Titre de l'invention : Aérostat comprenant un système de contrôle de la pression du dihydrogène contenu dans son enceinte de sustentation -Procédé de contrôle de la pression associé

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un aérostat comprenant une enceinte remplie de dihydrogène gazeux et des moyens de propulsion électriques alimentés par une pile à combustible fonctionnant au dihydrogène.

Etat de la technique

[0002] Les aérostats ou ballons dirigeables étaient très utilisés au début du XX ^ème siècle. Un aérostat comprend, de manière connue, une enceinte de sustentation contenant un gaz plus léger que l’air, laquelle est reliée mécaniquement à une nacelle apte à emporter des passagers et/ou des marchandises. Le volume de l’enceinte est déterminé de manière à ce que le volume de gaz contenu dans cette dernière soit suffisant pour soulever la nacelle selon le principe d’Archimède. Cette sustentation ne nécessite donc aucun apport d’énergie. L’aérostat ne nécessite un apport énergétique que pour alimenter ses moyens de propulsion. Ainsi, par rapport à un avion, un aérostat s’avère être plus sobre énergétiquement.

[0003] Le développement des aérostats a été freiné du fait des accidents survenus lorsque le gaz plus léger que l’air utilisé était le dihydrogène. Le dihydrogène pur n’est pas inflammable en revanche son mélange avec l’air le rend inflammable.

[0004] Par ailleurs, comme l’aérostat doit obligatoirement embarquer la source d’alimentation énergétique de ses moyens de propulsion, son autonomie est limitée du fait de son poids. Si l’on veut conserver une autonomie importante, il est nécessaire d’utiliser une enceinte de sustentation de grandes dimensions, ce qui créé d’autres problèmes techniques.

Problèmes techniques résolus par l’invention

[0005] Un problème technique de l’invention est de proposer un aérostat comprenant une enceinte contenant du dihydrogène gazeux et qui présente une autonomie améliorée.

[0006] Un autre problème technique de l’invention est de proposer un aérostat comprenant une enceinte contenant du dihydrogène gazeux qui permet d’éviter les risques d’inflammation du dihydrogène.

Résumé de l’invention

[0007] La présente invention concerne un aérostat du type comportant une enceinte de sustentation, remplie de dihydrogène gazeux, des moyens de propulsion électriques permettant la propulsion dudit aérostat et des moyens d’alimentation en électricité desdits moyens de propulsion.

[0008] De manière caractéristique, selon l’invention, lesdits moyens d’alimentation en électricité comportent au moins une pile à combustible utilisant le dihydrogène comme combustible réducteur, ledit aérostat comporte, en outre, au moins une réserve de dihydrogène, ladite réserve et/ou ladite enceinte de sustentation est/sont connectée(s) à ladite pile pour l’alimentation en dihydrogène de cette dernière, ledit aérostat comporte un système de contrôle de la pression du dihydrogène contenu dans ladite enceinte de sustentation, ledit système de contrôle est configuré pour maintenir positive la différence de pression entre l’intérieur de ladite enceinte et l’air extérieur à ladite enceinte de sustentation et ledit système de contrôle permet le passage du dihydrogène entre ladite enceinte et ladite réserve.

[0009] On constate ainsi que dans l’aérostat de l’invention, le dihydrogène sert à la fois à la sustentation et à la propulsion car il sert également de combustible à la pile électrique qui alimente les moyens de propulsion électriques. Le dihydrogène est plus léger que du carburant liquide ce qui améliore l’autonomie de l’aérostat de l’invention par rapport à un aérostat fonctionnant au carburant liquide.

[0010] Le système de contrôle de la pression dans l’enceinte de sustentation permet d’avoir toujours une surpression du dihydrogène gazeux dans l’enceinte par rapport à l’air ambiant. Il en résulte que l’air ne peut pas pénétrer dans l’enceinte et former un mélange inflammable. L’aérostat de l’invention est donc particulièrement fiable. Description détaillée

[0011] Avantageusement, ladite pile à combustible est connectée uniquement par ladite réserve de dihydrogène, ce qui rend plus facile le contrôle de la pression dans l’enceinte de sustentation. En effet, les modifications de la pression du dihydrogène gazeux dans l’enceinte ne sont pas dues à la consommation de la pile à combustible mais uniquement aux variations de la température et de la pression du fait de l’environnement extérieur à l’enceinte de sustentation.

[0012] L’enceinte de sustentation peut être une coque rigide ou être au moins partiellement formée d’une enveloppe déformable étanche aux gaz. De préférence, l’enceinte est formée d’une enveloppe déformable étanche aux gaz. Cette enveloppe permet de limiter le poids de l’enceinte et donc d’améliorer l’autonomie de l’aérostat.

[0013] La disposition de la réserve n’est pas limitée selon l’invention. Elle peut être dans la nacelle ou accrochée à l’enceinte. Avantageusement, ladite réserve de dihydrogène est disposée à l’intérieur de ladite enceinte ce qui facilite grandement le passage du dihydrogène de l’une à l’autre. Le passage est ainsi rapide et peut être fait sans dépense énergétique en utilisant les différences de pression entre l’enceinte et la réserve ou au moins une réserve quand l’aérostat comprend plusieurs réserves. De plus, en cas de fuite de la réserve, le dihydrogène ne part pas à l’extérieur de l’enceinte mais est récupéré dans cette dernière. Ceci limite les risques de fuite de dihydrogène dans F environnement.

[0014] Selon un mode de réalisation particulier du système de contrôle de la pression dans ladite enceinte de sustentation, combinable avec chacun des modes de réalisation de l’invention, ce système de contrôle de la pression comporte des moyens de détermination de la pression de l’air extérieur à ladite enceinte de sustentation, des moyens de détection de la pression de dihydrogène dans ladite enceinte, des moyens permettant le passage du dihydrogène de ladite enceinte vers ladite réserve, des moyens permettant le passage du dihydrogène de ladite réserve vers ladite enceinte, un comparateur et des moyens de commande qui sont couplés auxdits moyens de détermination de la pression de l’air extérieur, auxdits moyens de détection de la pression dans ladite enceinte de sustentation, auxdits moyens permettant le passage du dihydrogène de ladite enceinte vers ladite réserve et/ou auxdits moyens permettant le passage du dihydrogène de ladite réserve vers ladite enceinte.

[0015] Les moyens de détermination de la pression extérieur à l’enceinte de sustentation peuvent, par exemple, être des moyens de mesure de la pression extérieure et comprendre, notamment un tube de Pitot disposé de manière à mesurer la pression totale de l’air extérieur. Ces moyens peuvent également être des moyens qui de manière indirecte permettent de déduire la pression extérieure en détectant son effet sur l’enceinte. Ainsi quand l’enceinte est déformable ou au moins partiellement déformable, ces moyens peuvent être des moyens de mesure de la tension de l’enveloppe déformable formant au moins partiellement l’enceinte ou des moyens de détection de la déformation de l’enveloppe.

[0016] Les moyens de passage de l’enceinte vers la réserve ou de la réserve vers l’enceinte peuvent comprendre indépendamment l’un de l’autre des moyens de compression, comme un compresseur par exemple. Une des réserves peut également être un récipient dépressurisé ce qui permet de faire passer du dihydrogène de l’enceinte vers cette réserve. Un récipient dépressurisé peut également être monté en amont d’une réserve et servir ainsi à stocker du dihydrogène en trop afin de réduire la pression dans l’enceinte. En fonction du volume de cette réserve dépressurisée ou du récipient dépressurisé, il est même possible de ne pas utiliser de compresseur pour des vols courts, lors desquels l’hydrogène contenu dans la réserve dépressurisée n’a pas à être comprimé pour être injecté dans la pile ou dans une autre réserve dont la pression est supérieure à celle de l’intérieur de l’enceinte de sustentation. Dans le cas où l’aérostat comprend un régulateur de pression monté en amont de l’entrée du circuit d’hydrogène de la pile à combustible, ce dernier peut servir à comprimer l’hydrogène provenant de la réserve dépressurisé vers la pile à combustible sans avoir besoin d’avoir recours à d’autres moyens de compression.

[0017] Selon un mode de réalisation particulier combinable avec chacun des autres modes de réalisation de l’invention, ladite réserve contient du dihydrogène à une pression supérieure à la pression du dihydrogène contenu dans ladite enceinte. Le dihydrogène peut être gazeux ou liquide. Il va changer d’état en fonction de la pression et de la température de l’atmosphère, lors des déplacements de l’aérostat. Cette configuration particulière permet d’augmenter la pression dans l’enceinte sans apport d’énergie extérieure, par simple différence de pression entre la réserve et l’enceinte.

[0018] Lorsque la pression de l’hydrogène dans la réserve est supérieure à celle de l’intérieur de l’enceinte, lesdits moyens permettant le passage du dihydrogène de ladite enceinte vers ladite réserve peuvent comporter des moyens de compression aptes à comprimer le dihydrogène contenu dans ladite enceinte et à l’injecter dans ladite réserve. Ces moyens de compression qui nécessitent un apport d’électricité sont utilisés pour faire baisser la pression dans l’enceinte comme expliqué ultérieurement en référence à l’exemple d’un mode de réalisation particulier de l’aérostat de l’invention.

[0019] Avantageusement, quel que soit le mode de réalisation, l’aérostat de l’invention comporte plusieurs réserves de dihydrogène aptes à communiquer entre elles. Ces réserves peuvent contenir du dihydrogène dans un état différent (gazeux ou liquide, voire supercritique). Elles peuvent contenir du dihydrogène à des pressions différentes. Une des réserves peut même être sous vide ou contenir du dihydrogène à une pression très faible. Elle sert alors à faire baisser la pression de dihydrogène dans l’enceinte en aspirant ce dernier lors de l’ouverture d’une vanne, par exemple. Une pluralité de réserves permet de facilement gérer simultanément l’alimentation de la pile et le contrôle de la pression dans l’enceinte. La ou les réserves peuvent être formées d’une enceinte rigide ou être formées d’une enveloppe déformable.

[0020] Avantageusement, quel que soit le mode de réalisation de l’invention, l’aérostat comporte également un régulateur de pression monté entre ladite enceinte/ladite réserve et ladite pile à combustible et permettant d’alimenter ladite pile à combustible avec du dihydrogène à pression constante. La présence de ce régulateur de pression disposé juste en amont de la pile à combustible permet de dissocier la gestion de la pression dans l’enceinte et la gestion de la pression d’approvisionnement de la pile.

[0021] Quel que soit le mode de réalisation, la pile à combustible est choisie parmi les piles à oxydes solides et les piles à membrane échangeuse de protons. L’aérostat peut également comporter plusieurs piles de type différents ou non.

[0022] Selon un mode de réalisation combinable avec chacun des modes de réalisation précités, l’enceinte de sustentation comporte une valve d’urgence apte à s’ouvrir pour libérer du dihydrogène dans l’atmosphère lors que la pression dans l’enceinte dépasse une valeur limite donnée. Cette valve évite tout risque de détérioration de l’enceinte sous l’effet d’une trop grande pression interne.

[0023] La présente invention concerne également un procédé de contrôle de la pression de dihydrogène contenu dans l’enceinte de sustentation d’un aérostat du type comportant des moyens de propulsion électriques permettant la propulsion dudit aérostat, des moyens d’alimentation en électricité desdits moyens de propulsion, qui comportent au moins une pile à combustible utilisant le dihydrogène comme combustible réducteur, au moins une réserve de dihydrogène gazeux, selon lequel on détermine la différence de pression AP entre l’intérieur de ladite enceinte et l’extérieur de ladite enceinte ainsi que la pression P _E dans ladite enceinte, si la valeur de AP est négative, on injecte du dihydrogène provenant de ladite réserve dans ladite enceinte de sustentation et si la valeur de la pression P _E dans ladite enceinte est supérieure à une valeur limite donnée P s, on injecte du dihydrogène provenant de ladite enceinte dans ladite réserve.

[0024] Selon un mode de mise en œuvre particulier de ce procédé, la pression du dihydrogène dans ladite réserve étant supérieure à la pression dans ladite enceinte de sustentation, on comprime du dihydrogène de ladite enceinte avant son injection dans ladite réserve.

[0025] Selon un mode de mise en œuvre particulier, l’aérostat comporte plusieurs réserves de dihydrogène dont au moins une première réserve à une pression supérieure à la pression à l’intérieur de l’enceinte et au moins une deuxième réserve dont la pression est inférieure à celle de l’intérieur de l’enceinte, on injecte du dihydrogène dans ladite enceinte en mettant en communication ladite première réserve avec l’intérieur de ladite enceinte et on injecte du dihydrogène provenant de ladite enceinte dans ladite deuxième réserve en mettant en communication ladite deuxième réserve avec ladite enceinte.

Définitions

[0026] Au sens de la présente invention, une vanne peut être une vanne commandée dont l’ouverture peut être régulée de manière à contrôler le débit de fluide la traversant ou une vanne à membrane fonctionnant automatiquement.

[0027] Le terme « remplie » en référence à l’enceinte indique que l’enceinte contient exclusivement le gaz indiqué, en l’occurrence du dihydrogène.

[0028] Les termes « différence de pression entre l’intérieur de l’enceinte et l’extérieur de l’enceinte » (AP) font référence à la différence entre la pression du dihydrogène dans l’enceinte et la pression de l’air à l’extérieur de l’enceinte ; cette dernière peut être la pression statique de l’air extérieur à l’enceinte ou la somme de la pression statique de l’air extérieur avec la pression dynamique laquelle est engendrée par le déplacement de l’aérostat dans l’air.

[0029] Les termes « pression totale » désignent la somme de la pression statique de l’air extérieur et de la pression dynamique laquelle est engendrée par le déplacement de l’aérostat dans l’air.

[0030] Le terme « aérostat » désigne un dispositif comportant une enceinte de sustentation et une nacelle apte à transporter des marchandises et/ou des passagers.

Brève description des figures

[0031] Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante s’appuyant sur la figure annexée.

[0032] La [Fig.1] représente de manière schématique un mode de réalisation particulier de l’invention présenté à titre d’exemple non limitatif. ;

Exemple

[0033] En référence à la [Fig.1], selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’aérostat comporte une enceinte de sustentation 1, laquelle est formée d’une enveloppe déformable imperméable aux gaz. La nacelle n’a pas été représentée par souci de simplification. L’aérostat comporte également une pile à combustible 3 qui permet d’alimenter en électricité les moyens de propulsion électriques (non représentés, par souci de simplification). L’enceinte de sustentation 1 contient ici, trois réserves de di- hydrogène gazeux, 51, 52 et 53. Les trois réserves 51, 52, 53 sont chacune équipées au niveau de leur sortie d’une vanne commandée 71, 72 et 73. Les trois réserves 51, 52 et 53 sont connectées entre elles par une conduite 91 qui comporte une ouverture de sortie 910, laquelle débouche dans l’enceinte de sustentation 1. Une vanne commandée 911 est montée en amont de la sortie 910 de la conduite 91.

[0034] La conduite 91 est également connectée à un régulateur de pression 31. Ce régulateur de pression est connecté à l’entrée du circuit de dihydrogène de la pile à combustible 3.

[0035] L’intérieur de l’enceinte de sustentation 1 est connecté à un compresseur 8 dont la sortie est raccordée à la conduite 91 via une conduite 81 laquelle débouche en amont de la vanne 911.

[0036] Un capteur de pression 10 est disposé dans l’enceinte de sustentation 1. Ce capteur 10 ainsi que les vannes 71, 72, 73 et 911 et le compresseur 8 sont connecté à des moyens de commande 101 qui permettent de réguler l’ouverture des vannes précitées (et donc le débit de dihydrogène) et d’actionner ou non le compresseur 8.

[0037] L’aérostat est également équipé de moyens de mesure de la pression totale P _t de l’air environnant ladite enceinte 1. Ces moyens comprennent, par exemple, un tube de Pitot. Ils ne sont pas représentés sur la [Fig.l]. Le tube de Pitot est monté sur l’avant de la nacelle ou de l’enceinte 1 et est orienté dans le sens de déplacement de l’aérostat. Le système de contrôle de la pression dans ladite enceinte de sustentation 1 comprend également un comparateur.

[0038] Le fonctionnement du dispositif de la [Fig.l] va maintenant être expliqué en référence à cette même figure. [0039] Le volume de l’enceinte de sustentation 1 et celui des réserves 51, 52 et 53 sont dimensionnées pour assurer à la fois la sustentation de l’aérostat et l’alimentation en di- hydrogène de la pile à combustible 3 pendant toute la durée du vol. Les réserves 51, 52 et 53 sont remplies de dihydrogène gazeux ou liquide à une pression P _R toujours supérieure à la pression P _E régnant dans l’enceinte de sustentation 1 et donc toujours supérieure à la pression totale P _t de l’air entourant la nacelle.

[0040] Au moment du départ de l’aérostat, la pile à combustible 3 est alimentée par du dihydrogène provenant d’au moins une des réserves 51 à 53. De préférence, à partir d’une seule des réserves 51 à 53. Le régulateur de pression 31 assure l’alimentation de la pile à combustible 3 à une pression constante en dihydrogène. La vanne 911 est fermée et le compresseur 8 est à l’arrêt.

[0041] Les moyens de commande 101 actionnent simultanément les moyens de mesure de la pression totale P _t de l’air et le capteur de pression 10 situé dans l’enceinte 1. Un comparateur qui fait partie du système de contrôle de la pression compare les deux valeurs et compare la valeur de la pression mesurée dans l’enceinte P _E avec une valeur seuil P _s . Cette valeur seuil est supérieure à la valeur de la pression totale P _t de l’air entourant l’enceinte 1. La valeur seuil P _s dépend notamment de la résistance mécanique de l’enveloppe souple formant l’enceinte ; elle est néanmoins inférieure à une valeur limite donnée P _L au-delà de laquelle l’enceinterisque d’être endommagée. Si le comparateur détecte que la différence de pression AP entre la pression P _E mesurée dans l’enceinte 1 et la valeur mesurée de la pression totale P _t est positive, les moyens de commande mesurent à nouveau les valeurs de pression P _E et P _t avec un pas de temps donné At. Si à t+ At, le comparateur détecte que la pression totale mesurée P _t est supérieure à la pression P _E mesurée dans l’enceinte 1 (A, P négative), les moyens de commande 101 déclenchent l’ouverture (avec régulation du débit) de la vanne 911 et éventuellement celle d’une des vannes 72 et 73 si celles-ci étaient fermées. Le dihydrogène contenu dans les réserves 51 à 53 étant sous pression par rapport à l’enceinte 1, il se déverse naturellement dans cette dernière et y augmente ainsi la pression. L’ouverture des vannes précitées est régulée par les moyens de commande 101 qui actionnent également le capteur 10. Le débit des vannes est régulé par les moyens de commande de manière à ce que la pression dans l’enceinte P _E devienne rapidement (sur un intervalle de temps inférieur à At) supérieure à la pression totale de l’air P _t .

[0042] Si à t+ At le comparateur détecte que la valeur mesurée de la pression dans l’enceinte P _E est supérieure à la valeur de seuil P _s , les moyens de commande 101 actionnent le compresseur 8 afin de pomper du dihydrogène de l’enceinte 1, de le comprimer et de l’injecter dans une ou plusieurs de réserves 51 à 53 tout en conservant la pression du dihydrogène dans l’enceinte 1 supérieure à la pression totale de l’air P _t . La pression P _E dans l’enceinte 1 est ainsi diminuée mais reste supérieure à celle de l’air environnant et le dihydrogène contenu dans les réserves 51 à 53 est maintenu sous pression.

[0043] Pendant la régulation de pression de l’enceinte P _E , l’alimentation de la pile à combustible 3 n’est pas stoppée et continue (comme indiqué par la flèche F), en parallèle de la sortie du dihydrogène des réserves 71 à 73 dans l’enceinte de sustentation 1 ou de l’injection sous pression du dihydrogène de l’enceinte 1 dans au moins une des réserves 51 à 53. Ceci est possible du fait le présence du régulateur de pression 31 montée entre les sorties des réserves 71 à 73 et l’entrée du circuit de dihydrogène de la pile à combustible 3.

[0044] Dans tous les cas, l’enceinte de sustentation est toujours remplie de dihydrogène à une pression supérieure à la pression totale de l’air entourant l’aérostat ; il n’y a donc aucun risque que de l’air extérieur ne pénètre dans l’enceinte 1 et donc aucun risque d’inflammation de l’aérostat.

[0045] Si la valeur mesurée ou déterminée de la pression dans l’enceinte P _E atteint une valeur limite donnée, la valve de sécurité s’ouvre afin de libérer rapidement du dihydrogène dans l’atmosphère.