FR3029358A1 - Electrode particulierement adaptee aux piles a combustible microbiennes, procede pour sa fabrication, et piles a combustible microbiennes correspondantes. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une électrode caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une enceinte définissant un espace dans lequel un enchevêtrement (9) d'au moins un fil (8) en un matériau conducteur est confiné, la dite enceinte comportant des ouvertures autorisant la diffusion d'un milieu liquide, ainsi qu'un un procédé pour sa fabrication, les piles à combustible microbiennes contenant une telle électrode, ainsi que les procédés de traitement d'un effluent chargé en polluant organique et procédés pour générer un courant par dégradation biologique d'un combustible organique utilisant une telle pile à combustible microbienne.

Description

La présente invention concerne le domaine de la production d'énergie par voie électrochimique, et en particulier bioélectrochimique, c'est-à-dire mettant en oeuvre une dégradation biologique de composants organiques. Plus précisément, l'invention concerne une électrode, particulièrement adaptée pour être utihsee dans une pile a combustible microbienne, notamment en tantqu'anode, un procédé pour sa f),,îoationj les piles à combustible mic7obienries contenant une telle électrode, ainsi que les procédés de traitement d'un effluent chargé en matières organiques et procédés nou c érer un courant par dégradation biologique combirtibe , an e utilisant une telle bile combustible microbienne. Dans la recherche de sources o nenbuveleble, les biopiles ou piles à combustible microbiennes constituent une des voies exp!nrées. Les PCMs utilisent des micro-organismes pour réatser la adatien de combusbhies c ues, t en bieriticuiier de polluants, 15 présents des effluents permettent de eenvert l'énergie chimique issue de cette clégrn en énergie éiectréiue. Les PCMs permettent cdexploiter directe effluents riches en micro ,wciaHsmes, tels que es effluents industriels s effluents urbains,les déchets agricoles, les eaux usées domesbques 20 Dans une PCM, des micro-organismes, essentiellement des bactéries, nièrent à l- surface de l'anode et forment un binfern Ce biofhtri catalyse la radation chimique productrice lerg e et est régnéré naturellement ç eee à l'activité métabolique des mcroorqnismes. De manière classique il existe péncipalenient deux ty.pes de PCMs : 25 celles qui comportent deux comparbmenes gâlernent nommEs chambres) séparés par une membrane et celles qui mettent en OEuvre un seul compartiment avec une cathode à air. D-771s le cas des PCMs à deux cc ipartirnents, dans le compartiment anodic; -, est disposée l'anode dite microbienne, atement appelëe 30 L.)iebnet.le ou anode bioloqïque sur aqueiie vient se d Lc,Dper un biofilni, Verser anode+biofilm étant mrine.rgé dans une -:lectroiytjque qui contient un combustible organique et des micro-organ, es permettant la formation du biofilrm Le compartiment catbodque contient la cathode (biotique ou abiotique) immergée dans une .olution électrolytique identique ou différente de celle présente dans le compartiment anodique. Les compartiments anodiques et cathodiques sont séparés par une membrane permettant la migrEbon des protons (mais pas du combustible organique, -- des micro-organ!73mes) entre les deux compartiments. L'anode et cathode sont renées par un circuit électrique externe. La thèse de Diana POCAZNOI « Optirnsatic.H-1 d'anodes microbiennes à partir de lixiviat de sol pour !a conception de pHes à combustibre microbiennes», Institut National 10 Polytechnique de Toulouse, du 18 juillet 2012 à laqueile on pourra se référer pour taie donne une description dei. 'ce dans sa partie bibliographique des PCMs et de leurs éléments cc.riistitutifs. La dégradation d'un combustible ue par le micro-organisme se fait par une réaction 'o:i<yda 0 n on: à la cathode correspond iC plus souvent à la gène de Pair. Le plus souvent le compartiment anodique est 15 réduction de erg iallmeni.é en un effluent (7,Crite.77eP17 de la man, combustible et'c corn ,irtirriont cathodique est ant ie rôle de d'un système de. diffusion d'air ou d'oxygène dans la solution éiectroiytique puT contient. L'évacuation clE, Veau et des produits de - ie iradations formés à b catno e 20 sont réatsés nar desconduits d'évacuation -u niveau du compartiment anodique ,7dique Une PCM à deux compartiments est illustrée Figure 1. Dans le cas des PCMs à un seul compartiment, le compartiment cathodique est supprimé en mettant en oeuvre une cathode air. L'oxygène 25 pèsn.--l.rtre dans la bicoile à travers cette cathode poreuse au contact de laquelle se déroule éga en- r 3 réduction. Ce modèle permet de supprimer la membrane échanoeuse :rions qui est sensible aux colmatages par la matière organique. De telles PCMs permettent d'accroître de manière si nificative les puissances générées en dftninuant les pertes par conduction 30 due à la membrane. Une PCM à un seul compartiment équipée d'une cathode air est illustrée Fkiure 2.

Les anodes utilisées peuvent être de différents types. Le brevet US 4,331,523 décrit des électrodes pour un sitif d'électrolyse. Ce brevet; ne concerne nullement le dol-nane. ,ie.s PCMs e s'intéresse à la réduction de la distance existant entre les électrodes et une membrane, tout en minirsoint le contact existant entre ces dernières. Les électrodes utilisées dan:s les exemples sont des feutres ou des toiles en acier in7, o!e rui, ne semblent pas être adaptés au domaine des PCMs. Le na e plus en pour constituer l'anode d'une Q1, qu'elle soit un ou deux coTaartiments, est le carbone, que ce sous forme de pia IQ cpier, et-7_ une plus augm ntln granules, d matériaa breux itre, tissu, y bre Li sont plu adaptés car ceux-u offrent d'attacnernerr c)ur les n'icrom,)rga isMeS, e.'si-ir--i-E!e!!ement la nui-:ulnce giée nie la pi!e i A soviey, Jgan 36,,; ne es de 15 .cart-,_-:ie sont ne forme )(71e (r.our7;.. ment Ut]rA arr esF..sn..hdan B., Cheng _ `,1,1 etece, V., Estacit G. 200/ Hner ,....rush Anodes for Increased POWer Prodiu(=tion in bor-Cathrsxle diicroblal Fuel C EnKranuk3,,qt:5,/ Scienm. 9, Tedmology' 41'9' ''.41-31:"' C Pc enne mcolas. Gestion ese 'es à combustibles am Diennes. de doLtorat, Ecui (le ntra 2C12). nans ce ra ,ejarAseree in \,,,'Ention se pro ,- de ourriir un noueau type féierterxie qr aoier articul r- ment. adapt 7.3U ,CM, et dont ,..arauten_ques puissent être contrôle- pour permettre une pnocluctler ergie électr4Ue Satisfaisante. 25 Dans ce contexte, L Lente n',/ennyi propose une électrode cornprennt au moins une enceinte (f cearnt un espaoe aue. in enchevetrernent d'au rnoins un fil en un i-nace, :onducteur estrreé,la dite enceinte comportant des ouvertures autorisant la n'aeu L'enceinte contraint l'endie Ët:rerrent de fil,, anS mite. 30 Le au les fils constituant l'enchevêtrement venneCouchei. localement toutes les parois internes de l'enceinte. L'enchevêtrement est comprimé dans l'enceinte, tout en laissant subsister des passes entre le ou les fils qui le 4 3029358 constitue(nt) et ainsi permettre à un milieu liquide de pouvoir circuler au sein de l'enchevêtrement. Se:31 un mode de réalisaWn, par exemple illustré dans la desc: .1 détaillée des figures, l'enceinte est formée d'un tube, fermé à ses deux extrémités par deux plaques : une de fond et une plaque de confinement présentant une surface inférieure à la section interne du tube. Les deux plaques sont,de préférence, maintenues à une dissance donnée l'une de l'autre, par un assemblage. Selon une viTtante préférée, assemblage est constitué d'une série de vlset d'écrous assurant le mainflen des plaques entre elles, parallèles 'une à l'autre. En général, le ou les 1ls constituant l'ench,--a e ent est(sont) corritué(s) d'un matériau choisi parml l'acier inaxyro qrapnite, carbone, nickel et, le cuivre. L'enceinte, quant à ornent en un matériau conducteur, notamment cholsi parrni l'acier ydable, le nicke et le cuivre, ces listes de carbone, titre ,urement illustratif. Bien ctendun on radent pas ou peu pendant la ntent un faible cou u nt: ara des rée d'utkation de te: ope e.er nudahle. .4.11 orap denre matériaux qui r e Vele-c.-Érode et qt,, présente amant Lava . d'être nondon vis-à-vis des rnicroorganisme.,, garantir :e passtt- un mWeu fMde, une série de trous peut être aménate dans chacune cl_ , plaques, avec, do r.)r .-rence une taille de trous représentant de 50 à 200 fois le diamètre c..J ou des fils constituant l'enchevêtrement, Les trous doivent être suffisamment oetés pour que le fil ra s'échappe pas de te ncente et gros pour L r passer le milieu fluide, et en particulier le liquide,, à traiter. De manère avantageuse, le ou les fils constituant l'enchevêtrement .préscrtent un damètreappartenant à la gamme allant 50 à 500 pm, de préférence de 100 à :100 tim et/ou le volume nccupé par le ou les fils 30 constituent l'enchevêtrement représente de 1 à 35 % de préférence de 5 à 25 du vo,ume interne de l'enceinte, Dans ce cas 'enchevêtrement est icteièrernient adapté pour servIr de support au biofilm et «électrode 302 935 8 partiru nent adpt pour une mise en oeuvre dans une pile à com b obienne. De manière préférée, on utilisera une cor-nbroison des c:rac s suivantes : le ou les fils constituant l'enchevêtrement préseste(nt) un diamètre appartenant à la gamme allant de 100 à 300 pm et le .,,,d urne occupé par le ou les fils constituant l'enchevëtrement représente 5 à 25 % du volume interne de l'enceinte, permettant d'obtenir des tailles de trous au se ri Venc'névêtrement suff7i t pour é,',ter le colmatage et donc garantir ia circulation cifin mlieu lu sein de l'enchevêtrement de fil(s)' ni-itne lorsque le ou les fils constituant l'enchey(êtrement est(sont) 10 recouvert(s) d'un biofilm. Aussi, l'invenUon C, ncerr c-ment un nctrode selon I'invention de ln .. ace du ou enchea, 15 SOU ha - pour un vo surface spéefique micro-organismes. En accessible et est doric 20 T. E.5;n- sur a surfa,» d ;u des nit un biofilm de micro-organismes formé 3ur au moins une te s cry-Yejtuant fierichevett ment. L'uUsation d'un fil confiné dansci ncerte permet de ce un r fonction dii taux de nernpi 5' ,ge, a urface atfiattaciiie-nent 'pour les sx toute surface la sur aCe intc.-11-iie de l'encente et cc nstb:ant !,.'[ De tels micro- notanwnen .; bactéries chcasies parmi ni.tin enter à (7eobacter suLtur(eelucens, putrefaci ' Shemismetia ,eto tt.:4,7,..24yrriari/ae CJ - )(77onas den:ln/170Sn, En !létal, - SE .2 forrn. 't'un me -3119,e de uacteries, notamment présentes dar effluent , -lentantia PCryl, 25 L'invei,,ntion a n:'S rn:nns' . un procé de fL.. ion d'une éec conforme à l'invention comprenant les étapes successives sui^- ..s : a 7,p07'91 d'un tube fermé à l'une de ses extrémités par une pren-lêr-e, Igue, nommée pla uia de fond, b) dlsposer à 'intérieur dif tube au moins un fil de manière aléatoire pour obtenir un enchfAtrenent, c) recouvrir l'enchevêtremer, déposé par une seconde plaque et rapprocher les deux plaques rune de l'autre, de manière à confiner l'enchevêtrement obtenu à l'intérieur de l'enceinte. formée par le tube et les deux plaques,. d) maintenir les plaques à une distance donnée permettant de maintenir enchevêtrement confin Dans le procédé selon l'invention, le rapprochement des deux ploques est, de préférence, réalisé par coulissement de la seconde plaque, nommée plaque t canflnemert, grâce à un guiciaiiete en coulissement permettant de 10 mnce deux plaquea paraieles l'une à Vautre. Une presse rniD.nusille. ou hydraulique peutr. poï exemp L'invention concmne éciaiement une aile à combustible. microbienne comprenant une électrode selon l'invention. De manière prdtdréc, ltViectrode venlion sera ut, Wede en tant quanode Jans une pile à combustible 15 utroblenne. Une t(-2.1: pile à clornbustâe microbenne pourra ...- -:rendre un seul ou deux compartiments De rnanttre classique, une rote pile à combustible microbienne, dire à un compartiment pourra comprendre - un compertirrietft anoli-ue dans lequel est disesise,e une anode selon Fi nvention , une partie, paroi délimitant le compartiment anodique étant 20 constituée iatra une cathode poreuse pemlettant la dans le compartiment: anodtquc - un circuit électrique reliant l'anode et la cathode, Un tel exemple de Kilfyl est schématiquement représenté :a Figure 1 et utilise les principes clasaiCILIE7 bien connus de l'homme de 25 Les cathodes poreuses permettant la pénétration gaz (air notamment), égaernent flammées cathodes-air sont classiquement formes d'un rnrstnau fibreux, notamment c.,,e type tissu en carbone. Un tel marré iau fibreux est, en général, traité en surface, de mon'r présenter une anchéité à l'eau, une porosité à l'oxyqène et riettre de réduire 30 l'oxygène (pour le processus d'oxydo-réduction) et être conducteur. Un procédé de fabrication de telles cathodes est décrit dans Middaugh, Cheng, S., Liu, W., and Wagner, R. (2006'.). Pers to Make Cathodes with a Diffusion Layer for Single-Cham ber Microbial Fuel Cells. Pour cela, un revêtement de diffusion à base de p sur la face externe du matériau tétrafluorcet peut être appliqué reux destinée être positionnée à l'extérieurr du compartiment anodique, et une couche de catalyseur (Pt) avec du Nafc,:ln comme liant apptqué sur la face interne destinée à positionnée à l'intérieur du compaitiment anodique. De manière classique, - combustible rncrortenne, deux compartiments pourra comprendre - un ccmparLment anortque dans lequei séa 'anode selon 10 l'invention, - un compartiment cattoeue ontenant une cathode, - un éérren _parafeur compd eint anodique et le compartiment cathod4ue permettant a migration des ;ans entre les deux com p a di mer 15 - un circuit (i.lectrique reliant l'anode et L. cathode. Dans ce cas, a cathoce est [Nus souvent un rnatdau fibre notamment de type tissu, en Pores de carbone oorteur «une couchc. platine (Pt) pour assurer la Jeu oïl de roxyr, . De manière quel que soit configuration a 20 plusieurs ou ne seul cOrnpartirner c ou es compartrnrrnts seront rernOs d'un électrolyte adapté permettant: ies réactions d 'on .duction souhaitéece Le compartiment catodque est,par exemple alimenté en un effluent contenant un eu rnbusbbta orqaruque qui est dégradé par les microcrr-n Ismes formant le biofilm 25 L'invention concerne éc rtement le nues à combustible microbiennes comprenant une éleCtrc selon l'invent un tant que cathode. En effet, dans une PCM, sgoolation de Vox, jne peut être réalisée par voie biologique [T armeLon dun rtoflm spécifique qui jouerait le rôle de calialySeur, c-: ion pr Ufl cata ,fse au platine comme précédemment décrit. 30 C')'-ansr un tel cas de catalyse biologique, l'électrode se'^n l'invQ..,ntion utilisée en tant que cathode permettra de contrôler et d'a_ la surface de la cathode (pour un donné) et, par conséquent la surface sur laquelle va se former le biofilm. Enfin, l'invention a également pour objet un pr.-.).cédé électref-0--, tr.-ternent d'un effluent chargé en au moins un polluant organique par r a datj 0 n bi ' comprenant la mise en oeuvre d'une pile à .00 rn bustibie rnicrobtcine selon l'invention, ainsi qu'un procédé électrochimique pour qénérer un courant par dégradation biologique d'un combustible orqnique comprenant la mise en oeuvre d'une e à combustible microbienne seion invention. 10 La description qui en référence aux Figures annexe:es permet de mieux 7.7-mprendre nive Lr 1 est une rep0.5iantatio d'une PCM à deux compa, La Figure 2 est une mprésenmtun«une PCM à un seul 15 compartiment dont l'une des oerois est formée ')e cathode à air.. Les Mures 3 à 6 -itésenten entes étapes d'un exemp.e de rocécié ce fabrication d'une électrode co «orme L havention. La Figure 7 est une vue de deus d'une électrode selon t'invention, obtenue 'a pr oeuvre des etar illustrées sur les Figures 3 à 6, 20 L. i'aoresen a une uquse de carbone, utilisée à titre de cd 'paraison dans les mesmples Les Figue te d;fférentes étmes oui he UV ent être mises en oeuvre pour aboutir à une t rode telle que présente- sur le Figure 7. Dans l'exemple illustre, _.r e I de sedia,' ,irculaire est équipé d'une 25 r!!.que de fond 2' de maniè _à former une coupelle 3, permettant d'accueillir ensuite un fil en un matériau conducteur. Dans Veoernpie illustré, plaqua de fond 2 est solidarh.see à l'une des extrémités du tube par des points de souü dont les parois :rait très bien être prévu mer une outpCe 'S et ln que de fond soient Pirecternent 30 solidaires et forment une pce unique. Dans l'exemple illustré, e tube I est (-fp c ion circulaire, mais une toute autre forme, du type rectangulaire, ellipsoïdale, encore carrée... pourrait ég Lernent être prévue.

La plaque de fond 2 est équipée de trous 5 qui, selon l'exemple illustré, sont de forme circulaire, mais d'autres formes (carré, ovale ...) pourrait être adoptée. Dans l'exemple illustré sur la Figure 3, les trous sont répartis de neanièee homogène s'étendent selon des cercles concentriques, mais une toute autre ccnfçurn qui conserverait une répartition homogène des trous sur la surface d àeque, pourrait également être -ste tée, Ces trous ou ouvertures ont pour fonction de laisser passer un fluide au travers de la plaque de fond lorsque l'électrode sera en fonctionnement. La taille des trous est variab!es et sera fonction ia taille de Vélectrode et du diamètre du ou des fils qui vont constituer l'enche'v ent, A titre d'exemple, des trous 5 d'un diarrnre de 5 à 10 mm pciurnI w ',Ise prévus. La surfece totale des trous 5, quant à elle, représentera, de préférence de ID à 5O fé de la surface totale de :el plaque de fond 2. Un fil 8 en un matériau concinucteur est aluns Mou ans La. coup le 3 formée par fe tube 1 et la plaque de fond 2, comme lustré Figure 4. Ce dernier et açon totalement riiorqd manière à former un enchevêtrex t 9 cm va venir rentiptr C ri S une te de hintealeur de la coupelie 2, tout en préservant eces zones d'espace au sein de cet enchevêtrement. Dans "exemple ,lustré, un seul fi 8 est q e,re L. cJçmte 2 mals H snr possible d' is ose, de manière ruser usieurs fils. De man ,aranettre., par la s ufte, l'asser nbuoqe je ta plaque de fond 2 à une plaque de confinement pul vo être o :.'Er.;e sur le dessus de la coupera' 3formée, quatre vis 6 sont irsérées dan cru des trous présents sur _ .que de fond 2, de manière que îo: s \iS 6 viennent en appt sur !a surface externe de la plaqee de fond et que les vis 6 C.' dans le volume interne da la coupelle à manière pareillèle à la paroi périphérique du tube 1, comme tustré a place des vis 6, il est possible d'utiliser des tiges munies de butées à 'ttirie de leurs extrémités, présentant ou non un pas de vis à l'autre ex creva pour pe.riyieteee au final la mise en place d'un écrou de maintien, comme explicité ci-après.

Bien que ce soit moins aisé, il peut être prévu de disposer le fil 8 à l'intérieur de la coup&e 3, après positionnement des vis 6. Une fois la quizifititr . de fil souhaith disposée à l'intérieur de la coupelle 3 et es vis 6 mises en place, une plaque 10 présentant des trous 11 permettent l'insertion des vis 6, est déposée sur eievetrement 9, et une pression et appliquée, par exemple, au moyen d'une presse, d'un poids ou d permettant de ré.dui. a 'e volume occupé oaî l'enchevêtrement 9 e_ ugmente la densité dans l'espace confiné entre -,1eques, ta plaque de fond 2 et ,7,Ï plaque de confinement 10 L'enchevfitenient et ainsi claqué à la fois centre la plaque de fond 2 et la plaque LE confinement 10 et les- ,.-77C*S internes du tube I et se retrouve ouciaité. Même après ce resserrement, des espaces subsistent E, LI sein de 1tancinevétrernenr,nstftvant un ehernin que pourra emprunte. e propaç 4.« dfiiser au seer ce demi 15 lorse e L. de sera sr, .Tictonnernertt. vis 6 sont au nombre d- quatre dans l'exempta Uustré et, seront,. plus généralement au minimum de deux ou trois, pour pouvoir garantir l'a5semblage des deux plaques 2 et 10 entre e'iles, et favonser leur :positionnement parallelernent l'une apport à Vautre, après le 20 rapprochement de 10 plaque dec nfinenmd, plaq- - c. efeement. Comme luustré sur la Fi. 7 quï pr Jement un. ;érie de trous 10 en vue de dessus' cette dcc roidru comprniu 11 pour permettre Ventrue ou la sortie cdun iiqLe dans l'enceinte formée. par le tube 1 et les deux plaques ot sa diffusion dans 25 l'enchevêtrement 9. La description donnée précéd-mment pour les trous 5 amérue s dans la platine de fond 2 s'appiquent aux trous 11 aménagés dans la ise sue de confinement 10. Avec le procédé selon l'inver ion, il est possible ' .ees,ter à façon l'espacement existant entre la isadue de fond 2 et la plaque de confinement 30 Lmftant avec ie tube 1, l'eneÉrite dans leque" l'enchevêtrement 9 est ifiné, soit en stoppant le rapprochement des deux plaques 2 et 10 au niveau souhaité, soit en réajustant la distance après rapprochement, en écartant ultérieurement les deux plaques, l'une de l'autre. Une fQS a distance sélectionnée obtenue, les deux plaques 2 et sont maintenues en place par un dispositf de mainUen. Ce dispos rna peut être constitiJ4 par des points de bioc.(73, qui peuvent êtrr . par exeilipie des ponts de soudure rea Lt,és entre la i.-iiaque de confinement 10 et la paroi interne du tube 1, et/ou pu niveau de la jonction entre les vis 6 et !a plaque de confinement 10, ou des écrous 12 positionnés à l'extrémité libre des us 6, comme illustréFigure 7, et venant en butée sur la plaque de 10 confinement 10 pour nermettre de maintenir la plaque D est pa1ement nosslble de prévoir une soudure continue entre le tube -J. ec la pl7que de conénom , , L'excédent: du tube 1. et des vis de peut être découpé avant ou après lu mise en place du dspouftif de mntian, par exemple selon une 15 c' re au niveau d'un plan anciens parallèlement à la plaque de confinement 10, comme iPustré sur En choisissant le dlernetre du e des fi (s) dépose quanthé de fl (7) ciépo ' cernent an ccmpoeTon clone le taux de pression de lionchevatrertnent, il est possible dtqjuuter les caractéristiques de 20 l'enchevâtrement oatenu' pour notamment définir la tall'e des espaces libi'rea existant entre le fa ou les fils corrUtutif(s) de renchevëtrernenta autorisant le rtras5 u rJe et notamment d'un électrolyte dans les d mnt:es applicelons dans ies ,uellen actinie va être mise en oeuvre. Lfcmrode pourra ensutte être dispc Jans une PCM à un seul compar OU 25 pusieuïa' comke'dments, er.:, notamment être utilisée en tant quoo. La fixation de l'électrode dans la PCM pourra se faire par tout moyen approprié et sa mise en contact avec Vautra étectrode par un circuit électrique externe au(x) compartiment(s) pourra se faire par tout moyen eppoprié. Par exemple, la fixation de l'électrode selon iinvention pourra -e par 30 insehon des vis 6 dans des logements appropriés aménagés sur les parois inlat du compartiment cathodique de la PCM. Les vis 6 pourront éga.iient serilr de connexion pour le circuit électrique externe reliant les 302 9 3 5 8 12 deux électrodes et seront donc, de préférence en un matériau conducteur, notamment choisi parmi ceux précédemment cités pour la constitution de l'enceinte. La distance sélectionnée entre l'anode et la c.. _Jen] adaptée par l'homme du métier en fonction de te taille de la PCM, Le procédé selon l'invention permet de fabriquer de marière très simple une électrode, notamment adaptée aux PCMs. Il est à la fois simple et soupe au regard des paramètres déterminants de l'architeetiire de l'électrode obtenue. La surface spécifique d'échange, la fraction mique représentée par le fil, la ta ticdes trous présents dans l'enchevêtrement, etc... sont. faciles 10 à prédire et à réaliser, en modulant notamment la cruandté de ftn céposés dans le tube, son diamètre, le taux de compression applqué, cri choisissant le volume interne de enceinte dans laquelle Vencbevêtrement va être CO a soîuton proposém dans ic cadre de linveni moins chère et 15 plus performante que ceile utiUsant des brosses de cardone, en tarit qu'électrode, t notamment en tant qu'anode fahricat on particulièrement simple peut être facilement transposai e Vechelie industheHe, De p1us. cenrodecle permet de fabriquer de façon simple des électrodes de toutes taites, notamment des électrodes de grandes tailles, qui r)euvent 20 savére- plus armantes en termes Les exernolen nui vont suivre, non aucun camdèri !limitatif, permettent d Lue'iirer onucVéectrode jouant !(-,, vole d'anode 1.enceinte cylinchque est fDbn uée par soudure d'un tube en 25 acier inox 304 r diamètre 110 mm, d'épaisseur 1 mm et de longueur 50 mm avec ur-J circulaire de diamètre 120 mm et d'épaisseur 1 mm en inox 304 dans laquelle des trous de diamètre 10 mm sont aménagés comme mis en évidence sur la 2. 4 vis en inox M4x sont placées à travers 4 des trous de la plaque 30 comme illustré sur la Figw,_ 3. Un_ longueur prégéfinie L extraite dune bobine de fil inox, le fil inox ayant un d'amètre d est enchevêtrée 7: snueilement dans l'enceinte ainsi créée, comme illustré Figure . Dans les essais : L=703 m et d=127 microns. 4. L'enceinte est ensuite fermée par une plaque trouée identique à la plaque du bas, mais dont le diamètre de 95mm est inférieur au diamètre intérieur du the.. A l'aide d'une presse, on c les deux plaques en faisant diminuer prog deux plaques, comme illustré Figure 6. mprnne le fil enchevêtré entre ivement l'écart H entre les défini entre le cylindre et les deux atte en vissant des écrous su r !es ^,,s nt souhaitée rédis,.,osées à cet on bloque la position va servir de contact pour relier Vanode nrJ la PCM.: D.: es an(,,,', 15 taux c. compresswl d' exemples réalisés : eau 1 Exempe Uarrietre de de longueur du tube et o Figure 7 L'une des vis - au système - eo, - ils et des différents I per rapport au 10 pour terminer, de manière facultative, l'ex,: des vis peut être découpe, comme !e ra sur éalisées avec o'es diam e Tableau 1 présente voLimue nue représente VOIr terne de l'enceinte Les odes ainsi préparées ont été incorporées dans une PCM pour 20 former une PCM à un seul compartiment, conforme à la représentation schématique de la Figure 2. Chaque PCM est constituée d'un réacteur formé grâce à un tube de PVC -cylindrique, de faible coût, d'une longueur de 60mm et de diamètre 125mm dont chacune des extrémités sont obturés par un tampon de visite de 25 diamètre 125mm qui est collé pour obtenir un réacteur étanche. Un des .0 tampons de visite est usiné afin de pouvoir y insérer la cathode-air. Celle-ci est fixée avec le tampon en effectuant une pression de contact et en additionnant du joint silicone pour rendre étanche l'ensemble à l'eau. La conception de la cathcce est réalisée manuellement à l'aide d'un pinceau tel que décrit dans Midoeei J., Cheng, S.' and Wagner, R. (2006). How to Make Cattinees with a Diffusion Layer for Single-Chamber Microbial Fuel Cells. Elle est constitu d'un tissu de carbone sur lequel unie couche de diffusion à base de po!' alucrioéthylène (oere"E) a éé appfquée (par un passage au four à 280C durant 15 minutes) sur la face externe destinée à être positionnée à l'extérieur, et une couche de ultaiiiyiseur (0.1mg.cm-2 Pt) avec du Nalado comme iiant appliqué sur la face interne destinée à être positionnée ;'"nrérleur du réacteur. La distance prise entre l'anode et la cathode est de 4cm. Led nad eou ':'acteur à l'aide des vis 6 ouÏ sont fÏxés à l'un des tampons de visite. Le contact àlectrer, a\A7,c l'anode est réalisé en utiiisant les vis o. A -a cathode, un fil de tit de '25mm de diamètre, 99,7% de métal, fabricant ne des faces de a cathode et le réacteur ce qui entraîne un contact physique entre les deux.

Le acteur est rerripr t `eau uaée, contenant des bacto et la matière organique, récuo ee d'une st d'épuration. interne de-licude contenu par le réacteur est CJE, 7L Les tests ont été réalisés sur chaque réacteur simultanément. Ils consistent à faire varier la charge de sorti et à mesurer le courant et la tension :.ux bornes du réacteur. La résisttece de charge varie de 47t à avec des pas de 4irà pius -Lieie valeur de résistance infinie pour mesurer la tension en circuit ouvert. La résistance de sortie peut être baiayee des valeurs hautes vers les valeurs basses. en réalisant ainsi l'acquistion autcnrnatnque des courbes de polarras n (Vi=if[I]) et des courbes de puissance ( =n_ ). Les performances obtenues t é..é comparées entre elles, ainsi qu'avec celles obtenues en utLisart, eu J'anode, non pas une anode selon 15 3029358 ['invsntioni mais une brosse de carbone 1 ,e présentant sous la forme -d'un ') de 5 cm de diamètre comme I ustré Fg u -- 7 et de 10 cm de long. La connexion au rie:tE., de la PCM es avec un fil de titane 200 ac.hée en son cente d'une r de 15 cm. En effet, les propriétés générales et les per % n ces des nodese.LItarit dépendantes entre autres de la composition de Véi,.ctrolyte, de la structure du réacteur, du mode opératoie ainsi que ds matériaux eux-priêrr et cies micro-organismes :é ectri.c:igàles, il est eticile de reeser ,raison d'autres études potirquoi, des reacteurs fabrku 10 anochs seionlInventdon d'une parti et une ï,finode brosse de utiocirie d'autre PCI afin que les I tent nor r t semblables clans tous les cas. Les résultats sontor0 1h a .'rDeaU 2 >ente -ientaUon de en "10.

15 Dans tableau,.an lieu de comparer les puissances brute' on compare, comme csci est fa ft jarst l.trature, la drot c , tissance volumiq e (par rapport au me n r'uteur) et la densité de puissance surfacique (par rapport à la s-s:.fce Je la cathode-air). Les réacteurs avec lesquels les essais ont été réalisés c, t un vo urne de 0,7L et une surface de 20 cath,enie de ,i0U361725m2. Les tats sont en %.

16 3029358 Tableau 2: Ex. Fréquence d'acquisition : Fréquence F uence 10s d'acquisition : 5 min. d'acquisition :10 min. Puissance Puissance Puissance Puissance Puissance Puissance volumique surfacique volumique surfacique volumique surfacique 42,9 18,8 23,7 40,3 40,3 16,6 43,3 19,1 27,6 6 46,9 22,1 78,5 48,3 28,4 83,3 52,3 4 57,3 30,7 22 1,4 21,4 0,9 102,1 67,9 68 39,5 89,1 57,1 11 apparaît, par exemple, que pour 10 sec fréquence d'échantillonnage, une augmentation de la puissance volumiqu de 102% est observée et de 67% pour la puissance surfacique, dans le cas de l'exemple 5. Dans tous les cas, avec les anodes selon l'invention, la puissance 10 volumique ou surfacique) est augmentée, et ce quelle que soit la réalisation diamètre du fil et/ou taux de compression).

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1. Electrode caractérisée en ce qu'elle comprend u moins une enceinte définissant un espace dans lequel un enche,,, Temen (9) d'au moins un fil (8) en un matériau conducteur est confiné,!dite enceinte comportant des ouvertures (5, 11) autorisant la dif ,slon d'un mWeu tqu - Electrode selon la revendication 1 caracté, é2A..7' en ce que l'enceinte est formée d'un tube (1), fermé à ses deux extrémités par deux plaques 2, 10) : une plaque de fond (2) et une plaque de conrir.ement (10), la plaque de confinement (i0 présentant une surface inférieure à la -action interne 10 du tube (1). 3 - Electrode a revendication 2 caractérsée en ce que les deux plaques (2 sont maintenues à une ctstance donnée l'une de Vautre, par un assemb. (7, 6, 12)i 4 - Electrode seer] a devendcation 3 caractérisée en ce que Vassem.,.dage 15 rr fué cOuacsérie de v '6) et d'écrous
2. 2) assurant le maintien des plaques 10) paraiieies rune à :autre, Becte-ode selon une des revendeatens 2 à carnctérisée en ce , qu'un série de trous aménacée dans chacune -ques ( 10), avec, de préférence une catie de trot 5 , repre ,,ntarit de 50 à 20 200 fois le dien-12:.:e du ou des constituant rencheve ement (9). lectrode selon Vune des revenclicabons 1 à D caractérisée en ce que le ou constituant i'enchei',..riarement présente(nt) un diamètre appartenant C. gamme allant de 50 o 500 pm, de pitierence de 100 à 300 pro e voiurre occupé par 'c. ou les fés ,8) constituant l'enche, rcment 25 (9) représente de 1 à 35 Vo, de préférence de 10 à 25 %, du volume interne de l'enceinte. 7 - Electrode selon une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que le ou les fils (8) constituant l'enchevêtrement (9) est(sont) en un matériau choisi parmi l'acier inoxydable, le graphite, le carbone, le nickel et ie cuivre 30 et/ou l'enceinte est en un matériau choisi parmi l'acier inonidabJe., le c;raphtte, le carbone, le nickel et le cuivre. 18 3029358 8 Electrode selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce qu'elle comporte un biofilm de micro-organismes rormé sur au moins une partie de la surface du ou des fils (8) constituant enchevêtrement - Procédé de fabrication d'une électrode selon bine des revendications 1 à 8 comprenant les étapes successives suivantes : a) disposer d'un tube (1) fermé à l'une de ses extrémités par une première ' nommée plaque de fond, b) disposer à Vi tube au moins un fil (8) de manière aféatoire pour obtenir un encheyeframeint c) recouvrir lenche déposé une seconde plaque et rapprocher 2 l'une de l'autre, de manière à confiner Vench ibtenu à l'in- rieur de l formée par le tube iés deux didieues d) mainteni plaques ') a une distance donnée permettant de maintenir i'ieincti ) confiné. 10 - Procédé .aeicri u revendication 9rainitéré. en ce que le rapprochement des deui>i: plaque, 1, 1 et réalisé par ccuiisseatie it de la seconde p nommée placera de confinement, uldAne en coulissement permettant ntenir parallèles l'une à l'autre. g à carribustibie microbien comprenant une électrode selon la revendica 12 - à combustible microbienne comprenant selon la revendication 8, en tant qu'anode. 13 - Pie à combustible microbienne mien la revendication 12 caractérisée en ce qu'elte comprend : - un compact anoc e dans lequel est disposée une anode selon la revendication pane de la paroi délimitant le conr7-Ttiment (anodique étant constituée par une cathode poreuse pc: it la pénétration d'oxygène dans le compartiment arloiique - un circuit électrique reliant ifanode et la cathode. 19 3029358 14-Pile à combustible microbienne selon la revendication 12 caractérisée en ce qu'elle comprend : - un compartiment anodique dans lequel est disposée une anode selon la revendication 8, - un compartiment cathodique contenant une cathode, - une membrane entre le compartiment anodique et le compartiment cathodique autorisant la migration de protons du compartiment anodique vers le ce)mpae-iement cathodique, e - un circut electrique rçft 'anode et !a cathode. 10 1 Pile combustlb e microbienne selon la revendication 13 ou 14 caractérisée en aciimpartimen cathodique est alimenté en un effluent comenant un combustible organque qui est dé radé par les microorganismes formant le 16 - Pile à combustihé microbienne selon hune deveiclionitions 11 à 15 15 comprenant une électrode seion la revendication r tant que cathode 17 - Pror-ér Dchlraidue de traitement (fui, en au relias unr organique par ceqradation ooicqque caractérisé en ce q comprend la mise en oeuvre d'une pile à combustib!e microbienne Eielon revendications 11 ?:1 16. 20 - Procéde électrochimique pour générer un courant par à adation biolod ue. d'un combu3tib!e organique comprenant la mise en ceuvie d'une pile à cci-r-CovEtbe microbienne selon l'une des revendcations 11 à 16.