Pile à combustible microbienne (PCM)

Pile à combustible microbienne (PCM)

Principe de fonctionnement de la PCM

La PCM, dont le principe utilise les bactéries pour convertir directement en électricité une partie de l’énergie disponible dans un substrat biodégradable. Elle est composée principalement d’une anode et d’une cathode. Les bactéries prolifèrent dans la chambre anodique et oxydent la matière organique, ce qui libère des électrons à l’anode et des protons à la solution. La cathode étant exposée à l’air permet aux protons de réagir avec l’oxygène afin de générer de l’eau dans la partie cathodique. La connexion des deux électrodes à une charge externe (ܴRex) permet de produire de l’électricité.

La conception d’une PCM efficace met en jeu plusieurs facteurs : le matériel et l’architecture de la pile doivent maximiser la génération de la puissance tout en tenant compte du coût et de l’applicabilité dans le monde réel. L’anode en carbone est fréquemment utilisée, car elle permet d’augmenter la conductivité et facilite la prolifération des bactéries (Logan, 2008). Pour la cathode, la fibre de graphite et le carbone ont montré une bonne durabilité, une résistance à la corrosion et une bonne conductivité. De telles caractéristiques facilitent, entre autres, le transport des protons, des électrons et de l’oxygène entraînant ainsi une amélioration des performances électrochimiques de la PCM.

Puisque la motivation demeure toujours l’intégration de cette technologie dans le milieu industriel, beaucoup d’autres chercheurs se sont intéressés à la création de matériaux qui composent la PCM pour améliorer son efficacité et ses performances (Liu et Logan, 2004; Pocaznoi, 2012; Zhao et al., 2005).

Nature des pertes de la PCM

Des pertes de diverses natures affectent le rendement de la puissance de la PCM. Tout d’abord, les bactéries présentes dans la matière organique utilisent une partie de l’énergie pour leur métabolisme. Cette énergie nécessaire pour leur croissance et leur survie est généralement connue comme les pertes d’activation. En effet, pour qu’une réaction électrochimique puisse démarrer, il faut que les réactifs dépassent une barrière d’activation (Degrenne et al., 2012). De plus, lorsque, à des densités de courant élevées, la vitesse de transport des réactifs est faible, la diffusion des réactifs électrochimiques depuis et vers les électrodes limite la production d’électricité, ce qui cause les pertes de concentration (Martin, 2011).

Finalement, on distingue aussi les pertes ohmiques attribuables à la résistance que rencontrent les électrons dans les électrodes et à la résistance que rencontre le flux d’ions traversant les électrolytes. Cette résistance dépend entre autres de la concentration du substrat, du ph et de la température dans la chambre anodique. Sa variation est inévitable.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en contexte
1.2 Pile à combustible microbienne (PCM)
1.2.1 Principe de fonctionnement de la PCM
1.2.2 Nature des pertes de la PCM
1.3 Caractéristiques électriques de la PCM
1.3.1 Courbe de polarisation et puissance générée
1.3.2 Modèle électrique de la PCM
1.4 Stratégie de récolte d’énergie de la PCM
1.4.1 Systèmes de gestion et de conversion de la puissance de la PCM
1.4.2 Fonctionnement intermittent de la PCM
1.4.3 Méthodes d’optimisation en temps réel appliquées à la PCM
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 FONCTIONNEMENT INTERMITTENT DE LA PCM :
COMMANDE PAR BORNES DE TENSION
2.1 Mise en contexte
2.2 Étude théorique du modèle électrique de la PCM
2.2.1 Expression de Vcin et de Vex lorsque le commutateur S1 est fermé
2.2.2 Expression de Vcin et de Vex lorsque le commutateur S1 est ouvert
2.2.3 Modèle moyen
2.3 Étude expérimentale
2.3.1 Fonctionnement du circuit expérimental
2.3.2 Procédure expérimentale
2.3.3 Résultats expérimentaux
2.4 Estimation des paramètres du modèle électrique équivalent de la pile
2.4.1 Estimation de la résistance du commutateur
2.4.2 Estimation des paramètres internes de la PCM par la méthode des
moindres carrés
2.5 Ajustement du modèle selon les résultats observés
2.6 Modification du modèle théorique
2.7 Performances du modèle avec les données estimées
2.7.1 Expression de Vcin et de Vex lorsque le commutateur S1 est fermé
2.7.2 Expression de Vcin et de Vex lorsque le commutateur S1 est ouvert
2.7.3 Modèle moyen
2.8 Comparaison entre les différentes valeurs de puissance fournie
2.9 Conclusion
CHAPITRE 3 FONCTIONNEMENT INTERMITTENT DE LA PCM :
UTILISATION D’UN CONVERTISSEUR ÉLÉVATEUR
DE TENSION (BOOST)
3.1 Alimentation d’une charge résistive (Rex)
3.1.1 Mise en contexte
3.1.2 Étude théorique du circuit proposé
3.1.2.1 Cas où S2 est fermé
3.1.2.2 Cas où S2 est ouvert
3.1.2.3 Modèle moyen
3.2 Simulation du circuit proposé avec un condensateur aux bornes de la PCM
3.2.1 Détermination des paramètres iexMax, DS2, ∆iL, iLPeak, Cex et Cen
3.2.2 Résultats de simulation du système en mode de connexion continu et
intermittent
3.3 Simulation de la PCM chargeant une pile NI-Cd
3.3.1 Mise en contexte
3.3.2 Description de la simulation
3.3.3 Résultats de la simulation
3.3.3.1 Comparaison des performances obtenues selon le mode de
fonctionnement continu et le mode intermittent
3.4 Conclusion
CONCLUSION