Brevet FR3016345A1 — publié le 20150717

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des sources d'énergie électrique, et trouve une application particulière dans le domaine de l'aéronautique. ETAT DE L'ART Les aéronefs embarquent plusieurs systèmes de génération d'énergie électrique afin d'assurer leur alimentation, à savoir des batteries, des génératrices, une unité auxiliaire communément désignée sous l'appellation anglaise « Auxiliary Power Unit » ou « APU », et une unité d'urgence communément désignée sous l'appellation anglaise « Emergency Power Unit » ou « EPU ». Les batteries, génératrices et l'unité auxiliaire réalisent l'alimentation électrique dans les conditions usuelles de vol, tandis que l'unité d'urgence réalise l'alimentation électrique en cas de défaillance de l'un ou de plusieurs des autres systèmes de génération d'énergie, ou lorsqu'un besoin électrique augmente temporairement, par exemple lors du décollage ou de l'atterrissage. On comprend bien que les différents systèmes de génération d'énergie sont des éléments essentiels d'un aéronef, et que leur réactivité est 25 essentielle. Différentes structures d'unité d'urgence ont été proposées. Il a ainsi déjà été proposé d'intégrer un système d'éoliennes dans une 30 structure d'aéronef, par exemple dans ses ailes, ces éoliennes pouvant être déployées en vol et ainsi générer de l'électricité. Toutefois, on comprend bien qu'un tel système est non seulement très complexe à intégrer dans une structure d'aéronef en raison de son poids et des contraintes auxquelles il soumet les parties de l'aéronef sur lesquelles les éoliennes sont fixées, mais également du fait que la génération d'électricité dépend alors directement de la vitesse de déplacement de l'aéronef et de son inclinaison par rapport au sol, ce qui ne permet pas de garantir une source d'énergie électrique fiable en toutes circonstances. Il a également été proposé, notamment d'utiliser une pile à combustible comme unité d'urgence. Toutefois, les piles à combustible ont un temps 10 de démarrage important, en ce qu'elles doivent atteindre leur température de fonctionnement pour délivrer leur quantité nominale d'électricité. Les piles à combustible nécessitent ainsi conventionnellement un préchauffage afin de les amener à leur température de fonctionnement. 15 Afin d'éviter un tel préchauffage, le document WO 2006/094743 propose de maintenir la pile à combustible dans une plage de température donnée, par exemple supérieure à 5°C, afin d'assurer sa disponibilité rapide, soit en la plaçant dans un milieu ayant une température 20 suffisamment élevée, par exemple la cabine d'un aéronef, soit au moyen d'un système de chauffage dédié à la pile à combustible, pouvant par exemple également réaliser son refroidissement lorsqu'elle fonctionne. Une telle solution est cependant adaptée uniquement à des piles à 25 combustible ayant des basses températures de fonctionnement, et nécessite un système de chauffage dédié ce qui est problématique notamment en termes de poids et d'encombrement. PRESENTATION DE L'INVENTION 30 La présente invention vise à répondre au moins en partie aux problématiques précitées. A cet effet, la présente invention propose un système de génération d'énergie électrique comprenant - une source d'énergie électrique auxiliaire, - une source d'énergie électrique d'urgence, caractérisé en ce que lesdites source d'énergie électrique auxiliaire et source d'énergie électrique d'urgence comprennent chacune une pile à combustible, respectivement pile auxiliaire et pile d'urgence, et en ce que ledit système comprend des moyens pour prélever de la chaleur dégagée par la pile auxiliaire lors de son fonctionnement de manière à chauffer la pile d'urgence. Selon un mode de réalisation particulier, lesdits moyens pour prélever de la chaleur dégagée par la pile auxiliaire lors de son fonctionnement de manière à chauffer la pile d'urgence comprennent un un circuit de refroidissement commun reliant lesdites piles auxiliaire et d'urgence, configuré de manière à maintenir la pile d'urgence à une température sensiblement égale à sa température de fonctionnement par dissipation thermique de la chaleur générée par la pile auxiliaire lors du fonctionnement de la pile auxiliaire. Selon un mode de réalisation particulier, la source d'énergie électrique d'urgence est configurée de manière à être actionnée en cas de défaillance d'une source d'énergie électrique primaire et/ou de la source d'énergie électrique auxiliaire. Selon un mode de réalisation particulier, le système comprend en outre un contrôleur configuré de manière à réaliser un test de la pile d'urgence afin de contrôler sa température. La pile auxiliaire et le circuit de refroidissement sont typiquement configurés de manière à maintenir la pile d'urgence à une température comprise entre 110°C et 180°C lors du fonctionnement de la pile auxiliaire, ladite pile auxiliaire et la pile d'urgence ayant chacune une température de fonctionnement comprise entre 110°C et 220°C. La pile auxiliaire et la pile d'urgence sont par exemple des piles à combustible à membrane d'échange de protons à haute température. Le circuit de refroidissement est par exemple configuré de manière à, lorsque la pile d'urgence n'est pas en fonctionnement, faire passer le fluide circulant dans le circuit de refroidissement successivement dans un dissipateur thermique de la pile auxiliaire, dans un dissipateur thermique de la pile d'urgence, puis dans un radiateur. Le circuit de refroidissement peut alors également être configuré de manière à, lorsque la pile d'urgence est en fonctionnement, isoler les échangeurs thermiques l'un par rapport à l'autre en fonctionnement d'urgence de manière à avoir deux sous-circuits de refroidissement 1 5 distincts réalisant chacun le refroidissement de l'une des piles auxiliaire et d'urgence. La pile d'urgence est typiquement associée à un générateur d'hydrogène solide à base d'hydrure, couplé à un caisson permettant le 20 conditionnement et la distribution de l'hydrogène issu du générateur d'hydrogène à la pile d'urgence, et à un générateur d'oxygène solide couplé à un caisson permettant le conditionnement et la distribution de l'oxygène issu du générateur d'oxygène solide à la pile d'urgence. 25 L'invention concerne également un aéronef muni d'un système de génération électrique tel que présenté. L'invention concerne en outre un procédé de génération d'énergie électrique au moyen d'une source d'énergie électrique auxiliaire et d'une 30 source d'énergie électrique d'urgence, dans lequel lesdites sources d'énergie électrique auxiliaire et d'urgence comprennent chacune une pile à combustible, respectivement pile auxiliaire et pile d'urgence, ledit procédé étant caractérisé en ce que le fonctionnement de la pile auxiliaire dégage de la chaleur qui est prélevée et utilisée de manière à chauffer la pile d'urgence. La pile d'urgence est avantageusement maintenue à une température 5 sensiblement égale à sa température de fonctionnement au moyen d'un circuit de refroidissement commun avec la pile auxiliaire. La pile d'urgence est avantageusement actionnée en cas de défaillance d'une source d'énergie électrique primaire et/ou de la source d'énergie 10 électrique auxiliaire. Selon un mode de réalisation particulier, lors de l'application d'une commande, un contrôleur réalise un test de la pile d'urgence afin de contrôler sa température et sa disponibilité 15 Selon un mode de réalisation particulier, lors du fonctionnement de la pile auxiliaire, la pile d'urgence est maintenue à une température comprise entre 110°C et 180°C, ladite pile auxiliaire et la pile d'urgence ayant chacune une température de fonctionnement comprise entre 20 110°C et 220°C. La pile auxiliaire et la pile d'urgence sont par exemple des piles à combustible à membrane d'échange de protons à haute température PRESENTATION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard de la figure 1 annexée qui représente schématiquement un système de génération d'énergie électrique selon 30 un aspect de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement un système 1 de génération d'énergie électrique selon un aspect de l'invention, comprenant : - une source d'énergie électrique primaire P, - une source d'énergie électrique auxiliaire APU, - une source d'énergie électrique d'urgence EPU. La source d'énergie électrique primaire P peut être de divers types ; elle 10 comprend typiquement des batteries et des génératrices. La source d'énergie électrique auxiliaire APU comprend une pile à combustible que l'on désigne par pile auxiliaire 20, associée à un réservoir d'hydrogène 22 contenant de l'hydrogène sous forme solide, 1 5 liquide ou gazeux, et à un compresseur 24 muni d'un moteur 26. Le réservoir d'hydrogène 22 est équipé d'une vanne 23 de manière à réaliser sélectivement l'alimentation en hydrogène de la pile à combustible 20. Le compresseur 24 et le moteur 26 sont adaptés pour réaliser 20 sélectivement une alimentation en oxygène de la pile à combustible 20. La source d'énergie électrique d'urgence EPU comprend une pile à combustible que l'on désigne par pile d'urgence 30, associée à un générateur d'hydrogène solide 32 et à un générateur d'oxygène solide 25 34. Le générateur d'hydrogène solide 32 et le générateur d'oxygène solide 34 sont reliés à la pile d'urgence 30 par l'intermédiaire de vannes, respectivement 33 et 35. La source d'énergie électrique d'urgence EPU comprend en outre une 30 batterie d'urgence 36, adaptée notamment pour alimenter les vannes 33 et 35. La pile auxiliaire 20 et la pile d'urgence 30 présentent chacune un échangeur thermique, respectivement 42 et 43, reliés à un circuit de refroidissement 40 muni d'un radiateur 44. L'échangeur thermique 42 de la pile auxiliaire 20 est configuré de manière à réaliser un échange thermique entre un fluide circulant dans le circuit de refroidissement 40 et la pile auxiliaire 20. De la même manière, l'échangeur thermique 40 de la pile d'urgence 30 est configuré de manière à réaliser un échange thermique entre le fluide circulant dans le circuit de refroidissement 40 et la pile d'urgence 30. Le radiateur 44 est configuré de manière à réaliser un échange thermique entre le fluide circulant dans le circuit de refroidissement 40 et un milieu externe, afin de dissiper la chaleur accumulée par le fluide du circuit de refroidissement 40. Le fluide circule dans le circuit de refroidissement 40 dans le sens indiqué par les flèches sur la figure 1. Le système 1 tel que présenté comprend en outre un contrôleur 50 optionnel, configuré de manière à contrôler la température et/ou l'état de la pile d'urgence 30, et également de manière à détecter l'état de la source d'énergie électrique primaire P et de la source d'énergie auxiliaire APU. Le contrôleur 50 est avantageusement alimenté par une source d'énergie indépendante, par exemple la batterie d'urgence 36. Il peut être relié à plusieurs sources d'alimentation, de manière à ne pas réduire la charge de la batterie d'urgence 36 en fonctionnement normal. On décrit ensuite un exemple de fonctionnement que l'on qualifie de fonctionnement « normal » du système, c'est-à-dire sans défaillance électrique. La source d'énergie électrique primaire P fournit de l'électricité, alimentant notamment le compresseur 24, le moteur 26 ainsi que le réservoir d'hydrogène 22 et la vanne 23 associée. La pile auxiliaire 20 est ainsi alimentée en hydrogène et en oxygène ; elle est actionnée, et délivre de l'électricité. Le système 1 délivre ainsi de l'énergie électrique, et peut ainsi réaliser par exemple l'alimentation électrique d'un aéronef. La pile d'urgence 30 n'est quant à elle pas en fonctionnement ; les vannes 32 et 33 permettant son alimentation en hydrogène et en oxygène sont fermées. Lors du fonctionnement de la pile auxiliaire 20, cette dernière dégage de la chaleur, qui est transférée au fluide circulant dans le circuit de refroidissement 40 grâce à l'échangeur thermique 42. Le fluide chauffé circule dans le circuit de refroidissement 40 dans le sens repéré par les flèches sur la figure 1 ; une fois sorti de l'échangeur thermique 42 de la pile auxiliaire 20, il passe par l'échangeur thermique 43 de la pile d'urgence 30. La pile d'urgence 30 n'étant pas en fonctionnement, elle est à température ambiante. L'échangeur thermique 43 transfère ainsi de la chaleur du fluide du circuit de refroidissement 40 vers la pile d'urgence 30, dont la température augmente jusqu'à atteindre une valeur prédéfinie, en fonction notamment de la température de fonctionnement de la pile auxiliaire 20. Le fluide du circuit de refroidissement 40, passe ensuite par le radiateur 44, qui transfère le reliquat de la chaleur transmise par la pile auxiliaire 20 vers le milieu ambiant avant que le fluide ne passe à nouveau par l'échangeur thermique 42 de la pile auxiliaire 20. En fonctionnement normal, la pile d'urgence 30 n'est donc pas mise en fonctionnement, mais est maintenue à une température prédéfinie, qui est avantageusement choisie de manière à être sensiblement égale, ou 30 à tout le moins proche de sa température de fonctionnement. A titre d'exemple en considérant que la pile d'urgence 30 soit une pile à combustible à membrane d'échange de protons à haute température, ayant une température de fonctionnement comprise entre 110°C et 220°C, lors du fonctionnement normal du système, la pile d'urgence 30 est alors typiquement maintenue à une température comprise entre 110°C et 180°C. La pile auxiliaire 20 peut également être une pile à combustible à membrane d'échange de protons à haute température. On décrit ci-après le fonctionnement en cas de défaillance électrique, que l'on qualifie de fonctionnement « d'urgence », intervenant lors du fonctionnement normal. En fonctionnement d'urgence, la source d'énergie électrique primaire P et/ou la source d'énergie électrique auxiliaire APU cessent de fonctionner et cessent donc de produire de l'électricité. Au cours d'un fonctionnement normal du système 1 tel que décrit précédemment, le contrôleur 50 détecte un dysfonctionnement de la source d'énergie électrique primaire P et/ou de la source d'énergie électrique auxiliaire APU et commande la mise en fonctionnement de la pile d'urgence 30. La batterie 36 alimente alors les vannes 33 et 35, de manière à alimenter la pile d'urgence 30 en hydrogène et en oxygène, ce qui déclenche sa mise en fonctionnement de sorte qu'elle génère de l'électricité afin de compenser tout ou partie du manque d'électricité résultant de la défaillance de la source d'énergie électrique primaire P et/ou de la source d'énergie électrique auxiliaire APU. La pile d'urgence 30 a été amenée et maintenue à une température prédéfinie, avantageusement choisie de manière à être sensiblement égale, ou à tout le moins proche de sa température de fonctionnement ; sa mise en fonctionnement peut ainsi être réalisée immédiatement, sans nécessiter une étape préalable de préchauffage. En fonctionnement d'urgence, la pile auxiliaire cesse de fonctionner de manière nominale, et cesse donc de générer de la chaleur, ou à tout le moins en génère moins de chaleur qu'en fonctionnement normal. La chaleur dégagée par la pile auxiliaire 20 captée par le fluide du circuit de refroidissement 40 et qui passe par l'échangeur thermique 43 de la pile d'urgence 30 est donc réduite par rapport au fonctionnement normal décrit précédemment, et ne nuit pas au fonctionnement de la pile d'urgence 30. De manière optionnelle, le contrôleur 50 peut être configuré de manière à isoler les échangeurs thermiques 42 et 43 l'un par rapport à l'autre en fonctionnement d'urgence de manière à avoir deux sous-circuits de refroidissement distincts réalisant chacun le refroidissement de l'une des piles à combustible 20 et 30. Le débit de fluide circulant dans le circuit de refroidissement 40 peut également être modifié en fonction du mode de fonctionnement afin d'éviter tout risque de surchauffe des piles à combustible 20 et 30. Le générateur d'hydrogène solide 32 est typiquement un générateur à base d'hydrure, couplé à un caisson permettant le conditionnement et la distribution de l'hydrogène issu du générateur d'hydrogène 32. Le générateur d'oxygène solide 34 est également typiquement couplé à un caisson permettant le conditionnement et la distribution de l'oxygène issu du générateur d'oxygène 34. Les vannes 33 et 35 sont pilotées de manière à délivrer les quantités adaptées d'oxygène et d'hydrogène ; avantageusement les quantités stoechiométriques pour assurer le bon fonctionnement de la pile d'urgence 30. De tels générateurs d'hydrogène 32 et d'oxygène 34 permettent de minimiser la taille et le poids du stockage d'hydrogène et d'oxygène nécessaire au fonctionnement de la pile d'urgence 30. Le système 1 tel que présenté peut par exemple être utilisé pour assurer l'alimentation électrique d'un aéronef. Afin de s'assurer de la disponibilité des sources d'alimentation en énergie électrique, le contrôleur 50 peut par exemple effectuer des tests de disponibilité de la source d'énergie électrique d'urgence EPU avant le décollage de l'aéronef, ou à intervalles réguliers, par exemple dès lors que la source d'énergie électrique primaire P et/ou la source d'énergie électrique auxiliaire APU sont en fonctionnement. Le système proposé permet ainsi d'assurer une alimentation électrique d'urgence pouvant être mise en fonctionnement de manière très rapide, par exemple dans un délai de 3 à 8 secondes, tout en minimisant le poids et l'encombrement du système. Le système proposé optimise la gestion de la chaleur dégagée par la 1 5 source d'énergie électrique auxiliaire APU, et permet de s'affranchir d'un dispositif de chauffage additionnel dédié à la pile d'urgence 30, en prélevant la chaleur dégagée par la pile auxiliaire pour réaliser le chauffage de la pile d'urgence. Dans le cas de l'utilisation d'un tel système sur un aéronef, le système 20 d'alimentation proposé est en outre indépendant des conditions de vol, et notamment de l'altitude ou de l'inclinaison de l'aéronef. REVENDICATIONS1. Système (1) de génération d'énergie électrique comprenant - une source d'énergie électrique auxiliaire (APU), - une source d'énergie électrique d'urgence (EPU), caractérisé en ce que lesdites source d'énergie électrique auxiliaire (APU) et source d'énergie électrique d'urgence (EPU) comprennent chacune une pile à combustible, respectivement pile auxiliaire (20) et pile d'urgence (30), et en ce que ledit système (1) comprend des moyens (40) pour prélever de la chaleur dégagée par la pile auxiliaire (20) lors de son fonctionnement de manière à chauffer la pile d'urgence (30). 2. Système (1) selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour prélever de la chaleur dégagée par la pile auxiliaire (20) lors de son fonctionnement de manière à chauffer la pile d'urgence (30) comprennent un un circuit de refroidissement (40) commun reliant lesdites piles auxiliaire (20) et d'urgence (30), configuré de manière à maintenir la pile d'urgence (30) à une température sensiblement égale à sa température de fonctionnement par dissipation thermique de la chaleur générée par la pile auxiliaire (20) lors du fonctionnement de la pile auxiliaire (20). 3. Système (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la source d'énergie électrique d'urgence (EPU) est configurée de manière à être actionnée en cas de défaillance d'une source d'énergie électrique primaire (P) et/ou de la source d'énergie électrique auxiliaire (APU). 4. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un contrôleur (50) configuré de manière à réaliser un test de la pile d'urgence (30) afin de contrôler sa température. 5. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la pile auxiliaire (20) et le circuit de refroidissement (40) sont configurés de manière à maintenir la pile d'urgence (30) à une température comprise entre 110°C et 180°C lors du fonctionnement de la pile auxiliaire (20), ladite pile auxiliaire (20) et la pile d'urgence (30) ayant chacune une température de fonctionnement comprise entre 110°C et 220°C. 6. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit circuit de refroidissement (40) est configuré de manière à, lorsque la pile d'urgence (30) n'est pas en fonctionnement, faire passer le fluide circulant dans le circuit de refroidissement (40) successivement dans un dissipateur thermique (42) de la pile auxiliaire (20), dans un dissipateur thermique (43) de la pile d'urgence (30), puis dans un radiateur (44). 7. Système (1) selon la revendication 6, dans lequel ledit circuit de refroidissement (40) est configuré de manière à, lorsque la pile d'urgence (30) est en fonctionnement, isoler les échangeurs thermiques (42) et (43) l'un par rapport à l'autre en fonctionnement d'urgence de manière à avoir deux sous-circuits de refroidissement distincts réalisant chacun le refroidissement de l'une des piles auxiliaire (20) et d'urgence (30). 8. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la pile d'urgence (30) est associée à un générateur d'hydrogène solide (32) à base d'hydrure, couplé à un caisson permettant le conditionnement et la distribution de l'hydrogène issu du générateur d'hydrogène (32) à la pile d'urgence (30), et à un générateur d'oxygène solide (34) couplé à un caisson permettant le conditionnement et la distribution de l'oxygène issu du générateur d'oxygène solide (34) à la pile d'urgence (30). 9. Procédé de génération d'énergie électrique au moyen d'une source d'énergie électrique auxiliaire (APU) et d'une source d'énergie électrique d'urgence (EPU), dans lequel lesdites sources d'énergie électriqueauxiliaire (APU) et d'urgence (EPU) comprennent chacune une pile à combustible, respectivement pile auxiliaire (20) et pile d'urgence (30), ledit procédé étant caractérisé en ce que le fonctionnement de la pile auxiliaire (20) dégage de la chaleur qui est prélevée et utilisée de manière à chauffer la pile d'urgence (30). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pile d'urgence (30) est maintenue à une température sensiblement égale à sa température de fonctionnement au moyen d'un circuit de refroidissement (40) commun avec la pile auxiliaire (20). 11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel ladite pile d'urgence (30) est actionnée en cas de défaillance d'une source d'énergie électrique primaire (P) et/ou de la source d'énergie électrique 1 5 auxiliaire (APU). 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel lors de l'application d'une commande, un contrôleur (50) réalise un test de la pile d'urgence (30) afin de contrôler sa température et sa disponibilité 20 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel lors du fonctionnement de la pile auxiliaire (20), la pile d'urgence (30) est maintenue à une température comprise entre 110°C et 180°C, ladite pile auxiliaire (20) et la pile d'urgence (30) ayant chacune une 25 température de fonctionnement comprise entre 110°C et 220°C.