Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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SYSTEME D'INERTAGE D'AU MOINS UN VOLUME DANS UN AERONEF VIA AU MOINS UNE
PILE A COMBUSTIBLE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des systèmes d'inertage d'au moins
un
volume, tel que réservoir de carburant, compartiment cargo, baie avionique,
zone cachée,
gaine électrique, dans un aéronef ou similaire.
ART ANTERIEUR
Dans le domaine de l'aéronautique, il est connu un système d'inertage pour
générer
un gaz d'inertage, tel que de l'azote, ou tout autre gaz neutre tel que le
dioxyde de
carbone par exemple, et pour introduire ledit gaz d'inertage dans les
réservoirs de
carburant pour des raisons de sécurité afin de réduire le risque d'explosion
desdits
réservoirs.
Un système classique d'inertage de l'art antérieur comporte, d'une manière
générale, un générateur de gaz d'inertage embarqué dit OBIGGS, selon
l'acronyme
anglo-saxon On Board Inert Gas Generating Systems , alimenté en air
comprimé, par
exemple avec de l'air comprimé détourné d'au moins un moteur à partir d'un
étage dit de
pression intermédiaire et/ou d'un étage dit de haute pression en fonction
d'une situation
de vol. Le système OBIGGS est couplé au réservoir de carburant de l'avion, et
sépare
l'oxygène de l'air.
Le système OBIGGS comprend au moins un module de séparation d'air contenant,
par exemple, des membranes perméables, telles que des membranes en polymère,
traversées par un flux d'air. En raison des différentes perméabilités de la
membrane à
l'azote et à l'oxygène, le système divise le flux d'air de telle sorte qu'un
flux d'air à forte
teneur en azote et un flux d'air à forte teneur en oxygène, sont obtenus. La
fraction d'air
enrichie en azote, considérée comme le gaz d'inertage, est acheminée dans les
réservoirs
de carburant de telle sorte que le taux d'oxygène présent dans le volume libre
du réservoir
est diminué. Les dispositifs nécessaires à cette opération, tels que des
compresseurs, des
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filtres, des modules de refroidissement à air ou à liquide et analogues, sont
intégrés dans
l'installation de gaz d'inertage.
Lorsque le taux d'oxygène présent dans la partie vide du réservoir est
inférieur à la
limite d'inflammation définie conformément aux exigences de la FAA selon
l'acronyme
anglo-saxon Federal Aviation Administration détaillées dans le document
AC25.981-
2A en date du 19 septembre 2008 et intitulé FUEL TANK FLAMMABILITY
REDUCTION MEANS et ses annexes, les risques d'inflammation et de
déflagration
sont très limités, voire nuls. De ce qui précède, rendre inerte un réservoir
de carburant
consiste à injecter du gaz d'inertage dans le réservoir pour maintenir le taux
d'oxygène
présent dans ledit réservoir sous un certain seuil, par exemple 12%.
Le système d'inertage classique est, dans la majorité des cas, dépendant des
régimes
moteurs et donc du profil de pression disponible pour le système d'inertage.
Le gaz
d'inertage, enrichi en azote, généré en sortie du générateur de gaz d'inertage
ne présente
pas une concentration en oxygène constante, et dépend de la pression en entrée
du
système d'inertage.
Enfin, le gaz d'inertage en sortie de système d'inertage actuel ne permet pas
d'allier
fort débit et faible teneur en oxygène. En effet, pour une même pression de
fonctionnement, un faible débit de gaz d'inertage présentera une pureté plus
élevée, c'est-
à-dire une plus faible teneur en oxygène.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'un des buts de l'invention est donc de remédier aux inconvénients de l'art
antérieur en proposant un système d'inertage permettant d'injecter, dans au
moins un
volume d'un aéronef, un gaz d'inertage présentant une teneur en oxygène
contrôlée et
connue, dont le débit, la pureté, ainsi que le fonctionnement du système de
profil de
pression sont indépendants.
A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un système
d'inertage
comprenant au moins un générateur de gaz d'inertage, alimenté avec de l'air
comprimé
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provenant d'une cabine de passagers, et des moyens de distribution du gaz
d'inertage
dans le volume à rendre inerte, reliés au générateur de gaz d'inertage.
Selon l'invention, le générateur de gaz d'inertage comprend une pile à
combustible
comportant une sortie de gaz appauvri en oxygène reliée à des moyens de
séchage dudit
gaz d'inertage, pour permettre d'injecter ledit gaz d'inertage dans un
réservoir de
carburant par exemple.
De cette manière, l'invention permet de valoriser un effluent gazeux provenant
d'une pile à combustible, et de proposer une alternative aux systèmes
d'inertage de l'état
de la technique.
De plus, un avantage de la pile à combustible réside dans le fait que la
teneur en
oxygène présent dans le gaz d'inertage ne dépend pas du régime moteur de
l'aéronef et ne
dépend donc pas du profil de pression. La pression du gaz d'inertage en sortie
de la pile à
combustible fluctue nettement moins qu'avec un système d'inertage prélevant de
l'air
provenant des moteurs, et n'a pas de conséquence sur la teneur en oxygène
présent dans
le gaz d'inertage. La pureté du gaz d'inertage reste sensiblement constante.
En effet, la
teneur en oxygène ne dépend que de la stoechiométrie de la pile, et peut
facilement être
inférieure à 12 %.
Le gaz d'inertage possède donc une concentration en oxygène connue et
constante
au cours du profil de mission, et peut présenter, pour une faible teneur en
oxygène, un
débit aussi bien faible que fort.
De préférence, les moyens de séchage comprennent un échangeur de chaleur. En
effet, le gaz d'inertage en sortie de la pile à combustible est chaud, et le
fait de le refroidir
permet de condenser l'eau et de réaliser une première opération de séchage.
Selon des formes de réalisation différentes, les moyens de séchage comprennent
deux équipements de séchage successifs, à savoir au moins une membrane de
séparation
air/eau, ou au moins une roue enthalpique, connectée en sortie de l'échangeur
de chaleur.
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Ceci permet de réaliser une deuxième opération de séchage pour que la teneur
en
eau dans le gaz d'inertage soit faible et compatible avec une injection dans
un réservoir de
carburant.
Dans cette configuration, l'échangeur de chaleur permet d'éliminer l'eau par
condensation et de préparer le gaz en température car la membrane de
séparation air/eau,
par exemple, ne résiste pas à des températures trop élevées, supérieures à 65
C. Dans le
cas où le gaz en sortie de pile à combustible présente une température
inférieure à 65 C,
et dans lequel la teneur en eau est compatible avec un seul équipement de
séchage, la
présence de l'échangeur n'est pas nécessaire. Ainsi, les moyens de séchages
peuvent être
directement réalisés par au moins une membrane de séparation air/eau, et/ou au
moins
une roue enthalpique.
Un autre avantage réside également dans le fait que la pile à combustible
permet
d'économiser l'air issu des moteurs de l'aéronef. En effet l'alimentation de
la pile à
combustible se fait par de l'air cabine comprimé par un compresseur
électrique.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description
qui va
suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence à l'unique figure
annexée
illustrant de manière schématique un système d'inertage selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, il est représenté un système d'inertage (1)
destiné à
injecter un débit de gaz d'inertage (2) dans au moins un volume (3), tel qu'un
réservoir de
carburant, un compartiment cargo, une baie avionique, une zone cachée, une
gaine
électrique, dans un aéronef ou similaire.
Le système d'inertage (1) comprend une pile à combustible (4) destinée à être
alimentée avec un gaz réducteur, tel que du dihydrogène, et un gaz oxydant
(5), tel que de
l'air. En pratique, l'air provient de la cabine de passagers de l'aéronef, en
étant
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préalablement comprimé par un compresseur électrique. En sortie, la pile à
combustible
(4) génère de l'électricité, de la chaleur, de l'eau, mais également de l'air
humide
appauvri en oxygène (6) destiné à former le gaz d'inertage (2) à injecter dans
le volume
(3) à rendre inerte. En fonction de l'aéronef, du profil de mission, et de la
phase de vol, la
puissance de la pile à combustible (4) est, par exemple, comprise entre 4 et
25 kW.
La sortie de gaz de la pile à combustible est reliée à des moyens de séchage
(7) pour
permettre l'injection d'un gaz d'inertage (2) sec dans le volume (3) à rendre
inerte,
notamment un réservoir de carburant. En effet, en sortie de la pile à
combustible (4), le
gaz d'inertage (6) chaud et humide ne peut pas être injecté en l'état dans un
réservoir de
carburant.
Le gaz d'inertage humide (6) est alors acheminé au travers d'un échangeur de
chaleur (8) qui permet de le refroidir et d'effectuer ainsi une première
opération de
séchage. L'échangeur de chaleur (8) peut être de tout type, par exemple un
condenseur. A
titre d'exemple, et en fonction de l'aéronef, du profil de mission, et de la
phase de vol, le
condenseur est dimensionné pour être en mesure d'absorber entre 10g et plus de
70g
d'eau par kg d'air sec.
Selon différentes formes de réalisation, en sortie de l'échangeur de chaleur
(8), le
gaz d'inertage refroidi est acheminé soit au travers d'au moins une membrane
de
séparation air/eau (9) par perméation, soit au travers d'au moins une roue
enthalpique
(10) permettant d'absorber l'eau, pour la réalisation d'une deuxième étape de
séchage.
La membrane de séparation air/eau (9), et la roue enthalpique (10) sont, en
pratique,
dimensionnées pour que la teneur en eau restante soit comprise entre 1,90 et
2,10 g d'eau
par kg d'air sec.
Des simulations ont montrées que pour être compatible avec une injection dans
un
réservoir de carburant, la teneur en eau dans le gaz d'inertage (2) doit
atteindre la valeur
de 2g d'eau pour lkg d'air sec, soit une température de rosée du gaz
d'inertage (2) de
-10 C sous 1 bar absolu. La combinaison de l'échangeur de chaleur (8) et de la
membrane
(9) de perméation, ou de l'échangeur de chaleur (8) et de la roue enthalpique
(10) permet
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d'atteindre une telle teneur en eau. La valeur maximum de 2g d'eau par kg
d'air sec est
fixée de manière à s'assurer que l'injection du gaz asséché dans les
réservoirs ne conduira
pas à des phénomènes de givrage.
En sortie, le gaz d'inertage (2) refroidi est sec et peut ensuite être
acheminé vers des
moyens de distribution (11) du gaz d'inertage (2) pour l'injection en tant que
tel dans le
volume (3) à rendre inerte. Les moyens de distribution (11) sont bien connus
et sont
constitués par des conduites de distribution, des vannes, des clapets, des
valves...
L'injection dans le volume (3) est, par exemple, réalisée par des buses
d'injection. Un
contrôleur (12), connecté à la pile à combustible (4) et aux différents
équipements des
moyens de séchage (7), notamment l'échangeur de chaleur (8), la membrane de
séparation (9) ou la roue enthalpique (10), les valves, des capteurs de
pression et
d'humidité, permet de gérer et de contrôler la production de gaz d'inertage
(2) et sa
distribution.
Ainsi, le système d'inertage (1) permet de générer et d'injecter un gaz
d'inertage (2)
dans un volume (3) d'un aéronef, par exemple un réservoir de carburant, pour
des raisons
de sécurité afin de réduire le risque d'explosion du volume (3). Le gaz
d'inertage (2)
injecté vise à rendre inerte le volume (3), c'est-à-dire qu'il permet de
réduire le taux
d'oxygène présent dans le ou lesdits réservoirs (2), et notamment de maintenir
ce taux
sous un certain seuil, par exemple inférieur à 12%.
La teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage (2) ne dépend pas du
régime
moteur de l'aéronef et ne dépend donc pas du profil de pression. La pression
du gaz
d'inertage (2) en sortie de la pile à combustible (4) fluctue nettement moins
qu'avec un
système d'inertage prélevant de l'air provenant des moteurs, et n'a pas de
conséquence
sur la teneur en oxygène présent dans le gaz d'inertage (2). La pureté du gaz
d'inertage
(2) est connue et reste sensiblement constante tout le long de la mission de
l'aéronef Des
économies d'air issu des moteurs de l'aéronef sont également réalisées.
La présente invention a été réalisée en allant à l'encontre de certains
préjugés,
notamment la présence d'hydrogène sous pression dans un avion, la mise en
place de
nouveaux équipements dont la maturité dans le domaine aéronautique n'est pas
encore
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prouvée, tels que des capteurs d'humidité, des membranes (9) de perméation
air/eau, la
gestion d'un air humide dans un environnement froid, et le fait de placer une
pile à
combustible (4) dans un aéronef sans avoir encore de retours suffisants sur
les durées
moyennes entre les pannes, et sur les caractéristiques de sureté de
fonctionnement.
