Contribution à la valorisation electrique des piles à combustible microbiennes

Contribution to electrical valorization of microbial fuel cells

• Auteur / Autrice : Firas Khaled
• Direction : Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/01/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Vincenzo Ferrara
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Vincenzo Ferrara, Christophe Innocent, Yves Lembeye, Nicolas Degrenne, Olivier Ondel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Innocent, Yves Lembeye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Production -- Génération répartie

Mots clés libres

Electrotechnique

Pile à combustible

Pile à combustible microbienne

Récupération d'énergie

Gestion de l'énergie

Energie renouvelable

Electrotechnics

Fuel cell

Microbial full cell - MFC

Energy haversting

Power management

DC/DC converter

Low-Power applications

Renewable enegry

Résumé

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.