Brevet FR3125799A1 — publié le 20230203

Un groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef (100) est décrit. Il comprend un compresseur d’air (10) couplé à un dispositif de prélèvement d’air (8) depuis l’extérieur de l’aéronef, ledit compresseur alimentant en air comprimé un distributeur d’air (12). Ce dernier est configuré pour alimenter en air un système de contrôle environnemental (16) et un module (26) de démarrage d’au moins un système de propulsion (150) de l’aéronef fonctionnant à l’hydrogène. Le distributeur d’air (12) est en outre configuré pour alimenter en air un ensemble de piles à combustible (14) agencé pour réaliser une fonction de génération électrique destinée à alimenter des systèmes non propulsifs de l’aéronef (100), ledit ensemble de piles à combustible (14) étant en outre alimenté en hydrogène depuis un réservoir (160) alimentant en hydrogène ledit au moins un système de propulsion de l’aéronef. Fig. 2 GROUPE AUXILIAIRE DE PUISSANCE POUR UN AÉRONEF Au moins un mode de réalisation concerne un groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef comprenant un compresseur d’air couplé à un dispositif de prélèvement d’air à l’extérieur de l’aéronef. Au moins un autre mode de réalisation concerne un aéronef comprenant un tel groupe auxiliaire de puissance. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans le domaine de l’aéronautique, un groupe auxiliaire de puissance ou APU (acronyme anglais de « auxiliary power unit ») désigne un groupe auxiliaire qui fournit de l’énergie pour des fonctions autres que la propulsion. Notamment, il est destiné à produire une énergie électrique et une énergie pneumatique (énergie emmagasinée dans un gaz comprimé) à bord des aéronefs pour alimenter au sol les différents systèmes de bord (e.g. système d’éclairage de la cabine, climatisation, ventilation, etc) quand les systèmes de propulsion principaux sont à l’arrêt afin d'économiser le carburant. L’énergie pneumatique ainsi produite est également utilisée pour démarrer les systèmes de propulsion de l’aéronef. Un tel groupe auxiliaire de puissance peut également être utilisé en vol. Les groupes auxiliaires de puissance sont généralement positionnés à l’arrière de l'aéronef dans le cône de queue afin de réduire leur impact sonore pour les passagers. Ils sont alimentés avec le kérosène des réservoirs de l’aéronef. Ainsi, les groupes auxiliaires de puissance consomment une partie du kérosène de l'aéronef et contribuent aux émissions de gaz à effet de serre de l'aviation. Une nouvelle génération d’aéronefs fonctionnant au dihydrogène est en train de se développer. Ces nouveaux aéronefs sont moins polluants car rejetant essentiellement de la vapeur d’eau. Dès lors, alimenter un groupe auxiliaire de puissance dans de tels aéronefs avec du kérosène serait incohérent pour des questions environnementales. Alimenter le groupe auxiliaire de puissance avec du dihydrogène nécessiterait la mise en place d’un circuit d’alimentation en dihydrogène entre la queue de l’aéronef et le réservoir de dihydrogène généralement situé à proximité des ailes de l’aéronef. Une telle architecture poserait des problèmes de sécurité liés aux risques de fuite de dihydrogène et d’explosion le long du circuit d’alimentation en dihydrogène. Il est donc souhaitable de fournir une solution qui pallie ces différents inconvénients de l’état de la technique. Plus particulièrement, il est souhaitable de fournir une solution d’alimentation électrique et pneumatique de fonctions non-propulsives à bord d’un aéronef qui soit peu polluante, peu bruyante et sûre. Au moins un mode de réalisation concerne un groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef comprenant un compresseur d’air couplé à un dispositif de prélèvement d’air à l’extérieur de l’aéronef. Le compresseur alimente en air comprimé un distributeur d’air configuré pour alimenter en air un système de contrôle environnemental et un module de démarrage d’au moins un système de propulsion de l’aéronef alimenté en hydrogène depuis un réservoir. Le distributeur d’air est en outre configuré pour alimenter en air un ensemble de piles à combustible agencé pour réaliser une fonction de génération électrique destinée à alimenter des systèmes non propulsifs de l’aéronef, ledit ensemble de piles à combustible étant en outre alimenté en hydrogène depuis ledit réservoir. Selon un mode de réalisation particulier, l’ensemble de piles à combustible est couplé à un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide de refroidissement, ledit circuit de refroidissement étant configuré de sorte que, lorsque l’ensemble de piles à combustible fonctionne en libérant une chaleur, ladite chaleur réchauffe ledit liquide de refroidissement. Selon un mode de réalisation particulier, une sortie dudit circuit de refroidissement est couplée à une entrée d’un échangeur de chaleur au travers duquel circule l’hydrogène alimentant ledit ensemble de piles à combustible de sorte qu’au moins une partie dudit liquide de refroidissement réchauffé circule dans ledit échangeur de chaleur et réchauffe l’hydrogène alimentant ledit ensemble de piles à combustible. Selon un mode de réalisation particulier, une partie de l’hydrogène circulant au travers de l’échangeur de chaleur alimente ledit au moins un système de propulsion pendant une phase de démarrage. Selon un mode de réalisation particulier, une entrée dudit distributeur d’air est couplée à une sortie d’un système de prélèvement d’air configuré pour prélever de l’air au niveau dudit au moins un système de propulsion de sorte que, lorsque ledit système de propulsion fonctionne, le distributeur d’air alimente l’ensemble de piles à combustible et le système de contrôle environnemental d’un mélange d’air en provenance du compresseur et du système de propulsion. Selon un mode de réalisation particulier, une unité de traitement dudit groupe auxiliaire de puissance est configurée pour obtenir des informations relatives aux besoins en air du système de contrôle environnemental et de l’ensemble de piles à combustible. L’unité de traitement contrôle également le distributeur d’air de sorte qu’il alimente en air l’ensemble de piles et le système de contrôle environnemental en fonction desdites informations obtenues. Selon un mode de réalisation particulier, au moins une partie de l’air en sortie de l’ensemble de piles à combustible est injectée dans au moins un compartiment dudit au moins un système de propulsion. Selon un mode de réalisation particulier, le groupe auxiliaire de puissance et ledit au moins un système de propulsion sont colocalisés. Un aéronef comprenant au moins un groupe auxiliaire de puissance selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents est décrit. Un aéronef comprenant un premier groupe auxiliaire de puissance selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents et un second groupe auxiliaire de puissance selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents est décrit. Les premier et second groupes auxiliaires de puissance sont reliés par un système d’alimentation croisée. 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 vue en perspective d'un aéronef selon un mode particulier de réalisation ; est une représentation schématique d’un groupe auxiliaire de puissance selon un mode particulier de réalisation ; et est une représentation schématique d’un ensemble de deux systèmes de propulsion, chaque système de propulsion étant associé à un groupe auxiliaire de puissance selon un mode particulier de réalisation. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION La 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, e.g. un turboréacteur à double flux (« turbofan » en anglais) ou un turbopropulseur, alimenté en dihydrogène depuis un réservoir 160 par exemple localisé dans une des ailes. Sur la , l’aéronef 100 comprend deux systèmes de propulsion 150, un sous chaque aile. Dans un autre mode de réalisation, ils peuvent être au-dessus de l’aile. Chaque système de propulsion 150 est agencé et installé sur l’aéronef pour fournir une puissance de propulsion à l’aéronef 100. L’aéronef comprend en outre au moins un groupe auxiliaire de puissance 200 tel qu’illustré sur la . Le groupe auxiliaire de puissance 200 comprend notamment un ensemble 14 de piles à combustible (« Fuel Cell Stack » en anglais) alimenté en dihydrogène et en dioxygène et un système 16 de contrôle environnemental (« environmental control system » ou ECS en anglais) alimenté en dioxygène. Le groupe auxiliaire de puissance 200 est utilisé pour alimenter en énergies électrique et pneumatique des systèmes non propulsifs de l’aéronef (par exemple : l’éclairage, la ventilation d’une cabine passagers et/ou la climatisation de la cabine…) c’est-à-dire des équipements non liés à la propulsion de l’aéronef 100. Plus précisément, l’énergie électrique produite par l’ensemble 14 de piles à combustible est utilisée notamment pour l’éclairage et le contrôle cabine avant même le démarrage de l’aéronef. L’énergie pneumatique est utilisée notamment par le système de contrôle environnemental 16 pour la ventilation, la climatisation de la cabine de l’air, le contrôle de la température et la pressurisation de la cabine pour l’équipage et les passagers. Cette énergie pneumatique est également la principale source d’énergie utilisée pour le démarrage des systèmes de propulsion 150. 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. La est une représentation schématique d’un groupe auxiliaire de puissance 200 selon un mode particulier de réalisation. Sur cette Figure, les flèches épaisses noires sont relatives à un circuit de distribution d’hydrogène et les flèches épaisses blanches sont relatives à un circuit de distribution d’air, notamment d’oxygène. Le groupe auxiliaire de puissance 200 comprend un compresseur 10, par exemple un compresseur électrique, couplé à un distributeur d’air 12 via au moins une conduite d’air. Le distributeur d’air, également connu sous la terminologie de collecteur, est configuré pour répartir le flux d’air qu’il reçoit en entrée vers plusieurs dispositifs en sortie. L’oxygène utilisé dans le groupe auxiliaire de puissance 200, e.g. par l’ensemble 14 de piles à combustible, provient par exemple de l’air ambiant pressurisé par le compresseur 10, l’air pressurisé servant à alimenter un distributeur d’air 12 (« manifold » en anglais). L’air ambiant provient par exemple d’un dispositif de prélèvement d’air 8 comprenant une ou plusieurs écopes situées à proximité du compresseur 10. Le distributeur d’air 12 alimente à son tour en air donc en dioxygène l’ensemble 14 de piles à combustible et le système 16 de contrôle environnemental. En outre, le distributeur d’air 12 alimente en air sous pression un module 26 de démarrage du système de propulsion 150. Le système de contrôle environnemental 16 est un système classiquement utilisé dans un aéronef et son architecture interne n’est pas détaillée ici dans la mesure où celle-ci n’est pas utile à la compréhension de l’invention. Notamment, le système de contrôle environnemental 16 comprend une sortie d’air extérieure pour éjecter de l’air prélevé dans la cabine et le cockpit. L’ensemble 14 de piles à combustible est, en outre, alimenté en hydrogène depuis le réservoir 160 au travers du circuit de distribution en dihydrogène. Une pile à combustible est une pile dans laquelle 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. Le dioxygène est fourni par le distributeur d’air 12, e.g. à une pression de 2 bars. 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 (H2) se dissocie (oxydation) en ions H+ et en électrons selon la réaction suivante : 2H2 = 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 + O2 = 2H2O. Lors de cette réaction, de la chaleur est libérée. L’air non utilisé par les piles à combustible lors de la réaction chimique est par exemple rejeté à l’extérieur de l’aéronef. L’hydrogène est par exemple stocké sous forme liquide dans le réservoir 160 à la température de 20 kelvins et à la pression de 3 bars. L’hydrogène liquide est vaporisé à l’aide d’une capsule qui est en contact avec le réservoir 160. 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. Sans sortir du cadre de l’invention, l’hydrogène peut aussi être stocké directement sous forme gazeuse dans le réservoir 160. Les piles à combustible sont refroidies par un circuit de refroidissement 18. 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, le circuit de refroidissement 18 est alimenté en liquide de refroidissement. 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»). La sortie du circuit de refroidissement 18 est couplée à l’entrée d’un échangeur de chaleur 20 afin d’évacuer la chaleur. Au moins une partie de la chaleur produite sert à augmenter, au travers de l’échangeur de chaleur 20, la température de l’hydrogène en sortie du réservoir pour la porter à une valeur adéquate, e.g. de 200 à 350°K, adaptée au fonctionnement de l’ensemble 14 de piles à combustible. Grâce à l’hydrogène traversant l’échangeur de chaleur 20, le liquide de refroidissement en provenance des piles à combustible et circulant dans l’échangeur de chaleur 20 est refroidi alors que l’hydrogène se réchauffe. Dans une variante, une partie de la chaleur produite est évacuée à l’extérieur de l’installation. Dans ce mode de réalisation, l’échangeur de chaleur 20 est également 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 20, le liquide de refroidissement en provenance des piles à combustible et circulant dans l’échangeur de chaleur 20 est refroidi alors que l’air frais se réchauffe. L’échangeur de chaleur 20 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 est disposé dans un conduit d’air dynamique (« ram air duct » en anglais) de l’aéronef. Le fonctionnement des différents éléments du groupe auxiliaire de puissance 200 est contrôlé par une unité de traitement (non représentée sur la ). Les échanges d’information avec cette unité de traitement peuvent se faire en utilisant un réseau interne à l’aéronef, un bus de communication dédié. Par ailleurs, les différents circuits de distribution en air et en hydrogène comprennent classiquement des pompes et des valves (non représentées sur la ) également contrôlées par l’unité de traitement. Le système de propulsion 150 fonctionne également à l’hydrogène. Dans un exemple de réalisation, le système de propulsion 150 est un système de propulsion à combustion d’hydrogène. De l’hydrogène issu de l’échangeur de chaleur 20 est envoyé vers le moteur 150 par une canalisation 155 pour alimenter le moteur en hydrogène pendant une phase de démarrage. A cet effet, l’hydrogène est évaporé par chauffage au moyen de l’échangeur de chaleur 20. Autrement dit, la chaleur générée par l’ensemble 14 de piles à combustible est avantageusement utilisée pour réchauffer l’hydrogène alimentant le système de propulsion 150 au travers de l’échangeur de chaleur 20. Ainsi, le fait d’avoir l’ensemble 14 de piles à combustible colocalisé avec l’échangeur de chaleur 20 et le système de propulsion 150 permet de minimiser les pertes de chaleur. Le terme colocalisé est à comprendre comme signifiant une proximité spatiale de l’ensemble 14 de piles à combustible et du système de propulsion 150 (respectivement de l’échangeur de chaleur 20). D’autre part, une canalisation 156 permet d’envoyer de l’hydrogène issu du réservoir 160 vers le moteur 150 pendant le fonctionnement du moteur, c’est-à-dire après son démarrage. Dans un mode de réalisation particulier, dans lequel le ou les systèmes de propulsion 150 sont en fonctionnement, le distributeur d’air 12 est contrôlé par l’unité de traitement pour fournir à l’ensemble 14 de pile à combustible et au système 16 de contrôle environnemental un mélange d’air en provenance du compresseur 10 et du ou des systèmes de propulsion 150. Un tel prélèvement d’air au niveau du ou des systèmes de propulsion 150 est effectué par un système de prélèvement d’air 28 connu sous la terminologie anglaise de « bleed air system ». A cet effet, une entrée du distributeur d’air 12 est couplée à une sortie du système de prélèvement d’air 28. Ce mode de réalisation permet d'utiliser l'énergie du système de propulsion 150, et donc d'éteindre le compresseur 10. Il permet également de pallier la panne de l'une ou l'autre des sources d'air pressurisé. Dans un mode de réalisation particulier, l’unité de traitement obtient des informations relatives aux besoins en air du système 16 de contrôle environnemental et de l’ensemble 14 de piles. En effet, les besoins en air peuvent varier au cours du temps. Par exemple, les besoins du système de contrôle environnemental 16 peuvent varier en fonction de l'altitude de vol, la température extérieure et du nombre de passagers à bord de l'aéronef. L’unité de traitement contrôle le distributeur de sorte qu’il alimente l’ensemble 14 de piles et le système de contrôle environnemental en fonction des informations obtenues relatives à leurs besoins respectifs en air. Dans un mode de réalisation particulier, l’air ou une partie de l’air en sortie de l’ensemble de piles qui est appauvri en oxygène est transmis aux systèmes de propulsion 150 afin de servir de barrière anti-feu. Notamment, cet air appauvri en oxygène peut être avantageusement injecté dans des compartiments des systèmes de propulsion 150 dans lesquels une fuite d’hydrogène est susceptible de se produire et ainsi limiter les risques d’explosion. Dans un mode de réalisation particulier, l’ensemble 14 de piles à combustible des Figs 1 et 2 est avantageusement couplé à un système de stockage d’énergie électrique comprenant des batteries et/ou des condensateurs. Dans un mode de réalisation particulier, le groupe auxiliaire de puissance 200 et le système de propulsion 150 auquel il est associé sont colocalisés, i.e. sont proches spatialement. Ainsi, le groupe auxiliaire de puissance n’est plus situé dans la queue de l’aéronef, ce qui permet d’éviter d’avoir à transporter de l’hydrogène dans un circuit de distribution le long de l’aéronef et ainsi limite les risques de fuite et donc d’explosion. Dans une variante de réalisation représentée sur la , l’aéronef comprend autant de groupes auxiliaires de puissance que de systèmes de propulsion 150, chaque groupe auxiliaire de puissance et le système de propulsion auquel il est associé étant colocalisés. Dans cette variante, les groupes auxiliaires de puissances sont reliés par un système d’alimentation croisée 250 (« crossfeed » en anglais) afin de pallier un éventuel dysfonctionnement d’au moins un élément d’un groupe auxiliaire de puissance parmi le compresseur 10, le distributeur d’air 12, l’échangeur de chaleur 20 ou 22 et/ou le système de prélèvement d’air 28. Ce système d’alimentation croisée 250 est contrôlé par l’unité de traitement. L’unité de traitement est configurée pour détecter un dysfonctionnement d’au moins un élément d’un groupe auxiliaire de puissance et pour pallier le problème en fonction de l’élément dysfonctionnel. Par exemple, en cas de dysfonctionnement du compresseur et/ou du distributeur du groupe auxiliaire de puissance APU 1, l’unité de traitement met en œuvre une distribution d’air du système de contrôle environnemental et de l’ensemble de piles à combustible du groupe auxiliaire de puissance APU 1 depuis le compresseur et le distributeur du groupe auxiliaire de puissance APU 2. Dit autrement, le système de contrôle environnemental et l’ensemble de piles à combustible du groupe auxiliaire de puissance APU 1 sont alimentés en air par le distributeur du groupe auxiliaire de puissance APU 2. Ainsi, le système global est résistant aux dysfonctionnements d’au moins un élément d’un groupe auxiliaire de puissance grâce à l’utilisation en remplacement de l’élément correspondant dans l’autre groupe auxiliaire de puissance. Cette solution garantit donc la disponibilité de fonctions critiques (e.g. air conditionné, électricité, etc). Un groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef (100) comprenant un compresseur d’air (10) couplé à un dispositif de prélèvement d’air (8) à l’extérieur de l’aéronef, ledit compresseur (10) alimentant en air comprimé un distributeur d’air (12) configuré pour alimenter en air un système de contrôle environnemental (16) et un module (26) de démarrage d’au moins un système de propulsion (150) de l’aéronef alimenté en hydrogène depuis un réservoir (160) caractérisé en ce que ledit distributeur d’air (12) est en outre configuré pour alimenter en air un ensemble de piles à combustible (14) agencé pour réaliser une fonction de génération électrique destinée à alimenter des systèmes non propulsifs de l’aéronef (100), ledit ensemble de piles à combustible (14) étant en outre alimenté en hydrogène depuis ledit réservoir (160). Le groupe auxiliaire de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble de piles à combustible (14) est couplé à un circuit de refroidissement (18) dans lequel circule un liquide de refroidissement, ledit circuit de refroidissement (18) étant configuré de sorte que, lorsque l’ensemble de piles à combustible fonctionne en libérant une chaleur, ladite chaleur réchauffe ledit liquide de refroidissement. Le groupe auxiliaire de puissance selon la revendication 2, dans lequel une sortie dudit circuit de refroidissement (18) est couplée à une entrée d’un échangeur de chaleur (20) au travers duquel circule l’hydrogène alimentant ledit ensemble de piles à combustible (14) de sorte qu’au moins une partie dudit liquide de refroidissement réchauffé circule dans ledit échangeur de chaleur et réchauffe l’hydrogène alimentant ledit ensemble de piles à combustible (14). Le groupe auxiliaire de puissance selon la revendication 2 ou 3, dans lequel une partie de l’hydrogène circulant au travers de l’échangeur de chaleur alimente ledit au moins un système de propulsion pendant une phase de démarrage. Le groupe auxiliaire de puissance selon l’une des revendication 1 à 4, dans lequel une entrée dudit distributeur d’air (12) est couplée à une sortie d’un système de prélèvement d’air (28) configuré pour prélever de l’air au niveau dudit au moins un système de propulsion (150) de sorte que, lorsque ledit système de propulsion (150) fonctionne, le distributeur d’air (12) alimente l’ensemble de piles à combustible (14) et le système de contrôle environnemental (16) d’un mélange d’air en provenance du compresseur (10) et du système de propulsion (150). Le groupe auxiliaire de puissance selon l’une des revendication 1 à 5, dans lequel une unité de traitement dudit groupe auxiliaire de puissance est configurée pour obtenir des informations relatives aux besoins en air du système de contrôle environnemental et de l’ensemble de piles à combustible et dans lequel ladite unité de traitement contrôle le distributeur d’air de sorte qu’il alimente en air l’ensemble de piles et le système de contrôle environnemental en fonction desdites informations obtenues. Le groupe auxiliaire de puissance selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une partie de l’air en sortie de l’ensemble de piles à combustible est injecté dans au moins un compartiment dudit au moins un système de propulsion. Le groupe auxiliaire de puissance selon l’une des revendications 1 à 7, ledit groupe auxiliaire de puissance et ledit au moins un système de propulsion étant colocalisés. Un aéronef comprenant au moins un groupe auxiliaire de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Un aéronef comprenant un premier groupe auxiliaire de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et un second groupe auxiliaire de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, lesdits premier et second groupes auxiliaires de puissance étant reliés par un système d’alimentation croisée.