Brevet FR3161511A1 — publié le 20251024

SYSTÈME DE PRODUCTION ÉLECTRIQUE COMPORTANT UNE PILE À COMBUSTIBLE L’invention concerne un système de production électrique (200), une pile à combustible (206), un condenseur (220) avec une sortie de purge (220e) pour l’eau liquide, une canalisation d’alimentation (210) connectée entre une source de dihydrogène (202) et une première entrée (220a) du condenseur (220), une canalisation d’arrivée (214) connectée entre une première sortie (220b) du condenseur (220) et une connexion d’arrivée (207a) de la pile à combustible (206), une canalisation de départ (212) connectée entre une connexion de départ (207b) de la pile à combustible (206) et une deuxième entrée (220c) du condenseur (220), et une première canalisation de rejet (216) connectée entre une deuxième sortie (220d) du condenseur (220) et un système de traitement du dihydrogène (221). Un tel système de production électrique permet ainsi de séparer le dihydrogène de l’eau et les purges peuvent être espacées et moins polluantes. 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, 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. Dans certaines installations, de l’eau et du dihydrogène qui n’est pas consommé par l’anode se retrouvent en sortie de l’anode et ils doivent être rejetés à l’extérieur au niveau d’un système de purge qui s’ouvre à intervalles réguliers. L’eau et le dihydrogène se retrouvent alors expulsés, ce qui peut ne pas être souhaitable dans certaines circonstances. Il est donc souhaitable de trouver un arrangement dans lequel le dihydrogène en excès n’est pas rejeté à l’extérieur tout en assurant l’évacuation de l’eau. 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 évacuations de dihydrogène tout en assurant la purge de l’eau. À cet effet, est proposé un système de production électrique comportant : - une pile à combustible avec une anode et présentant une première connexion d’arrivée et une première connexion de départ, - un condenseur comportant une première entrée et une première sortie fluidiquement connectées l’une avec l’autre à travers ledit condenseur, et une deuxième entrée, une deuxième sortie et une sortie de purge fluidiquement connectées les unes aux autres à travers ledit condenseur, où ladite sortie de purge assure la purge d’eau liquide dudit condenseur, - une canalisation d’alimentation (210) destinée à être fluidiquement connectée entre une source de dihydrogène et la première entrée du condenseur, - une canalisation d’arrivée fluidiquement connectée entre la première sortie du condenseur et la connexion d’arrivée de la pile à combustible, - une canalisation de départ fluidiquement connectée entre la connexion de départ de la pile à combustible et la deuxième entrée du condenseur, et - une première canalisation de rejet destinée à être fluidiquement connectée entre la deuxième sortie du condenseur et un système de traitement du dihydrogène. Un tel système de production électrique permet ainsi de séparer le dihydrogène de l’eau et les purges peuvent être espacées et moins polluantes. Selon un mode de réalisation particulier, la canalisation d’arrivée est fluidiquement connectée à la première canalisation de rejet à travers une vanne de surpression. Selon un mode de réalisation particulier, le système de production électrique comporte une pompe électrochimique d’hydrogène comportant une entrée, une première sortie et une deuxième sortie, où l’entrée est fluidiquement connectée à la première canalisation de rejet, où la première sortie est fluidiquement connectée à la canalisation d’arrivée, et où la deuxième sortie est destinée à être fluidiquement connectée au système de traitement du dihydrogène. L’invention propose également un aéronef comportant une source de dihydrogène 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. 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, FIG. 2 est une représentation schématique d’un système de production électrique selon l’invention, FIG. 3 est une représentation schématique d’un détail du système de production électrique de la FIG. 2 , et FIG. 4 est une représentation schématique d’un détail d’une variante du système de production électrique de la FIG. 2 . 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. 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 dihydrogène arrive au niveau de l’anode 206a et perd ses électrons qui vont vers le système électrique 50 ce qui a pour conséquence l’apparition des ions hydrogène qui traversent l’électrolyte 206c vers la cathode 206b. Le dioxygène qui arrive au niveau de la cathode 206b se combine avec les électrons qui arrivent du système électrique 50 et forment de l’eau au niveau de la cathode 206b. Par rétrodiffusion à travers l’électrolyte 206c, de l’eau se retrouve au niveau de l’anode 206a. Au niveau de l’anode 206a, la pile à combustible 206 présente une première connexion d’arrivée 207a par laquelle le dihydrogène arrive au niveau de l’anode 206a et une première connexion de départ 207b par laquelle le dihydrogène en excès et l’eau partent de l’anode 206a. De la même manière, au niveau de la cathode 206b, la pile à combustible 206 présente une deuxième connexion d’arrivée 209a par laquelle le dioxygène arrive au niveau de la cathode 206b et une deuxième connexion de départ 209b par laquelle le dioxygène en excès part de la cathode 206b. Du côté de l’anode 206a, le système de production électrique 200 comporte un condenseur 220 comportant une première entrée 220a et une première sortie 220b fluidiquement connectées l’une avec l’autre à travers ledit condenseur 220 ici par l’intermédiaire d’une canalisation intérieure 211. Le condenseur 220 comporte également une deuxième entrée 220c, une deuxième sortie 220d et une sortie de purge 220e qui sont fluidiquement connectées les unes aux autres à travers le condenseur 220. Comme expliqué ci-dessous, la sortie de purge 220e assure la purge d’eau liquide du condenseur 220 et où la sortie de purge 220e est en partie basse pour assurer la purge par gravité. Le système de production électrique 200 comporte également une canalisation d’alimentation 210 qui est fluidiquement connectée entre la source de dihydrogène 202 et la première entrée 220a du condenseur 220. Ainsi, le dihydrogène à basse température qui provient de la source de dihydrogène 202 sert à refroidir un autre fluide à l’intérieur du condenseur 220 afin de liquéfier les molécules d’eau vapeur et l’eau liquide peut ainsi être séparée du dihydrogène et évacuée par la sortie de purge 220e. Le système de production électrique 200 comporte une canalisation d’arrivée 214 fluidiquement connectée entre la première sortie 220b du condenseur 220 et la connexion d’arrivée 207a de la pile à combustible 206, afin d’amener le dihydrogène qui provient de la source de dihydrogène 202 jusqu’à l’anode 206a. Le système de production électrique 200 comporte également une canalisation de départ 212 fluidiquement connectée entre la connexion de départ 207b de la pile à combustible 206 et la deuxième entrée 220c du condenseur 220. Cette canalisation de départ 212 transporte alors le dihydrogène en excès et l’eau vers le condenseur 220. Dans le condenseur 220, au contact de la canalisation intérieure 211, l’eau vapeur se condense alors en eau liquide, ce qui permet une séparation entre le dihydrogène gazeux et l’eau liquide qui est purgée par la sortie de purge 220e. Le système de production électrique 200 comporte une première canalisation de rejet 216 fluidiquement connectée entre la deuxième sortie 220d du condenseur 220 et un système de traitement du dihydrogène 221. Du fait de la condensation de l’eau, la première canalisation de rejet 216 contient principalement du dihydrogène qui est transporté vers le système de traitement du dihydrogène 221 pour être stocké ou retraité et renvoyé par exemple dans la source de dihydrogène 202. Avec cette installation, l’eau vapeur est extraite de l’anode et la fréquence de purge peut être diminuée et le dihydrogène n’est plus expulsé à l’extérieur. En outre, la condensation de l’eau entraîne une dépression à l’intérieur du condenseur 220 ce qui permet d’attirer le dihydrogène et l’eau présents à l’anode 206a. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté ici, des électrovannes sont disposées sur certaines canalisations pour moduler les flux circulant dans lesdites canalisations. Il y a ainsi une électrovanne 20a sur la canalisation d’alimentation 210 pour réguler la quantité de dihydrogène circulant depuis la source de dihydrogène 202. Il y a une électrovanne 20b sur la première canalisation de rejet 216 pour réguler la quantité de dihydrogène rejoignant le système de traitement du dihydrogène 221. Il y a une électrovanne 20c, ici une vanne avec limiteur de pression, sur la canalisation d’arrivée 214 pour limiter la quantité de dihydrogène arrivant à l’anode 206a. Au niveau de la sortie de purge 220e, une canalisation de purge 222 est fluidiquement connectée entre la sortie de purge 220e et un système de traitement de l’eau 224 qui peut traiter l’eau pour la réutiliser à bord de l’aéronef 100 ou l’évacuer à l’extérieur. Une électrovanne 20d est mise en place sur la canalisation de purge 222 pour commander le transfert de l’eau vers le système de traitement de l’eau 224. Bien sûr, il est possible de modifier les positions des électrovannes 20a-d pour obtenir des commandes similaires. La FIG. 3 montre le détail du condenseur 220 et de ses connexions. Du côté de la cathode 206b, le système de production électrique 200 comporte un humidificateur 240 qui comporte une première entrée 240a, une première sortie 240b, une deuxième entrée 240c et une deuxième sortie 240d. L’humidificateur 240 présente également une membrane 239 qui sépare l’humidificateur 240 en deux voies, où la première entrée 240a et la première sortie 240b sont fluidiquement connectées l’une avec l’autre à travers une première voie, et où la deuxième entrée 240c et la deuxième sortie 240d sont fluidiquement connectées l’une avec l’autre à travers une deuxième voie. La membrane 239 est une membrane respirante, c'est-à-dire qu’elle ne laisse passer que la vapeur d’eau d’une voie vers l’autre, et plus particulièrement ici de la deuxième voie vers la première voie. Le système de production électrique 200 comporte une première canalisation d’apport 232a qui est fluidiquement connectée entre la source de dioxygène 204 et la première entrée 240a de l’humidificateur 240, et une deuxième canalisation d’apport 232b qui est fluidiquement connectée entre la première sortie 240b de l’humidificateur 240 et la deuxième connexion d’arrivée 209a de la pile à combustible 206. Ici une électrovanne 20g est mise en place sur la deuxième canalisation d’apport 232b. Le dioxygène transite ainsi depuis la source de dioxygène 204 jusqu’à la cathode 206b en traversant la première voie de l’humidificateur 240. Le système de production électrique 200 comporte également un séparateur gaz/liquide 234 avec une entrée 234a, une première sortie 234b et une deuxième sortie 234c. Classiquement, le séparateur gaz/liquide 234 fonctionne par gravité pour séparer vers le haut (ici la première sortie 234b), les gaz, et vers le bas (ici la deuxième sortie 234c), le liquide. L’entrée 234a est destinée à recevoir un mélange gaz/liquide, ici un mélange de dioxygène/eau, la première sortie 234b permet l’évacuation du dioxygène et la deuxième sortie 234c permet l’évacuation de l’eau. Le système de production électrique 200 comporte également une première canalisation de retour 236a qui est fluidiquement connectée entre la deuxième connexion de départ 209b de la pile à combustible 206 et la deuxième entrée 240c de l’humidificateur 240 et une deuxième canalisation de retour 236b qui est fluidiquement connectée entre la deuxième sortie 240d de l’humidificateur 240 et l’entrée 234a du séparateur gaz/liquide 234. Ici une électrovanne 20h est mise en place sur la première canalisation de retour 236a. Le dioxygène en excès et l’eau qui sortent au niveau de la cathode 206b transitent ainsi depuis la cathode 206b jusqu’au séparateur gaz/liquide 234 en traversant la deuxième voie de l’humidificateur 240. Lors du passage dans l’humidificateur 240, l’humidité présente dans la deuxième voie, c'est-à-dire celle provenant de la pile à combustible 206, passe dans la première voie, c'est-à-dire celle qui va vers la pile à combustible 106. Le système de production électrique 200 comporte également une canalisation d’évacuation 238 qui est fluidiquement connectée entre la première sortie 234b du séparateur gaz/liquide 234 et à la source de dioxygène 204. Le dioxygène, qui a donc été asséché en passant dans l’humidificateur 240 et le séparateur gaz/liquide 234, retourne vers la source de dioxygène 204 qui peut être à l’extérieur de l’aéronef 100. Le système de production électrique 200 comporte une deuxième canalisation de rejet 240 qui est fluidiquement connectée à la deuxième sortie 234c du séparateur gaz/liquide 234 et au système de traitement de l’eau 224. Dans le mode de réalisation de l’invention représenté ici, le système de production électrique 200 comporte une canalisation de déviation 242 qui est fluidiquement connectée entre la première canalisation de retour 236a et la deuxième canalisation de retour 236b en court-circuitant l’humidificateur 240 pour contrôler l'humidité relative du dioxygène entrant dans la cathode 206b en réduisant l'apport d’humidité. Ici, la canalisation de déviation 242 est connectée au niveau de l’électrovanne 20h qui est à trois voies. Dans le mode de réalisation de l’invention représenté à la FIG. 1 , la canalisation d’arrivée 214 est fluidiquement connectée à la première canalisation de rejet 216 à travers une vanne de surpression 218. La vanne de surpression 218 autorise le passage du dihydrogène de la canalisation d’arrivée 214 dans la première canalisation de rejet 216 lorsque la pression dans la canalisation d’arrivée 214 dépasse un seuil. Dans le mode de réalisation de l’invention représenté à la FIG. 4 , le système de production électrique 200 comporte une pompe électrochimique d’hydrogène 402 qui présente une entrée 402a, une première sortie 402b et une deuxième sortie 402c. La pompe électrochimique d’hydrogène 402 présente une architecture proche de celle de la pile à combustible 206 avec une anode 404a, une cathode 404b et entre elles un électrolyte 404c qui permet le transfert d’ion hydrogène de l’anode 404a vers la cathode 404b. La pompe électrochimique d’hydrogène 402 est soumise à un courant électrique entre l’anode 404a et la cathode 404b avec un générateur 406 afin de créer un champ électrique qui permet l’oxydation du dihydrogène à l’anode 404a, le transport des ions hydrogène de l’anode 404a à la cathode 404b à travers l’électrolyte 404c et la réduction des ions hydrogène en dihydrogène à la cathode 404b. Avec une telle pompe électrochimique d’hydrogène 402, seul le dihydrogène traverse l’électrolyte 404c, ce qui permet de le séparer des autres éléments présents au niveau de la deuxième sortie 220d. L’entrée 402a et la deuxième sortie 402c sont du côté de l’anode 404a et la première sortie 402b est du côté de la cathode 404b. L’entrée 402a est fluidiquement connectée à un premier brin de la première canalisation de rejet 216 et la deuxième sortie 402c est fluidiquement connectée au système de traitement du dihydrogène 221 à travers un deuxième brin de la première canalisation de rejet 216. La première sortie 402b est fluidiquement connectée à la canalisation d’arrivée 214 pour alimenter l’anode 206a de la pile à combustible 206. Le dihydrogène qui sort du condenseur 220 par sa deuxième sortie 220d pénètre ainsi dans la pompe électrochimique d’hydrogène 402 par son entrée 402a. Le dihydrogène se déplace à travers l’anode 402a, l’électrolyte 402c et la cathode 404b et est évacué vers la pile à combustible 206 à travers la première sortie 402b. Les éventuelles traces de dihydrogène et les éléments restants (comme l’eau, le diazote …) sortent de la pompe électrochimique d’hydrogène 402 par sa deuxième sortie 402c pour rejoindre le système de traitement du dihydrogène 221 qui consiste en une évacuation vers l’extérieur. Dans ce mode de réalisation, l’électrovanne 20c de la canalisation d’arrivée 214 est remplacée par une électrovanne 20f sur la canalisation de départ 212. Système de production électrique (200) comportant : - une pile à combustible (206) avec une anode (206a) et présentant une première connexion d’arrivée (207a) et une première connexion de départ (207b), - un condenseur (220) comportant une première entrée (220a) et une première sortie (220b) fluidiquement connectées l’une avec l’autre à travers ledit condenseur (220), et une deuxième entrée (220c), une deuxième sortie (220d) et une sortie de purge (220e) fluidiquement connectées les unes aux autres à travers ledit condenseur (220), où ladite sortie de purge (220e) assure la purge d’eau liquide dudit condenseur (220), - une canalisation d’alimentation (210) destinée à être fluidiquement connectée entre une source de dihydrogène (202) et la première entrée (220a) du condenseur (220), - une canalisation d’arrivée (214) fluidiquement connectée entre la première sortie (220b) du condenseur (220) et la connexion d’arrivée (207a) de la pile à combustible (206), - une canalisation de départ (212) fluidiquement connectée entre la connexion de départ (207b) de la pile à combustible (206) et la deuxième entrée (220c) du condenseur (220), et - une première canalisation de rejet (216) destinée à être fluidiquement connectée entre la deuxième sortie (220d) du condenseur (220) et un système de traitement du dihydrogène (221). Système de production électrique (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation d’arrivée (214) est fluidiquement connectée à la première canalisation de rejet (216) à travers une vanne de surpression (218). Système de production électrique (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une pompe électrochimique d’hydrogène (402) comportant une entrée (402a), une première sortie (402b) et une deuxième sortie (402c), où l’entrée (402a) est fluidiquement connectée à la première canalisation de rejet (216), où la première sortie (402b) est fluidiquement connectée à la canalisation d’arrivée (214), et où la deuxième sortie (402c) est destinée à être fluidiquement connectée au système de traitement du dihydrogène (221). Aéronef (100) comportant une source de dihydrogène (202) 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).