Brevet FR3161510A1 — publié le 20251024

SYSTÈME DE PRODUCTION ÉLECTRIQUE COMPORTANT UNE PILE À COMBUSTIBLE L’invention concerne un système de production électrique (200) comportant une pile à combustible (206), une canalisation d’apport (208a) de dioxygène à la cathode (206b), une canalisation d’alimentation (210) entre une source de dihydrogène (202) et un échangeur thermique (220), une canalisation de transport (214) entre l’échangeur thermique (220) et un mélangeur (212), une canalisation d’apport (216) entre l’anode (206a) et le mélangeur (212), une première canalisation de recirculation (217a) entre l’anode (206a) et l’échangeur thermique (220), une deuxième canalisation de recirculation (217b) entre l’échangeur thermique (220) et un séparateur gaz/liquide (218), et une troisième canalisation de recirculation (217c) entre le séparateur gaz/liquide (218) et le mélangeur (212). Un tel système de production électrique permet ainsi de récupérer le dihydrogène non consommé pour le renvoyer dans la pile à combustible Fig. 2 SYSTÈME DE PRODUCTION ÉLECTRIQUE COMPORTANT UNE PILE À COMBUSTIBLE La présente invention concerne un système de production électrique qui comporte une pile à combustible et qui est destiné à être mis en œuvre dans un aéronef, ainsi qu’un aéronef comportant un tel système de production électrique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Afin de fournir un courant électrique, en particulier dans un aéronef, il est connu d’utiliser une pile à combustible dans laquelle la génération d'une tension électrique se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur, par exemple le dihydrogène, couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, par exemple le dioxygène de l'air. Dans certaines piles à combustible, en particulier une pile à combustible à oxyde solide (« Solid oxide Fuel Cell », SOFC en langue Anglosaxonne), il est nécessaire d’apporter le dihydrogène en excès au niveau de l’anode afin de garantir une concentration minimale de dihydrogène même en présence de l’eau résultant de l’oxydation. Il est connu d’utiliser l’excès de dihydrogène en sortie de l’anode pour alimenter une chambre de combustion dont les gaz d’échappement peuvent être utilisés pour faire tourner une turbine. Mais selon le carburant utilisé, une telle installation peut libérer des produits tels que des oxydes d'azote ou du dioxyde de carbone. Il est souhaitable de trouver un arrangement pour lequel de tels produits ne sont pas libérés. Un objet de la présente invention est de proposer un système de production électrique qui comporte une pile à combustible et qui permet de limiter les émissions de produits nocifs. À cet effet, est proposé un système de production électrique comportant : - une pile à combustible avec une anode et une cathode, - une première canalisation d’apport destinée à être fluidiquement connectée entre la cathode et une source de dioxygène, - un échangeur thermique comportant une première entrée et une première sortie fluidiquement connectées l’une avec l’autre, et une deuxième entrée et une deuxième sortie fluidiquement connectées l’une avec l’autre, - une canalisation d’alimentation destinée à être fluidiquement connectée entre une source de dihydrogène et la première entrée de l’échangeur thermique, - un mélangeur comportant une première entrée, une deuxième entrée et une sortie, - une canalisation de transport fluidiquement connectée entre la première sortie de l’échangeur thermique et la première entrée du mélangeur, - une deuxième canalisation d’apport fluidiquement connectée entre l’anode et la sortie du mélangeur, - une première canalisation de recirculation fluidiquement connectée entre l’anode et la deuxième entrée de l’échangeur thermique, - un séparateur gaz/liquide avec une entrée, une première sortie et une deuxième sortie, - une deuxième canalisation de recirculation fluidiquement connectée entre la deuxième sortie de l’échangeur thermique et l’entrée du séparateur gaz/liquide, - une troisième canalisation de recirculation fluidiquement connectée entre la première sortie du séparateur gaz/liquide et la deuxième entrée du mélangeur, - une canalisation d’évacuation destinée à être fluidiquement connectée entre la deuxième sortie du séparateur gaz/liquide et un système récupérateur, et - des moyens de mise en mouvement du dihydrogène et du dioxygène dans le système de production électrique. Un tel système de production électrique permet ainsi de récupérer le dihydrogène non consommé pour le renvoyer dans la pile à combustible et ainsi seul le dioxygène en excès et l’eau sont récupérés en sortie de la pile à combustible. Avantageusement, les moyens de mise en mouvement comportent une pompe montée sur la première canalisation de recirculation. L’invention propose également un aéronef comportant une source de dihydrogène, une source de dioxygène et un système de production électrique selon l’une des variantes précédentes où une extrémité de la canalisation d’alimentation est fluidiquement connectée à la source de dihydrogène et où une extrémité de la première canalisation d’apport est fluidiquement connectée à la source de dioxygène. 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 : FIG. 1 est une vue de côté d'un aéronef comportant un système de production électrique selon l’invention, et FIG. 2 est une représentation schématique d’un système de production électrique selon l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION La FIG. 1 montre un aéronef 100 qui présente un fuselage 102 de part et d’autre duquel est fixée une aile 104. Sous chaque aile 104 est fixé au moins un système de propulsion 106 par l’intermédiaire d’un mât support 108. L’aéronef 100 comporte une source de dihydrogène 202, une source de dioxygène 204 et un système de production électrique 200 selon l’invention dont un mode de réalisation est représenté à la FIG. 2 . L’invention est plus particulièrement décrite dans le cadre d’un aéronef 100, mais elle peut s’appliquer dans d’autres domaines que ce soit dans le transport ou autres. Dans le cadre de la mise en œuvre dans l’aéronef 100, la source de dihydrogène 202 est par exemple un réservoir rempli de dihydrogène préférentiellement liquide et la source de dioxygène 204 est par exemple constituée par une écope arrangée au niveau de la peau de l’aéronef 100 pour prélever l’air extérieur. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté à la FIG. 1 , la source de dihydrogène 202, la source de dioxygène 204 et le système de production électrique 200 sont disposés dans le fuselage 102, mais une répartition différente est possible. Par exemple, le système de production électrique 200 et la source de dioxygène 204 peuvent être emplantés au niveau de chaque système de propulsion 106 et la source de dihydrogène 202 restant dans le fuselage 102. De la même manière, l’électricité produite par le système de production électrique 200 peut être utilisée soit pour faire tourner le système de propulsion 106, par exemple lorsqu’il s’agit d’un moteur électrique, soit pour alimenter les différents appareils électriques de l’aéronef 100. La FIG. 2 montre le système de production électrique 200 qui comporte une pile à combustible 206 avec une anode 206a et une cathode 206b, auxquelles un ou plusieurs systèmes électriques 50 sont connectés. Comme précisé ci-dessus, un système électrique 50 peut être un moteur électrique comme un moteur à hélice, ou tout autre appareil électrique. La pile à combustible 206 comporte également entre l'anode 206a et la cathode 206b, un électrolyte 206c. Le dioxygène qui arrive au niveau de la cathode 206b se combine aux électrons provenant du système électrique 50 pour former des ions oxygène qui traverse l’électrolyte 206c. le dihydrogène qui arrive au niveau de l’anode 206a perd ses électrons qui vont vers le système électrique 50 et forment des ions hydrogène qui se combinent aux ions oxygène provenant de l’électrolyte 206c pour former de l’eau au niveau de l’anode 206a. Le système de production électrique 200 comporte une première canalisation d’apport 208a qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la cathode 206b et par une autre de ses extrémités à la source de dioxygène 204. Le système de production électrique 200 comporte un échangeur thermique 220 à l'intérieur duquel serpentent deux canalisations 221a-b qui sont arrangées pour permettre un transfert de calories depuis le fluide s’écoulant dans l’une des canalisations 221b vers le fluide s’écoulant dans l’autre des canalisations 221a. L’échangeur thermique 220 comporte une première entrée 220a et une première sortie 220b qui correspondent à l’une des canalisations 221a et une deuxième entrée 220c et une deuxième sortie 220d qui correspondent à l’autre des canalisations 221b. Ainsi, la première entrée 220a et la première sortie 220b sont fluidiquement connectées l’une avec l’autre, et la deuxième entrée 220c et la deuxième sortie 220d sont fluidiquement connectées l’une avec l’autre. Le système de production électrique 200 comporte une canalisation d’alimentation 210 qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la source de dihydrogène 202 et par une autre de ses extrémités à l’échangeur thermique 220. La canalisation d’alimentation 210 apporte ainsi à l’échangeur thermique 220 le dihydrogène qui va être réchauffé. Le système de production électrique 200 comporte un mélangeur 212 comportant une première entrée 212a, une deuxième entrée 212b et une sortie 212c. Comme cela est expliqué ci-dessous, le mélangeur permet de réunir les deux flux de dihydrogène qui proviennent de la source de dioxygène 204 et de l’échangeur thermique 220 en un seul flux qui alimente l’anode 206a. Le mélangeur 212 peut prendre la forme d’une enceinte dans laquelle débouchent les canalisations connectées aux entrées/sortie 202a-c du mélangeur 212, ou il peut éventuellement prendre la forme d’une vanne à trois voies ou d’un tube en T. Le système de production électrique 200 comporte une canalisation de transport 214 qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la première sortie 220b de l’échangeur thermique 220 et par une autre de ses extrémités à la première entrée 212a du mélangeur 212. Le système de production électrique 200 comporte une deuxième canalisation d’apport 216 qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à l’anode 206a et par une autre de ses extrémités à la sortie 212c du mélangeur 212. Le système de production électrique 200 comporte une première canalisation de recirculation 217a qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à l’anode 206a et par une autre de ses extrémités à la deuxième entrée 220c de l’échangeur thermique 220. Le système de production électrique 200 comporte un séparateur gaz/liquide 218 avec une entrée 218a, une première sortie 218b et une deuxième sortie 218c. Classiquement, le séparateur gaz/liquide 218 fonctionne par gravité pour séparer vers le haut (ici la première sortie 218b), les gaz, et vers le bas (ici la deuxième sortie 218c), le liquide. L’entrée 218a est destinée à recevoir un mélange gaz/liquide, ici un mélange dihydrogène/eau, la première sortie 218b permet l’évacuation du dihydrogène et la deuxième sortie 218c permet l’évacuation de l’eau. Le système de production électrique 200 comporte une deuxième canalisation de recirculation 217b qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la deuxième sortie 220d de l’échangeur thermique 220 et par une autre de ses extrémités à l’entrée 218a du séparateur gaz/liquide 218. Le système de production électrique 200 comporte une troisième canalisation de recirculation 217c qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la première sortie 218b du séparateur gaz/liquide 218 et par une autre de ses extrémités à la deuxième entrée 212b du mélangeur 212. Le système de production électrique 200 comporte une canalisation d’évacuation 219 qui est fluidiquement connectée par une de ses extrémités à la deuxième sortie 218c du séparateur gaz/liquide 218 et par une autre de ses extrémités à un système récupérateur 222. Le système récupérateur 222 récupère et traite l’eau qu’il reçoit pour éventuellement l’utiliser à bord de l’aéronef 100 ou pour la rejeter à l’extérieur. Le système de production électrique 200 comporte des moyens de mise en mouvement 230, comme des pompes, qui assurent la mise en mouvement du dihydrogène et du dioxygène dans le système de production électrique 200. Le dioxygène est amené à la cathode 206b par la première canalisation d’apport 208a. Le dihydrogène est amené à l’anode 206a par la deuxième canalisation d’apport 216. Le dihydrogène en excès et l’eau sous forme vapeur sont évacués de l’anode 206a par la première canalisation de recirculation 217a vers l’échangeur thermique 220 où ils chauffent le dihydrogène sortant de la source de dihydrogène 202 qui traverse également l’échangeur thermique 220. En arrivant dans la deuxième canalisation de recirculation 217b, le dihydrogène est ainsi refroidi et l’eau est condensée sous forme liquide. Le mélange dihydrogène/eau liquide est alors introduit dans le séparateur gaz/liquide 218. Le dihydrogène ressort par la première sortie 218b pour rejoindre le mélangeur 212 et alimenter l’anode 206a. L’eau liquide ressort par la deuxième sortie 218c pour être traitée et/ou évacuée. Le dihydrogène recircule ainsi pour être entièrement consommé. Avec un tel arrangement, tout le dihydrogène est consommé et les seuls produits qui peuvent éventuellement être rejetés sont de l’eau. En outre, l’utilisation d’une pile à combustible pour consommer entièrement le dihydrogène présente un rendement supérieur à l’utilisation d’une chambre à combustion. Comme présenté ci-dessus, l’échangeur thermique 220 assure la fonction d’un condenseur qui permet de réchauffer le dihydrogène sortant de la source de dihydrogène 202 et de liquéfier l’eau. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté à la FIG. 2 , les moyens de mise en mouvement 230 comportent une pompe montée sur la première canalisation de recirculation 217a. Bien sûr, il est possible de prévoir d’autres pompes à d’autres endroits du circuit constituant le système de production électrique 200 en fonction des besoins. Pour évacuer le dioxygène en excès au niveau de la cathode 206b, le système de production électrique 200 comporte ici une canalisation de rejet 208b qui rejette ledit dioxygène à l’extérieur de l’aéronef 100. Système de production électrique (200) comportant : - une pile à combustible (206) avec une anode (206a) et une cathode (206b), - une première canalisation d’apport (208a) destinée à être fluidiquement connectée entre la cathode (206b) et une source de dioxygène (204), - un échangeur thermique (220) comportant une première entrée (220a) et une première sortie (220b) fluidiquement connectées l’une avec l’autre, et une deuxième entrée (220c) et une deuxième sortie (220d) fluidiquement connectées l’une avec l’autre, - une canalisation d’alimentation (210) destinée à être fluidiquement connectée entre une source de dihydrogène (202) et la première entrée (220a) de l’échangeur thermique (220), - un mélangeur (212) comportant une première entrée (212a), une deuxième entrée (212b) et une sortie (212c), - une canalisation de transport (214) fluidiquement connectée entre la première sortie (220b) de l’échangeur thermique (220) et la première entrée (212a) du mélangeur (212), - une deuxième canalisation d’apport (216) fluidiquement connectée entre l’anode (206a) et la sortie (212c) du mélangeur (212), - une première canalisation de recirculation (217a) fluidiquement connectée entre l’anode (206a) et la deuxième entrée (220c) de l’échangeur thermique (220), - un séparateur gaz/liquide (218) avec une entrée (218a), une première sortie (218b) et une deuxième sortie (218c), - une deuxième canalisation de recirculation (217b) fluidiquement connectée entre la deuxième sortie (220d) de l’échangeur thermique (220) et l’entrée (218a) du séparateur gaz/liquide (218), - une troisième canalisation de recirculation (217c) fluidiquement connectée entre la première sortie (218b) du séparateur gaz/liquide (218) et la deuxième entrée (212b) du mélangeur (212), - une canalisation d’évacuation (219) destinée à être fluidiquement connectée entre la deuxième sortie (218c) du séparateur gaz/liquide (218) et un système récupérateur (222), et - des moyens de mise en mouvement (230) du dihydrogène et du dioxygène dans le système de production électrique (200). Système de production électrique (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (230) comportent une pompe montée sur la première canalisation de recirculation (217a). Aéronef (100) comportant une source de dihydrogène (202), une source de dioxygène (204) et un système de production électrique (200) selon l’une des revendications précédentes où une extrémité de la canalisation d’alimentation (210) est fluidiquement connectée à la source de dihydrogène (202) et où une extrémité de la première canalisation d’apport (208a) est fluidiquement connectée à la source de dioxygène (204).