FR2999342A1 - Systeme de production d'electricite embarque avec pile a combustible - Google Patents

Systeme de production d'electricite embarque avec pile a combustible Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système de production d'électricité destiné à alimenter en énergie électrique un dispositif d'un aéronef. Ce système comprend un générateur (10) d'hydrogène gazeux à partir d'hydrogène sous forme non-gazeuse, un réservoir principal (30) connecté en son amont au générateur (10) et destiné à contenir de l'hydrogène gazeux sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, cet hydrogène gazeux étant produit par le générateur (10), au moins une pile à combustible (50), un détendeur (40) connecté en son amont au réservoir principal (30) et en son aval à la (ou les) pile à combustible (50), l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens de circulation de l'hydrogène en conditions normales de fonctionnement du système, un dispositif de commande (70) qui régule le débit et la pression d'hydrogène gazeux du réservoir principal (30) vers la (ou les) pile à combustible (50) par l'intermédiaire du détendeur (40).

Description

La présente invention concerne un système de production d'électricité destiné à alimenter en énergie électrique un dispositif d'un aéronef. Dans certaines situations, un ou plusieurs dispositifs d'un aéronef (par exemple un avion ou un hélicoptère) doit pouvoir être alimenté en énergie électrique par un système de production d'électricité qui est indépendant d'une part des turbomachines ou du moteur propulsant l'aéronef, et d'autre part de l'unité d'alimentation auxiliaire (en anglais « Auxiliary Power Unit », ou APU). De telles situations sont par exemple une situation d'urgence où il y a un défaut de fonctionnement de la turbomachine, du moteur, ou de l'APU. Dans d'autres situations, on souhaite fournit de l'électricité additionnelle en complément de l'énergie fournie par l'APU, par exemple lors de la phase d'atterrissage. On connait des systèmes de production d'énergie qui fournissent de l'énergie en situation d'urgence. Il s'agit par exemple d'un système de production d'électricité qui est générée par une hélice qui est déployée à l'utilisation de ce système (en anglais « Ram Air Turbine »). La « Ram Air Turbine » est décrite en préambule du brevet EP 1,859,499.
Cependant la « Ram Air Turbine » est un ensemble lourd et complexe, donc couteux. En outre, son efficacité dépend de la configuration de vol de l'avion, et cet ensemble est donc peu fiable. Pour pallier à ces inconvénients, il a été développé un système utilisant une pile à combustible.
Ce système comprenant une pile à combustible, un réservoir d'hydrogène gazeux et un réservoir d'oxygène gazeux qui alimentent directement cette pile à combustible, et un dispositif de commande qui pilote l'alimentation en hydrogène et oxygène. Un tel système utilisant une pile à combustible est décrit dans le brevet EP 1,859,499.
Ce système utilisant une pile à combustible permet de fournir de l'électricité rapidement quelle que soit la configuration de vol de l'aéronef. De plus, il ne présente pas de pièces en mouvement, contrairement à la « Ram Air Turbine », et est donc plus fiable. Ce système présente cependant des inconvénients.
En effet, ce système implique l'utilisation de réservoirs d'hydrogène et d'oxygène qui sont lourds. Ce système alourdi donc l'aéronef, ce qui entraine une consommation de carburant supplémentaire par l'aéronef. De plus, la logistique de remplissage et de calibrage de ces réservoirs est complexe. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
L'invention vise à proposer un système de production d'électricité qui soit moins lourd, et qui soit apte à fournir de l'électricité de façon fiable et dans toutes les configurations de vol de l'aéronef. Ce but est atteint grâce au fait que le système comprend un générateur d'hydrogène gazeux à partir d'hydrogène sous forme non-10 gazeuse, un réservoir principal connecté en son amont au générateur et destiné à contenir de l'hydrogène gazeux sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, cet hydrogène gazeux étant produit par le générateur, au moins une pile à combustible, un détendeur connecté en son amont au réservoir principal et en son aval à la (ou aux) 15 pile à combustible, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens de circulation de l'hydrogène en conditions normales de fonctionnement du système, un dispositif de commande qui régule le débit et la pression d'hydrogène gazeux du réservoir principal vers la (ou les) pile à combustible par l'intermédiaire du détendeur. 20 Grâce à ces dispositions, la ou les piles à hydrogène sont alimentées de façon plus fiable. En effet, le détendeur permet d'ajuster la pression et le débit d'hydrogène fourni à la ou les piles, cet ajustement étant effectué par l'intermédiaire du dispositif de commande. Le système est moins lourd, puisque l'hydrogène est sous forme non-gazeuse, ce qui permet de 25 s'affranchir d'un réservoir d'hydrogène gazeux sous pression qui est lourd et volumineux. Avantageusement, le système présente un réservoir secondaire interposé entre le réservoir principal et la ou les piles à combustible, connecté en son amont au réservoir principal, et connecté en son aval à la 30 pile à combustible par l'intermédiaire du détendeur. Ainsi, le réservoir secondaire étant rempli d'hydrogène gazeux H2i peut fournir de l'hydrogène à la (ou les) pile à combustible plus rapidement que si l'hydrogène gazeux est produit depuis l'hydrogène non-gazeux contenu dans le réservoir principal. 35 L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de production d'énergie électrique selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'une variante d'un système de production d'énergie électrique selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un système de production d'énergie électrique selon Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation de l'hydrogène en conditions normales de fonctionnement du système de production d'électricité. Le système de production d'électricité selon l'invention est embarqué à bord de l'aéronef. L'aéronef est par exemple un avion, ou un 15 hélicoptère. Ce système comprend un générateur 10 d'hydrogène gazeux (H2) à partir d'hydrogène sous forme non-gazeuse. Le générateur d'hydrogène 10 sous une forme non-gazeuse présente l'avantage de s'affranchir de l'utilisation d'un réservoir pré-rempli 20 d'hydrogène gazeux en tant que source d'hydrogène gazeux. En effet, un tel réservoir est lourd et volumineux. De plus, la maintenance d'un tel réservoir d'hydrogène gazeux nécessite l'utilisation d'un système de remplissage et de calibrage, qui est complexe. L'hydrogène étant sous forme non-gazeuse, il est par exemple sous 25 forme solide. Par exemple, cet hydrogène est présent sous la forme d'un composé chimique solide contenant un ou des atomes d'hydrogène, ce composé étant apte à libérer de l'hydrogène sous forme gazeuse. Par exemple, ce composé un mélange de BH3NH3 et de Sr(NO3)2 qui produit de l'hydrogène gazeux H2 par pyrolyse. 30 Alternativement, l'hydrogène est sous forme liquide, par exemple sous la forme d'un composé chimique liquide contenant un ou des atomes d'hydrogène. Le système de production d'électricité selon l'invention comprend également un réservoir principal 30 qui est connecté en son amont au 35 générateur 10 et qui est destiné à contenir l'hydrogène gazeux H2 généré par le générateur 10. L'hydrogène gazeux H2 est stocké dans le réservoir principal 30. La pression d'hydrogène gazeux H2 dans le réservoir principal 30, avant la riligt.k.eft fonctionnement normal du système en vue d'alimenter la pile à combustible (voir ci-dessous), est sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique.
Par pression sensiblement supérieure, on entend une pression au moins égale à 5 fois la pression atmosphérique ambiante. Dans le cas où le générateur 10 produit, outre l'hydrogène gazeux H2, des impuretés, par exemple des gaz, le système comprend avantageusement un filtre 20 qui est situé immédiatement en aval du 10 générateur 10, et en amont du réservoir principal 30. Tous les éléments produits par le générateur 10 passent au travers du filtre 20. Le filtre 20 est apte à filtrer les éléments produits par le générateur 10 pour ne laisser passer que l'hydrogène gazeux H2, de telle sorte que seul l'hydrogène gazeux H2 pénètre dans le réservoir principal 30. 15 Le système de production d'électricité selon l'invention comprend également au moins une pile à combustible 50, qui est alimentée en hydrogène gazeux H2 par le réservoir principal 30. Le système tel que décrit ci-dessus est illustré en figure 1 dans le cas où le système comprend une seule pile à combustible 50. 20 Avantageusement, le système selon l'invention comprend au moins deux piles à combustible. Un tel système est illustré en figure 2 dans le cas où le système comporte deux piles, une première pile 51 et une seconde pile 52. Ainsi, dans le cas où il se produit une défaillance de la première pile 25 51, la seconde pile 52 peut être utilisée, et le système selon l'invention reste fonctionnel. L'électricité produit par la (ou les) pile à combustible 50 aux bornes de cette pile est acheminée par un câble électrique 60 vers le ou les dispositifs de l'aéronef qui nécessitent une alimentation en électricité. 30 Le système de production d'électricité selon l'invention comprend également un détendeur 40 qui est connecté en son amont au réservoir principal 30 et en son aval à la (ou aux) pile à combustible 50. Les gaz sortant du réservoir principal 30 passent donc au travers du détendeur 40. Le détendeur 40 détend l'hydrogène gazeux H2 et amène 35 l'hydrogène gazeux H2 à pression atmosphérique avant que cet hydrogène n'alimente la (ou les) pile à combustible 50.
Dans le système selon l'invention, l'hydrogène gazeux H2 circule entre le générateur 10 et la (ou les) pile à combustible 50 au travers de canaux 90, chaque canal 90 reliant deux des éléments (générateur 10, filtre 20, réservoir principal 30, réservoir secondaire 35 (voir ci-dessous), détendeur 40, pile(s) à combustible 50) du système. Avantageusement, chacun ou une partie des canaux 90 comporte une vanne 95 (une telle vanne est représentée sur chacune des figures) qui permet de stopper (vanne en position fermée) ou d'autoriser (vanne en position ouverte) la circulation de gaz au travers du canal 90 sur lequel cette vanne est située. En l'absence de détendeur 40, c'est-à-dire si le canal 90 entre le réservoir principal 30 (ou le réservoir secondaire 35, voir ci-dessous) et la (ou les) pile à combustible 50 ne comporte qu'une vanne, l'hydrogène gazeux H2 parvient à la (ou les) pile à combustible 50 à une pression qui est trop élevée pour un fonctionnement optimal de cette (ou ces) pile à combustible 50. Le système de production d'électricité selon l'invention comprend également un dispositif de commande 70 qui régule le débit et la pression d'hydrogène gazeux du réservoir principal 30 vers la (ou les)' pile à combustible 50 par l'intermédiaire du détendeur 40. Ainsi, le dispositif de commande 70 actionne le détendeur 40 afin de réguler le débit et la pression d'hydrogène gazeux H2 à son arrivée dans la (ou les) pile à combustible 50. Le dispositif de commande 70 actionne également les vannes 95.
Dans le cas où le système selon l'invention comprend au moins deux piles à combustible (par exemple une première pile 51 et une seconde pile 52), le dispositif de commande 70 est configuré pour alimenter en hydrogène gazeux H2 chacune des piles à combustible alternativement, en cas de défaillance d'une des piles. Une valve 95 est située sur chacun des canaux 90 alimentant la première pile 51 et la seconde pile 52, comme représenté en figure 2. Avantageusement, le dispositif de commande 70 est également configuré pour alimenter chacune des piles à combustible simultanément, ce qui permet de fournir une puissance électrique supérieure.
Avantageusement, le système selon l'invention comprend un ventilateur 80. Le ventilateur 80 permet d'améliorer le rendement de la (ou des) pile à combustible 50 en facilitant l'alimentation en air, donc en oxygène, de la (ou des) pile à combustible 50. Avantageusement, le ventilateur est branché directement sur la (ou des) pile à combustible 50 afin de fonctionner dès que la (ou des) pile à 5 combustible 50 génèrent de l'électricité. Avantageusement, le système selon l'Invention comprend une batterie qui permet le maintien en veille du dispositif de commande et l'alimentation électrique des vannes et du ventilateur. Le système selon 'Invention est apte à être testé avant son 10 utilisation afin de vérifier qu'il fonctionnera correctement. En fonctionnement normal, la (ou les) pile à combustible 50 est alimentée en hydrogène gazeux H2 par le réservoir principal 30 qui a été préalablement rempli d'hydrogène gazeux H2 à partir du générateur 10. La (ou les) pile est ainsi apte à fournir à la demande de l'électricité, par 15 exemple pour les fonctions assurées par l'APU. Si le réservoir principal 30 contient suffisamment d'hydrogène gazeux H2 il n'est pas nécessaire de démarrer le générateur 10. En fonctionnement d'urgence, le générateur 10 est activé afin de fournir la quantité d'hydrogène gazeux H2 nécessaire pour alimenter la (ou 20 les) pile à combustible 50 afin de la faire fonctionner pendant une durée déterminée. Par exemple cette durée est prédéfinie, et le dispositif de commande 70 démarre le générateur 10 et fait fonctionner le générateur 10 et les autres éléments du système selon l'invention (en particulier le détendeur 40) de telle sorte que la (ou les) pile à combustible 50 25 fonctionne (c'est-à-dire produit de l'électricité) pendant cette durée prédéfinie. Avantageusement, le système selon l'invention comprend un réservoir secondaire 35 interposé entre le réservoir principal et la (ou les) pile à combustible 50, connecté en son amont au réservoir principal et en 30 son aval à la (ou aux) pile à combustible 50 par l'intermédiaire du détendeur 40. L'alimentation en hydrogène de la (ou des) pile à combustible 50 à partir de ce réservoir secondaire 35 se fait donc nécessairement au travers du détendeur 40. Un tel système comprenant un réservoir secondaire 35 est illustré en 35 figure 3.
Après chaque utilisation du système selon l'invention, le réservoir secondaire 35 reste partiellement ou totalement rempli d'hydrogène gazeux H2 qui provient du réservoir principal 30. Grâce à ce réservoir secondaire 35, de l'hydrogène gazeux H2 est toujours disponible pour alimenter la (ou les) pile à combustible 50, donc le temps de réponse d'alimentation de la (ou des) pile à combustible 50 est plus faible. Ainsi, l'intervalle de temps entre l'envoi d'un signal par le dispositif de commande 70 pour le démarrage du système selon l'invention, et la production d'électricité par la (ou des) pile à combustible 50 est plus court que si le système ne comporte pas de réservoir secondaire 35. En effet, en l'absence de ce réservoir secondaire 35, il peut être nécessaire de démarrer le générateur 10 afin de produire de l'hydrogène gazeux H2 si la quantité d'hydrogène gazeux H2 restante dans le réservoir principal 30 est en quantité insuffisante pour alimenter la (ou les) pile à combustible 50.
Le démarrage du générateur 10 et la production d'hydrogène gazeux H2 prend un certain temps, ce qui retarde l'alimentation de la (ou des) piles à combustible 50. Avantageusement, la (ou les) pile 50 est une pile PEMFC à haute température.
L'acronyme PEMFC signifie « Proton Exchange Membrane Fuel Cell » et désigne une pile à combustible à membrane d'échange de protons. Par « haute température », on entend une température au moins égale à 120°C. Avantageusement, cette température est comprise entre 160 et 25 180°C. Une pile PEMFC haute température présente l'avantage d'être moins sensible aux polluants (tels que NH3, CO) qu'une pile fonctionnant à une température plus basse. 30

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Système de production d'électricité destiné à alimenter en énergie électrique un dispositif d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il 5 comprend un générateur (10) d'hydrogène gazeux à partir d'hydrogène sous forme non-gazeuse, un réservoir principal (30) connecté en son amont audit générateur (10) et destiné à contenir de l'hydrogène gazeux sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, cet hydrogène gazeux étant produit par ledit générateur (10), au moins 10 une pile à combustible (50), un détendeur (40) connecté en son amont audit réservoir principal (30) et en son aval à ladite au moins une pile à combustible (50), l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens de circulation de l'hydrogène en conditions normales de fonctionnement dudit système, un dispositif de commande (70) qui régule le débit et la pression 15 d'hydrogène gazeux dudit réservoir principal (30) vers ladite au moins une pile à combustible (50) par l'intermédiaire dudit détendeur (40).
  2. 2. Système de production d'électricité selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit générateur d'hydrogène gazeux (10) contient de l'hydrogène sous forme solide. 20
  3. 3. Système de production d'électricité selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (20) qui est situé immédiatement en aval dudit générateur (10) et qui est apte à filtrer les gaz produits par ledit générateur (10) pour ne laisser passer que l'hydrogène gazeux H2.
  4. 4. Système de production d'électricité selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 3 caractérisé en ce ladite au moins une pile à combustible (50) est une pile PEMFC à haute température.
  5. 5. Système de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir secondaire (35) interposé entre le réservoir principal (30) et ladite au 30 moins une pile à combustible (50), connecté en son amont au réservoir principal, et connecté en son aval à ladite au moins une pile à combustible (50) par l'intermédiaire dudit détendeur (40).
  6. 6. Système de production d'électricité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux piles 35 à combustible (51,52).
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