Brevet FR3101482A1 — publié le 20210402

Un système de piles à combustible pour un aéronef est décrit. Le système comprend une pluralité de piles à combustible (202), un circuit d’hydrogène (216), un circuit de refroidissement (214) et un premier circuit d’air (210) configuré pour alimenter en oxygène un premier sous ensemble de piles à combustible qui comprend au moins deux piles. Le premier circuit d’air comprend : - un répartiteur de flux d’air (R) à l’entrée de chacune des piles à combustible du premier sous ensemble configuré pour répartir l’air entre les piles à combustible du premier sous ensemble; et - une vanne de sortie (Vout) connectée à la sortie des piles à combustible du premier sous ensemble, l’ouverture de la vanne de sortie étant contrôlée par un calculateur en fonction d’une puissance électrique devant être produite par les piles à combustible du premier sous ensemble. L’utilisation d’un même circuit d’air pour alimenter en oxygène plusieurs piles à combustible permet de limiter l’encombrement du système de piles à combustible. Fig. 2 Système de piles à combustible pour un aéronef La présente invention concerne un système de piles à combustible dans un aéronef, ledit système comprenant une pluralité de piles à combustible. Un système de piles à combustible permet de générer de l’électricité tout en n’émettant aucun rejet nocif pour l’environnement. Un tel système de piles peut alimenter en électricité de multiples équipements à bord d’un aéronef, e.g. l’éclairage, la ventilation, le système de propulsion de l’aéronef, etc. Par exemple, il est connu d’utiliser un système de propulsion comportant au moins une pile à combustible (« fuel cell » en anglais) servant à alimenter un moteur électrique et une hélice. Un tel système de propulsion comprend généralement une pluralité de piles à combustible. Il est connu d’associer à chaque pile à combustible un ensemble d’équipements auxiliaires (« BOP » en anglais, acronyme de « Balance Of Plant ») permettant de faire fonctionner lesdites piles. Chaque ensemble d’équipements auxiliaires comprend notamment un circuit d’air configuré pour alimenter en dioxygène la pile à combustible, un circuit d’hydrogène configuré pour alimenter en dihydrogène la pile à combustible et un circuit de refroidissement (« cooling circuit » en anglais). De tels ensembles d’équipements auxiliaires sont lourds et encombrants. Il est donc souhaitable de pallier ces inconvénients de l’état de la technique. Un système de piles à combustible pour un aéronef est décrit. Le système comprend : - une pluralité de piles à combustible, - un circuit d’hydrogène qui assure l’acheminement vers les piles à combustible de l’hydrogène, - un circuit de refroidissement qui assure le refroidissement des piles à combustible, et - un premier circuit d’air configuré pour alimenter en oxygène un premier sous ensemble de piles à combustible de la pluralité de piles à combustible. Le premier sous ensemble comprend au moins deux piles à combustible. Le premier circuit d’air comprend : - un répartiteur de flux d’air à l’entrée de chacune des piles à combustible du premier sous ensemble configuré pour répartir l’air entre les piles à combustible du premier sous ensemble ; et - une vanne de sortie connectée à la sortie des piles à combustible du premier sous ensemble, l’ouverture de la vanne de sortie étant contrôlée par un calculateur en fonction d’une puissance électrique devant être produite par les piles à combustible du premier sous ensemble. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un compresseur configuré pour compresser l’air ambiant et l’envoyer au premier circuit d’air. Selon un mode de réalisation, le premier circuit d’air est configuré pour alimenter en air la totalité de la pluralité de piles à combustible. Selon un mode de réalisation, le système comprend un second circuit d’air identique au premier circuit d’air configuré pour alimenter en air un second sous ensemble d’au moins deux piles de la pluralité de piles à combustible, le second sous ensemble étant distinct du premier sous ensemble. Selon un mode de réalisation, les premier et second circuits d’air sont connectés en parallèle au compresseur. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un moteur électrique et un contrôleur convertissant un courant électrique délivré par le premier sous ensemble de piles en un courant électrique délivré au moteur électrique. Un aéronef est également décrit qui comprend un système de piles à combustible selon l’un des modes de réalisation précédents. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : est une représentation schématique d’un système comportant une pluralité de piles à combustible selon un mode particulier de réalisation ; est une représentation schématique d’un ensemble de piles à combustible selon un mode particulier de réalisation ; est une vue en perspective d'un aéronef comportant une pluralité de systèmes de propulsion selon un mode particulier de réalisation. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION La Fig. 1 est une représentation schématique d’un système 20 comportant une pluralité de piles à combustible. Le système illustré sur la Fig. 1 peut être utilisé pour alimenter en électricité un système de propulsion d’un aéronef. Il peut être utilisé à d’autres fins que la propulsion, e.g. l’éclairage et/ou la ventilation d’une cabine passagers, l’alimentation en électricité des systèmes de divertissement en vol, etc. Sur la Fig. 1, le système 20 comprend un ensemble de piles à combustible lesquelles sont réparties en k sous-ensembles CH1, CH2 … CHk de n piles chacun, k et n étant des entiers. Les k sous-ensembles CH1, CH2 … CHk sont placés en parallèle. Pour chaque sous-ensemble, les n piles sont identifiées sur la Fig. 1 à l’aide d’un rectangle noir (202a), d’un rectangle gris (202b), …, et d’un rectangle hachuré diagonalement (202n). Le système 20 comprend un nombre n de piles à combustible supérieur ou égal à deux. Selon un mode particulier de réalisation, l’ensemble des piles est couplé à un moteur électrique alimenté par l’électricité produite par les piles et à un contrôleur du moteur électrique lesquels ne sont pas représentés sur la Fig. 1. Selon une variante, chaque sous-ensemble de piles CHx (x=1, 2 … k) est couplé à un moteur électrique alimenté par l’électricité produite par les piles du sous-ensemble de piles CHx via un contrôleur du moteur électrique. Les piles à combustible 202a, 202b, …, 202n sont des piles dans lesquelles la génération d'une tension électrique se fait grâce à l'oxydation sur une anode d'un combustible réducteur, ici le dihydrogène, couplée à la réduction sur une cathode d'un oxydant, ici le dioxygène de l'air. Les deux électrodes sont en contact avec une membrane, qui joue le rôle d’électrolyte assurant ainsi le transport des ions produits à l’anode. En effet, l’oxydation du dihydrogène à l’anode produit des ions H + et des électrons e − qui passent de l’anode vers la cathode. Arrivé à l'anode, le dihydrogène (H 2 ) se dissocie (oxydation) en ions H + et en électrons selon la réaction suivante : 2H 2 = 4H + + 4e − . Les ions H + migrent dans la membrane et les électrons passent par un circuit extérieur produisant ainsi de l’énergie électrique. À la cathode, les ions H + , les électrons e − , et du dioxygène (e.g. provenant de l'air) se rencontrent pour former de l'eau selon la réaction suivante : 4H + + 4e − + O 2 = 2H 2 O. Lors de cette réaction, de la chaleur est libérée. Dans la suite, les termes oxygène et dioxygène sont utilisés de manière interchangeable. De même, les termes hydrogène et dihydrogène sont utilisés de manière interchangeable. Les piles à combustible sont alimentées en oxygène par un circuit d’air représenté en trait noir, plein et fin. L’oxygène provient par exemple de l’air ambiant qui est pressurisé par au moins un compresseur CP, l’air pressurisé servant à alimenter les sous-ensembles de piles CH1, CH2 … CHk. Selon un mode particulier de réalisation, un seul compresseur est utilisé pour alimenter en oxygène tous les sous-ensembles de piles. L’air ambiant provient par exemple d’une ou de plusieurs écopes. L’oxygène non utilisé par les piles à combustible lors de la réaction chimique est rejeté à l’extérieur de l’aéronef. Les piles à combustible sont également alimentées en hydrogène par un circuit d’hydrogène représenté en trait noir, plein et épais. L’hydrogène est par exemple stocké sous forme liquide dans un réservoir 212. L’hydrogène liquide est vaporisé à l’aide d’une capsule C qui est en contact avec le réservoir 212. La capsule est une enceinte hermétique où règne le vide qui permet de réguler la pression et la température de l’hydrogène dans le circuit d’hydrogène. L’hydrogène non utilisé par les piles à combustible lors de la réaction chimique est renvoyé dans le circuit d’hydrogène. Les piles à combustible sont refroidies par un circuit de refroidissement. En effet, les réactions chimiques dans les piles à combustible produisent de la chaleur qui doit être évacuée afin de ne pas surchauffer les piles. A cet effet, elles sont alimentées en liquide de refroidissement à une première température (trait noir pointillé) et en liquide de refroidissement à une seconde température (trait gris, plein et fin) inférieure à la première température. Le liquide de refroidissement est par exemple un mélange d’eau et de glycol, e.g. de type EGW (acronyme anglais de « Ethylène Glycol Water »). Dans le cas où le système 20 comprend plusieurs sous-ensembles de piles placés en parallèle comme illustré sur la Fig. 1, les sorties des circuits de refroidissement des différents sous-ensembles de piles se regroupent. Ces sorties sont connectées à l’entrée d’un échangeur de chaleur HE, afin d’évacuer la chaleur à l’extérieur de l’installation. Elles sont également connectées à l’entrée d’une vanne de dérivation VBP (« bypass vanne » en anglais). Ainsi, une partie du liquide de refroidissement est envoyée à l’entrée de l’échangeur de chaleur HE et une autre partie est envoyée directement sur la vanne V BP . L’échangeur de chaleur HE est alimenté en air frais depuis l’extérieur par une ou plusieurs écopes au niveau de la peau extérieure de l’aéronef. Les écopes peuvent être réparties sur le périmètre de la peau extérieure et elles peuvent être par exemple du type NACA ou être du type affleurant par rapport à la peau extérieure. Grâce à l’air frais traversant l’échangeur de chaleur HE, le liquide de refroidissement en provenance des piles à combustible et circulant dans l’échangeur de chaleur HE est refroidi alors que l’air frais se réchauffe. L’échangeur de chaleur HE rejette alors l’air chaud à l’extérieur de l’aéronef par exemple à travers une tuyère d’éjection. Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur HE est disposé dans un conduit d’air dynamique (« ram air duct » en anglais) de l’aéronef. Selon un mode particulier de réalisation, l’échangeur de chaleur HE est commun à tous les sous-ensembles de piles. Une sortie de l’échangeur de chaleur HE est connectée à l’entrée de la vanne de dérivation V BP afin d’envoyer le liquide de refroidissement refroidi par l’échangeur de chaleur HE dans le circuit de refroidissement. La vanne de dérivation V BP est utilisée pour réguler la température à l’entrée des piles à combustible. Cette vanne V BP permet en effet de varier la quantité de liquide de refroidissement provenant de l’échangeur de chaleur HE et envoyé dans le circuit de refroidissement. La vanne V BP est donc reliée à un calculateur qui, en fonction de mesures de température du liquide de refroidissement à l’entrée des sous-ensembles de piles, pilote la vanne et lui indique d’augmenter ou de diminuer la quantité de liquide en provenance de l’échangeur de chaleur HE en fonction d’une température cible, e.g. égale à une valeur légèrement supérieure à 80°C. A cet effet, une sonde de température localisée en aval de la vanne V BP est utilisée pour réaliser une boucle d’asservissement afin de piloter la vanne. En effet, à haute altitude, les températures extérieures peuvent être très basses. C’est pourquoi seule une partie du liquide est refroidie à l’aide de l’échangeur de chaleur HE et une partie, plus chaude, est directement envoyée sur la vanne VBP. Le liquide de refroidissement en sortie de la vanne VBP sert notamment à vaporiser l’hydrogène liquide stocké dans le réservoir 212 en passant dans la capsule C. Il ne doit donc pas être trop froid. La sortie de la vanne de dérivation V BP est connectée à l’entrée d’une pompe P. La pompe P est configurée pour faire circuler le liquide de refroidissement au travers des différents éléments (e.g. des piles à combustible, du moteur 204 et du contrôleur 208). La pompe P est utilisée pour réguler la température à la sortie des piles à combustible en variant le débit de liquide de refroidissement (chaud et froid) envoyé en entrée des piles à combustible. La sortie de la pompe P est connectée à une entrée E1 de chacun des sous-ensembles de piles CH1, CH2 … CHk. Elle est également connectée à l’entrée de la capsule C dont la sortie est connectée à une autre entrée E2 de chacun des sous-ensembles de piles CH1, CH2 … CHk. Ainsi, une partie du liquide de refroidissement sortant de la pompe P est envoyée directement à l’entrée E1 des sous-ensembles de piles et correspond à un liquide dit chaud. Une autre partie du liquide de refroidissement traverse la capsule C. Le liquide de refroidissement traversant la capsule C est utilisé pour vaporiser l’hydrogène stocké dans le réservoir 212. Le liquide de refroidissement sortant de ladite capsule C est donc plus froid que celui y entrant. Il est envoyé sur la seconde entrée E2 des sous-ensembles de piles et correspond à un liquide dit froid. La Fig. 2 est une représentation schématique d’un des sous-ensembles de piles CHx, x=1, 2 … k de la Fig. 1. Sur la Fig. 2, le sous-ensemble de piles CHx comprend n piles à combustible. Le sous-ensemble de piles CHx comprend au moins deux piles à combustible. Sur la Fig. 2, les n piles à combustible sont couplées à un moteur électrique 204 alimenté en électricité par les piles à combustible du sous-ensemble CHx et à un contrôleur 208. Selon un mode de réalisation, le contrôleur 208 comprend un convertisseur électrique qui convertit un courant électrique continu délivré par les piles à combustible vers un courant électrique continu ou alternatif délivré au moteur électrique 204. La conversion vers le courant électrique continu ou alternatif dépend du type de moteur électrique utilisé. Selon une variante, le moteur 204 et le contrôleur 208 sont extérieurs au sous-ensemble de piles CHx. Selon une autre variante, l’électricité produite par les piles à combustible sert à alimenter un autre élément que le moteur 204, e.g. l’éclairage d’une cabine passagers. Sur la Fig. 2, les circuits d’air 210, d’hydrogène 216 et de refroidissement 214 sont représentés à l’aide des mêmes traits que sur la Fig. 1. L’air entrant dans le sous-ensemble de piles est réparti entre les différentes piles. A cet effet, le circuit d’air 210 comprend un répartiteur de flux R (« restrictor » en anglais), lequel est un élément déprimogène, à l’entrée de chaque pile que ledit circuit alimente en air. Un diaphragme concentrique est un exemple d’un tel répartiteur de flux R. Ces répartiteurs R permettent de répartir la quantité d’air entre les piles de manière équilibrée. Les répartiteurs R sont configurés pour que la même quantité d’air arrive à l’entrée de chacune des piles. Les répartiteurs R sont notamment conçus en tenant compte de la tuyauterie utilisée en amont et en aval des piles dans le circuit d’air, et de la position des piles dans le sous-ensemble de piles. Les répartiteurs R sont conçus en fonction de la géométrie (longueur, nombre et nature des coudes) des tuyauteries en amont et en aval de la pile. Par exemple, dans le cas où le répartiteur R est un diaphragme, plus la ligne entre les points de jonction amont et aval sera courte et peu accidentée plus le diamètre interne du diaphragme installé sera petit pour générer une perte de charge supérieure compensant la faible perte de charge induite par la tuyauterie. Des vannes VO2 et VH2 sont positionnées en sortie des circuits d’air 210 et d’hydrogène 216. Ces vannes permettent de contrôler les flux d’air, et respectivement d’hydrogène, qui traversent les piles. Elles sont contrôlées par un calculateur. En effet, en fonction de la puissance électrique demandée au sous-ensemble de piles CHx, une certaine quantité (« mass flow » en anglais) d’hydrogène et une certaine quantité d’oxygène doit être fournie aux piles. Ces quantités sont déterminées par le calculateur, en tenant compte des réactions chimiques se produisant à l’anode et à la cathode et des quantités stœchiométriques des produits air et hydrogène participant à la réaction. Les demandes en puissance électrique peuvent être différentes d’un sous-ensemble de piles à un autre, d’où l’intérêt de contrôler les quantités d’hydrogène et d’oxygène, sous-ensemble de piles par sous-ensemble de piles à l’aide des vannes V O2 et V H2 . Selon un mode de réalisation, le circuit d’air 210 (comprenant R et V O2 ) illustré sur la Fig. 2 est commun à au moins deux piles à combustible de la pluralité de piles à combustible. Selon un mode particulier de réalisation, le circuit d’air 210 est commun à toutes les piles à combustible d’un même sous-ensemble de piles comme illustré sur la Fig. 2. Dans ce cas, le circuit d’air 210 est reproduit pour chaque sous-ensemble CHx de piles. Selon une variante, le circuit d’air 210 est commun à toutes les piles à combustible de tous les sous-ensembles CHx de piles. Selon un mode de réalisation, la vanne de sortie V O2 est commune à au moins deux piles à combustible de la pluralité de piles à combustible. Selon un mode particulier de réalisation, la vanne de sortie V O2 est commune à toutes les piles à combustible d’un même sous-ensemble de piles comme illustré sur la Fig. 2. Cette dernière variante permet d’adapter la puissance électrique requise sous-ensemble de piles par sous-ensemble de piles. Selon une autre variante, la vanne de sortie est commune à toutes les piles à combustible de tous les sous-ensembles de piles. Avoir un unique circuit d’air pour une pluralité de piles à combustible permet un gain de place, une diminution du poids du système, un gain de coût de fabrication car il y a moins d’équipements à acheter. Par ailleurs, avoir un seul circuit d’air permet également de réduire la complexité du système pour les compagnies aériennes. Sa maintenance s’en trouve donc simplifiée. Les calculateurs qui contrôlent le système sont moins coûteux du fait de la réduction du nombre d’entrées (capteurs) et de sorties (vannes et pompes) qu’ils ont à gérer. Une pile à combustible, en plus de générer une tension électrique, produit de la chaleur qui doit être évacuée. A cet effet, le sous-ensemble de piles CHx comprend un circuit de refroidissement représenté en trait plein, gris et épais. Le circuit de refroidissement comprend une première entrée E1 sur laquelle arrive le liquide de refroidissement à la première température (dit liquide chaud) et une seconde entrée E2 sur laquelle arrive le liquide de refroidissement à la seconde température (dit liquide froid), ladite seconde température étant inférieure à la première température. Le circuit de refroidissement comprend un dispositif Vin configuré pour mélanger le liquide chaud et le liquide froid afin d’obtenir un liquide de refroidissement à une température cible. A cet effet, la température à la sortie du dispositif Vin peut être mesurée et transmise à un calculateur (non représenté sur la Fig. 2). En fonction d’un écart entre la valeur de la température mesurée et d’une valeur de consigne, le calculateur pilote le dispositif Vin. La valeur de consigne est par exemple égale à 80°C. Ainsi, si la température mesurée est supérieure à la température de consigne, alors le calculateur indique au dispositif Vin d’augmenter la quantité de liquide froid dans le mélange jusqu’à atteindre la température de consigne. Au contraire, dans le cas où la température mesurée est inférieure à la température de consigne, alors le calculateur indique au dispositif Vin d’augmenter la quantité de liquide chaud dans le mélange. Le liquide de refroidissement ainsi obtenu est ensuite réparti entre les différents éléments qu’il doit alimenter, e.g. les différentes piles et le cas échéant le moteur 204 et le contrôleur 208. Le liquide de refroidissement en sortie des différents éléments (i.e. en sortie des différentes piles et le cas échéant du moteur 204 et du contrôleur 208) est donc plus chaud qu’à l’entrée de ces éléments. Afin de réguler la température à la sortie du sous-ensemble de piles CHx, le circuit de refroidissement comprend une vanne de sortie Vout, qui est contrôlée par un calculateur pour réguler la température du liquide de refroidissement en sortie du sous-ensemble de piles CHx. Quand la température mesurée en sortie augmente, le calculateur envoie une consigne à la vanne de sortie Vout pour qu’elle augmente son ouverture afin d’augmenter le débit du liquide de refroidissement et ainsi obtenir une meilleure régulation de la température. A noter que le sous-ensemble de piles CHx peut comprendre d’autres éléments, non représentés sur la Fig. 2. En option, le sous-ensemble de piles CHx peut comprendre une vanne d’isolation V is à l’entrée du circuit d’hydrogène. La vanne d’isolation V is permet d’isoler le sous-ensemble de piles CHx des autres sous-ensembles de piles, notamment en cas de fuite d’hydrogène. Le sous-ensemble de piles CHx peut également comprendre un module de mesure de la pression différentielle (non représenté sur la Fig. 2) entre l’arrivée d’air et l’arrivée d’hydrogène afin de contrôler et, le cas échéant, limiter la différence de pression entre les deux gaz de part et d’autre de la membrane. Un même unique calculateur peut être utilisé pour piloter l’ensemble des vannes et la pompe. Selon une variante, des calculateurs différents sont utilisés. Les sous-ensembles de piles à combustible des Figs 1 et 2 sont avantageusement couplés à un système de stockage d’énergie électrique comprenant des batteries et/ou des condensateurs. Les sous-ensembles de piles à combustible des Figs 1 et 2 sont avantageusement utilisés par un système de propulsion d’un aéronef. La Fig. 3 montre une vue en perspective d'un aéronef 100, qui présente un fuselage de part et d’autre duquel est fixée une aile. Sous chaque aile est fixé au moins un système de propulsion 150. Sur la Fig. 3, les systèmes de propulsion 150 sont placés sous l’aile, mais dans un autre mode de réalisation, ils peuvent être au-dessus de l’aile. L’aéronef comprend au moins un système 20 tel que précité, comportant une pluralité de piles à combustible. Selon un premier mode de réalisation, ce système 20 est utilisé pour alimenter en électricité un système de propulsion 150 de l’aéronef. Selon un deuxième mode de réalisation, le système 20 est utilisé pour alimenter en électricité des systèmes non propulsifs de l’aéronef (par exemple : calculateurs, actionneurs, convertisseurs électriques…). Un système de piles à combustible pour un aéronef (100) comprenant : - une pluralité de piles à combustible (202), - un circuit d’hydrogène (216) qui assure l’acheminement vers les piles à combustible (202) de l’hydrogène, - un circuit de refroidissement (214) qui assure le refroidissement desdites piles à combustible, et - un premier circuit d’air (210) configuré pour alimenter en oxygène un premier sous ensemble de piles à combustible de ladite pluralité de piles à combustible, ledit premier sous ensemble comprenant au moins deux piles à combustible, ledit premier circuit d’air comprenant : - un répartiteur de flux d’air (R) à l’entrée de chacune desdites piles à combustible dudit premier sous ensemble configuré pour répartir l’air entre lesdites piles à combustible dudit premier sous ensemble; et - une vanne de sortie (Vout) connectée à la sortie desdites piles à combustible dudit premier sous ensemble, l’ouverture de ladite vanne de sortie étant contrôlée par un calculateur en fonction d’une puissance électrique devant être produite par lesdites piles à combustible dudit premier sous ensemble. Le système selon la revendication 1, comprenant en outre un compresseur configuré pour compresser l’air ambiant et l’envoyer audit premier circuit d’air. Le système selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel ledit premier circuit d’air est configuré pour alimenter en air la totalité de ladite pluralité de piles à combustible. Le système selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, comprenant un second circuit d’air identique audit premier circuit d’air configuré pour alimenter en air un second sous ensemble d’au moins deux piles de ladite pluralité de piles à combustible, ledit second sous ensemble étant distinct dudit premier sous ensemble. Le système selon la revendication 4, dans lequel lesdits premier et second circuits d’air sont connectés en parallèle audit compresseur. Le système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un moteur électrique (204) et un contrôleur (208) convertissant un courant électrique délivré par ledit premier sous ensemble de piles (202) en un courant électrique délivré au moteur électrique (204). Un aéronef comprenant un système de piles à combustible selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.