Brevet FR3024433A1 — publié le 20160205

PROCÉDÉ DE GESTION DE FLUIDES NÉCESSAIRES À L'EXPLOITATION D'UN VÉHICULE ET DISPOSITIF PERMETTANT DE LE METTRE EN OEUVRE DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de la gestion de fluides nécessaires à l'exploitation d'un véhicule tel un aéronef et notamment aux adaptations permettant de fournir, produire, stocker, consommer, évacuer lesdits fluides dans les meilleures conditions. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Dans le cadre de l'exploitation d'un véhicule tel un aéronef, une pluralité de fluides doit être gérée par l'exploitant. Ainsi, par exemple, il est nécessaire de fournir de l'oxygène pur aux passagers d'un avion notamment en cas de dépressurisation de la cabine. Cette mise à disposition d'oxygène se fait pour un nombre limité de minutes, le temps de permettre à l'avion de descendre à une altitude ne requérant pas la pressurisation. La fourniture de cet oxygène requiert son stockage ou le stockage des produits participant à sa production. Ce stockage définit un encombrement et une masse nécessitant la disponibilité d'un volume et une alimentation en énergie pour l'aéronef. Un autre fluide nécessaire à l'exploitation d'un avion transportant des passagers est l'eau potable. Cette eau est classiquement embarquée au sol ce qui requiert un volume de stockage important et définit une masse également importante. Ce stockage définit donc un encombrement et une masse consommatrice d'énergie au décollage et en vol. L'approvisionnement en eau se heurte également à des problèmes de qualité de l'eau qui ne présente pas les mêmes critères selon les pays (en présentant par exemple des proportions de bactéries et/ou de calcaire différentes). Un entartrage des dispositifs de cafetière est susceptible de requérir l'arrêt de l'avion et une opération de maintenance onéreuse. La présence éventuelle de bactéries requiert le traitement de l'eau consommée. Or, les systèmes connus exploitant le chlore et/ou la production d'ultra-violets ne présentent qu'une efficacité relative. Le stockage et la distribution des produits de traitement de l'eau requièrent un volume et de l'énergie susceptible de présenter des coûts. De plus, si un bon traitement de l'eau consommée peut être finalement atteint, il n'en est pas de même pour les canalisations. 5 Le traitement du réseau d'eau potable requiert l'immobilisation de l'avion et présente donc des coûts pour son exploitant. D'autres fluides susceptibles de devoir être gérés aussi bien dans le cadre d'une exploitation d'aéronef que dans celle d'un véhicule d'une manière générale (notamment les véhicules à roues) sont ceux 10 nécessaires au fonctionnement d'une pile à combustible. Ces dispositifs sont amenés à produire de l'énergie électrique en se substituant au moins partiellement aux batteries. Ces dispositifs ont pour avantages de présenter un meilleur rendement que celui des batteries tout en ne produisant pas d'oxyde de carbone ou d'azote. 15 Ces dispositifs ont également pour avantage de permettre la production d'eau Néanmoins, ces dispositifs présentent également plusieurs inconvénients dont ceux rappelés ci-dessous : - ils peuvent présenter un dégagement de chaleur très important, 20 - les piles à combustible fonctionnant avec de l'hydrogène requièrent le stockage de ce dernier soit rempli lorsque l'aéronef est au sol, soit produit en vol par électrolyse de l'eau laquelle requiert plus d'énergie que ce que peut produire une pile à combustible; 25 - Les piles à combustible fonctionnant avec de l'oxygène requièrent le stockage de ce dernier; - L'eau qui n'est produite qu'en petite quantité (insuffisante) nécessite une reminéralisation avant d'être consommée ce qui requiert un dispositif additionnel; 30 - La réversibilité de tels dispositifs consomme plus d'énergie qu'ils n'en produisent, - etc... Afin de résoudre les problèmes de surtension et de production de chaleur et afin de se libérer de la contrainte de la présence 35 d'oxygène, il est connu d'utiliser le peroxyde d'hydrogène comme substitut en réalisant la réduction du peroxyde en ion hydroxyde OH-. Néanmoins, la réduction du peroxyde ne résout pas l'ensemble des problèmes aussi bien au niveau de la pile à combustible que de celui de la gestion des autres fluides. DESCRIPTION DE L'INVENTION Ce que constatant, la demanderesse a mené des recherches visant à apporter une solution aux inconvénients ci-dessus décrits. Ces recherches ont abouti à la conception et à la réalisation d'un procédé de gestion de fluides nécessaires à l'exploitation de véhicule non seulement de type aéronef mais également tout type de véhicule exploitant l'électricité. Selon la caractéristique principale de l'invention, le procédé de gestion de fluides nécessaires à l'exploitation d'un véhicule, est remarquable en ce qu'il comprend une opération d'oxydation anodique d'une solution de peroxyde d'hydrogène à des fins de production de dioxygène et d'eau. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet sur la base d'un seul fluide de disposer par une seule opération d'oxydation d'au moins deux fluides nécessaires (ou susceptibles de l'être) au fonctionnement d'un véhicule tel un aéronef. Ainsi, l'oxydation anodique d'une solution de peroxyde d'hydrogène conduit à l'obtention des éléments suivants : - de l'oxygène 02 issu de la séparation de la molécule de dioxygène de celle de dihydrogène éclatée en deux ions hydrogène, - d'un reliquat de peroxyde d'hydrogène H202 non décomposé, - de l'eau H20 issue de la solution. La circulation de l'eau issue de la solution permet d'évacuer la chaleur de la réaction. L'oxygène produit va permettre de proposer la mise à disposition de ce gaz pour l'aéronef. Il apparaît ainsi que l'oxygène va pouvoir être produit à la demande et en grande quantité. Cette production d'oxygène est couplée à la diminution de la concentration de peroxyde d'hydrogène dans la solution d'eau, ce qui permet de disposer d'un grand volume d'eau. Cette eau est donc une fois reminéralisée non seulement potable mais également traitée du fait des propriétés biocides du reliquat de peroxyde. La production d'une eau traitée résout les différents problèmes liés à sa qualité et à l'entretien du réseau d'eau potable de l'aéronef. Cette caractéristique définit ainsi une phase de procédé qui comprend une opération de remplissage par une solution de peroxyde d'hydrogène d'un réservoir embarqué par le véhicule. Selon une phase particulièrement originale du procédé, ce dernier comprend une opération de remplissage du réservoir d'eau potable par une solution de peroxyde d'hydrogène. Ainsi, la solution de peroxyde d'hydrogène est stockée dans un volume remplaçant celui de l'oxygène mais également celui de l'eau potable. Ledit réservoir accueillant le peroxyde d'hydrogène est alors équipé d'une soupape de sécurité. Ledit réservoir peut également être rendu passif ou être fabriqué en aluminium pour éviter la dismutation décrite plus haut. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux évitant le remplacement des réservoirs et canalisations en acier inoxydable déjà disponibles sur un aéronef, la solution de peroxyde d'hydrogène est stabilisée par l'ajout d'agents séquestrants métaux à l'état de trace (très petite quantité). Le gain de place et de masse est substantiel et répond aux objectifs de l'invention. Selon une autre caractéristique, le procédé consiste à 20 minéraliser la solution de peroxyde d'hydrogène, ce qui évite la nécessité d'une cellule de reminéralisation ou permet de la sous-dimensionner. L'énergie électrique nécessaire à l'oxydation anodique du peroxyde d'hydrogène est issue de batteries ou de l'électricité en 25 surplus disponible lors du décollage et lors du vol en vitesse de croisière de l'avion. Ainsi, sur la base de la seule solution de peroxyde d'hydrogène, l'invention propose la production de deux fluides nécessaires à l'exploitation d'un aéronef, à savoir l'oxygène et 30 l'eau. Cette oxydation anodique se différencie de la dismutation connue pour le peroxyde qui ne produit pas les ions hydrogène H. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une opération de réduction cathodique des cations 35 d'hydrogène issus de ladite opération d'oxydation anodique à des fins de production de dihydrogène. Cette première phase de procédé comprend en outre une opération de stockage de l'hydrogène produit. Ce stockage est réalisé dans le véhicule. Cet hydrogène va pouvoir être exploité dans le cadre d'une deuxième phase de production d'électricité toujours en exploitant la même solution de peroxyde d'hydrogène stockée, non comme réducteur mais comme oxydant afin de former une pile à combustible. Ainsi, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le procédé comprend une opération d'oxydation de l'hydrogène produit couplée à une opération de réduction du peroxyde d'hydrogène à des fins de production d'électricité et d'eau. Cette pile à combustible peut être mise en oeuvre par une cellule indépendante ou par l'inversion de la cellule ayant produit l'hydrogène. Ainsi, le procédé de l'invention propose en sus de produire de l'oxygène et de l'eau, d'assurer la production d'électricité nécessaire au fonctionnement de l'avion au moins partiellement. L'embarquement de solution de peroxyde d'hydrogène dans l'aéronef devient alors une solution globale au problème de stockage, de masse et de production d'énergie pour l'aéronef. Comme expliquée plus haut, l'utilisation de peroxyde d'hydrogène permet de produire dans une première phase de l'hydrogène nécessaire dans une deuxième phase à la production d'électricité. Ces deux étapes peuvent être appliquées à tout véhicule susceptible de voir son réservoir de peroxyde régulièrement alimenté. En effet, l'énergie nécessaire à la production d'hydrogène à partir de peroxyde d'hydrogène est inférieure à l'énergie produite par une pile à combustible utilisant le couple hydrogène/peroxyde d'hydrogène. Un tel véhicule présenterait alors une grande autonomie sans production de gaz d'échappement autre que de la vapeur d'eau pouvant elle-même être récupérée. Un tel procédé comprend une opération de neutralisation du peroxyde toujours présent dans l'eau. Cette eau récupérée pourrait revenir dans le volume de stockage initial compartimenté à cet effet. Afin de supprimer les impuretés éventuellement présentes dans l'oxygène obtenu, le procédé comprend une opération de traitement de l'oxygène produit. De plus, si le procédé comprend une opération de 35 reminéralisation de l'eau produite, cette dernière est moins importante que si l'eau était seulement issue d'une cellule de type pile à combustible puisque dans la première phase de procédé, selon une caractéristique ci-dessus décrite, l'eau de la solution de peroxyde est minéralisée. L'invention concerne également le dispositif permettant de mettre en oeuvre l'invention. Par exemple, le dispositif comprend une cellule d'oxydation équipée d'une anode et d'une cathode séparées par une membrane cationique qui ne laisse passer que les ions H. Cette caractéristique évite la pollution de la cathode par la présence d'autres ions issus des minéraux contenus selon une 10 caractéristique ci-dessus décrite dans la solution de peroxyde d'hydrogène. Plus précisément, cette cellule comprend une ou plusieurs membranes de type cationique séparant deux électrodes : - une cathode reliée au pôle -, 15 - une anode reliée au pôle + d'un générateur. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse du dispositif, ladite anode comprend plusieurs couches : - une première couche poreuse contenant un catalyseur de production des électrons e- d'oxydation anodique, 20 - une deuxième couche poreuse contenant un catalyseur de capture des électrons d'oxydation anodique, et - un conducteur électrique non poreux isolé électriquement sur la face en contact avec la première couche et sur la face en contact avec le peroxyde d'hydrogène. 25 Ainsi, l'anode de la cellule d'oxydation contient des catalyseurs spécifiques à l'accélération de l'oxydation anodique permettant un transfert rapide des ions et des électrons. Ces catalyseurs peuvent être sur plusieurs couches. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, 30 l'anode peut contenir une membrane poreuse en or supportée par une membrane poreuse en platine. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la 35 description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un procédé conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'un mode de réalisation d'une mise en oeuvre à bord d'un aéronef de la première phase du procédé de l'invention; La figure 2 est le dessin schématique de la figure 1 illustrant 5 un mode de réalisation d'une mise en oeuvre de la deuxième phase du procédé de l'invention; La figure 3 est un dessin schématique de détail d'un mode de réalisation de la cellule d'oxydation anodique exploitée pour la première phase du procédé; 10 La figure 4 est un dessin schématique de détail d'un mode de réalisation de la pile à combustible exploitée pour la deuxième phase du procédé; La figure 5 est un dessin schématique illustrant un mode de réalisation d'un circuit mettant en oeuvre les deux phases du 15 procédé pour un véhicule terrestre. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Comme illustré sur le dessin de la figure 1, l'aéronef A est équipé d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. 20 Ce dispositif comprend un réservoir 100 dans lequel est stocké du peroxyde d'hydrogène P. Ce réservoir 100 comprend une soupape de sécurité 110 ainsi qu'une conduite 120 permettant son remplissage à partir de l'extérieur. Une autre conduite 130 permet au moyen d'une pompe 140, d'amener ledit peroxyde dans une cellule d'oxydation 25 anodique 200 laquelle est associée à une source d'alimentation en électricité 210. Comme cela apparaît sur la figure 3, l'activation électrique permet à partir de peroxyde H202 (solution de peroxyde d'hydrogène contenant H202 et H20 symbolisée par la flèche Fl) d'obtenir des ions 30 hydrogène H+ des électrons e- et de l'oxygène 02 selon la réaction suivante : H202 --> 2H+ + 2e- + 02 Il résulte de cette réaction de l'oxygène 02, de l'eau H20 issue de la solution de peroxyde et du peroxyde d'hydrogène H202 n'ayant 35 pas été oxydé et donc à une concentration plus faible. Ce résultat symbolisé par la flèche F2. L'oxydation anodique est obtenue au moyen d'une anode 220 particulière présentant plusieurs couches, parmi celles ci : - une première couche poreuse 221 contenant un catalyseur de production des électrons e- d'oxydation anodique, - une deuxième couche poreuse 222 contenant un catalyseur de capture des électrons d'oxydation anodique. L'anode comprend également un conducteur électrique non poreux isolé électriquement sur la face en contact avec la première couche et sur la face en contact avec le peroxyde d'hydrogène. De plus, la face en contact avec le peroxyde d'hydrogène est traitée pour éviter la décomposition parasite de ce dernier. La première couche et la deuxième couche forment un dipôle catalytique. Les matériaux de ces couches sont choisis de telle façon qu'en l'absence de connexion de la cellule à un générateur électrique, le potentiel électrique de la première couche soit inférieur à celui de la deuxième couche. Le dipôle catalytique ainsi formé présente un potentiel électrique compris entre celui de la première couche et celui de la deuxième couche. La tension électrique nécessaire à cette oxydation est avantageusement inférieure à la tension d'électrolyse, ce qui évite que cette dernière réaction n'intervienne. Selon un mode de réalisation non limitatif, ces deux couches peuvent être constituées de matériaux métalliques de la famille platine, or, ruthénium, rhodium, palladium, argent, nickel cobalt. Une membrane cationique 230 sépare l'anode 220 de la cathode 240. Selon un mode de réalisation lié au mode de réalisation 25 décrivant une solution de peroxyde minéralisée, cette membrane ne laisse passer que les cations H. Les ions hydrogène associés à des électrons permettent d'obtenir des atomes d'hydrogène ou dihydrogène H2 au niveau de la cathode 240 où est réalisée la réduction des cations H' en dihydrogène H2. Pour ce 30 faire, la cathode présente un conducteur électrique poreux 241. Comme illustré par le dessin de la figure 1, L'hydrogène produit est stocké dans un réservoir 300 et l'oxygène, l'eau et le reliquat de peroxyde d'hydrogène sont orientés vers une cellule de récupération 400. 35 Cette cellule de récupération 400 oriente l'oxygène vers une unité de traitement 500 et vers un réservoir 600 de stockage de l'oxygène traité. Ce réservoir de stockage d'oxygène 600 est en liaison avec les masques à oxygène 700 de l'aéronef. L'eau et le reliquat de peroxyde d'hydrogène sont orientés vers une cellule de reminéralisation 800 qui corrige la minéralisation de l'eau qui va passer dans des filtres 910 associés et disposés en amont des robinets 900 du réseau d'eau potable de l'aéronef. Ces filtres 910 assurent la destruction du peroxyde d'hydrogène. Il apparaît que la première phase de procédé permet de disposer d'oxygène à volonté en alimentant électriquement la cellule 200. Il apparaît également qu'il n'est plus nécessaire de disposer d'un réservoir d'eau potable puisque la solution de peroxyde débarrassée 10 de son peroxyde va servir d'eau potable une fois reminéralisée. De plus, le reliquat de peroxyde non oxydé n'est neutralisé qu'en extrémité de réseau, ce qui permet de profiter des caractéristiques biocides du peroxyde d'hydrogène qui va optimiser le traitement du réseau en évitant la présence des bactéries. 15 La deuxième phase du procédé est une phase de production d'énergie par un principe de pile à combustible en utilisant l'hydrogène produit comme réducteur et le peroxyde d'hydrogène stocké dans le réservoir 100 comme oxydant. Ainsi, comme illustré par le dessin de la figure 2, la solution 20 de peroxyde d'hydrogène P stockée dans le réservoir 100 est conduit à la cellule 200 qui est alors une cellule réversible ou une cellule indépendante et qui se comporte comme une pile à combustible telle qu'illustrée par le schéma de la figure 4 où la flèche F3 symbolise la solution H202 et H20. 25 L'oxydation du dihydrogène et la réduction du peroxyde d'hydrogène permettent la création d'un courant électrique issu des réactions suivantes : H2 --> 2H± + 2e- H202 + 2e- + 2H± --> 2H20 30 Comme décrite ci-dessus la pile à combustible produit également de l'eau. La flèche F4 symbolise donc cette solution contenant un reliquat de peroxyde c'est à dire H202 (à une concentration plus faible) et H20. Cette eau une fois reminéralisée associée à l'eau de la solution vient alimenter les robinets 900. De plus, comme pour la 35 phase d'alimentation, le reliquat de peroxyde n'ayant pas été réduit est neutralisé en amont des robinets 900. Il apparaît ainsi que la deuxième phase du procédé permet la production d'électricité dans l'aéronef A. - 10 - A titre d'exemple, la tension d'oxydation anodique du peroxyde d'hydrogène peut être de 0,8 volt et la tension de la pile à combustible de l'invention peut être de 1,8 volts. Le dessin de la figure 5 illustre un véhicule V accueillant un 5 mode de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Le réservoir 100' est rempli de peroxyde d'hydrogène P. Pour une telle application, la première phase de procédé est surtout utilisée pour produire l'hydrogène qui sera stocké dans le réservoir 300'. En effet, l'eau issue de la solution est moins utile mais 10 pourrait l'être pour un véhicule transportant beaucoup de passagers sur une longue distance. De plus, l'oxygène peut être partiellement introduit dans l'habitacle au moyen d'une bouche 700'. L'hydrogène produit va permettre la mise en oeuvre de la pile à combustible 200' en association avec le peroxyde d'hydrogène. 15 L'électricité produite permet l'alimentation du moyen de motorisation du véhicule V. L'eau produite par la première et la deuxième phase de procédé est neutralisée et renvoyée dans le réservoir 100' qui est compartimenté à cet effet. Un robinet de vidange 130' est associé à ce 20 compartiment. On comprend que le procédé et le dispositif, qui viennent d'être ci-dessus décrits et représentés, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés 25 à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 30 35 REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de fluides nécessaires à l'exploitation d'un véhicule, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il comprend une opération d'oxydation anodique d'une solution de peroxyde d'hydrogène (P) à 5 des fins de production de dioxygène et d'eau. 2. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend une opération de réduction cathodique des cations d'hydrogène issus de ladite opération d'oxydation anodique à des fins de production de dihydrogène. 10 3. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend une opération de remplissage par une solution de peroxyde d'hydrogène (P) d'un réservoir (100) embarqué par le véhicule (A). 4. Procédé selon la revendication 2, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT 15 QU'il comprend une opération de stockage de l'hydrogène produit. 5. Procédé selon la revendication 2, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il comprend une opération d'oxydation de l'hydrogène produit couplée à une opération de réduction du peroxyde d'hydrogène (P) à des fins de production d'électricité et d'eau. 20 5. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il comprend une opération de traitement de l'oxygène produit. 6. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il comprend une opération de reminéralisation de l'eau produite. 7. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il 25 comprend une opération de neutralisation du peroxyde d'hydrogène toujours présent dans l'eau. 8. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il comprend une opération de remplissage du réservoir d'eau potable (100) par une solution de peroxyde d'hydrogène (P). 30 9. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QUE l'énergie électrique nécessaire à l'oxydation anodique du peroxyde d'hydrogène est issue de l'électricité produite lors du décollage de l'avion ou lors du vol à vitesse de croisière de l'avion. 10. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QUE 35 l'eau de la solution de peroxyde d'hydrogène (P) est minéralisée. 11. Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon les revendications 1 et 2, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend une cellule d'oxydation (200) équipée d'une anode (220) et d'une- 12 - cathode (240) séparées par une membrane cationique (230) qui ne laisse passer que les ions (Hl. 12. Dispositif selon la revendication 11, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ladite anode (220) comprend plusieurs couches : - une première couche (221) poreuse contenant un catalyseur de production des électrons (e-) d'oxydation anodique, - une deuxième couche (222) poreuse contenant un catalyseur de capture des électrons (e-) d'oxydation anodique, et - un conducteur électrique (223) non poreux isolé électriquement sur 10 la face en contact avec la première couche et sur la face en contact avec le peroxyde d'hydrogène (P). 15 20 25 30 35