CA3066843A1 - Systeme d'inertage d'au moins un volume dans un aeronef via au moins une pile a combustible - Google Patents

Systeme d'inertage d'au moins un volume dans un aeronef via au moins une pile a combustible Download PDF

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Abstract

Système d'inertage (1) d'au moins un volume (3) dans un aéronef, ledit système comprenant au moins un générateur de gaz d'inertage (2), alimenté avec de l'air comprimé provenant d'une cabine de passagers, et des moyens de distribution (11) du gaz d'inertage (2) dans le volume (3) à rendre inerte, reliés au générateur de gaz d'inertage (2). Selon l'invention, le générateur de gaz d'inertage (2) comprend une pile à combustible (4) comportant une sortie de gaz (6) appauvri en oxygène reliée à des moyens de séchage (7) dudit gaz.

Description

SYSTEME D'INERTAGE D'AU MOINS UN VOLUME DANS UN AERONEF VIA AU MOINS UNE
PILE A COMBUSTIBLE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des systèmes d'inertage d'au moins un volume, tel que réservoir de carburant, compartiment cargo, baie avionique, zone cachée, gaine électrique, dans un aéronef ou similaire.
ART ANTERIEUR
Dans le domaine de l'aéronautique, il est connu un système d'inertage pour générer un gaz d'inertage, tel que de l'azote, ou tout autre gaz neutre tel que le dioxyde de carbone par exemple, et pour introduire ledit gaz d'inertage dans les réservoirs de carburant pour des raisons de sécurité afin de réduire le risque d'explosion desdits réservoirs.
Un système classique d'inertage de l'art antérieur comporte, d'une manière générale, un générateur de gaz d'inertage embarqué dit OBIGGS, selon l'acronyme anglo-saxon On Board Inert Gas Generating Systems , alimenté en air comprimé, par exemple avec de l'air comprimé détourné d'au moins un moteur à partir d'un étage dit de pression intermédiaire et/ou d'un étage dit de haute pression en fonction d'une situation de vol. Le système OBIGGS est couplé au réservoir de carburant de l'avion, et sépare l'oxygène de l'air.
Le système OBIGGS comprend au moins un module de séparation d'air contenant, par exemple, des membranes perméables, telles que des membranes en polymère, traversées par un flux d'air. En raison des différentes perméabilités de la membrane à
l'azote et à l'oxygène, le système divise le flux d'air de telle sorte qu'un flux d'air à forte teneur en azote et un flux d'air à forte teneur en oxygène, sont obtenus. La fraction d'air enrichie en azote, considérée comme le gaz d'inertage, est acheminée dans les réservoirs de carburant de telle sorte que le taux d'oxygène présent dans le volume libre du réservoir est diminué. Les dispositifs nécessaires à cette opération, tels que des compresseurs, des
- 2 -filtres, des modules de refroidissement à air ou à liquide et analogues, sont intégrés dans l'installation de gaz d'inertage.
Lorsque le taux d'oxygène présent dans la partie vide du réservoir est inférieur à la limite d'inflammation définie conformément aux exigences de la FAA selon l'acronyme anglo-saxon Federal Aviation Administration détaillées dans le document AC25.981-2A en date du 19 septembre 2008 et intitulé FUEL TANK FLAMMABILITY
REDUCTION MEANS et ses annexes, les risques d'inflammation et de déflagration sont très limités, voire nuls. De ce qui précède, rendre inerte un réservoir de carburant consiste à injecter du gaz d'inertage dans le réservoir pour maintenir le taux d'oxygène présent dans ledit réservoir sous un certain seuil, par exemple 12%.
Le système d'inertage classique est, dans la majorité des cas, dépendant des régimes moteurs et donc du profil de pression disponible pour le système d'inertage.
Le gaz d'inertage, enrichi en azote, généré en sortie du générateur de gaz d'inertage ne présente pas une concentration en oxygène constante, et dépend de la pression en entrée du système d'inertage.
Enfin, le gaz d'inertage en sortie de système d'inertage actuel ne permet pas d'allier fort débit et faible teneur en oxygène. En effet, pour une même pression de fonctionnement, un faible débit de gaz d'inertage présentera une pureté plus élevée, c'est-à-dire une plus faible teneur en oxygène.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'un des buts de l'invention est donc de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un système d'inertage permettant d'injecter, dans au moins un volume d'un aéronef, un gaz d'inertage présentant une teneur en oxygène contrôlée et connue, dont le débit, la pureté, ainsi que le fonctionnement du système de profil de pression sont indépendants.
A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un système d'inertage comprenant au moins un générateur de gaz d'inertage, alimenté avec de l'air comprimé
- 3 -provenant d'une cabine de passagers, et des moyens de distribution du gaz d'inertage dans le volume à rendre inerte, reliés au générateur de gaz d'inertage.
Selon l'invention, le générateur de gaz d'inertage comprend une pile à
combustible comportant une sortie de gaz appauvri en oxygène reliée à des moyens de séchage dudit gaz d'inertage, pour permettre d'injecter ledit gaz d'inertage dans un réservoir de carburant par exemple.
De cette manière, l'invention permet de valoriser un effluent gazeux provenant d'une pile à combustible, et de proposer une alternative aux systèmes d'inertage de l'état de la technique.
De plus, un avantage de la pile à combustible réside dans le fait que la teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage ne dépend pas du régime moteur de l'aéronef et ne dépend donc pas du profil de pression. La pression du gaz d'inertage en sortie de la pile à
combustible fluctue nettement moins qu'avec un système d'inertage prélevant de l'air provenant des moteurs, et n'a pas de conséquence sur la teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage. La pureté du gaz d'inertage reste sensiblement constante.
En effet, la teneur en oxygène ne dépend que de la stoechiométrie de la pile, et peut facilement être inférieure à 12 %.
Le gaz d'inertage possède donc une concentration en oxygène connue et constante au cours du profil de mission, et peut présenter, pour une faible teneur en oxygène, un débit aussi bien faible que fort.
De préférence, les moyens de séchage comprennent un échangeur de chaleur. En effet, le gaz d'inertage en sortie de la pile à combustible est chaud, et le fait de le refroidir permet de condenser l'eau et de réaliser une première opération de séchage.
Selon des formes de réalisation différentes, les moyens de séchage comprennent deux équipements de séchage successifs, à savoir au moins une membrane de séparation air/eau, ou au moins une roue enthalpique, connectée en sortie de l'échangeur de chaleur.
- 4 -Ceci permet de réaliser une deuxième opération de séchage pour que la teneur en eau dans le gaz d'inertage soit faible et compatible avec une injection dans un réservoir de carburant.
Dans cette configuration, l'échangeur de chaleur permet d'éliminer l'eau par condensation et de préparer le gaz en température car la membrane de séparation air/eau, par exemple, ne résiste pas à des températures trop élevées, supérieures à 65 C. Dans le cas où le gaz en sortie de pile à combustible présente une température inférieure à 65 C, et dans lequel la teneur en eau est compatible avec un seul équipement de séchage, la présence de l'échangeur n'est pas nécessaire. Ainsi, les moyens de séchages peuvent être directement réalisés par au moins une membrane de séparation air/eau, et/ou au moins une roue enthalpique.
Un autre avantage réside également dans le fait que la pile à combustible permet d'économiser l'air issu des moteurs de l'aéronef. En effet l'alimentation de la pile à
combustible se fait par de l'air cabine comprimé par un compresseur électrique.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence à l'unique figure annexée illustrant de manière schématique un système d'inertage selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, il est représenté un système d'inertage (1) destiné à
injecter un débit de gaz d'inertage (2) dans au moins un volume (3), tel qu'un réservoir de carburant, un compartiment cargo, une baie avionique, une zone cachée, une gaine électrique, dans un aéronef ou similaire.
Le système d'inertage (1) comprend une pile à combustible (4) destinée à être alimentée avec un gaz réducteur, tel que du dihydrogène, et un gaz oxydant
(5), tel que de l'air. En pratique, l'air provient de la cabine de passagers de l'aéronef, en étant préalablement comprimé par un compresseur électrique. En sortie, la pile à
combustible (4) génère de l'électricité, de la chaleur, de l'eau, mais également de l'air humide appauvri en oxygène (6) destiné à former le gaz d'inertage (2) à injecter dans le volume (3) à rendre inerte. En fonction de l'aéronef, du profil de mission, et de la phase de vol, la puissance de la pile à combustible (4) est, par exemple, comprise entre 4 et 25 kW.
La sortie de gaz de la pile à combustible est reliée à des moyens de séchage (7) pour permettre l'injection d'un gaz d'inertage (2) sec dans le volume (3) à rendre inerte, notamment un réservoir de carburant. En effet, en sortie de la pile à
combustible (4), le gaz d'inertage (6) chaud et humide ne peut pas être injecté en l'état dans un réservoir de carburant.
Le gaz d'inertage humide (6) est alors acheminé au travers d'un échangeur de chaleur (8) qui permet de le refroidir et d'effectuer ainsi une première opération de séchage. L'échangeur de chaleur (8) peut être de tout type, par exemple un condenseur. A
titre d'exemple, et en fonction de l'aéronef, du profil de mission, et de la phase de vol, le condenseur est dimensionné pour être en mesure d'absorber entre 10g et plus de 70g d'eau par kg d'air sec.
Selon différentes formes de réalisation, en sortie de l'échangeur de chaleur (8), le gaz d'inertage refroidi est acheminé soit au travers d'au moins une membrane de séparation air/eau (9) par perméation, soit au travers d'au moins une roue enthalpique (10) permettant d'absorber l'eau, pour la réalisation d'une deuxième étape de séchage.
La membrane de séparation air/eau (9), et la roue enthalpique (10) sont, en pratique, dimensionnées pour que la teneur en eau restante soit comprise entre 1,90 et 2,10 g d'eau par kg d'air sec.
Des simulations ont montrées que pour être compatible avec une injection dans un réservoir de carburant, la teneur en eau dans le gaz d'inertage (2) doit atteindre la valeur de 2g d'eau pour lkg d'air sec, soit une température de rosée du gaz d'inertage (2) de -10 C sous 1 bar absolu. La combinaison de l'échangeur de chaleur (8) et de la membrane (9) de perméation, ou de l'échangeur de chaleur (8) et de la roue enthalpique (10) permet
- 6 -d'atteindre une telle teneur en eau. La valeur maximum de 2g d'eau par kg d'air sec est fixée de manière à s'assurer que l'injection du gaz asséché dans les réservoirs ne conduira pas à des phénomènes de givrage.
En sortie, le gaz d'inertage (2) refroidi est sec et peut ensuite être acheminé vers des moyens de distribution (11) du gaz d'inertage (2) pour l'injection en tant que tel dans le volume (3) à rendre inerte. Les moyens de distribution (11) sont bien connus et sont constitués par des conduites de distribution, des vannes, des clapets, des valves...
L'injection dans le volume (3) est, par exemple, réalisée par des buses d'injection. Un contrôleur (12), connecté à la pile à combustible (4) et aux différents équipements des moyens de séchage (7), notamment l'échangeur de chaleur (8), la membrane de séparation (9) ou la roue enthalpique (10), les valves, des capteurs de pression et d'humidité, permet de gérer et de contrôler la production de gaz d'inertage (2) et sa distribution.
Ainsi, le système d'inertage (1) permet de générer et d'injecter un gaz d'inertage (2) dans un volume (3) d'un aéronef, par exemple un réservoir de carburant, pour des raisons de sécurité afin de réduire le risque d'explosion du volume (3). Le gaz d'inertage (2) injecté vise à rendre inerte le volume (3), c'est-à-dire qu'il permet de réduire le taux d'oxygène présent dans le ou lesdits réservoirs (2), et notamment de maintenir ce taux sous un certain seuil, par exemple inférieur à 12%.
La teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage (2) ne dépend pas du régime moteur de l'aéronef et ne dépend donc pas du profil de pression. La pression du gaz d'inertage (2) en sortie de la pile à combustible (4) fluctue nettement moins qu'avec un système d'inertage prélevant de l'air provenant des moteurs, et n'a pas de conséquence sur la teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage (2). La pureté du gaz d'inertage (2) est connue et reste sensiblement constante tout le long de la mission de l'aéronef Des économies d'air issu des moteurs de l'aéronef sont également réalisées.
La présente invention a été réalisée en allant à l'encontre de certains préjugés, notamment la présence d'hydrogène sous pression dans un avion, la mise en place de nouveaux équipements dont la maturité dans le domaine aéronautique n'est pas encore
7 PCT/EP2018/063747 prouvée, tels que des capteurs d'humidité, des membranes (9) de perméation air/eau, la gestion d'un air humide dans un environnement froid, et le fait de placer une pile à
combustible (4) dans un aéronef sans avoir encore de retours suffisants sur les durées moyennes entre les pannes, et sur les caractéristiques de sureté de fonctionnement.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Système d'inertage (1) d'au moins un volume (3) dans un aéronef, ledit système comprenant au moins un générateur de gaz d'inertage (2), alimenté avec de l'air comprimé provenant d'une cabine de passagers, et des moyens de distribution (11) du gaz d'inertage (2) dans le volume (3) à rendre inerte, reliés au générateur de gaz d'inertage (2), ledit système d'inertage (1) étant caractérisé en ce que le générateur de gaz d'inertage (2) comprend une pile à combustible (4) comportant une sortie de gaz (6) appauvri en oxygène reliée à des moyens de séchage (7) dudit gaz.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent un échangeur de chaleur (8).
3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent au moins une membrane de séparation air/eau (9).
4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent au moins une roue enthalpique (10).
5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent deux équipements de séchage (8 et 9, 10) successifs.
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent au moins une membrane de séparation air/eau (9) connectée en sortie de d'un échangeur de chaleur (8).
7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de séchage (7) comprennent au moins une roue enthalpique (10) connectée en sortie d'un échangeur de chaleur (8).
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