Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

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

2 Environnement (électrique, thermique …)
Objectifs du projet Evaluation des potentialités de l’intégration d’une catalyse enzymatique dans une PEMFC en conditions réelles d’utilisation Pt  catalyse réduction O2 sur matériau moins noble Modélisation intégrée du cœur de la pile Environnement (électrique, thermique …) Phase de conception Missions du système Phase d’évaluation Gestion de l’énergie 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

3 Approche pluridisciplinaire
Idée Conception du cœur de pile LGC A7 Approches ‘système’ LAPLACE, N7 Modélisation Couplages Stratégie de gestion de l’énergie Hybridation de sources d’énergie Réactions chimiques et biochimiques Matériaux Génie électrochimique 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) 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

4 Défi et pertinence du projet
Biocatalyse Pile gazeuse ~ 1 mA/cm² ~ 300 mA/cm² Aqueux Gazeux [O2] ~ 1mM [O2] ~ 100 mM Tests préliminaires CEA pulvérisation glucose+GOD  puissance +15% 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

5 Le programme de travail
Tâche 1 : Développement d’un banc de tests performant Contrôler les conditions de mise en œuvre d’un catalyseur biologique Banc hautement instrumenté Re-configurable O2 / Air Test monocellule ou stack En parallèle, mise en place d’un banc simplifié au LGC Tâche 2 : Partie expérimentale Mise en évidence de la catalyse sur des électrodes commerciales en milieux aqueux et gazeux Tâche 3 : Partie modélisation Modèle Bond-graph  compréhension des phénomènes 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

6 Réalisation d’un banc de test hautement instrumenté
Principaux résultats Réalisation d’un 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 d’inertage à l’azote, régulations de débits et de pressions (mode bouché ou circulant) - Système d’hydratation des gaz d’entrée 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

7 Principaux résultats Réalisation d’un banc de test
hautement instrumenté 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 Superviseur du banc de tests avec l’interface homme-machine développé dans son intégralité. Mise en place du banc complet – 1er trimestre 2008 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

8 Principaux résultats Catalyse par la laccase de la réduction de l’oxygène sur une électrode commerciale E-TEK (Pt 0,5mg.cm-2, 30%/Vulcan XC-72) ER ET CE Electrolyte aqueux N2 ou O2 Caractère hydrophobe de l’électrode E-TEK Faible courant Avec laccase courant X2-3 10% / platine H2SO M 1 mV.s-1 A.C. Boucher 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

9 Principaux résultats Catalyse par la laccase de la réduction de l’oxygène sur une électrode commerciale E-TEK (Pt 0,5mg.cm-2, 30%/Vulcan XC-72) ER ET CE Electrolyte aqueux N2 ou O2 pH 3,3 pH 2,3 pH 1,3 G = 100j/j Gain en courant important lié à la catalyse de la réduction de l’oxygène par l’enzyme j différence des densités de courant avec et sans laccase et j densité de courant sans laccase A.C. Boucher Tests en milieu aqueux sur électrode de pile = concluants 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 Capuchon de la chambre cathodique Réalisation service technique LGC 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

11 E-TEK (Pt 0,5mg.cm-2, 30%/Vulcan XC-72)
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 O2 en phase gazeuse (air sans surpression). 20 mV.s-1 acide sulfurique pH=0,3 H. Iken 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

12 Tests en demi cellule gazeuse sur électrode de pile = concluants
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 O2 en phase gazeuse (air sans surpression) I = -0,1 mA.cm-2 acide sulfurique pH=0,3 Gain ~ 600 mV H. Iken Tests en demi cellule gazeuse sur électrode de pile = concluants 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

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

14 Modélisation de la cellule commerciale
Principaux résultats Modélisation de la cellule commerciale Ces données sont précieuses et constituent une base de référence pour évaluer l’impact de la catalyse enzymatique sur le fonctionnement de la cellule commerciale (et de la pile à combustible PEM plus généralement) qui n’a pas pu être effectué au cours du projet Transfert au LGC des méthodes de caractérisation et de modélisation. 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 l’ensemble du projet (pas de bourse fléchée) 3 x 6 mois au LGC (relance laborieuse des PEMFC après un arrêt prolongé. Formation et temps d’adaptation) Un banc de test hautement instrumenté = outil performant pour comprendre et proposer des améliorations aux systèmes de piles à combustible. A l’échelle analytique, preuves que des enzymes pouvaient catalyser la réduction de l’oxygène en phase gazeuse sur des électrodes de PEMFC commerciales. 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

16 Retombées et production scientifique
Contribution à l’action transversale ‘Energie’ LGC 2004  Reconnaissance par les tutelles (BQR INPT, fonds propres LAPLACE) Contribution à la création d’une option en EcoEnergie (3A FEET) de 3ème année commune à deux écoles de l’INPT (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) 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC

17 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC
Les acteurs LGC 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 l’ACI, 6 mois 2006) IKEN Hicham (Post-doc financé par l’ACI, 6 mois 2007) 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 l’ACI 2006) RALLIERES Olivier (doctorant – sur le projet depuis janvier 2007) 07/02/2008 Colloque Energie - Poitiers R. Basséguy Biocatalyse et PEMFC