Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques.

Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques. / In this project we addressed the two following issues : what transfer intensification strategies can be set up to optimize the chemical and energetic yields in microbial fuel cells ? What are the most relevant methods to characterize and control the bio-electrochemical phenomenon that are taking place ? We first report two strategies regarding the reactor engineering that are (i) the use of reticulated vitreous carbon as high-surface area porous electrodes and (ii) the use of constructal approach as a multi-scale optimization for fluid distribution. Advantages and limits are discussed. In a second part, we address some basic research which aims at identifying and characterizing the electrochemical phenomenon occurring in our reactor and quantifying the effect of various physicochemical (temperature, conductivity, buffer and substrate concentration) and material factors (oxydized RVC, platinized air-cathode, membrane thickness, cathode surface area). This multifactorial analysis was performed using Tagushi experimental plans and electrochemical impedance spectroscopy (IES). IES was successfully used to simulate our electrodes and cell phenomenon based on electrical analogies using resistive and capacitive elements.

Cette thèse porte sur le développement d’un cogénérateur résidentiel constitué d’un générateur linéaire asynchrone entraîné par deux moteurs Stirling fonctionnant en mode ‘piston libre double effet’. Les critères caractérisant un tel cogénérateur sont décrits ainsi que ses différents modes d’utilisation dans le domaine résidentiel. Les différentes technologies sont passées en revue.Les équations de la mécanique sur lesquelles se fondent le contrôle du couplage thermoélectrique du cogénérateur et sa stabilité y sont définies. Le générateur électrique est modélisé en vue de calculer les grandeurs électriques des équations à bobines couplées et les grandeurs du schéma électrique équivalent, ce schéma permet d’inverser le modèle.Les résultats des modèles analytiques sont validés par des mesures faites sur des maquettes spécialement conçues. Une étude paramétrique de la structure du générateur a permis d’optimiser ses performances. Les équations de la mécanique et le modèle électrique sont utilisés pour poser les bases d’une optimisation ‘système’ du cogénérateur. / This thesis focuses on the development of a residential cogenerator which consists of a linear induction generator driven by two Stirling engines, free-piston double-acting operating mode. The criteria characterizing such cogenerator are described and its various modes of use in the residential sector. The various technologies are reviewed.The equations of mechanics that underlie the control of the coupling of thermoelectric cogeneration and stability are defined.The electric generator is modeled to calculate the electrical coil coupled equations and the magnitudes of the equivalent circuit, this scheme allows us to reverse the pattern. The results of analytical models are validated by measurements on specially designed models. A parametric study of the structure of the generator has optimized its performances. The equations of mechanical and electrical model are used to lay the groundwork for optimization of all the cogenerator, considered as a system.