons sur un type de dégradation des PAC, celle de la membrane, et de sa conséquence principale, l’augmentation des fuites internes. Après avoir fait l’inventaire des différentes techniques de diagnostic possibles, nous avons eu l’opportunité d’en tester certaines sur un stack (empilement de cellules élémentaires) dégradé dont nous disposions. La voltammétrie cyclique semble la plus intéressante en terme de précision. Cependant, pour le diagnostic complet d’un stack, le niveau de fuite de chaque cellule doit être évalué. Il apparaît que cette opération est extrêmement chronophage ; nous avons donc dû mettre au point des méthodes alternatives à celles rencontrées fréquemment dans la littérature. Nous avons d’une part appliqué la voltammétrie cyclique directement aux bornes du stack et parallèlement nous avons mis au point une technique nouvelle de diagnostic des fuites internes d’une PAC. Ces méthodes seront testées sur trois stacks comportant chacun un nombre différent de cellules. La deuxième partie de ce manuscrit est intitulée « Méthodes de diagnostic en gaz actifs ». Nous aborderons dans un premier temps une méthode bien connue, la Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). L’utilisation de cette technique soulève deux problématiques : le choix d’un modèle approprié pour décrire des phénomènes physico-chimiques variés puis la difficulté de converger vers un jeu unique de paramètres une fois le modèle établi. Partant de ce constat, nous avons développé une technique originale d’exploitation des SIE, basée sur un modèle électrique sans a priori, dont la construction va se faire automatiquement étape par étape. Cet algorithme sera validé de manière théorique sur des simulations, puis nous confirmerons son potentiel sur des données expérimentales issues d’essais de vieillissement de monocellules. Parallèlement, nous avons développé une technique alternative à la spectroscopie d’impédance, basée sur l’exploitation d’échelons de courant. Cette méthode permet d’extraire un spectre de constantes de temps sans passer par de l’identification paramétrique. Après une première validation théorique grâce à des simulations, nous avons éprouvé cette technique avec d’une part les données de vieillissement mentionnées précédemment ainsi qu’avec des données issues d’un essai d’engorgement d’une monocellule. Nous confirmerons que cette technique est bien adaptée pour effectuer du diagnostic en cours de fonctionnement.

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Caillard, Amaël. "ELABORATION D'ELECTRODES DE PILES A COMBUSTIBLE PAR PLASMA." Phd thesis, Université d'Orléans, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00150605.

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Abstract:

Cette thèse en cotutelle résulte de la collaboration entre le laboratoire français GREMI (Orléans) et le groupe australien SP3 (Université National Australienne) sur l'optimisation des piles à combustible par procédé plasma. Mon projet d'étude concerne le développement d'une électrode de pile à combustible constituée d'une nanostructure carbonée imprégnée d'agrégats de catalyseur platine, l'enjeu étant de réduire la quantité de platine tout en conservant de bonnes performances électrochimiques. Durant la première partie passée en France, des électrodes traditionnelles non catalysées ont été imprégnées d'agrégats de platine sur quelques centaines de nanomètres par pulvérisation plasma. Cette méthode a permis de réduire considérablement la charge de platine par rapport à une électrode traditionnelle catalysée chimiquement tout en réduisant légèrement ses performances. La seconde moitié de ma thèse en Australie concerna la croissance d'un support catalytique carboné de grande surface spécifique optimisé pour l'application pile à combustible. Des nanofibres de carbone (CNF) ont donc été déposées sur du papier de carbone recouvert d'une fine couche de nickel en utilisant un procédé CVD (Chemical Vapor Deposition) dans un réacteur plasma Helicon que j'ai conçu et développé. La morphologie des CNF a été caractérisée et optimisée en fonction des paramètres plasmas. Ce tapis de CNF a été imprégné d'agrégats de platine par pulvérisation plasma Helicon. Dans cette nouvelle électrode entièrement réalisée par plasma, le catalyseur dispersé est cette fois réparti sur quelques micromètres ce qui permettra d'augmenter les performances électriques de la pile.

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Bois, Chloe. "Fabrication de piles à combustible par procédés d'impression." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00844403.

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Abstract:

Les piles à combustibles sont une alternative à l'utilisation de ressources fossiles. Cependant, l'énergie qu'elles produisent reste chère et les procédés de fabrication actuels ne sont pas adaptés à des productions à grande échelle. Une piles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) essont un système constitué de cinq couches dans lequel la membrane et les deux couches de diffusion peuvent être considértestées comme support d'impression et les deux couches actives peuvent être imprimées par des procédés continus.Ce travail démontrea la pertinence du procédé d'impression appelé flexographiquee dans la fabrication de composants de PEMFC. La flexographieCe procédé offre permet de produire de grandes surfaces de production avec peu de perte de matière fonctionnelle. Malgré la faible imprimabilité des supports choisis, elle permit la fabrication des couches actives aux performances similaires à celles fabriquéesites par procédés conventionnels ont pu être réalisées grâce à la flexogaphie.

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Bois, Chloé. "Fabrication de piles à combustible par procédés d'impression." Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2012GRENI076/document.

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Abstract:

Les piles à combustibles sont une alternative à l’utilisation de ressources fossiles. Cependant, l’énergie qu’elles produisent reste chère et les procédés de fabrication actuels ne sont pas adaptés à des productions à grande échelle. Une piles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) essont un système constitué de cinq couches dans lequel la membrane et les deux couches de diffusion peuvent être considértestées comme support d’impression et les deux couches actives peuvent être imprimées par des procédés continus.Ce travail démontrea la pertinence du procédé d’impression appelé flexographiquee dans la fabrication de composants de PEMFC. La flexographieCe procédé offre permet de produire de grandes surfaces de production avec peu de perte de matière fonctionnelle. Malgré la faible imprimabilité des supports choisis, elle permit la fabrication des couches actives aux performances similaires à celles fabriquéesites par procédés conventionnels ont pu être réalisées grâce à la flexogaphie
In a context of fossil fuel shortage and hydrocarbon emission reduction, fuel cells are a promising solution for energy production. However, the cost of the energy they produce remains too expensive to be competitive and the conventional manufacturing processes used limit the scaling up of the production. The core of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) is a stack composed of five constituents, in which the proton exchange membrane and the two gas diffusion layers have potential for being can be considered as used a a printing substrates, and the two catalyst layers can be printed by continuous printing processes.This work demonstrated the relevance of the printing process called flexography for manufacturing fuel cell components. It offers allows larger production with low waste of expensive elements. Despite of the poor printability of the both chosen substrates, the achieved catalyst layers printed by flexography reached similar electrochemical properties than those made by conventional processes

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Marchand, Marielle. "Gestion de l'eau dans les piles à combustible." Grenoble INPG, 1998. http://www.theses.fr/1998INPG0142.

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Abstract:

Les performances des piles a combustible sont entre autres limitees par deux problemes lies a la thermohydraulique : l'assechement des membranes et l'engorgement en eau des canaux de distribution des gaz. Ces travaux de these traitent essentiellement des problemes d'engorgement en eau dans les canaux de distribution des gaz d'une pile a combustible. Ils ont montre que trois regimes d'ecoulement etaient possibles selon la nature du gaz : l'ecoulement intermittent, l'ecoulement annulaire et l'ecoulement doublement stratifie, materialise par un film liquide localise uniquement sur les faces inferieures et superieure du canal. L'ecoulement doublement stratifie conduit aux performances de la pile les plus elevees : la diffusion des gaz, a travers le film d'eau entourant le gaz dans l'ecoulement annulaire et les poches de gaz dans l'ecoulement intermittent, represente une etape limitante. De plus, l'ecoulement intermittent genere des instabilites sur la tension de la pile, liees aux passages des bouchons d'eau liquide. Suite a ces travaux, le modele de taitel & dukler 1976 base sur un modele de contrainte interfaciale, a ete retenu pour la modelisation hydraulique, car il prend en compte la nature des ecoulements diphasiques. La correlation de chen, employee pour decrire le frottement interfacial, represente de maniere tres satisfaisante les pertes de pression cote cathode. Une nouvelle correlation a ete proposee cote anode, apres une optimisation sur des resultats experimentaux. De plus, les travaux ont montre que, dans les conditions operatoires etudiees (pression de 1,5 a 4 bar, temperature de 50 a 80c, stoechiometrie de 1,5 a 2 et densite de courant de 0,25 a 0,5 a. Cm#-#2), les humidites relatives des gaz en entree d'une cellule de 200 cm#2 peuvent etre reduites a 42%.

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Sibiude, Galdric. "Nanostructuration de couches actives pour piles à combustible PEM." Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00684241.

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La technologie de piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane) voit encore sa commercialisation limitée du fait de son coût élevé. L'un des éléments les plus coûteux est le catalyseur, constitué de platine, métal noble, représentant 25 % du coût global. L'étude mise en place dans le cadre de cette thèse s'oriente vers l'amélioration de l'utilisation de cet élément. La voie de nanostructuration s'avère d'un intérêt majeur afin de maintenir des tailles de structure proposant des propriétés électrocatalytiques intéressantes. De plus, l'élaboration électrochimique de catalyseurs présente l'avantage majeur de remplir l'une des conditions nécessaires en pile à combustible : le contact électronique. La réunion des deux précédents points nous a permis de mettre en place un procédé d'élaboration électrochimique de nanostructures, ensuite charactérisées par méthodes électrochimiques et physiques afin d'évaluer et de comprendre leurs propriétés catalytiques.

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Assumma, Luca. "Nouveaux Ionomères aromatiques nanostructurés pour les piles à combustible." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENI012/document.

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Abstract:

Ces travaux ont été dédiés à la synthèse et la caractérisation de nouveaux ionomères aromatiques à blocs pour les PEMFC. Les blocs hydrophiles sont constitués par des polysufones fonctionnalisés par des chaînes latérales alkylperfluorosulfoniques, les blocs hydrophobes sont des polysulfones partiellement fluorés. La synthèse du squelette polymère a été réalisée par de polycondensation, les fonctions ioniques ont été greffées par un couplage d'Ullmann. Trois ionomères de différentes capacités d'échange ionique ont été synthétisés en modulant les longueurs des blocs porteurs des fonctions alkylperflurosulfoniques. Ces ionomères ont été mis en œuvre sous forme de membranes par coulée-évaporation. L'impact du solvant d'élaboration et de la structure chimique des ionomères sur la morphologie et les propriétés intrinsèques des membranes ont été largement étudiés. Le solvant de mise en œuvre de la membrane a un effet spectaculaire sur l'organisation des chaînes polymères à l'échelle nanométrique. Les études par diffusion des neutrons aux petits angles montrent que la morphologie des membranes est dépendante de la longueur des blocs hydrophiles. Les propriétés thermomécaniques et les conductivités protoniques des membranes ionomères aromatiques sont supérieures au Nafion, au-delà de 60°C, ce qui les rend prometteuses pour l'application PEMFC opérant à plus de 100°C
The purpose of this work was the synthesis and characterization of new aromatic ionomers for PEMFC. The ionomers are based on block copolymers containing hydrophilic blocks, functionalised with a perfluorinated acid, and hydrophobic blocks containing partially perfluorinated aromatic rings. The polymer main chain was performed by polycondensation reaction. The acidic functions were grafted onto the polymer in two steps: bromination and coupling Ullman reaction. Different copolymers with different lengths of hydrophilic block were synthetized. The membranes were obtained by casting, the impact of the solvent nature and Ionomer structure on the membrane morphology and properties was studied. The solvent has a strong impact on the membrane structuration at nanometric scale. By small angle neutrons scattering, we showed that the membrane morphology is depending on hydrophilic bloc length. The mechanical strengths and the conductivities of aromatic ionomer membranes are higher that the Nafion above 60°C that make them promising for PEMFC working at temperature higher than 100°C

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Akrout, Alia. "Membranes hybrides nanostructurées pour application en piles à combustible." Thesis, Montpellier, 2020. http://www.theses.fr/2020MONTS014.

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Abstract:

L’objectif de ce travail est le développement de membranes de type acide perfluorosulfonique (PFSA) pour les piles à combustible à membranes échangeuses de protons avec une stabilité mécanique et chimique accrue. La stratégie utilisée au cours de cette thèse consiste à préparer des membranes composites incorporant des réseaux de nanofibres polymères (renfort mécanique) ainsi que des pièges à radicaux inorganiques et organiques (stabilisation chimique). Pour éviter l’élution de ces derniers, des argiles nanotubulaires ont été utilisées comme support d’immobilisation et incorporées directement dans la membrane PFSA ou dans des nanofibres polymères. Les membranes ainsi réalisées ont été caractérisées ex situ, puis en monocellule de pile à combustible. Leur perméabilité aux gaz et leur stabilité à la dégradation mécanique et chimique ont été évaluées par des tests de vieillissement accéléré
The objective of this PhD work is the development of perfluorosulfonic acid (PFSA) membranes for proton exchange membrane fuel cells with high mechanical and chemical stability. The strategy used during this thesis consists of preparing composite membranes incorporating networks of polymer nanofibers (mechanical reinforcement) as well as inorganic and organic radical scavengers (chemical stabilization). To avoid the elution of the latter, nanotubular clays were used as immobilization support and incorporated directly into the PFSA membrane or into polymer nanofibers. The membranes thus prepared were characterized ex situ, then in a single fuel cell. Their gas permeability and their stability towards mechanical and chemical degradation have been evaluated by accelerated stress test

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Schieda, Mauricio. "Elaboration par CVD plasma et caractérisation de matériaux pour pile à combustible à membrane alcaline." Montpellier 2, 2007. http://www.theses.fr/2007MON20202.

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Rallières, Olivier. "Modélisation et caractérisation de Piles A Combustible et Electrolyseurs PEM." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00819317.

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Abstract:

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la production et de l'utilisation du vecteur énergétique hydrogène dont le potentiel est très prometteur dans un paysage énergétique renouvelé. Plus exactement, cette étude traite des électrolyseurs et des piles à combustible de technologie PEM (membranes échanges de protons) fonctionnant à basse température. Dans une très large majorité, les études présentées ici se sont inscrites en partenariat étroit avec HELION Hydrogen Power, notamment dans le cadre du projet ANR AIRELLES (2008- 2011). Tout d'abord sont posées les bases de modèles (quasi-statique, dynamique petits signaux, dynamique forts signaux) génériques et applicables à une pile à combustible et à un électrolyseur. Les méthodologies de caractérisation ainsi que les techniques de paramétrisation de ces modèles utilisées sont ensuite exposées. L'intérêt de croiser toutes ces approches pour caractériser au plus juste les composants est illustré. A partir de cette vision commune des deux composants, le document est scindé en trois parties : - Une première partie porte sur une validation et une exploitation des modèles proposés via différentes études sur des piles à combustible alimentées en H 2 /air : 1) La recherche de signatures d'un engorgement et d'un assèchement d'une pile alimentée en H 2 /air. Ces signatures sont comparées à celles d'une pile alimentée en H 2 /0 2 . 2) L'analyse des impacts d'harmoniques de courant hautes fréquences (représentatives d'un convertisseur continu-continu de type boost) sur un cœur de pile. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire FEMTO-ST/FCLAB (projet CNRS CO-CONPAC). - Une seconde partie porte sur la validation et la paramétrisation des modèles proposés pour l'électrolyseur. Deux techniques originales ont été proposées et testées : la première consiste en une approche multispectres d'impédance et la seconde en une approche multibalayages basses fréquences. - Une troisième partie décrit les moyens d'essais qui ont été conçus et déployés au cours de cette thèse aboutissant à une plateforme significative de tests dédiée à l'hydrogène sur le site l'INPT (Toulouse Labège).

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Mangiatordi, Giuseppe. "Modélisation du transfert de charge dans les piles à combustible." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00833250.

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Abstract:

Les performances des piles à combustible à échange de protons (PEMFC) sont fortement influencées par la conductivité protonique de l'électrolyte solide. Les polymères à base d'azole sont parmi les matériaux les plus prometteurs pour améliorer l'efficacité de ces systèmes. Une étude théorique de réaction du transfert de protons (PT) en dimères protonée du imidazole, 1,2,3-triazole et tétrazole a été effectuée. Le protocole DFT mis au point a été appliqué sur des systèmes plus complexes. Les résultats obtenus à partir de l'étude réalisée sur le poly(4-vinyl-imidazole) (P4VI) suggèrent que le mécanisme de conduction communément admis (Grotthuss) pourrait être entravé dans ce système en raison de l'effet de la matrice polymérique. Cette étude, réalisée par le biais d'une approche combinée théorie du fonctionnelle de la densité (DFT) / simulations de Dynamique Moléculaire (MD), a permis de proposer un mécanisme alternatif de conduction. Une étude supplémentaire réalisée sur des modèles avec du acide phosphorique (H3PO4) a révélé que faibles concentrations de H3PO4 pourrait permettre le mécanisme de Grotthuss malgré la matrice polymérique. Le rôle crucial joué par la matrice polymérique sur la conductivité a été ensuite confirmée par l'étude menée sur un second polymère : la position d'attache du imidazole peut fortement affecter le mécanisme de conduction. En bref, les simulations obtenus montrent comment la matrice polymérique jouent un rôle crucial dans le mécanisme de la conductivité. La présente recherche représente une première tentative pour une étude plus systématique de la relation entre la connectivité de la matrice polymère et l'efficacité du transport de charge

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Chabert, France. "Élaboration par extrusion de membranes polymères pour piles à combustible." Grenoble INPG, 2004. http://www.theses.fr/2004INPG0132.

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Abstract:

Dans le cadre de la diversification des sources énergétiques, les piles à combustible apparaissent comme une technologie prometteuse. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydoréduction en énergie électrique, avec production simultanée d'eau et de chaleur. La membrane électrolyte polymère est l'un des verrous technologiques sur lesquels bute le développement des piles à combustible, avec des impératifs de performance, de longévité, de recyclage et de coût. Des études précédentes proposaient comme alternative au Nafion®, le matériau utilisé actuellement, des membranes à base d'un polyélectrolyte thermoplastique polyéthersulfone, associé éventuellement à une charge inorganique. L'objectif de ce travail était d'élaborer à partir de ce matériau des membranes par extrusion alors que les polymères fonctionnels de ce type sont généralement mis en forme par des techniques de coulée-évaporation polluantes, ce qui les rend difficilement transposables à l'échelle industrielle. L'extrusion, procédé largement utilisé dans l'industrie de transformation des matériaux, n'avait pas été utilisée jusqu'à présent pour la mise en forme de polymères ioniques porteurs de fonctions arylsulfoniques. Pour extruder ce type de polymère sans risque de dégradation, il a fallu vérifier l'adéquation entre le matériau et le procédé de mise en forme. Plusieurs types de polysulfones, commerciaux, sulfonés ou synthétisés par les partenaires du projet, ont été caractérisés d'un point de vue physico-chimique par la détermination des masses molaires, des transitions thermiques, et d'un point de vue rhéométrique sur une large gamme de températures et de gradients de cisaillement, de manière à connaître leur comportement en écoulement et prévoir les conditions d'extrusion. Des films ont été extrudés, leurs conductivités sont similaires à celles des membranes élaborées par coulée-évaporation et proches de celle du Nafion®. Par ailleurs, nous avons montré que l'incorporation d'une charge conductrice protonique permet de moins sulfoner le polysulfone pour un même niveau de conductivité, tout en maintenant un niveau de viscosité suffisamment faible pour permettre d'extruder ces matériaux composites. L'incorporation de charges de renfort a été également envisagée, l'extrusion de ces composites a été validée. Ce travail pourra être étendu à d'autres polymères conducteurs protoniques, comme les polyétheréthercétones et les polyétherimides, dont les membranes réalisées par coulée-évaporation ont déjà démontré leurs performances en pile à combustible
The aim of these studies was to process membranes by extrusion to be used in fuel cells. The functional polymers used are generally processed by polluting techniques like casting-evaporation, which are not easily transposable on industrial scale. Extrusion is a widely used shaping operation in the polymer processing industry. However, extrusion had not been used until now for arylsulfonic ionic polymers. In order to avoid any risk of degradation of the polymer during extrusion, it was necessary to define the best processing conditions. On one hand, the physicochemical characterization of the polysulfones (commercial) and sulfonated polysulfones (or synthesized by the project partners), were performed by determining their molecular weights and their thermal transitions. On the order hand, their flow behaviour was characterized over a wide range of temperatures and shearing rates using rheometric techniques. The combination of these two characterizations allowed to define the appropriate extrusion conditions. For the extruded films, the conductivities, measured by impedance spectroscopy were found to be similar with those of the membranes processed by casting-evaporation and close to those of Nafion® membranes. In addition, the incorporation of a proton-conducting filler and reinforcing fibres was also considered and the extrusion of these composite materials was validated. This work could be extended to other proton-conducting polymers, like polyetherethercetones and polyetherimides, whose membranes produced by casting-evaporation have already shown their performances in the fuel cells

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Roche, Ivan. "Catalyseurs de piles à combustible à membrane polymère échangeuse anionique." Grenoble INPG, 2007. http://www.theses.fr/2007INPG0010.

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Abstract:

Nous avons étudié les propriétés électrocatalytiques, en plus de leurs composition et morphologie, de matériaux d'électrode de pile à combustible alcaline. Des nanoparticules d'argent dispersées ont été synthétisées par imprégnation chimique sur différents carbones commerciaux ; les catalyseurs Ag/Monarch 1000 ont de meilleures activités massiques vis-à-vis de la réduction de Oz (ORR) que la poudre commerciale Ag/Vulcan XC 72 (E-TEK). Des nanoparticules de MnOx, ont également été synthétisées par dépôt chimique sur carbone. Les Me-MnOx/C (Me = Ni, Mg) ont des activités catalytiques vis-à-vis de l'ORR comparables à la poudre commerciale Pt/Vulcan XC72 (E-TEK) et conduisent à la formation très majoritaire d'ions OH- (réduction à 4 électrons). Un mécanisme de l'ORR a été proposé sur ces MnOx/C
The electrocatalytic properties of materials for electrodes of Alkaline Fuel Cell were studied with their composition and morphology. Dispersed silver nanoparticles were synthesized by chemical Impregnation on various commercial carbons: the catalysts Ag/Monarch 1000 exhibit better massic activites towards the Oxygen Reduction Reaction (ORR) than the benchmark Ag/Vulcan XC72 (E-TEK). MnOx nanoparticles were also synthesized by chemical deposition on carbon. Me-doped (Me = Ni, Mg) MnOx/C exhibit ORR activity close to the benchmark catalyst 10 wt. % Pt/C (E-TEK), and yield quantitative formation of OH- (4-electron pathway). An ORR mechanism on MnOJC is suggested

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Maréchal, Manuel. "Polyélectrolytes pour piles à combustible : outils et méthodes de caractérisation." Grenoble INPG, 2004. http://www.theses.fr/2004INPG0143.

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Abstract:

Les travaux présentés sont une contribution à l'étude des polyélectrolytes pour piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Ils s'appuient sur deux outils d'investigation, l'étude de molécules modèles et des mesures précises de conductivité. Sur le plan des matériaux, l'optimisation du protocole de sulfonation de polysulfones a permis de réduire voire d'éliminer les coupures de chaîne tout en obtenant des taux de sulfonation reproductibles. Il est ainsi possible d'améliorer les propriétés mécaniques des membranes denses élaborées à partir de ces polyélectrolytes avant test en pile d'EME (Électrode/Membrane/Électrode). En parallèle, la fonctionnalisation de silicium microporeux a permis de préparer des polyélectrolytes bénéficiant de la tenue mécanique du séparateur de silicium. Sur le plan des caractérisations physicochimiques et électrochimiques, les molécules modèles, porteuses des mêmes fonctions et groupes que ceux des polymères associés, permettent d'amplifier les réponses à des sollicitations électrochimiques ou thermiques. En ce sens, elles simulent un vieillissement accéléré des polyélectrolytes. Enfin, les mesures de conductivité apportent un éclairage nouveau sur cette caractérisation. Le système de mesure mis au point permet d'obtenir des valeurs de conductivité dans une large gamme de température et d'humidité relative et ce avec une incertitude réduite
The research works reported in the manuscript are a contribution to the study of polyelectrolytes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). They are supported by two investigation tools, i. E. The study of model molecules and accurate conductivity measurements. With regard to the material science domain, the optimization of polysulfone sulfonation procedure allows chain breakings to be reduced and even eliminated while obtaining reproducible sulfonation degrees. It is thus possible to improve the mechanical properties of the dense membrane elaborated with these polyelectrolytes before performing the tests on the MEA (Membrane Electrode Assembly). In parallel, the fonctionnalisation of microporous silicon made it possible to prepare polyelectrolytes reinforced by the mechanical strength of the silicon separator. With regard to the physicochemical and electrochemical characterizations, the model molecules, with the same functions and groups than for associated polymers, make it possible to amplify the electrochemical or thermal phenomena vs. The corresponding polymers. Thus, they simulate an accelerated ageing of the polyelectrolytes. The development of a new conductivity measurement set allows conductivity to be obtained with a great accuracy, in a wide range of temperature and relative humidity

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Ciria, matamoros Desirée. "Propriétés thermo-mécaniques des matériaux pour les piles à combustible." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLC064/document.

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Abstract:

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) offrent une alternative réelle aux technologies classiques de génération d’électricité en étant à la fois propre, efficace et respectueuse de l’environnement. Toutefois, leur principale limitation réside en leur durée de vie et fiabilité limitées dues à leur haute température de fonctionnement. Des recherches intenses de matériaux pour SOFC sont actuellement poursuivies pour essayer d’abaisser la température de fonctionnement de ces dispositifs afin de dépasser ces limitations. Parmi les différents candidats qui ont émergé, le Silicate de Lanthane (LSO) et le Zirconate de Baryum dopé à l'Yttrium (BZY) ont été identifiés comme des alternatives potentielles à utiliser comme matériaux d’électrolyte pour SOFC à température intermédiaire.De manière surprenante, alors que de nombreuses études concernent l’optimisation microstructurale et électrochimiques des composants de la pile, très peu d’études concernant l’évaluation de leurs propriétés mécaniques et de leur influence sur la durée de vie du dispositif.La fiabilité et durée de ces dispositifs dépend non seulement de leur stabilité électrochimique, mais aussi de la capacité de leur structure à supporter les contraintes résiduels issus du procédé de fabrication et de contraintes mécaniques de fonctionnement. En raison du fait que les SOFC sont composés d'empilement de plusieurs cellules individuelles qui, à leur tour, sont constituées de couches fragiles individuelles en contact étroit, ces contraintes proviennent principalement de la différence entre le coefficient de dilatation thermique et les propriétés élastiques des couches adjacentes et la déformation du fluage. Des contraintes non coordonnées peuvent entraîner une défaillance mécanique d'une seule cellule et avoir des conséquences dramatiques sur l'ensemble de la pile. De ce fait, la connaissance des propriétés mécaniques des composants de la cellule est une étape importante pour préserver l’intégrité et le développement des SOFC. Le but de cette thèse est la fabrication et l’étude des propriétés structurale, microstructurales et mécaniques de matériaux de type LSO et BZY
Solid oxide fuel cells (SOFCs) offer a real alternative to classical technologies for the generation of electricity by clean, efficient and environmental-friendly means. Nevertheless, the main limitation of SOFCs lies in their unsatisfactory durability and reliability due to the high operating temperatures and thermal cycling characteristic of these devices. An intense search is currently underway for materials for SOFCs with the objective of lowering the working temperature and then overcoming these limitations. Among the different candidates which have emerged, Lanthanum Silicate (LSO) and Yttrium-doped Barium Zirconate (BZY) were considered as potential alternatives to be used as electrolyte materials for SOFC at intermediate-temperature. While numerous studies have been devoted to characterizing and optimizing the microstructural and electro-chemical properties of SOFC components, as yet there is little research available on mechanical properties and the influence they have on SOFC lifespan.The reliability and durability of these devices depends not only on their electro-chemical stability, but also on the ability of their structure to withstand residual stresses arising from the cell manufacturing process and mechanical stresses from operation. Owing to the fact that SOFCs are composed by stacking of several single cells which in turn are made up of individual brittle layers in close contact, these stresses mainly originate from the difference between the coefficient of thermal expansion and elastic properties of adjacent layers and creep deformation. Mismatched stresses can result in the mechanical failure of a single cell and have dramatic consequences on the whole stack. Therefore, knowledge of mechanical properties of the cell components becomes an important issue for the mechanical integrity and development of SOFCs.The aim of this PhD thesis is the fabrication and structural, microstructural and mechanical characterization of LSO and BZY

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Xia, Yuzhen. "Carbone fonctionnalisé pour une meilleure performance des piles à combustible." Thesis, Université de Lorraine, 2014. http://www.theses.fr/2014LORR0116/document.

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Abstract:

Dans le contenu de l’amélioration des performances des piles à combustible, des catalyseurs Pt/Vulcan ont été greffés soit avec du polystyrène sulfonate (PSSA) soit avec de l'acide 4-phenysulfonique (PSA). L'influence du ratio du greffage, de la couche de diffusion de gaz et de la qualité de Nafion, sur les performances électrochimiques ont été étudiées en demi-pile et en assemblage membrane-électrodes (AME). La surface électrochimique du catalyseur a été améliorée en présence de la couche microporeuse sur le papier carboné en tant que couche de diffusion de gaz, aussi une densité de courant supérieure et une résistance de transfert de charge inférieure ont été observées. Pt/Vulcan catalyseurs ont été greffés des chaines PSSA avec 5, 10 et 20 wt.% 4-styrènesulfonate de sodium. Les résultats en demi-pile et en pile ont montré que des taux de sulfonation de 5 à 10 wt.% étaient optimaux. La sulfonation des catalyseurs a aussi été effectuée avec 5.8, 11.6, 18.0 et 23.3 wt.% PSA. Des résultats meilleurs ont été obtenus par la sulfonation. L'AME ayant 18.0 wt.% PSA a présenté une excellente stabilité pendant 3000 cycles de test de vieillissement accéléré. Moins de Nafion a entraîné une plus faible performance des demi-piles, aussi des AMEs ayant catalyseurs des greffé de 5 wt.% PSSA ou PSA. Cependant, celles contenant 10 et 20 wt.% de PSSA, ont montré un une densité de puissance élevé lors que la quantité de Nafion a diminué de 0.50 à 0.25 mg•cm-2
In the development of the performances of PEM fuel cell, sulfonated Pt/Vulcan catalysts were prepared by grafting with either polystyrene sulfonate (PSSA) or with 4-phenysulfonic acid (PSA). The influences of the graft ratio, the amount of Nafion and the gas diffusion layer, on the electrochemical performances were studied in a half-cell and membrane electrode assembage (MEA). Larger electrochemical surface area of the catalyst was obtained in the presence of microporous layer on the carbon paper, as well as higher ORR current and lower charge transfer resistance. PSSA was grafted onto Pt/Vulcan catalysts by in-situ radical polymerization with 5, 10 and 20 wt.% sodium styrene sulfonate. It was presented in the half-cell tests and fuel cell tests that the catalysts grafted with 5 and 10 wt.% sulfonated groups performed improved properties. Pt/Vulcan catalysts were also grafted with 5.8, 11.6 18.0 and 23.3 wt.% PSA. Compared with non-functionalized catalysts, significant developments were achieved because of the sulfonation. The MEA with 18.0 wt.% PSA was studied in accelerated durability tests and showed excellent durability after 3000 cycles. For half-cells and MEAs with catalysts grafted with 5wt.% PSSA or PSA groups, low Nafion addition resulted in to lower performances. However, the MEAs with 10 and 20 wt.% PSSA exhibited an enhanced performance than the counterparts with 0.50 mg•cm-2 Nafion

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Tekin, Mestan. "Contribution à l'optimisation énergétique d'un système pile à combustible embarqué." Besançon, 2004. http://www.theses.fr/2004BESA2054.

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Abstract:

Ce mémoire de thèse apporte une contribution au développement des groupes électrogènes à piles à combustible (PAC). Les principaux avantages des PAC sont essentiellement le faible niveau d’émission de polluants et leur efficacité énergétique. Elles sont de ce fait perçues comme un excellent moyen de développer un convertisseur à hydrogène, qui constituerait une alternative au moteur à explosion dans le domaine des transports terrestres. Cependant, les performances en terme de rendement énergétique de ces systèmes doivent être améliorées. En effet, les circuits auxiliaires du groupe électrogène nécessaires au fonctionnement de la pile, altèrent significativement le rendement global du système. Parmi ces circuits, le circuit d’air composé d’un groupe motocompresseur est particulièrement gourmand en énergie. Trois niveaux d’actions ont été envisagés afin de diminuer la consommation énergétique du circuit d'air et d’augmenter ainsi le rendement global du générateur à PAC. La première action concerne le choix de la technologie du groupe motocompresseur envisagé pour le système à PAC. A cet effet, un compresseur à palettes non-lubrifié entraîné par un moteur ''brushless'' a été retenu pour alimenter en air une pile de type à membrane. La seconde consiste en l’élaboration d’une loi de contrôle/commande du circuit d'air permettant de réduire la consommation énergétique liée à ce dernier. Un régulateur nonlinéaire a été proposé dans ce cadrece cadre et développé grâce à la logique floue. Finalement, une dernière action a porté sur la gestion énergétique du moto-compresseur embarqué à bord d'un véhicule à PAC qui a été optimisée par la méthode d’optimisation par essaim particulaire
This work deals with fuel cell (FC) generator developments for transportation applications. FC main advantages are essentially their low level of pollution and their potential of higher fuel efficiency. So, FC technology is being developed as a potential alternative to the conventional internal combustion engine vehicle and proposes a real opportunity to build a clean vehicle. However, before seeing FC vehicles on the market, many technological bolts must be removed. Among them, energy optimization of the complete FC system still remains to be improved. Indeed, ancillary circuits of FC generator, necessary to its correct operation, put a great strain on overall system efficiency. Among these ancillaries, air supply circuit based on motor-compressor group is the most power-hungry. Consequently, in order to reduce motor-compressor group energy consumption and by this fact to increase the overall system efficiency, three action levels were considered on air supply circuit. The first one is the choice of compressor and driven motors technologies suitable for fuel cell transportation applications. To reach this aim, a non-lubricated rotary vane compressor and a brushless machine were chosen to supply with air a proton exchange membrane type FC. The second one is the elaboration of an air flow controller which allows supplying just the required air quantity to FC. A non-linear type regulator was therefore developed using fuzzy logic. Finally, the last action was carried on motor-compressor management and on its air flow solicitation evaluation for an embedded FC system. This energy management of the motor-compressor was optimized thanks to particle swarm optimization method

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Colinart, Thibaut Didierjean Sophie Lottin Olivier. "Gestion de l'eau et performances électriques d'une pile à combustible des pores de la membrane à la cellule /." S. l. : INPL, 2008. http://www.scd.inpl-nancy.fr/theses/2008_COLINART_T.pdf.

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Payman, Alireza Meibody-Tabar Farid Pierfederici Serge. "Contribution à la gestion d'énergie dans les systèmes hybrides multi-sources multi-charges." S. l. : S. n, 2009. http://www.scd.inpl-nancy.fr/theses/2009_PAYMAN_A.pdf.

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Abreu, João. "Contribution au développement d'IDEAL-Cell, un nouveau concept de pile à combustible à température intermédiaire." Paris, ENMP, 2011. http://www.theses.fr/2011ENMP0093.

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Abstract:

Une pile à combustible est un système électrochimique (générateur d'énergie) qui permet la conversion directe et en continu, de l'énergie chimique libérée lors d'une réaction d'oxydation d'un combustible, en électricité et en chaleur, et ce avec un très faible (voire aucun) impact sur l'environnement. Diverses stratégies ont été envisagées pour améliorer la performance de ces dispositifs parmi lesquelles l'intégration de matériaux architecturés innovants présentant une formulation chimique et une microstructure propices à l'obtention de meilleures propriétés électrique ou électro catalytique. Une autre voie permettant d'atteindre le même objectif est ce à quoi aspire ce travail en proposant le développement d'un concept de pile à combustible fonctionnant à température intermédiaire. Ce nouveau concept se base sur la jonction de la partie anodique d'une PCFC avec la partie cathodique d'une SOFC, par l'intermédiaire d'une membrane centrale dans laquelle l'eau est formée puis évacuée. Les activités dans le cadre de cette thèse se sont orientées vers la fabrication de prototypes, pour la preuve du concept, et la caractérisation de la membrane centrale. Les prototypes pour la preuve du concept sont des assemblages multicouches simplifiés par rapport à la cellule complète, pour lesquels les deux électrodes ont été substituées par un dépôt de platine. Ces premiers modèles ont été testés et les résultats montrent qu'ils se comportent comme une pile à combustible, en respectant 4 critères prédéfinis : (i) une tension en circuit ouvert (OCV) stable, (ii) une courbe de polarisation stable, (iii) une signature sur les spectres d'impédance complexe typique de la formation d'eau et (iv) une mesure et quantification de l'eau évacuée en fonction du courant traversant la cellule. L'aptitude de la membrane centrale à former et évacuer l'eau a été évaluée par analyse quantitative de la longueur de ces sites réactionnels actifs. La méthode proposée est basée sur l'analyse des images 3D de la membrane centrale, enregistrées par microtomographie X. L'écoulement de l'eau à travers la structure poreuse de la membrane a été étudié. Pour cela, les images 3D de deux microstructures distinctes ont été utilisées pour résoudre les équations de la vitesse d'écoulement et de transfert de masse par la méthode des éléments finis
Fuel cells are electrochemical devices that allow the conversion of chemical energy directly into electric energy with low impact to the environment. The improvement of fuel cell performances has been done through the synthesis of new materials with better electrical or electrocatalytic properties and the optimization of shaping methods that allow developing more efficient microstructures. A third path to reach the same objective is proposed in the work here presented: the development of IDEAL-Cell, a new concept of intermediate fuel cell. This concept consists in the anode part of a PCFC connected to the cathode part of a SOFC through a porous central membrane in which water is formed and evacuated. The activities developed were focused in two aspects: the fabrication of prototypes and the characterization of the central membrane. The proof of concept (PoC) prototypes were simplified complete cell structures of two dense electrolytes and one porous composite central membrane in which platinum electrodes were coated. They respect the four criteria previously defined as necessary to demonstrate the new concept : (i) a stable open circuit voltage, (ii) a stable polarization curve, (iii) a specific impedance fingerprint for water formation and (iv) detection of water exhausted from the cell as a result of its operation. The ability of the central membrane to allow the formation of water is determined by the measurement of the active reaction sites length. The method proposed is based on the analysis of 3D images of the central membrane obtained by X-ray microtomography. The water flow through the porous structure of the central membrane was studied. 3D images of two different types of structures were used to solve momentum and mass transfer equations through the finite element method

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Stoica, Daniela. "Electrolytes polymères pour piles à combustible alcalines : mécanismes de conduction dans les membranes anioniques." Grenoble INPG, 2007. http://www.theses.fr/2007INPG0187.

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Abstract:

La synthèse et la caractérisation de nouvelles membranes à conduction anionique par OH-, pour piles à combustible alcalines ont été réalisées. Une étude sur les molécules modèles a permis de mieux appréhender la stabilité thermique et électrochimique d'hydroxydes d'ammoniums quaternaires. Des membranes à matrices polyépichlorhydrine intégrant des ammoniums quaternaires issus du DABCO et quinuclidine ou de la triméthylamine ont été caractérisées d'un point de vue physico-chimique et électrochimique. L'effet de l'addition d'un support tissé en PA 66 sur les propriétés de la membrane a été évalué. Les propriétés de transport dans cet électrolyte alcalin ont été approfondies en corrélant des mesures thermiques, électrochimiques, thermodynamiques (phénomène de sorption) et de RMN du solide. De nouvelles membranes anioniques ont été évaluées. Deux familles de membranes ont été étudiées, des membranes à squelette macromoléculaire rigide : squelettes polysulfone et polyphénylène et une membrane à squelette élastomère : un copolymère de polyoxyéthylène
The synthesis and characterizations of new membranes with anion conduction for alkaline fuel cells were realized. A study on model molecules permit to study the thermal and electrochemical stability of hydroxides quaternary ammonium. Polyepichlorhydrine membranes using quaternary ammoniums resulting from the DABCO and Quinuclidine or triméthylamine were characterized from a physico-chemical and electrochemical point of view. The effect of a woven support addition on the membrane properties was evaluated. The transport mechanism of OK, in this alkaline electrolyte, were thorough by correlating thermal, electrochemical, thermodynamic (phenomenon of sorption) and solid NMR measurements. New anion mémbranes were evaluated. The syntheses and physicochemical characterizations of these new membranes was carried out. Two membranes families were studied: membranes with rigid macromolecular skeleton : polysulphone or polyphenylene skeleton and a membrane with an elastomeric skeleton: a copolymer of polyoxyethylene

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Dumercy, Laurent. "Contribution à la caractérisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Besançon, 2004. http://www.theses.fr/2004BESA2004.

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Abstract:

L'objet de la thèse porte sur la modélisation thermique et fluidique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton. La gestion de la température interne de la pile influe sur ses performances, soit directement au niveau de la réaction électrochimique, soit par la détermination de ses caractéristiques internes (hydratation de la membrane, résistance à la diffusion dans les zones poreuses). La modélisation s'est effectuée suivant deux axes. D'une part, le comportement thermique a été appréhendé au niveau global. La pile est étudiée, dans son ensemble, sous la forme d'un réseau de résistances thermiques et de sources de chaleur (création de chaleur par la réaction électrochimique, échanges avec les fluides). Des conditions aux limites de Dirichlet ont été utilisées pour fixer les températures de surface. Le maillage du réseau est affiné pour modéliser la cellule centrale. Des conditions aux limites particulières sont appliquées à cette cellule afin de quantifier l'influence des autres. La cellule étudiée peut ainsi être simulée en fonctionnement adiabatique, en série ou en dissipant avec l'extérieur. D'autre part, les canaux anode et cathode ont été étudiés avec un modèle spécifique, basé sur le calcul par différences finies d'un système d'équations différentielles. Prenant en compte les principales grandeurs physiques et thermophysiques (pressions, débits, coefficients d'échange d'eau et de chaleur), il couple les grandeurs internes aux canaux et l'état thermique du système global. L'étude du changement de phase de l'eau dans les canaux, son transfert entre l'anode et la cathode et son influence sur le bilan thermique de la pile sont étudiés
The aim of this thesis is the thermal and fluidic model of a proton exchange membrane fuel cell. The management of the internal temperature of the fuel cell affect performance, in one hand directly on the electrochemical reaction, in the other hand by determination of their internal caracteristics (hydratation of the membrane, diffusion resistance in the porous area). The modelisation is made between two axis. At first, the thermal behavior is taken into account in the global form. The fuel cell is studed as a whole with a thermal resistance network et heat sources (heat supply by electrochemical reaction, exchanges with fluids). Dirichlet boundary conditions have been used to force surface temperatures. The meshing of the network is shrink for modelizing the central cell. Specific boundary conditions are applied at this cell for quantify intterference of neighboring cells. The studied cell can be used, in this case, on many situations : adiabatic, in serial or with a external flux. In addition, anode and cathode channel have been studied with a specific model, based on the compting by finites differences of a differential equations system. Taking into account the most important physical and thermophysical quantities (pressions, flow rates, water and heat exchange coefficients), it couple internal quantities off the channel et thermal state of the overall system. The studies of the pahse change of water in the channel, his transfert beetwen the anode and the cathode and his influence on the thermal balance are studed

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Mosdale, Renaut. "Etude et développement d'une pile à combustible hydrogène/oxygène en technologie électrolyte polymère solide." Grenoble INPG, 1992. http://www.theses.fr/1992INPG0116.

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Abstract:

La pile a combustible h#2/o#2 e. P. S. Apparait aujourd'hui comme etant l'un des meilleurs candidats au remplacement du moteur a explosion pour la traction automobile. Ce systeme utilise la recombinaison electrochimique, non explosive, d'hydrogene et d'oxygene. C'est donc un generateur electrique propre dont le seul produit de reaction est de l'eau. Cette these presente une etude theorique de ce systeme, la synthese et la caracterisation de differents type d'electrodes, et enfin une analyse des mouvements d'eau dans l'electrolyte par differentes techniques originales

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Novel-Cattin, Frédéric. "Élaboration et étude de pile à combustible selon la technologie électrolyte polymère solide." Grenoble 1, 1990. http://www.theses.fr/1990GRE10115.

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Abstract:

Nous avons cherche a fabriquer une pile a combustible hydrogene-oxygene, dans le but de developper un pilote de quelques kw. Ces piles a combustible sont elaborees a partir de membranes polymeres echangeuses d'ions (membranes nafion 117 commercialisees par dupont de nemours). Ce travail a consiste d'une part en la conception de differentes cellules de test pour des surfaces d'electrodes de 1 a 25 cm#2. D'autre part, nous avons cherche a fabriquer et utiliser differentes electrodes poreuses a gaz, avec le platine comme catalyseur, pour la synthese de l'ensemble composite electrode-membrane-electrode. Nous avons en outre cherche a realiser cet ensemble en utilisant la forme precurseur du polymere nafion qui est thermoplastique. Differentes techniques de fabrication d'electrodes sont detaillees dans ce rapport. Ces electrodes sont etudiees par differentes techniques d'analyse (micro-sonde de castaing et microscopies electroniques) et leurs performances sont evaluees par une caracteristique courant-tension stationnaire. Nous avons utilise la spectroscopie d'impedance pour obtenir des informations a la fois structurales et cinetiques des electrodes au cours de leur fonctionnement. Un plan d'experiences a ete developpe pour optimiser les performances de certaines electrodes. Quelques travaux concernant le transport d'eau a l'interieur de la membrane par electroosmose ont egalement ete inities

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Dissertations / Theses on the topic 'Piles à combustible microbiennes'

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