EP3621878A1 - 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

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EP3621878A1
EP3621878A1 EP18728083.9A EP18728083A EP3621878A1 EP 3621878 A1 EP3621878 A1 EP 3621878A1 EP 18728083 A EP18728083 A EP 18728083A EP 3621878 A1 EP3621878 A1 EP 3621878A1
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EP
European Patent Office
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inerting
gas
volume
air
fuel cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18728083.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nelly Giroud
Pierrick MAILHET
Olivier Vandroux
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Safran Aerotechnics SAS
Original Assignee
Zodiac Aerotechnics SAS
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of inerting systems of at least one volume, such as fuel tank, cargo compartment, avionics bay, hidden area, electrical sheath, in an aircraft or the like.
  • an inerting system for generating an inerting gas, such as nitrogen, or any other neutral gas such as carbon dioxide for example, and for introducing said gas inerting in the fuel tanks for safety reasons to reduce the risk of explosion of said tanks.
  • an inerting gas such as nitrogen, or any other neutral gas such as carbon dioxide for example
  • a conventional inerting system of the prior art generally comprises an onboard inert gas generator called OBIGGS, according to the acronym "On Board Inert Gas Generating Systems", supplied with compressed air. for example with compressed air diverted from at least one engine from a so-called intermediate pressure stage and / or a so-called high pressure stage depending on a flight situation.
  • OBIGGS onboard inert gas generator
  • the OBIGGS system is coupled to the aircraft's fuel tank, and separates oxygen from the air.
  • the OBIGGS system comprises at least one air separation module containing, for example, permeable membranes, such as polymer membranes, traversed by a stream of air. Due to the different permeabilities of the membrane to nitrogen and oxygen, the system divides the airflow so that a high nitrogen content airflow and a high grade airflow in oxygen, are obtained.
  • the nitrogen enriched air fraction considered as the inerting gas, is fed into the fuel tanks so that the oxygen content in the free volume of the tank is decreased.
  • the devices necessary for this operation such as compressors, Filters, air or liquid cooling modules and the like are integrated in the inert gas system.
  • the conventional inerting system is, in the majority of cases, dependent on the engine speeds and therefore the pressure profile available for the inerting system.
  • the inerting gas, enriched in nitrogen, generated at the outlet of the inerting gas generator does not have a constant oxygen concentration, and depends on the inlet pressure of the inerting system.
  • the inerting gas at the outlet of the current inerting system does not allow to combine high flow and low oxygen content. Indeed, for the same operating pressure, a low flow of inert gas will have a higher purity, that is to say a lower oxygen content.
  • One of the aims of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art by proposing an inerting system for injecting, in at least one volume of an aircraft, an inerting gas having a content controlled and known oxygen, whose flow, purity, as well as the operation of the pressure profile system are independent.
  • an inerting system comprising at least one inerting gas generator, supplied with compressed air. from a passenger cabin, and inerting gas distribution means in the volume to be made inert, connected to the inerting gas generator.
  • the inerting gas generator comprises a fuel cell comprising an oxygen-depleted gas outlet connected to drying means of said inerting gas, for injecting said inerting gas into a reservoir. fuel for example.
  • the invention makes it possible to recover a gaseous effluent from a fuel cell, and to propose an alternative to the inerting systems of the state of the art.
  • an advantage of the fuel cell lies in the fact that the oxygen content present in the inerting gas does not depend on the engine speed of the aircraft and therefore does not depend on the pressure profile.
  • the pressure of the inerting gas at the outlet of the fuel cell fluctuates much less than with an inerting system drawing air from the engines, and has no effect on the oxygen content present in the gas. inerting.
  • the purity of the inerting gas remains substantially constant. Indeed, the oxygen content depends only on the stoichiometry of the battery, and can easily be less than 12%.
  • the inerting gas thus has a known and constant oxygen concentration during the mission profile, and may have, for a low oxygen content, a flow rate that is both low and high.
  • the drying means comprise a heat exchanger.
  • the inerting gas at the outlet of the fuel cell is hot, and the fact of cooling it makes it possible to condense the water and to perform a first drying operation.
  • the drying means comprise two successive drying equipment, namely at least one air / water separation membrane, or at least one enthalpic wheel, connected at the outlet of the heat exchanger. This makes it possible to perform a second drying operation so that the water content in the inerting gas is low and compatible with an injection into a fuel tank.
  • the heat exchanger makes it possible to eliminate water by condensation and to prepare the gas in temperature because the air / water separation membrane, for example, does not withstand too high temperatures, greater than 65 ° C. C.
  • the drying means may be directly formed by at least one air / water separation membrane, and / or at least one enthalpic wheel.
  • Another advantage also lies in the fact that the fuel cell makes it possible to save the air coming from the engines of the aircraft. Indeed, the fuel cell is powered by cabin air compressed by an electric compressor. .
  • volume (3) such as a fuel tank, a compartment cargo, an avionics bay, a hidden area, an electrical sheath, in an aircraft or the like.
  • the inerting system (1) comprises a fuel cell (4) to be supplied with a reducing gas, such as dihydrogen, and an oxidizing gas (5), such as air.
  • a reducing gas such as dihydrogen
  • an oxidizing gas (5) such as air.
  • the air comes from the passenger cabin of the aircraft, being previously compressed by an electric compressor.
  • the fuel cell (4) generates electricity, heat, water, but also oxygen-depleted wet air (6) intended to form the inerting gas (2). inject into the volume (3) to render inert.
  • the power of the fuel cell (4) is, for example, between 4 and 25 kW.
  • the gas outlet of the fuel cell is connected to drying means (7) to allow injection of a dry inerting gas (2) into the volume (3) to be rendered inert, in particular a fuel tank .
  • a dry inerting gas (2) into the volume (3) to be rendered inert, in particular a fuel tank .
  • the hot and humid inerting gas (6) can not be injected as it is in a fuel tank.
  • the wet inert gas (6) is then conveyed through a heat exchanger (8) which allows it to be cooled and thus to perform a first drying operation.
  • the heat exchanger (8) can be of any type, for example a condenser.
  • the condenser is sized to be able to absorb between 10g and more than 70g of water per kg of fuel. dry air.
  • the cooled inerting gas is conveyed either through at least one air / water separation membrane (9) by permeation, or through at least one enthalpic wheel (10) for absorbing water, for carrying out a second drying step.
  • the air / water separation membrane (9) and the enthalpy wheel (10) are, in practice, dimensioned so that the remaining water content is between 1.90 and 2.10 g of water per kg of air dry.
  • the water content in the inerting gas (2) must reach the value of 2g of water per 1kg of dry air, ie a temperature of dew of the inerting gas (2) from -10 ° C to 1 bar absolute.
  • the combination of the heat exchanger (8) and the permeation membrane (9), or the heat exchanger (8) and the enthalpy wheel (10) allows to reach such a water content.
  • the maximum value of 2g of water per kg of dry air is set to ensure that the injection of dry gas into the tanks will not lead to icing phenomena.
  • the inerting gas (2) cooled is dry and can then be conveyed to distribution means (11) of the inerting gas (2) for the injection as such in the volume (3) to to render inert.
  • the distribution means (11) are well known and consist of distribution lines, valves, valves, valves ...
  • the injection into the volume (3) is, for example, carried out by nozzles. injection.
  • the inerting system (1) makes it possible to generate and inject an inerting gas (2) into a volume (3) of an aircraft, for example a fuel tank, for safety reasons in order to reduce the risk of volume explosion (3).
  • the inerting gas (2) injected is intended to render the volume (3) inert, ie it makes it possible to reduce the oxygen content present in the at least one reservoir (2), and in particular keep this rate below a certain threshold, for example less than 12%.
  • the oxygen content present in the inerting gas (2) does not depend on the engine speed of the aircraft and therefore does not depend on the pressure profile.
  • the pressure of the inerting gas (2) at the outlet of the fuel cell (4) fluctuates much less than with an inerting system drawing air from the engines, and has no effect on the content oxygen present in the inert gas (2).
  • the purity of the inerting gas (2) is known and remains substantially constant throughout the mission of the aircraft. Air savings from the engines of the aircraft are also realized.
  • the present invention has been achieved by going against certain prejudices, in particular the presence of hydrogen under pressure in an aircraft, the introduction of new equipment whose maturity in the aeronautical field is not yet proven, such as moisture sensors, air / water permeation membranes (9), the management of moist air in a cold environment, and the placing of a fuel cell (4) in an aircraft without having still sufficient feedback on the average durations between failures, and on the dependability characteristics.

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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

SYSTÈME D'INERTAGE D'AU MOINS UN VOLUME DANS UN AÉRONEF 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 ANTÉRIEUR
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 fïltres, 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 « Fédéral 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 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 stœchiométrie 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. 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 DÉTAILLÉE 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 1kg 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 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 F 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 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 sûreté de fonctionnement.

Claims

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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