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07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 1 BIOCATALYSE ET PEMFC - ECD012 PILE À COMBUSTIBLE BASSE TEMPÉRATURE : INTÉGRATION.

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1 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 1 BIOCATALYSE ET PEMFC - ECD012 PILE À COMBUSTIBLE BASSE TEMPÉRATURE : INTÉGRATION DUN CATALYSEUR BIOLOGIQUE POUR RÉDUIRE LA QUANTITÉ EN MÉTAL PRÉCIEUX LAPLACE (2007) COORDINATEUR SCIENTIFIQUE : BASSÉGUY Régine (LGC), RESPONSABLE SCIENTIFIQUE des autres EQUIPES PARTICIPANTES : TURPIN Christophe (LAPLACE)

2 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 2 Objectifs du projet Evaluation des potentialités de lintégration dune catalyse enzymatique dans une PEMFC en conditions réelles dutilisationEvaluation des potentialités de lintégration dune catalyse enzymatique dans une PEMFC en conditions réelles dutilisation Pt catalyse réduction O 2 sur matériau moins noble Modélisation intégrée du cœur de la pile Modélisation intégrée du cœur de la pile Environnement (électrique, thermique …) Missions du système Gestion de lénergiePhase de conception Phase dévaluation

3 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 3 Conception du cœur de pile LGC A7 Approches système LAPLACE, N7 Modélisation Couplages Stratégie de gestion de lénergie Hybridation de sources dénergie Réactions chimiques et biochimiques Matériaux Génie électrochimique Idée Un outil innovant Bond Graph : outil de modélisation basé sur une approche énergétique La configuration du cœur de pile Cellule commerciale avec pulvérisation de solution enzymatqiue Différents matériaux de cathode (Pt, Pt 1/2 charge, Acier, Carbone) Approche pluridisciplinaire

4 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 4 Défi et pertinence du projet BiocatalysePile gazeuse ~ 1 mA/cm² ~ 300 mA/cm² AqueuxGazeux [O 2 ] ~ 1mM[O 2 ] ~ 100 mM Tests préliminaires CEA pulvérisation glucose+GOD puissance +15%

5 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 5 Le programme de travail Tâche 1 : Développement dun banc de tests performantTâche 1 : Développement dun banc de tests performant –Contrôler les conditions de mise en œuvre dun catalyseur biologique –Banc hautement instrumenté –Re-configurable O 2 / Air –Test monocellule ou stack –En parallèle, mise en place dun banc simplifié au LGC Tâche 2 : Partie expérimentaleTâche 2 : Partie expérimentale –Mise en évidence de la catalyse sur des électrodes commerciales en milieux aqueux et gazeux en milieux aqueux et gazeux Tâche 3 : Partie modélisationTâche 3 : Partie modélisation –Modèle Bond-graph compréhension des phénomènes

6 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 6 Principaux résultats Réalisation dun banc de test hautement instrumenté - Définition et validation des composants du Superviseur pour le contrôle, la régulation et le pilotage automatiques des charges actives - Programmation du superviseur réalisée au LAPLACE (V. Baheux) - Gestion des fluides: système dinertage à lazote, régulations de débits et de pressions (mode bouché ou circulant) - Système dhydratation des gaz dentrée

7 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 7 Principaux résultats Réalisation dun banc de test hautement instrumenté Mise en place du banc complet – 1 er trimestre 2008 Superviseur du banc de tests avec linterface homme- machine développé dans son intégralité. Carte de mesures de tensions différentielles à large bande passante spécifiquement développée pour des mesures de grande qualité et isolées sur monocellule ou stack. Système de refroidissement par eau développé dans son intégralité dans le projet

8 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 8 Principaux résultats Catalyse par la laccase de la réduction de loxygène sur une électrode commerciale E-TEK (Pt 0,5mg.cm -2, 30%/Vulcan XC-72) Caractère hydrophobe de lélectrode E-TEK Faible courant Avec laccase courant X2-3 10% / platine ER ET CE Electrolyte aqueux N 2 ou O 2 H 2 SO M 1 mV.s -1 A.C. Boucher

9 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 9 Principaux résultats Catalyse par la laccase de la réduction de loxygène sur une électrode commerciale E-TEK (Pt 0,5mg.cm -2, 30%/Vulcan XC-72) Gain en courant important lié à la catalyse de la réduction de loxygène par lenzyme Tests en milieu aqueux sur électrode de pile = concluants ER ET CE Electrolyte aqueux N 2 ou O 2 pH 3,3 pH 2,3 pH 1,3 j différence des densités de courant avec et sans laccase et j densité de courant sans laccase G = 100 j/j A.C. Boucher

10 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 10 Principaux résultats Utilisation de la cathode commerciale comme électrode à diffusion gazeuse E-TEK (Pt 0,5mg.cm -2, 30%/Vulcan XC-72) Entrée et sortie de gaz Connexion cathode Contact cathode Capuchon de la chambre cathodique Réalisation service technique LGC

11 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 11 Principaux résultats Utilisation de la cathode commerciale comme électrode à diffusion gazeuse E-TEK (Pt 0,5mg.cm -2, 30%/Vulcan XC-72) Effet de la laccase immobilisée sur la réduction électrochimique de O 2 en phase gazeuse (air sans surpression). H. Iken 20 mV.s -1 acide sulfurique pH=0,3

12 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 12 Principaux résultats Utilisation de la cathode commerciale comme électrode à diffusion gazeuse E-TEK support carboné Effet de la laccase immobilisée sur la réduction électrochimique de O 2 en phase gazeuse (air sans surpression) H. Iken I = -0,1 mA.cm -2 acide sulfurique pH=0,3 Gain ~ 600 mV Tests en demi cellule gazeuse sur électrode de pile = concluants

13 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 13 Principaux résultats Modélisation de la cellule commerciale Balayages en courant basses fréquences de fortes amplitudes Spectroscopies dimpédance Modèle énergétique (Bond-Graphs) paramétrisation Modèle énergétique à électrodes dissociées développé par le LAPLACE Identification des paramètres effectuée sur la monocellule commerciale - Comparaison du comportement du modèle par rapport aux mesures pour deux fréquences de balayage (1Hz, 100mHz

14 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 14 Principaux résultats Modélisation de la cellule commerciale Transfert au LGC des méthodes de caractérisation et de modélisation. Ces données sont précieuses et constituent une base de référence pour évaluer limpact de la catalyse enzymatique sur le fonctionnement de la cellule commerciale (et de la pile à combustible PEM plus généralement) qui na pas pu être effectué au cours du projet

15 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 15 De réelles avancées malgré quelques difficultés Mise en commun de compétences et communication entre deux communautés scientifiques très différentes Une interface continue a cependant manqué pas de doctorant sur lensemble du projet (pas de bourse fléchée) 3 x 6 mois au LGC (relance laborieuse des PEMFC après un arrêt prolongé. Formation et temps dadaptation) Un banc de test hautement instrumenté = outil performant pour comprendre et proposer des améliorations aux systèmes de piles à combustible. A léchelle analytique, preuves que des enzymes pouvaient catalyser la réduction de loxygène en phase gazeuse sur des électrodes de PEMFC commerciales.

16 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 16 Retombées et production scientifique Contribution à laction transversale Energie LGC 2004 Contribution à laction transversale Energie LGC 2004 Reconnaissance par les tutelles (BQR INPT, fonds propres LAPLACE) Contribution à la création dune option en EcoEnergie (3A FEET) de 3ème année commune à deux écoles de lINPT (ENSIACET et ENSEEIHT). Cours sur les biopiles (R.Basséguy) Une publication en préparation H Iken, A-C Boucher, R Basséguy : Enzymatic catalysis on PEMFC electrodes Deux séminaires internes sur la modélisation et le paramètrage (C. Turpin) Une communication à un congrès L De Silva Muñoz, R Basséguy : Electrochemical properties of various interfaces - enzyme / electrode material - for biofuel cell application 210th Meeting of The Electrochemical Society, Cancun Mexique, 29 oct-3 nov Deux HDR (R. Basséguy 05/10/2006, C. Turpin 17/01/2008)

17 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC 17 Les acteurs LGCLGC BASSÉGUY Régine (CR) coordination, encadrement BERGEL Alain (DR) conseil ETCHEVERRY Luc (AI), MONNA Jean-Pierre (IE) appui technique MEHANNA Maha (stagiaire Master Recherche, 5 mois 2005) BOUCHER Aude-Claire (Post-doc financé par lACI, 6 mois 2006) IKEN Hicham (Post-doc financé par lACI, 6 mois 2007) LAPLACE (ex-LEEI)LAPLACE (ex-LEEI) TURPIN Christophe (CR) responsable scientifique, encadrement ASTIER Stéphan (Pr) conseil BLAQUIÈRE Jean-Marc (AI), MOSSER Franck (IE avril 2007) appui technique BAHEUX Vincent (I-CESI 1an 2005, I 5mois 2006 dont 1mois financé lACI 2006) RALLIERES Olivier (doctorant – sur le projet depuis janvier 2007)


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